數字化新穎光源的實(shí)現

摘要：用GaAs/Si高亮聚光LED的Digital Light實(shí)現魔幻彩燈，簡(jiǎn)述了CIE計色制、Digital Light工作原理，論述了軟件PWM實(shí)現方法，給出了系統框圖，說(shuō)明了系統特點(diǎn)和與傳統光源比較的系統優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：GaAs/Si LED Digital Light PWM編程

引言

Digital Light是國外近年以GaAs/Si為發(fā)光材料制成的一種新穎的舞臺照明光源。其實(shí)現機理是沿用電視視頻R、G、B成象原理。但一改傳統的R、G、B電子束轟擊熒光材料得到所需光源的方法而是以 LED產(chǎn)生R、G、B點(diǎn)光源，照射于漫射玻璃，形成混合光得到照射光源。這種光源產(chǎn)生與傳統的光源(白熾燈、日光燈和鈉燈等)相比更具節能性、綠色和光色調的可控制性，以及Digital Light在模擬各種發(fā)光光源的光譜和光照的柔和性等方面非常靈活。以這種新發(fā)光光源取代傳統的照明光源，在舞臺照明以及一些對光源綠色化和藝術(shù)化要求越來(lái)越高的場(chǎng)合有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

系統構成

Digital Light光源系統由GaAs/Si發(fā)光材料LED組成紅、綠、藍三簇點(diǎn)光源，并按照一定的幾何形狀排列后投射到漫射介質(zhì)，產(chǎn)生混色，形成照射光源。對于R、G、B LED我們以PWM信號方式加以驅動(dòng)。對于不同的混色光譜分別控制三路驅動(dòng)信號，以產(chǎn)生最佳的光源光譜。以Zilog公司的高性?xún)r(jià)比MCU——Z86E33為核心，利用手動(dòng)控制或計算機遠程控制的方法使MCU產(chǎn)生類(lèi)似視頻顯示的 “R”、“G”、“B” 3路PWM序列脈沖信號，經(jīng)過(guò)放大后，驅動(dòng)LED（紅、綠、藍），得到適于人類(lèi)視覺(jué)感覺(jué)的色飽和度及亮度要求的紅、綠、藍三種視覺(jué)顯示基色，適合人類(lèi)生理要求的照射顏色與照射亮度，以及各種應用場(chǎng)合環(huán)境所需要的光色等。由于PWM脈沖序列產(chǎn)生采用了Z86E33經(jīng)濟型MCU，使得所需照射光光譜變化十分靈活。系統以SOP為設計思想，充分利用了軟件編程的靈活性和技巧性，將各種顯色功能以算法模型在Z86E33中實(shí)現，魔幻彩燈控制部分見(jiàn)圖1。此外，利用單片機編程特點(diǎn)，實(shí)現PWM脈沖多樣化，控制智能化，即可實(shí)現多種顏色變化方案，亮度、飽和度自適應，且可使其成為信息家電、現代化娛樂(lè )場(chǎng)所照明系統的重要組成部分等諸多功能。系統框圖見(jiàn)圖2。

顯色模型編程實(shí)現

Z86E33是Zilog公司推出的一款經(jīng)濟型MCU。它具有：多累加器結構；12/16MHz；24個(gè)I/O口；4K ROM；237 Byte RAM；6級中斷和尋址功能；兩路模擬比較器；WDT/POR功能；兩路可編程計數器及兩路6Bit定標器；RAM、ROM保護功能。

由于這一經(jīng)濟型MCU不提供PWM端口功能，所以在Digital Light的應用上必須采用軟件方法克服這類(lèi)芯片的功能不足。

漫射玻璃面上的光譜對R、G、B三基色的照射光強度比例的非線(xiàn)性(CIE計色制），如圖3所示。

由圖3可得物理三基色和計算三基色的線(xiàn)性方程：

（X）=0.4185?-0.0912(G)+0.0009(B)

(Y)=-0.1587?-0.2524(G)+0.0025(B)

(Z)=-0.0828?+0.0157(G)+0.01786(B)

以及

（R）=2.7689(X)+1.0000(Y)+0.0000(Z)

(G)=1.7518(X)+4.5907(Y)+0.0565(Z)

(B)=1.1302(X)+0.0601(Y)+5.5943(Z)

系統中三基色光強以MCU編程對PWM信號脈沖寬度控制實(shí)現。

PWM信號產(chǎn)生流程見(jiàn)圖4。

為了得到魔幻彩燈所需的固定顏色、水洗色、回聲色、隨機色、水波色，對PWM信號采用了多組實(shí)驗模擬。系統中我們利用12個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制，得到了各種顯色效果，見(jiàn)表1,表2。

表1

表2

系統特點(diǎn)

系統特點(diǎn)如下：

一、充分利用LED發(fā)光原理，實(shí)現了能量轉換(電能到光能)的高效率和降低了照明器件的發(fā)熱量，這在很大程度上提高了照明工具的壽命。

二、充分利用PWM調制的靈活性，并可使PWM脈沖頻率達到5KHz，甚至更高，使光色非常柔和。

三、通過(guò)RS232接口和I2C 總線(xiàn)與信息家電控制中心、各種娛樂(lè )場(chǎng)所控制中心等互聯(lián)，拓展了照明工具應用的范圍和深度。

四、利用各種光學(xué)手段并結合不同結構設計對R、G、B等色光進(jìn)行漫射、混合等處理，使燈光的顏色、飽和度和亮度達到了一般多色彩照明燈具所達不到的效果。

五、根據不同層次的需求，可開(kāi)發(fā)出大批的不同性能價(jià)格層次的照明系統，極具靈活性。

結語(yǔ)

以R、G、B LED構成的Digital Light其光照效果采用了CIE計色制方法，使其光譜的靈活調節性大為提高， MCU的智能控制方式使得這類(lèi)光源的光照特性較傳統的多色彩照射光源（如舞臺色彩射燈、廣告藝術(shù)效果燈）控制更為靈活方便。以Z86E33MCU的多累加器的特點(diǎn)和編程算法的合理運用使系統更為小巧緊湊，較采用大容量存儲器的其他類(lèi)型的MCU無(wú)論是SOP的結構或是性?xún)r(jià)比有很大的提高。此外，Digital Light的GaAs/Si LED的電光轉換效率較之傳統光源電光轉換效率有很大程度的提高，故這也是一種低能耗的新型光源。LED的光柵隨時(shí)間跌落效應遠優(yōu)于熒光燈，所以這種新型光源在今后的幾年中市場(chǎng)前景相當廣闊。