基于LED的光谱可调光源结构研究＊

贾 宁，蒋水秀

（1.杭州职业技术学院 信息电子系，浙江 杭州 310018；2.杭州科技职业技术学院 机电工程学院，浙江 杭州 311402）

引 言

光源在人类的生命中不可缺少，而光源的准确性、安全性、高效性等又对人们的日常生活以及科学研究有着至关重要的影响。例如：汽车内部的光照明以及驾驶过程中的外部光环境等对驾驶员的健康和安全的影响；室内光环境对人的情绪及睡眠的影响；不同光谱照射下植物生长［1］；对光学测量仪器进行定标［2－3］等等，此类研究都需要模拟各种特定的照明环境。因此需开发一个可以快速模拟各种光谱的光源，以便实验所需。

目前，该类光源的研究已在国内外积极展开。美国国家标准和技术协会与飞利浦联合开发了一套光谱可调光源，实现了各种光谱功率分布，可以用作光谱辐射、光度和色度计量的标准［4－5］。同时，中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究人员也对这种光谱分布可调的光源设计进行了研究，均采用以LED为发光介质，通过多种LED发光光谱组合成不同的光谱分布。研究人员通过数学模拟算法的建立，对光谱进行仿真，验证了用LED来合成不同的光谱分布在原理上是可行的，并定量分析了合成效果，为光谱可调LED积分球光源样机研制奠定了基础。

但根据现有资料来看，目前国内的研究较多地停留在算法及验证层面，而较少涉及到具体系统的实现。如何在仿真的基础上，实现光谱可调光源的结构，并实现样机，是当前研究人员致力解决的问题。在此，提出一个光谱可调光源系统的具体结构，并对其整机系统做具体实现模拟。

1 工作原理

简单来说，该光源由很多LED共同组合而成。这些LED的光谱分布和峰值波长各不相同，所有的LED经由电脑控制完成驱动。通过精确控制每一个通道上LED的驱动电流，实现各个LED的不同灰度。由这些LED光谱合成为与目标光谱接近的模拟光源，再将模拟光源的光谱反馈到电脑计算模拟光谱和目标光谱的差异，并据此调节各通道上的电流，如此反复得到与目标光谱相似的光谱曲线。

对于该光源的设计目标，需要从两方面进行：一是光谱的匹配；二是照度的实现。由于LED单管的输出光功率较小，所以要得到较高的光功率，必须由多个LED配合各自的驱动电流进行合成，要得到复合的宽波段光谱，需要不同波长的LED共同作用。由多种光谱的LED组合可以获得任意光谱的模拟，根据光谱的叠加原理可得到LED光谱合成的基本数学模型［6］：

式（1）中，Si（λ）∝Lλ，Si（λ）是单个 LED 在驱动电流为额定电流时的光谱分布，ki为未知系数。为了证明多种类型LED的发光光谱组合可以模拟不同光源的光谱分布，对太阳光的光谱进行了模拟，结果如图1所示。由图1可见，模拟光源与目标光源的光谱基本一致，该光源的理论基础成立。

图1 光谱模拟仿真结果图Fig.1 Spectral simulation results

2 结构设计

该光源主要有成千上万个高功率LED组成，具体结构分为三个模块：LED屏体、光谱匹配模块以及LED控制驱动模块，其结构示意图如图2所示。计算机通过匹配算法得出与目标光源光谱匹配的LED的配置，然后将此配置数据通过DVI接口送出去。数据发送卡负责将通过DVI接口的显示数据打包通过网口发送出去。分控器负责将从网络口接收到的视频数据进行分析，转换为多路串行数据，通过控制总线发往LED显示屏体。LED显示屏体负责将接收到的显示数据进行分配，并驱动LED通过控制显示，实现目标光源。再将目标光源的光谱反馈给计算机，进行进一步匹配，直至达到预期效果。

2.1 LED屏体

LED屏体采用模块化设计，将一定数量的LED按照排列规律组成一个模块，而多个模块构成整体的LED屏体。各个模块组装时最好不要有间隔，否则会引起交叠阴影。每个模块由若干个电路板构成，每块电路板上有若干个LED小组，通过驱动电流控制而改变各小组上LED的亮灭和灰度等。同时，此结构应具有可扩展性，模块数目可以增加，以便今后照明规模的扩展；并且每个模块的LED数目可以增加，有适当的留空，以便在新峰值波长的LED出现时可以进行升级。

图2 系统结构示意图Fig.2 System structure schematic diagram

LED屏体整体框架外形如图3所示，侧面预留有5个风道孔，用于装配风机对架体进行散热。上方留有8个吊环，用于将屏体悬吊于天花板上。

进行LED选购时，应注意峰值波长应尽量多且在各个波段都有分布，并考虑发散角的大小。不同LED的发光强度的角分布不同，尽量选择发散角较大的LED，以更好达到空间配光的均匀性。由于系统要满足一定的照度要求，而在大部分情况下LED只是部分点亮，因此LED需要达到一定的数量，以便在各种光谱匹配情况下都能达到照度要求。

图3 LED屏体三维图Fig.3 Three－dimensional map of the LED screen

2.2 光谱匹配模块

光谱的匹配主要通过计算机完成。光谱的匹配应有三种实现方法，即自动调光模式，常用光谱查找模式，人工调节模式。该光源系统的目标是实现任意光源的光谱匹配，而不仅是常用光源的匹配，因此可以使系统有一定自动学习功能，即将它匹配过的光谱数据自动保存，以便之后出现这种目标光谱时可以直接调用，但也应当有一种科学有效的算法寻找最优匹配解。

常用光谱查找模式在数据库自动寻找已存储的常用光源匹配算法和程序以前实现过的光源匹配算法，从而节省计算和优化的时间，提高光谱匹配效率。自动调光模式可以采用二步法的方式，第一步通过一些理论模型或是通过查找表的方式，找到模型初解，第二步在此初解的基础上进行迭代优化，找到最优解。由于温度影响及老化等原因导致实际光谱分布和目标光谱分布有偏差，需要采用实时的二次优化算法来提高光谱匹配的精度。另外，还应该具有人工调光模式，对各个峰值波长的LED进行调节，以满足特殊条件的调试和实验需要。要注意当目标光源光谱是窄带光谱或含有线状谱线时，光谱匹配误差也会较大。

设计中采用的具体拟合方法如下：

从第j－1次出发计算第j次k（j）i的值，计算方法如下：

（2）继续计算，直到

（3）停止。

2.3 LED驱动控制模块

模块主要由计算机、视频显示卡、采样发送卡、LED显示屏控制器和LED数据分配卡5个部分组成，如图4所示。LED显示控制器和LED数据分配卡组成分控器。LED显示控制器负责分析从网络口接收到的视频数据，并转换为16路串行数据，通过控制总线发往LED显示屏体。LED数据分配卡（位于LED屏体上）接收LED显示屏控制器发送出的多路控制数据，并将控制数据分发到多个支路上，以驱动不同区域的LED。

图4 LED控制系统总体框图Fig.4 General block diagram of the control system

根据技术要求初步判断整个LED屏体需要LED数量约2 200个，综合考虑控制系统和LED正方形分布的平均性，选择12×12个LED模块，每个LED模块内部为4×4个LED，如图5所示。LED屏体驱动电路将前端接收到的控制数据通过数据分配卡分发到12条支路，每条支路又由12个LED模块构成。

图5 LED显示屏模块结构示意图Fig.5 LED display module structure diagram

3 讨论与分析

目前已经可以对所有LED的灰度实现控制，如图6所示，为间隔闪亮的模式。LED屏体与图5所示的结构示意图一致，以4×4个LED为一个基本模块，共采用了12×12个该模块组合而成，共计2 304个LED。

由于现在所具备的LED的种类尚未达到足够多的数量，故虽然仿真验证其光谱合成可实现，但在实际演示中，尚未达到任意光谱的匹配，仅能初步实现部分光谱的模拟。接下来的研究重点将放在光谱匹配等算法研究上。

图6 LED可调光源整体图Fig.6 Tunable light source overall figure

4 结 论

通过仿真验证了该LED光谱可调光源，同时通过其结构的实现，也证实了该结构的合理性。该光源通过精确控制每一个LED模块上的各个LED的电流使光源产生不同的光谱分布，从而模拟各种不同光源的光谱分布。可完成对光学遥感器的定标，光度计或辐射度计的检测校准，以及在不同照明条件下对材料特性的评估和物体反射率的特性描述，也可作为展示用光源。在具体实现时要注意，由于大量的LED集成在一个较密集的空间上，发热量很高，而温度对LED的性能影响很大，所以其恰当有效的散热设计尤为重要。要综合风扇组装、管道抽热、散热布局、气流设计等多方面因素，进行科学布局。此外，LED的排列要结合电路板的分布、布线方式和机械等多方面的因素进行考虑，以实现均匀的出射光。

［1］ 朱继亦，任建伟，李葆勇，等.基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成［J］.发光学报，2010，31（6）：882－887.

［2］ 陈 风，袁银麟，郑小兵，等.LED的光谱分布可调光源的设计［J］.光学 精密工程，2008，16（11）：2060－2064.

［3］ 陈 风，郑小兵.光谱非匹配对于光学遥感器定标精度影响的分析［J］.光学 精密工程，2008，16（3）：415－419.

［4］ DOWLING K J，KOLSKY B.The design of a spectrally tunable light source［J］.SPIE，2010，7422（6）：1－12.

［5］ BROWN S W，SANTANA C，EPPELDAUER G P.Development of a tunable LED－based colorimetric source［J］.ResNatInstStand Technol，2002，107（4）：363－371.

［6］ FRYC I，BROWN S W，EPPELDAUER G P.LED－based spectrally tunable source for radiometric，photometric and colorimetric applications［J］.OptEng，2005，44（11）：111309－111316.

［7］ 俞建峰，钱建明，顾高浪.LED灯具光通量检测技术的分析研究［J］.光学仪器，2011，33（5）：9－13.