CN106384017B - 一种高光色品质的白光led设计方法及灯具 - Google Patents

一种高光色品质的白光led设计方法及灯具 Download PDF

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Abstract

一种高光色品质的白光LED设计方法及灯具，通过模拟太阳光光谱，选取6‑9种不同颜色的LED芯片组成LED模组，通过约束方程组优化各LED单色光组成的比例，可连续输出色温在2000K‑8500K的白光，其中CQS＞96，Duv＜0.01，。本发明的约束方程组包括色度和光谱组成的约束，其中通过优化色坐标点到黑体曲线的距离Duv和色品质指数CQS，提高了白光光源颜色品质，且通过太阳光谱的生理周期影响因子和蓝光危害阈值对光谱组成的约束，得到对于人体更健康更接近太阳光的光谱组成。本发明实现了白光LED的色度和光谱的优化，实现高光色品质的LED白光输出，为高品质健康照明的实现提供了一种新的途径。

Description

一种高光色品质的白光LED设计方法及灯具
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，尤其是涉及一种高光色品质的白光LED设计方法及灯具。
背景技术
随着白光LED的发光效率不断提高，应用越来越广泛，光品质已越来越受到人们的重视，热别是对于室内照明，对于光品质的要求远远大于对光效的要求。照明受人们传统、习惯、心理的期望和情感等因素的影响，欧美日对照明的研究受传统日光的影响较大，美国DOE规划的目标是到2025年实现仿全日光的照明，千百年来，人类的感官系统已经适应了太阳光的变化规律，因而在阳光下阅读与观测时人眼感知的舒适度最高。目前有很多关于调光调色的研究，但大部分只关注如何提高显色指数，而没有从光谱以及光色品质上综合进行优化。
目前，照明行业还在以显色指数(CRI)作为评价光源颜色品质的标准，由于CRI存在所用的颜色样品为中度饱和的颜色样品、参考光源为连续谱光源、使用的色空间不均匀等问题，使得对于评价LED光源的颜色品质以及对于饱和色的显色能力有一定缺陷。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：ColorQuality Scale(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。
CIE所规定的典型日光，及标准照明体是由在CIE1931(x，y)色度图上的一条位于普朗克轨迹上方的典型日光色度轨迹来代表的，即黑体曲线。色坐标可以精确的表示光源颜色，而色坐标点到黑体曲线的距离(Duv)能够更精确的表征白光的颜色特性。在相同色温的情况下，可以优化色坐标的位置来提高白光的色品质，从而提升室内照明的光环境，使人们可以在一个类太阳光环境下工作生活。
2002年，美国Brown大学的Berson等人发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞，即视网膜特化感光神经节细胞，这类感光细胞能够参与调解人体的费视觉生物效应。非视觉通道影响着人体的生理节律、工作表现和学习效率等。非视觉生物效应函数曲线c(λ)的峰值波长位于464nm，定义c/p为生理周期影响因子。可见光波段中的蓝光成分(400－500nm)可能引起眼睛视网膜的蓝光伤害。人类眼睛视网膜上的视杆细胞及视网膜色素上皮细胞受到蓝光长时间照射会引起光损伤，从而出现老年性黄斑变形。标准中规定了，蓝光危害加权辐照度值EB≤1w/m2。通过优化生理周期影响因子和蓝光危害加权辐照度值的值可以控制白光光谱的组成。
在高光色品质的白光LED灯具设计过程中，不仅要求LED光源具有优秀的显色质量和符合人们对被照物体的的偏好度，而且要求LED光源符合人们长久以来对自然光的适应和降低光谱中蓝光对人体的危害，这是目前高光色品质的白光LED设计中存在的问题，缺乏一种从光色品质到光谱综合优化设计的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种以太阳光谱为目标，采用更完善全面的显色能力评价指标CQS和Duv，并增加光谱约束指标c/p和EB，通过光色品质和光谱上的优化，得到所需的高光色品质的白光LED设计方法及灯具。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高光色品质的白光LED设计方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一：根据太阳光光谱，选取6-9种不同颜色的LED芯片组成LED模组，得到如下白光LED的相对光谱功率分布：
Sled(λ)＝αb1Sb1(λ)+αb2Sb2(λ)+αb3Sb3(λ)+αg1Sg1(λ)+αg2Sg2(λ)+αr1Sr1(λ)+αw1Sw1(λ)+αw2Sw2(λ)+αw3Sw3(λ)
步骤二：根据不同的色温需求，需要计算各单色光的比例，解步骤一的方程，会得到无穷多组解，因此为得到高光色品质的白光，建立约束方程组：
其中，Duv是色坐标到黑体曲线的距离；Qa和Qp分别是色品质指数CQS关于显色性和饱和度的指标；c/p是生理周期影响因子；CCT为光源的相关色温；EB是蓝光危害阈值；
步骤三：采用迭代优化算法，得到设定色温下，满足约束方程组的各LED单色光的比例，采用PWM调光方式控制驱动每一路LED单色光的输出，得到稳定的高光色品质的白光。
本发明所述的高光色品质的白光LED灯具，其特点是：包括外壳、电源及设置在外壳内的LED模组和控制电路模块，其中所述LED模组根据配光要求选取6-9种不同颜色的LED芯片组成，且所述LED模组由控制电路模块进行控制输出并通过约束方程组优化各LED单色光组成的比例，可连续输出色温在2000K-8500K的白光。
其中，所述组成LED模组的6-9种不同颜色的LED芯片是从三种蓝光LED芯片、两种绿光LED芯片、一种红光LED芯片和三种白光LED芯片这九种LED芯片中选取，且每种颜色的LED芯片可以是窄谱的LED单色芯片，也可以是添加了荧光粉后的宽谱LED芯片。
根据所功率需求，所述LED模组可以设置有多个。
所述LED模组中的每种LED芯片是通过PWM方式调节其输出功率，以实现太阳光谱的模拟。
为了使LED模组发出均匀的混光，所述LED模组上设置有光学透镜，且所述光学透镜的前方设置有匀光板。
本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：
1、本发明通过使用6-9种不同颜色的LED芯片组成LED模组，能更精确地模拟太阳光谱；
2、本发明使用色品质指数CQS和色坐标到黑体曲线的距离Duv作为光源色品质的指标，Duv保证了光源颜色与太阳光一致，CQS中的Qa和Qp分别是评价光源的颜色还原能力和颜色饱和度，提高颜色还原能力和颜色饱和度，使被照物体颜色更鲜艳，可以提高人们对被照物体的偏好度和喜爱度。本发明通过CQS和Duv两个指标的优化，能够增强白光光源的颜色品质，提升照明环境效果；
3、本发明在优化色品质的同时，还需要通过生理周期影响因子c/p和蓝光危害阈值EB对光谱优化进行约束，得到对于人体更健康更接近太阳光的光谱组成，实现健康舒适照明。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的灯具侧面结构剖视图。
图3是本发明的自然光生理周期影响因子和相关色温的约束关系图。
图4是本发明采用9种不同颜色LED灯珠组成的单个LED模块示意图。
图5是本发明用于输出6000K白光的相对光谱图。
具体实施方式
如图1-图2所示，本发明所述的高光色品质的白光LED灯具，包括外壳1、匀光板2、LED模组3、电源4、控制电路模块5和光学透镜6，其中控制电路模块5设置在外壳1内并与电源4电连接，LED模组3设置在外壳1内并与控制电路模块5连接。通过模拟太阳光光谱，实现高光色品质的LED白光输出，选取6-9种不同颜色的LED芯片组成LED模组3，且LED模组3由控制电路模块5进行控制输出，并通过约束方程组优化各LED单色光组成的比例，可连续输出色温在2000K-8500K的白光。
具体步骤为：
步骤一：根据太阳光的光谱组成，选取6-9种不同颜色的LED芯片组成LED模组，得到如下白光LED的相对光谱功率分布：
Sled(λ)＝αb1Sb1(λ)+αb2Sb2(λ)+αb3Sb3(λ)+αg1Sg1(λ)+αg2Sg2(λ)+αr1Sr1(λ)+αw1Sw1(λ)+αw2Sw2(λ)+αw3Sw3(λ)
步骤二：根据不同的色温需求，需要计算各单色光的比例，解步骤一的方程，会得到无穷多组解，因此为得到高光色品质的白光，建立约束方程组：
其中，Duv是色坐标到黑体曲线的距离；Qa和Qp分别是色品质指数CQS关于显色性和饱和度的指标；c/p是生理周期影响因子；CCT为光源的相关色温；EB是蓝光危害阈值；
为模拟太阳光谱的光谱特性，需要实验测试不同色温下太阳光的c/p值，如图4所示，并建立色温和生理周期影响因子的模型，从而对光谱进行约束优化，得到更接近太阳光光谱特性的白光LED光谱；
蓝光危害阈值是评价蓝光对视网膜伤害的阈值，标准规定中阈值设置为1，单位W·m-2。为了降低白光LED带来的潜在性蓝光危害，通过调节组合白光中蓝光成分的含量，降低蓝光危害阈值，经实验证明，蓝光成分的发光比例并不能无条件减少，因此通过实验测试，得出蓝光危害阈值的最佳范围；
步骤三：采用迭代优化算法，得到设定色温下，满足约束方程组的各LED单色光的比例，采用PWM调光方式控制驱动每一路LED单色光的输出，得到稳定的高光色品质的白光。
其中，所述组成LED模组3的6-9种不同颜色的LED芯片是从三种蓝光LED芯片、两种绿光LED芯片、一种红光LED芯片和三种白光LED芯片这九种LED芯片中选取，且每种颜色的LED芯片可以是窄谱的LED单色芯片，也可以是添加了荧光粉后的宽谱LED芯片。而且，根据所功率需求，可以使用多个所述的LED模组3。同时，每个LED模组3中的每种LED芯片通过PWM方式调节其输出功率，以实现太阳光谱的模拟。为了使得LED模组3发出均匀的混光，所述的光学透镜6安置在LED模组3上，所述的匀光板2安置在光学透镜6的前方并固定在外壳1上。
下面通过具体测试结果来说明本发明的白光LED输出的情况。通过输出目标色温6000K的白光，根据本发明的设计方法，LED模组选取9种不同颜色的LED芯片31～39组成，排布如图4所示，通过计算优化得到每种LED的亮度，其输出光谱如图5所示，经过测试，实际色温为5992K、CQS中的Qa为98.82，Qp为96.36，Duv为0.0062，c/p为1.07，色品质和光谱组成完全满足健康舒适照明的需求。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种高光色品质的白光LED设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据太阳光光谱，选取6-9种不同颜色的LED芯片组成LED模组，且组成LED模组的6-9种不同颜色的LED芯片是从三种蓝光LED芯片、两种绿光LED芯片、一种红光LED芯片和三种白光LED芯片这九种LED芯片中选取，得到如下白光LED的相对光谱功率分布：
Sled(λ)＝αb1Sb1(λ)+αb2Sb2(λ)+αb3Sb3(λ)+αg1Sg1(λ)+αg2Sg2(λ)+αr1Sr1(λ)+αw1Sw1(λ)+αw2Sw2(λ)+αw3Sw3(λ)
步骤二：根据不同的色温需求，需要计算各单色光的比例，解步骤一的方程，会得到无穷多组解，因此为得到高光色品质的白光，建立约束方程组：
其中，Duv是色坐标到黑体曲线的距离；Qa和Qp分别是色品质指数CQS关于显色性和饱和度的指标；c/p是生理周期影响因子；CCT为光源的相关色温；EB是蓝光危害阈值；
步骤三：采用迭代优化算法，得到设定色温下，满足约束方程组的各LED单色光的比例，采用PWM调光方式控制驱动每一路LED单色光的输出，得到稳定的高光色品质的白光。
2.一种高光色品质的白光LED灯具，该白光LED灯具采用了如上述权利要求1所述的白光LED设计方法，其特征在于：包括外壳(1)、电源(4)及设置在外壳(1)内的LED模组(3)和控制电路模块(5)，其中所述LED模组(3)根据配光要求选取6-9种不同颜色的LED芯片组成，且所述LED模组(3)由控制电路模块(5)进行控制输出并通过约束方程组优化各LED单色光组成的比例，可连续输出色温在2000K-8500K的白光。
3.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED灯具，其特征在于：所述组成LED模组(3)的6-9种不同颜色的LED芯片是从三种蓝光LED芯片、两种绿光LED芯片、一种红光LED芯片和三种白光LED芯片这九种LED芯片中选取，且每种颜色的LED芯片可以是窄谱的LED单色芯片，也可以是添加了荧光粉后的宽谱LED芯片。
4.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED灯具，其特征在于：所述LED模组(3)设置有多个。
5.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED灯具，其特征在于：所述LED模组(3)中的每种LED芯片是通过PWM方式调节其输出功率，以实现太阳光谱的模拟。
6.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED灯具，其特征在于：所述LED模组(3)上设置有光学透镜(6)，且所述光学透镜(6)的前方设置有匀光板(2)。
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