LED混色灯具在线检测标定平台

陈阔家 甄何平

【摘 要】 结合影视舞台专业LED灯具需求，阐述LED混色灯具方案的优点及产品化过程中的一些关键问题，提出提高生 产效率的自动化解决方案，即LED混色灯具在线检测标定平台。

【关键词】 影视舞台；显色性；一致性；LED混色；灯具；自动化；在线检测；标定

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.02.001

【Abstract】combined with the needs of LED lighting in movie and TV stage industry， the author expounds the advantages of LED mixed color lamp scheme and some key problems in the process of product development， and proposes an automatic solution， LED online test platform for color mixing lamps.

【Key Words】movie and TV stage； color rendering； consistency； LED color mixing； luminaire； automation； on-line test； calibration

目前，受限于技术瓶颈LED光源的光色一致性控制是一个短期内难以解决的难题，产品个体差异性大，影响使用效果。为了实现灯具输出光色良好的一致性，采用多組LED进行混光补偿是一个较合理的方案。通过混光比例来控制最终输出光色一致的方法，需要提前对每组色别的LED参数在不同的工作温度下进行测试，为每台灯具建立实测参数库，灯具控制软件依据参数库进行自动混色计算和补偿控制，从而实现输出光的一致性。但对灯具内LED光源参数的测试是一个比较费时费力的过程，人工检测调试生产效率低。每台灯具需要测试的数据量很大，手工测试往往需要几个小时才能完成一台灯具的测试，无法应用于批量生产。

因此，开发效率高、测量准确度高的LED灯具自动化在线检测平台，实现产品在线100%检测和分选，对于提高灯具生产效率，保证产品一致性，并实现大批量生产，可起到极大的推动作用。

1 LED灯具自动化测试系统开发原理

通过研究多色LED混光灯具的光色一致性影响因素和显色性[1]优化方案，笔者开发了目前的基于恒温箱的自动化测试系统。整套系统基于工业自动化控制系统，快速光谱测量技术、色度学数据处理技术，应用于LED专业灯具生产线，能极大地提高产品一致性和生产效率，降低生产成本，提升产品竞争力。

根据色度学原理，对多色LED灯具混色可灵活输出各种彩色光、连续可调色温的白光，满足舞台照明的多重需求。但多色LED灯具混色的精度与灯具中各种颜色LED的出光精度密切相关，而LED发光强度除了与电流相关以外，还与LED的结温等因素密切相关。笔者通过试验明确了灯具中影响LED发光性能的主要因素，通过大量试验数据分析，拟合出LED发光强度受温度、PWM占空比影响的关系曲线，并设计补偿算法，实现每种颜色LED的发光强度的精确控制，从而实现整体灯具混色精度的精确控制，通过RDM等双向通信协议将根据测试结果得出的混色补偿参数发送给灯具，由灯具储存并进行补偿计算。

LED光源在工作状态，不同的温度下，光源的发光性能中的各个指标会有些偏移。光源的温度对光输出的影响如图1所示[2]。

通常，LED光源厂家会提供典型的LED发光特性受结温及电流影响的关系曲线，但对实际应用帮助不大，无法提取出有效的参考数据；而且，同一型号的LED通常又会根据发光效能、色坐标、工作电压等参数分出很多bin区，供应商供货时也会有限制，往往会绑定多个bin区销售给客户，因此，想要从采购源头精确控制LED的一致性非常困难，会对采购造成很大压力。而针对灯具进行光源参数测试相对来说可行性更强一些。

灯具中各种颜色的光源在不同温度下光输出的比例是不同的。为了保证灯具在工作状态下计算数据的准确性，首先需要对灯具进行详细的测试。

笔者最初的想法是测试每种颜色LED在正常工作电流下不同温度的照度数据，见表1。

仅以LED受结温的影响作为主要干扰因素，只针对结温变化对灯具进行混色补偿，数字模型假定为：

L（t）=a0×t2+b0×t+c0

但经过实际灯具验证，基于该补偿方法的混色精度仍然不够理想，特别是低亮度情况下，混色色差较大。经过分析，确认为低亮度时，LED发光特性受驱动电路影响较大。理想情况下，基于LED恒流驱动电路，LED发光强度与驱动电路的PWM调光占空比成理想线性关系；而实际情况下，影视舞台灯具对于LED调光频率要求较高[3]，高达20 kHz以上。而在如此高的调光频率下，驱动电路中的MOS管导通延迟等因素的影响就会凸显出来，特别是PWM占空比较低时，LED的光输出与PWM占空比就会呈现出明显的非线性。

经过进一步思考分析，笔者考虑在LED测试环节中增加LED受驱动电路非线性影响的因素，增加了不同PWM占空比下的LED发光特性测试，见表2。

测试时，首先测试灯具稳定工作。先将灯具放置在恒温箱中或通过物理升温的方法进行升温（结温稳定在某些温度点），待灯具工作稳定后，调节灯具焦距，使得光斑直径调至1 m，固定点分别测得R、G、B、W四种光源在不同PWM占空比下的照度值及光谱。用离散数学理论建立数学模型，对测试到的多组数据分析，通过Matlab对测试数据处理，整理出LED光效受温度变化及LED恒流驱动电路非线性影响的二元补偿公式，建立符合温度变化规律的数学模型。红光采样数据折线见图2。

经过测试的数据比对，数字模型符合：

L（t，s）=（a0×t2+b0×t+c0）×s2+（a1×t2+b1×t+c1）×s+（a2×t2+b2×t+c2）

其中L为照度，t为温度，s为PWM占空比，通过测试数据需计算出相关的常数系数。

图3是对红光测试数据处理后，根据处理结果绘制的几条曲线，图中从上到下，依次是温度为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃的曲线，对比采样点数据，拟合函数计算结果误差基本在 2%以内。

由于测试过程中需要根据PWM占空比、温度等多个因素进行测试，测试点非常多，而且每个测试点都需要对灯具温度进行稳定控制，因此，设计专用的恒温箱设备作为测试工具，对于缩短测试时间、提高测试效率就显得尤为重要。恒温箱需要能够做到快速的加热或降温，将灯具设备稳定到指定的温度，需要使用PLC控制器采用PID算法对恒温箱进行温度控制。恒温箱内要预留灯具常用的电源插头、信号线等与恒温箱控制器连接，实现同步控制。

另外，测试过程中系统需要采集灯具运行信息，如LED工作结温，并且在测试结束后处理的校准参数需要传递给灯具。恒温箱需要与灯具进行双向交互通信，需要设计相关通信协议实现数据交互，目前，灯具通用控制协议中RDM[4]正在普及，并且支持双向通信，基于RDM的数据交互是一个比较好的选择，因此，笔者的设计也通过RDM通信协议与灯具进行双向通信。

最后，多色LED混色算法也很关键。混色算法要根据舞台灯光的应用需求进行优化配置LED混色比例。比如，有些客户除了要求Ra达到一定数值以外，还要求R9达到指定数值，混色算法就需要在Ra、R9目标值达标基础上选择输出光照度较高的比例。如果客户对于白光的显色性要求不高，对照度要求较高，就可以通过降低Ra目标值的方式提高混色光的光效，提升灯具输出光照度，因此，数据处理工具需要能够灵活配置，优化目标，根据应用需求进行优化配置，见图4。

借助计算机的强大运算能力，对于白光混色中每一个目标色温点，都可以找出达到目标显色性的比例中光照度输出最高的混色比例。

测试结果见表3。

色差分析：

由上表中的测试数据及比对结果可以看出：表中的Δu'v'[5] 的数据在0.000 1--0.001 7之间，其色差值满足行业规范中<0.003的要求；按照麦克亚当圆的阶数要求，计算的指标均在二阶之内，具有良好的视觉特征。

显色性分析：

以3 200 K白光为例，黑体辐射（接近卤钨灯）曲线如图5所示。

四色LED灯具混色后的光谱如图6所示。

當色温C=3 200 K时，测试数据为：一般显色指数为Ra=95.070 8；

特殊显色指数R1到R15分别为：

R1=99.553 3；R2=95.718 5；R3=85.207 4；R4=93.808 4；

R5=97.634 5；R6=93.371 1；R7=94.357 0；R8=95.916 2；

R9=99.414 8；R10=88.120 5；R11=92.951 5；R12=79.572 9；

R13= 98.470 8；R14= 92.917 5；R15= 99.449 4；

根据视敏函数特征，结合色温在3 200 K时的能量分布图，绘出人眼视觉效果图，如图7所示：

图7中，黑色线条为人眼对卤钨灯光谱感应的能量分布，粉色线条为人眼对混色LED光谱感应的能量分布，二者差异很小。LED光源最主要的优势在于节能，光源几乎没有红外辐射能量。而从人眼对于可见光的敏感程度来看，在明视觉下，人眼对于波长大于650 nm以及小于450 nm的光谱能量感知度已经非常低了，因此，尽管LED光谱在650 nm以后辐射能量快速衰减，但这一现象对于人眼色彩感觉的影响并没有想象中那么严重。图7中的卤钨灯和LED混色后的两个曲线非常接近。

2 LED灯具自动化在线检测与标定系统介绍

通过研发LED光色参数自动化测试技术，建设LED灯具自动化在线检测与标定系统，实现LED灯具在生产线上的自动检测和光色标定，可以极大地提升LED灯具的光色一致性，提高灯具显色性能，进而提升LED照明质量。

2.1 系统主要组成

（1）程序控制的自动恒温测试平台

通过采用高精度热电偶作为温度传感器，配合嵌入式数字化控制系统，驱动大功率无触点控温电路进行闭环温度控制，以实现精准、高速的温控效果，使待测灯具快速、稳定地在预设温度条件下实行不同温度下LED的光色光度参数检测。

（2）在线快速光谱测量系统

系统采用先进的光纤光谱仪，通过在生产线上实时同步方式，利用CCD传感器技术、自动控制技术和高速通信技术建立快速光谱测量与数据处理系统，对LED灯具的光谱功率分布、色坐标、色温、显色指数进行检测，实现对可见光全光谱范围进行精确测量，并由高速数据处理系统对数据进行处理，生成完备的产品光谱数据库，用于产品的光谱标定和校准。

（3）在线快速照度测量系统

主控制系统通过光电传感器对不同工作条件下LED的照度进行自动测量，得到相应LED在不同工作温度和驱动电流下的照度数据，并由高速数据处理系统对数据进行处理，生成完备的产品相对光通数据库，用于产品的光学参量标定和校准。

（4）在线标定系统

自动优化混色算法：研究以显色指数和输出功率为目标的优化算法，基于灯具在线测量的光学数据，自动计算单个灯具的最优混色方案，优化各色LED的驱动电流配比，实现高显色指数的照明要求。

补偿控制软件：通过不同温度下各色LED驱动电流的自动补偿，达到对LED灯具的恒定色温和高显色指数的自动控制，对灯具固件进行在线式标定和校准，保证灯具输出参数的一致性和稳定性。

2.2 解决的关键技术

（1）自动优化混色算法

研究以显色指数和输出功率为目标的优化算法，基于灯具在线测量的光学数据，自动计算单个灯具的最优混色方案，优化各色LED的驱动电流配比，实现高显色指数的照明要求。可根据任意指定的Ra及特殊显色指数组合作为混色目标进行光谱灵活定制，并对混色光效或总光通量寻优。

图8中，四种LED光源光谱，其中红光峰值波长为638 nm，绿光峰值波长为524 nm，蓝光峰值波长为447 nm，白光色温为3 000 K，普通显色指数为79。RGBW四种光源的光通量依次为：1 226 lm、2 808 lm、414.3 lm、7 718 lm，功率分别为38.7 W、68.8 W、46.6 W、136.6 W。

1）设定混色目标：色温3 200 K，Ra>95，R9>95可获得混色光谱如图9所示。

该混色方案光谱显色指数为：

Ra= 95.99， R9=97.56

R1～R15依次为：

98.46， 98.1， 86.08， 94.18， 98.68， 97.35， 96.89， 98.18， 97.56， 94.58， 94.51， 83.57， 99.22， 95.26， 99.72

总光通量为8 281.1 lx，LED总功率为151.87 W

2）设定混色目标：色温3 200 K，Ra>90，R9>80可获得混色光谱如图10所示。

该混色方案光谱显色指数为：

Ra= 90.85， R9=80.26

R1～R15依次为：

91.07， 99.34， 83.02， 84.27， 91.15， 96.04， 93.64， 88.3， 80.26， 99.18， 78.02， 95.07， 92.72， 93.1， 93.11

总光通量为10 169 lm，LED总功率为204.22 W。

3）设定混色目标：色温3 200 K，Ra>90可获得混色光谱如图11所示。

该混色方案光谱显色指数为：

Ra=90.08，R9=76.78

R1～R15依次为：

90.1， 99.03， 82.77， 83.22， 90.21， 95.46， 93.12， 86.7， 76.78， 98.68， 76.55， 96.1， 91.86， 92.93， 92.02

总光通量为10 277.0 lm，LED总功率为207.23 W。

4）设定混色目标：色温3 200 K，Ra>85可获得混色光谱如图12所示。

该混色方案光谱显色指数为：

Ra=85.05， R9=55.29

R1～R15依次为：

84.03， 96.61， 81.19， 76.49， 84.25， 91.66， 89.53， 76.59， 55.29， 93.11， 67.32， 96.28， 86.46， 91.85， 85.19

總光通量为11 010.0 lm，LED总功率为 227.65 W。

如图13所示，红绿蓝黑四条光谱曲线，依次为上面1～4种混色方案的混色光谱。

由以上不同的混色方案对比可知，混色目标不同，混色比例优化后的结果也不同，灯具可达到的光通量和功率也不同。从趋势看，目标显色指数越高，混色后灯具的光通量越小，LED功率也越低。因此，灯具的混色优化方案，需要依据客户需求，进行定制化设计，对于显色性要求稍低的需求，可以通过设定合适的显色指数指标来提高灯具输出光光通量。因此，混色软件需要做到可以根据客户需求灵活定制需要的性能参数，并且混色程序需要根据LED灯具中的LED配置进行比例优化，使混色比例在满足客户需求情况下尽量提高灯具输出的光通量。

（2）补偿控制软件

研究自动温度补偿控制软件，通过不同温度下各色LED驱动电流的自动补偿，达到对LED灯具的恒定色温和高显色指数的自动控制，对灯具固件进行在线式标定和校准，保证灯具输出参数的一致性和稳定性。

LED发光性能不只受结温影响，还受驱动电路及PWM周期等因素影响，因此，精确地测量LED结温以及明确驱动电路等因素对LED发光性能的影响关系很关键，需要模拟出LED正常工作时的环境进行测量试验，开发专用的测量设备。另外，还要依据试验总结出的补偿算法开发配套的测试数据处理软件，实现对测量数据的分析计算，提取出补偿系数，并将补偿参数传递给灯具，由灯具存储并在运行时调用，见图14。

最终，整个系统将LED灯具数据测量、数据处理、混色计算、灯具参数设置等一些列过程串联起来，由系统自动化分步执行，整个过程只需要提前设置好目标参数，然后一键启动，这对于提高生产效率，降低人工成本重要意义。

通过多色LED混色，可实现以任意指定的Ra及特殊显色指数组合作为混色目标进行光谱灵活定制，并对混色光效或总光通量寻优。根据测试，采用低显色指数LED光源元件仍然可混出高显色指数白光，有助于降低光源采购要求。通过灵活配置光源中不同色彩的功率比例，可实现高光效高显指白光应用。利用混色方式，可充分发挥LED彩色优势，灯具功能灵活。

LED混色方案有以上诸多优点，但LED混色灯具产品的实施并不容易。通过本文中阐述的自动化检测标定平台能够大大降低LED混色方案实施难度，但LED混色灯具还要特别注意的另一个关键点是灯具的光学设计，如何将多色LED发出的光进行均匀混合，这是产品实施过程中的另一个难点，值得各位业内同行深入探讨。

参考文献：

[1] GB/T 5702-2003，光源显色性评价方法[s].

[2] Cree，Inc.Cree? XLamp? XM-L Color LEDs[R]，Cree.com，2017.

[3] GB/T 32486-2016，舞台LED灯具通用技术条件要求.

[4] ANSI E1.20-2006，ENTERTAINMENT TECHNOLOGY-RDM - REMOTE DEVICE MANAGEMENT OVER DMX512 NETWORKS[S].CP/2003-1003R4.

[5] 黄艳，任胜东，陈聪，潘建根. CIE关于光源色差的最新技术注解解读[J]. 照明工程学报，2013，12.

作者简介：

陈阔家，2008年毕业于中国传媒大学，本科学历。曾任北京星光影视设备科技股份有限公司研发部经理，工作期间主导开发了easyworks实时操作系统内核，并成功应用于公司各种新开发灯具吊杆设备中，主导开发了Art-Net解码器、LED混色灯具控制器系统、LED混色灯具自动化测量标定系统等，设计了鸟巢吸引舞台控制系统、通用轴控制器控制系统等，并申请多项专利。目前专注于通用控制系统研究。