CN115150987A - 高显色指数高光谱led器件及其制作方法 - Google Patents

高显色指数高光谱led器件及其制作方法 Download PDF

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胡爱斌
李雄
唐金龙
张亚伟
闵璇皓蓝
段鑫楠
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Abstract

本发明公开一种高显色指数高光谱LED器件及其制作方法，采用不同峰值波长的白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠混色生成，具体步骤如下：步骤1：计算白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目；步骤2：将M1个白光LED灯珠分为1个或者多个白光LED灯组，每组白光LED灯组的白光LED灯珠数量相同，将M2个红光LED灯珠记为红光LED灯组，将M3个绿光LED灯珠记为绿光LED灯组；多个白光LED灯组、红光LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接。通过上述方案，本发明的高显色指数高光谱LED器件的光照品质得到巨大提升，更接近自然光谱，具有更高的CRI值和R9值，更低的色容差。

Description

高显色指数高光谱LED器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及LED照明设备技术领域，具体是一种高显色指数、高光谱的LED 器件。
背景技术
LED(light-emitting diode，发光二极管)属于全固体冷光源，是采用固体半导体芯片为发光材料，与传统灯具相比，LED灯节能、环保、显色性与响应速度好。在能耗方面，LED灯的能耗是白炽灯的十分之一，是节能灯的四分之一。这是LED灯的一个最大的特点。现在的人们都崇尚节能环保，也正是因为节能的这个特点，使得LED灯的应用范围十分广泛，使得LED灯十分的受欢迎。按照通常的光效定义，LED灯的发光效率并不高，但由于LED灯的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可达80％-90％，而同等光效的白炽灯的可见效率仅为10％-20％，单体LED灯的功率一般为0.05-1W，通过集群方式可以满足不同需求。LED灯作为一种新型的绿色产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将进入以LED灯为代表的新型照明光源时代。
根据国家室内照明的参数指标，光源的显色指数必须达到80以上，而在一些特殊的场景，对光源的显色指数CRI和光谱近似度的要求更高。目前市面上的LED器件多使用高显色指数的白光LED的方式来提高显色指数，虽然这种方式显色指数较高，但光效有所降低。
发明内容
在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高显色指数高光谱LED器件，通过白光LED灯珠中加入红光LED灯珠和绿光LED灯珠从而全面提高灯具光谱品质，使该灯具光照品质得到巨大提升，更接近自然光谱，具有更高的CRI值和R9值，更低的色容差，同时不影响光效。
根据本申请的一方面，提供一种高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其采用不同峰值波长的白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠混色生成，具体步骤如下：
步骤1：计算白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目，将白光LED灯珠的数目记为M1，红光LED灯珠的数目记为M2，绿光LED灯珠的数目记为M3；
其中，M1个白光LED灯珠、M2个红光LED灯珠、M3个绿光LED灯珠数目中，M1、M2和M3为自然数，具体是通过如下过程进行计算的：
预先通过反复调配比例和测试得到理想图光谱坐标记为基准坐标；
设定待设计的LED器件所需要的目标色温，并在CIE 1931XYZ色彩空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的颜色坐标，将该颜色坐标记为目标坐标；
根据基准坐标和目标坐标的线性评价关系式对目标坐标进行校正获得最终坐标，所述线性评价关系式为：y＝(目标坐标-基准坐标)/w+基准坐标，其中，y 为校正后的坐标，w为权重，其通过反复调配比例和测试而获得，其计算公式为，w＝(w1×f1+w2×f2+……+wn×fn)/n，w1、w2、……、wn为每轮测试的数值，每轮测试的数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值最后除以总的测试次数即可获得w。实际测试获得，w的范围为0.7-1。
根据最终坐标计算(可采用奇异值方程或者其他现有计算公式)白光LED 灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目或者配比。
步骤2：将M1个白光LED灯珠分为1个或者多个白光LED灯组，每组白光LED灯组的白光LED灯珠数量相同，将M2个红光LED灯珠记为红光LED 灯组，将M3个绿光LED灯珠记为绿光LED灯组；多个白光LED灯组、红光 LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；
其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
进一步的，所述白光LED灯组的M1个白光LED灯珠等间距阵列排列，所述M2个红光LED灯珠和M3个绿光LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光 LED灯珠之间。红光LED灯珠、绿光LED灯珠和白光LED灯珠并不是等距排列，且红光LED灯珠的数量和绿光LED灯珠的数量也具有限制，经过实际检验，此种布置下的LED器件中配光光源不影响白光的出光效果。
进一步的，所述白光LED灯珠的显色指数CRI≥95，红色饱和度R9≥90，色温为4000K±200K，功率在0.5W以内；红光LED灯珠的波长范围为570-700nm，功率在0.5W以内，绿光LED灯珠的波长范围为495-510nm，功率为0.5W以内。
更进一步的，为方便调节红光强度，所述第二电阻和所述红光LED灯组之间还串接有第四电阻。优选的，第四电阻采用可调电阻实现。
同样的，为方便调节绿光，所述第三电阻和所述绿光LED灯组之间还串接有第五电阻。优选的，第五电阻采用可调电阻实现。
进一步的，所述第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关采用MOS (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET，场效应管) 管实现，MOS管的G极连接至控制单元的信号输入端，MOS管的S极接地。
更进一步的，所述MOS管采用型号为2N7000的N沟道MOS管实现。
其中，所述白光LED灯珠由蓝光和紫光激发获得。
根据本申请的另一方面，提供一种高显色指数高光谱LED器件，其包括1 个或者多个白光LED灯组、一个红光LED灯组和一个绿光LED灯组；其中，1 个或者多个所述白光LED灯组具有M1个白光LED灯珠，红光LED灯组具有 M2个红光LED灯珠，绿光LED灯组具有M3个绿光LED灯珠；多个白光LED 灯组、红光LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
进一步的，所述白光LED灯组的M1个白光LED灯珠等间距阵列排列，所述M2个红光LED灯珠和M3个绿光LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光 LED灯珠之间。经过实际检验，此种布置下的高显色指数高光谱LED器件的光照品质得到巨大提升，更接近自然光谱，具有更高的CRI值和R9值，更低的色容差。
本申请采用上述方案，在白光LED灯串或灯板中使用少数比例的红色和绿色LED灯珠补入到白光发光阵列中，并对红色和绿色LED灯珠的数量进行计算，使整灯发出的光在不同使用环境中都能保持高的显指>95，优秀的色容差<5，高的R1-R15>90，以达到符合护眼灯及教育照明灯具更符合光谱近似度的要求。同时，还具有可独立调节红光强度和绿光强度的设计，可满足不同厂商或者不同场景的特殊要求，具有很好的实用性。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明实施例1的电路原理图；
图2为本发明实施例1的LED灯珠的位置布置示意图；
图3为本发明实施例2的LED灯珠的位置布置示意图；
图4为本发明实施例3的高显色指数高光谱LED器件的色度图CIE1931；
图5为本发明实施例3的高显色指数高光谱LED器件的色度图CIE1932。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种高显色指数高光谱LED器件，其包括1个或者多个白光 LED灯组、一个红光LED灯组和一个绿光LED灯组；其中，1个或者多个所述白光LED灯组具有M1个白光LED灯珠，红光LED灯组具有M2个红光LED 灯珠，绿光LED灯组具有M3个绿光LED灯珠；多个白光LED灯组、红光LED 灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
本实施例的高显色指数高光谱LED器件，其包括LED发光组件，LED发光组件由并联连接的照明单元和配光单元构成。其中，照明单元包括白光控制电路以及1组或多组白光LED灯组，每组白光LED灯组包括一个或者多个白光LED灯珠；配光单元包括红光控制电路、红光LED灯组、绿光控制电路以及绿光LED灯组，红光控制电路和红光LED灯组串接构成红光配色电路，绿光控制电路和绿光LED灯组串接构成绿光配色电路，红光配色电路和绿光配色电路并联连接。
其中，红光LED灯组包括1个或者多个红光LED灯珠，绿光LED灯组包括1个或者多个绿光LED灯珠，配光单元的LED灯珠(含红光LED灯珠和绿光LED灯珠)的数量小于等于每组白光LED灯组的白光LED灯珠的数量。经过实际检验，此种布置下的高显色指数高光谱LED器件的光照品质得到巨大提升，更接近自然光谱，具有更高的CRI值和R9值，更低的色容差。
参见图1，本实施例中，LED发光组件包括三组白光LED灯组构成的照明单元以及一组红光LED灯组和一组绿光LED灯组构成的配光单元。白光控制电路包括连接MOS管Q1和电阻R11，MOS管Q1串接电阻R11后连接至并接的各组白光LED灯组，MOS管Q1的D极串接电阻R11，MOS管Q1的G极连接至信号输入端，MOS管Q1的S极接地。本实施例中，每组白光LED灯组含有8个白光LED灯珠；绿光控制电路包括MOS管Q2和电阻R3，MOS 管Q2和电阻R3串接后连接绿光LED灯组，MOS管Q2的D极串接电阻R3， MOS管Q2的G极连接至信号输入端，MOS管Q2的S极接地。本实施例中，绿光LED灯组含有3个绿光LED灯珠。红光控制电路包括MOS管Q3和电阻R4，MOS管Q3和电阻R4串接后连接红光LED灯组，MOS管Q3的D极串接电阻R4，MOS管Q3的G极连接至信号输入端，MOS管Q3的S极接地。本实施例中，红光LED灯组含有3个红光LED灯珠。此外，本实施例中，MOS 管Q1、Q2和Q3均采用型号为2N7000的N沟道MOS管实现。
此外，为方便调节红光强度，电阻R4和红光LED灯组之间还串接有电阻 R1。同样的，为方便调节绿光，电阻R3和绿光LED灯组之间还串接有电阻 R2。
参见图2，该高显色指数高光谱LED器件包括一圆形壳体，LED发光组件贴附在圆形壳体的周侧，其中，绿光LED灯珠和红光LED灯珠穿插设置在白光 LED灯珠阵列中。本实施例中，参见图2，LED发光组件的灯珠排布如下：两个白色LED灯珠、一个绿光LED灯珠、两个白色LED灯珠、红光LED灯珠，如此反复循环。
实施例2
为进一步使整灯发出的光在不同使用环境中都能保持高的显指以及优秀的色容差，以达到符合护眼灯及教育照明灯具更符合光谱近似度的要求以及个别厂商的特殊要求，本申请的LED发光组件还进一步改进如下：LED发光组件中的白色LED灯珠等间距阵列排列，绿色LED灯珠和/或红色LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光LED灯珠之间；参见图3，本实施例中，LED发光组件的灯珠排布如下：3个白色LED灯珠、穿插一个绿光LED灯珠、3个白色LED 灯珠、穿插红光LED灯珠，如此反复循环。
本实施例与实施例1中图2的LED发光组件比较，图2中的侧发光所有光源间距均匀排列，也即配光光源(绿光LED灯珠和红光LED灯珠)和白光LED 灯珠的排列是平均的，配光光源占据了一个均匀的发光位，这样制成的LED器件成品在该位置必然呈现出配光灯珠的原色，从而导致整灯出光效果不理想。而本实施例中图3中的侧发光配光光源插入到白光序列中，其中的白光LED灯珠排列均匀，其它色的光源只是插入到白光LED灯珠中间，不影响整体的白光的出光效果，使整灯发出的光在不同使用环境中都能保持高的显指以及优秀的色容差。
实施例3
本实施例提供一种高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其采用不同峰值波长的白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠混色生成，具体步骤如下：
步骤1：计算白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目：具体包括：，将白光LED灯珠的数目记为M1，红光LED灯珠的数目记为M2，绿光LED灯珠的数目记为M3；
步骤2：将M1个白光LED灯珠分为1个或者多个白光LED灯组，每组白光LED灯组的白光LED灯珠数量相同，将M2个红光LED灯珠记为红光LED 灯组，将M3个绿光LED灯珠记为绿光LED灯组；多个白光LED灯组、红光 LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；
其中步骤1中，M1个白光LED灯珠、M2个红光LED灯珠、M3个绿光 LED灯珠数目中，M1、M2和M3为自然数(包括0)，具体是通过如下过程进行计算的：
过程1：预先通过反复调配比例和测试得到理想图光谱坐标记为基准坐标；
过程2：设定待设计的LED器件所需要的目标色温，并在CIE 1931XYZ 色彩空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的颜色坐标，将该颜色坐标记为目标坐标；
过程3：根据基准坐标和目标坐标的线性评价关系式对目标坐标进行校正获得最终坐标，所述线性评价关系式为：y＝(目标坐标-基准坐标)/w+基准坐标，其中，y为校正后的坐标，w为权重，其通过反复调配比例和测试而获得，其计算公式为，w＝(w1×f1+w2×f2+……+wn×fn)/n，w1、w2、……、wn为每轮测试的数值，每轮测试的数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值最后除以总的测试次数即可获得w。实际测试获得，w的范围为0.7-1。
过程4：根据最终坐标计算(可采用奇异值方程或者其他现有计算公式)白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目或者配比。
其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
白光LED灯组的M1个白光LED灯珠等间距阵列排列，所述M2个红光 LED灯珠和M3个绿光LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光LED灯珠之间。
具体实现时，本申请的白光(含蓝光激发和紫光激发)LED灯珠要求如下：裸白光LED灯珠的CRI≥95，R9≥90，色温为4000K+-200K，单颗灯珠功率在0.5W以内；裸红光LED灯珠的波长为570-700nm，单颗灯珠功率在0.5W 以内；裸绿光LED灯珠的波长495-510nm，单颗功率为0.5W以内。将少量的红光LED灯珠和绿光LED灯珠补入到白光LED灯组构成的白光发光阵列中，使整灯发出的光在不同使用环境中都能保持高的显指>95，优秀的色容差<5，高的R1-R15>90，以达到符合护眼灯及教育照明灯具更符合光谱近似度的要求以及个别厂商的特殊要求。
参见图4和图5的色度图CIE1931和1932，通过对色度图CIE1931和1932 的分析，可见在白光色温线的4000K-3000K之间，主要占据色度显色区域的色块是红和绿色。
如图4和图5中所示，一条从红色(右下方)贯穿到蓝色(左上方)的黑色线，名为黑体辐射曲线，其上所标的数值，名为白光色温线。观察可得在实际使用中，4000K以下的护眼色温占主流的色块是红色和绿色。那么只要科学的配比红光和绿光波长及发光比例，就可以得到优质的光照效果。
根据以上技术分析，在实际应用中，在发光灯组中准确的混入红光和绿光是可以达到色温3500K-4000K，显指CRI>95，R9>95色容差SDCM<5的效果，并且可以使灯具在不同的照明环境中都能保持住这些光照品质不发生大的偏移。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：采用不同峰值波长的白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠混色生成，具体步骤如下：
步骤1：计算白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目，将白光LED灯珠的数目记为M1，红光LED灯珠的数目记为M2，绿光LED灯珠的数目记为M3；
步骤2：将M1个白光LED灯珠分为1个或者多个白光LED灯组，每组白光LED灯组的白光LED灯珠数量相同，将M2个红光LED灯珠记为红光LED灯组，将M3个绿光LED灯珠记为绿光LED灯组；多个白光LED灯组、红光LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；
其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
2.根据权利要求1所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：所述白光LED灯组的M1个白光LED灯珠等间距阵列排列，所述M2个红光LED灯珠和M3个绿光LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光LED灯珠之间。
3.根据权利要求1所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：步骤1中，M1个白光LED灯珠、M2个红光LED灯珠、M3个绿光LED灯珠数目中，M1、M2和M3为自然数，具体是通过如下过程进行计算的：
过程1：预先通过反复调配比例和测试得到理想图光谱坐标记为基准坐标；
过程2：设定待设计的LED器件所需要的目标色温，并在CIE 1931XYZ色彩空间中求得目标色温在黑体曲线上所对应的颜色坐标，将该颜色坐标记为目标坐标；
过程3：根据基准坐标和目标坐标的线性评价关系式对目标坐标进行校正获得最终坐标，所述线性评价关系式为：y＝(目标坐标-基准坐标)/w+基准坐标，其中，y为校正后的坐标，w为权重；
过程4：根据最终坐标计算(可采用奇异值方程或者其他现有计算公式)白光LED灯珠、红光LED灯珠和绿光LED灯珠的数目或者配比。
4.根据权利要求3所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：w的范围为0.7-1。
5.根据权利要求1所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：所述白光LED灯珠的显色指数CRI≥95，红色饱和度R9≥90，色温为4000K±200K，功率在0.5W以内；红光LED灯珠的波长范围为570-700nm，功率在0.5W以内，绿光LED灯珠的波长范围为495-510nm，功率为0.5W以内。
6.根据权利要求1所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：所述第二电阻和所述红光LED灯组之间还串接有第四电阻。
7.根据权利要求1所述的高显色指数高光谱LED器件的制作方法，其特征在于：所述第三电阻和所述绿光LED灯组之间还串接有第五电阻。
8.一种高显色指数高光谱LED器件，其特征在于：包括1个或者多个白光LED灯组、一个红光LED灯组和一个绿光LED灯组；其中，1个或者多个所述白光LED灯组具有M1个白光LED灯珠，红光LED灯组具有M2个红光LED灯珠，绿光LED灯组具有M3个绿光LED灯珠；多个白光LED灯组、红光LED灯组和绿光LED灯组通过控制电路并联连接；其中，所述控制电路包括并接的白光控制电路、红光控制电路和绿光控制电路，所述白光控制电路包括连接第一电子开关和第一电阻，所述第一电子开关串接第一电阻后连接至并接的各组白光LED灯组；所述红光控制电路包括第二电子开关和第二电阻，所述第二电子开关和第二电阻串接后连接红光LED灯组，所述绿光控制电路包括第三电子开关和第三电阻，所述第三电子开关和第三电阻串接后连接绿光LED灯组。
9.根据权利要求8所述的高显色指数高光谱LED器件，其特征在于：所述白光LED灯组的M1个白光LED灯珠等间距阵列排列，所述M2个红光LED灯珠和M3个绿光LED灯珠穿插在等间距阵列排列的白光LED灯珠之间。
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CN116498928A (zh) * 2023-05-08 2023-07-28 广东熠日照明科技有限公司 一种高亮度同时cci、hue、cto、ctb可调的灯珠阵列及其方法

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