CN110719661A - 提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法，为调整得到设定的亮度、色度、色温，需要更改红灯、绿灯、白灯的电流大小,由于电流的调整对单个灯源色度值及色温值影响很小，故仅考虑对亮度的影响，其亮度调整算法：

当前亮度的比例：

用试凑法调整电流大小，用光谱仪采集亮度值，对比调整电流后得到的亮度值是否与算法计算的亮度值相等，否，则继续调整电流值重复光谱仪采集亮度值做比对的过程，逐次逼近使得最终电流增益的调整后亮度与理论应该调整到的亮度值吻合。

Description

提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法

技术领域

本发明涉及灯具技术领域，特别涉及一种提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法。

背景技术

近年来，随着LED技术的不断发展，使LED作为照明光源成为可能，然而光源在照明灯具中对显色指数有着严格的要求。遗憾的是LED照明灯市场仍处于较为混乱的状态，各家显色指数参差不齐。另外LED也被证实LED蓝光会对眼底健康造成威胁，容易诱发相关眼科疾病，成为LED照明产品推广应用的限制性问题。

显色指数是指物体用某一光源照明和用标准光源(一般以太阳光做标准光源)照明时，其还原本质颜色的程度。可以简单理解为色差，显色指数越低，色差越大。显色指数越高有利于提高对色彩的识别能力。然而现有的大部分荧光灯和劣质LED光源的显色指数集中在70左右，即损失了物体本来颜色的30％左右，在这样的照明环境下长期生活和学习，必然会导致辨色能力的下降和衰退，出现色弱、辨色能力差等情况。

当前白光LED技术，主要采用蓝光芯片覆涂荧光粉的制作工艺，从一定程度上沿袭了荧光灯管的发光原理，这种技术由于红光和绿光成分的缺少，使之天性上就存在着对显色指数不足的缺陷。另外此种白光的光谱在400nm到500nm之间存在明显的蓝光光谱尖峰。然而此波段范围的蓝光存在对视网膜损伤的潜能。

综上所述，现有技术存在以下的不足：

⑴目前现有方案通过调整覆涂材料成本较高。

⑵且通过覆涂材料的调整，在使用过程中易受到温度的影响。

⑶有的通过增加红粉来提高R₉等的显色指数，成本较高。

⑷通过增加红绿蓝灯珠的方案，不能有效降低蓝光的干扰，同时不能任意调整发光的亮度、色度达到提高显色指数的效果。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足而提供一种依据电流的调整对单个灯源色度值及色温值影响很小的实际情况，故仅考虑对亮度的影响，虽然单色灯源电流的调整对单色灯源本身色度、色温改变可忽略，但是改变各单色的电流后混色光的亮度、色度、色温可显著变化；为调整得到设定的亮度、色度、色温，需要更改红绿白灯的电流大小,根据红灯、绿灯、白灯的亮度、色度、色温分别调整各灯源的电流来实现任意比例的混合，尽可能的逼近自然光，使得显色指数逼近100以提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法。本发明所解决的另一技术问题是灯源根据一天不同时间段，自适应地调整色温，以适宜人体生活的提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法。

本发明的技术解决方案是所述提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法，其特殊之处在于，

为调整得到设定的亮度、色度、色温，需要更改红灯、绿灯、白灯的电流大小,由于电流的调整对单个灯源色度值及色温值影响很小，故仅考虑对亮度的影响，以下为亮度调整算法：

其中：

分别为在当前电流下亮度应该调整到的比例值；

式中：用X_T、Y_T、Z_T表示混色LED的目标三刺激值，X_r、Y_r、Z_r表示红灯LED的当前三刺激值，X_g、Y_g、Z_g表示绿色LED的当前三刺激值，X_w、Y_w、Z_w表示白灯LED的当前三刺激值，x_T、y_T表示混色LED的当前色坐标，x_r、y_r表示红灯LED的当前色坐标，x_g、y_g表示绿灯LED的当前色坐标，x_w、y_w表示白灯LED的当前色坐标；

经整理可得应该调整到的当前亮度的比例：

通过公式(2)式即可得到应该调整当前亮度的比例，即a_r×Y_r，a_g×Y_g，a_w×Y_w分别为达到目标混色的色度、亮度色温各单独红、绿、白灯理论要调整到的亮度值；此时需要采用试凑法调整电流大小，采用光谱仪采集亮度值，对比调整电流后得到的亮度值是否与算法计算的亮度值相等，如果不相等继续调整电流值重复光谱仪采集亮度值做比对的过程，逐次逼近使得最终电流增益的调整后亮度与理论应该调整到的亮度值吻合。

作为优选：所述色温的计算公式为：

te＝(x-0.332)/(y-0.1858) (3)

ct＝5514.31-437*te*te*te+3601*te*te-6831*te (4)

式中：x、y分别代表色度值，ct代表当前色温值，te代表中间计算过程值；

由公式⑴至公式⑷可知，改变各单色LED灯的电流比例，将改变混色后的色度值，色度值的改变将改变混色后的色温；故能根据需要进行不同时间段的色温配置。

与现有技术相比，本发明的有益效果:

⑴本发明在白灯前面设置有滤光片用以滤除部分蓝光。

⑵本发明可根据红灯、绿灯、白灯的亮度、色度、色温进行分别调整各灯源的电流来实现任意比例的混合，尽可能的逼近自然光，使得显色指数逼近100。

⑶根据一天不同时间段，本发明的灯源可自适应地调整色温，以适宜人体生活。

⑷本发明的主控芯片在软件的配置下通过各控制模块分别控制红绿白灯的电流，同时可以自动完成不同时间段的色温控制切换。

附图说明

图1是本发明LED灯的结构分解示意图；

图2是本发明LED灯的结构装配示意图；

图3是本发明LED灯的结构装配剖面示意图；

图4是本发明灯头控制板的电路框图；

图5是本发明滤光片选配示意图；

图6是本发明滤光片选配示意图；

图7是本发明白光LED光谱曲线；

图8是本发明自适应调整LED红绿白灯亮度、色度、色温控制流程图。

主要组件符号说明：

LED灯头 1 LED控制板 2 滤光片 3

LED灯 4 白灯 41 绿灯 42

红灯 43 散射板 5 灯壳 6

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

请参阅图1至图3所示，该提高显色指数的LED灯4，包括壳体6，所述壳体6内依次设有LED灯头1控制板2、控制板2上安装的白灯41、分立在白灯41两边的绿灯42、红灯43，所述白灯41前方设置用以滤除部分蓝光的滤光片3，所述滤光片3前方设置一覆盖LED灯4有效面积的散射板5。滤光片3可设置为带通滤光片或截止滤光片。

请参阅图1至图4所示，所述提高显色指数的灯源及改变灯源色温的方法，包括以下步骤：

⑴白灯41、绿灯42、红灯43中的白灯41经过滤光片3过滤掉蓝光的尖峰后，与红灯43和绿灯42经过散射板5实现混色目的形成单一混色光线；

⑵控制板2基于红灯43、绿灯42、白灯41原有的亮度、色度、色温进行电流比例调整达到调整混色光谱的目的。

本实施例中，调整各LED灯4电流的方法包括，调整LED灯4电流以改变当前LED灯4的亮度、色度及色温，即，通过光学仪器获取当前LED灯4当前电流下的亮度、色度及色温，在出厂前调整白灯41、绿灯42、红灯43的电流大小来达到自适应地调整白灯41、绿灯42、红灯43的亮度、色度、色温配比，实现目标混光的亮度、色度及色温。

本实施例中，可预设多种混色后的目标亮度值、色度值及色温值，色温的计算公式为：

te＝(x-0.332)/(y-0.1858)

ct＝5514.31-437*te*te*te+3601*te*te-6831*te

式中，x、y分别代表色度值，ct代表当前色温值，te代表中间计算过程值；

改变各单色LED灯4的电流比例，将改变混色后的色度值，色度值的改变将改变混色后的色温；故能根据需要进行色温配置。

请参阅图4所示，本发明的主控芯片在软件的配置下，通过各控制模块分别控制红灯、绿灯、白灯的电流，实现改变混灯后的亮度值、色度值和色温值。同时可以根据实际需要预设多种色温，实际使用时可任意选择。

请参阅图5至图7所示，常见的白色灯光谱曲线如图7白光的光谱在400nm到500nm之间存在明显的蓝光光谱尖峰，可采用图5和图6的带通滤光片或者截止滤光片来滤除蓝光尖峰，根据当前白灯的蓝色光谱段尖峰的中心波长及半波宽度，选择与其中心波长相差≤5nm，半波宽度也≤5nm的带通滤光片，也可以选择截止波长为400nm且全透过波长为500nm的截止滤光片。

请参阅图8所示，所述自适应调整LED红绿白灯亮度、色度、色温的控制方法，包括以下步骤：

⑴系统启动，初始化；

⑵分别设置红、绿、白灯的初始电流增益i_r、i_g、i_w,光谱仪采集各灯珠的光谱曲线，得到灯珠的色度、亮度、色温值；

⑶根据采集的白色灯的光谱曲线，选用对应滤光片置于白色灯前方；

⑷采集红灯、绿灯及经过滤光片的白灯的色度、亮度、色温值x_r、y_r、Y_r、C_r、x_g、y_g、Y_g、C_g、x_w、y_w、Y_w、C_w；

⑸设置混灯后的亮度、色度、色温值，根据提高LED灯显色指数逼近自然光谱的算法计算得到红绿白灯的理论调整值，

Y_r ^t＝a_r×Y_r；Y_g ^t＝a_g×Y_g；Y_w ^t＝a_w×Y_w；

⑹设置电流增益为i_r+Δi_r、i_g+Δi_g、i_w+Δi_w；

⑺采集当前电流增益下的红灯、绿灯及经过滤光片的白灯的色度、亮度、色温值x_r'、y_r'、Y_r'、C_r'、x_g'、y_g'、Y_g'、C_g'、x_w'、y_w'、Y_w'、C_w'；

⑻判断abs((Y_r'-Y_r ^t)/Y_r ^t)≤Δe&&abs((Y_g'-Y_g ^t)/Y_g ^t)≤Δe&&abs((Y_w'-Y_w ^t)/Y_w ^t)≤Δe；

⑼若判断为否，则返回步骤⑹；

⑽若判断为是，则当前电流增益i_r+Δi_r、i_g+Δi_g、i_w+Δi_w满足要求；

式中：x、y分别代表色度值，Y代表亮度值，C代表色温值；α代表前述理论亮度调整到的比例值，r代表红灯；g代表绿灯；w代表白灯；abs代表数学计算取绝对值。

本实施例中，步骤⑹所述的电流增益为i+Δi的调整，当Y'-Y^t＜0时Δi取正，当Y'-Y^t＞0时Δi取负。

本实施例中，步骤⑵所述色温值的计算公式为：

te＝(x-0.332)/(y-0.1858)(3)

ct＝5514.31-437*te*te*te+3601*te*te-6831*te(4)

式中，x、y分别代表色度值，ct代表当前色温值，te代表中间计算过程值；

由公式⑶、公式⑷可知，改变各单色LED灯的电流比例，将改变混色后的色度值，色度值的改变将改变混色后的色温；故能根据需要进行不同时间段的色温配置。

本实施例中，步骤⑶所述滤光片的选配原则：根据当前白灯的蓝色光谱段尖峰的中心波长及半波宽度，选择与其中心波长相差≤5nm，半波宽度也≤5nm的带通滤光片，也可以选择截止波长为400nm且全透过波长为500nm的截止滤光片。

请参阅图1至图8所示，所述提高LED灯显色指数逼近自然光谱的算法，包括：

为调整得到设定的亮度、色度、色温，需要更改红灯、绿灯、白灯的电流大小,以下所示为亮度调整算法：

其中：

分别为在当前电流下亮度应该调整到的比例值；

式中：用X_T、Y_T、Z_T表示混色LED的目标三刺激值，X_r、Y_r、Z_r表示红灯LED的当前三刺激值，X_g、Y_g、Z_g表示绿色LED的当前三刺激值，X_w、Y_w、Z_w表示白灯LED的当前三刺激值，x_T、y_T表示混色LED的当前色坐标，x_r、y_r表示红灯LED的当前色坐标，x_g、y_g表示绿灯LED的当前色坐标，x_w、y_w表示白灯LED的当前色坐标；

经整理可得应该调整到的当前亮度的比例：

通过公式(2)式即可得到应该调整当前亮度的比例，即a_r×Y_r，a_g×Y_g，a_w×Y_w分别为达到目标混色的色度、亮度色温各单独红、绿、白灯理论要调整到的亮度值；此时需要采用试凑法调整电流大小，采用光谱仪采集亮度值，对比调整电流后得到的亮度值是否与算法计算的亮度值相等，如果不相等继续调整电流值重复光谱仪采集亮度值做比对的过程，逐次逼近使得最终电流增益的调整后亮度与理论应该调整到的亮度值吻合。

本实施例中，所述色温的计算公式为：

te＝(x-0.332)/(y-0.1858) (3)

ct＝5514.31-437*te*te*te+3601*te*te-6831*te (4)

式中：x、y分别代表色度值，ct代表当前色温值，te代表中间计算过程值；

由公式⑴至公式⑷可知，改变各单色LED灯的电流比例，将改变混色后的色度值，色度值的改变将改变混色后的色温；故能根据需要进行不同时间段的色温配置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法，其特征在于，包括：

为调整得到设定的亮度、色度、色温，需要更改红灯、绿灯、白灯的电流大小，由于电流的调整对单个灯源色度值及色温值影响很小，故仅考虑对亮度的影响，以下为亮度调整算法：

其中：

a_r，a_g，a_w

分别为在当前电流下亮度应该调整到的比例值；

式中：用X_T、Y_T、Z_T表示混色LED的目标三刺激值，X_r、Y_r、Z_r表示红灯LED的当前三刺激值，X_g、Y_g、Z_g表示绿色LED的当前三刺激值，X_w、Y_w、Z_w表示白灯LED的当前三刺激值，x_T、y_T表示混色LED的当前色坐标，x_r、y_r表示红灯LED的当前色坐标，x_g、y_g表示绿灯LED的当前色坐标，x_w、y_w表示白灯LED的当前色坐标；

经整理可得应该调整到的当前亮度的比例：

通过公式(2)式即可得到应该调整当前亮度的比例，即a_r×Y_r，a_g×Y_g，a_w×Y_w，分别为达到目标混色的色度、亮度、色温各单独红、绿、白灯理论要调整到的亮度值；此时需要采用试凑法调整电流大小，采用光谱仪采集亮度值，对比调整电流后得到的亮度值是否与算法计算的亮度值相等，如果不相等继续调整电流值重复光谱仪采集亮度值做比对的过程，逐次逼近使得最终电流增益的调整后亮度与理论应该调整到的亮度值吻合。

2.根据权利要求1所述提高灯源显色指数逼近自然光谱的算法，其特征在于，所述色温的计算公式为：

te＝(x-0.332)/(y-0.1858) (3)

ct＝5514.31-437*te*te*te+3601*te*te-6831*te (4)

式中：x、y分别代表色度值，ct代表当前色温值，te代表中间计算过程值；

由公式⑴至公式⑷可知，改变各单色LED灯的电流比例，将改变混色后的色度值，色度值的改变将改变混色后的色温。

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