CN108954041B - 一种led混光合成标准光源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED混光合成标准光源的方法，包括选取一冷白、一暖白以及除冷白、暖白之外的n‑2个LED发光芯片合成标准光源；通过在空间积分将选取的n个LED发光芯片的光谱混合来合成标准光源的光谱，确定混合光源光谱密度函数；通过间隔采样构造离散光谱密度函数矩阵，并进一步构造待求解的优化问题；求解优化问题，并将所求解的向量与离散光谱密度函数矩阵相乘，所得乘积为合成标准光源的光谱值。实施本发明，通过增加多个红、绿和蓝之间波段的中间部分光谱，用以增强光谱连续性并有效的提高显色指数，从而广泛适用于颜色测量、高端照明等领域。

Description

一种LED混光合成标准光源的方法
技术领域
本发明涉及LED光源技术领域，尤其涉及一种LED混光合成标准光源的方法。
背景技术
近年来，由美国能源部提出的对LED室内照明灯具的显色指数已经从过去的70提高到80以上，同时国内也对办公环境和酒店宾馆的LED灯具的显色性有了默认的指标，要求显色指数要达到80或者以上。
LED光源占领通用照明市场的态势已经慢慢明确，其中高显色性和高效率是LED光源光品质的关键指标。一些光源的光谱功率分布较为连续，含有各种波长的成份，在这种光源下物体的颜色能被真实的还原，此时物体的颜色与自然光下的颜色十分接近，因此这些光源显色性较好。另外有些光源光谱呈带状分布，光谱分布不均，例如高压汞灯，物体在这类光源下的颜色与自然光下的颜色差距较大，光源的显色性就较差。
在现有的灯光色温调节研究方案中，常见的方案有：(1)采用红光LED、绿光LED、蓝光LED通过合理搭配合成白色光的混光混色技术；(2)采用不同配比的红光、蓝光LED补偿带黄光荧光粉的白光LED的混合混色技术。
但是，上述两类混色形成得到的标准光源，缺乏红、绿和蓝之间波段的中间部分光谱，从而使得光谱不连续，显色指数偏低，导致在颜色测量领域的使用受限。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种LED混光合成标准光源的方法，通过增加多个红、绿和蓝之间波段的中间部分光谱，用以增强光谱连续性并有效的提高显色指数，从而广泛适用于颜色测量、高端照明等领域。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种LED混光合成标准光源的方法，包括以下步骤：
步骤S1、从预设的LED发光芯片库中，选取n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片、一冷白LED发光芯片以及一暖白LED发光芯片合成标准光源；n为大于3的正整数；其中，
所述标准光源通过多项式拟合的方式近似拟合出光谱密度函数的近似数学表达式为y(λ)；λ表示为波长；
所述冷白LED发光芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式 (1)中的冷白LED发光芯片的光谱密度函数sColdW(λ)；
Figure GDA0002440868810000021
式(1)中，αp,p＝1,2,…,N表示通过拟合获得的多项式系数，N表示为多项式阶数；
所述暖白LED芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式(2) 中的暖白LED发光芯片的光谱密度函数sWarmW(λ)；
Figure GDA0002440868810000022
式(2)中，βq,q ＝1,2,…,M表示通过拟合获得的多项式系数，M表示为多项式阶数；
所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片按照厂商给出的光谱密度函数中心波长的大小依次排列，得到各自对应的光谱密度函数分别为 si(λ),i＝1,2,…,n-2，并进行归一化后通过下式(3)中的高斯近似函数表示：
sj(λ)＝exp(-(λ-λj)2/2cj 2) (3)；
式(3)中，exp表示指数函数；j＝1,2,…,n-2；λj表示所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED发光芯片光谱高斯函数的中心位置；cj表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED 发光芯片光谱高斯函数的标准差；
步骤S2、通过在空间积分将选取的n个LED发光芯片的光谱混合来合成标准光源的光谱，且选取的n个LED发光芯片合成的光谱可视为各个LED光谱的线性叠加，则混合光源光谱密度函数
Figure GDA0002440868810000031
可如下式(3)表示：
Figure GDA0002440868810000032
式(3)中，W＝[w1,w2,…,wn-2,wColdW,wWarmW]表示为权值矩阵，wi,i＝1,2,…n-2表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第i个LED发光芯片的点亮权值；wColdW和wWarmW分别为冷白和暖白LED发光芯片的点亮权值； S＝[s1(λ),s2(λ),…,sn-2(λ),sColdW(λ),sWarmW(λ)]T表示为光谱密度函数矩阵，上标T表示矩阵转置运算；
步骤S3、记L为采样总数，将所述选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在波长范围380-780纳米内等间隔采样，构造如下式(4)中的离散光谱密度函数矩阵S1：
Figure GDA0002440868810000033
将所述标准光源的光谱密度函数的近似数学表达式y(λ)在波长范围为 380-780纳米内等L总长的间隔采样，获得其离散形式记为y1；
进而构造如下式(5)优化问题：
Figure GDA0002440868810000034
其中，
Figure GDA0002440868810000035
表示2范数；
步骤S4、采用预设的最陡下降法求解所述构造出的优化问题并获得求解向量
Figure GDA0002440868810000041
且进一步将所求解的向量
Figure GDA0002440868810000042
与离散光谱密度函数矩阵S1相乘，即可获得混光合成的标准光源的光谱值。
其中，所述除冷白和暖白之外的n-2个LED发光芯片为品蓝色LED发光芯片、蓝色LED发光芯片、绿色LED发光芯片、琥珀色LED发光芯片、黄色LED 发光芯片、红色LED发光芯片和橙色LED发光芯片之中一种或多种组合而成。
其中，在步骤S1之前，所述方法进一步包括：
预先选出各种颜色类型波长函数的LED发光芯片并进一步测出相应的光谱数据，且根据预先选出的LED发光芯片及其对应的光谱数据，建立LED发光芯片库；其中，所述LED发光芯片库中各LED发光芯片的光谱线性叠加覆盖波长范围应为380纳米至780纳米之间。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明采用多个不同光谱能量分布的类高斯形光谱函数LED发光芯片结合冷白LED发光芯片和暖白LED发光芯片构造混合光源光谱密度函数，并将该混合光源光谱密度函数分解成光谱密度函数矩阵和权重矩阵，通过高阶二次函数拟合混合光源光谱密度函数、光谱密度函数矩阵和权重矩阵形成目标函数，然后构造优化问题优化目标函数，得到多个不同光谱能量分布的LED发光芯片的新权值，进而混合出各种可有效出多种国际照明组织的标准光源，不仅通过增加多个红、绿和蓝之间波段的中间部分光谱(即引入了除冷白和暖白LED发光芯片之外的n-2个LED发光芯片)，增强了光谱连续性并有效的提高显色指数，从而可以广泛的适用于颜色测量、高端照明等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的LED混光合成标准光源的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的LED混光合成标准光源的方法中所选取的n个 LED发光芯片采用美国科锐Cree的各种颜色LED发光芯片归一化出射的光谱图；
图3为本发明实施例提供的LED混光合成标准光源的方法中产生的标准光源与传统D65光源光谱分布的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种LED混光合成标准光源的方法，包括以下步骤：
步骤S1、步骤S1、从预设的LED发光芯片库中，选取n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片、一冷白LED发光芯片以及一暖白LED发光芯片合成标准光源；n为大于3的正整数；其中，
所述标准光源通过多项式拟合的方式近似拟合出光谱密度函数的近似数学表达式为y(λ)；λ表示为波长；
所述冷白LED芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式(1) 中的冷白LED发光芯片的光谱密度函数sColdW(λ)；
Figure GDA0002440868810000051
式(1)中，αp,p＝1,2,…,N表示通过拟合获得的多项式系数，N表示为多项式阶数；
所述暖白LED芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式(2) 中的暖白LED发光芯片的光谱密度函数sWarmW(λ)；
Figure GDA0002440868810000052
式(2)中，βq,q＝1,2,…,M表示通过拟合获得的多项式系数，M表示为多项式阶数；
所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片按照厂商给出的光谱密度函数中心波长的大小依次排列，得到各自对应的光谱密度函数分别为 si(λ),i＝1,2,…,n-2，并进行归一化后通过下式(3)中的高斯近似函数表示：
sj(λ)＝exp(-(λ-λj)2/2cj 2) (3)；
式(3)中，exp表示指数函数；j＝1,2,…,n-2；λj表示所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED发光芯片光谱高斯函数的中心位置；cj表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED 发光芯片光谱高斯函数的标准差；
步骤S2、通过在空间积分将选取的n个LED发光芯片的光谱混合来合成标准光源的光谱，且选取的n个LED发光芯片合成的光谱可视为各个LED光谱的线性叠加，则混合光源光谱密度函数
Figure GDA0002440868810000061
可如下式(3)表示：
Figure GDA0002440868810000062
式(3)中，W＝[w1,w2,…,wn-2,wColdW,wWarmW]表示为权值矩阵，wi,i＝1,2,…n-2表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第i个LED发光芯片的点亮权值；wColdW和wWarmW分别为冷白LED发光芯片和暖白LED发光芯片的点亮权值；S＝[s1(λ),s2(λ),…,sn-2(λ),sColdW(λ),sWarmW(λ)]T表示为光谱密度函数矩阵，上标T表示矩阵转置运算；
步骤S3、记L为采样总数，将所述选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在波长范围380-780纳米内等间隔采样，构造如下式(4)中的离散光谱密度函数矩阵S1：
Figure GDA0002440868810000071
将所述标准光源的光谱密度函数的近似数学表达式y(λ)在波长范围为 380-780纳米内等L总长的间隔采样，获得其离散形式记为y1；
进而构造如下式(5)优化问题：
Figure GDA0002440868810000072
其中，
Figure GDA0002440868810000073
表示2范数；
步骤S4、采用预设的最陡下降法求解所述构造出的优化问题并获得求解向量
Figure GDA0002440868810000074
且进一步将所求解的向量
Figure GDA0002440868810000075
与离散光谱密度函数矩阵S1相乘，即可获得混光合成的标准光源的光谱值；
具体过程为，在步骤S1中，从现有市面上可购置的LED芯片中，预先选出各种颜色类型波长函数的LED发光芯片并进一步测出相应的光谱数据，且根据预先选出的LED发光芯片及其对应的光谱数据，建立LED发光芯片库；其中， LED发光芯片库中各LED发光芯片的光谱线性叠加覆盖波长范围应为380纳米至780纳米之间。
从上述LED发光芯片库中，如图2所示，选取一冷白LED发光芯片、一暖白LED发光芯片以及除冷白和暖白之外的颜色各异的n-2个LED发光芯片(间隔10-15nm)合成标准光源；n为大于3的正整数；应当说明的是，n-2个LED 发光芯片应该具备红、绿和蓝单色或混色。
根据上述LED发光芯片库中冷白LED芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合(建议采用MATLAB的Curve Fitting Toolbox工具或polyfit命令来获得)，得到式(1)中的冷白LED发光芯片的光谱密度函数sColdW(λ)。
根据上述LED发光芯片库中暖白LED芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合(建议采用MATLAB的Curve Fitting Toolbox工具或polyfit命令来获得)，得到式(2)中的暖白LED发光芯片的光谱密度函数。
将除冷白和暖白之外的n-2个LED发光芯片的光谱密度函数sj(λ)进行归一化，通过式(3)中的高斯近似函数表示。
记国际照明委员会所定义的某种标准光源光谱密度函数为，通过多项式拟合的方式近似拟合出该标准光源光谱密度函数的近似数学表达式y(λ)。
应当说明的是，根据LED发光机理复杂，其n个LED发光芯片光谱都是一高度非线性函数，且光辐射能量随着驱动电流的变化而变化。同时，由于冷白 LED发光芯片的光谱密度函数sColdW(λ)和暖白LED发光芯片的光谱密度函数 sWarmW(λ)会因二项式拟合阶次和方式的不同而略有变化，所以在选择多项式拟合时，尽可能使得函数曲线贴近厂商给出的光谱函数数据。
应当说明的是，除冷白和暖白之外的颜色各异的n-2个LED发光芯片的光谱密度函数，均按照厂商给出的光谱密度函数中心波长的大小依次排列，且n-2 个LED发光芯片中第j个LED发光芯片光谱高斯函数的标准差cj控制着LED 发光芯片光谱密度函数的高斯函数“钟”的宽度。其中，n-2个LED发光芯片为品蓝色LED发光芯片、蓝色LED发光芯片、绿色LED发光芯片、琥珀色LED 发光芯片、黄色LED发光芯片、红色LED发光芯片和橙色LED发光芯片之中一种或多种组合而成。
在步骤S2中，采用多个不同光谱能量分布的LED合成标准光谱，将合成系统视为一个多输入单输出(MISO)的非线性系统。考虑到LED是非相干光源，因此可在空间积分混合来合成光谱，多LED合成的光谱可视为各个LED光谱的线性叠加，则混合光源光谱密度函数以式(3)表示；
wi,i＝1,2,…n-2的取值范围在(0，1)之间；wColdW和wWarmW的取值范围也均在 (0，1)之间。
在步骤S3中，记L为采样总数，将所有光谱密度函数在波长范围380-780 纳米内等间隔采样，构造如式(4)中的离散光谱密度函数矩阵S1；
同理，将准光源的光谱密度函数的近似数学表达式y(λ)在波长范围为 380-780纳米内等L总长的间隔采样，获得其离散形式记为y1；
进而构造如式(5)优化问题。
在步骤S4中，采用成熟的最陡下降法求解该优化问题获得该优化问题的解
Figure GDA0002440868810000091
并将该向量与离散光谱密度函数矩阵S1相乘，即可获得混光LED标准光源的光谱值。
如图3所示，为本发明实施例中LED混光合成标准光源与D65光源光谱分布的对比图。国际照明委员会(CIE)定义的一系列色温的标准照明体光谱，和各种时相日光的相对光谱功率分布相近，其光谱数据主要基于相关科学家在不同地区、不同时间段的太阳光光谱进行测量分析。对于色温为6500K左右的照明环境，CIE优先推荐D65来进行模拟和比对。通过图2可以看出，本发明实施例中LED混光合成标准光源的光谱优于传统D65光源光谱的分布，光谱连续性更强并显色指数更佳。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明采用多个不同光谱能量分布的类高斯形光谱函数LED发光芯片结合冷白LED发光芯片和暖白LED发光芯片构造混合光源光谱密度函数，并将该混合光源光谱密度函数分解成光谱密度函数矩阵和权重矩阵，通过高阶二次函数拟合混合光源光谱密度函数、光谱密度函数矩阵和权重矩阵形成目标函数，然后构造优化问题优化目标函数，得到多个不同光谱能量分布的LED发光芯片的新权值，进而混合出各种可有效出多种国际照明组织的标准光源，不仅通过增加多个红、绿和蓝之间波段的中间部分光谱(即引入了除冷白和暖白LED发光芯片之外的n-2个LED发光芯片)，增强了光谱连续性并有效的提高显色指数，从而可以广泛的适用于颜色测量、高端照明等领域。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种LED混光合成标准光源的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、从预设的LED发光芯片库中，选取n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片、一冷白LED发光芯片以及一暖白LED发光芯片合成标准光源；n为大于3的正整数；其中，
所述标准光源通过多项式拟合的方式近似拟合出光谱密度函数的近似数学表达式为y(λ)；λ表示为波长；
所述冷白LED发光芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式(1)中的冷白LED发光芯片的光谱密度函数sColdW(λ)；
Figure FDA0002440868800000011
式(1)中，αp,p＝1,2,…,N表示通过拟合获得的多项式系数，N表示为多项式阶数；
所述暖白LED发光芯片的光谱函数数据点进行多项式近似拟合，得到下式(2)中的暖白LED发光芯片的光谱密度函数sWarmW(λ)；
Figure FDA0002440868800000012
式(2)中，βq,q ＝1,2,…,M表示通过拟合获得的多项式系数，M表示为多项式阶数；
所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片按照厂商给出的光谱密度函数中心波长的大小依次排列，得到各自对应的光谱密度函数分别为si(λ),i＝1,2,…,n-2，并进行归一化后通过下式(3)中的高斯近似函数表示：
sj(λ)＝exp(-(λ-λj)2/2cj 2) (3)；
式(3)中，exp表示指数函数；j＝1,2,…,n-2；λj表示所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED发光芯片光谱高斯函数的中心位置；cj表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第j个LED发光芯片光谱高斯函数的标准差；
步骤S2、通过在空间积分将选取的n个LED发光芯片的光谱混合来合成标准光源的光谱，且选取的n个LED发光芯片合成的光谱可视为各个LED光谱的线性叠加，则混合光源光谱密度函数
Figure FDA0002440868800000021
可如下式(3)表示：
Figure FDA0002440868800000022
式(3)中，W＝[w1,w2,…,wn-2,wColdW,wWarmW]表示为权值矩阵，wi,i＝1,2,…n-2表示为所述n-2个具有高斯形光谱密度函数的LED发光芯片中第i个LED发光芯片的点亮权值；wColdW和wWarmW分别为冷白LED发光芯片和暖白LED发光芯片的点亮权值；S＝[s1(λ),s2(λ),…,sn-2(λ),sColdW(λ),sWarmW(λ)]T表示为光谱密度函数矩阵，上标T表示矩阵转置运算；
步骤S3、记L为采样总数，将所述选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在波长范围380-780纳米内等间隔采样，构造如下式(4)中的离散光谱密度函数矩阵S1：
Figure FDA0002440868800000023
将所述标准光源的光谱密度函数的近似数学表达式y(λ)在波长范围为380-780纳米内等L总长的间隔采样，获得其离散形式记为y1；
进而构造如下式(5)优化问题：
Figure FDA0002440868800000024
其中，
Figure FDA0002440868800000025
表示2范数；
步骤S4、采用预设的最陡下降法求解所述构造出的优化问题并获得求解向量
Figure FDA0002440868800000031
且进一步将所求解的向量
Figure FDA0002440868800000032
与离散光谱密度函数矩阵S1相乘，即可获得混光合成的标准光源的光谱值。
2.如权利要求1所述的LED混光合成标准光源的方法，其特征在于，所述除冷白LED发光芯片和暖白LED发光芯片之外的n-2个LED发光芯片为品蓝色LED发光芯片、蓝色LED发光芯片、绿色LED发光芯片、琥珀色LED发光芯片、黄色LED发光芯片、红色LED发光芯片和橙色LED发光芯片之中一种或多种组合而成。
3.如权利要求1所述的LED混光合成标准光源的方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述方法进一步包括：
预先选出各种颜色类型波长函数的LED发光芯片并进一步测出相应的光谱数据，且根据预先选出的LED发光芯片及其对应的光谱数据，建立LED发光芯片库；其中，所述LED发光芯片库中各LED发光芯片的光谱线性叠加覆盖波长范围应为380纳米至780纳米之间。
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