CN105163419A

CN105163419A - 高色饱和度白光led照明系统及其混色设计方法

Info

Publication number: CN105163419A
Application number: CN201510395760.1A
Authority: CN
Inventors: 冯祥芬; 韩秋漪; 张善端
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-07-08
Also published as: CN105163419B

Abstract

本发明属于半导体照明技术领域，具体为一种高色饱和度白光LED照明系统及其混色设计方法。本发明混色得到的白光LED照明系统与常规LED照明系统相比，在保持相同色温（CCT）和相同显色指数（CRI）的情况下，具有高全色域指数（GAI）。用具有高全色域指数的白光LED照射物体，能够显著增强被照物体的颜色饱和度，使被照物体颜色更鲜艳，提高人们对被照物体的偏好度和喜爱度。本发明的高色饱和度白光LED的混色设计方法用于白光LED照明系统的设计，可获得色温调节范围2000?10000K，全色域指数GAI≥100。本发明的混色设计方法建立了红绿蓝光（RGB）比例与显色指数、全色域指数之间的曲线关系，为高品质智能照明的实现提供了一种新的途径。

Description

高色饱和度白光 LED 照明系统及其混色设计方法

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种高色饱和度白光LED照明系统及其混色设计方法。

背景技术

光品质已越来越受到人们的重视，特别是对于室内照明，如商场、零售店、酒店、博物馆、家居等室内空间，对于光品质的要求远远大于对光效的要求。照明系统会影响到被照物体的视觉感受，许多时候，用户和消费者更关注物体给人的视觉效果，比如颜色是否丰富多彩，是否有吸引力。因此，被照物体的颜色是衡量光源质量的一个重要指标。目前有很多关于调光调色的研究，但大部分只关注提高显色指数和扩大色温的调节范围，忽视了提高光源的色饱和度这个关键问题。用具有高饱和度色光的光源照射物体，能够提升物品颜色表现力，使视觉清晰度和视亮度增加，进而增加人的喜悦感和舒适度。

目前，照明行业还是使用传统的显色指数（CRI）作为光源颜色品质的衡量标准，具有很多局限性。CRI参考光源是连续光谱，但用它来衡量不连续光谱的光源如LED光源时，并不能完全反映出真实的视觉效果，尤其是不能表征光源对高色饱和度物体照明的视觉效果。有实验表明，用RGB三基色LED光源混合成白光照亮物体时，视觉效果很好，但CRI数值不到30。因此，用CRI的评价方法并不能客观地测量人的主观感受。

由于CRI的局限性，目前国际上出现了很多新的衡量颜色品质的评价体系。其中，全色域指数（Gamut area index, GAI），弥补了传统CRI标准的不足之处。GAI是由美国固态照明技术与系统联合会ASSIST提出的，GAI的具体计算方法是：计算CRI前8个颜色样品在待测光源和参考光源下在CIE 1976 u’v’ 色域空间中的色域面积之比。GAI标准根据人脑感知光源的模式设定，能够准确地描述被人脑感知的光线与颜色，反映光源的整体效果以及人们感知光源色彩的主观感受。有研究表明，用具有高GAI指数的光源照射物体，能提高被照物体颜色饱和度，使物体颜色更鲜艳更吸引人，人们对物体颜色的偏好度也随GAI指数的增大而增加。因此，GAI指数可以作为CRI的有效补充，GAI指数和CRI指数双重标准的使用，将能更精准地、“人性化”地描述光源的质量。

计算光源的CRI指数和GAI指数都是用黑体辐射作为参考光源。黑体辐射的显色指数CRI=100，全色域指数GAI=100。目前常用的普通的荧光粉转化的白光LED的显色指数CRI=80，全色域指数GAI=96；高显色陶瓷金卤灯的显色指数CRI=92，全色域指数GAI=104。高显色陶瓷金卤灯由于其优异的光色性能，被用于高端设计空间，如零售店、博物馆、酒店大堂等对光品质要求较高的场所，用来重点照明，突出被照物体，提高被照物体颜色饱和度。但是金卤灯电弧管里面填充的汞是具有蓄积毒性的重金属，不环保。因此，有必要研发设计具有高光色性能的白光LED来替代高显色陶瓷金卤灯，特别是提高LED灯的GAI指数，应用于对光品质要求较高的高端设计场所。但是如何对LED进行配光设计，提高GAI指数，这方面的研究报导很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种高色饱和度白光LED的混色设计方法及白光LED照明系统，使混色得到的白光LED照明系统在保持相同色温和相同显色指数的情况下，具有高全色域指数；用具有高全色域指数的白光LED照射物体，可以提高被照物体颜色的饱和度，使被照物体颜色更鲜艳，提高人们对被照物体的喜爱度和偏好度。

本发明提供高色饱和度白光LED的混色设计方法，具体步骤为：

步骤1：设定白光LED照明系统所需要的色温，然后在CIE 1931色域空间中求得所需色坐标点（x, y），转化为三点坐标（X, Y, Z）；

步骤2：选用三原色（R、G、B）红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED配色成所需色坐标点的白光。根据每组光源的光谱和颜色匹配函数，求得三原色R、G、B和白光LED的色坐标点，分别记为（X_r, Y_r, Z_r）、（X_g, Y_g, Z_g）、（X_b, Y_b, Z_b）、（X_w, Y_w, Z_w）；

步骤3：计算满足所需白光的色坐标点的R、G、B和白光LED比例；假设R、G、B和白光LED的比例分别为r、g、b、w，根据所需白光的色坐标点，可得到如下方程组：

此方程组为奇异值方程，三个方程，四个未知数。用数学软件解此奇异值方程，可得到无穷多组解。因此当用四组不同波长的LED光源混色时，多种LED配比都可以得到所需白光的色坐标点；

步骤4：对于每一种配比，根据CIE制定的标准色度学方法计算CRI和GAI指数。得到R、G、B比例和CRI/GAI之间的曲线关系，随光源系统中R、G、B比例增大，CRI指数先增大而后减小，而GAI指数则一直线性增大；

步骤5：根据R、G、B比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线，可以得到所设定的色温条件下，针对某个显色指数，高全色域指数混色方案所对应的R、G、B和白光LED的比例；

步骤6：对每组LED光源采用脉冲宽度调制（PWM）调光，改变其光输出强度，得到所需的R、G、B和白光LED的比例，以此设计产品，得到相同色温、相同显色指数，而具有高全色域指数的白光LED照明系统。

本发明中，所述混色设计方法得到的高色饱和度白光LED照明系统，包含四组不同波长的LED光源，每组光源通过PWM方式调节所需光输出比例，LED导通时保持电流幅值恒定，光色稳定性好。

本发明中，所述混色设计方法得到的高色饱和度白光LED照明系统，色温调节范围为2000−10000 K。

本发明中，所述混色设计方法得到的高色饱和度白光LED照明系统，全色域指数GAI≥100。

本发明的高色饱和度白光LED混色设计方法具有以下优势：

1、本发明通过混色优化设计，可得到高全色域指数的白光LED照明系统。本发明的LED照明系统的GAI指数超过现有高显色陶瓷金卤灯的水平，视觉效果更好。用高GAI指数的白光LED照射物体，可以提高被照物体颜色的饱和度，使被照物体颜色更鲜艳，并且提高人们对被照物体的偏好度和喜爱度。实验证实本发明的高GAI指数的白光LED照明系统对被照物体颜色的视觉影响和观测者对被照物体的视觉偏好度优于相同色温、相同显色指数下的陶瓷金卤灯和荧光粉转化的白光LED；

2、本发明用四组不同波长的LED光源配色成所需色坐标点的白光，通过求解奇异值方程，就可得到多组满足色坐标点的LED配比。然后可计算得到不同配比下的光色性能，比如显色指数、全色域指数等参数。本发明的混色计算方法简便，理论计算与实际测得的光色参数一致；

3、本发明通过混色设计得到的高色饱和度白光LED照明系统，具有高的全色域指数，GAI≥100。

附图说明

图1为本发明的通过混色设计方法得到的RGB比例和CRI/GAI指数的关系图。

图2为本发明的用于实验的陶瓷金卤灯和三种LED光源的光谱图。

图3为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色鲜艳度的平均实验结果。

图4为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色偏好度的平均实验结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明将三原色RGB与任意色温的白光LED混合得到高全色域指数的白光LED照明系统。具体的混色设计方法包括以下步骤：

步骤2：选用三原色（RGB）红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED配色成所需色坐标点的白光。根据每组光源的光谱和颜色匹配函数，求得三原色R、G、B和白光LED的色坐标点分别为（X_r, Y_r, Z_r）, （X_g, Y_g, Z_g）, （X_b, Y_b, Z_b）, （X_w, Y_w, Z_w）；

步骤3：计算满足所需白光的色坐标点的RGB和白光LED比例。假设R、G、B和白光LED的比例分别为r、g、b、w，根据所需白光的色坐标点，可得到如下方程组：

用Matlab程序解此奇异值方程，可得到多组解。因此当用四种LED配色成所需色温色坐标的新的白光LED光源时，不同的配比都可以得到所需白光的色坐标点；

步骤4：对于每一种配比，计算其CRI和GAI指数。图1是对于色温为3000 K的LED白光照明系统，RGB比例和CRI/GAI之间的曲线关系。由图可见，当在白光LED中加入适当比例的三原色RGB时，在相同的CRI指数下，可获得高的GAI指数。比如，在相同的显色指数CRI=80的情况下，当在荧光粉转换的白光LED中加入约50%的RGB LED时，全色域指数可以从96提高到116。

下面通过具体的实验测试结果来说明本发明的高GAI指数的白光LED照明系统对被照物体颜色的影响。根据图1中RGB比例和CRI/GAI的关系曲线，选择三种典型参数的LED光源进行实验，比较在与其它光源相同色温、相同显色指数的情况下，具有高GAI指数的LED光源对被照物体颜色的影响。LED光源使用Osram 的OSLON SSL灯珠，采用PWM调光，控制各组LED的光输出强度，设计得到所需光色参数的LED光源。相同色温的具有高显色指数的陶瓷金卤灯作为参考光源。用远方积分球测量得到陶瓷金卤灯（HID）和三种LED光源的光谱，如图2所示。由此得到的色参数，包括色温、显色指数、全色域指数、色坐标，如表1所示。

表1 LED光源参数

。

选用8种不同颜色的纺织品作为研究对象，分别为红色、绿色、黄色、蓝色以及混合色，比如橙色、粉红色、草绿色、青色这八种CIE 1976 Lab色域空间中的典型颜色。样品分别放在两个白色的盒子里。一只盒子装有陶瓷金卤灯，用作参考光源；另一只盒子装有LED灯，研究LED灯对颜色的影响。调节光源的输入功率，保证两个盒子中的每一块颜色上的光照度都相同。20个观测者对每种颜色进行打分评价，包括颜色的鲜艳度和他们对颜色的偏好度，分数从−3到+3。正值表示在LED灯照射下，颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度比陶瓷金卤灯好；负值表示在LED灯照射下，颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度比陶瓷金卤灯差；0表示样品在LED灯和陶瓷金卤灯照射下，颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度两者无差别。

图3和图4分别是观测者对被照样品颜色鲜艳度和偏好度的平均实验结果。可以看到，具有低GAI指数的荧光粉转换的白光LED灯对颜色的照射效果比陶瓷金卤灯差，而具有高GAI指数的优化设计的白光LED灯对颜色的照射效果和人们对颜色的偏好度都比陶瓷金卤灯好，并且随着GAI指数增大，颜色鲜艳度和观测者的偏好度增强。所以通过优化LED配色设计，可以得到在相同的CRI指数（80）下，高的GAI指数（116），用高GAI指数的白光LED照明系统能够增强被照物体颜色饱和度和鲜艳度，提高人们对被照物体的偏好度。

Claims

1.一种高色饱和度白光LED混色设计方法，其特征在于具体步骤为：

步骤2：选用三原色红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED配色成所需色坐标点的白光，三原色红光LED、黄绿光LED、蓝光LED简记为R、G、B；根据每组光源的光谱和颜色匹配函数，求得R、G、B和白光LED的色坐标点，分别记为（X_r, Y_r, Z_r）、（X_g, Y_g, Z_g）、（X_b, Y_b, Z_b）、（X_w, Y_w, Z_w）；

步骤3：计算满足所需白光的色坐标点的R、G、B和白光LED比例；假设R、G、B和白光LED的比例分别为r、g、b、w，根据所需白光的色坐标点，得到如下方程组：

此方程组为奇异值方程，用数学软件解此奇异值方程，得到无穷多组解；当用四组不同波长的LED光源混色时，多种LED配比都可以得到所需白光的色坐标点；

步骤4：对于每一种配比，根据CIE制定的标准色度学方法计算CRI和GAI指数，得到R、G、B比例和CRI/GAI之间的曲线关系，随光源系统中R、G、B比例增大，CRI指数先增大而后减小，而GAI指数则一直线性增大；

步骤5：根据R、G、B比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线，得到所设定的色温条件下，针对某个显色指数，高全色域指数混色方案所对应的R、G、B和白光LED的比例；

步骤6：对每组LED光源采用脉冲宽度调制调光，改变其光输出强度，得到所需的R、G、B和白光LED的比例，以此设计产品，得到相同色温、相同显色指数，而具有高全色域指数的白光LED照明系统。

2.一种由权利要求1所述设计方法得到的高色饱和度白光LED照明系统，其特征在于：包含四组不同波长的LED光源，每组光源通过PWM方式调节所需光输出比例，LED导通时保持电流幅值恒定，光色稳定性好。

3.根据权利要求2所述的高色饱和度白光LED照明系统，其特征在于：在低CRI和低GAI指数的荧光粉转化的白光LED中混入优化比例的三原色R、G、B LED，得到高CRI和高GAI指数的白光LED。

4.根据权利要求2所述的高色饱和度白光LED照明系统，其特征在于：色温调节范围为2000−10000 K。

5.根据权利要求2所述的高色饱和度白光LED照明系统，其特征在于：全色域指数GAI≥100。