RGB LED組合光源的色彩管理

       結(jié)合紅、綠、藍(lán)光（RGB）發(fā)光二極管（LED）的多重色彩光源，可以產(chǎn)生多樣化色彩輸出，同時(shí)LED本身也具備相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定度和高效率，不過在要運(yùn)用RGB LED產(chǎn)出多重色彩光源并維持高品質(zhì)，仍有些挑戰(zhàn)必須克服，本文將介紹能夠處理這些挑戰(zhàn)的技術(shù)。

採用RGB LED

       最簡單的多重色彩LED光源包含三組LED，分別為紅光、綠光及藍(lán)光，每一組都由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)模組來推動(dòng)。因此，所得到的光源色彩就受到紅、綠與藍(lán)光LED之間相對(duì)的發(fā)光強(qiáng)度所影響。LED的發(fā)光強(qiáng)度可以透過驅(qū)動(dòng)電流改變，或采用脈寬調(diào)變（Pulse Width Modulation；PWM）的改變來推動(dòng)LED信號(hào)，和有效週期率來加以控制。其中PWM的做法較為普遍，因?yàn)檫L周期系數(shù)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度間的關(guān)系要比電流與發(fā)光強(qiáng)度間的關(guān)系更加線性化。

(圖一)　CIE1931色彩空間

　

這類LED光源的簡單開迴路架構(gòu)方式有個(gè)潛在的問題，由于LED的光學(xué)特性會(huì)受到運(yùn)作條件的影響，因此組合后的RGB光源輸出的亮度以及色度都會(huì)變化。同時(shí)，每顆LED元件也不盡相同，因此造成RGB光源的輸出產(chǎn)生更多變化，(圖二)與(圖三)就描述了幾個(gè)LED變動(dòng)的范例。

(圖三)　LED相對(duì)強(qiáng)度受到溫度影響造成偏移的范例，以25oC為標(biāo)準(zhǔn)

　

        一個(gè)解決方式是使用光學(xué)反饋來產(chǎn)生一個(gè)閉回路系統(tǒng)，其基本的設(shè)置包含一個(gè)記錄LED光源亮度的光感測(cè)器，以及依光感測(cè)器測(cè)量結(jié)果來調(diào)整光源輸出的控制方法，這將可以讓LED光源的亮度在每顆LED變化時(shí)維持穩(wěn)定，也就是雖然各個(gè)零件各有變化，但總合維持不變。

       在(圖四)中，標(biāo)記為22的積分電路可以輸出一個(gè)受到光二極管（11a）上光量控制的電壓，這個(gè)電壓與VSET比較，比較器的輸出能控制計(jì)數(shù)器數(shù)值的增加或減少，計(jì)數(shù)器的輸出則是用來推動(dòng)一個(gè)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（37），進(jìn)而控制LED的驅(qū)動(dòng)電流。

       另一個(gè)更先進(jìn)的光學(xué)反饋方式則是采用三色光感測(cè)器，通常包含三個(gè)獨(dú)立的光感測(cè)器以及上方的三色濾鏡，讓這類光感測(cè)器能夠記錄色彩資訊而不只是亮度，這將可以進(jìn)一步控制紅、綠與藍(lán)光LED的發(fā)光強(qiáng)度比，這個(gè)功能相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)樗孯GB光源的亮度與色度得以控制，而ASSP則在三色光學(xué)反饋設(shè)計(jì)上扮演了重要的角色。

三色光學(xué)回饋系統(tǒng)

基本上來說，三色光感測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)三維色彩規(guī)格系統(tǒng)，因此稱為RGB感測(cè)器色彩空間，這個(gè)系統(tǒng)可以讓特定色彩由感測(cè)器的輸出電壓來指定，例如具備特定亮度的D65白光可以記錄為：（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.0, 2.2, 1.9）volts。

如(圖五)所示，假設(shè)以上范例所使用的D65做為目標(biāo)色，回饋系統(tǒng)會(huì)持續(xù)定期測(cè)量紅、綠與藍(lán)光感測(cè)器，統(tǒng)稱為三色光感測(cè)器，并將所測(cè)量的色彩值與目標(biāo)色比較。回饋系統(tǒng)的目的是將測(cè)得的色彩與目標(biāo)色間的誤差調(diào)整到0。

(圖五)　三色光學(xué)回饋系統(tǒng)

　

       (圖六)以不同的方式描述這個(gè)概念，所有可能的目標(biāo)色設(shè)定點(diǎn)透過由紅、綠與藍(lán)光感測(cè)器所形成的RGB感測(cè)器色彩空間內(nèi)座標(biāo)值來指定，當(dāng)LED的特性改變時(shí)，所測(cè)得的色彩就會(huì)偏離目標(biāo)，ASSP將會(huì)偵測(cè)到這個(gè)改變并隨時(shí)依情況調(diào)整LED的PWM信號(hào)輸出。

        另一點(diǎn)相當(dāng)重要，同時(shí)必須注意的是，當(dāng)LED使用時(shí)間越久，光輸出強(qiáng)度就會(huì)降低，因此經(jīng)過一段時(shí)間后，RGB LED系統(tǒng)的最大可輸出亮度將會(huì)下降，雖然在大部分的應(yīng)用事實(shí)上都可以接受逐漸且穩(wěn)定的亮度衰減，但有時(shí)無法接受的是RGB發(fā)光系統(tǒng)色度的變化，ASSP擁有能夠穩(wěn)定控制RGB發(fā)光系統(tǒng)光度衰減的功能，例如維持色度的穩(wěn)定在一定的容忍度內(nèi)，甚至當(dāng)最高可輸出亮度下降時(shí)。

         而在系統(tǒng)亮度必須在整個(gè)應(yīng)用的使用壽命內(nèi)維持不變的情況，使用者必須確保最高可選用亮度低于整體要求壽命內(nèi)的最高可達(dá)成亮度，如(圖七)所示。

         雖然RGB發(fā)光系統(tǒng)相當(dāng)具有吸引力，但也面臨了這項(xiàng)技術(shù)廣泛使用的挑戰(zhàn)限制，因此就引起了能夠?qū)⑷鈱W(xué)回饋這類復(fù)雜情況隱藏在一個(gè)簡單使用介面背后的需求，以下將介紹ASSP如何達(dá)成這個(gè)要求。

(圖七)　ASSP會(huì)將RGB光源的色度（在此為1931x,y座標(biāo)）穩(wěn)定維持在一定容忍范圍內(nèi)，甚至是在最高可達(dá)成亮度隨時(shí)間降低時(shí)

 

無需外部處理

       ASSP整合了一系列可以分析三色光感測(cè)器色彩資訊，并計(jì)算達(dá)成目標(biāo)色的設(shè)定點(diǎn)及PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)大小的一系列演算法。ASSP以大約每秒一百次的速度對(duì)光感測(cè)器進(jìn)行取樣，以確保PWM信號(hào)的持續(xù)定期調(diào)整不會(huì)被人眼察覺，如前面所提，ASSP同時(shí)也包含一個(gè)可以避免LED老化而造成RGB光源輸出色度改變的演算法。

因此在達(dá)成與維持目標(biāo)色上完全不需其他的計(jì)算。

 

色彩空間的標(biāo)準(zhǔn)化

      這與選擇目標(biāo)色設(shè)定點(diǎn)的設(shè)備相關(guān)性有關(guān)，RGB感測(cè)器色彩空間會(huì)依照光感測(cè)器輸出、光感測(cè)器位置、LED、LED驅(qū)動(dòng)電路以及其他因素而產(chǎn)生變化，(圖九)描述了這個(gè)問題，每個(gè)系統(tǒng)都在RGB感測(cè)器色彩空間上有些微差距，因此對(duì)系統(tǒng)A中所訂定的D65規(guī)格可能會(huì)與系統(tǒng)B不同。

例如：

系統(tǒng)A（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.0, 2.2, 1.9）volts；

系統(tǒng)B（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.1, 2.4, 2.3）volts。

系統(tǒng)A中的三色光感測(cè)器在達(dá)成D65光輸出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以上的電壓位準(zhǔn)，但對(duì)系統(tǒng)B的光感測(cè)器，雖然達(dá)到和A系統(tǒng)一樣的D65光輸出，卻會(huì)產(chǎn)生不同的電壓位準(zhǔn)組合。換句話來說，由RGB感測(cè)器色彩空間所定義的色彩規(guī)格系統(tǒng)在每個(gè)系統(tǒng)都不一樣。

       ASSP整合了調(diào)校程序，讓每個(gè)系統(tǒng)都能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的色彩規(guī)格系統(tǒng)，CIE1931 xyY與CIE RGB為ASSP內(nèi)建的兩個(gè)系統(tǒng)，透過標(biāo)準(zhǔn)的色彩空間輸入，使用者可以將相同的目標(biāo)色送給不同系統(tǒng)，并可安心確保每個(gè)系統(tǒng)都能產(chǎn)生相同誤差容忍范圍內(nèi)的色彩輸出。

(圖九)　RGB感測(cè)器色彩空間的變動(dòng)可以利用ASSP進(jìn)行調(diào)校加以解決，將RGB感測(cè)器色彩空間對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)色彩系統(tǒng)，

例如1931 CIE xyY能夠讓每個(gè)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)色彩系統(tǒng)來選擇目標(biāo)色。

 

簡易地設(shè)計(jì)導(dǎo)入

        在普通情況下，ASSP只需支援被動(dòng)元件以及一個(gè)外部PROM來儲(chǔ)存調(diào)校資料。在大部分情況下，存儲(chǔ)器空間可以和系統(tǒng)及周邊共用，因?yàn)檎{(diào)校資料僅需31bytes。

        這款A(yù)SSP擁有標(biāo)準(zhǔn)的兩線式100 kHz I2C介面，同時(shí)所有的主要功能都對(duì)應(yīng)到8-bit的定址空間上。例如要執(zhí)行調(diào)校運(yùn)算，只要將0x01寫入CTRL2暫存器即可，有關(guān)其他設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)請(qǐng)參考元件的資料規(guī)格書。

        在生產(chǎn)階段，系統(tǒng)可以透過使用標(biāo)準(zhǔn)的CIE相機(jī)進(jìn)行調(diào)校，調(diào)校資料必須儲(chǔ)存在一個(gè)外部的短暫的記憶體中，而系統(tǒng)在導(dǎo)入到應(yīng)用后并不需要進(jìn)行調(diào)校程序。在應(yīng)用上，使用者首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，接著將先前儲(chǔ)存的調(diào)校資料寫入調(diào)校暫存器，這是一個(gè)簡單的讀出然后寫入的程序，完成后，系統(tǒng)就可以接受目標(biāo)色的輸入。

        顏色的選擇相當(dāng)簡單，以上述的例子為例，目標(biāo)色D65以感測(cè)器電壓的方式指定，在實(shí)際應(yīng)用上，目標(biāo)色可以CIE 1931xyY系統(tǒng)的座標(biāo)指定，當(dāng)然也可採用如CIE uvY與CIE RGB等其他色彩系統(tǒng)。例如，要選擇照度E做為目標(biāo)色，只要將（x, y, Y）=（330, 330, 200）的值送到ASSP中適當(dāng)?shù)臅捍嫫骷纯赏瓿伞?br/>
●照度E CIE x,y座標(biāo)為0.33, 0.33；

●將它們乘以1000得到330, 330；

●選擇相對(duì)亮度大小Y = 250；

●將250寫入暫存器位址237與236來設(shè)定亮度（Y值）；

●將330寫入暫存器位址235與234來設(shè)定x軸色度座標(biāo)；

●將330寫入暫存器位址233與232來設(shè)定y軸色度座標(biāo)；

●將0x12寫入暫存器位址1（CTRL1）來更新到新的目標(biāo)色。

ASSP將在更新暫存器中的相對(duì)位元被設(shè)定后立即改變RGB光輸出。

（註：由于啟動(dòng)了內(nèi)部參考電路與振盪器選擇，因此，只需搭配被動(dòng)元件即可支援這顆元件。如果系統(tǒng)已經(jīng)可以提供記憶空間，那么就不需要EEPROM。）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(圖十三)顯示了開回路與閉回路RGB光源系統(tǒng)的效能差別，實(shí)驗(yàn)采9000K白色目標(biāo)色進(jìn)行并使用duv做為評(píng)比指標(biāo)。

(公式一)

　

其中

（U25, v25）=1976 CIE u, v在25oC時(shí)的色度座標(biāo)；

（uT, vT）=1976 CIE u, v在溫度T時(shí)的色度座標(biāo)。

對(duì)效能進(jìn)行判別的一個(gè)基本法，則是使用duv = 0.005做為人眼能夠察覺變化前的色度的最小變化。

(圖十三)　色度因溫度變化的測(cè)量值

　

(圖十四)描述了溫度上升時(shí)對(duì)LED光譜的重大影響，這項(xiàng)資料由9000K白光目標(biāo)色的閉回路系統(tǒng)取得，雖然光譜曲線出現(xiàn)大幅度的偏移，但duv依然維持在0.005以下。

(圖十四)　光譜因溫度造成的偏移，色度的偏移duv ＜ 0.005

 

結(jié)語

       RGB LED光源可以說是一個(gè)相當(dāng)具有吸引力的照明解決方案，但由于LED特性的變化造成RGB光源輸出偏移目標(biāo)色，三色式光學(xué)回饋雖然是一個(gè)經(jīng)實(shí)良好的解決方案，但是在運(yùn)作上卻有些復(fù)雜，必須透過良好的回授控制器設(shè)計(jì)才能夠簡化這類系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。