CN105606218A - 光源显色性性能的光谱诊断方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于照明技术领域，提供了一种光源显色性性能的光谱诊断方法及系统。所述方法包括以下步骤：计算光源光谱能量分布的显色指数；提取光源光谱能量分布中的单色光谱，加入等能白光，在色度图上绘制光谱纯度曲线，形成光谱色域面积；计算光谱色域面积指数，评价光谱的缺失情况；结合光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位；根据光谱主波长与峰值波长判断需要的峰值波长光谱；确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱并计算显色指数，从而达到对光谱的诊断。本发明将基于物理量的光谱能量分布转换为基于视觉的光谱色域面积，可进行直观判断，可提升显色性性能，并且可对光谱问题进行精确诊断。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体涉及色度学领域，尤其涉及光源显色性性能的光谱诊断方法及系统。
背景技术
光源显色性是一个非常重要的用于表示光源对物体显示真实性的参数。传统光源采用显色指数CRI(ColorRenderingIndex)来表示，对于传统光源来说，这种方法应用较好。但是随着新光源LED的出现，显色指数CRI出现了越来越多的问题。CIE技术报告指出：CRI对于包含LED光源的一系列光源进行显色评价时得到的结果不能令人满意。为正确评估LED光源的显色性，需要对光源的显色性评估体系进行深入的探讨和研究。
近年来，国际上提出了数十种显色性评价指标，比如，RCRI(Rank-orderbasedColorrenderingindex，基于排序的显色指数)，CQS(Colorqualityscale，颜色质量指标)，MCRI(Colorrenderingindexbasedonmemorycolors，基于记忆色的显色指数)和GAI(Gamutareaindex，色域指数)。其中CQS和GAI获得了较多的认可。Rea提出了颜色的显色能力应该包括三个方面，自然性(naturalness)、饱和性(saturation)以及辨识能力(discrimination)，他提出三种评估指标分别来评价不同方面的属性。其中，CRI用于评价自然性，GAI用于评价饱和性，而FSCI(Fullspectrumcolorindex，全波段光谱颜色指数)用于评价辨识能力。正常的Ra值是基于8种颜色样品的，Ra表明了光源对于这8种颜色样品的显色能力。而CQS系统采用了15种更为饱和的颜色作为评价显色性的标准颜色样品。相比较于CRI，CQS更为科学一些。但是，CRI和CQS系统都要依赖于标准颜色样品，越多的标准颜色样品，将会得到更好的结果。虽然CRI和CQS在大部分条件下都能较好的对光源显色性进行定量评估，但是CRI、GAI采用8种颜色样品是不够的，而CQS采用15种标准颜色样品也不能很好的评估所有光源。在评价一些比较特殊的光谱组成时，CRI、GAI和CQS出现了很大的问题。目前的显色性体系只是进行性能评价，并不能诊断光谱问题而达到性能提升。因此，需要针对显色性技术中不能解决诊断光谱问题进行研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种光源显色性性能的光谱诊断方法及系统，旨在解决现有技术中诊断光源光谱所引起的显色性性能效果差的问题。
本发明是这样实现的，光源显色性性能的光谱诊断方法，包括：
步骤1、计算需要诊断光源光谱能量分布的显色指数；
步骤2、提取所述光源光谱能量分布中的单色光谱，并在所述单色光谱中加入等能白光，根据所述单色光谱和所述等能白光在CIE1976色度图上绘制光谱纯度曲线，所述光谱纯度曲线形成光谱色域面积；
所述的光谱诊断方法还包括以下步骤：
步骤3、根据所述光谱色域面积计算光谱色域面积指数，使用所述光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况；
步骤4、结合所述光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位；
步骤5、根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据所述光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，所述峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱；
步骤6、结合所述缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，所述色度坐标根据所述生成光源光谱进行设定得到；根据所述生成光源光谱重新计算显色指数，并判断所述显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回重新执行步骤2至6，直到达到预置条件。
与上述方案相结合，所述步骤3中，将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中SGAa为所述光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域，所述光谱色域面积指数根据公式SGAI＝100×C×(SGAa+α×SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，C为常数。
与上述各个方案相结合，所述步骤4中，根据所述光谱色域面积通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据所述色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
与上述各个方案相结合，所述步骤5中，所述光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而变化，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
本发明还提供一种光源显色性性能的光谱诊断系统，包括：
显色指数计算模块，用于计算需要诊断光源光谱能量分布的显色指数；
光谱色域面积形成模块，提取光源光谱能量分布中的单色光谱，并在所述单色光谱中加入等能白光，根据所述单色光谱和所述等能白光在CIE1976色度图上绘制光谱纯度曲线，所述光谱纯度曲线形成光谱色域面积；
所述光谱诊断系统还包括：
光谱缺失评价模块，根据所述光谱色域面积计算光谱色域面积指数，使用所述光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况；
光谱缺失判断模块，结合所述光谱缺失评价模块得到的光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位；
光谱添加模块，根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据所述光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，所述峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱；
光谱诊断模块，根据所述缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，所述色度坐标根据所述生成光源光谱进行设定得到；根据所述生成光源光谱重新计算显色指数，并判断所述显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回所述光谱色域面积形成模块重新开始执行诊断，直到达到预置条件。
与上述技术方案相结合，所述光谱缺失评价模块包括分割单元和计算单元，
所述分割单元，用于将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中SGAa为所述光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域；
所述计算单元，根据所述光谱色域面积指数公式SGAI＝100×C×(SGAa+α×SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，C为常数。
与上述各个技术方案相结合，所述光谱缺失判断模块根据所述光谱色域面积通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据所述色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
与上述各个技术方案相结合，所述光谱添加模块中的所述光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而变化，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述的光源显色性性能的光谱诊断方法通过光谱色域面积以及光谱色域面积指数判断需要添加的光谱的缺失部位，进而根据光谱的缺失部位确定光谱主波长、峰值波长光谱以及需要添加的光谱比例，得到生成光源光谱，从而确定生成光源光谱的显色指数来诊断光谱。本发明将基于物理量的光谱能量分布转换为基于视觉的光谱色域面积，从而使得其与视觉相关，可进行直观判断，可提升显色性性能，并且可对光谱问题进行精确诊断。
附图说明
图1是本发明光源显色性性能的光谱诊断方法的流程示意图；
图2是等能白光的示意图；
图3是不同比例等能白光对应的光谱色域面积示意图；
图4是一种荧光灯对应的SGAa和SGAb区域划分的示意图；
图5是高压汞灯理论上的光谱示意图；
图6是高压汞灯应该添加的光谱的缺失部位的示意图；
图7是峰值波长为500nm和620nm的光谱示意图；
图8是添加缺失部分光谱后得到的生成光源光谱的光谱诊断和显色性提升的示意图；
图9是光源显色性性能的光谱诊断系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1，为本发明光源显色性性能的光谱诊断方法，包括以下步骤：
步骤1、计算需要诊断光源光谱能量分布(Spectralpowerdistribution)的显色性对应的显色指数CRI(Colorrenderingindex)。显色指数依据现有技术的方法可以很方便地求得。
步骤2、提取光源光谱能量分布中的单色光谱，并在单色光谱中加入等能白光，根据单色光谱和等能白光在CIE(CommissionInternationaledeL'Eclairage，国际照明委员会)1976色度图上绘制光谱纯度(Spectralpurity)，光谱纯度在CIE1976色度图上形成多边形，即光谱纯度的曲线形成光谱色域面积，所述光谱色域面积即为相关色域面积。相关色域面积的计算请参照《民机驾驶舱LED照明工效研究》中第四章的内容。在所述单色光谱中加入等能白光得到光谱对应的色度点，称为对应单色光谱的光谱纯度。
从光谱能量分布到光谱色域面积的转换是从基于物理的能量转化到基于视觉的能量，从而通过光谱色域面积进行缺失光谱的诊断。等能白光是全光谱光源，作为参考，对应最大的光谱色域面积，不同比例等能白光对应的光谱色域面积，如图2和图3所示。
步骤3、根据光谱色域面积计算光谱色域面积指数(Spectralgamutareaindex，SGAI)，使用光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况。
将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中，SGA表示光谱色域面积(Spectralgamutarea)，即将光谱色域面积SGA分成a和b两部分，SGAa为光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域，光谱色域面积指数根据公式SGAI＝100×C×(SGAa+α×SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，一般取值0.5，C为常数，使等能白光对应的SGAI达到100。根据光谱色域面积指数可判断光谱的缺失情况。如图4所示，为一种荧光粉的光谱色域面积的区域划分的示意图，分别分成SGAa和SGAb两部分。由光谱色域面积指数可判断光谱缺失情况。等能白光对应光谱色域面积指数为100，其它光源对应的光谱色域面积指数在0-100之间。越接近100，说明相应光源对应显色性越好，相反则越差。依据可视化光谱色域，可直观进行诊断或是通过计算机进行诊断。
步骤4、结合光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位。
根据光谱色域面积直观进行判断或是通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
步骤5、根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，所述峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱。
色度图上的光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而有所改变，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
步骤6、结合缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，色度坐标根据生成光源光谱进行设定得到。根据生成光源光谱重新计算显色指数，并判断显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回重新执行步骤2至6，直到达到预置条件。设定好色度坐标后，对应该色度点有无数种光谱，但根据该色度点，采用色度混合公式进行合成计算后，可以具体确定。
所设定的新的色度坐标与原光谱色度坐标可能有所偏移，但仍然可以采用色温来进行描述。不能采用色温进行描述的光源，一般不作为功能性照明使用，其显色性性能意义不大。进行光色合成计算时，采用的公式为通用技术，根据上述得到的数据进行相应计算即可。在实际应用中，芯片或荧光粉产生的光谱与添加的缺失部分光谱会有些偏差，所产生的光谱效率也不一样，可用相对峰值波长最小的进行替代，即一般选择相对效率较高的，又相契合的光谱进行添加。例如，需要添加的光谱波长是500nm，实际可产生的光谱波长有495nm或者是505nm是比较接近的，然而这两种波长的光谱所产生的效率会有所差异，此时应该在两者中选择效率较高的作为应该添加的光谱。
设定的预置条件根据不同场所会对显色指数的界定有所不同，具体的设定值需要根据应用的场所来定。比如，室内场所一般要求显色指数达到80，室外场所一般情况下显色指数达到60即可。
如图5至图8所示，为以高压汞灯从理论上作为光谱诊断和显色性提升的示意图。该光源所占光谱色域面积非常小，从图6中可以判断，添加区域1和区域2对应光谱部分，可极大的增加其光谱色域面积，即区域1和区域2为需要添加的光谱的缺失部位。区域1和区域2对应的主波长约为500nm和620nm。由于本示例中添加的是单色光高斯分布光谱，光谱峰值波长与主波长比较接近，故可以直接采用峰值波长为500nm和620nm的光谱对缺失部分光谱进行添加。原光源光谱对应色度坐标为(0.1957，0.4859)，对应色温为6274K，新添加的峰值波长为500nm的光谱对应的色度坐标为(0.0107，0.5402)，新添加峰值波长为620nm的光谱对应的色度坐标为(0.4897，0.5266)，拟合成色度坐标为(0.2251，0.5016)，对应色温为4000K。通过光色合成公式进行合成，得到各部分光谱比例。得到的生成光源光谱对应的显色性CRI由19提升到90。在实际应用中还需要考虑到所添加光谱对应技术所能达到的效率，进行综合考虑。
请参照图9，为本发明一种光源显色性性能的光谱诊断系统的结构示意图，光源显色性性能的光谱诊断系统，具体包括显色指数计算模块901、光谱色域面积形成模块902、光谱缺失评价模块903、光谱缺失判断模块904、光谱添加模块905和光谱诊断模块906，各个功能模块的功能具体为：
显色指数计算模块901，用于计算需要诊断光源光谱能量分布的显色指数。
光谱色域面积形成模块902，提取光源光谱能量分布中的单色光谱，并在单色光谱中加入等能白光，根据单色光谱和等能白光在CIE1976色度图上绘制光谱纯度曲线，光谱纯度曲线形成光谱色域面积。
光谱缺失评价模块903，根据光谱色域面积计算光谱色域面积指数，使用光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况。
光谱缺失评价模块903包括分割单元和计算单元。
分割单元，用于将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中SGAa为光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域。
计算单元，根据光谱色域面积指数公式SGAI＝100·C·(SGAa+α·SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，C为常数。
光谱缺失判断模块904，结合所述光谱缺失评价模块得到的光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位。
光谱缺失判断模块904根据光谱色域面积通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
光谱添加模块905，根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱。
光谱添加模块905中的光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而变化，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
光谱诊断模块906，根据缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，色度坐标根据生成光源光谱进行设定得到。根据生成光源光谱重新计算显色指数，并判断显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回光谱色域面积形成模块902重新开始执行诊断，直到达到预置条件。
光谱诊断模块906中缺失部分光谱对应的色度坐标与原光源光谱对应的色度坐标可能有偏移。但仍然可以采用色温来进行描述。
本发明的光源显色性性能的光谱诊断方法及系统不依赖于色样样品，将基于物理量的光谱能量分布转换为基于视觉的光谱色域面积，使得其与视觉相关，可进行直观判断；并且可对光谱问题进行精确诊断和提升。
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 (8)
1.光源显色性性能的光谱诊断方法，包括：
步骤1、计算需要诊断光源光谱能量分布的显色指数；
步骤2、提取所述光源光谱能量分布中的单色光谱，并在所述单色光谱中加入等能白光，根据所述单色光谱和所述等能白光在CIE1976色度图上绘制光谱纯度曲线，所述光谱纯度曲线形成光谱色域面积；
其特征在于，所述的光谱诊断方法还包括以下步骤：
步骤3、根据所述光谱色域面积计算光谱色域面积指数，使用所述光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况；
步骤4、结合所述光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位；
步骤5、根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据所述光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，所述峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱；
步骤6、结合所述缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，所述色度坐标根据所述生成光源光谱进行设定得到；根据所述生成光源光谱重新计算显色指数，并判断所述显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回重新执行步骤2至6，直到达到预置条件。
2.根据权利要求1所述的光谱诊断方法，其特征在于，所述步骤3中，将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中SGAa为所述光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域，所述光谱色域面积指数根据公式SGAI＝100×C×(SGAa+α×SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，C为常数。
3.根据权利要求1所述的光谱诊断方法，其特征在于，所述步骤4中，根据所述光谱色域面积通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据所述色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
4.根据权利要求1所述的光谱诊断方法，其特征在于，所述步骤5中，所述光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而变化，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
5.一种光源显色性性能的光谱诊断系统，包括：
显色指数计算模块，用于计算需要诊断光源光谱能量分布的显色指数；
光谱色域面积形成模块，提取光源光谱能量分布中的单色光谱，并在所述单色光谱中加入等能白光，根据所述单色光谱和所述等能白光在CIE1976色度图上绘制光谱纯度曲线，所述光谱纯度曲线形成光谱色域面积；
其特征在于，所述光谱诊断系统还包括：
光谱缺失评价模块，根据所述光谱色域面积计算光谱色域面积指数，使用所述光谱色域面积指数评价光谱的缺失情况；
光谱缺失判断模块，结合所述光谱缺失评价模块得到的光谱色域面积和光谱的缺失情况，判断需要添加的光谱的缺失部位；
光谱添加模块，根据光谱的缺失部位计算光谱主波长，根据所述光谱主波长与峰值波长关系，判断缺失部位需要的峰值波长光谱，所述峰值波长光谱即为需要添加的缺失部分光谱；
光谱诊断模块，根据所述缺失部分光谱、色度坐标以及原光源光谱进行光色合成计算，确定缺失部分光谱应该添加的比例，得到生成光源光谱，所述色度坐标根据所述生成光源光谱进行设定得到；根据所述生成光源光谱重新计算显色指数，并判断所述显色指数是否达到预置条件，如达到则结束，否则返回所述光谱色域面积形成模块重新开始执行诊断，直到达到预置条件。
6.根据权利要求5所述的光谱诊断系统，其特征在于，所述光谱缺失评价模块包括分割单元和计算单元，
所述分割单元，用于将光谱色域面积分成SGAa和SGAb两部分，其中SGAa为所述光谱纯度曲线所围成的多边形区域，SGAb为SGAa多边形区域对应的凸多边形区域与SGAa多边形区域差值区域；
所述计算单元，根据所述光谱色域面积指数公式SGAI＝100×C×(SGAa+α×SGAb)进行计算，其中SGAI为光谱色域面积指数，α为系数，范围在0-1之间，C为常数。
7.根据权利要求5所述的光谱诊断系统，其特征在于，所述光谱缺失判断模块根据所述光谱色域面积通过添加光谱缺失部分的色度点，计算新的色域面积增大比例，根据所述色域面积增大比例判断需要添加的光谱的缺失部位。
8.根据权利要求5所述的光谱诊断系统，其特征在于，所述光谱添加模块中的所述光谱主波长与峰值波长随着半宽度变化而变化，根据变化的关系进行调整，得到对应在光谱能量分布图上的峰值波长光谱。
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