CN104918369A - 基于led光源的功能照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于LED光源的功能照明系统，属于半导体照明技术领域。该系统通过命令发送端(1)将用户所需功能照明的光品质参数通过LED配方优化算法(8)得的LED配方发送给控制电路(2)，控制电路(2)进一步将信号传给驱动电路(3)，驱动电路(3)通过AM或PWM或两者结合的方式驱动LED阵列(4)，透过光学系统(5)将各LED出射光进行混光和控制光型输出，通过测量设备(6)实时测量或监测整体出射光，并实现相应的反馈优化。本发明结构清晰、实用性强、应用极广，可实现各种高质量的功能照明输出。

Description

基于LED光源的功能照明系统

技术领域

本发明属于LED照明领域，特别涉及一种基于LED光源的功能照明系统。

背景技术

光源是人们日常工作和生活的必不可少的一部分。目前，常用的传统光源有卤钨灯、荧光灯、高强度气体放电灯等，但这些光源的出射光谱无法改变，仅仅可通过相应电路达到调节亮暗的效果；无法满足不同场合的应用。

近年来，固态LED光源自19世纪60年代诞生以来取得快速的发展，且已经在多个方面取代传统光源应用于人们工作和生活的方方面面，LED光源具有光效高、低能耗、环保、寿命长以及响应速度快等优点。目前国内外的LED生产厂商众多，其产品类型大多单一，且大致相同，不具特色，往往仅局限于取代传统光源的照明市场，所以竞争激烈，利润非常有限。市面上所谓的智能照明，也更多的是体现在移动设备等可以控制LED的亮暗、色温和颜色。而LED的一个重要特性就是其出射光谱的窄带性，使得可通过多种不同出射光谱的LED进行混光来达到改变整体出射光谱的目的，从而实现不同的功能照明。

该照明系统应用极其广泛。例如博物馆的艺术品照明需要亮度较暗、显色指数高、色温较低、无紫外光和红外光等要求，可通过调节不同出射光谱的LED的亮度，从而使混光后的整体出射光谱满足上述要求。例如植物学家经研究发现450-460nm的蓝光对植物的叶片和根系生长极其重要，600-700nm的红光可促进茎的生长，故增加蓝光和红光LED的亮度来促进植物生产的功能。例如目前人眼中有一种可感光神经节细胞(ipRGCs)，它与人脑内的生物钟系统连接，通过光信号抑制、调节松果体的褪黑色素分泌以及人体内的皮质醇、体温等生理参数，调节人体的睡眠、警觉、免疫等功能，这种感光细胞的光谱灵敏度主要在蓝光区，峰值波长约460nm，故可通过调节出射光谱在460nm的蓝光LED的亮暗来调节人的工作和生活状态。例如摄影工作室需要亮度、色温、红绿均可调的光源以适应于不同的场景和效果拍摄，故可通过调节不同出射光谱的LED的亮度，来达到亮度、色温、红绿可调的目的。

发明内容

根据背景技术的介绍，本发明提供了一种应用广泛、可靠性高和使用方便的基于LED的功能照明系统。本发明采用的技术方案如下：

基于LED光源的功能照明系统，包括以下组成部分：命令发送端(1)、控制电路(2)、驱动电路(3)、LED阵列(4)、光学系统(5)、测量设备(6)、散热系统(7)、反馈优化算法(8)和光源优化算法(9)，所述的反馈优化算法(8)和光源优化算法(9)通过命令发送端(1)控制。

所述的命令发送端(1)负责按照用户的需求通过LED配方优化算法(8)计算出实现相应功能照明所需的每种不同出射光谱的LED亮度，即LED配方，并通过有线或无线两种方式传送给控制电路(2)，命令发送端(1)也负责接收控制电路(2)发过来的当前LED阵列(4)的工作状态或信号是否被正确送达，从而判断是否需要重新计算或再次发送；同时，命令发送端(1)与测量设备(6)相连，测量当前整体出射光谱的性能，进一步判断是否需要通过反馈优化算法(9)调整LED配方。

所述的有线通讯使用USB接口、串行接口、以太网接口、光纤接口或工业总线连接，无线通讯则通过Zigbee技术、WIFI技术、蓝牙技术、Zwave技术、2.4G无线技术或红外技术实现；命令发送端(1)为电脑控制软件、手机应用软件或单独的控制器。

所述的控制电路(2)负责接收命令发送端(1)的信号，进行处理后发送给驱动电路(3)；同时，控制电路(2)也反馈当前LED阵列(4)的工作状态或信号是否被正确送达给命令发送端(1)；控制电路(2)包含存储LED配方的存储单元，所述的控制电路(2)外接按钮和显示装置以选择并显示当前光源，且控制电路(2)具备简单的运算功能；所述的驱动电路(3)接收控制电路(2)发出的信号，通过幅度调制(AM)、脉冲宽度调制(PWM)或两种调制方式相结合的方式来调节LED阵列(4)中每种LED的亮度，从而实现用户所需的功能照明。

所述的LED阵列(4)包含多种不同出射光谱的LED，且每种出射光谱的LED可在阵列中重复使用。

所述的光学系统(5)负责控制光型形状大小或使混光更均匀。

所述的测量设备(6)是测量光谱功率分布的分光辐射度计或测量CIEXYZ的色度计；也可实时测量整个整体出射光的性能，以达到监测的功能。

所述的散热系统(7)是将LED阵列和驱动电路的工作温度保持在较低温度，包括主动散热模式或被动散热模式。

所述的LED配方优化算法(8)负责将用户所需的功能照明按照光品质参数的形式作为LED配方优化算法(8)的输入端，而算法输出为LED阵列(4)中每种LED的亮度；光品质参数可以是但不限于光谱功率分布(SPD)、色温(CCT)、色品坐标差异(Duv)、光亮度(cd/m²)、显色指数(CRI)、同色异谱指数(MI)、色域面积(GAI)、光源的人眼感知参数(VF)、发光效率指数(LER)或其相应的加权组合，见下式：

优化指数＝w1×ΔSPD+w2×ΔCCT+w3×Duv+w4×Δcd/m²+w5×ΔCRI+w6×ΔMI+

w7×ΔGAI+w8×ΔVF+w9×ΔLER

其中，w1-w9为各光品质参数的权重，其值可以为0；符号Δ表示目标值与实际值之间的差异；LED配方优化算法(8)的目标是计算出每种LED的亮度使得优化指数为最小；具体的优化算法通过迭代优化方式实现，可以是但不限于牛顿法及其各种变形、单纯形算法及其各种变形、信赖域法和内点法。

所述的反馈优化算法(9)负责当用测量设备(6)测得的用户设定的功能照明对应的光品质参数变化时，通过调整各LED的亮度值使得整体出射光谱光品质参数再次稳定到设定的光品质参数，具体的反馈优化算法通过实际光品质参数与目标光品质参数间的差异计算出每种LED亮度所需要调整的幅度，可以是但不限于基于CIEXYZ或CIELAB的反馈方法、基于单一光品质参数或其组合的反馈方法。

本发明通过命令发送端(1)将用户所需功能照明的光品质参数通过LED配方优化算法(8)得的LED配方发送给控制电路(2)，控制电路(2)进一步将信号传给驱动电路(3)，驱动电路(3)通过AM或PWM或两者结合的方式驱动LED阵列(4)，透过光学系统(5)将各LED出射光进行混光和控制光型输出，通过测量设备(6)实时测量或监控整体出射光，并实现相应的反馈优化。本发明结构清晰、实用性强、应用极广，可实现各种高质量的功能照明输出。

附图说明

图1是基于LED光源的功能照明系统的框图。

图2是实施例1中用于色样颜色观察的功能照明电脑控制软件

图3是实施例1中所采用的LED阵列各LED的出射光谱

图4是实施例1中用于色样颜色观察的功能照明出射光谱

图5是实施例2中用于博物馆照明的功能照明出射光谱

图6是实施例3中用于植物照明的功能照明出射光谱

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示为本发明的整体框架图，其包括命令发送端(1)、控制电路(2)、驱动电路(3)、LED阵列(4)、光学系统(5)、测量设备(6)、散热系统(7)、LED配方优化算法(8)和反馈优化算法(9)，下面结合多个实施案对本发明进行阐述。

实施例1：目前色样颜色观察的照明一般为D65荧光灯管，其用于模拟色温为6500K的日光，但目前其光品质参数并不是很理想，且需要一定的预热时间。模拟D65的日光也可通过基于LED光源的功能照明系统实现，命令发送端为电脑控制软件，如图2所示；通过USB方式连接电脑控制软件与控制电路相连，驱动电路的驱动方式为PWM方式；LED阵列中包含多种出射光谱的LED，其出射光谱如图3所示；光学系统为扩散板，使得整体出射光混光更加均匀；测量设备为分光辐射度计；散热系统为铝散热翅片与风扇相结合；LED配方优化算法采用单纯形法；反馈优化算法采用基于CIEXYZ的方法；

通过输入D65的目标色温6500K、显色指数100和同色异谱指数0，即可计算优化得到每种LED的亮度，其最终的整体出射光谱如图4所示，其实测色温为6510K、显色指数98.42、同色异谱指数0.22，完全满足色样观察的照明需求。

实施例2：博物馆艺术品照明需要显色指数高、色温较低、无紫外光和红外光的照明；其中紫外光会严重破坏艺术品的化学物质，如颜料等，而红外光会增加艺术品的热效应；本实施例的机构部分可与实施例1相同，其最终的所需的整体出射光谱，如图5所示；其实测色温为3535K、显色指数99.27，出射光谱波段为400-680nm，不包含紫外和红外光，完全满足博物馆照明需求。

实施例3：经研究发现，450-460nm的蓝光对植物的叶片和根系生长极其重要，600-700nm的红光可促进茎的生长并促进植物的开花和叶绿素的形成，而500-600nm部分的绿光是对植物生产基本没用的。故可通过本发明实现蓝红光的植物生产功能照明，其出射光谱如图6所示。

以上对本发明的实施例进行了具体说明，但本发明并不局限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.基于LED光源的功能照明系统，其特征在于：包括命令发送端(1)、控制电路(2)、驱动电路(3)、LED阵列(4)、光学系统(5)、测量设备(6)、散热系统(7)、反馈优化算法(8)和光源优化算法(9)，所述的反馈优化算法(8)和光源优化算法(9)通过命令发送端(1)控制。

2.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的命令发送端(1)负责按照用户的需求通过LED配方优化算法(8)计算出实现相应功能照明所需的每种不同出射光谱的LED亮度，即LED配方，并通过有线或无线两种方式传送给控制电路(2)，命令发送端(1)也负责接收控制电路(2)发过来的当前LED阵列(4)的工作状态或信号是否被正确送达，从而判断是否需要重新计算或再次发送；同时，命令发送端(1)与测量设备(6)相连，测量当前整体出射光谱的性能，进一步判断是否需要通过反馈优化算法(9)调整LED配方。

3.根据权利要求2所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的有线通讯使用USB接口、串行接口、以太网接口、光纤接口或工业总线连接，无线通讯则通过Zigbee技术、WIFI技术、蓝牙技术、Zwave技术、2.4G无线技术或红外技术实现；命令发送端(1)为电脑控制软件、手机应用软件或单独的控制器。

4.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的控制电路(2)负责接收命令发送端(1)的信号，进行处理后发送给驱动电路(3)；同时，控制电路(2)也反馈当前LED阵列(4)的工作状态或信号是否被正确送达给命令发送端(1)；控制电路(2)包含存储LED配方的存储单元，所述的控制电路(2)外接按钮和显示装置以选择并显示当前光源，且控制电路(2)具备简单的运算功能；所述的驱动电路(3)接收控制电路(2)发出的信号，通过幅度调制(AM)、脉冲宽度调制(PWM)或两种调制方式相结合的方式来调节LED阵列(4)中每种LED的亮度，从而实现用户所需的功能照明。

5.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的LED阵列(4)包含多种不同出射光谱的LED，且每种出射光谱的LED可在阵列中重复使用。

6.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的光学系统(5)负责控制光型形状大小或使混光更均匀。

7.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的测量设备(6)是测量光谱功率分布的分光辐射度计或测量CIEXYZ的色度计；也可实时测量整个整体出射光的性能，以达到监测的功能。

8.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的散热系统(7)是将LED阵列和驱动电路的工作温度保持在较低温度，包括主动散热模式或被动散热模式。

9.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的LED配方优化算法(8)负责将用户所需的功能照明按照光品质参数的形式作为LED配方优化算法(8)的输入端，而算法输出为LED阵列(4)中每种LED的亮度；光品质参数可以是但不限于光谱功率分布(SPD)、色温(CCT)、色品坐标差异(Duv)、光亮度(cd/m²)、显色指数(CRI)、同色异谱指数(MI)、色域面积(GAI)、光源的人眼感知参数(VF)、发光效率指数(LER)或其相应的加权组合，见下式：

优化指数＝w1×ΔSPD+w2×ΔCCT+w3×Duv+w4×Δcd/m²+w5×ΔCRI+w6×ΔMI+

w7×ΔGAI+w8×ΔVF+w9×ΔLER

其中，w1-w9为各光品质参数的权重，其值可以为0；符号Δ表示目标值与实际值之间的差异；LED配方优化算法(8)的目标是计算出每种LED的亮度使得优化指数为最小；具体的优化算法通过迭代优化方式实现，可以是但不限于牛顿法及其各种变形、单纯形算法及其各种变形、信赖域法和内点法。

10.根据权利要求1所述的基于LED光源的功能照明系统，其特征在于所述的反馈优化算法(9)负责当用测量设备(6)测得的用户设定的功能照明对应的光品质参数变化时，通过调整各LED的亮度值使得整体出射光谱光品质参数再次稳定到设定的光品质参数，具体的反馈优化算法通过实际光品质参数与目标光品质参数间的差异计算出每种LED亮度所需要调整的幅度，可以是但不限于基于CIEXYZ或CIELAB的反馈方法、基于单一光品质参数或其组合的反馈方法。