RGB三色LED组合光源的色彩搭配

家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情RGB三色LED组合光源的色彩搭配结合红、绿、蓝光（ＲＧＢ）发光二极管（ＬＥＤ）的多重色彩光源，可以产生多样化色彩输出，同时ＬＥＤ本身也具备相当的稳定度和高效率，不过在要运用ＲＧＢＬＥＤ产出多重色彩光源并维持高品质，仍有些挑战必须克服，本文将介绍能够处理这些挑战的技术。採用ＲＧＢＬＥＤ最简单的多重色彩ＬＥＤ光源包含三组ＬＥＤ，分别为红光、绿光及蓝光，每一组都由独立的驱动模组来推动。因此，所得到的光源色彩就受到红、绿与蓝光ＬＥＤ之间相对的发光强度所影响。ＬＥＤ的发光强度可以透过驱动电流改变，或采用脉宽调变（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）的改变来推动ＬＥＤ信号，和有效週期率来加以控制。其中ＰＷＭ的做法较为普遍，因为週周期系数对发光强度间的关系要比电流与发光强度间的关系更加线性化。这类ＬＥＤ光源的简单开迴路架构方式有个潜在的问题，由于ＬＥＤ的光学特性会受到运作条件的影响，因此组合后的ＲＧＢ光源输出的亮度以及色度都会变化。同时，每颗ＬＥＤ元件也不尽相同，因此造成ＲＧＢ光源的输出产生更多变化，（图二）与（图三）就描述了几个ＬＥＤ变动的范例。家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情一个解决方式是使用光学反馈来产生一个闭回路系统，其基本的设置包含一个记录ＬＥＤ光源亮度的光感测器，以及依光感测器测量结果来调整光源输出的控制方法，这将可以让ＬＥＤ光源的亮度在每颗ＬＥＤ变化时维持稳定，也就是虽然各个零件各有变化，但总合维持不变。在（图四）中，标记为２２的积分电路可以输出一个受到光二极管（１１ａ）上光量控制的电压，这个电压与ＶＳＥＴ比较，比较器的输出能控制计数器数值的增加或减少，计数器的输出则是用来推动一个数字模拟转换器（３７），进而控制ＬＥＤ的驱动电流。另一个更先进的光学反馈方式则是采用三色光感测器，通常包含三个独立的光感测器以及上方的三色滤镜，让这类光感测器能够记录色彩资讯而不只是亮度，这将可以进一步控制红、绿与蓝光ＬＥＤ的发光强度比，这个功能相当关键，因为它让ＲＧＢ光源的亮度与色度得以控制，而ＡＳＳＰ则在三色光学反馈设计上扮演了重要的角色。三色光学回馈系统基本上来说，三色光感测器会产生一个三维色彩规格系统，因此称为ＲＧＢ感测器色彩空间，这个系统可以让特定色彩由感测器的输出电压来指定，例如具备特定亮度的Ｄ６５白光可以记录为：（Ｖｒｅｄ，Ｖｇｒｅｅｎ，Ｖｂｌｕｅ）＝（２．０，２．２，１．９）ｖｏｌｔｓ。如（图五）所示，假设以上范例所使用的Ｄ６５做为目标色，回馈系统会持续定期测量红、绿与蓝光感测器，统称为三色光感测器，并将所测量的色彩值与目标色比较。回馈系统的目的是将测得的色彩与目标色间的误差调整到０。家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情（图六）以不同的方式描述这个概念，所有可能的目标色设定点透过由红、绿与蓝光感测器所形成的ＲＧＢ感测器色彩空间内座标值来指定，当ＬＥＤ的特性改变时，所测得的色彩就会偏离目标，ＡＳＳＰ将会侦测到这个改变并随时依情况调整ＬＥＤ的ＰＷＭ信号输出。另一点相当重要，同时必须注意的是，当ＬＥＤ使用时间越久，光输出强度就会降低，因此经过一段时间后，ＲＧＢＬＥＤ系统的最大可输出亮度将会下降，虽然在大部分的应用事实上都可以接受逐渐且稳定的亮度衰减，但有时无法接受的是ＲＧＢ发光系统色度的变化，ＡＳＳＰ拥有能够稳定控制ＲＧＢ发光系统光度衰减的功能，例如维持色度的稳定在一定的容忍度内，甚至当最高可输出亮度下降时。而在系统亮度必须在整个应用的使用寿命内维持不变的情况，使用者必须确保最高可选用亮度低于整体要求寿命内的最高可达成亮度，如（图七）所示。虽然ＲＧＢ发光系统相当具有吸引力，但也面临了这项技术广泛使用的挑战限制，因此就引起了能够将三色光学回馈这类复杂情况隐藏在一个简单使用介面背后的需求，以下将介绍ＡＳＳＰ如何达成这个要求。家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情（图七）ＡＳＳＰ会将ＲＧＢ光源的色度（在此为１９３１ｘ，ｙ座标）稳定维持在一定容忍范围内，甚至是在最高可达成亮度随时间降低时无需外部处理ＡＳＳＰ整合了一系列可以分析三色光感测器色彩资讯，并计算达成目标色的设定点及ＰＷＭ驱动信号大小的一系列演算法。ＡＳＳＰ以大约每秒一百次的速度对光感测器进行取样，以确保ＰＷＭ信号的持续定期调整不会被人眼察觉，如前面所提，ＡＳＳＰ同时也包含一个可以避免ＬＥＤ老化而造成ＲＧＢ光源输出色度改变的演算法。因此在达成与维持目标色上完全不需其他的计算。色彩空间的标准化这与选择目标色设定点的设备相关性有关，ＲＧＢ感测器色彩空间会依照光感测器输出、光感测器位置、ＬＥＤ、ＬＥＤ驱动电路以及其他因素而产生变化，（图九）描述了这个问题，每个系统都在ＲＧＢ感测器色彩空间上有些微差距，因此对系统Ａ中所订定的Ｄ６５规格可能会与系统Ｂ不同。例如：系统Ａ（Ｖｒｅｄ，Ｖｇｒｅｅｎ，Ｖｂｌｕｅ）＝（２．０，２．２，１．９）ｖｏｌｔｓ；系统Ｂ（Ｖｒｅｄ，Ｖｇｒｅｅｎ，Ｖｂｌｕｅ）＝（２．１，２．４，２．３）ｖｏｌｔｓ。系统Ａ中的三色光感测器在达成Ｄ６５光输出时，会产生以上的电压位准，但对系统Ｂ的光感测器，虽然达到和Ａ系统一样的Ｄ６５光输出，却会产生不同的电压位准组合。换句话来说，由ＲＧＢ感测器色彩空间所定义的色彩规格系统在每个系统都不一样。ＡＳＳＰ整合了调校程序，让每个系统都能够使用标准的色彩规格系统，ＣＩＥ１９３１ｘｙＹ与ＣＩＥＲＧＢ为ＡＳＳＰ内建的两个系统，透过标准的色彩空间输入，使用者可以将相同的目标色送给不同系统，并可安心确保每个系统都能产生相同误差容忍范围内的色彩输出。家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情（图九）ＲＧＢ感测器色彩空间的变动可以利用ＡＳＳＰ进行调校加以解决，将ＲＧＢ感测器色彩空间对应到标准色彩系统，例如１９３１ＣＩＥｘｙＹ能够让每个系统使用标准色彩系统来选择目标色。简易地设计导入在普通情况下，ＡＳＳＰ只需支援被动元件以及一个外部ＰＲＯＭ来储存调校资料。在大部分情况下，存储器空间可以和系统及周边共用，因为调校资料仅需３１ｂｙｔｅｓ。这款ＡＳＳＰ拥有标准的两线式１００ｋＨｚＩ２Ｃ介面，同时所有的主要功能都对应到８－ｂｉｔ的定址空间上。例如要执行调校运算，只要将０ｘ０１写入ＣＴＲＬ２暂存器即可，有关其他设计的细节请参考元件的资料规格书。在生产阶段，系统可以透过使用标准的ＣＩＥ相机进行调校，调校资料必须储存在一个外部的短暂的记忆体中，而系统在导入到应用后并不需要进行调校程序。在应用上，使用者首先对设备进行组态，接着将先前储存的调校资料写入调校暂存器，这是一个简单的读出然后写入的程序，完成后，系统就可以接受目标色的输入。颜色的选择相当简单，以上述的例子为例，目标色Ｄ６５以感测器电压的方式指定，在实际应用上，目标色可以ＣＩＥ１９３１ｘｙＹ系统的座标指定，当然也可採用如ＣＩＥｕｖＹ与ＣＩＥＲＧＢ等其他色彩系统。例如，要选择照度Ｅ做为目标色，只要将（ｘ，ｙ，Ｙ）＝（３３０，３３０，２００）的值送到ＡＳＳＰ中适当的暂存器即可完成。●照度ＥＣＩＥｘ，ｙ座标为０．３３，０．３３；●将它们乘以１０００得到３３０，３３０；●选择相对亮度大小Ｙ＝２５０；●将２５０写入暂存器位址２３７与２３６来设定亮度（Ｙ值）；●将３３０写入暂存器位址２３５与２３４来设定ｘ轴色度座标；●将３３０写入暂存器位址２３３与２３２来设定ｙ轴色度座标；家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情●将０ｘ１２写入暂存器位址１（ＣＴＲＬ１）来更新到新的目标色。ＡＳＳＰ将在更新暂存器中的相对位元被设定后立即改变ＲＧＢ光输出。（註：由于启动了内部参考电路与振盪器选择，因此，只需搭配被动元件即可支援这颗元件。如果系统已经可以提供记忆空间，那么就不需要ＥＥＰＲＯＭ。）实验结果（图十三）显示了开回路与闭回路ＲＧＢ光源系统的效能差别，实验采９０００Ｋ白色目标色进行并使用ｄｕｖ做为评比指标。（公式一）其中家庭是孩子成长的第一课堂，父母是孩子的第一任老师，家庭教育对孩子的健康成长具有不可替代的作用。父母对孩子的关爱和照顾也是天经地义的事情（Ｕ２５，ｖ２５）＝１９７６ＣＩＥｕ，ｖ在２５ｏＣ时的色度座标；（ｕＴ，ｖＴ）＝１９７６ＣＩＥｕ，ｖ在温度Ｔ时的色度座标。对效能进行判别的一个基本法，则是使用ｄｕｖ＝０．００５做为人眼能够察觉变化前的色度的最小变化。（图十四）描述了温度上升时对ＬＥＤ光谱的重大影响，这项资料由９０００Ｋ白光目标色的闭回路系统取得，虽然光谱曲线出现大幅度的偏移，但ｄｕｖ依然维持在０．００５以下。结语ＲＧＢＬＥＤ光源可以说是一个相当具有吸引力的led/'target='_blank'照明解决方案，但由于ＬＥＤ特性的变化造成ＲＧＢ光源输出偏移目标色，三色式光学回馈虽然是一个经实良好的解决方案，但是在运作上却有些复杂，必须透过良好的回授控制器设计才能够简化这类系统的实现动作。