CN105354369A - 一种高显色质量的色温可调白光led光源设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，衡量LED显色能力及进行LED光源设计的折衷，在优化LED光源光谱时同时考虑CRI和CQS，克服了当前光源设计中没有全面的考虑显色质量问题。根据本发明方法设计得到的色温可调白光LED光源，由多颗单色LED组成，因此结构简单，仅仅通过控制各LED的驱动电流即可获得所需要的色温，并且保证光源具有高的显色质量及发光效率。本发明可应用于通用照明场合及需要调节光源色温的场合。

Description

一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法

技术领域

本发明涉及一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，属于照明控制领域。

背景技术

色温可调白光LED光源设计过程中，不仅要保证其具有高的发光效率,而且要保证LED光源具有高的显色质量。

目前，在光源设计中，会使用国际照明委员会CIE提出的用于衡量光源显色能力的CRI(ColorRenderingIndex)一般显色指数R_a，以此来评价光源的显色质量。但是一般CRI指数R_a所用的颜色样品为中度饱和的颜色样品，其缺陷在于无法正确衡量光源对饱和色的显色能力。当光源的CRI接近100时，其显示深红、深黄、深绿、深绿的显色能力可能很差。因此，国际照明委员会为了解决这个问题，于1995提出了对应于深红、深黄、深绿、深蓝、皮肤色、橄榄绿的特殊显色指数R₉、R₁₀、…、R₁₄。但是，由于国际照明委员会的标准制定时，当时的主流光源，如汞灯和荧光灯均为连续光谱，CRI较适合于评价此类光源。但是，由于LED光源光谱具有蓝色尖峰且光谱不连续，因此CRI在评价LED光源时存在一定的缺陷，这也得到国际照明委员会的公认。

2010年，美国国家标准研究院NIST提出了他们认为的更适合LED显色质量评价的指数：ColorQualityScale(CQS)，该指数所用颜色样品具有比CRI更宽广的色域，因而相比于CRI能更全面的评价LED的照明质量。并且美国国家标准研究院正努力推动将CQS成为CIE用于衡量LED光源显色能力的国际标准的工作。

同时，越来越多的学者肯定了CQS指数的合理性及先进性，由于CRI指数在衡量LED显色能力的时候存在一定的不足，他们在制备白光LED灯珠时考虑了CQS指数。但是，CQS在完全取代CRI成为国际照明委员会制定的国际标准之前还需要进一步的研究和发展。

色温可调白光LED光源设计过程中，如何保证光源具有可信的、高的显色质量，且同时具有高的发光效率，这是目前LED光源设计中存在的问题。因此，目前缺少一种高显色质量的白光LED光源设计方法，以控制LED光源的设计过程，使得LED光源具有高的显色质量。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，衡量LED显色能力及进行LED光源设计的折衷，在优化LED光源光谱时同时考虑CRI和CQS，克服了当前光源设计中没有全面的考虑显色质量问题。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，包括以下步骤：

(1)挑选出至少包含红、绿、蓝三种颜色的单色LED灯珠共N颗，在100mA电流驱动下测试各个灯珠的光功率P_Li、电功率P_Ei、以及归一化的光谱功率分布S_i(λ)，其中，1≤i≤N；则N颗灯珠构成的LED光源光谱用下式描述：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_i{S}_i\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中k_i为第i颗LED光谱辐射强度最大值；

(2)建立优化目标和约束条件：

(2.1)建立最小优化目标，所述最小优化目标通过下式表示：

$F\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=A\frac{100-R_a}{100}+B\frac{100-R_9}{100}+C\frac{100-Q_a}{100}+D\frac{683-LE}{683}+R\&CenterDot;(<g_1(\stackrel{\&RightArrow;}{x})>+<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>)\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，R_a是CIE标准中规定的一般显色指数，R₉是CIE标准中规定的用于评价光源对深红显色能力的特殊显色指数，Q_a是CQS标准中规定的一般显色指数，均根据光谱S(λ)计算得出；LE是光源的发光效率，根据光谱S(λ)和P_Ei计算得出；A、B、C和D分别是R_a、R₉、Q_a和LE的权重系数，为设置值，0<A，B，C，D<1，且A+B+C+D＝1；表示关于k_i的一组解；

和是该优化目标的惩罚函数，

$<g_1\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\left\{\begin{array}{cc}\frac{0.01-\left|CCT-{\mathrm{CC}}_{tar}T\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}}{0.01},& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}\&le;0\\ 0,& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}>0\end{array}\right.\mathrm{...}\left(2\right)$

$<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\{\begin{array}{cc}\frac{DC-0.0054}{0.0054},& DC-0.0054\&le;0\\ 0,& DC-0.0054>0\end{array}...\left(3\right)$

其中，CCT是该光源的相关色温，DC是该光源与该光源具有相同色温的参考光源之间的色差，CCT和DC均根据光谱S(λ)计算得出；CCT_tar是该光源的设计目标色温；R是惩罚因子，为一个至少大于10的正数；

(2.2)建立约束条件：N颗LED在各自S_i(λ)＝1处波长的光谱辐射强度的相对比例0≤k_i≤1；

(3)遗传算法求解：

(3.1)遗传编码：

以二进制数表示k_i，则k_i为一个基因，将N个表示k_i的二进制数首尾相接形成一个N段染色体；所述染色体即个体；设置迭代次数；设置当前迭代次数；

(3.2)初始种群生成：

在[0,1]范围内随机选取一组二进制数代表变量k_i，形成一个染色体；重复形成染色体操作直至染色体数目达到种群数M，M个染色体组成一个种群；

(3.3)适度函数计算：

根据公式(1)计算种群中每条染色体的适度值

(3.4)遗传操作：

(3.4.1)复制操作：

建立一个新的种群，所述新的种群初始为空；选取当前种群中适应度函数最小的染色体放入新的种群中；

(3.4.2)交叉操作：

按照设置的概率P_c进行交叉，随机选取当前种群中的两条染色体，交换染色体段，产生两条新的染色体放入种群中；

(3.4.3)变异操作：

按照设置的概率P_m进行变异，随机选取当前种群中的一条染色体，分别在染色体的N段中提取任意一个基因进行数值的再生成，将生成的染色体放入新种群中；

(3.4.4)补足操作：

使用种群初始化的方法生成新染色体，补足种群染色体数至M；

(3.4.5)当前迭代次数累加1；若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出重复过程中适应度最小的染色体，进入步骤(4)；否则返回(3.3)；

(4)根据步骤(3)得到的适应度最小的染色体，得到色温CCT_tar下的由N颗灯珠构成的LED光源。

步骤(3.1)所述用于表示k_i的二进制的位数为25位。

步骤(3.4.2)所述的概率P_c设置为0.7。

步骤(3.4.3)所述的概率P_m设置为0.7。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：本发明提出了一种由多颗单色LED组成的、便捷、低成本的高显色质量的色温可调白光LED光源设计设法，由多颗单色LED组成，因此结构简单，仅仅通过控制各LED的驱动电流即可获得所需要的色温，并且保证光源具有高的显色质量及发光效率。本发明可应用于通用照明场合及需要调节光源色温的场合。

附图说明

图1是本发明实施例所用的红、绿、蓝三种颜色的单色LED灯珠归一化光谱。

图2是通过本发明所获得的色温可调的、高显色质量的白光LED光源光谱。

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。

本发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，包括以下步骤：

(1)挑选出红、绿、蓝色的单色LED灯珠各1颗，在100mA电流驱动下测试各个灯珠的光功率P_Li、电功率P_Ei、以及归一化的光谱功率分布S_i(λ)，其中，1≤i≤3；则3颗灯珠构成的LED光源光谱用下式描述：

$S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{k}_i{S}_i\left(\mathrm{\&lambda;}\right)$

其中N＝3，其中k_i为第i颗LED光谱辐射强度最大值；

(2)建立优化目标和约束条件：

本发明对k_i进行优化，在指定光源的相关色温的前提下，使由3颗LED灯珠组成的LED光源的发光效率及显色质量都达到高的水平。

(2.1)建立最小优化目标，所述最小优化目标通过下式表示：

$F\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=A\frac{100-R_a}{100}+B\frac{100-R_9}{100}+C\frac{100-Q_a}{100}+D\frac{683-LE}{683}+R\&CenterDot;(<g_1(\stackrel{\&RightArrow;}{x})>+<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>)\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，R_a是CIE标准中规定的一般显色指数，R₉是CIE标准中规定的用于评价光源对深红显色能力的特殊显色指数，Q_a是CQS标准中规定的一般显色指数，均根据光谱S(λ)计算得出；LE是光源的发光效率，根据光谱S(λ)和P_Ei计算得出，以目前商用LED的工艺水平，以200lm/W作为LED发光效率的最大值；A、B、C和D分别是R_a、R₉、Q_a和LE的权重系数，为设置值，0<A，B，C，D<1，且A+B+C+D＝1；表示关于k_i的一组解；

和是该优化目标的惩罚函数，

$<g_1\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\left\{\begin{array}{cc}\frac{0.01-\left|CCT-{\mathrm{CC}}_{tar}T\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}}{0.01},& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}\&le;0\\ 0,& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}>0\end{array}\right.\mathrm{...}\left(2\right)$

$<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\{\begin{array}{cc}\frac{DC-0.0054}{0.0054},& DC-0.0054\&le;0\\ 0,& DC-0.0054>0\end{array}...\left(3\right)$

其中，CCT是该光源的相关色温，DC是该光源与该光源具有相同色温的参考光源之间的色差，CCT和DC均根据光谱S(λ)计算得出；CCT_tar是该光源的设计目标色温，为设置值；R是惩罚因子，为一个至少大于10的正数；该罚函数保证优化结果满足约束条件：光源的CCT与目标色温CCT_tar的偏差在1％以内，色差DC在0.0054以内。

(2.2)建立约束条件：3颗LED在各自S_i(λ)＝1处波长的光谱辐射强度的相对比例0≤k_i≤1；

(3)遗传算法求解：

(3.1)遗传编码：

以25位二进制数表示k_i，则k_i为一个基因，将表示k_i的二进制数首尾相接形成一个3段、二进制长度为75的染色体；所述染色体即个体；设置迭代次数；设置当前迭代次数；

(3.2)初始种群生成：

在[0,1]范围内随机选取一组二进制数代表变量k_i，形成一个染色体；重复形成染色体操作直至染色体数目达到设置的种群数M，M个染色体组成一个种群；

(3.3)适度函数计算：

根据公式(1)计算种群中每条染色体的适度值

(3.4)遗传操作：

(3.4.1)复制操作：

建立一个新的种群，所述新的种群初始为空；选取当前种群中适应度函数最小的染色体放入新的种群中；

(3.4.2)交叉操作：

按照概率P_c＝0.7进行交叉，随机选取当前种群中的两条染色体，交换染色体段，产生两条新的染色体放入种群中；

(3.4.3)变异操作：

按照概率P_m＝0.7进行变异，随机选取当前种群中的一条染色体，分别在染色体的3段中提取任意一个基因进行数值的再生成，将生成的染色体放入新种群中；

(3.4.4)补足操作：

使用种群初始化的方法生成新染色体，补足种群染色体数至M；

(3.4.5)当前迭代次数累加1；若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出重复过程中适应度最小的染色体，进入步骤(4)；否则返回(3.3)；

(4)根据步骤(3)得到的适应度最小的染色体，得到色温CCT_tar下的由3颗灯珠构成的LED光源，根据k_i值设置LED的驱动电流为k_i×100mA，即可得到色温可调的、高显色质量、高光效的白光LED光源光谱如图2所示，在不同目标色温CCT_tar下的参数如下表所示：

CCT(K)	2055	3029	4039	5000	5940	6961	8011
								DC×10-4	49	21	54	77	54	51	54
Ra	90	90	87	91	90	91	90
								R9	90	90	90	86	97	91	94
Qa	81	84	90	89	90	90	90
								LE(lm/W)	104	108	108	103	101	96	96

表1不同目标色温CCT_tar下的参数

本发明的基本原理在于：当光源的色温CCT与目标色温CCT_tar的偏差大于1％，即|CCT-CCT_tar|/CCT_tar-0.01＞0，或者当光源与等色温的黑体辐射光源的色差DC大于0.0054，即DC-0.0054＞0时，有或者由于惩罚因子R是一个较大的正数，或者亦是较大的正数，因此，当上述两种情况存在时，目标函数会远大于上述两种情况均不存在时的目标函数遗传算法求解目标函数的最小值，其进化过程会迫使子代解满足约束条件即

Claims (4)

1.一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)挑选出至少包含红、绿、蓝三种颜色的单色LED灯珠共N颗，在100mA电流驱动下测试各个灯珠的光功率P_Li、电功率P_Ei、以及归一化的光谱功率分布S_i(λ)，其中，1≤i≤N；则N颗灯珠构成的LED光源光谱用下式描述：

$S\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{k}_i{S}_i\left(\mathrm{\&lambda;}\right)$

其中k_i为第i颗LED光谱辐射强度最大值；

(2)建立优化目标和约束条件：

(2.1)建立最小优化目标，所述最小优化目标通过下式表示：

$F\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)=A\frac{100-R_a}{100}+B\frac{100-R_9}{100}+C\frac{100-Q_a}{100}+D\frac{683-LE}{683}+R\&CenterDot;(<g_1(\stackrel{\&RightArrow;}{x})>+<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>)...\left(1\right)$

其中，R_a是CIE标准中规定的一般显色指数，R₉是CIE标准中规定的用于评价光源对深红显色能力的特殊显色指数，Q_a是CQS标准中规定的一般显色指数，均根据光谱S(λ)计算得出；LE是光源的发光效率，根据光谱S(λ)和P_Ei计算得出；A、B、C和D分别是R_a、R₉、Q_a和LE的权重系数，为设置值，0<A，B，C，D<1，且A+B+C+D＝1；表示关于k_j的一组解；

和是该优化目标的惩罚函数，

$<g_1\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\left\{\begin{array}{cc}\frac{0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}}{0.01},& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}\&le;0\\ 0,& 0.01-\left|CCT-{\mathrm{CCT}}_{tar}\right|/{\mathrm{CCT}}_{tar}>0\end{array}\right.\mathrm{...}\left(2\right)$

$<g_2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{x}\right)>=\{\begin{array}{cc}\frac{DC-0.0054}{0.0054},& DC-0.0054\&le;0\\ 0,& DC-0.0054>0\end{array}\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，CCT是该光源的相关色温，DC是该光源与该光源具有相同色温的参考光源之间的色差，CCT和DC均根据光谱S(λ)计算得出；CCT_tar是该光源的设计目标色温；R是惩罚因子，为一个至少大于10的正数；

(2.2)建立约束条件：N颗LED在各自S_i(λ)＝1处波长的光谱辐射强度的相对比例0≤k_i≤1；

(3)遗传算法求解：

(3.1)遗传编码：

以二进制数表示k_i，则k_i为一个基因，将N个表示k_i的二进制数首尾相接形成一个N段染色体；所述染色体即个体；设置迭代次数；设置当前迭代次数；

(3.2)初始种群生成：

在[0,1]范围内随机选取一组二进制数代表变量k_i，形成一个染色体；重复形成染色体操作直至染色体数目达到种群数M，M个染色体组成一个种群；

(3.3)适度函数计算：

根据公式(1)计算种群中每条染色体的适度值

(3.4)遗传操作：

(3.4.1)复制操作：

建立一个新的种群，所述新的种群初始为空；选取当前种群中适应度函数最小的染色体放入新的种群中；

(3.4.2)交叉操作：

按照设置的概率P_c进行交叉，随机选取当前种群中的两条染色体，交换染色体段，产生两条新的染色体放入种群中；

(3.4.3)变异操作：

按照设置的概率P_m进行变异，随机选取当前种群中的一条染色体，分别在染色体的N段中提取任意一个基因进行数值的再生成，将生成的染色体放入新种群中；

(3.4.4)补足操作：

使用种群初始化的方法生成新染色体，补足种群染色体数至M；

(3.4.5)当前迭代次数累加1；若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出重复过程中适应度最小的染色体，进入步骤(4)；否则返回(3.3)；

(4)根据步骤(3)得到的适应度最小的染色体，得到色温CCT_tar下的由N颗灯珠构成的LED光源。

2.根据权利要求1所述的高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，其特征在于：步骤(3.1)所述用于表示k_i的二进制的位数为25位。

3.根据权利要求1所述的高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，其特征在于：步骤(3.4.2)所述的概率P_c设置为0.7。

4.根据权利要求1所述的高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，其特征在于：步骤(3.4.3)所述的概率P_m设置为0.7。