CN104540263A - 一种模拟日光变化的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种模拟日光变化的方法及装置，装置包括三个以上白光光源的灯具及控制器，其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间。方法为设定时间段和时间点及时间点对应的色温和坐标，比较获得当前时间的色温和坐标，确定混光光源和比例，通过控制器控制光源出光量。本发明能简化模拟日光的方法，能准确的模拟出日光。

Description

一种模拟日光变化的方法及装置
技术领域
本发明涉及利用LED灯具来模拟日光变化的方法和装置。
背景技术
近年来，城市的发展给室内自然采光带来了很多的局限性，也有很多人在夜间上班，因此，需要采用人工照明来进行补光和照明。目前采用的人工照明灯具色温都是固定的，而日照光的色温在一天中均在变化，即早晚的色温低，中午的色温高，正是这一自然的变化过程维持了人体正常的生理节律。
基于照明灯具难以模仿日照的现状，为了能提高人的生活健康指数，有人已经在研究利用灯具如何模拟日光。如在公开号为103090238A申请日为2013.2.5公开日为2013.5.8的专利文献中公开了一种色温随时间模拟自然光变化的LED光源照明的方法和装置，但该方法需要进行复杂的计算和控制才能模拟自然光。
在模拟自然光时，通常采用普通照明标准，在中华人民共和国轻工行业标准QB/T4057-2010中规定，普通照明用LED的初始色度特性要求是额定相关色温在2700K-6500K之间，普通照明用LED在CIE1931色度图中的区域在黑体轨迹附近。现在，随着LED的普及，LED在照明领域中的应用越来越广泛，因此，现在也有很多人在研究通过何种方式能得到色温在2700K-6500K之间且与黑体轨迹相近的区域内的标准照明光，目前主要采用以下几种方式来合成标准照明光。
如图1所示，第一种是通过红绿蓝合成白光，但这种方法主要的问题是绿光的转换效率低，现在红绿蓝LED的转换效率分别为30％、10％和25％，白光流明效率可达120lm/W。通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率，则白光流明效率可达200lm/W。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED流明效率均有不同，因此会影响普通照明白光的效率、色温和显色指数。
第二种方法是用LED+不同色荧光粉，这种方式也包括几种不同的合成方式；(1)用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成白光LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯性能要优越，令紫光LED的转换系数可达0.8，各色荧光粉的量子转换效率可达0.9；(2)用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60％，荧光粉效率70％；(3)蓝光LED+黄色荧光粉和红色荧光粉来构成白光。不管是上述哪种方式，不能用外部控制电路随机改变LED+荧光粉的组合，无法实现白光色温动态控制。
第三中方式是用单色芯片形成白光。采用这种方式，两个参与混光的单色芯片的坐标需要位于照明标准区域的两端，这样，不论怎么调节白光，则混合出来的白光基本在两白光所连接的直线上，但黑体轨迹为一弧线，因此，混出的光难以与黑体轨迹相近似，使得部分混光不属于标准照明光。
因此，上述三种混光的方法都难以达到标准照明的目的，模拟日光也就存在较大的难度。
发明内容
为了简化模拟日光的方法，能准确的模拟出日光，本发明提供了一种模拟日光变化的方法及装置。
为达到上述目的，一种模拟日光变化的方法，对具有三个以上白光光源的灯具进行控制，其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)；
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)；
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)；
具体包括如下步骤：
(1)根据日光的照射规律设定一时间段，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中；
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值；
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，比较Xm位于哪两个白光光源所对应的X坐标之间，设定比较出来的两个白光光源分别为Wx和Wy，确定Wx和Wy为混光组合的白光光源；
(4)利用如下公式计算出Wx和Wy的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为：
其中，Ywx为Wx白光光源的Y轴坐标值，Ywy为Wy白光光源的Y轴坐标值；
(5)根据计算得到的混光比例调节Wx和Wy白光光源出光量，得到所需要的照明白光；
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个以上白光光源的灯具模拟日光的变化。
一种模拟日光变化的装置，包括三个以上白光光源的灯具及控制器，其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)；
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)；
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)。
进一步的，包括两盏以上的所述灯具。
进一步的，Tc1为2700K，Tc2为6500K。
本发明的有益效果是：在色度图中对应的标准照明区域的两端分别选择一白光光源，在色度图中对应的标准照明区域的两端之间选择至少一白光光源作为一灯具，这样，根据一天中不同时间点的目标日光所需要的光源要求，则可确定应当选择哪两个白光光源作为混合光源，并根据公式计算白光光源的发光量比例，通过控制器控制对应白光光源的发光量，从而能较为精确的模拟日光的变化，而且该方法简单、快捷。
附图说明
图1为红绿蓝三种光很少的色度图。
图2为实施例1的示意图。
图3为实施例2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1。
如图2所示，模拟日光变化的装置包括三个以上白光光源的灯具及控制器，每一白光光源包括至少一白光芯片，在本实施例中，灯具为一盏。其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)。
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)。
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)。
模拟日光变化的方法包括如下步骤：
(1)根据日光的照射规律设定一时间段，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中。
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值。
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，比较Xm位于哪两个白光光源所对应的X坐标之间，设定比较出来的两个白光光源分别为Wx和Wy，确定Wx和Wy为混光组合的白光光源。
(4)利用如下公式计算出Wx和Wy的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为：
其中，Ywx为Wx白光光源的Y轴坐标值，Ywy为Wy白光光源的Y轴坐标值。
(5)根据计算得到的混光比例调节Wx和Wy白光光源出光量，得到所需要的照明白光。
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个以上白光光源的灯具模拟日光的变化。
在在本实施例中，以三个白光光源为例来具体说明本发明的模拟日光变化的方法。三个白光光源分别为W1、W2和W3。其中，如图2所示，三组白光光源的色品参数为：
W1 Tc1＝6500k X1＝0.313 Y1＝0.337
W2 Tc2＝4000k X2＝0.380 Y2＝0.380
W3 Tc3＝2700k X3＝0.463 Y3＝0.420
上述中的Tc3为Tcn的一具体值，X3为Xn的一具体值，Y3为Yn的一具体值。
上述Tc1、Tc2、Tc3分别为色温，X1、X2、X3分别为在CIE1931色度图中的X坐标，y1、y2、y3分别为在CIE1931色度图中的y坐标。
采用上述白光光源的参数进行日光模拟的方法为：
(1)如图2所示，设定的时间段为5点到19点，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中。
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值；假设比较得到的当前时间点对应的色温和坐标为：
Wm Tcm＝3500k Xm＝0.409 Ym＝0.394。
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，确定参与混光的白光光源。通过比较Wm与W1、W2、W3在CIE 1931-xy色度图中x坐标的位置关系；具体来说，采用交换排序、选择排序或合并排序的排序方法对Xm、X1、X2、X3数组进行排序，获得一递增或递减的序列，如，采用交换排序法得递增序列0.313(X1)＜0.380(X2)＜0.409(Xm)＜0.463(X3)。由排序后数组可知Xm介于X2与X3之间，进而判断出CIE1931-xy色度图x坐标的位置关系为：Wm介于W2和W3之间，因此，确定W2和W3为混光组合的白光光源。
(4)将对应的参数代入到下述公式中计算出W2和W3的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为。
其中，Ywx为W2白光光源的Y轴坐标值，Ywy为W3白光光源的Y轴坐标值。根据上述给定的参数计算Lwx：Lwy为1.68:1。
(5)根据计算得到的混光比例通过控制器调节W2和W3白光光源出光量，得到所需要的照明白光
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个白光光源的灯具模拟日光的变化。
在本实施例中，在色度图中对应的标准照明区域的两端分别选择一白光光源，在色度图中对应的标准照明区域的两端之间选择一白光光源作为一灯具，这样，根据一天中不同时间点的目标日光所需要的光源要求，则可确定应当选择哪两个白光光源作为混合光源，并根据公式计算白光光源的发光量比例，通过控制器控制对应白光光源的发光量，从而能较为精确的模拟日光的变化，而且该方法简单、快捷。
实施例2。
如图3所示，模拟日光变化的装置包括三个以上白光光源的灯具及控制器，每一白光光源包括至少一白光芯片，在本实施例中，灯具为两盏。其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)。
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)。
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)。
模拟日光变化的方法包括如下步骤：
(1)根据日光的照射规律设定一时间段，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中。
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值。
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，比较Xm位于哪两个白光光源所对应的X坐标之间，设定比较出来的两个白光光源分别为Wx和Wy，确定Wx和Wy为混光组合的白光光源。
(4)利用如下公式计算出Wx和Wy的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为：
其中，Ywx为Wx白光光源的Y轴坐标值，Ywy为Wy白光光源的Y轴坐标值。
(5)根据计算得到的混光比例调节Wx和Wy白光光源出光量，得到所需要的照明白光。
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个以上白光光源的灯具模拟日光的变化。
在本实施例中，在中午以前采用第一盏灯进行混光，在中午以后采用第二盏灯进行混光。这样，控制起来就非常的方便和快捷。
在本实施例中，以三个白光光源为例来具体说明本发明的模拟日光变化的方法。三个白光光源分别为W1、W2和W3。其中，如图2所示，三组白光光源的色品参数为：
W1 Tc1＝6500k X1＝0.313 Y1＝0.337
W2 Tc2＝4000k X2＝0.380 Y2＝0.380
W3 Tc3＝2700k X3＝0.463 Y3＝0.420
上述中的Tc3为Tcn的一具体值，X3为Xn的一具体值，Y3为Yn的一具体值。
上述Tc1、Tc2、Tc3分别为色温，X1、X2、X3分别为在CIE1931色度图中的X坐标，y1、y2、y3分别为在CIE1931色度图中的y坐标。
采用上述白光光源的参数进行日光模拟的方法为：
(1)如图2所示，设定的时间段为5点到19点，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中。
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值；假设比较得到的当前时间点对应的色温和坐标为：
Wm Tcm＝3500k Xm＝0.409 Ym＝0.394。
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，确定参与混光的白光光源。通过比较Wm与W1、W2、W3在CIE1931-xy色度图中x坐标的位置关系；具体来说，采用交换排序、选择排序、合并排序等排序方法对Xm、X1、X2、X3数组进行排序，获得一递增或递减的序列，如，采用交换排序法得递增序列0.313(X1)＜0.380(X2)＜0.409(Xm)＜0.463(X3)。由排序后数组可知Xm介于X2与X3之间，进而判断出CIE1931-xy色度图x坐标的位置关系为：Wm介于W2和W3之间，因此，确定W2和W3为混光组合的白光光源。
(4)将对应的参数代入到下述公式中计算出W2和W3的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为。
其中，Ywx为W2白光光源的Y轴坐标值，Ywy为W3白光光源的Y轴坐标值。根据上述给定的参数计算Lwx：Lwy为1.68:1。
(5)根据计算得到的混光比例通过控制器调节W2和W3白光光源出光量，得到所需要的照明白光
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个白光光源的灯具模拟日光的变化。
在本实施例中，在色度图中对应的标准照明区域的两端分别选择一白光光源，在色度图中对应的标准照明区域的两端之间选择一白光光源作为一灯具，这样，根据一天中不同时间点的目标日光所需要的光源要求，则可确定应当选择哪两个白光光源作为混合光源，并根据公式计算白光光源的发光量比例，通过控制器控制对应白光光源的发光量，从而能较为精确的模拟日光的变化，而且该方法简单、快捷。

Claims (6)

1.一种模拟日光变化的方法，其特征在于：对具有三个以上白光光源的灯具进行控制，其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)；
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)；
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)；
具体包括如下步骤：
(1)根据日光的照射规律设定一时间段，将该时间段内不同时间节点对应的色温Tcm和坐标(Xm，Ym)存储到控制器中；
(2)控制器将当前的时间与步骤(1)的时间点进行比较来获取当前时间对应的色温和坐标值；
(3)获取色温和坐标值后按照如下方法确定出混光组合，比较Xm位于哪两个白光光源所对应的X坐标之间，设定比较出来的两个白光光源分别为Wx和Wy，确定Wx和Wy为混光组合的白光光源；
(4)利用如下公式计算出Wx和Wy的混光比例Lwx：Lwy；所述的公式为：
其中，Ywx为Wx白光光源的Y轴坐标值，Ywy为Wy白光光源的Y轴坐标值；
(5)根据计算得到的混光比例调节Wx和Wy白光光源出光量，得到所需要的照明白光；
(6)重复上述步骤(2)至(5)，利用具有三个以上白光光源的灯具模拟日光的变化。
2.根据权利要求1所述的模拟日光变化的方法，其特征在于：包括两盏以上的所述灯具。
3.根据权利要求1所述的模拟日光变化的方法，其特征在于：Tc1为2700K，Tc2为6500K。
4.一种模拟日光变化的装置，其特征在于：包括三个以上白光光源的灯具及控制器，其中一白光光源在色度图对应的照明区域的一端，该白光光源的色温为Tc1，该白光光源的坐标为(X1，Y1)；
另一白光光源在色度图对应的照明区域的另一端，该白光光源的色温为Tc2，该白光光源的坐标为(X2，Y2)；
其他白光光源在色度图对应的照明区域的两端之间，该白光光源的色温为Tcn，该白光光源的坐标为(Xn，Yn)。
5.根据权利要求4所述的模拟日光变化的装置，其特征在于：包括两盏以上的所述灯具。
6.根据权利要求4所述的模拟日光变化的装置，其特征在于：Tc1为2700K，Tc2为6500K。
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