CN101184355B - 三基色led光源合成白光的方法 - Google Patents
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Abstract
三基色LED光源合成白光的方法,涉及到一种由三基色光源合成白光的方法。本发明的方法是通过分别调整三基色LED的工作电流控制三基色LED的发光强度,通过CCD相机采集合成光的光信号,通过计算机将采集到的合成光信号和标准白光进行对比,并根据对比结果控制调整三基色LED的工作电流,进而形成闭环控制调整。本发明的装置中的三基色LED合成光源发出的合成光直射到CCD相机的镜头内,CCD相机的信号输出端和PC机的信号输入端连接,PC机的控制信号输出端和三路输出可调电流源的控制信号输入端连接,三路输出可调电流源的三个电流输出端分别与三组单色LED连接。本发明能够应用到微显示及微投影显示领域。
Description
技术领域:
本发明涉及到一种由三基色LED光源合成白光的方法。
技术背景:
目前半导体光源LED以其独特的优点,在很多领域已取得了相当可观的应用价值。LED光源除具有寿命长、发光效率高、发热低、发光颜色纯、色再现率高等优点外,还具有以下优点:(1)通过三基色的合理组合易实现色度平衡;(2)光谱谱线半宽度在20nm左右,色彩鲜艳;(3)发出的光不含紫外、红外等有害光线。
近几年LED在微显示领域与微投影显示领域的应用发展较为迅速,已有初步样机推出,但由于LED发光功率低及光能利用率低导致样机在某些方面还不能达到应用的要求。目前SONY、PHILIP、SUNSING、BENQ、FOCUS等公司也都致力于该领域的研究。
但是,由于LED单色光源的发光功率有限,只能采用多个LED或LED阵列来满足设备对光通量的要求。如果采用白光LED则给滤光片提出了更高的要求,同时色度、光能利用率、设备体积、散热问题之间存在着难以解决的问题。
关于LED的色度、光强及相关色温的测量方法及装置已公开的发明专利申请提出,如公开号为CN1959366的《采用窄光束标准光源的LED光通量测试装置及测量方法》、公开号为CN1959355《半导体光源发光色度、强度及白平衡的检测方法》、公开号为CN1691749的《可测量色度坐标及相干色温度的数字相机及其方法》、公开号为CN1471630的《测量色度坐标的系统》。目前有关三基色LED合成白光方法方面的专利还未有人提出。
目前常用的颜色光合成方法有光刺激的光谱功率合成、时间合成及空间合成,其中光谱功率合成法是采用红、绿、蓝三基色光,通过改变光路的可变光阑或光源电压,使三基色光按照不同的比例,可以合成各种颜色的光;空间合成法是利用色点的混合效应获得颜色相加,有三个相邻的色点红、绿、蓝,位置靠得很近,当三个色点距人眼一定距离时,相对于人眼的张角小于1时,人眼便不能区分这三个相邻的色点,只能观察到三基色的混合效果;时间合成法是用红、绿、蓝三种颜色组成一个色盘,中间放置一个待配色。当色盘转动时,由于人眼具有视觉暂留的特性,可以观察到红、绿、蓝三基色形成的混色。
发明内容
本发明提供了一种采用三基色LED光源合成白光的方法。
三基色LED光源合成白光的方法,其特征在于它的具体过程为:
步骤A:使三基色合成光源7中的三组LED单色光源工作在额定工作电流状态;
步骤B:调整三基色合成光源7出射光的方向,使三基色合成光源7发出的光能够直射到CCD相机11的镜头中;
步骤C:设定色度误差初始阈值T;
步骤D:通过CCD相机11采集三基色合成光源7发出的光信号,并将所述光信号传递给PC机1;
步骤E:在PC机1中对CCD相机11采集到的光信号进行分析,按照CCD相机11实现白光的方法计算比例系数a、b,然后获得所述光信号的色度坐标(u,v),用所述色度坐标与标准白光的色度坐标进行对比,获得色度坐标误差Δuv;
步骤F:判断色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整完成;如果判断结果为否,执行步骤G;
步骤G:分别调整三基色合成光源7中的三组LED单色光源的工作电流,在调整的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到色度坐标误差Δuv小于或等于设定色度误差初始阈值T为止,
所述步骤G中的三组LED单色光源的工作电流的调整方法为:
步骤G1、保持三组LED单色光源中的红色光源的工作电流不变,在LED单色光源的允许工作电流范围内分别调整绿色光源和蓝色光源的工作电流,在调整电流的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整;
步骤G2、判断步骤G1获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整结束;如果判断结果始终为否,则执行步骤G3;
步骤G3、在蓝色光源的允许工作电流范围内调整蓝色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的蓝色光源的工作电流值不变;
步骤G4、判断步骤G3获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G5;
步骤G5、在绿色光源的允许工作电流范围内调整绿色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的绿色光源的工作电流值不变;
步骤G6、判断步骤G5获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G7;
步骤G7、在红色光源的允许工作电流范围内调整红色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的红色光源的工作电流值不变;
判断步骤G7获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,返回执行步骤G1,继续调整。
本发明采用半导体LED作为合成光的单色光源,合成方法简单易行,容易实现色度平衡,并且合成的白光不含紫外、红外等有害光线。本发明的白光合成方法控制流程简单,合成装置价格低、容易实现,本发明还拓宽了单导体LED的应用领域,提高了LED的应用价值。
本发明的三基色LED光源合成白光的方法及装置能够应用到微显示及微投影显示领域。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图;图2、图3是具体实施方式二所述的三基色合成光源7中的三组单色LED光源的排列方式示意图;图4是具体实施方式一中所述的色度计算中照度采集点分布。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的三基色LED光源合成白光的方法,具体过程为:
步骤A:使三基色合成光源7中的三组LED单色光源工作在额定工作电流状态;
步骤B:调整三基色合成光源7出射光的方向,使三基色合成光源7发出的光能够直射到CCD相机11的镜头中;
步骤C:设定色度误差初始阈值T;
步骤D:通过CCD相机11采集三基色合成光源7发出的光信号,并将所述光信号传递给PC机1;
步骤E:在PC机1中对CCD相机11采集到的光信号进行分析,获得色度坐标误差Δuv;
步骤F:判断色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整完成;如果判断结果为否,执行步骤G;
步骤G:分别调整三基色合成光源7中的三组LED单色光源的工作电流,在调整的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到色度坐标误差Δuv小于或等于设定色度误差初始阈值T为止。
在所述步骤G中,所述三组LED单色光源的工作电流的调整方法为:
步骤G1、保持三组LED单色光源中的红色光源的工作电流不变,在LED单色光源的允许工作电流范围内分别调整绿色光源和蓝色光源的工作电流,在调整电流的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整;
步骤G2、判断步骤G1获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整结束;如果判断结果始终为否,则执行步骤G3;
步骤G3、在蓝色光源的允许工作电流范围内调整蓝色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的蓝色光源的工作电流值不变;
步骤G4、判断步骤G3获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G5;
步骤G5、在绿色光源的允许工作电流范围内调整绿色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的绿色光源的工作电流值不变;
步骤G6、判断步骤G5获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G7;
步骤G7、在红色光源的允许工作电流范围内调整红色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的红色光源的工作电流值不变;
步骤G8、判断步骤G7获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,返回执行步骤G1,继续调整。
在步骤G3、步骤G5和步骤G7中,调整LED单色光源的工作电流的方法为:先采用粗调的方式进行调整,直到获得的色度坐标误差Δuv出现奇异点;然后保证色度坐标误差Δuv在奇异点附近采用细调的方式进行调整。
所述奇异点是指在Δuv一直减小的过程中,突然向相反的方向增加,所述向相反的方向增加的点,或者指在Δuv一直增加的过程中,突然向相反的方向减小,所述向相反的方向减小的点。
所述粗调是指每次调整电流的幅度比较大,可以是10mA级;所述细调是指每次调整的幅度比较小,为mA级。
本实施方式中,能够根据需求设定阈值T,可以合成任意色度坐标的白光,同时将光能输出提高到最大。
本方法中所称的LED单色光源是单色LED二极管光源或者单色LED灯。
在步骤E中所述的获得色度坐标误差Δuv的方法,是根据采集到的光信号按照CCD相机11实现白光的方法计算比例系数a、b,然后获得所述光信号的色度坐标(u,v),用所述色度坐标与标准白光的色度坐标进行对比获得色度坐标误差Δu,所述CCD相机11可以是灰度相机或者彩色像机,当CCD相机11是灰度相机的时候,获得色度误差的方法如下:
令CCD相机11采集的红、绿、蓝三基色光的照度值分别为:IR,IG,IB,
其三基色光的主波长分别为:λR,λG,λB,
对应的色度坐标分别为(xγ,yγ,zγ)、(xb,yb,zb)、(xb,yb,zb),
其中IR中的红、绿、蓝三种成分分别为:IRr,IRg,IRb;
IG中的红、绿、蓝三种成分分别为:IGr,IGg,IGb;
IB中红、绿、蓝三种成分分别为:IBr,IBg,IBb,
根据照度值与色度坐标之间的关系可得:
xr+yr+zr=xg+yg+zg=xb+yb+zb=1 (1)
令采集的三基色光的照度比分别为:
令合成白光的坐标为(xw,yw,zw),则有:
根据CIE1931色品图中坐标(x,y)与CIE1960UCS色品图中(u,v)之间的转换关系,进而可得:
其中的(ui,vi)为标准白光源D65的色度坐标,(u,v)为测量点的色度坐标。Δuv表示在CIE1960UCS系统色品图上两个色度坐标点之间的距离,即合成白光与标准白光源D65之间的色度误差。
当所述CCD相机11是彩色相机的时候,获得色度误差的方法如下:
设红、绿、蓝三基色的色度坐标分别为(xr,yr)、(xg,yg)和(xb,yb),其三刺激值分别为(Xr,Yr,Zr)、(Xg,Yg,Zg)和(Xb,Yb,Zb),色坐标与三刺激值的关系为:
合成白光的三刺激值为:
Xw=Xr+Xg+Xb,Yw=Yg+Yg+Yb,Zw=Zr+Zg+Zb (19)
Yw=Yr(1+a+b)
三基色光中绿成分之比分别为:
其中的(ui,vi)为标准白光源D65的色度坐标,(u,v)为测量点的色度坐标。Δuv表示在CIE1960UCS系统色品图上两个色度坐标点之间的距离,即合成白光与标准白光源D65之间的色度误差。
本实施方式中采用灰度CCD相机11或者彩色CCD相机11来实现合成白光的方法,可以消除由于三基色LED中心波长变化及色度坐标变化所带来的合成白光的色度误差。
本实施方式的三基色LED光源合成白光的装置由三基色合成光源7、CCD相机11、PC机1、三路输出可控电流源3组成,所述三基色合成光源7由三组LED单色光源和匀光系统10组成,每组LED单色光源由n个LED单色光源组成,所述3n个LED单色光源排列成紧凑的k×l形矩阵,其中所述n、k、l均为大于1的整数;匀光系统10固定在矩阵形的3n个LED单色光源的光线输出侧,所述匀光系统能够使矩阵形的3n个LED单色光源输出的照射面光照度均匀,CCD相机11信号输出端和PC机1的信号输入端连接,所述PC机1的控制信号输出端和三路输出可控电流源3的控制信号输入端连接,所述三路输出可控电流源3的三路电流输出端分别与三基色合成光源7中的三组LED单色光源的电源输入端连接。
所述匀光系统10采用已有的光学匀光装置,匀光系统10能够对进入其内的光束进行调整,使输出的照射面照度均匀,进而达到CCD的照射采集面上各点的照度值之间的误差很小。
本实施方式中所述的三路输出可控电流源3选择浙大三色仪器公司生产的IT6122型电源。
本实施方式的三基色LED光源合成白光的装置中,所述三基色合成光源7中的匀光系统10,能够保证照度采集面上照度的均匀性,从而减小并消除了由于照度不均匀所引起的合成白光的误差。
本实施方式中所述的LED单色光源是单色LED发光二极管或者LED灯。
所述三路输出可控电流源3还可以是三个独立的可控电流源。
具体实施方式二:本实施方式所述的三基色LED光源合成白光的装置中的三基色合成光源7由3×3个单色LED发光二极管和匀光系统10组成,所述3×3个单色LED发光二极管排列成3×3矩阵,排列方式为第一行和第三行均为绿、蓝、红,第二行为红、蓝、绿;或者第一行为蓝、绿、红,第二行为红、蓝、绿,第三行为绿、红、蓝。
本实施方式中的单色LED发光二级管的额定工作电流为350mA,其工作电流为300mA~400mA,则三基色LED光源合成白光的方法中所述三组LED单色光源的工作电流的调整过程为:
步骤G1、保持三组LED单色光源中的红色光源的工作电流为350mA,在300mA~400mA范围内分别调整绿色光源和蓝色光源的工作电流,在调整电流的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,并判断色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整结束;如果判断结果始终为否,则执行步骤G2;
步骤G2、在300mA~400mA范围内调整蓝色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的蓝色光源的工作电流值不变;
步骤G3、判断步骤G2获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G4;
步骤G4、在300mA~400mA调整绿色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的绿色光源的工作电流值不变;
步骤G5、判断步骤G4获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G6;
步骤G6、在300mA~400mA调整红色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的红色光源的工作电流值不变;
步骤G7、判断步骤G6获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,返回执行步骤G1,继续调整。
所述CCD相机11是经过标定的。
本实施方式采用的CCD相机11是高分辨率工业数字CCD相机11。
所述CCD相机11的分辨率为640×480。
所述三路输出可调电流源有三路可单独调整的电流输出端,每路输出电流的调整精度为±0.1mA。
所述LED单色光源,可以是LED灯,也可多个LED单色光源二极管的组合。
本实施方式中选用的LED单色光源的工作电流范围为300mA~400mA。本方法通过对CCD相机11采集到的三基色合成光源7在显示平面上的照度,控制三组LED单色光源的工作电流,进而达到合成标准白光的目的。在对三基色合成光源7在显示平面上的照度的时候,采用的是色度坐标对比获得色度误差的方法,即根据对比计算采集到的照度计算器色度坐标和标准白光的色度坐标获得一个差值就是色度误差,然后根据所述色度误差的大小调整三基色合成光源7中的LED单色光源发光的强度,直到所述色度误差在一个限定的范围内为止。
Claims (5)
1.三基色LED光源合成白光的方法,它的具体过程为:
步骤A:使三基色合成光源(7)中的三组LED单色光源工作在额定工作电流状态;
步骤B:调整三基色合成光源(7)出射光的方向,使三基色合成光源(7)发出的光能够直射到CCD相机(11)的镜头中;
步骤C:设定色度误差初始阈值T;
步骤D:通过CCD相机(11)采集三基色合成光源(7)发出的光信号,并将所述光信号传递给PC机(1);
步骤E:在PC机(1)中对CCD相机(11)采集到的光信号进行分析,按照CCD相机(11)实现白光的方法计算比例系数a、b,然后获得所述光信号的色度坐标(u,v),用所述色度坐标与标准白光的色度坐标进行对比,获得色度坐标误差Δuv;
步骤F:判断色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整完成;如果判断结果为否,执行步骤G;
步骤G:分别调整三基色合成光源(7)中的三组LED单色光源的工作电流,在调整的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到色度坐标误差Δuv小于或等于设定色度误差初始阈值T为止,
其特征在于所述步骤G中的三组LED单色光源的工作电流的调整方法为:
步骤G1、保持三组LED单色光源中的红色光源的工作电流不变,在LED单色光源的允许工作电流范围内分别调整绿色光源和蓝色光源的工作电流,在调整电流的过程中,通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整;
步骤G2、判断步骤G1获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,调整结束;如果判断结果始终为否,则执行步骤G3;
步骤G3、在蓝色光源的允许工作电流范围内调整蓝色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色 度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的蓝色光源的工作电流值不变;
步骤G4、判断步骤G3获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G5;
步骤G5、在绿色光源的允许工作电流范围内调整绿色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的绿色光源的工作电流值不变;
步骤G6、判断步骤G5获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,则执行步骤G7;
步骤G7、在红色光源的允许工作电流范围内调整红色光源的工作电流,在调整的过程中通过步骤D和步骤E获得色度坐标误差Δuv,直到获得的色度坐标误差Δuv为最小值时停止调整,保持此时的红色光源的工作电流值不变;
步骤G8、判断步骤G7获得的色度坐标误差Δuv是否小于或等于设定色度误差初始阈值T,如果判断结果为是,则调整结束;如果判断结果为否,返回执行步骤G1,继续调整。
2.根据权利要求1所述的三基色LED光源合成白光的方法,其特征在于在步骤G3、步骤G5和步骤G7中,调整LED单色光源的工作电流的方法为:先采用粗调的方式进行调整,直到获得的色度坐标误差Δuv出现奇异点;然后保证色度坐标误差Δuv在奇异点附近采用细调的方式进行调整。
3.根据权利要求2所述的三基色LED光源合成白光的方法,其特征在于所述粗调是指每次调整电流的幅度比较大,为10mA级;所述细调是指每次调整的幅度比较小,为mA级。
4.根据权利要求1所述的三基色LED光源合成白光的方法,其特征在于,在步骤E中所述的获得色度坐标误差Δuv的方法,所述CCD相机(11)是灰度相机,获得色度误差的方法:
令CCD相机(11)采集的红绿蓝三基色光的照度值分别为:IR,IG,IB,
其三基色光的主波长分别为:λR,λG,λB,
对应的色度坐标分别为(xγ,yγ,zγ)、(xb,yb,zb)、(xb,yb,zb),
其中IR中的红、绿、蓝三种成分分别为:IRr,IRg,IRb;
IG中的红、绿、蓝三种成分分别为:IGr,IGg,IGb;
IB中红、绿、蓝三种成分分别为:IBr,IBg,IBb,
根据照度值与色度坐标之间的关系可得:
xr+yr+zr=xg+yg+zg=xb+yb+zb=1
令采集的三基色光的照度比分别为:
令合成白光的坐标为(xw,yw,zw),则有:
根据CIE1931色品图中坐标(x,y)与CIE1960UCS色品图中(u,v)之间的转换关系,进而可得:
其中的(ui,vi)为标准白光源D65的色度坐标,(u,v)为测量点的色度坐标,Δuv表示在CIE1960UCS系统色品图上两个色度坐标点之间的距离,即合成白光与标准白光源D65之间的色度误差。
5.根据权利要求1所述的三基色LED光源合成白光的方法,其特征在于,在步骤E中所述的获得色度坐标误差Δuv的方法,所述CCD相机(11)是彩色相机,获得色度误差的方法:
设红、绿、蓝三基色的色度坐标分别为(xr,yr)、(xg,yg)和(xb,yb),其三刺激值分别为(Xr,Yr,Zr)、(Xg,Yg,Zg)和(Xb,Yb,Zb),色坐标与三刺激值的关系为:
合成白光的三刺激值为:
Xw=Xr+Xg+Xb,Yw=Yr+Yg+Yb,Zw=Zr+Zg+Zb
Yw=Yr(1+a+b)
三基色光中绿成分之比分别为:
其中的(ui,vi)为标准白光源D65的色度坐标,(u,v)为测量点的色度坐标,Δuv表示在CIE1960UCS系统色品图上两个色度坐标点之间的距离,即合成白光与标准白光源D65之间的色度误差。
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