2002年美國Brown大學DavidBerson等人在哺乳動物的視網膜上發現了第三種感光細胞
，它主要在調節人體內分泌、控kong製zhi生sheng理li節jie律lv等deng非fei視shi覺jiao生sheng物wu效xiao應ying方fang麵mian發fa揮hui功gong能neng。照zhao明ming設she計ji也ye從cong單dan一yi地di考kao慮lv視shi覺jiao功gong能neng逐zhu步bu過guo渡du到dao考kao慮lv視shi覺jiao與yu非fei視shi覺jiao雙shuang重zhong功gong能neng上shang。研yan究jiu表biao明ming，動dong態tai照zhao明ming在zai治zhi療liao失shi眠mian

、減輕飛機時差效應
、提高工作效率等方麵發揮作用。

為實現LED的動態照明設計，需對光源的光色量進行實時地控製，調製出符合光生物學要求的光譜。

這裏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LED電流，後者是使用開關電dian路lu以yi相xiang對dui於yu人ren眼yan識shi別bie力li足zu夠gou高gao的de頻pin率lv來lai改gai變bian光guang輸shu出chu的de平ping均jun值zhi。在zai調tiao光guang過guo程cheng中zhong，防fang止zhi色se度du量liang發fa生sheng偏pian移yi相xiang當dang重zhong要yao。產chan生sheng色se偏pian的de因yin素su主zhu要yao有you兩liang個ge：正向導通電流和P-N結溫度。模擬調光產生的色差取決於兩者，PWM則主要決定於後者。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於方波周期時間內的平均值。PWM也因具有較寬的調節範圍，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同時控製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。該算法能定量地調製出期望光度、色度要求的光譜，為LED的動態照明設計提供了一個有效的實現方法。

實現LED動態照明設計方法

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係。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，具體位置取決於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：


式中：xc、yc和xw
、yw分別為參與混光的冷光源(高色溫LED)和暖光源(低色溫LED)在滿電流、占空比為100%下的色坐標;xm

、ym為混合光的色坐標。

1.2、光度約束條件

改變驅動LED的PWM占空比，其色度量不變而光度量相應地線性變化，且光度量的比值等於占空比的比值。根據測試條件
，光度量可以是光通量


、照度、亮度或光強

，色度量可以是色品坐標或相關色溫。

若已知兩光源的占空比
，則混合光的光度量可結合疊加原理計算如下：


式中：Yc
、Yw分別為參與混光的冷光源和暖光源在滿電流
、占空比為100%下的光度量;Dc
、Dw分別為冷光源和暖光源的占空比;Ym為混合光的光度量。這就是兩通道PWM混光的光度約束條件。
[page]
1.3
、色度約束條件

根據加混色原理及CIE1931色坐標計算方法
，占空比分別為Dc、Dw時兩光源混光後的色坐標應滿足：


式中：Rc=Yc/yc，Rw=Yw/yw。實際上，由幾何約束條件可知，當已知兩光源的色品坐標和混合光的x坐標時，混合光的y坐標是確定的，且是唯一的。故兩通道PWM混光的色度約束條件可簡化為：


1.4
、兩通道PWM調光調色的定量計算模型

在PWM混光下，占空比是控製光色量的唯一因素。若期望的光度量為Ym
，期望的色坐標為(xm
，ym)，則兩通道占空比可結合光度、色度約束條件求得。若期望的色度量是相關色溫，則需先將期望相關色溫結合幾何約束條件轉換為期望色坐標。轉換方法為：在CIE1931色品圖中做Tm的等溫線
，把(xc，yc)和(xw，yw)的連線與此等溫線的交點作為期望色坐標(xm，ym)。聯立式(2)和式(4)並將其寫成矩陣的形式如下：


由線性代數知識可知
，當xc≠xw且yc≠yw時方程組有唯一解。由此可知，給定期望色度、光度值下的占空比是確定的，且是唯一的。此時，計算占空比與計算混合光的光色量是可逆過程。

2


、兩通道PWM調光調色的局限性

理論上，混合光色坐標xm的取值範圍為[xc


，xw](設xc《xw)，混合光的光度量Ym的取值範圍為[0，Yc+Yw]。混合光色度量和光度量所有可能取值所圍成的區域稱作理論域。事實上，兩通道PWMdetiaoguangtiaosefangfabingbunengshixianlilunyuzhongdesuoyouquzhi，erjinkeshixianbufentedingdequyu。keshixiandequyuchengzuokexingyu


，kexingyudebianjiezhuyaoyoudianliyueshutiaojianjueding。

2.1、電力約束條件

從實際意義出發，兩通道的占空比還應滿足0≤Dc≤1，0≤Dw≤1，將式(5)解得的Dc
、Dw代入該不等式，經化簡後得到兩通道PWM混光下的電力約束條件如下：


上述電力約束條件可由圖1表示
，圖中x0=(Rcxc+Rwxw)/(Rc+Rw)，是兩種LED占空比之比為1:1時混合光的色坐標x.圖中所示的整個矩形區域就是兩通道PWM混光下的理論域，陰影部分即為可行域。若參與混光的兩種LED已選定，當利用式(5)計算實現期望光色量的占空比時，應首先判斷期望值是否在可行域內。若在可行域中
，則可利用兩通道PWM混光方法得到。否則，應考慮更換參與混光的光源。
[page]
2.2
、局限性的表征

為表征兩通道PWM調光調色的能力
，定義可控比，它是可行域與理論域的比值，用公式表示為：


式中：δ為可控比。將式(7)化簡後可得：


從上式可以看出，可控比由參與混光的兩光源本身決定

，與外在控製方法無關。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於x0處取遍所有理論光度值;2)若混合光的光度量不大於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。根據光色值的變化範圍，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。

根據兩通道PWM調光調色的局限性
，計算期望光色值在理論域中的坐標值，如圖2所示。進而根據式(5)計算落在可行域內的各光色值的占空比。單片機把各時間點具備特定占空比的方波動態分配給相應的LED驅動芯片。兩種LED均勻分布並用乳白玻璃將燈光混合，用檢測設備實時測量其混合光的光色量。
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檢測儀器選用SUV3000紫外可見光譜輻射分析儀，測量過程在標準暗室中進行。測量結果如圖3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麵：

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波形並非理想的方波。即使在同一開關狀態下，電流也並非保持恒定。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特性；
4)檢測儀器的係統誤差以及操作過程中的隨機誤差。

結論

本研究提出了一種新型的基於PWM的調光調色方法，建立了關於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。

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