CN106604447B - 一种led灯珠的光谱合成方法及系统 - Google Patents

一种led灯珠的光谱合成方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种LED灯珠的光谱合成方法及系统，所述光谱合成方法包括以下步骤：步骤S1，输入LED灯珠中各个灯珠的光谱特性；步骤S2，根据目标光谱的光谱特性以及各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比；步骤S3，通过控制器驱动并控制LED灯珠中各个灯珠的发光元器件的正向电流强度，以获得与目标光谱的光谱特性一致的合成光。本发明根据目标光谱计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比，进而可以通过给LED灯珠的各个灯珠施加相对应强度的正向电流，以模拟出目标光谱；因此，能够快速地使用现有LED灯珠输出需要的目标光谱，成本低，周期短，进而很好地拓展了LED灯珠的用途，满足用户的个性化需求。

Description

一种LED灯珠的光谱合成方法及系统
技术领域
本发明涉及一种光谱合成方法，尤其涉及一种LED灯珠的光谱合成方法。
背景技术
目前市场上常见的RGB和RGBW类LED灯珠，在一个灯珠内集成了R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠，即集成了红、绿、蓝、白等多种发光LED的发光元器件，各发光元器件的光谱特点各不相同，如图2所示。
现有的量产LED灯珠中一般有固定的光谱特点。但是在某些照明场景下会对光谱提出特殊的需要，例如植物生长照明需要在某些光谱频段进行增强；目前对这类特殊的需求，只能通过灯珠生产厂商，以定制灯珠或者通过多个灯珠进行合成的方式来满足，这种方式存在一些缺陷：一是实现周期长；二是定制生产或多个灯珠合成的成本非常高；三是只能固定满足一种光谱频段的需求，不能灵活变更。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够快速、低成本地使用现有LED灯珠输出目标光谱的LED灯珠的光谱合成方法，进而拓展LED灯珠的用途。
对此，本发明提供一种LED灯珠的光谱合成方法，包括以下步骤：
步骤S1，输入LED灯珠中各个灯珠的光谱特性；
步骤S2，根据目标光谱的光谱特性以及各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比；
步骤S3，通过控制器驱动并控制LED灯珠中各个灯珠的发光元器件的正向电流强度，以获得与目标光谱的光谱特性一致的合成光。
本发明的进一步改进在于，所述LED灯珠中的各个灯珠包括R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠，所述各个灯珠的正向电流强度百分比为[Pr,Pg,Pb,Pw]。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，将光谱波长分布在380纳米到780纳米的区间内的目标光谱划分为401个计算区间，得到目标光谱的频段输出值T[0....400]，然后对目标光谱的频段输出值T[0...400]进行归一化至[0...1]的取值范围内，其中，计算区间的划分梯度为1纳米；
步骤S202，对各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算：
步骤S203，根据轮询计算各个灯珠的光谱输出强度，使得各个灯珠的光谱输出强度相加后得到目标光谱的光谱强度O[0...400]的值；
步骤S204，将目标光谱的光谱强度O[0...400]的值归一化到[0...1]区间。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2还包括以下子步骤：
步骤S205，计算各个灯珠的光谱输出强度的总输出值，将总输出值与目标光谱的最低输出总值L比较，判断其总输出值是否满足最小输出条件，直到得到总输出值满足最小输出条件的结果，则计算方差和D，方差和D为目标光谱的频段输出值T[0...400]与目标光谱的光谱强度O[0...400]之间的方差之和；
步骤S206，循环完成各个灯珠的发光元器件的光谱输出强度的轮询计算，查找已计算的最小方差和D的值，然后输出最小方差和D对应的[Pr,Pg,Pb,Pw]以及目标光谱O[0...400]。
本发明的进一步改进在于，在选定LED灯珠中各个灯珠后，所述步骤S2中，运行到步骤S204之后，将各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]和目标光谱O[0...400]的值记录至预计算数据组文件中。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S205中，循环从预计算数据组文件中读取各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]的值，计算各个灯珠的总输出值，将各个灯珠的总输出值与目标光谱的最低输出总值L进行比较，直到总输出值符合目标光谱的最低输出总值L的条件，则读取对应的每个通道的输出并计算方差和D。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S206中，将方差和D与当前的方差和列表进行比较，保留最小的方差和的记录，直到完成循环读取和计算，获取最小方差和D的值。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S3中，控制器通过恒流驱动电路驱动LED灯珠中各个灯珠的发光元器件，进而控制各个灯珠的发光元器件的正向电流强度。
本发明的进一步改进在于，步骤S202，对各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算中通过矩阵计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]，所述矩阵为
本发明还提供一种LED灯珠的光谱合成系统，采用了如上所述的LED灯珠的光谱合成方法，并包括控制器、恒流驱动电路和LED灯珠，所述控制器通过恒流驱动电路连接至所述LED灯珠的各个灯珠驱动端。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：根据目标光谱的光谱特性以及LED灯珠各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比，进而可以通过给LED灯珠的各个灯珠施加相对应强度的正向电流，以实现模拟出目标光谱；因此，本发明能够快速地使用现有LED灯珠输出需要的目标光谱，成本低，周期短，进而很好地拓展了LED灯珠的用途，满足用户的个性化需求。
附图说明
图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；
图2是现有技术中LED灯珠的光谱特点仿真示意图；
图3是本发明另一种实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本例提供一种LED灯珠的光谱合成方法，包括以下步骤：
步骤S1，输入LED灯珠中各个灯珠的光谱特性，所述LED灯珠中各个灯珠的光谱特性可以通过光谱分析仪或是其他方式得到，LED灯珠中各个灯珠的光谱特点仿真示意图如图2所示；
步骤S2，根据目标光谱的光谱特性以及各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比；
步骤S3，通过控制器驱动并控制LED灯珠中各个灯珠的发光元器件的正向电流强度，以获得与目标光谱的光谱特性一致的合成光。
本例所述LED灯珠中的各个灯珠包括R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠，即包括红色发光元器件、绿色发光元器件、蓝色发光元器件和白色发光元器件；所述各个灯珠的正向电流强度百分比为[Pr,Pg,Pb,Pw]。
因为LED灯珠的输出光谱强度与其各个灯珠上所施加的正向电流强度呈正比关系，而整个LED灯珠的综合输出光谱强度等于其中所包含的各个灯珠的所有发光器件的光谱输出之和；因此，可以通过给RGB以及RGBW类的LED灯珠内的多个发光器件施加不同强度的正向电流，进而实现模拟出需要的目标光谱的目的。本例以RGBW类的LED灯珠为例对所述光谱合成方法进行说明，在实际应用中，RGB类的LED灯珠也可以用同样原理的光谱合成方法来实现输出目标光谱的合成光。
由于，可见光的光谱波长分布在380纳米到780纳米的区间内，因此，本例以1纳米为单位，可以目标光谱划分为401个计算区间。
本例所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，将光谱波长分布在380纳米到780纳米的区间内的目标光谱划分为401个计算区间，得到目标光谱的频段输出值T[0....400]，然后对目标光谱的频段输出值T[0...400]进行归一化至[0...1]的取值范围内，其中，计算区间的划分梯度为1纳米；
步骤S202，对各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算：
步骤S203，根据轮询计算各个灯珠的光谱输出强度，使得各个灯珠的光谱输出强度相加后得到目标光谱的光谱强度O[0...400]的值；
步骤S204，将目标光谱的光谱强度O[0...400]的值归一化到[0...1]区间。
以Rn、Gn、Bn、Wn分别代表R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠的发光元器件在第n个区间的最大光谱强度，n为0～400的自然数；以On代表目标光谱在第n个区间的光谱强度；以Pr、Pg、Pb和Pw分别代表R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠的发光元器件的正向电流强度百分比，则可以通过矩阵计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]，所述矩阵为
因此，如果给定RGBW类的LED灯珠及其各个灯珠的光谱特性，对于特殊光谱输出需求[O0,O1,...,O400]，可以通过对上述矩阵方程进行求解，找到一个合适的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]组合，使得上述矩阵右侧的计算输出等于左侧的目标光谱的光谱强度即可。
但是，在实际应用中，有可能受限于特定RGBW灯珠的光谱特性及目标输出光谱的需求，可能难以找到上述矩阵非常完美的最优解，因此，本例通过找到该矩阵的近似最优解，所述近似最优解指的是实际输出的光谱强度与目标光谱强度在所有频段上方差之和最小的解。那么，对任意一组[Pr,Pg,Pb,Pw]组合，对应的输出光谱为目标光谱的频段输出值[T0,T0,...,T400]，所述步骤S2还包括以下子步骤，进而计算得到该矩阵的近似最优解：
步骤S205，计算各个灯珠的光谱输出强度的总输出值，将总输出值与目标光谱的最低输出总值L比较，判断其总输出值是否满足最小输出条件，直到得到总输出值满足最小输出条件的结果，则计算方差和D，方差和D为目标光谱的频段输出值T[0...400]与目标光谱的光谱强度O[0...400]之间的方差之和；
步骤S206，循环完成各个灯珠的发光元器件的光谱输出强度的轮询计算，查找已计算的最小方差和D的值，然后输出最小方差和D对应的[Pr,Pg,Pb,Pw]以及目标光谱O[0...400]。
也就是说，在实际应用中，如果受限于特定RGBW灯珠的光谱特性及目标光谱的输出需求，得不到上述矩阵的最优解，则可以通过找到方差和D最小的[Pr,Pg,Pb,Pw]的组合，进而得到该矩阵的近似最优解；然后以[Pr,Pg,Pb,Pw]这个组合的电流驱动RGBW灯珠发光，就可以获得最接近目标光谱的输出。
本例所述步骤S205中，循环从预计算数据组文件中读取各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]的值，计算各个灯珠的总输出值，将各个灯珠的总输出值与目标光谱的最低输出总值L进行比较，直到总输出值符合目标光谱的最低输出总值L的条件，则读取对应的每个通道的输出并计算方差和D。所述步骤S206中，将方差和D与当前的方差和列表进行比较，保留最小的方差和的记录，直到完成循环读取和计算，获取最小方差和D的值。
值得一提的是，在选定LED灯珠中各个灯珠后，所述步骤S2中，运行到步骤S204之后，将各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]和目标光谱O[0...400]的值记录至预计算数据组文件中。这样设置的原因在于，能够有效减少每次计算矩阵最优解或是近似最优解所需的时间，因为实际中只要LED灯珠一旦确定，其输出的光谱特性就已经确定，因此在实现中可以通过预计算数据组文件的方式来减少单次计算量。
也就是说，可以设置一个预计算程度，输入的是R[0...400]、G[0...400]、B[0...400]以及W[0...400]，即输入各个灯珠在所有光谱频段的输出；输出的是预计算数组文件。而所述预计算程度得到预计算数据组文件的过程如下：对[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算：根据Px计算各个灯珠的发光元器件的光谱输出强度，x为自然数，使得相加后得到O[0...400]的值；将O[0..400]的值归一化到[0...1]区间；将得到的[Pr,Pg,Pb,Pw]和O[0...400]的记录值写入到预计算数组文件中；循环直到完成预计算过程。
本例所述步骤S3中，控制器通过恒流驱动电路驱动LED灯珠中各个灯珠的发光元器件，进而控制各个灯珠的发光元器件的正向电流强度。
实施例2：
如图3所示，本例还提供一种LED灯珠的光谱合成系统，采用了如实施例1所述的LED灯珠的光谱合成方法，并包括控制器1、恒流驱动电路2和LED灯珠3，所述控制器1通过恒流驱动电路2连接至所述LED灯珠3的各个灯珠驱动端。图3中，所述控制器1优选为MCU或是单片机，DRV为恒流驱动电路2，所述LED灯珠3通过R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠来表示。
本例根据目标光谱的光谱特性以及LED灯珠各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比，进而可以通过给LED灯珠的各个灯珠施加相对应强度的正向电流，以实现模拟出目标光谱；因此，本发明能够快速地使用现有LED灯珠输出需要的目标光谱，成本低，周期短，进而很好地拓展了LED灯珠的用途，满足用户的个性化需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，输入LED灯珠中各个灯珠的光谱特性；
步骤S2，根据目标光谱的光谱特性以及各个灯珠的光谱特性计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比；
步骤S3，通过控制器驱动并控制LED灯珠中各个灯珠的发光元器件的正向电流强度，以获得与目标光谱的光谱特性一致的合成光；
所述LED灯珠中的各个灯珠包括R灯珠、G灯珠、B灯珠和W灯珠，所述各个灯珠的正向电流强度百分比为[Pr,Pg,Pb,Pw]；
所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，将光谱波长分布在380纳米到780纳米的区间内的目标光谱划分为401个计算区间，得到目标光谱的频段输出值T[0....400]，然后对目标光谱的频段输出值T[0...400]进行归一化至[0...1]的取值范围内，其中，计算区间的划分梯度为1纳米；
步骤S202，对各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算；
步骤S203，根据轮询计算各个灯珠的光谱输出强度，使得各个灯珠的光谱输出强度相加后得到目标光谱的光谱强度O[0...400]的值；
步骤S204，将目标光谱的光谱强度O[0...400]的值归一化到[0...1]区间。
2.根据权利要求1所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下子步骤：
步骤S205，计算各个灯珠的光谱输出强度的总输出值，将总输出值与目标光谱的最低输出总值L比较，判断其总输出值是否满足最小输出条件，直到得到总输出值满足最小输出条件的结果，则计算方差和D，方差和D为目标光谱的频段输出值T[0...400]与目标光谱的光谱强度O[0...400]之间的方差之和；
步骤S206，循环完成各个灯珠的发光元器件的光谱输出强度的轮询计算，查找已计算的最小方差和D的值，然后输出最小方差和D对应的[Pr,Pg,Pb,Pw]以及目标光谱O[0...400]。
3.根据权利要求2所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，在选定LED灯珠中各个灯珠后，所述步骤S2中，运行到步骤S204之后，将各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]和目标光谱O[0...400]的值记录至预计算数据组文件中。
4.根据权利要求3所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，所述步骤S205中，循环从预计算数据组文件中读取各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]的值，计算各个灯珠的总输出值，将各个灯珠的总输出值与目标光谱的最低输出总值L进行比较，直到总输出值符合目标光谱的最低输出总值L的条件，则读取对应的每个通道的输出并计算方差和D。
5.根据权利要求3所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，所述步骤S206中，将方差和D与当前的方差和列表进行比较，保留最小的方差和的记录，直到完成循环读取和计算，获取最小方差和D的值。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，所述步骤S3中，控制器通过恒流驱动电路驱动LED灯珠中各个灯珠的发光元器件，进而控制各个灯珠的发光元器件的正向电流强度。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的LED灯珠的光谱合成方法，其特征在于，步骤S202，对各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]进行从0％到100％的轮询计算中通过矩阵计算得到各个灯珠的正向电流强度百分比[Pr,Pg,Pb,Pw]，所述矩阵为
8.一种LED灯珠的光谱合成系统，其特征在于，采用了如权利要求1至7任意一项所述的LED灯珠的光谱合成方法，并包括控制器、恒流驱动电路和LED灯珠，所述控制器通过恒流驱动电路连接至所述LED灯珠的各个灯珠驱动端。
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