CN106061000A - 基于光谱峰值辐亮度参数的多通道led照明系统的光谱匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，属于LED照明技术领域。本发明首先利用光谱辐射计测量出每一LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布数据以及以若干数字驱动等级条件下的光谱峰值辐亮度值；然后利用最大数字驱动值时的光谱功率分布数据和目标光谱功率分布数据，经牛顿迭代算法计算出用以模拟目标光谱功率分布的每种LED通道之间的光谱峰值辐亮度比例值；最后通过三次样条插值算法计算出每种LED通道所需光谱峰值辐亮度比例条件下的数字驱动值，从而最终实现目标光谱。本发明为高精度图像再现、颜色复制等领域提供了必要的观察照明条件。

Description

基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配 方法

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，特别涉及一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法。

背景技术

近年来，随着国家对节能减排的重视，LED照明设备已越来越多的应用在室外照明领域，而LED室内照明将成为下一个照明领域研究的热点。

LED除了低耗能、寿命长的特点外，其窄带光谱以及瞬间响应的发光特点使光谱可调成为可能。传统光源的光谱分布是确定的，但LED光源可以通过组合不同色光LED来实现任意光谱组成的光环境。

LED光谱可调光源是利用迭代方法优化由多种不同峰值波长的LED辐射叠加所形成的模拟光谱，使其与目标光谱差最小，最终实现预定的光源光谱功率分布。

由于各项光度学和色度学参数都是基于辐射度学中的光谱功率分布或光谱反射比的基础上推演而来，因此当光源的光谱功率分布确定之后，光源的亮度值以及光源色品坐标、色温等一系列色度学量也就相应确定下来。也即是说，如能很好的模拟任意光源或者发光体的光谱功率分布，即可以对其色品坐标、颜色三刺激值等一系列色度学参数进行匹配和复制，在实际应用中具有非常大的应用前景，尤其是对光学遥感器的辐射定标、光源显色性研究、以及光生物学等领域提供可靠的技术支持。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法。

本发明的技术方案为：

一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，包括步骤：

1)测量标准白板或标准灰板的光谱反射比P_白(λ)；

2)测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据P_测(λ)；

3)通过公式(1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据公式(1)中，i＝1～n，其中n为LED照明系统通道数；

4)对每种LED通道的数字驱动值从0～255等级范围内采样，采样数量不小于3，且包括最大数字驱动值255；然后采用步骤2)和步骤3)的方法测量出所采样本驱动值等级下每种LED通道的光谱峰值辐亮度数据，将数字驱动值为G_i的样本测量所得的光谱峰值辐亮度值记作

5)将步骤4)所得每种LED通道在各采样数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值按照公式(2)进行归一化处理；其中，将255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的光谱峰值辐亮度相对于255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度的比例进行调整，得到在0～1之间的一系列归一化后的相对光谱峰值辐亮度值

$R_{G_i}=I_{G_i}/I_{{255}_i}---\left(2\right)$

6)预定义可以实现目标光谱的每种LED通道光谱峰值辐亮度的比例值k_i(0)，i＝1～n，其中n为LED照明系统通道数，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后k_i(j)的值，式中，a为经验值比例系数，取100，为每种LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，P_S(λ)为目标光谱；

$k_i^{\left(j\right)}=k_i^{(j-1)}-a\×\frac{\∂\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{(j-1)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right){\]}^2}{\∂k_i^{(j-1)}}---\left(3\right)$

7)根据判别公式(4)判断j次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代阈值，如果小于迭代阈值，迭代过程结束；如果大于迭代阈值，则进行下一次迭代，其中，ε为迭代阈值；

$\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{\left(j\right)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right)|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

8)判断利用步骤6)和7)的迭代算法所获得的k_i(j)数组中的每一个元素是否都小于1，如果都小于1执行下一步，如果有任何一个元素大于1，降低测量面照度后，并要求返回到步骤1重新执行；

9)根据数字驱动值G_i和归一化后的相对光谱峰值辐亮度值的比例关系，利用插值算法计算出预测所需的光谱峰值辐亮度I′_i所对应的每种LED通道的数字驱动值G′_i。

本发明首先利用光谱辐射计测量出每一LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布数据以及以若干数字驱动等级条件下的光谱峰值辐亮度值；然后利用最大数字驱动值时的光谱功率分布数据和目标光谱功率分布数据，经牛顿迭代算法计算出用以模拟目标光谱功率分布的每种LED通道之间的光谱峰值辐亮度比例值；最后通过三次样条插值算法计算出每种LED通道所需光谱峰值辐亮度比例条件下的数字驱动值，从而最终实现目标光谱。

作为优选方案，步骤1)中，采用分光光度计测量标准白板或标准灰板的光谱反射比P_白(λ)。

作为优选方案，步骤2)中，采用光谱辐射计测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据P_测(λ)。

进一步地，步骤4)中，采用光谱辐射计测量所采样本驱动值等级下每种LED通道的光谱峰值辐亮度数据

作为优选方案，步骤4)中对每种LED通道的数字驱动值从0～255等级范围内均匀采样，采用数目为9-12个。

作为优选方案，步骤7)中，迭代阈值取值为0.0001。

作为优选方案，步骤9)中所述插值算法为三次样条插值算法。

本发明的有益效果为：

本发明的光谱匹配方法适用于解决LED多通道照明系统的光谱匹配问题，利用光谱峰值辐亮度作为重要参数指标，对辐射光谱可覆盖或基本覆盖可见光范围且大于3通道的任意通道数的LED照明系统均可由本发明方法进行光谱匹配，精度高，且简便实用。

本发明解决了如何利用多通道照明系统模拟任意光谱时各LED通道所需的数字驱动值问题，此问题的解决为高精度图像再现、颜色复制等科技领域提供了必要的观察照明条件。

具体实施方式

以11通道LED照明系统模拟测量面照度1000lx条件下的标准照明体A的光谱功率分布为例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，包括步骤：

1)利用X-Rite SpectralEye分光光度计测量X-Rite ColorChecker Passport标准灰板的光谱反射比P_白(λ)，结果如表1所示；

2)利用Topcon SR-3A光谱辐射计测量经X-Rite ColorChecker Passport标准灰板反射的11种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据P_测(λ)，11种LED通道的光谱数据如表2-1、表2-2、表2-3、表2-4所示；

3)通过公式(1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据公式(1)中，i＝1～n，其中n为LED照明系统通道数

绝对光谱功率分布数据根据表1与表2-1、表2-2、表2-3、表2-4中的数据计算即可；

4)对每种LED通道的数字驱动值进行采样，采样值分别为255、235、215、195、175、150、100、80、60、40、25；采用Topcon SR-3A光谱辐射计以步骤2)和步骤3)的方法测量出所采样本驱动值等级下11种LED通道的光谱峰值辐亮度数据，将数字驱动值为G_i的样本测量所得的光谱峰值辐亮度值记作11种LED通道的光谱峰值辐亮度值如表3-1、表3-2所示；

5)将步骤4)所得11种LED通道在11个采样数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值按照公式(2)进行归一化处理；其中，将255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的光谱峰值辐亮度相对于255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度的比例进行调整，得到在0～1之间的一系列归一化后的相对光谱峰值辐亮度值相对光谱峰值辐亮度值如表4-1、表4-2所示；

$R_{G_i}=I_{G_i}/I_{{255}_i}---\left(2\right)$

6)预定义11种LED通道光谱峰值辐亮度的比例值k_i(0)为1:1:1:1:1:1:1:1:1:1:1，用以实现标准照明体A的光谱功率分布，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后的k_i(j)值，本例共迭代20次，k_i的20次迭代取值如表5-1、表5-2所示，a为经验系数，取值100；为每种LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，P_S(λ)为目标光谱；

$k_i^{\left(j\right)}=k_i^{(j-1)}-a\×\frac{\∂\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{(j-1)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right){\]}^2}{\∂k_i^{(j-1)}}---\left(3\right)$

7)根据判别公式(4)判断20次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代阈值ε＝0.0001；本实施例中，19次迭代后的光谱差大于阈值，20次迭代后光谱差为4.6903e-05，即，4.6903×10^-5；

$\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{\left(j\right)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right)|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

8)获得的k_i(20)中代表11个LED通道的元素值全部小于1，继续执行下一步；

9)根据数字驱动值G_i和归一化后的相对光谱峰值辐亮度值的比例关系，利用三次样条插值算法和取整算法计算出预测所需11种LED通道的数字驱动值G′_i，分别为155、139、17、183、174、119、229、155、36、68、16。

表1 X-Rite ColorChecker Passport标准灰板的光谱反射比

表2-1 11种LED通道经灰板反射后的绝对光谱功率分布

表2-2 11种LED通道经灰板反射后的绝对光谱功率分布

表2-3 11种LED通道经灰板反射后的绝对光谱功率分布

表2-4 11种LED通道经灰板反射后的绝对光谱功率分布

表3-1 11种LED通道的光谱峰值辐亮度值

表3-2 11种LED通道的光谱峰值辐亮度值

表4-1 11种LED通道归一化的光谱峰值辐亮度

表4-2 11种LED通道归一化的光谱峰值辐亮度

表5-1 11种LED通道20次迭代值

表5-2 11种LED通道20次迭代值

Claims (7)

1.一种基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于，包括步骤：

1)测量标准白板或标准灰板的光谱反射比P_白(λ)；

2)测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据P_测(λ)；

3)通过公式(1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据公式(1)中，i＝1～n，其中n为LED照明系统通道数；

4)对每种LED通道的数字驱动值从0～255等级范围内采样，采样数量不小于3，且包括最大数字驱动值255；然后采用步骤2)和步骤3)的方法测量出所采样本驱动值等级下每种LED通道的光谱峰值辐亮度数据，将数字驱动值为G_i的样本测量所得的光谱峰值辐亮度值记作

5)将步骤4)所得每种LED通道在各采样数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值按照公式(2)进行归一化处理；其中，将255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的光谱峰值辐亮度相对于255等级数字驱动值下的光谱峰值辐亮度的比例进行调整，得到在0～1之间的一系列归一化后的相对光谱峰值辐亮度值

$R_{G_i}=I_{G_i}/I_{{255}_i}---\left(2\right)$

6)预定义可以实现目标光谱的每种LED通道光谱峰值辐亮度的比例值k_i(0)，i＝1～n，其中n为LED照明系统通道数，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后k_i(j)的值，式中，a为经验值比例系数，取100，为每种LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，P_S(λ)为目标光谱；

$k_i^{\left(j\right)}=k_i^{(j-1)}-a\×\frac{\∂\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}{\[\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{(j-1)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right)\]}^2}{\∂k_i^{(j-1)}}---\left(3\right)$

7)根据判别公式(4)判断j次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代阈值，如果小于迭代阈值，迭代过程结束；如果大于迭代阈值，则进行下一次迭代，其中，ε为迭代阈值；

$\underset{\mathrm{\λ}=380}{\overset{780}{\Σ}}|\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{k}_i^{\left(j\right)}\×P_{{\mathrm{LED}}_i}\left(\mathrm{\λ}\right)-P_s\left(\mathrm{\λ}\right)|\≤\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

8)判断利用步骤6)和7)的迭代算法所获得的k_i(j)数组中的每一个元素是否都小于1，如果都小于1执行下一步，如果有任何一个元素大于1，降低测量面照度后，并要求返回到步骤1重新执行；

9)根据数字驱动值G_i和归一化后的相对光谱峰值辐亮度值的比例关系，利用插值算法计算出预测所需的光谱峰值辐亮度I′_i所对应的每种LED通道的数字驱动值G′_i。

2.如权利要求1所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤1)中，采用分光光度计测量标准白板或标准灰板的光谱反射比P_白(λ)。

3.如权利要求1或2所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤2)中，采用光谱辐射计测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据P_测(λ)。

4.如权利要求3所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤4)中，采用光谱辐射计测量所采样本驱动值等级下每种LED通道的光谱峰值辐亮度数据

5.如权利要求1所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤4)中对每种LED通道的数字驱动值从0～255等级范围内均匀采样，采用数目为9-12个。

6.如权利要求1所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤7)中，迭代阈值取值为0.0001。

7.如权利要求1所述基于光谱峰值辐亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于：步骤9)中所述插值算法为三次样条插值算法。