CN103179716A - 发光二极管光源仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管光源仿真系统。在系统数据库中，已预存不同种类光源包括发光二极管的光谱能量分布。该系统能设计特殊光源由光谱能量分布来表达，且提供其制造配方。特殊光源可包含已知光谱能量分布是目标光源，或能达到单项或多项质量指标的光源(质量指标包括如光效应指数、标准色温色差、同色异谱之色、显色指数、色域面积指数等)，或能达到使用者由本系统设计的特殊显色指数光源或能促成某一情绪的光源等。

Description

发光二极管光源仿真系统

技术领域

本发明涉及一种光源仿真系统，尤其是仿真不同发光二极管所产生的混合光源。

背景技术

长久以来，照明工程师很希望能有一种任意可调整光谱能量分布(Spectral Power Distribution，SPD)的光源，但遗憾的是，无法利用一般传统的照明光源，如白炽灯、卤素灯、荧光灯、高压气体放电灯，因为这些传统光源是利用色固定温来定义其色彩。色温是由改变黑体温度而产生色光连续变化的光源，而黑体是理论光源，在实际中不存在的光源。

发光二极管是一种半导体固体发光组件，具有高光效、低能耗、可调整光谱、高环保、寿命长、响应速度快的优点，尤其是现有的发光二极管色光可包括红、橙、绿、蓝光等，已几乎覆盖整个可见光范围(380nm-780nm)，且具有窄带和宽带两种的光谱能量分布。因此，需要一种发光二极管光源仿真系统，利用发光二极管的特性，设计出具所需光谱能量分布的混合光源，藉以解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种发光二极管光源仿真系统，可用以仿真发光二极管所产生的混合光源，该发光二极管光源仿真系统包括以下步骤：

1)选取一功能如已知光谱能量分布的光源(比如国际照明委员会所定义的标准光源)、一项或多项质量指标(比如光效指数、标准色温色差、同色异谱之色、显色指数、色域面积指数等)、特殊设计显色数或具特殊情绪的色彩。

2)选取光源数据库中多个发光二极管亦可包含非发光二极管，且每个光源的光谱能量分布均不同，以及依据步骤1的功能选项数据，利用计算核心单元配合所选取发光二极管的光谱能量分布，以进行最佳配方计算，藉以仿真并驱动所选取的发光二极管产生最佳配方的混合光源，因此可用来设计各种光源。

附图说明

图1为本发明发光二极管光源仿真系统的操作处理流程图。

图2显示本发明发光二极管光源仿真系统的示意图。

图3为D65标准光源以及模拟光源的光谱能量分布的示意图。

图4为多功能光源以及仿真光源的光谱能量分布的示意图。

附图标记说明

S10选取目标光源

S20选取质量指标库中的质量指标

S30建立特殊显色性指标

S40选取色彩感性坐标

S50选取光源数据库中的原始光源

S60进行最佳匹配计算以产生最佳配方

具体实施方式

以下配合附图对本发明的实施方式做更详细的说明，使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参考图1，本发明发光二极管光源仿真系统的操作处理流程图。如图1所示，本发明的发光二极管光源仿真系统包括步骤S10、S20、S30、S40、S50及S60，且为进一步详细说明本发明的特征，请配合参考图2，本发明发光二极管光源仿真系统的示意图。

首先，本发明的发光二极管光源仿真系统可由工作需要，选取步骤S10、S20、S30或S40。

在步骤S10中选取目标光源，其光谱能量分布为已知，而目标光源可能包括国际照明委员会(CIE)所定义的标准光源，如D50、D55、D65、D75、F6、F8、F11等。

在S20中，选取预先建立的质量指标库10中的至少一项质量指标，如光效指标(Luminous Efficacy，LE)、同色异谱指数(Metamerism Index，MI)、标准色度距离差、显色指数(Color Rendering Index，CRI)、色域面积指标(Gamut Area Index，GAI)、全光谱指标(Full Spectral Index，FSI)等。

光效指标是代表光源能量消耗的程度，定义成每瓦特的光通量(lm/W)。同色异谱指数是CIE所制定的标准，用于评判平均日光的质量，将如CIE D50及D65光源下，用预先准备的同色异谱色对来计算测试光源下的色差值，色差愈大代表该光源质量愈差，并以A(最佳)、B、C、D(最差)判断其等级。色度距离差是指CIE1964所定义的u′v′色度图上的坐标距离差。显色指数是用来判断光源质量的指针，采用特别选择的多个色样，藉判断所述色样在测试光源与标准光源间的改变，可包含色彩差异、记忆色差异、喜好色差异。

若由S30、S40进行，会在后面说明。

然后进入步骤S50，在光源数据库20中选取至少一发光二极管以当作一原始光源，其中光源数据库20具有多个发光二极管以及所述发光二极管的光谱能量分布，且每个发光二极管的光谱能量分布为已知且相互不同，比如红光、橙光、绿光、蓝光、白光的发光二极管。

最后在步骤S60中，依据选取S10、S20、S30或S40的数据，利用计算核心单元50配合发光二极管的发光参数以进行最佳匹配计算(见公式(1))，而产生最佳匹配参数，其中最佳匹配参数可用以模拟所选取的发光二极管产生最佳匹配于目标光源的混合光源。此外，可利用最佳匹配参数以驱动发光二极管产生所需的混合光源。

SPD_p(λ)＝K₁SPD₁(λ)+K₂SPD₂(λ)+....+K_nSPD_n(λ)   (1)

其中SPD_p(λ)是混合光源的预估光谱能量分布，λ是可见光400nm-700nm范围内的波长，SPD_i是第i个发光二极管的个别光谱能量分布，储存于光源数据库20中，而n为所选取发光二极管的总数，且n为大于1的整数，K_i是第i个发光二极管的最优化系数，代表该光源的配方。

以下实例将针对不同步骤选取资料进一步详细说明本发明最佳匹配计算的特征。

例如产生CIE标准光源，如D50、D55、D65、D75、F6、F8、F11光源，其光谱功率分布已知，用SPD_T(λ)来代表，可依据以下公式(1)计算模拟混合光源的光谱能量分布。最后SPD_T(λ)及SPD_p(λ)会相当接近。

当公式(1)中的初始光谱能量分布求得时，需先计算公式(2)中的三种质量指标来计算ΔS₁：标准色温间的色度距离差Δu′v′、同色异谱指数MI、光谱能量分布平方差rms。

ΔS₁＝m₁(Δu′v′)+m₂(MI)+m₃(rms)                (2)

其中m₁、m₂、m₃为固定值。以上三个质量指标是固定用于S10时，公式(1)中的K₁、...、K_n会在ΔS₁值最小时达到最优化。

图3为D65标准光源以及模拟光源的光谱能量分布的示意图，其中虚线代表D65标准光源的光谱能量分布，而实线代表模拟光源的光谱能量分布，虽然二者在图上有明显的差异，但在公式(2)的三个质量指标下，已达到最佳匹配效应。

若依据步骤S20时，针对不知SPD_T(λ)的目标光源，选择所需的质量指标，比如代表能量消耗的光效指数LE、代表色域大小的色域面积指标GAI、代表显色特性的显色指标CRI，且在相同的相对色温(Correlated ColorTemperature，CCT)下，利用以下的公式(3)计算整体差异值ΔS₂：

ΔS₂＝m₁(LE)+m₂(GAI)+m₃(CRI)+....     (3)

其中m₁、m₂、m₃或更多项固定常数。公式(1)中的K₁、...、K_n会再ΔS₂值最小时，SPD_p(λ)达到最优化。公式(3)中的显色指标CRI可为CIE-Ra、MCRI、CAM02UCS-Ra、CQS，CIE-Ra是CIE在1974推荐的显色指数，以色差大小表示该光源质量，色差小，显色指数高。一般允许值为80，若色样的色貌在测试与标准光源下相同时，指数为100；MCRI是由比利时学者于2010推荐的显色指数，选出较具代表性的记忆色，该显色指数评估由实际色与记忆色的差异；CRI-CAM02UCS是由英国学者于2010年推荐的显色指数，与CIE-Ra相同，是以色差大小评断光源质量为主，但是其采用较均匀的CAM02-UCS色彩空间；CQS是由美国国家标准与技术研究院(NIST)推荐的显色指数，其采用15较为饱和色样，计算在测试及标准光源下的色差，但是其采用饱和度系数(saturation factor)的概念，颜色彩度愈高，显色指数则高。

因此，将公式(3)中的系数优化，达到最小化的整体差异值ΔS₂而获得此混合光源有固定CCT下具节能、高显色性、大色域或其它佳质量指标的仿真光源。图4为多功能光源以及仿真光源的的示意图，其中虚线代表达到多项质量指标光源的光谱能量分布，而实线代表模拟光源的光谱能量分布，虽然二者在图上仍有差异，但在这些选择的质量指标下已达到最佳匹配效应。

S30步骤是针对具特殊显色性的目标光源，因为有多种不同的显色指标，有些是针对色差的理念，有些则针对喜好色、记忆色等，因此在一些特殊用途下，需有较特殊的显色性，如食品蔬果新鲜色、皮肤真实色表示、医疗用内视镜观察色等。

因此，可选取特定的CCT，并选取特殊色样的反射率，比如鲜鱼、鲜肉、蔬菜、水果的色样等。计算在CAM02-UCS具不同色相的标准色样的色坐标，经以下公式(4)计算显色指数：

$\mathrm{CRI}=\underset{1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(100-8\×\mathrm{\ΔE}\left(\mathrm{CAM}02\mathrm{UCS}\right))/8---\left(4\right)$

其中ΔE(CAM02UCS)为在CAM02-UCS空间中的色差，且利用所计算的显色指数CRI进行最佳光谱能量分布匹配，以模拟所需的最佳匹配目标光源。在公式(1)中的K₁、...、K_n改变已达到CRI最佳化，即得知该光源的配方。

S40步骤是以影响情绪的情绪光源当作目标光源，主要是将情绪藉由颜色科学数据而予以量化，举例如下，利用公式(5)、(6)、(7)可用来预估情绪的三个坐标：软硬色(Soft-Hard，SH)、冷暖色(Cool-Warm，CW)、活泼保守色(Active-Passive，AP)。

SH＝-2.1+0.05(100-L^*)                    (5)

CW＝-0.5+0.02(C^*)^1.07cos(h-50°)         (6)

$\mathrm{AP}=-1.1+0.3{[{\left(\mathrm{\Δ}{C^{*}}_{N5}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{L^{*}}_{N5}}{1.5}\right)}^2]}^{1/2}---\left(7\right)$

其中软硬色(SH)、冷暖色(CW)、活泼保守色(AP)是针对反射物体的色彩坐标，用于色光源匹配，他们的适当组合可代表如警惕、罗曼蒂克、舒适等情绪。因此，可选取适当的发光二极管的光谱能量，用公式(1)进行最佳匹配，藉以模拟达到该情绪的光源。

本发明的特点在于适合利用多个发光二极管以仿真各种的目标光源，包括CIE所定义的标准光源，或至少一个质量指标光源、或特殊显色性光源、或影响情绪的情绪光源。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明的权利要求的保护范畴。

Claims (5)

1.一种发光二极管光源仿真系统，用以仿真发光二极管所产生的一混合光源，其特征在于，该发光二极管光源仿真系统包括以下操作步骤：

选取具已知光谱能量分布的一目标光源，并在一质量指标库中选取至少一质量指标，该质量指标库包括多个质量指标；

在具有多个发光二极管以及所述发光二极管的光谱能量分布的一光源数据库中，选取至少一发光二极管以当作一原始光源，且每个发光二极管的光谱能量分布为已知且相互不同；以及

依据该目标光源的光谱能量分布，利用一计算核心单元并配合所选取的该至少一质量指标以及所选取的该原始光源的光谱能量分布，以进行最佳匹配计算，藉以产生最佳匹配参数，用以模拟该原始光源产生最佳匹配于该目标光源的该混合光源。

2.如权利要求1所述的发光二极管光源仿真系统，其特征在于，该质量指标包括光量效应、同色异谱指数、色度距离差、显色指数、色域面积指标以及全光谱指标(Full Spectral Index，FSI)的至少其之一。

3.如权利要求1所述的发光二极管光源仿真系统，其特征在于，进一步包括在选取该原始光源之前，针对具特殊显色性的该目标光源，利用选取一特定相对色温以及至少一个特选色样的反射率，以建立特殊显色性指标，用以进行最佳光谱能量分布匹配，并模拟所需的最佳匹配目标光源，其中该特殊显色性包括食品蔬果的新鲜色、皮肤的真实色、医疗用内视镜的观察色，且该特殊色样包括鲜鱼、鲜肉、蔬菜或水果的色样，该特殊显色性指标包括色差、喜好色、记忆色、色彩调。

4.如权利要求1所述的发光二极管光源仿真系统，其特征在于，进一步包括在选取该原始光源之前，针对包括影响情绪的情绪光源的该目标光源，选取颜色科学数据以量化该情绪，该颜色科学数据包括软硬色、冷暖色、活泼保守色的色彩感性坐标。

5.如权利要求1所述的发光二极管光源仿真系统，其特征在于，该混合光源的光谱能量分布由以下公式计算而模拟，

SPD_m(λ)＝K₁SPD₁(λ)+····+K_iSPD_i(λ)+····+K_nSPD_n(λ)

其中SPD_m(λ)是该混合光源的光谱能量分布，λ是可见光400nm-700nm范围内的波长，SPD_i是第i个发光二极管的个别光谱能量分布，储存于该光源数据库中，而n为所选取发光二极管的总数，且n为大于1的整数，K_i是第i个发光二极管的加权系数，而i＝1，…，n。

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