CN104979436B - 高性能四芯片led光谱优化技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法，包括步骤1：四芯片LED光谱光色混合方法；步骤2：四芯片LED光谱合成色度选择；步骤3：四芯片LED光效性能优化；步骤4：四芯片LED显色性性能优化；步骤5：四芯片LED的辐射发光效率性能优化；步骤6：四芯片LED中间视觉辐射效率性能优化；步骤7：四芯片LED光生物效应性能优化；步骤8：四芯片LED辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能综合性能优化。本发明不仅对四芯片LED光源某方面性能进行优化，而且同样对整体性能可以进行优化，同时可对多个单芯片LED进行优化选择适用于四芯片LED合成的芯片。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，尤其涉及一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法。
背景技术
多芯片LED(Multi-chips of LED或Multi-packages of LED)是白光LED中一种重要类型，但由于其各单芯片光衰不一致，造成光色一致性问题，使其在功能性照明应用中不如PC LED(Phosphor converted LED)广泛，同时多芯片LED光谱灵活性的优势得不到发挥，很大的限制了其应用。另外，对于白光LED的应用，大部分研究只注重白光LED效率和显色性性能，而仅仅关注这些性能是不够的，例如一些研究表明，光源不恰当的光谱形式将会对健康带来危害，造成季节性情绪失调(Seasonal affective disorder)。中间视觉效应的研究也表明，中间视觉下人眼对光谱的响应偏向短波长，明视觉下效率高，并不意味着中间视觉下也能达到高的效率。这些问题影响了白光LED的整体性能，使得多芯片LED在应用中受到局限。
多芯片LED本身在光谱可选择性，控制灵活性，效率等方面具有优势，随着芯片技术和控制技术的提升，多芯片LED将更多的应用于功能性照明中，各方面的性能要求也逐渐多样化。
传统评价体系中对光源的评价更多侧重于光效、显色性、色温等，现有技术四芯片LED合成技术主要考虑光效与显色性性能参数，缺乏对于其它性能的优化。而随着中间视觉，非视觉生物效应(或称为光生物效应)的研究，对于效率、舒适性甚至是健康问题已经不是传统应用的几个参数就能表达了，光源应用场合的变化，其具体评价也发生了变化。多芯片LED光谱组成的灵活性，使其成为最适合达到高优化性能的光源，对于辐射发光效率LER(Luminous efficacy of radiation)，中间视觉效应对应的中间视觉辐射效率MER(Mesopic efficacy of radiation)以及非视觉生物效应对应的生理辐射效率CER(Cirtopic efficacy of radiation)的优化更有优势。
本发明针对多芯片LED性能问题，研究光谱优化技术，从各方面提升优化性能,优化四芯片LED光源，同时可以用于多芯片LED光源芯片优化选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种四芯片LED光谱优化技术方法，用于提升辐射发光效率，中间视觉效率，光生物效应性能，提供适用于不同场所的优化光谱四芯片LED光源技术，同时相关优化技术可用于多芯片LED光源芯片优化选择。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明的一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法，包括下列步骤：
步骤1：所述四芯片LED光谱光色混合方法；
步骤2：所述四芯片LED光谱合成色度选择；
步骤3：所述四芯片LED光效性能优化；
步骤4：所述四芯片LED显色性性能优化；
步骤5：所述四芯片LED的辐射发光效率性能优化；
步骤6：所述四芯片LED中间视觉辐射效率性能优化；
步骤7：所述四芯片LED光生物效应性能优化；
步骤8：所述四芯片LED辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能综合性能优化；
其中，所述光色混合方法，包括下列步骤：
步骤1-1：确定合成光色色度坐标位置，并使用光色合成公式
进行光色混合计算，其中x,y为拟合成LED对应的色度坐标，x1、y1，x2、y2,x3、y3，x4、y4是四种芯片光谱对应的色度坐标，l＝X+Y+Z，X，Y，Z为三刺激值，l1，l2，l3，l4分别对应四种芯片三刺激值之和，a1，a2，a3,a4分别对应四种单芯片LED，为待求比例系数；
步骤1-2：设定其中一种芯片所占比例为t，其它三种芯片所占比例为t的线性函数关系，采用线性函数得到各芯片所占比例f(t)＝kit+bi，其中ki为第i个芯片所占比例所对应斜率，bi为第i个芯片所占比例所对应常数，i对应的数值为1、2、3、4；当i的数值是1时，得到的f(t)即是a1；当i的数值是2时，得到的f(t)即是a2；当i的数值是3时，得到的f(t)即是a3；当i的数值是4时，得到的f(t)即是a4；
所述步骤4中的显色性性能优化，该显色性与光色混合方法步骤1中所述t呈单峰关系。
所述LED光谱合成色度选择，包括下列步骤：
步骤2-1：对于确定的四个单芯片光谱对应的色度，确定色度中心交叉点，从而确定必须点区域和非必须点区域；
步骤2-2：对于确定的四芯片光谱，合成色度所在区域位置将影响各组成光谱所需的比例，根据需求，设置合成的色度，使其位于相应的色度区域。
所述步骤3中的光效与所述光色混合方法步骤1中所述t呈线性关系，为其中ηi为各单芯片LED光效，η为合成四芯片LED光效，具有单调性。
所述步骤5中辐射发光效率计算公式为其中P(λ)为光谱能量，V(λ)为明视觉光谱效率函数，所述步骤5中的辐射发光效率f(t)LER与所述光色混合方法步骤1中所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
所述步骤6中的中间视觉辐射效率计算公式为，其中V’(λ)为暗视觉光谱效率函数，所述步骤6中的中间视觉性能f(t)S/P与光色混合方法步骤1所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
所述步骤7的光生物效应性能对应的生理辐射效率计算公式为其中C(λ)为非视觉生物效应对应的光谱效率函数，所述步骤7中的光生物效应性能对应的生理辐射效率f(t)C/P与所述光色混合方法步骤1中所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
所述的辐射发光效率，中间视觉辐射效率以及生理辐射效率计算公式，统一采用公式
进行表示，其中α(λ)分别对应V(λ)、V’(λ)以及C(λ)，β(λ)分别对应单位1，V(λ),以及V(λ)，为反比例函数。
所述中间视觉效应对应的中间视觉效率参数S/P，所述中间视觉性能M/P为S/P值一部分，对应的函数关系为f(t)M/P＝(1-m)f(t)S/P+m，其中m＝0.767+0.3334log(L)，L为中间视觉亮度，与所述光色混合方法步骤中所述t呈反比例函数关系。
所述步骤8中的综合性能优化包括下列步骤：
步骤8-1，确定所需优化性能，辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能；
步骤8-2，确定各部分优化性能所对应的权重，分别得到权重系数wLER对应辐射发光效率性能，权重系数wS/P或wM/P对应中间视觉辐射效率性能，权重系数wC/P对应光生物效应性能；
步骤8-3，分别计算辐射发光效率性能优化、中间视觉辐射效率性能优化、光生物效应性能优化与光色混合方法步骤1所述t对应函数关系f(t)LER,f(t)S/P或f(t)M/P以及f(t)C/P；
步骤8-4，由公式
f(LER,M/P,C/P)＝wLERf(t)LER+wM/Pf(t)M/P+wC/Pf(t)C/P进行优化。
一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法，对于n组待选用于四芯片LED合成的单芯片LED，其中n>4,选取其中4组单芯片LED形成所有排列组合，通过权利要求1所述步骤进行性能优化，得到最佳性能优化结果的组合所对应的4组单芯片LED即为选择的LED。
本发明四芯片LED光谱优化技术方法适用于不同场所(室内照明、室外照明、道路照明、家用阅读灯等)的高效、节能、健康的多芯片LED光源。它与现有技术相比，具有以下积极效果。
1.根据光源在不同场合应用需求不同，赋予不同权重系数，得到各应用场合的优化性能参数，提升各应用场合光源性能。
2.对四芯片LED光源某方面性能进行优化，同样可对整体性能进行优化，特别是中间视觉下的效率问题以及非视觉生效应的健康问题的优化。
附图说明
图1是本发明四芯片LED光谱优化技术方法流程图；
图2是反比例函数模型形式；
图3是本发明实施例中采用的单芯片LED光谱；
图4是本发明实施例中采用的单芯片LED色度；
图5是本发明实施例中各单芯片LED所占比例线性函数关系；
图6是本发明实施例中四芯片LED各对应参数优化函数曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
本发明的高性能四芯片LED光谱优化的技术方法包括：光效、显色性、辐射发光效率、中间视觉辐射效率和光生物效应性能提升四芯片LED光谱优化技术方法。
高性能四芯片LED光谱优化的技术方法，包括下列步骤：四芯片LED光谱光色混合方法；四芯片LED光谱合成色度选择；四芯片LED光效性能优化；四芯片LED显色性性能优化；四芯片LED的辐射发光效率性能优化；四芯片LED中间视觉辐射效率性能优化；四芯片LED光生物效应性能优化；所述四芯片LED辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能综合性能优化。其中：光色混合方法包括下列步骤：确定合成光色色度坐标位置，并使用光色合成公式
进行光色混合计算，其中x,y为拟合成LED对应的色度坐标，x1、y1，x2、y2,x3、y3，x4、y4是四种芯片光谱对应的色度坐标，l＝X+Y+Z，X，Y，Z为三刺激值，l1，l2，l3，l4分别对应四种芯片三刺激值之和，a1，a2，a3,a4分别对应四种单芯片LED，为待求系数比例；设定其中一种芯片所占比例为t，其它三种芯片所占比例为t的线性函数关系，采用线性函数得到各芯片所占比例f(t)＝kit+bi，其中ki为第i个芯片所占比例所对应斜率，bi为第i个芯片所占比例所对应常数。四芯片LED光谱合成色度选择，包括下列步骤：对于确定的四个单芯片光谱对应的色度，确定色度中心交叉点，从而确定必须点区域和非必须点区域，此处所述必须点区域是指由色度中心交叉点和其中两个单芯片LED色度点所围成的包含所合成色度坐标的区域，所述非必须点区域是指不包含所合成色度坐标的三个单芯片LED色度点所围成的区域；对于确定的四芯片光谱，合成色度所在区域位置将影响各组成光谱所需的比例，根据需求，设置合成的色度，使其位于相应的色度区域。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的四芯片LED光效性能优化(合成LED光效优化)，该光效与t呈线性关系，其中ηi为各单芯片LED光效，η为合成四芯片LED光效，具有单调性。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的四芯片LED显色性性能优化，该显色性与t呈单峰关系。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的四芯片LED的辐射发光效率性能优化，该辐射发光效率与t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的四芯片LED中间视觉辐射效率性能优化，该中间视觉性能S/P或M/P与t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性；中间视觉性能S/P或M/P，M/P为S/P值一部分，对应的函数关系为f(t)M/P＝(1-m)f(t)S/P+m，其中m＝0.767+0.3334log(L)，L为中间视觉亮度，与t呈反比例函数关系。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的四芯片LED光生物效应性能优化，该光生物效应性能对应的生理辐射效率与t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
辐射发光效率计算公式为其中P(λ)为光谱能量，V(λ)为明视觉光谱效率函数，中间视觉辐射效率计算公式为，其中V’(λ)为暗视觉光谱效率函数，所述生理辐射效率计算公式为其中非视觉生物效应对应的光谱效率函数，其可以统一采用公式
进行表示，其中α(λ)分别对应V(λ)、V’(λ)以及C(λ)，β(λ)分别对应单位1，V(λ),以及V(λ)，为反比例函数。
高性能四芯片LED光谱优化技术方法中的综合性能优化，包括下列步骤：确定所需优化性能，辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能；确定各部分优化性能所对应的权重，分别得到权重系数wLER对应辐射发光效率性能，权重系数wS/P或wM/P对应中间视觉辐射效率性能，权重系数wC/P对应光生物效应性能；分别计算辐射发光效率性能优化、中间视觉辐射效率性能优化、光生物效应性能优化与光色混合方法步骤2所述t对应函数关系f(t)LER,f(t)S/P或f(t)M/P以及f(t)C/P；
步骤4，由公式f(LER,M/P,C/P)＝wLERf(t)LER+wM/Pf(t)M/P+wC/Pf(t)C/P进行优化。
由于采用上述技术方案，将各性能采用函数模型表示，对LED光谱进行量化的优化，可以达到某方面性能最优化或是全局全优化。
实施例：选用四个单芯片LED，合成色温为4000K的四芯片LED光源。四个单芯片LED红色LED、琥珀色LED、绿色LED和蓝色LED，光谱能量分布如图3所示，相对应色度点如图4所示，其中X点为色度交叉点，4000K色温对应色度点位于普朗克曲线上。设置其中琥珀色LED所占比例为t，则各单芯片LED呈线性比例，如图5所示。对辐射发光效率LER，光生物效应性能对应的生理辐射效率参数C/P，中间视觉效应对应的中间视觉效率参数S/P或M/P，三个参数都符合反比例函数关系，呈现单调关系，如图6所示。对于各种不同应用需求，进行权重设置，分别赋予不同权重比例wLER,wS/P和wC/P,进而用公式f(LER,M/P,C/P)＝wLERf(t)LER+wM/Pf(t)M/P+wC/Pf(t)C/P进行优化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，
它包括下列步骤：
步骤1：所述四芯片LED光谱光色混合方法；
步骤2：所述四芯片LED光谱合成色度选择；
步骤3：所述四芯片LED光效性能优化；
步骤4：所述四芯片LED显色性性能优化；
步骤5：所述四芯片LED的辐射发光效率性能优化；
步骤6：所述四芯片LED中间视觉辐射效率性能优化；
步骤7：所述四芯片LED光生物效应性能优化；
步骤8：所述四芯片LED辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能综合性能优化；
其中，所述光色混合方法，包括下列步骤：
步骤1-1：确定合成光色色度坐标位置，并使用光色合成公式
进行光色混合计算，其中x,y为拟合成LED对应的色度坐标，x1、y1，x2、y2,x3、y3，x4、y4是四种芯片光谱对应的色度坐标，l＝X+Y+Z，X，Y，Z为三刺激值，l1，l2，l3，l4分别对应四种芯片三刺激值之和，a1，a2，a3,a4分别对应四种单芯片LED，为待求比例系数；
步骤1-2：设定其中一种芯片所占比例为t，其它三种芯片所占比例为t的线性函数关系，采用线性函数得到各芯片所占比例f(t)＝kit+bi，其中ki为第i个芯片所占比例所对应斜率，bi为第i个芯片所占比例所对应常数，i对应的数值为1、2、3、4；当i的数值是1时，得到的f(t)即是a1；当i的数值是2时，得到的f(t)即是a2；当i的数值是3时，得到的f(t)即是a3；当i的数值是4时，得到的f(t)即是a4；
所述步骤4中的显色性性能优化，该显色性与光色混合方法步骤1中所述t呈单峰关系。
2.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，所述LED光谱合成色度选择，包括下列步骤：
步骤2-1：对于确定的四个单芯片光谱对应的色度，确定色度中心交叉点，从而确定必须点区域和非必须点区域；
步骤2-2：对于确定的四芯片光谱，合成色度所在区域位置将影响各组成光谱所需的比例，根据需求，设置合成的色度，使其位于相应的色度区域。
3.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法其特征在于，所述步骤3中的光效与所述光色混合方法步骤1中所述t呈线性关系，为其中ηi为各单芯片LED光效，η为合成四芯片LED光效，具有单调性。
4.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法所其特征在于，所述步骤5中辐射发光效率计算公式为其中P(λ)为光谱能量，V(λ)为明视觉光谱效率函数，所述步骤5中的辐射发光效率f(t)LER与所述光色混合方法步骤1中所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
5.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法其特征在于，所述步骤6中的中间视觉辐射效率计算公式为，其中V’(λ)为暗视觉光谱效率函数，所述步骤6中的中间视觉性能f(t)S/P与光色混合方法步骤1所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
6.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法其特征在于，所述步骤7的光生物效应性能对应的生理辐射效率计算公式为其中C(λ)为非视觉生物效应对应的光谱效率函数，所述步骤7中的光生物效应性能对应的生理辐射效率f(t)C/P与所述光色混合方法步骤1中所述t呈反比例函数关系，在定义域、值域有意义范围，呈现单调性。
7.根据权利要求4或5或6所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，所述的辐射发光效率，中间视觉辐射效率以及生理辐射效率计算公式，统一采用公式
进行表示，其中α(λ)分别对应V(λ)、V’(λ)以及C(λ)，β(λ)分别对应单位1，V(λ),以及V(λ)，为反比例函数。
8.根据权利要求5所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，所述中间视觉效应对应的中间视觉效率参数S/P，所述中间视觉性能M/P为S/P值一部分，对应的函数关系为f(t)M/P＝(1-m)f(t)S/P+m，其中m＝0.767+0.3334log(L)，L为中间视觉亮度，与所述光色混合方法步骤中所述t呈反比例函数关系。
9.根据权利要求1所述的高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，所述步骤8中的综合性能优化包括下列步骤：
步骤8-1，确定所需优化性能，辐射发光效率性能、中间视觉辐射效率性能、光生物效应性能；
步骤8-2，确定各部分优化性能所对应的权重，分别得到权重系数wLER对应辐射发光效率性能，权重系数wS/P或wM/P对应中间视觉辐射效率性能，权重系数wC/P对应光生物效应性能；
步骤8-3，分别计算辐射发光效率性能优化、中间视觉辐射效率性能优化、光生物效应性能优化与光色混合方法步骤1所述t对应函数关系f(t)LER,f(t)S/P或f(t)M/P以及f(t)C/P；
步骤8-4，由公式
f(LER,M/P,C/P)＝wLERf(t)LER+wM/Pf(t)M/P+wC/Pf(t)C/P进行优化。
10.一种高性能四芯片LED光谱优化技术方法，其特征在于，对于n组待选用于四芯片LED合成的单芯片LED，其中n>4,选取其中4组单芯片LED形成所有排列组合，通过权利要求1所述步骤进行性能优化，得到最佳性能优化结果的组合所对应的4组单芯片LED即为选择的LED。
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