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附录A 外文译文
LED调光的影响：不同调光策略引起的色度漂移
摘要
这项研究的目的是描述混色和磷光体转换的白光LED系统在调光时发生的色度偏移。随着LED在照明应用中快速发展为一种可用的光源，它们在调光时的颜色偏移应当满足传统照明光源的要求。目前，LED系统制造商通常推荐脉宽调制或PWM调光方案。PWM具有实现较低亮度水平和更加线性的光控制能力。然而，几乎没有数据公布过调光对白光LED照明系统的色度偏移的影响。
本研究的主要目的是量化混色RGB LED系统和白光LED系统使用PWM调节方法和持续电流调节方法时的色度漂移的具体值。在这项研究中，调光通过连续降低电流或PWM占空比的方法，白光LED系统和混色RGB LED系统的输出从100％降低到3％。本研究的实验结果表明当使用两种调光方案将亮度等级从100％改变为3％时，白光LED系统的色度偏移非常小（小于4步麦克亚当椭圆）。相比白光LED系统，混色RGB LED系统在这项研究中测试得出的结果表明用相同的调节方法在相同的调节区间内有非常大的色度漂移。如果需要混色RGB系统，则必须结合一些主动反馈系统控制获得不可感知的色度偏移。就这一点而言，由PWM调节方法引起的色度漂移比持续电流调节的色度漂移更容易校正。
关键词
LED；白光LED；混色白光LED；建筑照明；PWM；色度漂移
1.引言
在建筑照明应用中，光源的调节是满足空间中功能和美学要求的重要调节方法。在会议室中，例如，房间里的灯的调光是常见的，尤其是在幻灯片或媒体演示的时候。降低餐厅中的光线水平可以提供一个亲密的用餐环境，同时也增加了空间的美学。此外，调光通常用于节能目的。虽然在工作场所常见的是看到照明在一天中的恒定水平，但是办公室任务可能不需要总是相同的照明水平。例如，如果有人，则可能需要300lx（30fc）来完成读和写的工作，而同一个人可能仅需要30lx（3fc）来完成计算机任务[1]。具有调节灯光的能力可以改善其工作环境以及节省电能。
通常用于这些应用的传统照明源是白炽灯，荧光灯和金属卤化物灯，所有这些在变暗时表现不同。白光发光二极管（led）是一个快速发展的专业化的符合一般照明要求的光源科技。类似于其他目前用于一般照明的光源，白光LED必须满足一般照明的调光要求和符合色度漂移要求。通常在调光期间人眼可见的颜色偏移是不被允许的。由于白光LED技术是一种新兴科技，它在被调节时的许多现象基本上没有信息可以参考。因此，本研究的目的是为了更好了解白光LED在调光过程中的现象。
1.1调光方法
一般有两种的方法使用LED产生白光。第一种是通过使用磷光体与无色波长LED一起使用，产生宽带辐射光谱，称为磷光体转换白光LED或白光LED [2-5]。第二种方法是利用来自发射不同窄带辐射的两个（二色），三个（三色）或更多个（例如四色的）LED的混合光。为了实现合理的颜色再现性能，必须组合至少三种颜色（R，G，B）。使用RGB源的优点是可以通过控制每个红色，绿色和蓝色分量的比率来产生任何白色阴影。考虑到来自每个单独器件的辐射发射光谱对温度和电流的变化的响应不同，并且经历随时间的不同劣化率，保持色平衡是关键的。
半导体LED具有电流和电压之间的非线性关系，不同于电阻器其中电流和电压线性变化。如果提供给LED的电压变化很小，则LED的电流有效光输出有显着变化，这就导致难以实现光输出的精确控制。相反，电流的微小变化导致光的输出产生微小变化。因此，电流控制方法是驱动LED的最佳方式。LED调光系统可以通过两种技术实现：连续电流降低和脉冲宽度调制（PWM）。连续电流降低是一种方法，其电流的减小导致光输出的减少，而占空比的改变允许控制PWM中的光输出。这两种技术都会影响白光LED系统的色度。
电流调光方案利用I-V关系的线性部分。在整个线性范围内，随着电流减小，光输出将成比例地减小。使用该方法，可以实现在最大值的100％至10％的范围内的调光（难以调光低于10％），提供了调节LED的简单且有效的方式。由于LED是半导体器件，它们可以快速打开和关闭，这就使得它们可以通过PWM方法来调光。这种调光技术使用简单的通断开关以通过控制到LED的平均电流来产生可变电压的效应。该方法通过较低的电流水平和光强度的线性控制来提供调整范围的能力。通常使用一种高频率调制来阻止对光脉冲的感知，而这种方法导致闪烁效应。
工作区间如图1所示，占空比表示为脉冲持续时间和信号周期之间的比率，或者脉冲高的时间量（脉冲宽度）除以脉冲的总周期：
（公式1）
图1：占空比的图形表示
其中D，tau;和T分别是占空比，脉冲宽度和周期。在PWM方案中，正向电流I处于恒定值，仅改变占空比。
PWM信号的平均电流可以通过等式2与峰值电流相关。
（公式2）
通常，PWM调节方法因为它更大的调节区间和高效率而比持续电流降低的方法更加好用。
1.2色彩外观和色度偏移
色度值通常用于表征光源的色彩外观。通常用于量化可感知的色差的度量是迈克尔当椭圆，即是色度图中的轮廓[6]。如果两个白光源的色度坐标落在该区域之外，则几乎所有的人都将感知到这两个光源之间的颜色差异[6]。美国国家标准委员会（ANSI）规定了某些类型的荧光灯在4步麦克亚当椭圆里可接受的色度容限区域[7]。
彻底翻阅了过去的文献以了解关于白光LED在调光时的色度偏移的信息。色度偏移是由光谱功率分布（SPD）的变化引起的，包括振幅，峰值波长和光谱形状。在RGB混色LED系统的情况下，甚至某些彩色LED的微小振幅和微弱的峰值波长变化（幅度变化小于1％，峰值波长变化1nm）都可导致可察觉的颜色变化[4]。
许多以往的研究在LED的焊接处引入热量以使光谱改变振幅，峰值波长位置和形状（Kish和Fletcher [8]、Nakamura [9]、Tamura [10]）。Hong et al（2003）发现，对于磷化铝铟镓制作的红色LED，不管如何将热量添加，峰值波长位置随着线性变化结温。红色，绿色和蓝色LED对热量具有不同的敏感性：红色LED的光输出随热量变化最大，其次是绿色，然后是蓝色[11]。
研究表明，电流密度也会影响光谱。随着正向电流的增加，光输出增加。然而，随着电流增加，结也变得更热，导致光输出减少。马赫穆勒等人（2002）表明，铟氮化稼制作的蓝色LED的光谱在增大驱动电流的过程中向较短波长移动；然而，当热量增加时，它也向更长的波长移动[5]。
2.实验
当使用不同的调光方案（连续电流调光或PWM调光）时，过去的研究中没有一个系统地量化白光LED（混合颜色和磷光转换）的色度偏移。因此，本研究的主要目的是量化混色RGB LED系统和白光LED系统使用PWM调节方法和持续电流调节方法时的色度漂移的值。使用四种类型的大功率LED：红色，绿色，蓝色和白色，全部来自相同的制造商。
图2（a）和2（b）显示出了与散热器一起使用的LED系统。使用双面热剥离胶带将测试两种LED（RGB和磷光体转换白光）灯珠安装在6英寸直径，1/4英寸厚的圆形白色涂漆铝散热器上。LED的安装位置交替，使得没有两个相似的颜色彼此相邻。混合型LED系统由三个红色，绿色和蓝色LED组成，白光LED系统由九个白光LED组成。
以三个一组的颜色串联连接，每组LED都使用一个个体驱动电源。电路的内联是连接到函数发生器以控制PWM开关操作。采用连续电流方案，电源设置为恒定电流操作，并根据需要调整电流。对于PWM方案，将电源设置为恒定电压操作，并且利用具有变化的占空比的1kHz的调制方波驱动MOSFET的栅极。使用数字万用表在1欧姆，5％容差电流检测电阻器上进行电流测量。
图2（a）LED系统的图示
图2（b）LED相对于LED系统的颜色的位置
实验设置在图3中示出。LED系统安装在六英尺直径的积分球，其用作主积分室以均匀地混合来自各个LED的光。一个小的8英寸直径的卫星球附着在主球上。这个较小的卫星球接收来自较大球的入射光，具有准确的余弦响应，并且以90°角为分光辐射计提供正交开口。使用安装到小卫星球上的V（lambda;）校正的照度计进行光输出测量，并与微型电流计连接。分光辐射计瞄准卫星球以记录光谱数据。
在连续电流调光方案下记录白光LED系统的光输出和光谱数据，以创建用于PWM调节方法和混色LED系统的初始基线。将白光系统在10.5mA（或总光输出的3％）下驱动并使其稳定10分钟。一旦记录光输出和光谱数据，电流就增加到下一个水平。对于总计三个电流水平（10.5mA，17.5mA，35mA，105mA，175mA，245mA和350mA）重复该过程，分别等于3％，5％，10％，30％，50％ ，70％和100％光输出。在PWM操作下，调整占空比，使得光电平匹配在恒定电流操作下测量的等效值，并且测量相应的SPD。RGB系统采用相同的过程，只是红色，绿色和蓝色的比率初始调整以匹配白光LED系统。调整连续电流调光方案的电流电平和PWM调光方案的占空比，使得PWM条件在连续电流操作下产生与白光LED系统相同的光通量。调整RGB混色系统以匹配电流水平的10％减少，而不考虑匹配光输出。
3.结果
实验结果如图4（a）和4（b）所示。在这些试验中，测量的色度值绘制在1931和1976 CIE色度图上。1931年CIE x，y图是常见的色度图之一；然而，1976 UV图是特殊的色度图，其允许比较色度偏移。从这些图中可以看出，当通过两种调光方法将光输出从100％调暗到3％时，白光LED的色度偏移为非常小，小于4步迈克尔当椭圆。相比之下，在本实验中研究的RGB混色白光系统具有大的色度偏移。并且显而易见的是，当使用连续电流和PWM调暗时，白光和RGB混合系统的色度偏移在不同方向。这表明对于连续电流和PWM，色度偏移的机制不同。
3.1 白光LED系统
图5（a）显示出了由于连续电流调光导致的白光LED系统的色度偏移。图5（b）所显示的白光LED系统的标准化SPD示出了当系统从100％调暗到3％时，磷光发射（在555nm附近的峰值波长）的值相对增加。这支持了在较低电流下向黄色的色度偏移，并且表明磷光体变得更有效。另一个显着的效果是短波长发射（近460nm）的峰值波长向更长波长移动。在这一点上，不能确认荧光粉效率增加是否是由于热量的减少，或者短波长发射的峰值波长偏移的影响是否导致荧光粉的更高的吸收效率。
图6（a）显示出了由于PWM调光白光LED系统的色度移位。在这里，偏移处于相对方向，并且偏移的幅度小于连续电流调光下的偏移。图6（b）所显示的白光LED系统的SPD示出了当系统从100％调暗到3％时，磷光发射的值相对减小。这解释了为什么在较低的电流下色度向蓝色移动，并且表明荧光体变得不太有效。与连续电流调光不同，短波长发射的峰值波长位置向较短波长偏移。由于当使用PWM调光时磷光效率降低，并且短波长发射的位置向着波长移动，这必须导致磷光体的吸收效率降低。
3.2 RGB混合LED系统
图7（a）显示出了由于连续电流调节而色度偏移的RGB混色白光LED系统。图7（b）所显示的SPD显示出了绿色发射（525nm附近的峰值波长）的值相对增加并向更长波长移动，并且红色发射（峰值波长在620nm附近）减小并向更短波长移动，因为系统从100％调暗到3％。这支持在较低电流下朝向绿色的色度偏移。
图8（a）显示出了由于PWM调光导致的RGB混合色白光LED系统的色度偏移。这里，色度漂移沿相反的方向，并且移位的幅度小于连续电流调光下的移动的幅度。图8（b）所显示的RGB混合白光LED系统的SPD显示出了当系统从100％调暗到3％时RGB发射的值。红色和绿色发射的值随着电流减小而减小，并且两者的峰值波长朝向更长波长移动。这说明为什么在较低的电流下色度向红偏琥珀色区域移动。
4.讨论
两种调光方案为白光LED系统提供了微小的色度偏移，其中PWM执行性略好于连续电流降低方案。混色系统有较大的色度偏移，而与所使用的调光方案无关。可以对混合色LED系统实施主动光学反馈方案，以控制红色分量PWM操作并将色度偏移限制在4步迈克尔当椭圆内。虽然比PWM调光解决方案更复杂和昂贵，但是对于连续电流降低调光方法下红色和绿色的部件可能是有益的。
本研究已经证明了白光LED系统在两个调光系统之间不明显的颜色差异。不幸的是，这些结果不能被推广到任何可用的LED，因为所报告的调光的LED的类型仅限于文章中的LED。但是，本研究确定了调光方案对白光LED照明系统的重要性。
致谢
感谢照明研究中心（LRC）的詹妮弗泰勒帮助准备这本手稿。我们还感谢ASSIST（固态照明系统和技术联盟）提供资金支持，帮助采购组件和参加SPIE会议，使该展会成为现实。
（1）6英寸直径积分球
（2）8英寸直径卫星积分器
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资料编号：[613594]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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