CN103090238B - 色温随时间模拟自然光变化的led光源照明的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，首先在控制器中存储一系列不同时间节点和色温对应的LED光源的电流调整方案，控制器通过接受时钟的时间信号，并将时间信号和时间节点进行比较，然后提取相应的电流调整方案控制LED光源的电流，或者是手动选择色温，控制器根据该色温对应的电流调整方案，控制LED光源的电流，从而模拟自然光色温的变化，使LED照明模块的合成光具有较高的显色性。本发明还公开了一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的装置。

Description

色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法

技术领域

本发明涉及LED照明领域，尤其涉及一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法。

背景技术

近年来，随着城市高层建筑增多，建筑内部自然采光不足的问题日益显现，通常需要人工照明进行补充，目前大多数人工照明采用的传统日光灯显色性较低且色温固定。

显色性就是指不同光谱的光源照射在同一颜色的物体上时，所呈现不同颜色的特性。显色性光源对物体颜色呈现的程度，也就是颜色的逼真程度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。

色温是表示光源光色的尺度，单位为K(开尔文)，色温指的是广播在不同的能量下，人眼所感受的颜色变化。色温是测量和标志波长的数值，光波长不同，呈现出光的颜色不同，尤其是自然光，随着时间、季节、地理位置的变化，其色温都会发生变化。

公开号为101561083的中国发明专利公开了一种色温可变的LED发光装置及其实现方法，其原理是通过温度传感器采集外界环境的温度，控制器根据温度传感器所采集的数据来调整LED灯组的电压参数，以实现随着环境温度的变化而自动改变色温，使LED灯的光谱更接近自然光。

上述专利的LED灯能随外界的温度而改变色温，但是温度不能完全准确体现色温的变化，造成色温变化的因素是多方面的，还有时间、季节和地理位置等。

研究表明，维持正常的生理节律对人体健康十分重要，而光对人体的生理节律会产生明显影响。波长位于450-470nm的蓝光可以抑制褪黑素分泌，进而对生理节律产生重要影响。一天当中随着自然光色温的规律性的变化：即早晚色温较低，中午色温较高，蓝光部分的多少也随之变化，这一自然的变化过程维持了人体正常的生理节律。

发明内容

为了实现色温随时间模拟自然光变化的人工照明，进而维持人体正常的生理节律，本发明提供了一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法和装置。

一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，利用控制器调节LED光源的电流值以改变LED光源的发光特性，包括以下步骤：

1)预设一时间段，将该时间段内不同时间节点的色温以及所对应的实现该色温的LED电流值存储在控制器中；预设一色温范围，将该色温范围内不同色温以及所对应的实现该色温的LED电流值也存储在控制器中。

2)控制器将当前时间与步骤1)中的时间段进行比较：

若当前时间对应步骤1)中的某一时间节点，控制器向LED光源输出与该时间节点对应的LED电流值；

若当前时间处于步骤1)中相邻两个时间节点之间，控制器通过插值算法得到调整后LED电流值，并向LED光源输出；

若当前时间不在步骤1)的时间段内，则手动选择色温范围内的某一色温，控制器向LED光源输出与该色温对应的LED电流值。

所述LED光源由多个单色LED灯组成。

所述实现该色温的LED电流值的算法包括以下步骤：

1)设定目标色温为CCT_T，设LED光源合成光谱的色温为CCT_M，CCT_T和CCT_M应满足的边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{CCT}}_T-{\mathrm{CCT}}_M|\≤\mathrm{\ΔCCT}\\ \mathrm{\Δuv}=\sqrt{{(u_{T^{\′}}-u_m)}^2+{(v_{T^{\′}}-v_m)}^2}\≤0.005\end{array}\right.$

其中，ΔCCT为CCT_M与CCT_T存在的偏差范围；

Δuv为LED光源合成光谱的色坐标与黑体辐射曲线之间的距离；

(u_T',v_T')和(u_M,v_M)分别为在CIE1960-UCS色品图中黑体辐射线上CCT_M处的色坐标与LED光源合成光谱的色坐标；

2)设多个单色LED灯的归一化的光谱分别为S_i(λ)(i＝1,2,3...n)，对应权重为k_i(i＝1,2,3...n)；在0～1区间之间对权重k_i(i＝1,2,3...n)随机赋值，使LED光源合成光谱满足上述的边界条件；

3)建立显色性CRI的评价函数f＝100-CRI，采用下山单纯形法局部优化算法寻找显色性CRI获得极大值时对应的权重k_i；

4)将权重k_i转化为亮度权重Y_i，其中Y_i为k_i*S_i(λ)对应的CIE1931XYZ颜色空间中的亮度，根据电流值C_i与亮度权重Y_i的对应关系，将亮度权重Y_i转化为电流值C_i，即得实现该色温的LED电流值。

本发明LED电流值的方案均根据上述的算法得到，使电流值调整后的LED光源发出的合成光具有较高的显色性。

所述多个单色LED灯包括红光LED灯、绿光LED灯、品蓝光LED灯和暖白光LED灯，所述电流值包括各个单色LED灯的电流值；且所述的红光LED灯的波长为600～630nm，绿光LED灯的波长为500～540nm，品蓝光LED灯的波长为450～470nm，暖白光LED灯的色温为2500K～3000K。LED光源发出的光谱为上述四种单色LED灯的合成光谱，该合成光谱能模拟自然光。

所述的时间段为北京时间上午8时至下午17时，该时间段内每隔半个小时设有一个时间节点。本发明的目的为实现色温随时间模拟自然光变化，因此时间段设置为北京时间上午8时至下午17时，弥补上述时间段内建筑内部自然光采光不足的缺陷。

当前时间处于两个相邻时间节点之间，可通过插值算法得到单色LED灯的电流值，所述插值算法为：

设当前时间为t，且在控制器存储的相邻时间节点t₁与t₂之间，设t₁对应的n种LED的电流值分别为C_i1(i＝1,2,3...n)，t₂对应的n种LED的电流值分别为C_i2(i＝1,2,3...n)，那么t对应的n种LED的电流值分别为C_i(i＝1,2,3...n)如下：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{12}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{11}\\ C_2=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{22}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{21}\\ C_3=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{32}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{31}\\ ............................................\\ C_n=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{n2}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{n1}\end{array}\right..$

本发明还提供了一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的装置，包括：LED光源；

控制器，用于调整LED光源的电流值；

时钟，用于向控制器输送当前时间。

本发明的LED照明装置具有两种控制模式，一是通过时间来自动控制LED光源的电流值，二是通过手动调节LED光源合成光的色温来控制LED光源的电流值。

所述LED光源包括红光LED灯、绿光LED灯、品蓝光LED灯和暖白光LED灯，且所述的红光LED灯的波长为600～630nm，绿光LED灯的波长为500～540nm，品蓝光LED灯的波长为450～470nm，暖白光LED灯的色温为2500K～3000K。上述四种单色LED灯发出的合成光能很好的模拟自然光，且发出的合成光具有较高的显色性。

本发明的有益效果是实现了与自然光色温变化相一致的人工照明，有利于维持人体正常的生理节律，并且在不同色温下都获得了较高的显色性。

附图说明

图1为本发明的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的装置的结构简图；

图2为本发明选取的四种单色LED灯的参数；

图3为本发明的四种单色LED灯的归一化光谱；

图4为本发明的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的工作流程；

图5为本发明的色温对应的LED电流值的算法；

图6为本发明的色温对应的LED电流值的算法的边界条件；

图7为本发明高显色LED控制方案的相对亮度与电流值的对应关系；

图8为本发明的不同时间节点的LED电流值控制方案；

图9为本发明中不同色温的LED电流值控制方案。

图中1为时钟，2为控制器，3为LED光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法及装置作进一步详细描述。

如图1所示，一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的装置，包括时钟1、控制器2和LED光源3，LED光源3包括红光LED灯、绿光LED灯、品蓝光LED灯和暖白光LED灯。

本实施例选择Lumileds LUXEON Rebel系列LED，四种单色LED灯的参数如图2所示，四种单色LED灯的归一化光谱如图3所示，其中，暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的归一化的光谱分别为S₁(λ)、S₂(λ)、S₃(λ)和S₄(λ)。

控制器2内存储有北京时间四种单色LED灯电流值的方案，包括晴天上午8点到下午17点中以半个小时为一时间节点的电流值方案(如图4所示)，每个时间节点均对应有色温；以及色温为2500K～6000K内8组色温节点对应的LED电流值方案(如图5所示)。通过上述方案对四种单色LED灯的电流进行调整，调整后LED光源3发出的合成光具有较高的显色性，如图6所示，实现该色温的LED电流值的算法如下：

1、设目标色温为CCT_T，由目标色温确定边界条件，在实际应用时允许LED光源合成光谱色温CCT_M与CCT_T存在一定偏差，且允许LED光源合成光谱的色坐标与黑体辐射曲线存在一定距离(如图7所示)，边界条件为：

$\left\{\begin{array}{c}|{\mathrm{CCT}}_T-{\mathrm{CCT}}_M|\≤\mathrm{\ΔCCT}\\ \mathrm{\Δuv}=\sqrt{{(u_{T^{\′}}-u_m)}^2+{(v_{T^{\′}}-v_m)}^2}\≤0.005\end{array}\right.$

其中，ΔCCT为CCT_M与CCT_T存在的偏差范围，Δuv为LED光源合成光谱的色坐标与黑体辐射曲线之间的距离，其中(u_T',v_T')和(u_M,v_M)分别为在CIE1960-UCS色品图中黑体辐射线上CCT_M处的色坐标与LED光源合成光谱的色坐标，本发明中ΔCCT＝50K；

2、建立关于显色性(CRI)的评价函数f＝100-CRI，因为以下采用的下山单纯形法局部优化算法只会寻找评价函数的极小值，故为使CRI获得极大值，需f取得极小值；

3、设暖白、品蓝、绿、红4种LED灯的归一化的光谱分别为S₁(λ)、S₂(λ)、S₃(λ)、S₄(λ)，对应权重为k₁、k₂、k₃、k₄；如图3所示，k_i在0、1区间之间，四种单色LED灯的光谱归一化的目的在于统一权重k_i的区间为0、1之间；随机赋值直至满足边界条件为止，并设此k_i(i＝1，2，3，4)为初始值；

4、在边界条件以内，采用下山单纯形法局部优化算法寻找显色性(CRI)获得极大值时对应的权重k_i；

5、将权重k_i转化为亮度权重Y_i，其中Y_i为k_i*S_i(λ)对应的CIE1931XYZ颜色空间中的亮度，通过实验测得控制电流C_i与亮度权重Y_i的对应关系，如图8所示，再将亮度权重Y_i转化为控制电流C_i，即得实现该色温的LED电流值。

如图9所示，本发明的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的装置的工作步骤如下：

1、设定时间段为北京时间上午8时至下午17时，该时间段内每隔半个小时设有一个时间节点，并将每个时间节点对应的LED电流值存储在控制器中；预设色温范围为2500K～6000K，将色温节点间隔500K，将色温节点对应的LED电流值也存储在控制器中；

2、时钟将当前时间t传递至控制器，控制器将当前时间t与上述设定的时间段进行比较，判断当前时间与时间段的关系；

若当前时间t不在时间段内，控制器处于手动模式，发出相应的声音信号提醒人们，可通过手动选择2500K～6000K之间间隔500K的某一色温，控制器根据该色温节点对应的LED电流值控制LED灯；

例如：若实时的时间数据t＝18:00，根据图5中色温对应的调整方案，可人为选择LED光源发出合成光的色温，假如人工选择色温为3500K，控制器将暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的电流分别调整为222.94mA、1.71mA、58.09mA、17.26mA。

若当前时间t正好对应某一时间节点，控制器调取改时间节点的LED电流值。

例如：当前时间t＝8:30，则由图4可知：暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的电流分别为271.01mA、0mA、20.805mA、8.188mA；

若当前时间t处于相邻两个时间节点之间，控制器通过插值算法得到调整后的电流值，并对应调整各单色LED灯的电流值，插值算法如下：

设时钟传递的当前时间为t，且t处于相邻时间节点t₁与t₂之间，t₁对应的暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的电流值为C_w1、C_b1、C_g1、C_r1，t₂对应的暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的电流值为C_w2、C_b2、C_g2、C_r2，则t对应的暖白光LED灯、品蓝光LED灯、绿光LED灯和红光LED灯的电流值C_w、C_b、C_g、C_r为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_w=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{w2}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{w1}\\ C_b=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{b2}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{b1}\\ C_g=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{g2}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{g1}\\ C_r=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}*C_{r2}+\frac{t_2-t}{t_2-t_1}*C_{r1}\end{array}\right.$

例如：当前时间t＝12:10时刻，由图4可知：

t₁＝12:00，C_r1＝9.13mA，C_g1＝84.91mA，C_b1＝6.20mA，C_w1＝199.76mA；

t₂＝12:30，C_r2＝10.92mA，C_g2＝92.04mA，C_b2＝6.93mA，C_w2＝190.11mA；

根据上面的插值算法，可得到得：

C_r＝10.32mA，C_g＝89.66mA，C_b＝6.69mA，C_w＝193.33mA。

Claims (6)

1.一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，利用控制器调节LED光源的电流值以改变LED光源的发光特性，其特征在于，包括以下步骤： 

1)预设一时间段，将该时间段内不同时间节点的色温以及所对应的实现该色温的LED电流值存储在控制器中；预设一色温范围，将该色温范围内不同色温以及所对应的实现该色温的LED电流值也存储在控制器中；

2)控制器将当前时间与步骤1)中的时间段进行比较： 

若当前时间对应步骤1)中的某一时间节点，控制器向LED光源输出与该时间节点对应的LED电流值； 

若当前时间处于步骤1)中相邻两个时间节点之间，控制器通过插值算法得到调整后LED电流值，并向LED光源输出； 

若当前时间不在步骤1)的时间段内，则手动选择色温范围内的某一色温，控制器向LED光源输出与该色温对应的LED电流值。 

2.如权利要求1所述的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，其特征在于，所述LED光源由多个单色LED灯组成。 

3.如权利要求2所述的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，其特征在于，所述实现该色温的LED电流值的算法包括以下步骤： 

1)设定目标色温为CCT_T，设LED光源合成光谱的色温为CCT_M，CCT_T和CCT_M应满足的边界条件为： 

其中，ΔCCT为CCT_M与CCT_T存在的偏差范围； 

Δuv为LED光源合成光谱的色坐标与黑体辐射曲线之间的距离； 

(u_T',v_T')和(u_M,v_M)分别为在CIE1960-UCS色品图中黑体辐射线上CCT_M处的色坐标与LED光源合成光谱的色坐标； 

2)设多个单色LED灯的归一化的光谱分别为S_i(λ)(i＝1,2,3...n)，对应权重为k_i(i＝1,2,3...n)；在0～1区间之间对权重k_i(i＝1,2,3...n)随机赋值，使LED光源合成光谱满足上述的边界条件； 

3)建立显色性CRI的评价函数f＝100-CRI，采用下山单纯形法局部优化算法寻找显色性CRI获得极大值时对应的权重k_i； 

4)将权重k_i转化为亮度权重Y_i，其中Y_i为k_i*S_i(λ)对应的CIE1931XYZ颜色空间中的亮度，根据电流值C_i与亮度权重Y_i的对应关系，将亮度权重Y_i转化为电流值C_i，即得实现该色温的LED电流值。 

4.如权利要求3所述的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，其特征在于，所述多个单色LED灯包括红光LED灯、绿光LED灯、品蓝光LED灯和暖白光LED灯，所述电流值包括各个单色LED灯的电流值。 

5.如权利要求4所述的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，其特征在于，所述的红光LED灯的波长为600～630nm，绿光LED灯的波长为500～540nm，品蓝光LED灯的波长为450～470nm，暖白光LED灯的色温为2500K～3000K。 

6.如权利要求1所述的色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法，其特征在于，所述插值算法为： 

设当前时间为t，且在控制器存储的相邻时间节点t₁与t₂之间，设t₁对应的n种LED的电流值分别为C_i1(i＝1,2,3...n)，t₂对应的n种LED的电流值分别为C_i2(i＝1,2,3...n)，那么t对应的n种LED的电流值分别为C_i(i＝1,2,3...n)如下：