CN109982478B - 白光发光二极管的调光方法 - Google Patents

白光发光二极管的调光方法 Download PDF

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焦飞
康香宁
党卫民
童玉珍
张国义
沈波
唐军
刘亚柱
齐胜利
潘尧波
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Abstract

本发明提供一种白光发光二极管的调光方法，所述方法包括：分别测量红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管在额定电流工作状态下单独发光的光谱功率；计算所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管的相对混光比例；根据所述相对混光比例，利用控制单元对所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管输出不同占空比的控制信号；其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。本发明制备出的白光发光二极管显色性高、蓝光危害低、同时可调节色温，满足在任何色温下都可得到显色性高且蓝光危害低的白光发光二极管。

Description

白光发光二极管的调光方法
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是一种白光发光二极管的调光方法。
背景技术
发光二极管(Light Emmiting Diode，简称LED)是一种由半导体材料所制成的元件，因为能将电能转换为光，所以属于一种微细的固态光源，不但具备体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快及耐震性特佳，且能配合轻、薄、短、小的设计需求，被普遍应用于日常生活的各式产品中。其中白光发光二极管在日常生活中更是极为常见，但是白光发光二极管的蓝光危害与显色性在现有市场上很难同步实现。根据国家标准《灯和灯系统的光生物安全性标准》(GB/T20145-2006)，短波长(约410nm-480nm)的光对人眼视网膜的危害较大，其中波长435nm-440nm波段的蓝光对视网膜的危害最大，因此主流的LED白光光源技术造成了蓝光危害的隐患，此外过滤光谱中的蓝光成分是降低蓝光危害常用的方法，但是这会影响照明白光对蓝色的色彩还原度，降低照明白光的显色性。
综上所述，针对白光发光二极管调光技术进行研究，解决现有技术中的缺点就成为了整个行业亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种白光发光二极管的调光方法，所述白光发光二极管的调光方法包括以下步骤：
分别测量红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管在额定电流工作状态下单独发光的光谱功率；
计算所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管的相对混光比例；
根据所述相对混光比例，利用控制单元对所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管输出不同占空比的控制信号；
其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
可选地，所述黄色发光二极管的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
可选地，所述蓝色发光二极管的峰值波长是介于425nm到455nm之间。
可选地，所述绿色发光二极管的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
可选地，所述控制单元耦合至一恒流源模块。
可选地，所述控制单元通过脉冲宽度调制法对所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管输出不同占空比的控制号。
可选地，所述红色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
可选地，所述黄色发光二极管的光半宽是介于80nm到100nm之间。
可选地，所述绿色发光二极管的光半宽是介于20nm到40nm之间。
可选地，所述蓝色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
如上所述，本发明的白光发光二极管的调光方法，具有以下有益效果例如：
利用本发明，可以有效的降低白光发光二极管的蓝光危害，避免白光发光二极管对人眼造成的伤害；利用本发明，显著的提高了白光发光二极管的显色性，使得白光发光二极管的显色效果更佳；利用本发明，还可以得到一种色温可调的白光发光二极管，满足在任何色温要求下都可以得到蓝光危害最低，显色性最好的白光发光二极管该电白光发光二极管的调光方法具有色温可调、高显色性、低蓝光危害的显著优点。
附图说明
图1显示为白光发光二极管的调光方法流程图。
图2显示为CIE-XYZ色品和黑体辐射色坐标图。
图3显示为本发明白光发光二极管的调光方法的调光电路图。
图4显示为350mA额定电流下，参与混光的红色发光二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及黄色发光二极管的绝对光谱图。
图5显示为2500K到8500K色温下控制单元对红色发光二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及黄色发光二极管的占空比值图。
图6显示为2500K到8500K色温下白光的一般显色指数Ra、色质指数CQS、蓝光危害辐射效率ηB的参数值图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。须知，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种上述白光发光二极管的调光方法，所述白光发光二极管的调光方法包括：
执行步骤S101，分别测量红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4在额定电流工作状态下单独发光的光谱功率；
执行步骤S102，计算所述红色发光二极管1、所述黄色发光二极管2、所述蓝色发光二极管3以及所述绿色发光二极管4的相对混光比例；
执行步骤S103，根据所述相对混光比例，利用控制单元5对所述红色发光二极管1、所述黄色发光二极管2、所述蓝色发光二极管3以及所述绿色发光二极管4输出不同占空比的控制信号；
其中，所述红色发光二极管1的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
作为示例，所述黄色发光二极管2的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
作为示例，所述蓝色发光二极管3的峰值波长是介于425nm到465nm之间。
作为示例，所述绿色发光二极管4的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
需要说明的是，如图2所示，在CIE-XYZ色品图中，发光二极管任意一种光的颜色均可用一坐标(x，y)表示，因此假设红色发光二极管1的红光色坐标为(XR,YR),黄色发光二极管2的黄光色坐标为(XY,YY),蓝色发光二极管3的蓝光色坐标为(XB,YB),绿色发光二极管4的绿光色坐标为(XG,YG)。根据色相加原理，所述白光发光二极管的色坐标(X,Y)一定在所述红色发光二极管1色坐标(XR,YR)、所述蓝色发光二极管3色坐标(XB,YB)以及所述绿色发光二极管4色坐标(XG,YG)构成的坐标构成的区域内。尤其是使用长波长的红光参与混光，可以显著的提高白光发光二极管的显色性，同时在保持显色性强的前提下有效的降低蓝光危害。
作为示例，所述红色发光二极管1的光半宽介于15nm到30nm之间。
作为示例，所述黄色发光二极管2的光半宽介于80nm到100nm之间。
作为示例，所述蓝色发光二极管3的光半宽介于15nm到30nm之间。
作为示例，所述绿色发光二极管4的光半宽介于20nm到40nm之间。
需要说明的是，半宽(halfwidth)是光的发光功率峰值二分之一处所对应的波长值之差，因此在上述三种颜色峰值波长范围内的单色光构成的色品图几乎覆盖了可见光的绝大多数颜色下，再再加上例如峰值波长560nm到600nm之间所述黄色发光二极管2，以及限定四基色光的半宽范围，可以显著的提高白光发光二极管的显色性，通过调节四基色的配比，可以使得白光发光二极管的白光实现色温调节范围大、显色性好、蓝光危害低等功效。
作为示例，所述相对混光比例的计算可采用如以下的方法进行计算：
在白光色温为一特定值T时，根据国家标准规定的一般显色指数Ra大于90的时候，白光满足最高显色性1A的等级要求，此时白光色坐标距离相同色温下黑体辐射色坐标的距离Duv等于0，基于此设红绿蓝黄四色发光二极管的相对混光配比比例为1：PG：PB：PY，则混合白光的光谱功率分布：
S(λ)＝SR(λ)+PGSG(λ)+PBSB(λ)+PYSY(λ)
计算某一色温T温度下的黑体辐射在可见光波段的光谱功率分布：
Figure GDA0003385386600000041
计算此光谱功率分布下的三刺激值XB、YB、ZB：
Figure GDA0003385386600000042
Figure GDA0003385386600000043
Figure GDA0003385386600000044
其中，Km为辐射量与光度量间的比例系数，是一常数值683lm/W，
Figure GDA0003385386600000045
是CIE1931标准色度观察者的光谱三刺激值。
计算光谱功率分布SB(λ)的色坐标(uB,vB)：
Figure GDA0003385386600000046
Figure GDA0003385386600000051
混合白光的光谱功率分布计算出的三刺激值X、Y、Z和色坐标(u，v)满足：
Figure GDA0003385386600000052
Figure GDA0003385386600000053
令混合白光的光谱功率分布S(λ)计算出的色坐标与温度下黑体辐射的色坐标(uB，vB)相等，即令u＝uB，v＝vB：
Figure GDA0003385386600000054
Figure GDA0003385386600000055
其中，S(λ)＝SR(λ)+pGSG(λ)+pBSB(λ)+pYSY(λ)
因此，上述方程组是关于pG、pB、pY三个变量的线性方程组。将pG、pB用pY表示，则整个混光优化问题中只有一个独立变量，对唯一一个独立变量进行优化，使混合白光光谱S(λ)的色质指数满足高显色性要求，并计算在此条件下，蓝光辐射效率最小时对应的pYm，再计算出相应的pGm、pBm，则红、黄、蓝、绿发光二极管相对混光配比为1：PGm：PBm：PYm。
作为示例，如图3所示，所述控制单元(例如单片机、数字信号处理器)5耦合至一恒流源模块6，所述恒流源模块6耦合至所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4，所述控制单元5通过脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)的方法利用所述恒流源模块6对所述红色发光二极管1、所述蓝色发光二极管3、所述绿色发光二极管4以及所述黄色发光二极管2输出不同占空比的控制信号以调节四种不同颜色发光二极管的通电频率，通过该调光电路，所述控制单元5可以控制所述红色发光二极管1、所述蓝色发光二极管3、所述绿色发光二极管4以及所述黄色发光二极管2的发光频率。
作为示例，当所述控制单元5通过PWM法利用所述恒流源模块6输出不同占空比的控制信号时，根据上述方法计算出的相对混光比例1：PGm：PBm：PYm，其中，相对混光比例最大的一种单色发光二极管的占空比定为100％。
作为示例，如图3所示，所述恒流源模块6的额定电流为350mA恒流源的输出模块，所述恒流源模块6设置有一正极和四个负极，所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4均设置有一正极和一个负极，所述恒流源模块6的四个负极分别耦合至所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4的负极，所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4的正极均耦合至所述恒流源模块6的正极，通过此电路，使得在对白光发光二极管调光的时候，所述恒流源模块6的四个负极可以分别单独控制，如果某一发光二极管正负极的电压相同，则该发光二极管不亮，如果正负极的电压不同，则该发光二极管正常发光。所述恒流源模块6耦合至所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4可以通过例如在PCB板上进行多LED布局的方式实现电性连接。
作为示例，改变色温值，重新计算特定峰值波长和半宽的四色发光二极管的相对混光比例，即可得到多种不同色温下的最优配比的白光发光二极管，既提高了显色性，又降低了蓝光危害，且满足色温可以调节的需求。
在一实施例中，所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4在额定电流值为350mA情况下的光谱功率如图4所示，其中红色发光二极管1的峰值波长为692nm，半宽为17.9nm；绿色发光二极管4的峰值波长为519nm，半宽为35.6nm；蓝色发光二极管3的峰值波长450nm，半宽19.5nm；黄色发光二极管2的峰值波长为590nm，半宽为89.8nm。在该实施例中，令白光发光二极管的白光色温为传统白织灯的色温2700K，并根据上述方法计算红、绿、蓝、黄四色发光二极管的相对混光配比。
根据该相对混光配比可得当白光色温为2700K时所述控制单元5利用所述恒流源模块6分别对所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4输出的占空比信号为，红光占空比100.00％，绿光占空比9.19％，蓝光占空比1.49％，黄光占空比22.18％。此时，白光发光二极管的显色指数Ra＝90.0，色质指数CQS＝91.5，白光色坐标距离相同色温下黑体辐射色坐标的距离Duv＝0，蓝光危害辐射效率ηB＝0.026。
在一实施例中，将白光发光二极管的色温设为冷白光照明的常见色温6500K，此时所述控制单元5利用所述恒流源模块6分别对所述红色发光二极管1、黄色发光二极管2、蓝色发光二极管3以及绿色发光二极管4输出的占空比信号为，红光占空比100.00％，绿光占空比58.25％，蓝光占空比21.38％，黄光占空比58.58％。此时，计算可得出白光发光二极管的Ra＝90.0，CQS＝89.3，Duv＝0，蓝光危害辐射效率ηB＝0.16。
将白光发光二极管的色温设为在2500K-8500K之间的值，四基色发光二极管占空比信号的值如图5所示，得到的白光发光二极管的白光参数Ra、CQS、ηB如图6所示。对比传统照明光源和使用特定峰值波长和半宽范围的红、黄、蓝、绿四基色LED混合白光，约2700K暖白光，常见照明光源白炽灯的约为0.05，四基色LED混合白光的约为0.026，比白炽灯下降约48％；约6500K冷白光，标准光源D65的约为0.20，荧光灯的约为0.27，四基色LED混合白光的约为0.16，比D65光源下降约20％，比荧光灯下降约40％。因此通过该技术方法得到的白光发光二极管及蓝光危害大大降低，同时显色指数Ra始终保持在1A级(Ra>90)上。
综上所述，本发明提供一种白光发光二极管的调光方法，利用本发明，使得白光发光二极管的蓝光危害大大降低，同时提高了白光发光二极管的显色性，此外，白光发光二极管的色温可调，实现了不同数值色温下的白光发光二极管依然具有低蓝光危害和高显色性的技术功效。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，包括：
分别测量红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管在额定电流工作状态下单独发光的光谱功率；
色发光二极管在额定电流工作状态下单独发光的光谱功率；
其中，在白光满足最高显色性1A的等级要求，此时白光色坐标距离相同色温下黑体辐射色坐标的距离Duv等于0，基于此设红绿蓝黄四色发光二极管的相对混光配比比例为1：PG：PB：PY，则混合白光的光谱功率分布：
S(λ)＝SR(λ)+PGSG(λ)+PBSB(λ)+PYSY(λ)
计算某一色温T温度下的黑体辐射在可见光波段的光谱功率分布：
Figure FDA0003385386590000011
计算所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管的相对混光比例；
计算上述光谱功率分布下的三刺激值XB、YB、ZB：
Figure FDA0003385386590000012
Figure FDA0003385386590000013
Figure FDA0003385386590000014
其中，Km为辐射量与光度量间的比例系数，是一常数值683lm/W，
Figure FDA0003385386590000015
Figure FDA0003385386590000016
是CIE1931标准色度观察者的光谱三刺激值；
计算光谱功率分布SB(λ)的色坐标(uB,vB)：
Figure FDA0003385386590000017
Figure FDA0003385386590000018
混合白光的光谱功率分布计算出的三刺激值X、Y、Z和色坐标(u，v)满足：
Figure FDA0003385386590000019
Figure FDA0003385386590000021
令混合白光的光谱功率分布S(λ)计算出的色坐标与温度下黑体辐射的色坐标(uB，vB)相等，即令u＝uB，v＝vB：
Figure FDA0003385386590000022
Figure FDA0003385386590000023
其中，S(λ)＝SR(λ)+pGSG(λ)+pBSB(λ)+pYSY(λ)
上述方程组是关于pG、pB、pY三个变量的线性方程组，将pG、pB用pY表示，则整个混光优化问题中只有一个独立变量，对唯一一个独立变量进行优化，使混合白光光谱S(λ)的色质指数满足高显色性要求，并计算在此条件下，蓝光辐射效率最小时对应的pYm，再计算出相应的pGm、pBm，则红、黄、蓝、绿发光二极管相对混光配比为1：PGm：PBm：PYm；
根据所述相对混光比例，利用控制单元对所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管输出不同占空比的控制信号；其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
2.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述黄色发光二极管的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述蓝色发光二极管的峰值波长是介于425nm到465nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述绿色发光二极管的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述控制单元耦合至一恒流源模块。
6.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述控制单元通过脉冲宽度调制法对所述红色发光二极管、所述黄色发光二极管、所述蓝色发光二极管以及所述绿色发光二极管输出不同占空比的控制号。
7.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述红色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
8.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述黄色发光二极管的光半宽是介于80nm到100nm之间。
9.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述绿色发光二极管的光半宽是介于20nm到40nm之间。
10.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光方法，其特征在于，所述蓝色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
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