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光連雙月刊2014年9月‧No.11340

技術瞭望文／黃忠民1、龔哲民2（工研院綠能所（GEL/ITRI）固態照明系統研究室資深研究員／經理1、研究員2）

一、簡介

19世紀至21世紀全球人口由10億暴增至70億，

經濟大幅成長外，生產活動也由農業轉成能源消耗

量大的工業，過度破壞地球環境狀況下，造成全球

氣候大變遷。在節能減碳趨勢下，各國積極推動

LED節能照明，根據工研院產業經濟與趨勢研究中

心（IEK）統計，2013年全球LED照明市場規模約

為272億美元，相較2012年成長幅度為35％，預計

到了2017年時，滲透率可以達到48％、全球LED照

明市場可達到545億美元。LED照明由於符合節能

減碳效益且性價比持續提升，已是未來照明領域主

要的光源。

根據美國能源部（DOE）發表燈具效率技術藍

圖[1]，2013年預估LED封裝效率可到達135lm/W，

透過光機電熱整合技術製作LED燈具，燈具效率預

估96lm/W；2015年封裝效率可到達169lm/W，燈具

效率預估130lm/W。然而，LED商品須考量價格及

效率的平衡以提高市場接受度。以21世紀台灣市場

主流LED燈泡為例，暖白光效率約85lm/W，壽命＞

2萬5,000小時，已具有節能環保壽命長特性。相較

於19世紀主流螢光燈炮的60lm/W、約6,000小時壽

命、含有毒汞及18世紀主流鹵素燈泡之20lm/W、

約1,000小時壽命，使用LED為光源將持續為照明節

能。

LED優點為高效率、壽命長、體積小、容易調

變控制。如何更聰明發揮LED照明的優點及開拓新

應用領域將是下一階段發展重點。本文介紹色溫可

調、高CRI照明控制系統，已可完全取代傳統光源

（鎢絲燈及螢光燈），並依使用者輸入需求，透過

色彩引擎計算及調光控制系統，提供精準色溫及亮

度輸出，達成高品質光源的智慧照明控制系統。

二、研究方法

本文所使用照明控制系統架構圖如圖1所示。

本架構透過電腦（computer）及MATLAB GUI

（圖形化使用介面）設定所需光照輸出，再透過

MATLAB軟體色彩引擎計算出冷白及暖白燈光強

度比例及對應之單色通道所需PWM duty訊號值，

白光LED具有高光學品質及容易調變控制特性，透過不同色溫（3,000K至5,500K）白光LED組合能夠調變出全範圍高品質白光，於全範圍白光具有CRI高於95的特性。本文介紹色溫可調高CRI照明控制系統，已可完全取代傳統光源（鎢絲燈及螢光燈），並依使用者輸入需求，透過色彩引擎

計算及調光控制系統，提供精準色溫及亮度輸出，達成高品質光源的智慧照明控制系統。

高品質照明色溫調控技術

光連雙月刊2014年9月‧No.113 41

可偵測（x，y）、 i l luminance（ lux）及CCT

（Correlated Color Temperature）。測試箱關上時背

景照度為0.858lux。AC-DC power supply（meanwell

rs-15-24）提供24V電壓輸入至L7818CV穩流器電

路。L7818CV穩流器（regulator）電路提供18V

電壓輸入至CC（Constant Current）driver。冷白

（CW）LED module驅動電性設定為350mA電流驅

動、電壓16.9V、6顆CW LED串聯；暖白（WW）

LED module設定驅動電性為350mA電流驅動、電

壓16.9V、6顆WW LED串聯。本驅動電路交流輸入

Vac 115V、CW module設定PWM duty＝100％輸出

時，消耗功率10.1W、功率因素0.6；WW module設

定PWM duty＝100％輸出時，消耗功率10.3W、功

率因素0.6。

三、結果

▓ LED 光源品質分析

本文使用MATLAB GUI計算光源之光品質軟

體介面如圖2所示，圖右下角為下拉式選單，可選

擇LED光譜檔。LED光譜圖形如圖左上角，透過色

彩計算引擎，輸入光源量測光譜即可算出（x，y）

（chromaticity values）、lumen（luminous flux）、

接著透過USB將控制訊號（0-1）送至arduino模組

（module）控制器，產生相對應PWM duty訊號

（0-100％）。接著，PWM duty 訊號送至驅動定

電流控制器（constant current driver），產生相對應

LED電流開關切換，並輸出相對應暖白及冷白光強

度；混合後之白光產生相對應之混光結果。

驅動定電流控制器（C C d r i v e r）主要由

AMC7140 驅動IC組成，具有定電流4通道控制能

力，可接4個LED模組。本文使用2個電流通道，各

自接至冷白及暖白模組，透過不同冷白及暖白模組

發出不同白光亮度比例，產生相對應白光混光結

技術瞭望高品質照明色溫調控技術

果。冷白或暖白模組使

用6顆UNISTARS Mercury

1515 LED串聯，固定於

金屬基板（M C P C B）

上，並固定於鋁製散熱

器上。實驗時放置於白

色測試箱內（尺寸：

37×31×36cm），色度

計偵測器正下方。如圖

1，色度計（X Y C - I）

圖1　照明控制系統架構圖資料來源：綠能所

圖2　GUI介面計算光源之光品質資料來源：綠能所


CCT、Duv（chromaticity distance from the daylighting

or Planckian locus at CIE 1960 color space）、演

色性計算指數R9、CRI（general Color rendering

index）、GAI（Gamut area index）、FSCI（full-

spectrum color index）及LER（luminous efficacy of

radiation）照明品質指數[2]。

本文使用5種光譜於光品質計算如圖3。S1

為Lextar 5630暖白色LED產品（PC30H06）[3]、

S2為Lextar 5630冷白色LED產品（PC30H06）、

S3為Unistars 1515 CSP（chip scale package）暖白

圖3　S1-S5 LED光譜及LED外型資料來源：綠能所

表1　5種光源之光品質計算結果資料來源：綠能所

x y lm CCT R9 LER FSCI CRI GAI Duv A-class

S1 0.4516 0.4033 1148 2759 29 297 59 85 50 0.00201 N

S2 0.3287 0.3438 1401 5663 16 315 68 85 84 0.00019 Y

S3 0.4328 0.4010 528 3052 88 266 70 97 61 0.00069 N

S4 0.3785 0.3728 954 4035 95 267 82 97 81 0.00131 Y

S5 0.3298 0.3386 426 5617 90 265 84 97 95 0.00335 Y

色LED產品（Unistars Mercury 1515）[4]、S4為

Unistars 1515 CSP（chip scale package）冷白（S5）

及暖白 LED（S3）混光後4,000K光譜圖、S5為

Unistars 1515 CSP暖白色LED產品（Unistars Mercury

1515）。

其光譜計算結果如表1，CRI為量測光源顯示物

體色彩的自然度（a measure of a light source's ability

to show object colors "realistically" or "naturally"）、

FSCI為量測光源與等能量光譜的光譜差異度（a

mathematical measure of how much a light source's

s p e c t r u m d e v i a t e s

from an equal-energy

spectrum）、GAI為表現

被照物體呈現顏色的飽

和度（the more saturated

the object colors will

appear）、LER為光譜

的輻射光視效能；LER

越高代表同樣光能量下

越亮，其單位為（ lm/

w）。

S1-S5 R9 皆大於0，

符合美國能源之星對R9

高品質照明色溫調控技術技術瞭望


圖5　（左）高CRI光引擎雛形（右）光引擎量測光譜圖資料來源：綠能所

＞0之要求；S1及S2相較於S3及S5之CRI較低，但

具有較高的LER；光譜連續性高的S3-S5擁有較高的

FSCI，其色彩表現能力比同樣色溫的S1-S2 LED也

具有較高的GAI，這說明光品質與光效率具有衝突

性，越高光品質（CRI、 FSCI、 GAI）將降低光效

率（LER），故使用者須依照本身需求設定最佳化

光源，例如在符合美國能源之星R9＞0及CRI＞80的

條件下追求較高的LER，展現節能效益，或是在高

值化場域應用，如博物館等降低LER，提升光品質

至CRI＞95以上。針對光源品質的評估，也有研究

團隊提出雙指標評估方式[5]，同時評估CRI≧80且

100≧GAI≧80適用於商業照明，並稱之為「A-class

lamp」。本次評估之5種光源其中S2、S4、S5皆符

合A-class條件，且皆色彩值相當靠近 Planckian locus

（Duv＜0.004）。圖4亦另提供一種方式同時判斷

光品質與效率（效率表示成LER/4，提高圖形容易

閱讀程度），使用者可評估其為LED光源特性需求

綜合判斷是否滿足需求。

本文使用S4光源製作整合CSP光引擎雛型如

圖5（圖左），使用S3與S4光源串聯，設計降壓定

電流驅動電源（使用立錡DS8458A），目前可全

電壓輸入（85-260V），於220V交流輸入時消耗功

率約6.7W、光通量350lm、效率約52lm/W、相對

色溫（CCT）4,000K、CRI 95.6、CQS 97，其光品

質逼近鎢絲光源，且於可見光範圍內為連續光譜

分布如圖5（圖右）。其光源模組於200mA量測下

光通量580lm、效率約86.7lm/w、電壓33.4V、CCT

4,032K、R9＝91.8、CRI＝95.8、Duv＝-0.0012；光

源模組於350mA量測下光通量954lm、效率約78lm/

w、電壓34.5V、CCT＝4025K、R9＝94.9、CRI＝

96.8、Duv＝-0.00105。光源模組於700mA量測下光

通量1,603lm、效率約63.2lm/w、電壓36.2V、CCT

＝4,004K、R9＝96.2、CRI＝96.9、Duv＝-0.0024。

由S4光源模組量測可得知，提升驅動電流將不降低

光品質，卻可有效提升光源性價比，但整體光源或

光引擎的效率將下降，目前光引擎效率52lm/W已

可完全取代傳統10-20lm/W鎢絲燈光源，相較螢光

燈泡60lm/W亦很接近，且其具有比螢光燈泡更高

CRI，更高連續光譜特性及更長壽命。

圖4　光源光品質及效率比較雷達圖資料來源：綠能所



圖6　PWM duty對照度關係圖（使用WW（S3）and CW（S5）LED光源）

圖7　PWM duty對色彩值（使用WW（S3）and CW（S5）LED光源）

資料來源：綠能所


▓ 調光線性度

本文使用照明控制系統（如圖1）測試系

統調光之線性度，使用S3為暖白光光源、S5為

冷白光光源，設定不同PWM duty輸出值，量

測相對應的lux、（x, y）及CCT，圖6顯示Duty

對光強度輸出為線性關係，針對CW duty-lux

量測值做linear curve fitting 發現（illuminance）

＝45.201×（duty）＋35.075，其迴歸係數R2

＝0.9998，與理想值（假設duty＝100％為基準

值，且基準值乘其他duty 設定值為理想值），

理想值計算之數據做linear curve fitting發現

（illuminance）＝45.12×（duty），其迴歸係

數R2＝1；表示duty值小的時候會有較大誤差

值；如圖6左上角所示，Duty設定小於1％時會

偏離線性關係；此與驅動定電流控制器的控

制力有相當大的關係。另外針對WW duty-lux

量測值做linear curve fitting發現（illuminance）

＝36.405×（duty）＋29.842，其迴歸係數R2

＝0.9997，與理想值（假設duty＝100％為基準

值，且基準值乘其他duty設定值為理想值），

理想值做linear curve fitting發現（illuminance）

＝36.33×（duty），其迴歸係數R2＝1，表示

duty 值小的時候也會有較大誤差值。

圖7顯示不同PWM duty（1-100％）驅動

下冷白LED與暖白LED的色彩值。針對冷白

LED的x差異值（delta x＝（max（x）－min

（x））為0.0021、y差異值為0.0068（delta y＝

（max（y）－min（y）））。針對暖白LED的

x差異值（delta x＝（max（x）－min（x））

為0.0024、y差異值為0.0036（delta y＝（max

（y）－min（y））），理想上色彩值不隨duty

變化而改變，但透過驅動定電流控制器及量測

儀器的誤差，此系統隨驅動duty越小色彩會越

偏離理想值。

圖8顯示不同PWM duty（1-100％）驅動下冷白LED與暖白

LED的CCT。針對冷白LED的CCT差異值（delta CCT＝（max

（CCT）－min（CCT））為88K。針對暖白LED的CCT差異值

（delta CCT＝（max（CCT）－min（CCT））為73K，理想上




CCT不隨duty變化而改變，但透過驅動定電流控

制器及量測儀器的誤差，此系統隨驅動duty越

小，色溫會越偏離理想值。

▓ 線性混光

本文使用照明控制系統（如圖1）測試系統

混光之能力，使用S3為暖白光光源光譜、S5為

冷白光光源光譜，設定不同PWM duty輸出值，

（冷白duty＋暖白duty＝100％）模擬及量測相對

應的混光後的光學特性，如圖9所示。計算不同

duty比例混和後的光譜，W50C50表示WW LED

duty＝50％，CW LED duty＝50％。當WW LED

duty提高，黃光亮度比例相對增加；當CW LED

duty提高，藍光亮度比例相對增加，藉由不同顏

色的比例可以控制色溫。

表2顯示不同混光比例的計算結果。透過

比例的調控色溫可以由3,051K調整至5,617K，

且CRI皆大於96，R9皆大於0，混光調整後的

圖8（左）　PWM duty對色溫（CCT）（使用WW（S3）and CW（S5）LED光源）圖9（右）　WW（S3）and CW（S5）LED光源不同duty比例下的模擬光譜


圖10　模擬WW（S3）and CW（S5）LED光源不同duty比例下的色彩位置資料來源：綠能所


圖11　GUI介面設定輸出不同光源duty 值及顯示混合光譜（綠色：冷白光譜、紅色：暖白光譜、黑色：混合光譜）資料來源：綠能所

表2　WW（S3）and CW（S5）LED 光源不同duty比例下的光學模擬特性資料來源：綠能所

WWDuty（％）

CWDuty（％）

x y lumen CCT Duv R9 LER FSCI GAI CRI

100 0 0.43281 0.40095 528 3051 0.00071 87.8 266.3 70.2 60.8 97.5

90 10 0.42291 0.39498 518 3184 0.00161 91.6 266.2 72.9 65.6 98.0

80 20 0.41290 0.38892 508 3334 0.00238 95.2 266.0 75.5 70.2 98.1

70 30 0.40285 0.38284 498 3502 0.00298 98.2 265.9 77.8 74.5 98.1

60 40 0.39272 0.37669 487 3692 0.00338 97.2 265.8 79.9 78.6 97.8

50 50 0.38246 0.37046 477 3910 0.00357 94.4 265.6 81.7 82.3 97.5

40 60 0.37213 0.36421 467 4159 0.00349 92.0 265.4 83.1 85.7 97.2

30 70 0.36172 0.35790 457 4445 0.00312 90.3 265.3 84.2 88.7 96.9

20 80 0.35114 0.35145 447 4778 0.00247 89.4 265.0 84.8 91.4 96.6

10 90 0.34054 0.34506 436 5165 0.00468 89.9 264.9 84.9 93.5 96.7

0 100 0.32986 0.33858 426 5617 0.00335 89.8 264.7 84.4 95.1 96.5

Duv≦0.005；皆落於ANSI C78.377規範之

LED bin區內，如圖10所示。

本文使用冷白及暖白調光控制之軟體

介面如圖11所示，透過拉bar或數字輸入控

制光源duty，並可顯示混光後的合成光譜，

透過此輸出不同比例duty比值並量測對應

光學特性，實驗數據如表3所示。透過比例

的調控色溫可以由3,030K調整至5,561K，

混光調整後的Duv≦0.0022，皆落於ANSI

C78.377規範之LED bin區內，如圖12所示。

模擬之CCT與lm與量測之CCT與lux成正比

關係，但不是線性關係，這可能是模擬條

件為理想值；實驗條件是在白色箱子內，

且須考慮驅動電路控制力及色度計量測之

誤差。


圖10　模擬WW（S3）and CW（S5）LED光源不同duty比例下的色彩位置


▓ 需求輸入式調光設計

本文使用冷白及暖白調色溫及照度控制之

軟體介面如圖13所示；可根據照明光環境需求

設定照度及色溫。圖13中綠色線為根據Kruithof

Curve所繪製之範圍曲線，高色溫低照度將有偏

冷的感覺；低色溫高照度將有偏暖的感覺；介於

中間為舒適區，但仍需依使用環境不同而有不

同設定[6]。圖13左為設定高色溫（5,285K）、

高照度（1,007lux），圖13右為設定低色溫

（3,145K）、低照度（209lux）之範例。

圖14顯示不同色溫設定及實驗量測的資料。

五個色溫分別設定為3,125K、3,725K、4,325K、

4,925K、5,285K；4個亮度分別設定為2,000lux、

1,000lux、500lux、200lux，共20個設定點。實驗

結果顯示在高照度（2,000lux）時會有約5％偏

差，色溫準確性高。

圖15顯示LED混光模組加上一球形燈泡殼點

亮情況；於低色溫下已可取代傳統10-20lm/W鎢

絲燈光源且其光學品質相近。相較白光螢光燈

泡其具有較高CRI、更高連續光譜特性及更長壽

命，且光源可整合智慧控制系統，調整不同的亮

度及色溫，是LED照明的優點與傳統光源不同之

處。

四、結論

色溫可調高CRI照明控制系統，已可完全取

代傳統光源（鎢絲燈及螢光燈），並可依使用者

輸入需求（Kruithof curve），來提供高品質的燈

光，本文展示高品質光源結合智慧照明控制系

統，提升系統及光源效率、精簡控制系統、降低

成本為未來努力方向。

表3　WW（S3）and CW（S5）LED光源不同duty比例下的光學特性量測值資料來源：綠能所

WWDuty（％）

CWDuty（％）

lux CCT duv

100 0 3635 3030 0.0018

90 10 3777 3238 0.0009

80 20 3874 3449 0.0005

70 30 3995 3667 0.0001

60 40 4077 3893 0.0001

50 50 4178 4134 0.0003

40 60 4241 4387 0.0006

30 70 4324 4651 0.001

20 80 4367 4933 0.0016

10 90 4430 5232 0.0022

0 100 4450 5561 0.003

圖12　WW（S3）and CW（S5）LED光源不同duty比例下的色彩位置資料來源：綠能所



圖14（左）CCT對照度設定及實驗量測結果、圖15（右）LED模組加上球形燈泡殼點亮圖

圖13　CCT對照度設定之GUI



▓ 誌謝本研究感謝經濟部能源局「固態照明與系統節能技術研發」的支持。

▓ 參考文獻[1]　DOE 2014 "Solid-State Lighting Research and Development Multi-Year Program Plan"[2]　http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightinganswers/lightsources/abstract.asp[3]　http://www.lextar.com[4]　http://www.unistars.com.tw[5]　Mark S. Rea and Jean P. Freyssinier-Nova, "Color rendering: A tale of two metrics", 　　Color Research & Application,Volume 33, Issue 3, p 192–202, June 2008[6]　N Oi, CIE 2007 proceeding, "preferred combinations between illuminance and color 　　temperature in several settings for daily living activities."


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