繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經出現在了我們的生活的各個地方，也照亮著我們的生活。美國Brown大學DavidBerson等人在哺乳動物的視網膜上發(fā)現了第三種感光細胞，它主要在調節(jié)人體內分泌、控制生理節(jié)律等非視覺生物效應方面發(fā)揮功能。照明設計也從單一地考慮視覺功能逐步過渡到考慮視覺與非視覺雙重功能上。研究表明，動態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機時差效應、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。

為實現LED的動態(tài)照明設計，需對光源的光色量進行實時地控制，調制出符合光生物學要求的光譜。這里的光色量是光度量和色度量的合稱。LED常用的調光方法有模擬調光和PWM(PulseWidthModulation)調光兩種。前者是線性調節(jié)LED電流，后者是使用開關電路以相對于人眼識別力足夠高的頻率來改變光輸出的平均值。在調光過程中，防止色度量發(fā)生偏移相當重要。產生色偏的因素主要有兩個：正向導通電流和P-N結溫度。模擬調光產生的色差取決于兩者，PWM則主要決定于后者。一般情況下PWM 產生較小的色差(白光LED因結溫引起的色差不超過4SDCM)，工程實踐中多不考慮PWM調光產生的色差。

恒流驅動下的PWM具有以下特點：改變LED的占空比，光度量相應地線性改變而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整數倍于方波周期時間內的平均值。PWM也因具有較寬的調節(jié)范圍，在工程實踐中得到了廣泛應用。目前對PWM調光調色的研究相對較少，此前尚缺乏一個利用PWM同時控制光源光度量和色度量的量化計算方案。針對上述問題，提出了兩通道PWM調光調色的混光模型，建立了期望光色量與兩通道占空比之間的一一映射。該算法能定量地調制出期望光度、色度要求的光譜，為LED的動態(tài)照明設計提供了一個有效的實現方法。

方法

1、兩通道PWM調光調色的確定性

理論上可以證明，通過對LED 進行混光，兩通道PWM的占空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關系。這種確定性由PWM混光技術下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。

1.1、幾何約束條件

由色度學知識可知，混合光的色品坐標必在參與混光的兩光源色品坐標連線上，具體位置取決于兩種光源的混合比例。以此表示兩通道PWM混光的幾何約束條件，用公式表示如下：

從上式可以看出，可控比由參與混光的兩光源本身決定，與外在控制方法無關。可控比越大，說明PWM調控裕度越大，實現預期光度、色度值的概率越大。所以，可控比可作為光源組合選擇優(yōu)劣的評判標準。

從圖1中還可以看出：1)混合光的色度量能且僅能在對應于x0處取遍所有理論光度值;2)若混合光的光度量不大于Yc、Yw中的較小者，則可取遍所有理論色度值。所以要實現所有的色度值，Yc和Yw不應相差太大，且兩者的較小值應與期望光度值中的最大值相當。同樣實驗表明，Rc和Rw的差值越小，則可控比就越大，兩種LED的利用率就越高。所以，在都能實現期望值的情況下，應選擇Rc和Rw相差最小的光源組合。

實驗與結果分析

根據P.R.Boyce、J.W.Beckstead、N.H.Eklund等人實驗提供的日光照度和色溫變化曲線，選取26個時間關節(jié)點上的光色值，對從黎明到中午的自然光進行模擬。根據光色值的變化范圍，選擇了兩種高顯色性白光LED，LED的光色電等基本參數如表1所示。

實測照度值與期望照度值的平均誤差為15lx，實測色溫值與期望色溫值平均誤差為23K.

實驗過程中，實測值與理論值存在一定的誤差，但總體上還是得到了很好的匹配。誤差主要來自以下幾個方面：1)隨著實驗過程的進行，LED芯片的結溫不斷升高。結溫的改變會引起其光度量和色度量的變化;2)驅動LED芯片的PWM波形并非理想的方波。即使在同一開關狀態(tài)下，電流也并非保持恒定。而驅動電流的變化則會導致LED光度量和色度量的變化。占空比越小，這種情況引起的誤差就越大。

3)LED個體性差異。即使是同一型號，同一批次的LED，其光度量和色度量也會不同，特別是兩者的動態(tài)特性。而在實驗中認為同一種LED具有相同的光色電參數和動態(tài)特性。4)檢測儀器的系統(tǒng)誤差以及操作過程中的隨機誤差。本研究提出了一種新型的基于PWM的調光調色方法，建立了關于期望光色量和兩通道占空比的一一映射模型，可以準確的實現預期光度和色度要求的光譜，為LED的動態(tài)照明技術提供了理論依據和實現方法。

另外，該調光調色方法在LED背光領域亦具有潛在的應用前景。相信在未來的科學技術更加發(fā)達的時候，LED會以更加多種類的方式為我們的生活帶來更大的方便，這就需要我們的科研人員更加努力學習知識，這樣才能為科技的發(fā)展貢獻自己的力量。