CN110425436B - Led复合光源装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED复合光源装置及方法，包括单片机，显示屏，若干个按键，WIFI通信模块，灯板，设于灯板上的若干组灯珠，4个驱动电路，光谱仪，电脑和存储器；单片机分别与存储器、显示屏、WIFI通信模块、各个按键和各个驱动电路电连接，每组灯珠均包括红色LED灯珠、绿色LED灯珠、蓝色LED灯珠和琥珀色LED灯珠，4个驱动电路分别与每个红色LED灯珠、每个绿色LED灯珠、每个蓝色LED灯珠和每个琥珀色LED灯珠电连接，光谱仪分别与电脑和单片机电连接，WIFI通信模块与手机或电脑无线连接。本发明具有色温范围广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及LED灯技术领域，尤其是涉及一种色温范围广、显色指数高的LED复合光源装置及方法。
背景技术
日常生活中，空间的LED白光照明的色温是固定的，不能根据季节、时段、环境或个人喜好而改变，如夏季喜欢冷些色温光源，冬季喜欢暖些色温光源；或者简单根据三基色原理，采用三原色RGB(红绿兰)光源搭配合成白光，但此白光色温范围窄、显色指数低，因缺失黄光，低色温时对含偏红或偏黄成份的物品或人物色彩易失真。－些特定行业如电影、电视剧拍摄过程中，电影栅内场景中灯光的亮度、色温需随故事情节变化且要求显色性好不失真；若要求展示物品真实再现，则要求光源显色性高；常规的LED白光照明及三原色RGB(红绿兰)光源搭配合成白光，色温单一或色温范围窄、显色指数低(Ra≤90)，特别是对特定需求，存在R9(饱和红色)、R15(黄种人肤色)显色性更差。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的LED白光照明及三原色RGB(红绿兰)光源搭配合成白光时，色温单一或色温范围窄、显色指数低(Ra≤90)、存在R9(饱和红色)和R15(黄种人肤色)显色性差的不足，提供了一种色温范围广、显色指数高的LED复合光源装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种LED复合光源装置，包括单片机，显示屏，若干个按键，WIFI通信模块，灯板，设于灯板上的若干组灯珠，4个驱动电路，光谱仪，电脑和存储器；单片机分别与存储器、显示屏、WIFI通信模块、各个按键和各个驱动电路电连接，每组灯珠均包括红色LED灯珠、绿色LED灯珠、蓝色LED灯珠和琥珀色LED灯珠，4个驱动电路分别与每个红色LED灯珠、每个绿色LED灯珠、每个蓝色LED灯珠和每个琥珀色LED灯珠电连接，光谱仪分别与电脑和单片机电连接，WIFI通信模块与手机或电脑无线连接。
本发明选取4种LED光源，分别用R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)和A(琥珀色)表示，在CIE1931色彩空间中的坐标如图3所示。混合这4种光源，即可得到由它们组成的多边形中的所有颜色。
黑体轨迹是当黑体温度变化时白炽黑体的颜色在特定色度空间中所采用的路径或轨迹。它从低温下的深红色到橙色，黄白色，白色，最后在非常高的温度下呈蓝白色。如图3所示，多边形RGBA包含色温为1900k～10000k的所有点，因此混合后的光源可以达到同样的色温范围。
本发明增加了A(琥珀色)光源，可显色区域为色域图中RBGA围成的多边形，白光Tc(K)为多边形内色温线(1900K-10000K)，扩大了显色区域(1900K-2700K)，丰富了色域，同时因增加A琥珀色光源，可实现显色指数Ra从92提高到≥95；同时实现了R9(饱和红色)显色指数从60提高到≥90，R15(黄种人肤色)显色指数从30提高到≥97。
本发明使用恒流或脉冲宽度调制驱动方式，如果使用恒流驱动方式，调节亮度时不同的电流值会使LED的色坐标偏移。脉冲宽度调制驱动方式通过串联限流电阻实现，电流稳定性较差，还会降低效率。本发明使用恒流和脉冲宽度调制结合的闭环驱动方式，用恒定的电流值驱动LED可以防止电流变化引起的色坐标偏移，对恒定电流进行脉冲宽度调制调节亮度，闭环可以检测电流误差，提高精度。
为了提高颜色精度，分别采集LED灯板上每种LED的真实色坐标，并保存到非易失的存储器中，混光时使用采集到的真实色坐标参与混光运算。
作为优选，所述灯板上设有6个SMD数字温度传感器，各个SMD数字温度传感器均与单片机电连接。
为了减少LED本身的温度变化引起的颜色偏差，在灯板上集成温度传感器，实时监测LED的温度，对不同温度进行相应的偏差补偿。
因LED发光产生能量，形成本身环境的温度变化，由此引起LED发光体的颜色热漂移，造成产品质量不合格。因此，本发明的灯板采用整体铝基板，且铝基板与铝壳体采用导热剂紧密结合，金属充分导热，降低温升；另－方面在灯板上集成温度传感器，实时监测LED的环境温度，对温度进行相应的温差补偿，降低色温热漂移。
作为优选，6个SMD数字温度传感器被划分成2行，每行SMD数字温度传感器包括3个间隔排列的SMD数字温度传感器。
一种LED复合光源装置的方法，包括如下步骤：
(4-1)使各个LED灯珠均工作在额定工作电流下，使每个LED灯珠距离光谱仪的探头的中心点0.45m至0.7m处，光谱仪测量每个LED灯珠对应的色坐标(x，y)及光通量l，对于每个LED灯珠均测量四次并计算算术平均值，得到每个红色LED灯珠的光电参数x1，y1和l1；每个绿色LED灯珠的光电参数x2，y2和l2；每个蓝色LED灯珠的光电参数x3，y3和l3，每个琥珀色LED灯珠的光电参数x4，y4和l4，单片机将各个LED灯珠的光电参数均保存到存储器中；
(4-2)使用者通过电脑、手机或各个按键设定LED复合光源装置的目标色坐标(xm，ym)及光通量lm；
(4-3)在色坐标系中画出点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)；将点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)两两相连，得到四个三角形RGB、AGR、ABR和ABG；
(4-4)
(4-4-1)对于三角形RGB：
设定
(4-4-2)对于三角形AGR：
设定
(4-4-3)对于三角形ABR：
设定
(4-4-4)对于三角形ABG：
设定
(4-5)4个三角形一共得到3个l1′，3个l2′，3个l3′和3个l4′，单片机将3个l1′相加得到l1″，将3个l2′相加得到l2″，将3个l3′相加得到l3″，将3个l4′相加得到l4″；
(4-6)单片机利用如下公式计算光通量系数K：
lm＝K(l1×l1″+l2×l2″+l3×l3″+l4×l4″)，则每个红色LED灯珠的光通量为K×l1×l1″；每个绿色LED灯珠的光通量为K×l2×l2″；每个蓝色LED灯珠的光通量为K×l3×l3″，每个琥珀色LED灯珠的光通量为K×l4×l4″；
(4-7)单片机根据每个LED灯珠的光通量，控制输出的PWM信号的占空比，使每个LED灯珠发出的光达到对应光通量；
(4-8)所有LED灯珠发出的光的合成光源达到目标色坐标(xm，ym)及光通量lm。
作为优选，灯板上设有6个SMD数字温度传感器，各个SMD数字温度传感器均与单片机电连接；还包括如下步骤：
将每个红色LED灯珠的光通量替换为K×l1×l1″×f(t)；每个绿色LED灯珠的光通量替换为K×l2×l2″×f(t)；每个蓝色LED灯珠的光通量替换为K×l3×l3″×f(t)，每个琥珀色LED灯珠的光通量替换为K×l4×l4″×f(t)；
将6个SMD数字温度传感器检测的温度值进行排序，最小值和最大值分别设为Tmin、Tmax，第二大和第二小分别设为Tmax2、Tmin2，
剩余的两个温度值分别设为Tmid1和Tmid2，则灯板温度
其中，f(t)为光通量和温度值的关系函数，使用实验的方式求得，t在-25～60度范围变化时，f(t)的值在0.9～1.1范围内变化。
作为优选，x1的取值范围为0.6840-0.6990，y1的取值范围为0.2988-0.2994；红色LED灯珠所发出的光的峰值波长的取值范围为655nm-665nm，l1的取值范围为14.25lm-15.75lm；lm为亮度单位流明；
x2的取值范围为0.3516-0.3680，y2的取值范围为0.5708-0.5730；绿色LED灯珠所发出的光的峰值波长为525nm-635nm，l2的取值范围为123.5lm-136.5lm；
x3的取值范围为0.1413-0.1590，y3的取值范围为0.0267-0.0286；蓝色LED灯珠所发出的光的峰值波长445nm-453nm；l3的取值范围为14.25lm-15.75lm；
x4的取值范围为0.5955-0.6112，y4的取值范围为0.3806-0.3815；琥珀色LED灯珠所发出的光的峰值波长600nm-610nm；l4的取值范围为76lm-84lm。
因此，本发明具有如下有益效果：
选取4种LED光源，分别为R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)和A(琥珀色)，混合4种光源，得到组成的多边形中的所有颜色；多边形RGBA包含色温为1900k～10000k的所有点，因此混合后的光源可以达到同样的色温范围。
附图说明
图1是本发明的一种原理框图；
图2是本发明的驱动电路的一种电路图；
图3是本发明的一种色域图；
图4是本发明的4个三角形的结构示意图。
图中：单片机1、显示屏2、按键3、WIFI通信模块4、灯板5、驱动电路6、光谱仪7、电脑8、存储器9、SMD数字温度传感器10、红色LED灯珠51、绿色LED灯珠52、蓝色LED灯珠53、琥珀色LED灯珠54。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2所示的实施例是一种LED复合光源装置，包括单片机1，显示屏2，多个按键3，WIFI通信模块4，灯板5，设于灯板上的多组灯珠，4个驱动电路6，光谱仪7，电脑8和存储器9；单片机分别与存储器、显示屏、WIFI通信模块、各个按键和各个驱动电路电连接，每组灯珠均包括红色LED灯珠51、绿色LED灯珠52、蓝色LED灯珠53和琥珀色LED灯珠54，4个驱动电路分别与每个红色LED灯珠、每个绿色LED灯珠、每个蓝色LED灯珠和每个琥珀色LED灯珠电连接，光谱仪分别与电脑和单片机电连接，WIFI通信模块与手机或电脑无线连接。灯板上设有6个SMD数字温度传感器10，各个SMD数字温度传感器均与单片机电连接。
6个SMD数字温度传感器被划分成2行，每行SMD数字温度传感器包括3个间隔排列的SMD数字温度传感器。
一种LED复合光源装置的方法，包括如下步骤：
(4-1)使各个LED灯珠均工作在额定工作电流下，使每个LED灯珠距离光谱仪的探头的中心点0.45m至0.7m处，光谱仪测量每个LED灯珠对应的色坐标(x，y)及光通量l，对于每个LED灯珠均测量四次并计算算术平均值，得到每个红色LED灯珠的光电参数x1，y1和l1；每个绿色LED灯珠的光电参数x2，y2和l2；每个蓝色LED灯珠的光电参数x3，y3和l3，每个琥珀色LED灯珠的光电参数x4，y4和l4，单片机将各个LED灯珠的光电参数均保存到存储器中；
(4-2)使用者通过电脑、手机或各个按键设定LED复合光源装置的目标色坐标(xm，ym)及光通量lm；
(4-3)在如图3、图4所示的色坐标系中画出点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)；将点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)两两相连，得到四个三角形RGB、AGR、ABR和ABG；图3的色域图中Tc(k)为显色指数Ra＝100的白光色温线(1500K-10000K)，色温线中斜线为等色温线显色指数，交叉点为最大值显色指数Ra＝100；本发明采用RGBA，增加A(琥珀色)光源，可显色区域为为色域图中RBGA围成多边形，白光Tc(K)为多边形内色温线(1900K-10000K)，扩大了显色区域(1900K-2700K)，丰富了色域，同时因增加A琥珀色光源，可实现显色指数Ra从92提高到≥95；同时实现了R9(饱和红色)显色指数从60提高到≥90，R15(黄种人肤色)显色指数从30提高到≥97。
(4-4)
(4-4-1)对于三角形RGB：
设定
(4-4-2)对于三角形AGR：
设定
(4-4-3)对于三角形ABR：
设定
(4-4-4)对于三角形ABG：
设定
(4-5)4个三角形一共得到3个l1′，3个l2′，3个l3′和3个l4′，将3个l1′相加得到l1″，将3个l2′相加得到l2″，单片机将3个l3′相加得到l3″，将3个l4′相加得到l4″；
(4-6)单片机利用如下公式计算光通量系数K：
lm＝K(l1×l1″+l2×l2″+l3×l3″+l4×l4″)，则每个红色LED灯珠的光通量为K×l1×l1″；每个绿色LED灯珠的光通量为K×l2×l2″；每个蓝色LED灯珠的光通量为K×l3×l3″，每个琥珀色LED灯珠的光通量为K×l4×l4″；
(4-7)单片机根据每个LED灯珠的光通量，控制输出的PWM信号的占空比，使每个LED灯珠发出的光达到对应光通量；
(4-8)所有LED灯珠发出的光的合成光源达到目标色坐标(xm，ym)及光通量lm。
还包括如下步骤：
将每个红色LED灯珠的光通量替换为K×l1×l1″×f(t)；每个绿色LED灯珠的光通量替换为K×l2×l2″×f(t)；每个蓝色LED灯珠的光通量替换为K×l3×l3″×f(t)，每个琥珀色LED灯珠的光通量替换为K×l4×l4″×f(t)；
将6个SMD数字温度传感器检测的温度值进行排序，最小值和最大值分别设为Tmin、Tmax，第二大和第二小分别设为Tmax2、Tmin2，
剩余的两个温度值分别设为Tmid1和Tmid2，则灯板温度
其中，f(t)为光通量和温度值的关系函数，使用实验的方式求得，t在-25～60度范围变化时，f(t)的值在0.9～1.1范围内变化。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种LED复合光源装置，其特征是，包括单片机(1)，显示屏(2)，若干个按键(3)，WIFI通信模块(4)，灯板(5)，设于灯板上的若干组灯珠，4个驱动电路(6)，光谱仪(7)，电脑(8)和存储器(9)；单片机分别与存储器、显示屏、WIFI通信模块、各个按键和各个驱动电路电连接，每组灯珠均包括红色LED灯珠(51)、绿色LED灯珠(52)、蓝色LED灯珠(53)和琥珀色LED灯珠(54)，4个驱动电路分别与每个红色LED灯珠、每个绿色LED灯珠、每个蓝色LED灯珠和每个琥珀色LED灯珠电连接，光谱仪分别与电脑和单片机电连接，WIFI通信模块与手机或电脑无线连接；
装置使用如下方法，所述方法包括如下步骤：
(4-1)使各个LED灯珠均工作在额定工作电流下，使每个LED灯珠距离光谱仪的探头的中心点0.45m至0.7m处，光谱仪测量每个LED灯珠对应的色坐标(x，y)及光通量l，对于每个LED灯珠均测量四次并计算算术平均值，得到每个红色LED灯珠的光电参数x1，y1和l1；每个绿色LED灯珠的光电参数x2，y2和l2；每个蓝色LED灯珠的光电参数x3，y3和l3，每个琥珀色LED灯珠的光电参数x4，y4和l4，单片机将各个LED灯珠的光电参数均保存到存储器中；
(4-2)使用者通过电脑、手机或各个按键设定LED复合光源装置的目标色坐标(xm，ym)及光通量lm；
(4-3)在色坐标系中画出点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)；将点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)两两相连，得到四个三角形RGB、AGR、ABR和ABG；
(4-4)
(4-4-1)对于三角形RGB：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l2′和l3′的值；
(4-4-2)对于三角形AGR：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l2′和l4′的值；
(4-4-3)对于三角形ABR：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l4′和l3′的值；
(4-4-4)对于三角形ABG：
设定
取l2′＝1；单片机计算出l4′和l3′的值；
(4-5)4个三角形一共得到3个l1′，3个l2′，3个l3′和3个l4′，将3个l1′相加得到l1″，单片机将3个l2′相加得到l2″，将3个l3′相加得到l3″，将3个l4′相加得到l4″；
(4-6)单片机利用如下公式计算光通量系数K：
lm＝K(l1×l1″+l2×l2″+l3×l3″+l4×l4″)，则每个红色LED灯珠的光通量为K×l1×l1″；每个绿色LED灯珠的光通量为K×l2×l2″；每个蓝色LED灯珠的光通量为K×l3×l3″，每个琥珀色LED灯珠的光通量为K×l4×l4″；
(4-7)单片机根据每个LED灯珠的光通量，控制输出的PWM信号的占空比，使每个LED灯珠发出的光达到对应光通量；
(4-8)所有LED灯珠发出的光的合成光源达到目标色坐标(xm，ym)及光通量lm。
2.根据权利要求1所述的LED复合光源装置，其特征是，所述灯板上设有6个SMD数字温度传感器(10)，各个SMD数字温度传感器均与单片机电连接。
3.根据权利要求2所述的LED复合光源装置，其特征是，6个SMD数字温度传感器被划分成2行，每行SMD数字温度传感器均包括3个间隔排列的SMD数字温度传感器。
4.一种基于权利要求1所述的LED复合光源装置的方法，其特征是，包括如下步骤：
(4-1)使各个LED灯珠均工作在额定工作电流下，使每个LED灯珠距离光谱仪的探头的中心点0.45m至0.7m处，光谱仪测量每个LED灯珠对应的色坐标(x，y)及光通量l，对于每个LED灯珠均测量四次并计算算术平均值，得到每个红色LED灯珠的光电参数x1，y1和l1；每个绿色LED灯珠的光电参数x2，y2和l2；每个蓝色LED灯珠的光电参数x3，y3和l3，每个琥珀色LED灯珠的光电参数x4，y4和l4，单片机将各个LED灯珠的光电参数均保存到存储器中；
(4-2)使用者通过电脑、手机或各个按键设定LED复合光源装置的目标色坐标(xm，ym)及光通量lm；
(4-3)在色坐标系中画出点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)；将点R(x1，y1)，G(x2，y2)，B(x3，y3)和A(x4，y4)两两相连，得到四个三角形RGB、AGR、ABR和ABG；
(4-4)
(4-4-1)对于三角形RGB：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l2′和l3′的值；
(4-4-2)对于三角形AGR：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l2′和l4′的值；
(4-4-3)对于三角形ABR：
设定
取l1′＝1；单片机计算出l4′和l3′的值；
(4-4-4)对于三角形ABG：
设定
取l2′＝1；单片机计算出l4′和l3′的值；
(4-5)4个三角形一共得到3个l1′，3个l2′，3个l3′和3个l4′，将3个l1′相加得到l1″，单片机将3个l2′相加得到l2″，将3个l3′相加得到l3″，将3个l4′相加得到l4″；
(4-6)单片机利用如下公式计算光通量系数K：
lm＝K(l1×l1″+l2×l2″+l3×l3″+l4×l4″)，则每个红色LED灯珠的光通量为K×l1×l1″；每个绿色LED灯珠的光通量为K×l2×l2″；每个蓝色LED灯珠的光通量为K×l3×l3″，每个琥珀色LED灯珠的光通量为K×l4×l4″；
(4-7)单片机根据每个LED灯珠的光通量，控制输出的PWM信号的占空比，使每个LED灯珠发出的光达到对应光通量；
(4-8)所有LED灯珠发出的光的合成光源达到目标色坐标(xm，ym)及光通量lm。
5.根据权利要求4所述的LED复合光源装置的方法，灯板上设有6个SMD数字温度传感器，各个SMD数字温度传感器均与单片机电连接；其特征是，还包括如下步骤：
将每个红色LED灯珠的光通量替换为K×l1×l1″×f(t)；每个绿色LED灯珠的光通量替换为K×l2×l2″×f(t)；每个蓝色LED灯珠的光通量替换为K×l3×l3″×f(t)，每个琥珀色LED灯珠的光通量替换为K×l4×l4″×f(t)；
将6个SMD数字温度传感器检测的温度值进行排序，最小值和最大值分别设为Tmin、Tmax，第二大和第二小分别设为Tmax2、Tmin2，
剩余的两个温度值分别设为Tmid1和Tmid2，则灯板温度
其中，f(t)为光通量和温度值的关系函数，使用实验的方式求得，t在-25～60度范围变化时，f(t)的值在0.9～1.1范围内变化。
6.根据权利要求4所述的LED复合光源装置的方法，其特征是，x1的取值范围为0.6840-0.6990，y1的取值范围为0.2988-0.2994；红色LED灯珠所发出的光的峰值波长的取值范围为655nm-665nm，l1的取值范围为14.25lm-15.75lm；lm为亮度单位流明；
x2的取值范围为0.3516-0.3680，y2的取值范围为0.5708-0.5730；绿色LED灯珠所发出的光的峰值波长为525nm-635nm，l2的取值范围为123.5lm-136.5lm；
x3的取值范围为0.1413-0.1590，y3的取值范围为0.0267-0.0286；蓝色LED灯珠所发出的光的峰值波长445nm-453nm；l3的取值范围为14.25lm-15.75lm；
x4的取值范围为0.5955-0.6112，y4的取值范围为0.3806-0.3815；琥珀色LED灯珠所发出的光的峰值波长600nm-610nm；l4的取值范围为76lm-84lm。
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