RGB LED組合光源的色彩管理

       結合紅、綠、藍光（RGB）發光二極管（LED）的多重色彩光源，可以產生多樣化色彩輸出，同時LED本身也具備相當的穩定度和高效率，不過在要運用RGB LED產出多重色彩光源并維持高品質，仍有些挑戰必須克服，本文將介紹能夠處理這些挑戰的技術。

採用RGB LED

       最簡單的多重色彩LED光源包含三組LED，分別為紅光、綠光及藍光，每一組都由獨立的驅動模組來推動。因此，所得到的光源色彩就受到紅、綠與藍光LED之間相對的發光強度所影響。LED的發光強度可以透過驅動電流改變，或采用脈寬調變（Pulse Width Modulation；PWM）的改變來推動LED信號，和有效週期率來加以控制。其中PWM的做法較為普遍，因為週周期系數對發光強度間的關系要比電流與發光強度間的關系更加線性化。

(圖一)　CIE1931色彩空間

　

這類LED光源的簡單開迴路架構方式有個潛在的問題，由于LED的光學特性會受到運作條件的影響，因此組合后的RGB光源輸出的亮度以及色度都會變化。同時，每顆LED元件也不盡相同，因此造成RGB光源的輸出產生更多變化，(圖二)與(圖三)就描述了幾個LED變動的范例。

(圖三)　LED相對強度受到溫度影響造成偏移的范例，以25oC為標準

　

        一個解決方式是使用光學反饋來產生一個閉回路系統，其基本的設置包含一個記錄LED光源亮度的光感測器，以及依光感測器測量結果來調整光源輸出的控制方法，這將可以讓LED光源的亮度在每顆LED變化時維持穩定，也就是雖然各個零件各有變化，但總合維持不變。

       在(圖四)中，標記為22的積分電路可以輸出一個受到光二極管（11a）上光量控制的電壓，這個電壓與VSET比較，比較器的輸出能控制計數器數值的增加或減少，計數器的輸出則是用來推動一個數字模擬轉換器（37），進而控制LED的驅動電流。

       另一個更先進的光學反饋方式則是采用三色光感測器，通常包含三個獨立的光感測器以及上方的三色濾鏡，讓這類光感測器能夠記錄色彩資訊而不只是亮度，這將可以進一步控制紅、綠與藍光LED的發光強度比，這個功能相當關鍵，因為它讓RGB光源的亮度與色度得以控制，而ASSP則在三色光學反饋設計上扮演了重要的角色。

三色光學回饋系統

基本上來說，三色光感測器會產生一個三維色彩規格系統，因此稱為RGB感測器色彩空間，這個系統可以讓特定色彩由感測器的輸出電壓來指定，例如具備特定亮度的D65白光可以記錄為：（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.0, 2.2, 1.9）volts。

如(圖五)所示，假設以上范例所使用的D65做為目標色，回饋系統會持續定期測量紅、綠與藍光感測器，統稱為三色光感測器，并將所測量的色彩值與目標色比較。回饋系統的目的是將測得的色彩與目標色間的誤差調整到0。

(圖五)　三色光學回饋系統

　

       (圖六)以不同的方式描述這個概念，所有可能的目標色設定點透過由紅、綠與藍光感測器所形成的RGB感測器色彩空間內座標值來指定，當LED的特性改變時，所測得的色彩就會偏離目標，ASSP將會偵測到這個改變并隨時依情況調整LED的PWM信號輸出。

        另一點相當重要，同時必須注意的是，當LED使用時間越久，光輸出強度就會降低，因此經過一段時間后，RGB LED系統的最大可輸出亮度將會下降，雖然在大部分的應用事實上都可以接受逐漸且穩定的亮度衰減，但有時無法接受的是RGB發光系統色度的變化，ASSP擁有能夠穩定控制RGB發光系統光度衰減的功能，例如維持色度的穩定在一定的容忍度內，甚至當最高可輸出亮度下降時。

         而在系統亮度必須在整個應用的使用壽命內維持不變的情況，使用者必須確保最高可選用亮度低于整體要求壽命內的最高可達成亮度，如(圖七)所示。

         雖然RGB發光系統相當具有吸引力，但也面臨了這項技術廣泛使用的挑戰限制，因此就引起了能夠將三色光學回饋這類復雜情況隱藏在一個簡單使用介面背后的需求，以下將介紹ASSP如何達成這個要求。

(圖七)　ASSP會將RGB光源的色度（在此為1931x,y座標）穩定維持在一定容忍范圍內，甚至是在最高可達成亮度隨時間降低時

 

無需外部處理

       ASSP整合了一系列可以分析三色光感測器色彩資訊，并計算達成目標色的設定點及PWM驅動信號大小的一系列演算法。ASSP以大約每秒一百次的速度對光感測器進行取樣，以確保PWM信號的持續定期調整不會被人眼察覺，如前面所提，ASSP同時也包含一個可以避免LED老化而造成RGB光源輸出色度改變的演算法。

因此在達成與維持目標色上完全不需其他的計算。

 

色彩空間的標準化

      這與選擇目標色設定點的設備相關性有關，RGB感測器色彩空間會依照光感測器輸出、光感測器位置、LED、LED驅動電路以及其他因素而產生變化，(圖九)描述了這個問題，每個系統都在RGB感測器色彩空間上有些微差距，因此對系統A中所訂定的D65規格可能會與系統B不同。

例如：

系統A（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.0, 2.2, 1.9）volts；

系統B（Vred, Vgreen, Vblue）=（2.1, 2.4, 2.3）volts。

系統A中的三色光感測器在達成D65光輸出時，會產生以上的電壓位準，但對系統B的光感測器，雖然達到和A系統一樣的D65光輸出，卻會產生不同的電壓位準組合。換句話來說，由RGB感測器色彩空間所定義的色彩規格系統在每個系統都不一樣。

       ASSP整合了調校程序，讓每個系統都能夠使用標準的色彩規格系統，CIE1931 xyY與CIE RGB為ASSP內建的兩個系統，透過標準的色彩空間輸入，使用者可以將相同的目標色送給不同系統，并可安心確保每個系統都能產生相同誤差容忍范圍內的色彩輸出。

(圖九)　RGB感測器色彩空間的變動可以利用ASSP進行調校加以解決，將RGB感測器色彩空間對應到標準色彩系統，

例如1931 CIE xyY能夠讓每個系統使用標準色彩系統來選擇目標色。

 

簡易地設計導入

        在普通情況下，ASSP只需支援被動元件以及一個外部PROM來儲存調校資料。在大部分情況下，存儲器空間可以和系統及周邊共用，因為調校資料僅需31bytes。

        這款ASSP擁有標準的兩線式100 kHz I2C介面，同時所有的主要功能都對應到8-bit的定址空間上。例如要執行調校運算，只要將0x01寫入CTRL2暫存器即可，有關其他設計的細節請參考元件的資料規格書。

        在生產階段，系統可以透過使用標準的CIE相機進行調校，調校資料必須儲存在一個外部的短暫的記憶體中，而系統在導入到應用后并不需要進行調校程序。在應用上，使用者首先對設備進行組態，接著將先前儲存的調校資料寫入調校暫存器，這是一個簡單的讀出然后寫入的程序，完成后，系統就可以接受目標色的輸入。

        顏色的選擇相當簡單，以上述的例子為例，目標色D65以感測器電壓的方式指定，在實際應用上，目標色可以CIE 1931xyY系統的座標指定，當然也可採用如CIE uvY與CIE RGB等其他色彩系統。例如，要選擇照度E做為目標色，只要將（x, y, Y）=（330, 330, 200）的值送到ASSP中適當的暫存器即可完成。

●照度E CIE x,y座標為0.33, 0.33；

●將它們乘以1000得到330, 330；

●選擇相對亮度大小Y = 250；

●將250寫入暫存器位址237與236來設定亮度（Y值）；

●將330寫入暫存器位址235與234來設定x軸色度座標；

●將330寫入暫存器位址233與232來設定y軸色度座標；

●將0x12寫入暫存器位址1（CTRL1）來更新到新的目標色。

ASSP將在更新暫存器中的相對位元被設定后立即改變RGB光輸出。

（註：由于啟動了內部參考電路與振盪器選擇，因此，只需搭配被動元件即可支援這顆元件。如果系統已經可以提供記憶空間，那么就不需要EEPROM。）

實驗結果

(圖十三)顯示了開回路與閉回路RGB光源系統的效能差別，實驗采9000K白色目標色進行并使用duv做為評比指標。

(公式一)

　

其中

（U25, v25）=1976 CIE u, v在25oC時的色度座標；

（uT, vT）=1976 CIE u, v在溫度T時的色度座標。

對效能進行判別的一個基本法，則是使用duv = 0.005做為人眼能夠察覺變化前的色度的最小變化。

(圖十三)　色度因溫度變化的測量值

　

(圖十四)描述了溫度上升時對LED光譜的重大影響，這項資料由9000K白光目標色的閉回路系統取得，雖然光譜曲線出現大幅度的偏移，但duv依然維持在0.005以下。

(圖十四)　光譜因溫度造成的偏移，色度的偏移duv ＜ 0.005

 

結語

       RGB LED光源可以說是一個相當具有吸引力的照明解決方案，但由于LED特性的變化造成RGB光源輸出偏移目標色，三色式光學回饋雖然是一個經實良好的解決方案，但是在運作上卻有些復雜，必須透過良好的回授控制器設計才能夠簡化這類系統的實現動作。