CN104991988B

CN104991988B - 基于多颗单色大功率led实现类日光光源的方法

Info

Publication number: CN104991988B
Application number: CN201510262725.2A
Authority: CN
Inventors: 曹冠英; 徐广强; 张竞辉; 邢明书
Original assignee: Dalian Polytechnic University
Current assignee: Dalian Polytechnic University
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: CN104991988A

Abstract

本发明公开了一种基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法，包括如下步骤：第一步：对目标谱380‑780nm范围内等间隔d＝0.5～5nm离散取点构造目标光谱矩阵：第二步：构造LED单元矩阵Φ_i(λ)；第三步：构造LED光谱矩阵Φ_LED；第四步：构造系数矩阵K；第五步:利用最小二乘法求得不同LED种类需要的颗数。本发明的优点在于使用了一种新的单色LED光谱辐射模型来表征单色LED光谱分布特点，提高了仿真实验的准确度；通过使用最小二乘法给出了能快速确定对太阳光谱有最佳模拟效果的LED组合；并能够通过改变组合中LED种类达到对太阳光谱不同程度的再现，实现不同程度的类日光照明满足不同照明场景的要求。

Description

基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法

技术领域

本发明涉及照明技术领域，更具体地说，涉及一种基于多颗LED实现类日光光源的方法。

背景技术

日光是人体长期适应的自然光，最适合于人眼视觉机能的需要，是公认的最健康的照明光源。随着生活质量的不断提高，单纯照亮生活环境的照明方式已经不能满足人们对心理和视觉舒适度的要求，自然健康的照明受到越来越多的关注。近年来，基于GaN的高亮度蓝色LED的出现，使LED的发展进入一个崭新时代。基于LED的固态照明已在显示、照明、装饰等领域得到广泛应用。基于光谱叠加原理，若将多个单色LED同时使用，通过调节组分比例便可以设计出所需要的目标光谱。依照此方法可实现基于LED模拟日光光谱的类日光照明，这不仅能满足人们对健康照明的需求，LED的绿色节能特点对能源节约和环境保护也具有重大促进意义。

目前，有学者以不同峰值波长的小功率LED作为发光模块并利用积分球进行匀光，通过调整LED的驱动电流来改变光源的输出光谱分布，但控制电路极其复杂，而且改变LED电流往往会引起主波长漂移、光谱半高全宽以及相对光谱功率分布的改变，增大光谱匹配误差；另一方面，在很多类似的研究中，研究者多选用高斯函数或洛伦兹函数作为单色LED的光谱辐射模型，但二者无法很好的拟合单色LED的光谱辐射谱线。

发明内容

本发明提出基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法。利用一种新的单色LED光谱辐射模型建立大功率单色LED数据库，结合最小二乘法与光谱叠加原理求出了拟合日光光谱所需的LED种类以及每种大功率LED所需要的颗数k_i，并采用相关指数R²作为评价拟合效果的参数。在此基础上，系统分析了不同LED种类及每种LED的颗数组合对日光光谱的拟合效果，确定了LED种类及每种LED所需颗数k_i的最佳组合。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法，包括如下步骤：

第一步：构造目标光谱矩阵

对在目标谱在380-780nm范围内等间隔d＝0.5～5nm(优选方式下d＝1nm)离散取点构造目标光谱矩阵：

Φ_s(t)＝[Φ_s1,Φ_s2,Φ_s3,...,Φ_st]；

其中，t为目标光谱离散取点个数，Φ_st为目标光谱在第t点处光辐射强度，t相应为1、2、3……；

第二步：构造LED单元矩阵Φ_i(t)

对每种LED光谱数据在380-780nm范围内等间隔d离散取点构造Φ_i(t)：

Φ_i(t)＝[Φ_i1,Φ_i2,Φ_i3,...,Φ_it]^T，(i＝1,2,3,…,n)

其中，t为LED单元离散取点个数；n为LED单元种类，由RGB三基色原理可知，n≥3；Φ_it为单色LED在第t点处的相对光谱辐射强度，t相应为1、2、3……。

第三步：构造LED光谱矩阵Φ_LED

Φ_LED＝[Φ₁(t),Φ₂(t),Φ₃(t),…,Φ_i(t)]；

Φ_i(t)表示加入第i种单色LED单元矩阵；

第四步：构造系数矩阵K

K＝[k₁,k₂,k₃,…,k_i]^T

其中，k_i＝a_i*n_i，n_i表示当前仿真结果下所需要第i颗LED的颗数，a_i是单色LED光谱辐射强度与驱动电流之间的转化系数，因此可以根据k_i确定当前仿真结果下需要第i种LED的颗数；

第五步:利用最小二乘法编程求得满足下式的矩阵K^*即为K的广义解。最小二乘解K^*为待求最佳模拟效果下不同种类LED所需要的颗数：

其中，Φ_m＝Φ_LED×K表示多种LED混合产生的光谱分布，采用R²作为评价参数，其公式如下：

R²＝1-{∑(y-y_{estimated value})²/[∑y²-(∑y)²/N]}

y为目标值，y_{estimated value}为估测值，为数据点个数；R²≤1，其值越接近1则表示估测值与目标值拟合效果越好。

本发明优点是：本发明的优点在于使用了一种新的单色LED光谱辐射模型来表征单色LED光谱分布特点，提高了仿真实验的准确度；通过使用最小二乘法给出了能快速确定对太阳光谱有最佳模拟效果的LED组合；并能够通过改变组合中LED种类达到对太阳光谱不同程度的再现，实现不同程度的类日光照明满足不同照明场景的要求。

附图说明

图1是实施例中各LED相对光谱的分布图。

图2是实施例中最佳组合混合光谱匹配日光光谱的分布图。

图3是实施例中不同组合中LED种类数与相关指数之间的变化趋势图。

图4是实施例中组合中包含27种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。

图5是实施例中组合中包含16种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。

图6是实施例中组合中包含13种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。

图7是实施例中组合中包含12种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。

具体实施方式

本发明中采用若干单色LED混合模拟日光光谱中可见光部分，由光谱叠加原理可得到混合光谱模型为:

Φ_m＝Φ_LED×K

其中，Φ_m表示多种LED混合产生的光谱分布,Φ_LED为LED光谱矩阵，K为系数矩阵。并采用R²作为评价拟合效果好坏的参数,其公式如下：

R²＝1-{∑(y-y_{estimated value})²/[∑y²-(∑y)²/n]}

y为目标值，y_{estimated value}为估测值，n为数据点个数。R²≤1,其值越接近1则表示估测值与目标值拟合效果越好。

下面具体说明求解的步骤：

第一步：构造目标光谱矩阵

对在目标谱在380-780nm范围内离散取点构造目标光谱矩阵

Φ_s(t)＝[Φ_s1,Φ_s2,Φ_s3,...,Φ_st]；

其中，t为目标光谱离散取点个数，Φ_st为目标光谱在在改点处光辐射强度；

第二步：构造LED单元矩阵Φ_i(λ)

对每种LED光谱数据在380-780nm范围内间隔1nm离散取点构造Φ_i(t)：

Φ_i(t)＝[Φ_i1,Φ_i2,Φ_i3,...,Φ_it]^T，(i＝1,2,3,…,n)

其中，t为LED单元离散取点个数；n为LED单元个数，由RGB三基色原理可知，n≥3；Φ_it为单色LED在该点处的相对光谱辐射强度。

第三步：构造LED光谱矩阵Φ_LED

Φ_LED＝[Φ₁(t),Φ₂(t),Φ₃(t),…,Φ_i(t)]；

Φ_i(t)表示加入第i种单色LED单元矩阵；

第四步：构造系数矩阵K

K＝[k₁,k₂,k₃,…,k_i]^T

其中k_i＝a_i*n_i，n_i表示当前仿真结果下所需要第i颗LED的颗数，a_i是单色LED光谱辐射强度与驱动电流之间的转化系数，因此可以根据k_i确定当前仿真结果下需要第i种LED的颗数。

第五步:利用最小二乘法编程求得满足下式的矩阵K^*即为K的广义解

即最小二解K*即为待求最佳模拟效果下不同LED种类需要的颗数；

实施例：

实例中以104种不同种类大功率单色LED数据组成数据库，通过最优化程序，选出数据库中的34种LED组成最佳组合来实现模拟日光在380-780nm可见光波段光谱输出。

下面通过具体的实施过程结合图示进一步说明本发明。

第一步：数据库建立

利用二维态联合密度函数分别为调研所得104种大功率单色LED光谱数据建立光谱辐射模型，其通式为：

其中，λ表示光的波长，依次取380-780nm内的所有整数值，S(λ)值表示LED光谱辐射强度，A是与振幅有关的拟合参数，λ_c1,λ_c2,ω₁,ω₂是与LED主波长λ_p以及半高全宽FWHM相关的拟合参数。每种类型的LED获得一组与之对应的(A,λ_c1,λ_c2,ω₁,ω₂)值组成数据库。见表104种大功率单色LED光谱数据库。

表1

数据库中包含各LED相对光谱分布见图1。

第二步：构造目标光谱矩阵

太阳光谱作为已知目标光谱，其用于照明的光主要为380-780nm可见光波段范围。为了取得较好拟合效果，此处对太阳光谱380-780nm波段范围间隔1nm离散取点构建目标光谱矩阵Φ_s(λ)

Φ_s(λ)＝[Φ_s(380),Φ_s(381),Φ_s(382),…,Φ_s(780)]；

其中Φ_s(380)表示太阳光谱在波长λ＝380nm处的光谱辐射强度，其它参数以此类推。

第三步:构造LED单元矩阵

对第一步中建立的各种类LED光谱辐射模型在380-780nm波段间隔1nm离散取点构造不同种类LED单元矩阵。数据库共包含104种LED，此处分别以数字1～104来标记不同种类LED。

第1种LED：Φ₁(λ)＝[Φ₁(380),Φ₁(381),Φ₁(382),…,Φ₁(780)]^T

第2种LED：Φ₂(λ)＝[Φ₂(380),Φ₂(381),Φ₂(382),…,Φ₂(780)]^T

第3种LED：Φ₃(λ)＝[Φ₃(380),Φ₃(381),Φ₃(382),…,Φ₃(780)]^T

第104种LED：Φ₁₀₄(λ)＝[Φ₁₀₄(380),Φ₁₀₄(381),Φ₁₀₄(382),…,Φ₁₀₄(780)]^T

第四步：构造LED光谱矩阵

将第三步构造的104种LED单元矩阵按顺序排列组成LED光谱矩阵Φ_LED

Φ_LED＝[Φ₁(λ),Φ₂(λ),Φ₃(λ),…,Φ₁₀₄(λ)]

则

第五步：构造系数矩阵K

系数矩阵K中包含的元素个数与数据库中LED种类数相等

K＝[k₁,k₂,k₃,…,k₁₀₄]^T

其中k₁,k₂,k₃,…,k₁₀₄分别表示最优结果下第1～104种LED所需要颗数的系数。

第六步：构造混合光谱模型

混合光谱模型由LED光谱矩阵Φ_LED与系数矩阵K构成，

Φ_m＝Φ_LED×K

其中，Φ_m表示多种LED混合产生的光谱分布。

第七步：求解系数K

利用最小二乘法编程求得满足条件

的矩阵K^*即为K的广义解。删除矩阵K^*中所有0元素对应的LED种类，余下的即为程序挑选出用来组成最佳组合的LED种类。

第八步：最佳组合结果

运行程序可得最佳组合使用了104种LED中的34种，混合光谱与太阳光谱的相关指数R²＝88.67％。混合光谱匹配日光光谱如图2所示。

34种LED在数据库中对应的编号、特征参数以及系数k见表2。其中λ_p表示LED主波长，FWHM表示LED光谱半高全宽值，k为最佳拟合结果下所需要各种类LED的数目系数。

序号	编号	λ<sub>p</sub>	FWHM	k	序号	编号	λ<sub>p</sub>	FWHM	k
										1	1	385	11	1.9073	18	67	620	16	0.2534
2	6	400	13	1.2036	19	71	630	19	1.1999
										3	7	404	13	0.0921	20	75	633	16	0.4669
4	10	407	27	2.0748	21	81	645	16	0.7045
										5	12	415	15	0.388	22	83	646	23	0.467
6	13	420	15	1.3068	23	87	662	24	1.8918
										7	15	430	15	0.9459	24	88	680	25	1.3386
8	16	446	24	3.1078	25	90	690	25	0.6812
										9	25	458	22	0.5782	26	92	700	21	0.9255
10	35	471	28	3.7235	27	93	705	26	1.0372
										11	38	502	33	3.0117	28	94	720	24	1.2135
12	48	532	33	2.9282	29	95	735	29	1.2555
										13	49	558	25	2.5782	30	96	735	25	0.1034
14	55	574	13	0.4552	31	98	750	28	1.0205
										15	58	586	50	1.6543	32	99	760	30	0.5369
16	60	590	16	0.6281	33	102	770	25	0.3345
										17	66	606	43	1.0847	34	103	780	28	1.9908

表2

第九步：结果验证

依据贡献原则，在最佳组合中增加和减少LED种类，分析混合光谱对太阳光谱相关指数变化规律。结果证明在104种LED组成的数据库中，程序选出的34种LED能最好的模拟日光光谱输出。不同组合中LED种类数与相关指数之间的变化趋势见图3。为了便于理解，下面分别给出了图4组合中包含27种匹配太阳光谱图；图5组合中包含16种LED匹配太阳光谱图；图6组合中包含13种LED匹配太阳光谱图；图7组合中包含12种LED匹配太阳光谱图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：构造目标光谱矩阵

对目标谱380-780nm范围内等间隔d＝0.5～5nm离散取点构造目标光谱矩阵：

Φ_s(t)＝[Φ_s1,Φ_s2,Φ_s3,...,Φ_st]；

第二步：构造LED单元矩阵Φ_i(t)

Φ_i(t)＝[Φ_i1,Φ_i2,Φ_i3,...,Φ_it]^T，(i＝1,2,3,…,n)

其中，t为LED单元离散取点个数；n为LED单元种类，n≥3；Φ_it为单色LED在第t点处的相对光谱辐射强度，t相应为1、2、3……；

第三步：构造LED光谱矩阵Φ_LED

Φ_LED＝[Φ₁(t),Φ₂(t),Φ₃(t),…,Φ_i(t)]；

Φ_i(t)表示加入第i种单色LED单元矩阵；

第四步：构造系数矩阵K

K＝[k₁,k₂,k₃,…,k_i]^T

第五步:利用最小二乘法求得满足下式的K的广义解：

y为目标值，y_{estimatedvalue}为估测值，N为数据点个数；R²≤1，其值越接近1则表示估测值与目标值拟合效果越好；

此外，第一步之前，还有如下步骤：为大功率单色LED光谱数据建立光谱辐射模型，其通式为：

其中，λ表示光的波长，依次取380-780nm内的所有整数值，S(λ)值表示LED光谱辐射强度，A是与振幅有关的拟合参数，λ_c1,λ_c2,ω₁,ω₂是与LED主波长λ_p以及半高全宽FWHM相关的拟合参数。

2.根据权利要求1所述基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法，其特征在于，所述d＝1nm。