CN110708797B - 一种用于三色led光源的精确调光方法及系统 - Google Patents

一种用于三色led光源的精确调光方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种用于三色LED光源的精确调光方法及系统，设定目标光色的色品和亮度，其中色品被表示为CIE 1931色品坐标，亮度可以为绝对亮度值和相对亮度值；利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在LED光源控制信号范围内进行采样，进一步利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并由此建立定标数据；由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；利用归一化亮度匹配系数和定标样本通过三次样条插值计算各色LED的控制信号值，并作进一步修正防止超出控制信号值范围，由此实现设定的目标光色，所述方法允许接收多种表示形式的目标光色，并实现其精确匹配，达到精确调光之目的。

Description

一种用于三色LED光源的精确调光方法及系统
技术领域
本公开涉及LED照明技术领域，具体涉及一种用于三色LED光源的精确调光方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
当前，通过LED产生白光的技术主要有两种类型：一是蓝光芯片激发黄色荧光粉产生白光，二是组合多种光色的芯片产生白光。前者是当前最为常用且应用最为广泛的白光产生方法，但无法实现光色的调节，难以满足当前智能照明和动态照明的技术发展需求。后者的典型代表是组合三种光色的LED芯片构成三色LED光源，通过调光方法改变各LED芯片的控制信号来实现光色的随意变化。然而，已有的三色LED光源调光方法往往假定LED芯片的发光特性与控制信号之间满足线性关系，造成较大的调光误差。而且，现有的调光方法一般要求目标光色的亮度只能为绝对亮度或者相对亮度，严重限制了其应用范围。因此，为满足当前智能照明和动态照明的技术发展需求，针对三色LED光源，提供一种精确的调光方法具有十分重要实际意义。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种用于三色LED光源的精确调光方法及系统，通过设定目标光色的亮度和色品，建立定标数据以及计算归一化亮度匹配系数，以此确定LED调光的控制信号值，解决LED光源的发光特性与控制信号之间的非线性关系问题，并克服目标光色的亮度只能为绝对亮度或者相对亮度之不足，本公开允许接收多种表示形式的目标光色，并实现其精确匹配，达到精确调光之目的。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种用于三色LED光源的精确调光方法，包括：
获取目标光色的亮度和色品；
利用光谱辐射计测量三色LED光源中各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在三色LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算各色LED的控制信号值；
根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配。
作为可能的一些实现方式，所述定标数据的建立包括：
利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值；
根据三色LED光源控制信号的取值范围以一定间隔进行采样，建立控制信号样本；
利用光谱辐射计测量各控制信号样本处各色LED的绝对三刺激值；
根据色度学原理，利用各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值和在各控制信号样本处的绝对三刺激值计算各色LED的亮度系数；
利用控制信号样本与亮度系数建立定标数据。
作为可能的一些实现方式，所述归一化亮度匹配系数的计算包括：
若目标光色的亮度Lt为绝对亮度，则将其与目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(1)中，计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure BDA0002243119470000031
式中，L1、L2、L3为三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数。
作为可能的一些实现方式，若目标光色的亮度Lt为相对亮度，则将目标光色的CIE1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(2)中，计算三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数，并进一步将其与目标光色的亮度Lt代入式(3)中，计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure BDA0002243119470000032
式中，L1,0、L2,0、L3,0为三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数；
Figure BDA0002243119470000041
式中，L1、L2、L3为三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数，Max(·)表示求最大值。
第二方面，本公开提供一种用于三色LED光源的精确调光系统，包括：
数据采集模块，其用于获取目标光色的亮度和色品；
定标数据建立模块，其用于利用光谱辐射计测量三色LED光源中各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在三色LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
亮度匹配系数计算模块，其用于由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
控制信号值计算模块，其用于利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算各色LED的控制信号值；
调节模块，其用于根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配。
第三方面，本公开提供一种三色LED灯照明系统，包括三色LED灯以及调光控制器，
所述控制器用于实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤，得到各色LED的控制信号值，控制三色LED灯光色的调节；
所述三色LED灯用于接收控制器的控制信号值，完成LED光色的调节。
第四方面，本公开提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤。
第五方面，本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开有效解决了LED光源的发光特性与控制信号之间存在的非线性关系问题，同时克服了目标光色的亮度只能为绝对亮度或者相对亮度之不足；
本公开所述方法允许接收多种表示形式的目标光色，并实现其精确匹配，达到精确调光之目的；
同时，本公开可显著降低定标样本测量量并减少测量时间，能够为实现智能照明和动态照明提供一种切实有效的调光方法。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开一种用于三色LED光源的精确调光方法流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本实施例采用的三色LED光源由红、绿、蓝三种颜色的LED构成，并采用PWM数字调光方式进行调光控制，对应的控制信号值范围为0～255。需要说明的是，本公开并不局限于实施例中所采用的LED光源种类和调光方式。
本公开提供一种用于三色LED光源的精确调光方法，包括：
S1：获取目标光色的亮度和色品，并将目标光色的色品转换为CIE 1931色品坐标；
S2：利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
S3：由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
S4：利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算三色LED的控制信号值；
S5：根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配。
所述步骤S1中，目标光色的亮度Lt可以为绝对亮度值和相对亮度值两者中的任意一种表示形式；本实施例将目标光色亮度选取为绝对亮度，并设定为200cd/m2；
目标光色的色品可以是CIE 1931色品坐标、相关色温、相关色温和Duv、CIE1960UCS色品坐标、CIE 1976UCS色品坐标五种表示形式中的任意一种，并将这五种表示形式分别记为(xt，yt)、Tt、(Tt，Duvt)、(ut，vt)、(u't，v't)，Duv表示偏离黑体轨迹的距离，且位于黑体轨迹上方为正值，位于黑体轨迹下方为负值；若设定的色品不是CIE 1931色品坐标，需要将其转换为CIE 1931色品坐标；
具体转换方法如下：
若目标色品为相关色温，则依据Tt的大小选择对应温度的黑体辐射体或对应相关色温的CIE日光照明体作为目标色品，即当Tt<5000K时，选择温度为Tt的黑体辐射体的CIE1931色品坐标(xt，yt)作为目标色品，而当Tt≥5000K时，选择相关色温为Tt的CIE日光照明体的CIE 1931色品坐标(xt，yt)作为目标色品；
若目标色品为相关色温和Duv，则依据色度学原理将(Tt，Duvt)转换为CIE 1931色品坐标(xt，yt)；
若目标色品为CIE 1960UCS色品坐标或CIE 1976UCS色品坐标，则需将(ut，vt)和(u't，v't)分别代入式(1)和式(2)计算其对应的目标CIE 1931色品坐标(xt，yt)，
Figure BDA0002243119470000081
Figure BDA0002243119470000082
取相关色温2700K作为目标色品，根据所述转换方法，可获得其对应的CIE1931色品坐标为(0.4599，0.4106)。
所述步骤S2定标数据的建立具体包括以下步骤：
S201：利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，分别记为(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)；具体测量数据分别为(201.0900，85.3050，0.1340)、(31.9980，151.0500，30.6000)、(99.7360，52.1140，611.8800)；
S202：根据LED光源控制信号的取值范围以一定间隔进行采样，建立控制信号样本，记为di，表示第i个控制信号值样本；
本实施例采用间隔为16进行采样，需要说明的是，本公开并不局限于实施例所采用的这一采样间隔，无论是等间隔采样还是非等间隔采样均适用本公开，采样间隔取决于所采用的LED光源的光色响应特性；
S203：利用光谱辐射计测量步骤S202中各控制信号样本处三色LED光源的绝对三刺激值，记为(Xi，Yi，Zi)；
S204：根据色度学原理，将步骤S201中的绝对三刺激值和步骤S203中各控制信号样本处的绝对三刺激值代入式(3)计算各色LED的亮度系数，分别记为L1,i、L2,i、L3,i；
Figure BDA0002243119470000091
式中，L1,i、L2,i、L3,i表示控制信号值为di时各色LED的亮度系数。
S205：利用步骤S202中控制信号样本di与步骤S204中的亮度系数L1,i、L2,i、L3,i建立定标数据。
所述步骤S3归一化亮度匹配系数的计算具体包括以下步骤：
S301：若目标光色的亮度Lt为绝对亮度，则将其与目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及步骤S201中的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)一起代入式(4)；
Figure BDA0002243119470000092
式中，L1、L2、L3为三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
若目标光色的Lt为相对亮度，则将目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)和步骤S201中的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(5)；
Figure BDA0002243119470000093
式中，L1,0、L2,0、L3,0为三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数；
S302：若步骤S101中的Lt为绝对亮度，则对式(4)进行求解获得各色LED的归一化亮度匹配系数L1、L2、L3；
若步骤S101中的Lt为相对亮度，则对式(5)进行求解获得各色LED的初始亮度匹配系数L1,0、L2,0、L3,0，并将其代入式(6)进一步计算获得归一化亮度匹配系数L1、L2、L3；
Figure BDA0002243119470000101
式中，Max(·)表示求最大值。
由于实施例设定的目标光色亮度为绝对亮度，故对式(4)进行求解，计算出的归一化亮度匹配系数分别为0.9609、0.7590、0.0649。
所述步骤S4还可包括，判断三色LED的控制信号值是否超出了控制信号值的取值范围，若超出则对控制信号值作进一步修正；
所述步骤S4控制信号值的确定具体包括以下步骤：
S401：利用步骤S205建立的定标数据和步骤S302确定的归一化亮度匹配系数L1＝0.9609、L2＝0.7590、L3＝0.0649代入式(7)计算三色LED的控制信号值dt,1、dt,2、dt,3；
Figure BDA0002243119470000102
式中，spline(·)表示执行三次样条插值，计算出的控制信号值分别为249、224、73；
S402：判断步骤S401中的dt,1、dt,2、dt,3是否超出了控制信号值的取值范围，若超出则通过式(8)作进一步修正；
Figure BDA0002243119470000103
式中，dmin和dmax分别是控制信号值的最小值和最大值，在本实施例中其取值分别为0和255；显然，步骤S401中的249、224、73均未超出控制信号值的取值范围，故249、224、73为用于实现实施中目标光色的最终控制信号值，将其点亮LED即可实现步骤S1设定的目标光色。
实施例2
本公开提供一种用于三色LED光源的精确调光系统，包括：
数据采集模块，其用于获取目标光色的亮度和色品；
定标数据建立模块，其用于利用光谱辐射计测量三色LED光源中各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在三色LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
亮度匹配系数计算模块，其用于由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
控制信号值计算模块，其用于利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算各色LED的控制信号值；
调节模块，其用于根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配。
所述定标数据建立模块中：
利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值；
根据三色LED光源控制信号的取值范围以一定间隔进行采样，建立控制信号样本；
利用光谱辐射计测量各控制信号样本处各色LED的绝对三刺激值；
根据色度学原理，利用各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值和在各控制信号样本处的绝对三刺激值计算各色LED的亮度系数；
利用控制信号样本与亮度系数建立定标数据。
实施例3
本公开提供一种三色LED灯照明系统，包括三色LED灯以及调光控制器，
所述控制器用于实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤，得到各色LED的控制信号值，控制三色LED灯光色的调节；
所述三色LED灯用于接收控制器的控制信号值，完成LED光色的调节。
实施例4
本公开提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤。
实施例5
本公开提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现一种用于三色LED光源的精确调光方法所述的步骤。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种用于三色LED光源的精确调光方法，其特征在于，包括：
获取目标光色的亮度和色品；
利用光谱辐射计测量三色LED光源中各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在三色LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算各色LED的控制信号值；
根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配；
所述建立定标数据包括：
利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，分别记为(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)；
根据三色LED光源控制信号的取值范围以一定间隔进行采样，建立控制信号样本，记为di，表示第i个控制信号值样本；
利用光谱辐射计测量各控制信号样本处各色LED的绝对三刺激值，记为(Xi，Yi，Zi)；
根据色度学原理，利用各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值和在各控制信号样本处的绝对三刺激值代入式(1)计算控制信号值为di时各色LED的亮度系数，分别记为L1,i、L2,i、L3,i；
Figure FDA0002863343320000021
利用控制信号样本与亮度系数建立定标数据；
所述计算归一化亮度匹配系数包括：
若目标光色的亮度Lt为绝对亮度，则将其与目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(2)中，计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure FDA0002863343320000022
若目标光色的亮度Lt为相对亮度，则将目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(3)中，计算三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数，并进一步将其与目标光色的亮度Lt代入式(4)中计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure FDA0002863343320000023
Figure FDA0002863343320000024
其中，L1,0、L2,0、L3,0为三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数；L1、L2、L3为三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数，Max(·)表示求最大值。
2.如权利要求1所述的一种用于三色LED光源的精确调光方法，其特征在于，
所述目标光色的亮度为绝对亮度值和相对亮度值两者中的任意一种；
所述目标光色的色品为CIE 1931色品坐标、相关色温、相关色温和Duv、CIE 1960UCS色品坐标、CIE 1976UCS色品坐标中的任意一种，Duv表示偏离黑体轨迹的距离，且位于黑体轨迹上方为正值，位于黑体轨迹下方为负值，并将非CIE 1931色品坐标的目标光色的色品转换为CIE 1931色品坐标。
3.一种用于三色LED光源的精确调光系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，其用于获取目标光色的亮度和色品；
定标数据建立模块，其用于利用光谱辐射计测量三色LED光源中各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，同时在三色LED光源控制信号范围内进行采样，建立控制信号样本，利用光谱辐射计测量其绝对三刺激值，并基于此建立定标数据；
亮度匹配系数计算模块，其用于由目标光色的色品坐标和亮度以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值计算归一化亮度匹配系数；
控制信号值计算模块，其用于利用建立的定标数据和归一化亮度匹配系数通过三次样条插值计算的方法计算各色LED的控制信号值；
调节模块，其用于根据各色LED的控制信号值，控制调节待调光三色LED灯的发光，使得其完成与目标光色的精确匹配；
所述定标数据建立模块中：
利用光谱辐射计测量各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值，分别记为(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)；
根据三色LED光源控制信号的取值范围以一定间隔进行采样，建立控制信号样本，记为di，表示第i个控制信号值样本；
利用光谱辐射计测量各控制信号样本处各色LED的绝对三刺激值，记为(Xi，Yi，Zi)；
根据色度学原理，利用各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值和在各控制信号样本处的绝对三刺激值代入式(5)计算控制信号值为di时各色LED的亮度系数，分别记为L1,i、L2,i、L3,i；
Figure FDA0002863343320000041
利用控制信号样本与亮度系数建立定标数据；
所述亮度匹配系数计算模块中：
若目标光色的亮度Lt为绝对亮度，则将其与目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(6)中，计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure FDA0002863343320000042
若目标光色的亮度Lt为相对亮度，则将目标光色的CIE 1931色品坐标(xt，yt)以及各色LED在最大控制信号值处的绝对三刺激值(X1,m，Y1,m，Z1,m)、(X2,m，Y2,m，Z2,m)、(X3,m，Y3,m，Z3,m)代入式(7)中，计算三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数，并进一步将其与目标光色的亮度Lt代入式(8)中计算三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数；
Figure FDA0002863343320000051
Figure FDA0002863343320000052
其中，L1,0、L2,0、L3,0为三色LED光源中各色LED的初始亮度匹配系数；L1、L2、L3为三色LED光源中各色LED的归一化亮度匹配系数，Max(·)表示求最大值。
4.一种三色LED灯照明系统，其特征在于，包括三色LED灯以及调光控制器，
所述控制器用于实现如权利要求1-2任一项所述方法的步骤，得到各色LED的控制信号值，控制三色LED灯光色的调节；
所述三色LED灯用于接收控制器的控制信号值，完成LED光色的调节。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-2任一项所述的一种用于三色LED光源的精确调光方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-2任一项所述的一种用于三色LED光源的精确调光方法。
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