發光二極管(LED) 是一種應用廣泛的電子元件，但由于其發光效率和亮度均較低，發光顏色品種少等原因，LED 在20世紀90年代以前主要應用于儀器儀表的狀態、數字和文字等的顯示。20世紀90年代初期，LED芯片制造技術和封裝技術取得重大發展，LED的發光亮度達到了cd 級，產生了所謂的高亮度LED，發光顏色也覆蓋到了整個可見光光譜范圍， 極大拓展了LED的應用范圍和領域。世界上許多國家和地區已開始用超高亮度LED取代白熾燈、金屬鹵鎢燈，廣泛用作交通信號燈、警示燈、標志燈、汽車、轎車上的高位剎車燈、尾燈、轉向燈及儀表盤的照明和顯示等。國外有些公司還制作出LED燈泡、LED臺燈及小電筒等照明燈具。到目前為止，白光LED的發光效率已達到15～ 20 lm/W ， 與白熾燈發光效率相當甚至更高， 用LED替代白熾燈已成為可能。

與白熾燈相比，LED 固體燈具有使用壽命長(達100 000 h 以上) ， 能耗低， 發光利用率高， 對環境無害， 維修費用低， 工作穩定等優點， 是一種理想的綠色照明光源。由于單只LED管的光通量相對較小， 要獲得與白熾燈或熒光燈相當的光照度需要多只LED管， 因此LED固體照明成本相對較高。目前，固體燈照明還未得到完全發展，制約LED照明發展的主要因素是LED的亮度和研制成本。 隨著LED制造技術的發展和成本的不斷降低，LED照明將會越來越普及， 高亮度LED用于固體燈照明具有廣闊的發展前景和市場。

高亮度LED的配色原理

1、顏色匹配原理

把兩種以上的顏色調節到視覺上與某種顏色相同的方法叫做顏色匹配。顏色可以相互混合， 這種混合可以是顏色光的混合， 也可以是染料的混合， 兩種混合方法所得到的結果是不同的。前者稱為顏色相加混合， 后者為顏色相減混合。將幾種顏色的光同時或先后快速地刺激人的視覺器官， 便產生不同于原來顏色的新顏色感覺， 這就是顏色相加混合的方法。實驗證明， 用紅、綠、藍三原色產生其他顏色最方便， 這三種顏色是最優的三原色。

在顏色光的匹配實驗中， 由三原色組成的顏色的光譜組成與被匹配的顏色光的光譜組成可能很不一致。例如， 由紅、綠、藍三個顏色光混合的白光與連續光譜的白光在視覺上一樣， 但它們的光譜組成卻不一樣，這一顏色匹配稱為“同色異譜”顏色配對。由三原色混合成的顏色只表達被匹配顏色的外貌， 而不能表達它的光譜組成情況。

2、顏色方程

若以(C) 代表需要匹配的顏色的單位， (R ) ，(G) ， (B ) 分別代表產生混合色的紅、綠、藍三原色的單位， R， G，B， C 分別代表紅、綠、藍和被匹配色的數量， 當達到顏色匹配時， 有

在色度學中， 常將為匹配相等能量(簡稱等能) 光譜色的三原色數量稱為光譜三刺激值， 用表示. 則匹配波長為λ的等能光譜色(Cλ) 的顏色方程為

通常， 并不直接用三原色數量來表示顏色， 而用三原色各自在總量中的相對比例-色度坐標表示顏色。某一特定色顏色的色度坐標r，g， b分別為：和。由于r+ g + b= 1， 所以只用r， g即可表示一種顏色，故顏色方程可改寫為

對于不同的波長的光譜色， 其三刺激值是波長的函數，用來表示， 光譜三刺激值又稱為顏色匹配函數， 它的數值取決于人眼的視覺特性。

在上述可能具有負值方程的顏色匹配條件下， 所有的顏色， 包括白黑系列的各種灰色、各種色調和飽和度的顏色， 都能由紅、綠、藍三原色的相加混合產生(匹配)。

3、CIE 色度圖

對于人眼視覺來說， 顏色與三刺激值一一對應， 亦即由三刺激值唯一確定。通常以圖1 所示的CIE-XYZ色度圖作為配色計算的依據。

該色度圖特性： 從紅端到540 nm 一帶的綠色， 光譜軌跡幾乎是直線， 此后光譜軌跡突然轉彎， 顏色從綠色轉為藍2綠， 藍2綠又從510 nm 到480 nm 伸展開來， 帶有一定的曲率， 藍色和紫色波段卻又壓縮在光譜軌跡尾部的較短范圍。連接400 nm 和700 nm 的直線是光譜上所沒有的由紫到紅的顏色，光譜軌跡及連接光譜軌跡兩端所形成的馬蹄形內包括一切物理上能實現的顏色， 而坐標系統的三個原色點都落在這個區域之外， 也就是說， 三原色點的色度是假想的， 在物理上不可能實現。同樣， 凡是落在光譜軌跡和紅端到紫端直線范圍以外的顏色也都是不能有真實光線產生的。

根據該色度圖上還可推算出由兩種顏色相混合所得出的各種中間色。色度圖準確地表示了顏色視覺的基本規律以及顏色混合的一般規律， 這個色度圖也叫做混色圖。

圖1　多色混合

配色計算

由格林斯曼定律可知， 任意兩非互補色以任意比例混合將產生中間色。在色度圖上表現為任意兩個顏色(包括互補色) 相混合， 所產生的顏色是以兩種顏色為端點的連線線段上的顏色。三個線性無關的顏色相混合， 所產生的顏色是以此三點為頂點所圍成的三角形內的顏色， 如圖3 所示。

采用三色LED混色也正是基于此原理。配色的主要任務是確定三原色數量比， 也就是確定三刺激值， 從而進一步確定紅、綠、藍三種顏色L ED 管的數量比。文中所提到的配色， 主要是指匹配白光， 也就是在紅、綠、藍三原色LED管都達到最亮時， 混合光為選定的白光， 此時稱為達到白平衡。

設在CIE-XYZ 色度系統中， 所要配出的白光為W (xw， yw ， zw ) ， CIE 所用三原色為X (x R ，y R ， z R ) ， Y (x g ， y g ， z g ) ， Z (xb， yb， zb) ， 所用LED 發光管發光的色度坐標分別為X ′(x ′R ， y ′R ， z ′R )、Y ′(x ′g ， y ′g ， z ′g ) ，Z ′(x ′b， y ′b， z ′b) ， 則根據格林斯曼定律有

用矩陣的形式表示為

式中：

于是

在CIE-XYZ 色度系統中有

將式(6) 代入可得

設[xw yw zw] ×A- 1 = [b1 b2 b3] ， 則b1， b2， b3 即為以X ′，Y ′，Z ′為三原色時W 的色度坐標。亦即為以X ′，Y ′，Z ′為三原色匹配W 時， 三原色的亮度或光通亮之比。

通過計算得到配色的色度坐標， 由色度系統的單位即可得知紅綠藍三種LED發光管的總的光強或光通比， 由每種發光管的特性參數即可確定各種LED發光管的大致數量比。

LED發光管的排列設計

三原色的配色比例決定了混色后所得的顏色， 亦即紅綠藍三原色LED的相對數量決定了混色的顏色。在實際應用中， LED一般都是直立安裝， 其光線近似為以LED發光中心為頂點， 以LED的光軸為中軸的倒圓錐體形。 LED的分布位置對參與混色的光具有直接影響， 效果如圖2 所示。圖中紅綠藍三色圓心的位置為發出相應顏色LED的發光中心的位置。

圖2　三色LED混色

由圖2 可知， 混色區域分為單色區域， 兩種單色混合區域和三色混合區域. 單色LED的位置不同， 各種顏色區域的面積大小不同。單色LED相互間的距離減小時， 兩種或三種單色混合的區域就增大， 反之則減小。用三原色進行配色就是用兩種或三種原色混色獲得另一種單一的顏色， 要求在混色時盡量避免其他顏色的出現。因此要獲得較為理想的配色效果， 必須盡量減小參與混色的LED之間的間距， 從而增大混色區域。

由格林斯曼定律可知， 混合色的色調決定于三原色的相對比例， 混合色亮度為混色前顏色亮度的總和。LED 各方向上的光強是不等的， 它產生的光照不均勻。圖3 所示為相鄰紅綠藍LED混色的示意圖， 圖中曲面代表LED 光強分布。

圖3　CIE-XYZ 色度

從圖中可以看出， 相鄰紅綠藍LED混色時，根據其相互間的距離， 混色后光強的分布可以產生一個或多個波峰， 而使得局部亮度高， 所混合顏色與周圍有明顯差異。附近的LED的光也有一部分射到該區域， 但由于強度很小， 對波峰和波谷的影響很小。當相鄰幾個LED混色產生一個強度分布波峰時， 可以將這幾個LED看作為一個發光單元， 混色區域可以看作是由若干個這樣的發光單元所照亮， 混色結果也就是這若干個發光單元排列起來發光的結果。因此， 在排列LED管時， 要形成由配色計算所得三原色LED 相對數量比所確定的LED 發光單元， 并使得各發光單元分布均勻， 分布距離適當。

LED亮度控制

控制LED亮度的方法有兩種：一種是改變流過LED的電流， 另一種是脈寬調制(pu lse w idthmodu lat ion， PWM ) 控制LED的點亮時間。一般而言， 除紅色LED隨電流的增大亮度會達到飽和外， 其他LED的亮度會隨工作電流的增大而增大。通過控制流過LED的工作電流， 可以在較大范圍內對LED亮度進行控制。但電流的控制不易于用軟件實現， 故不適用于數字控制，而PWM方式能很方便地用軟件實現， 故在數字電路中有著廣泛的應用。

根據塔爾波特(TaL bot) 定律

式中： L-為眼睛對周期變化光感覺的視覺亮度; T為周期。當亮度函數L (t) 為一常數L 時， 視覺亮度變為

脈寬調制方式控制LED 的亮度實際上是控制LED 的點亮的時間， 周期性的改變其在一個周期內點亮時間的長短， 從而實現LED 亮度的變化。LED 在工作狀態下， 其工作電流保持穩定， 在點亮狀態時其亮度只與LED 的本身特性有關， 而與時間無關， 故其亮度函數為一常數。LED周期性點亮和熄滅時， 其亮度滿足公式(10)。改變循環周期內LED 的點亮時間， 即可得到LED 不同的亮度級別， 稱之為不同的灰度級。在工作狀態下，連續地改變LED 在循環周期中的點亮時間， 則實現了LED 亮度灰度級的連續變化。將循環周期T等分為n 等份， 則LED 的灰度級相應地分為n級。

要使得LED在灰度級變化過程中， 人眼覺察不到亮度的跳變， 即沒有閃爍感， LED 的亮滅變化頻率要大于臨界頻率， 其循環周期至少不大于0. 1～ 0. 02 s。實驗證明， 當L ED 的灰度為256 級時， 紅綠藍三原色混色后無顏色的跳變， 人眼的感覺顏色是漸變的。256 級灰度對應著256 級亮度，也就對應著256 種顏色變化， 則紅綠藍三原色混色后可產生2563 種顏色， 即為所謂的24 位顏色。

目前在嵌入式控制系統中普遍采用C251 系列單片機， 外部晶振頻率可達20MHz， 機器周期為1μs ， 能夠很容易地滿足臨界頻率的要求。 采用C-51 系列單片機對紅綠藍LED 進行256 級灰度控制時， 將LED 的亮滅變化周期均分為256級; 可以對紅綠藍三種顏色的LED 管進行單色控制和混色控制。要對紅綠藍三種原色進行分別控制實現24 位顏色的生成時， 可采用分段延時的控制方法實現對占空比的控制。在進行顏色混合時，三原色按一定的亮度比進行混合， 也就是按一定的灰度級進行混合， 不同的灰度級定影對應的占空比不同， 在循環周期中LED 點亮的時間不同，最低灰度級的點亮時間為t1， 中間灰度級與最低灰度級的點亮時間差為t2， 最高灰度級與中間灰度級點亮時間差為t3， 最高灰度級的熄滅時間為t4， 根據這個時間差異實現對三種顏色的LED 的控制。