LED在景觀(guān)照明中的基本混光方式

1 引言

自全球第一款應用GaAsP材料制造的商用LED在1965年研制成功后，隨著(zhù)新材料的開(kāi)發(fā)和器件新工藝的出現，LED在顏色的拓展、亮度和發(fā)光效率的提高上已取得幾次重大的進(jìn)展，目前LED主要應用在顯示屏、照明燈具、激光器、多媒體顯像、背光源、儀器儀表、交通信號、汽車(chē)照明、光纖通信和玩具等領(lǐng)域。LED作為固體光源具有節能、環(huán)保、安全、長(cháng)壽命、顏色豐富、白光、微型、高亮度、易調光等優(yōu)勢，是一種符合綠色照明要求的光源，但要在道路照明和普通室內照明等功能性照明領(lǐng)域取代傳統光源，目前還受到發(fā)光光效不高，功率不大，光學(xué)系統設計困難和價(jià)格貴的限制。然而，在公園、綠地、廣場(chǎng)、建筑和城市高架等景觀(guān)照明場(chǎng)所，由于LED色彩豐富，理論上僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線(xiàn)中的所有飽和顏色，并且各種顏色LED通過(guò)混光以及與磷的有機整合幾乎能夠毫無(wú)限制地產(chǎn)生任何顏色，同時(shí)可低壓直流供電，調光方便，因此在景觀(guān)照明領(lǐng)域具有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢，目前已獲得廣泛應用，也將是LED最具應用潛力的領(lǐng)域之一，本文主要探討LED在景觀(guān)照明中的混光方式。

2 LED適合于混光使用的主要特性

并非所有的光源都適合于混光和調光，而LED具有譜線(xiàn)窄、在工作電壓范圍內發(fā)光亮度與正向電流近似成正比、響應速度快和體積小的特點(diǎn)，使其非常適合于混光使用。

2.1 光譜特性

理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長(cháng)和頻率取決于選用半導體材料的能隙Eg，其公式如下[1]：

Eg=hv/q=hc/(λq) (1)

λ=hc(qEg)=1240/Eg (nm) (2)

式中：λ為發(fā)光波長(cháng)，v為電子運動(dòng)速度，h為普朗克常數，q為載流子所帶電荷，c為光速。

由于不同材料的能隙不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長(cháng)的光。發(fā)光二極管所發(fā)出的光不是純單色光，但是，除了激光外，它的譜線(xiàn)寬度都比其它光源所發(fā)出的譜線(xiàn)窄。例如砷化鎵發(fā)光二極管的譜線(xiàn)寬度只有25nm。因此，可以近似認為是單色光，幾種不同顏色的LED通過(guò)合理混光后可以得到比較純正的其它色光。

2.2 電流/發(fā)光亮度特性

在正向導通之前，LED中幾乎無(wú)電流流過(guò)，當電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導體器件，其發(fā)光亮度L(cd/m2)于正向工作電流IF近似成正比[2]：

L=KIFm (3)

式中：K為比例系數。

在小電流范圍內(IF=1～10mA)，m=1.3～1.5，當IF>10mA時(shí)，m=1，式(3)可簡(jiǎn)化為：

L=KIF (4)

即，LED發(fā)光亮度與電流成正比。使用時(shí)應根據所要求的顯示亮度以及具體的LED參數來(lái)選取合適的IF值，這樣既保證亮度適中，也不會(huì )損壞LED，若電流過(guò)大，就會(huì )燒毀LED的PN結。因此，可以在LED的工作電流范圍內通過(guò)調節流過(guò)LED的電流來(lái)調節LED的亮度。

2.3 響應時(shí)間特性

LED的響應時(shí)間是標志其反應速度的一個(gè)重要參數，尤其是在脈沖驅動(dòng)或電壓調制時(shí)顯得非常重要。

LED的時(shí)間響應特性指LED隨電信號變化啟亮和熄滅的延遲特性，用響應時(shí)間來(lái)描述，響應時(shí)間包括上升時(shí)間和下降時(shí)間，上升時(shí)間是從接通電源使LED的發(fā)光亮度達到正常亮度10%開(kāi)始到LED的發(fā)光亮度達到正常亮度90%所經(jīng)歷的時(shí)間，下降時(shí)間是LED斷電后，發(fā)光亮度由正常值的90%下降到正常值的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED響應時(shí)間主要取決于載流子的壽命、器件的結電容和電路阻抗，與流過(guò)管子的電流大小無(wú)關(guān)。不同種類(lèi)LED的響應時(shí)間是不同的，即使是同類(lèi)LED其響應時(shí)間也有差別，一般在5納秒至500納秒之間。

因此，LED可利用交流供電或脈沖供電獲得調制光或脈沖光，調制頻率可高達幾十兆赫，并且LED的高頻亮滅及亮滅次數不會(huì )影響其使用壽命。

2.4 LED體積小

在景觀(guān)照明應用中，要產(chǎn)生全彩動(dòng)態(tài)變化效果，就需要將紅、綠、藍光LED根據配色要求按一定比例構成發(fā)光單元，在同一個(gè)發(fā)光單元中，LED應緊密排列，這樣可使得各LED的光斑在觀(guān)賞者眼中成像重疊，相鄰發(fā)光單元中心距應相同，并且該中心距應滿(mǎn)足：

D≥2Ltan(θ/2) (5)

式中:D為相鄰發(fā)光單元的最小中心距，L為正常使用時(shí)觀(guān)看點(diǎn)與光源部位的垂直距離，θ為人眼最小分辨角。

LED體積小的特性也比較適合于混光使用。

3 LED三基色混光的基本原理

3.1 三基色基本內容

彩色視覺(jué)是人眼的—種明視覺(jué)。彩色光的基本參數有：明亮度、色調和飽和度。雖然不同波長(cháng)的色光會(huì )引起不同的彩色感覺(jué)，但相同的彩色感覺(jué)卻可來(lái)自不同的光譜成分組合。例如，適當比例的紅光和綠光混合后，可產(chǎn)生與單色黃光相同的彩色視覺(jué)效果。事實(shí)上，自然界中所有彩色都可以由三種基本彩色混合而成，這就是三基色原理[3]。

三基色是這樣的三種顏色，它們相互獨立，其中任一色均不能由其它二色混合產(chǎn)生。它們又是完備的，即所有其它顏色都可以由三基色按不同的比例組合而得到。有兩種基色系統，一種是加色系統，其基色是紅、綠、藍;另一種是減色系統，其三基色是黃、青、紫(或品紅)。不同比例的三基色光相加得到彩色稱(chēng)為相加混色，其規律為：紅+綠=黃;紅+藍=紫;藍+綠=青;紅+藍+綠=白。

根據人眼上述的彩色視覺(jué)特征，就可以選擇三種基色，將它們按不同的比例組合而引起各種不同的彩色視覺(jué)。這就是三基色原理的主要內容。三基色不是唯一的，原則上可采用各種不同的三色組，為標準化起見(jiàn)，國際照明委員會(huì )(CIE)作了統一規定，即選用紅光波長(cháng)700納米，綠光波長(cháng)546.1納米，藍光波長(cháng)435.8納米的三色光作為三基色。實(shí)驗發(fā)現，人眼的視覺(jué)響應應取決于紅、綠、藍三分量的代數和，即它們的比例決定了彩色視覺(jué)，而其亮度在數量上等于三基色的總和。

3.2 LED三基色混光基本原理

LED三基色混光是指利用R-LED(紅色LED)、G-LED(綠色LED)和B-LED(藍色LED)進(jìn)行混光，產(chǎn)生各種照明色彩。根據國際照明委員會(huì )(CIE)色度圖可知， 光的色彩與三基色R、G和B的比例量r(λ)，g(λ)，b(λ)有關(guān)，并且滿(mǎn)足條件r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。因此，該方法不僅能夠通過(guò)改變LED電流的大小實(shí)現亮度調節，而且可以根據用戶(hù)的喜好改變三基色流明的比例獲得LED的色彩調節。

由于人眼存在視覺(jué)惰性,所以,當周期光信號頻率高于臨界閃爍頻率時(shí),眼睛對此周期光信號的視覺(jué)感覺(jué)就像恒定光一樣,根據塔爾波特(Talbot)定律，視覺(jué)亮度為:

L均=1/T∫T

D L(t)dt (6)

式中:L(t) 是周期光信號的實(shí)際亮度，稱(chēng)為亮度函數，T為光信號周期。式(6)表明,對于大于臨界閃爍頻率的周期光信號,眼睛感覺(jué)的視覺(jué)亮度是實(shí)際亮度的平均值。當亮度函數L(t)為常數L時(shí),周期光信號的視覺(jué)亮度為:

L均=t/(TL)=DL (7)

式中:t為每個(gè)周期中光刺激的時(shí)間，設D=t/T。

式(7)表明,通過(guò)周期性的控制光脈沖寬度,即控制占空比D，就可以實(shí)現對LED亮度的控制。這種控制方式稱(chēng)為PWM方式。PWM方式控制靈活, 易于數字化，是目前LED混光的主要方式。

4 LED三基色混光的基本方式

LED在景觀(guān)照明中的主要應用方式一是使用其本色或調節其工作電流從而得到單色亮度調節;二是使用RGB三基色LED排列組成發(fā)光單元后進(jìn)行開(kāi)關(guān)組合控制，產(chǎn)生七彩變化;三是利用RGB三基色LED有序排列后通過(guò)合理的控制產(chǎn)生多色甚至全彩動(dòng)態(tài)變化;四是由超高亮RGB三基色LED混光后產(chǎn)生超高亮白光LED。

4.1 單色和七彩燈光系統的混光方式

對于單色LED燈而言，一般并不需要亮度調節，只需合適地控制其亮滅即可，然而由于其節能環(huán)保，單色品種齊全，可柔性使用，目前已在各個(gè)非功能性照明領(lǐng)域大量應用。七彩LED由于控制簡(jiǎn)單和效果良好在景觀(guān)照明中被廣泛使用，其基本混光方式是紅、綠、藍單獨啟亮可獲得三種顏色，通過(guò)燈具混光后紅與綠疊加得到黃色，紅與藍疊加得到紫色，藍與綠疊加得到青色，紅與藍與綠疊加得到白色，再通過(guò)適當的燈具混光、組合、驅動(dòng)和控制，可以實(shí)現同步變化、七彩追逐等景觀(guān)效果。

4.2 多色和全彩景觀(guān)照明系統的混光方式

無(wú)論用LED制作多色或全彩燈光系統，欲顯示各種顏色，需要構成發(fā)光單元的每個(gè)LED的發(fā)光亮度都必須能調節，其調節的精細程度就是燈光系統的灰度等級?；叶鹊燃壴礁?，燈光系統顯示就越細膩，色彩也越豐富，相應的控制系統也越復雜。一般256級灰度的燈光系統，顏色過(guò)渡已十分柔和，在控制系統的控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256X256X256(即16777216)種顏色，形成不同光色的組合，可實(shí)現豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。不管灰度等級為多少，其混光方式主要有以下四種。

(1)模擬混光方式, 即采用可變電阻負載調光，除了紅光LED隨著(zhù)電流的升高亮度會(huì )飽和外,一般其它LED的亮度都會(huì )隨著(zhù)其工作電流的增大而增大,因此可以通過(guò)改變可變電阻從而調節LED的工作電流的方法在較大范圍內控制LED的亮度，如通過(guò)向LED施加50%的工作電流可實(shí)現約50%的亮度。

(2)脈寬調制(PWM)方式,LED的響應時(shí)間一般只有幾納秒至幾百納秒,適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運作的場(chǎng)合,同時(shí)由于LED特定的電流/發(fā)光強度特性，因此可以通過(guò)周期性的脈沖寬度調制,亦即控制輸出電流占空比的方式來(lái)實(shí)現對LED亮度的調節,例如要將亮度減半,只需在50%的占空周期內提供電流就可以實(shí)現了。為確保人的肉眼感受不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100Hz，最大PWM頻率取決與電源啟動(dòng)和響應時(shí)間。為提供最大的靈活性以及集成簡(jiǎn)易性，LED驅動(dòng)器應能夠接受高達50KHz的PWM頻率。一般我們選擇200～300Hz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行PWM亮度調節,這是因為人眼無(wú)法分辨超過(guò)40Hz的頻率的變化,而太高的頻率又會(huì )引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調節非線(xiàn)性[4]。

(3)頻率調制方式，保持加在LED上的矩形脈沖電流(幅值不變)的寬度不變，通過(guò)改變單位時(shí)間加在LED上矩形脈沖個(gè)數的多少，使得LED上得到的平均電流在較大的范圍內發(fā)生變化，使LED亮度具有較大范圍的調節。

(4)角位調制方式，是采用一串含有二進(jìn)制序列脈沖，并且序列脈沖的每一位寬度都按照其位值的比例來(lái)延展，通過(guò)改變單位時(shí)間加在LED上的矩形脈沖電流占有位值所延展的寬度，使LED上得到的平均電流在較大的范圍內發(fā)生變化，以調節LED的亮度。

比較以上四種混光亮度調節方式，可以認為使用PWM方式更合適于半導體照明，原因在于:(1)模擬混光方式不僅效率低下，也影響LED使用壽命。(2)在某個(gè)特定的正向電流下LED能顯示出最純的白光，隨著(zhù)工作電流偏離這個(gè)值，白光LED發(fā)出的光可能偏藍或偏紫，因此通過(guò)改變LED工作電流的方式調節會(huì )使光的顏色發(fā)生偏移，而使用PWM控制方式則不易有這樣的問(wèn)題。(3)現在通常使用的大功率白光LED都是工作在大電流下, 因此其在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，而在景觀(guān)照明中為達到景觀(guān)效果所使用的燈具光源要求小型化、密集排列，因此對于小功率LED散熱問(wèn)題也十分重要。隨著(zhù)工作溫度的升高, LED器件的性能會(huì )降低,因此散熱對LED器件工作性能影響很大,在使用PWM控制方式時(shí)其脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時(shí),LED器件會(huì )有更低的溫度，所以在相同PN結結溫的條件下可以有更高的發(fā)光亮度。同時(shí)LED的主波長(cháng)也會(huì )隨著(zhù)結溫的升高而漂移，所以PWM方式更適合于LED的熱學(xué)特性。(4)與頻率調制方式和角位調制

方式相比，PWM方式驅動(dòng)和控制電路實(shí)現起來(lái)比較容易，特別適合于數字控制，在當前大型景觀(guān)照明系統普遍采用智能控制器的條件下，PWM方式是多色和全彩LED景觀(guān)系統的主要混光方式和發(fā)展方向。

4.3 白光LED的技術(shù)路線(xiàn)

目前在景觀(guān)照明中得到白光的方式主要是RGB混光，而在實(shí)現超高亮白光LED的方法主要集中在三種技術(shù)路線(xiàn)[5]：一是利用三基色原理將紅、綠、藍三種超高亮度LED混合成白光;二是通過(guò)藍光光子觸發(fā)磷光劑等熒光物質(zhì)發(fā)射白光;三是用紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉或其他熒光粉，產(chǎn)生多色光混合成白光。實(shí)踐證明這三種技術(shù)均已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，而其中后兩種技術(shù)發(fā)展較快，這是由于超高亮白光LED將主要用在道路照明等功能性照明領(lǐng)域，需要單粒大功率LED，而從目前來(lái)看后兩種方法更適合于產(chǎn)生大功率LED。

5 結語(yǔ)

(1)在景觀(guān)照明應用領(lǐng)域，由于LED自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，通過(guò)PWM的RGB混光方式得到七彩、多色和全彩景觀(guān)燈光系統是其主要方式和發(fā)展方向，特別是在七彩景觀(guān)燈光系統上已獲得較廣泛應用，考慮到控制的復雜性和景觀(guān)照明系統的實(shí)際需要，多彩及全彩燈光系統只在特定場(chǎng)合使用，而在LED顯示屏中，目前采用RGB混光方式的多彩和全彩顯示系統卻得到較多使用。在超高亮白光LED應用領(lǐng)域，采用RGB混光方式得到白光LED并沒(méi)有特別的優(yōu)勢。

(2)混光只是LED照明的一個(gè)組成部分，有效的混光和燈光動(dòng)態(tài)控制需要一個(gè)復雜的控制系統，控制系統一般包括控制器部分和LED驅動(dòng)部分，需要專(zhuān)用的硬件和軟件支持，目前還缺少統一的標準，由各LED廠(chǎng)商自行開(kāi)發(fā)。LED光源單位體積很小，在很多場(chǎng)合明顯是優(yōu)點(diǎn)，但有時(shí)又是缺點(diǎn)，如在LED平面型光源上，通常出現點(diǎn)狀光斑以及混色不均勻現象。目前，混光、混色還存在的主要問(wèn)題是：混光、混色的均勻水平與透光率的矛盾。這個(gè)問(wèn)題也是阻礙LED發(fā)展的因素，對LED景觀(guān)燈具實(shí)用性有很重要的意義，因此還需要發(fā)展新型LED混光、混色技術(shù)。