CN108954042A - 一种大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法，包括从预设的LED发光芯片库中，选取n个光谱相异的LED发光芯片合成照明光源；确定第k个混合光源光谱密度函数，并构建无约束优化模型，且进一步对无约束优化模型进行迭代优化求解，得到最终的权值估计值；根据最终解的权值估计值，计算出照明光源调整的光谱值。实施本发明，既能提高显色指数，又能使得混合后的光谱与目标光谱曲线尽可能靠近，达到光谱精确可调的目的。

Description

一种大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法

技术领域

本发明涉及LED光源技术领域，尤其涉及一种大范围光谱精度可调的照明 光源的合成方法。

背景技术

LED的应用已经越来越广泛，在各个不同的领域都可以发现LED的身影。 从移动电话、电脑等小型液晶显示器的背光照明，到广场、车站等公共场所的 大型动态显示屏幕，从商场、公司等普通室内照明，到煤矿、隧道灯特殊场合 的特种照明，从酒吧、博物馆等地方的多彩性照明，到汽车上的各个部门的照 明，LED在不断地深入到各个场合，发挥其重要作用。

LED具有谱线窄、在工作电压范围内发光亮度与正向电流近似成正比、响 应速度快和体积小的特点，使其非常适合于混光使用。LED色彩丰富，理论上 仅用LED光源就能完全覆盖国际照明组织(CIE)色度曲线中的所有饱和颜色。 光源的评价指标除了色温外，还有显色性。显色性是指光源的光照射到物体上 所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度。物体所呈现的颜色是其表面 反射自己的主色调的结果，也是它吸收了照射光线其他色彩所致。当我们评价 光源影响物体颜色的显现程度时，会不自觉地把该光源的颜色显现与能使物体 呈现“真实”颜色的参照光进行比较。这个使用最广泛的参照光源就是中午的日 光。显色性高的光源对颜色的表现较好，所见到的颜色就越接近自然色；显色 性低的光源对颜色的表现性差，所看到的颜色偏差也较大。

一般人工照明光源用显色指数Ra作为显色性的评价指标。实现LED光源 的色温可调的方法主要有：(1)采用红、绿、蓝三基色LED进行混光，具有调 光范围广、能实现白光的精确控制等优点，但存在显色指数较低的缺点；(2) 通过多种不同光谱LED合成光源，虽然调光范围大，显色指数高，但是还存在 精度不高的缺点。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种大范围光谱精度可调的 照明光源的合成方法，既能提高显色指数，又能使得混合后的光谱与目标光谱 曲线尽可能靠近，达到光谱精确可调的目的。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种大范围光谱精度可调的 照明光源的合成方法，包括以下步骤：

步骤S1、从预设的LED发光芯片库中，选取n个光谱相异的LED发光芯 片合成照明光源；n为大于1的正整数；其中，

所选取的n个光谱相异的LED发光芯片按照厂商预先给出的光谱密度函数 中心波长的大小依次排列后，得到各自对应的光谱密度函数分别为s_i(k)；其中， i＝1,2,…,n；k＝1,2,…,N，k表示第k个离散波长点；N为总的离散点个数，N为 正整数；

所述照明光源光谱密度函数的波长与发光功率谱序列为向量y，y的元素由 y(k)组成；

步骤S2、将第k个离散波长点的照明光源的光谱视为所选取的n个光谱相 异的LED发光芯片的光谱在该点线性叠加，则确定第k个混合光源光谱密度函 数(λ)如下式(1)表示为：

式(1)中，w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T表示为权值矩阵，w_i,i＝1,2,…n表示为所选取的 n个LED发光芯片的点亮权值，上标T表示矩阵转置运算；λ表示为波长；

s(k)＝[s₁(k),s₂(k),…,s_n(k)]表示为第k个离散波长点的光谱密度函数矩阵， k＝1,2,…,N；将选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在N个波长离散点的 功率以此法构造后，可得如下式(2)中的n行N列的离散光谱密度函数矩阵S；

步骤S3、构建如下式(3)中的无约束优化模型：

式(3)中，y的元素由组成；γ可以取任意实数，且γ∈(0,2]；q为 正常数；

步骤S4、设置q＝2，得到如下式(4)中的性能函数：

步骤S5、令将所述性能函数J(w)对w分别计算一 阶导数和二阶导数，得到如下式(5)中的一阶导数和如下式(6)中的二阶导 数；

式(5)和式(6)中，I为单位矩阵；

步骤S6、由于所选取的n个LED发光芯片光谱相异，故s满秩易得以满足， 则s^TDs+γI必然保证是正定的。令一阶导数等于0，可 得唯一解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty；然后通过计算即可获得所需的照明光源；

步骤S7、为迭代获得权值w估计值，设计迭代算法获得权值向量的估计值 具体为：

定义p^k＝w^k-1-w^k作为J(w)的下降方向，构造一个线性搜索方法 w^k+1＝w^k+η^kp^k；其中，η^k初始值设置为1；

迭代算法步骤如下：

步骤S7.1、初始化常数γ＝1，k＝1，权值初始值w⁰为单位向量，给定目标光 谱数据向量y；

步骤S7.2、计算求解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty，获得第1次迭代时的权值向量w¹， 并设置η^k＝1；

步骤S7.3、计算w^k+1＝w^k+η^k(w^k-1-w^k)，如果k＞400或J(w^k)＞J(w^k+1)，进入 步骤S7.5；否则，进入步骤S7.4；

步骤S7.4、更新返回步骤S7.3；

步骤S7.5、令k＝k+1，重新计算y^k＝s^Tw^k，回到步骤S7.2，直到算法收敛， 得到最终的权值估计值

步骤S8、通过计算计算出所述照明光源调整的光谱值。

其中，所选取的n个光谱相异的LED发光芯片有15个，以同心圆排布的 方式设置在铝基板上形成照明光源；其中，

所述15个LED发光芯片在铝基板上设置为内环6颗，外环9颗，且各LED 发光芯片的光谱峰值间隔以10-20纳米。

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830纳米之间。

其中，在步骤S8之后，所述方法进一步包括：

将所得到的最终的权值估计值通过计算机软件发送串口、USB或无线方 式发送给驱动电路板控制LED芯片的亮度从0-100％进行调整，获得所述照明光 源的最终亮度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明采用光谱相异的多个LED发光芯片的光谱密度函数来构造一个带惩 罚项的无约束优化模型，并设计循环计算寻优方法获得各LED发光芯片的发光 权值，通过最优求解的发光权值来调节合成的照明光源的光谱，使得该调节后 的照明光源的光谱与目标光谱曲线尽可能靠近，不仅显色指数高，还能达到光 谱精确可调的目的。

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大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法的 流程；

图2为本发明实施例提供的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法中 步骤S1的LED发光芯片合成照明光源的应用场景图；

图3为本发明实施例提供的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法中 步骤S4的性能函数在不同q值时w空间的曲面图及等高线图；

图4为本发明实施例提供的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法中 产生的照明光源与目标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，提出的一种大范围光谱精度可调的照明 光源的合成方法，包括以下步骤：

步骤S1、从预设的LED发光芯片库中，选取n个光谱相异的LED发光芯 片合成照明光源；n为大于1的正整数；其中，

所选取的n个光谱相异的LED发光芯片按照厂商预先给出的光谱密度函数 中心波长的大小依次排列后，得到各自对应的光谱密度函数分别为s_i(k)；其中， i＝1,2,…,n；k＝1,2,…,N，k表示第k个离散波长点；N为总的离散点个数，N为 正整数；

所述照明光源光谱密度函数的波长与发光功率谱序列为向量y，y的元素由 y(k)组成；

步骤S2、将第k个离散波长点的照明光源的光谱视为所选取的n个光谱相 异的LED发光芯片的光谱在该点线性叠加，则确定第k个混合光源光谱密度函 数如下式(1)表示为：

式(1)中，w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T表示为权值矩阵，w_i,i＝1,2,…n表示为所选取的 n个LED发光芯片的点亮权值，上标T表示矩阵转置运算；λ表示为波长；

s(k)＝[s₁(k),s₂(k),…,s_n(k)]表示为第k个离散波长点的光谱密度函数矩阵， k＝1,2,…,N；将选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在N个波长离散点的 功率以此法构造后，可得如下式(2)中的n行N列的离散光谱密度函数矩阵S；

步骤S3、构建如下式(3)中的无约束优化模型：

式(3)中，y的元素由组成；γ可以取任意实数，且γ∈(0,2]；q为 正常数；

步骤S4、设置q＝2，得到如下式(4)中的性能函数：

步骤S5、令将所述性能函数J(w)对w分别计算一 阶导数和二阶导数，得到如下式(5)中的一阶导数和如下式(6)中的二阶导 数；

式(5)和式(6)中，I为单位矩阵；

步骤S6、由于所选取的n个LED发光芯片光谱相异，故s满秩易得以满足， 则s^TDs+γI必然保证是正定的。令一阶导数等于0，可 得唯一解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty；然后通过计算即可获得所需的照明光源；

步骤S7、为迭代获得权值w估计值，设计迭代算法获得权值向量的估计值 具体为：

定义p^k＝w^k-1-w^k作为J(w)的下降方向，构造一个线性搜索方法 w^k+1＝w^k+η^kp^k；其中，η^k初始值设置为1；

迭代算法步骤如下：

步骤S7.1、初始化常数γ＝1，k＝1，权值初始值w⁰为单位向量，给定目标光 谱数据向量y；

步骤S7.2、计算求解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty，获得第1次迭代时的权值向量w¹， 并设置η^k＝1；

步骤S7.3、计算w^k+1＝w^k+η^k(w^k-1-w^k)，如果k＞400或J(w^k)＞J(w^k+1)，进入 步骤S7.5；否则，进入步骤S7.4；

步骤S7.4、更新返回步骤S7.3；

步骤S7.5、令k＝k+1，重新计算y^k＝s^Tw^k，回到步骤S7.2，直到算法收敛， 得到最终的权值估计值

步骤S8、通过计算计算出所述照明光源调整的光谱值。

具体过程为，在步骤S1之前，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830纳米之间。

所选取的n个光谱相异的LED发光芯片按照厂商预先给出的光谱密度函数 中心波长的大小依次排列后，得到各自对应的光谱密度函数分别为s_i(k)；其中， i＝1,2,…,n；k＝1,2,…,N，k表示第k个离散波长点；N为总的离散点个数，N为 正整数；照明光源光谱密度函数的波长与发光功率谱序列为向量y，y的元素由 y(k)组成；

在一个实施例中，如图2所示，所选取的n个光谱相异的LED发光芯片有 15个，以同心圆排布的方式设置在铝基板上形成照明光源；其中，15个LED 发光芯片在铝基板上设置为内环6颗，外环9颗，且各LED发光芯片的光谱峰 值间隔以10-20纳米。

在步骤S2中，将第k个离散波长点的多LED合成的光谱可视为各个LED 光谱的在该点线性叠加，从而得到第k个混合光源光谱密度函数同时将 所有LED光谱密度函数在N个波长离散点的功率以此法构造后可得n行N列的 离散光谱密度函数矩阵S₁。

在步骤S3中，为精确获得权值向量，根据脊回归模型构造式(3)中的无 约束最优化问题；式(3)中的最优的γ值可以确定最佳脊回归模型，γ可以取 任意实数，q为正常数，γ≥0，它控制着对超出误差的样本的惩罚程度，它的取 值过小或过大，均会使得系统的泛化能力变差，本发明中优选采用γ∈(0,2]。

在步骤S4中，设置q＝2，将式(3)中的无约束最优化问题转换成式(4) 中的性能函数。如图3所示，根据不同q值，得到性能函数在不同q值时w空间 的曲面图及等高线图。

在步骤S5中，对式(4)中的性能函数进行求导，包括一阶求导和二阶求 导。

在步骤S6中，由于本发明实施例中不会采用相同光谱的两个或多个LED 发光芯片，故s满秩易得以满足，则s^TDs+γI必然保证是正定的。通过令式(5) 中一阶导数为0，求得唯一解，然后计算获得所需要目标光谱的照明光源。

在步骤S7中，通过具体的迭代算法获得权值向量的估计值

在步骤S8中，利用迭代算法获得权值向量的估计值计算出照明光源调 整的光谱值，并在步骤S8之后，将所得到的最终的权值估计值通过计算机软 件发送串口、USB或无线方式发送给驱动电路板控制LED芯片的亮度从0-100％ 进行调整，获得照明光源的最终亮度。

如图4所示，本发明实施例提供的大范围光谱精度可调的照明光源的合成 方法中产生的照明光源与目标光源光谱分布的对比图。通过图2可以看出，本 发明实施例中合成的照明光源的光谱具有光谱范围广，调节精度高的优点。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明采用光谱相异的多个LED发光芯片的光谱密度函数来构造一个带惩 罚项的无约束优化模型，并设计循环计算寻优方法获得各LED发光芯片的发光 权值，通过最优求解的发光权值来调节合成的照明光源的光谱，使得该调节后 的照明光源的光谱与目标光谱曲线尽可能靠近，不仅显色指数高，还能达到光 谱精确可调的目的。

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 (4)

1.一种大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法，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个光谱相异的LED发光芯片合成照明光源；n为大于1的正整数；其中，

所选取的n个光谱相异的LED发光芯片按照厂商预先给出的光谱密度函数中心波长的大小依次排列后，得到各自对应的光谱密度函数分别为s_i(k)；其中，i＝1,2,…,n；k＝1,2,…,N，k表示第k个离散波长点；N为总的离散点个数，N为正整数；

所述照明光源光谱密度函数的波长与发光功率谱序列为向量y，y的元素由y(k)组成；

步骤S2、将第k个离散波长点的照明光源的光谱视为所选取的n个光谱相异的LED发光芯片的光谱在该点线性叠加，则确定第k个混合光源光谱密度函数如下式(1)表示为：

式(1)中，w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T表示为权值矩阵，w_i,i＝1,2,…n表示为所选取的n个LED发光芯片的点亮权值，上标T表示矩阵转置运算；λ表示为波长；

s(k)＝[s₁(k),s₂(k),…,s_n(k)]表示为第k个离散波长点的光谱密度函数矩阵，k＝1,2,…,N；将选取的n个LED发光芯片的光谱密度函数在N个波长离散点的功率以此法构造后，可得如下式(2)中的n行N列的离散光谱密度函数矩阵S；

步骤S3、构建如下式(3)中的无约束优化模型：

式(3)中，y的元素由组成；γ可以取任意实数，且γ∈(0,2]；q为正常数；

步骤S4、设置q＝2，得到如下式(4)中的性能函数：

步骤S5、令将所述性能函数J(w)对w分别计算一阶导数和二阶导数，得到如下式(5)中的一阶导数和如下式(6)中的二阶导数；

式(5)和式(6)中，I为单位矩阵；

步骤S6、由于所选取的n个LED发光芯片光谱相异，故s满秩易得以满足，则s^TDs+γI必然保证是正定的；令一阶导数等于0，可得唯一解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty；然后通过计算即可获得所需的照明光源；

步骤S7、为迭代获得权值w估计值，设计迭代算法获得权值向量的估计值具体为：

定义p^k＝w^k-1-w^k作为J(w)的下降方向，构造一个线性搜索方法w^k+1＝w^k+η^kp^k；其中，η^k初始值设置为1；

迭代算法步骤如下：

步骤S7.1、初始化常数γ＝1，k＝1，权值初始值w⁰为单位向量，给定目标光谱数据向量y；

步骤S7.2、计算求解w＝(s^TDs+γI)^-1ys^Ty，获得第1次迭代时的权值向量w¹，并设置η^k＝1；

步骤S7.3、计算w^k+1＝w^k+η^k(w^k-1-w^k)，如果k＞400或J(w^k)＞J(w^k+1)，进入步骤S7.5；否则，进入步骤S7.4；

步骤S7.4、更新返回步骤S7.3；

步骤S7.5、令k＝k+1，重新计算y^k＝s^Tw^k，回到步骤S7.2，直到算法收敛，得到最终的权值估计值

步骤S8、通过计算计算出所述照明光源调整的光谱值。

2.如权利要求1所述的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法，其特征在于，所选取的n个光谱相异的LED发光芯片有15个，以同心圆排布的方式设置在铝基板上形成照明光源；其中，

所述15个LED发光芯片在铝基板上设置为内环6颗，外环9颗，且各LED发光芯片的光谱峰值间隔以10-20纳米。

3.如权利要求1所述的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法，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830纳米之间。

4.如权利要求1所述的大范围光谱精度可调的照明光源的合成方法，其特征在于，在步骤S8之后，所述方法进一步包括：

将所得到的最终的权值估计值通过计算机软件发送串口、USB或无线方式发送给驱动电路板控制LED芯片的亮度从0-100％进行调整，获得所述照明光源的最终亮度。