RGB LED組合光源的色彩管理-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯RGBLED組合光源的色彩管理-基礎(chǔ)電子結(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(guò)在要運(yùn)用ＲＧＢＬＥＤ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(cǎi)用ＲＧＢＬＥＤ

簡(jiǎn)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(lái)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(guò)驅(qū)動(dòng)電流改變，或采用脈寬調(diào)變（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）的改變來(lái)推動(dòng)ＬＥＤ信號(hào)，和有效週期率來(lái)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(lèi)ＬＥＤ光源的簡(jiǎn)單開(kāi)迴路架構(gòu)方式有個(gè)潛在的問(wèn)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。

（圖二）ＲＧＢＬＥＤ輸出光譜受溫度影響偏移的范例

（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(lái)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(lái)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(lái)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(lèi)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專遥牵鹿庠吹牧炼扰c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。

（圖四）實(shí)現(xiàn)光學(xué)回饋的電路

三色光學(xué)回饋系統(tǒng)

基本上來(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)一段時(shí)間后，ＲＧＢＬＥＤ系統(tǒng)的可輸出亮度將會(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(wú)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)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?？蛇x用亮度低于整體要求壽命內(nèi)的可達(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(lèi)復(fù)雜情況隱藏在一個(gè)簡(jiǎn)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。

（圖六）ＲＧＢ感測(cè)器色彩空間的三線式座標(biāo)系統(tǒng)

（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)，甚至是在可達(dá)成亮度隨時(shí)間降低時(shí)

無(wú)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(jué)，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(wèn)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(lái)說(shuō)，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)，ＣＩＥ１９３１ｘｙＹ與ＣＩＥＲＧＢ為ＡＳＳＰ內(nèi)建的兩個(gè)系統(tǒng)，透過(guò)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。

（圖八）ＡＳＳＰ直接由三色光感測(cè)器取樣并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成所需的ＬＥＤＰＷＭ信號(hào)

（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１９３１ＣＩＥｘｙＹ能夠讓每個(gè)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)色彩系統(tǒng)來(lái)選擇目標(biāo)色。

簡(jiǎn)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(lái)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ＡＳＳＰ擁有標(biāo)準(zhǔn)的兩線式１００ｋＨｚＩ２Ｃ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(xiě)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(shū)。

在生產(chǎn)階段，系統(tǒng)可以透過(guò)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(xiě)入調(diào)校暫存器，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的讀出然后寫(xiě)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(jiǎn)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ＣＩＥ１９３１ｘｙＹ系統(tǒng)的座標(biāo)指定，當(dāng)然也可採(cǎi)用如ＣＩＥｕｖＹ與ＣＩＥＲＧＢ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?/p>

●照度ＥＣＩＥｘ，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?。伲剑玻担?；

●將２５０寫(xiě)入暫存器位址２３７與２３６來(lái)設(shè)定亮度（Ｙ值）；

●將３３０寫(xiě)入暫存器位址２３５與２３４來(lái)設(shè)定ｘ軸色度座標(biāo)；

●將３３０寫(xiě)入暫存器位址２３３與２３２來(lái)設(shè)定ｙ軸色度座標(biāo)；

●將０ｘ１２寫(xiě)入暫存器位址１（ＣＴＲＬ１）來(lái)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。

（圖十）三色管理系統(tǒng)的典型組態(tài)

（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。）

（圖十一）ＡＳＳＰ的部分暫存器空間范例，每個(gè)位元都對(duì)應(yīng)到一項(xiàng)功能

（圖十二）典型的設(shè)計(jì)流程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（圖十三）顯示了開(kāi)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）＝１９７６ＣＩＥｕ，ｖ在２５ｏＣ時(shí)的色度座標(biāo)；

（ｕＴ，ｖＴ）＝１９７６ＣＩＥｕ，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(jué)變化前的色度的變化。

（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０．０