TWI418769B - 發光二極體光源篩選方法及其組合 - Google Patents

發光二極體光源篩選方法及其組合 Download PDF

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Description

發光二極體光源篩選方法及其組合
本發明係與一種LED光源有關，特別係與一種LED光源篩選方法及LED光源組合有關。
一般目前市面上的人工光源通常為固定顏色，例如日光燈、色溫箱、舞台或攝影棚所用之打光燈等，其通常是利用多種螢光燈燈管或數種不同之光源來混合，以符合色溫的要求，但其他如演色指數(Color Rendering Index,CRI)或光譜(Spectra)等都不符合國際照明協會Commission International de l'Eclairage(CIE)所制訂的標準光源(Standard Illuminants)種類，如A光、D65、D55、D50等等。其中上述標準光源之演色指數(CRI)都訂為100，而市面上之人工光源僅有達到70到80的演色指數。此外，如需達到不同色溫要求，其等還需利用不同燈管替換以達到要求。
為了解決此問題，現有之混光照明技術乃利用所發出的紅光、綠光及藍光之發光二極體(Light Emitter Display,LED，以下以LED表示之)光源進行混光，並個別控制紅光LED、綠光LED及藍光LED之發光強度，來改變不同的顏色或色溫要求。然而，每一個發光二極體係各自具有一單色波峰，所以僅有紅光、綠光及藍光LED混光而成的光譜會不均勻，而無法達到高演色指數(CRI)。
因此，目前已有使用多種LED進行混光來達到高演色指數的技術，被揭示於美國專利US 2008/0169770中。惟，對於市售的許多種的LED光源，要選擇哪些種類以及個數作為混光之LED光源，實為一大難題。利用試誤法(Trial and Error method)的方式來選擇LED光源，顯然是耗費時間與金錢的，並且也無法得知所得出之LED光源組合是否為所有市售LED光源中的最佳組合。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種發光二極體光源篩選方法，其係用以解決如何於市售LED光源中選擇作為混光光源的最佳組合。
本發明之另一目的在於提供一種發光二極體光源組合，其係用以解決無法切換不同色溫並達到高演色指數的問題。
為達上述之目的，本發明提供一種發光二極體光源篩選方法，該發光二極體光源篩選方法，係用於在一發光二極體光源群組中篩選出具有一高演色指數組合，該高演色指數組合係最接近一CIE標準光源之光譜能量分佈，該發光二極體光源群組包含複數個發光二極體光源，該篩選方法包含下列步驟：
(1)統計該些發光二極體光源對應之複數個光譜能量分佈，該些光譜能量分佈係為各個該等發光二極體光源之複數個波長對應的發光強度值。
(2)排列該些光譜能量分佈以獲得對應該些發光二極體光源之一矩陣(A)。
(3)計算一重建係數，該重建係數係為該矩陣(A)對該CIE標準光源之光譜能量分佈的一最小平方近似解。
(4)根據該重建係數來選擇出最佳的發光二極體光源組合。
在本發明之發光二極體光源篩選方法的較佳實施例中，其中該最小平方近似解係用於計算該矩陣之一偽逆矩陣乘上該CIE標準光源之光譜能量分佈，其中該偽逆矩陣以數學式表示係(AAT )-1 A。
於本發明之較佳實施例中，該重建係數具有複數個數值，該些數值係為正數且代表對應的該些發光二極體光源之貢獻程度。其中最佳的發光二極體光源組合係選自該些重建係數數值，以達到最小平方近似解之發光二極體光源組合。例如，該發光二極體光源群組係為市售的61種發光二極體光源，而該所篩選出之最佳的發光二極體光源組合係為7種發光二極體光源，且該組合演色指數係介於85到90之間。具體的說，7種發光二極體光源之主波長範圍係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之發光二極體光源，以及一黃色螢光粉摻雜之發光二極體光源。另外，最佳的發光二極體光源組合中之發光二極體光源個數，可根據所需之演色指數提高而增加組合中之發光二極體光源個數。
為達上述之另一目的，本發明提供一種發光二極體光源組合，該發光二極體光源組合包含有7個不同波長的發光二極體光源及一微處理器。其中該7個不同波長的發光二極體光源，且各發光二極體光源的波長係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之發光二極體光源，以及一黃色螢光粉摻雜之發光二極體光源。此外，該微處理器係同步送出脈波寬度調變(PWM)訊號至各個發光二極體光源，藉此調製出各種色溫且高演色指數之光源。
在本發明的較佳實施例中，該發光二極體光源組合所具有之演色指數係介於85到90之間。該發光二極體光源組合進一步包含有一發光二極體光源，該發光二極體光源的波長係選定為630~645nm，以使得該發光二極體光源組合具有介於90到95之間之演色指數。
在本發明的另一較佳實施例中，該發光二極體光源組合進一步包含有兩個發光二極體光源，該兩個發光二極體光源的波長係選定為560~600nm及630~645nm，以使得該發光二極體光源組合具有介於95到100之間之演色指數。
依據本發明之發光二極體光源篩選方法篩選之發光二極體光源組合，其光譜能量分佈可以達到近似CIE標準光源的效果，而其演色指數可以達到85以上，而使得本發明可以解決需使用多種燈管以及只有色溫符合標準光之缺陷。另外，該發光二極體光源篩選方法也可以確保所篩選之發光二極體光源組合係為最佳組合。為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下將配合附圖來詳細說明本發明之發光二極體(Light Emitter Diode,LED，以下以LED來表示)光源篩選方法的一較佳實施例。請參照第1圖，第1圖中顯示61種市售之LED之波峰所在的波長，此61種LED係透過蒐集所有市售的單一LED光源，並根據個別的光譜能量分佈(Spectral Power Distribution,SPD.)加以歸納出此61種市售LED光源，並以每一種LED光源之波峰(最大強度)所在之波長加以分類。第1圖中的標號10是代表本發明之此一較佳實施例的一LED光源群組10，其中該LED光源群組10包含有複數個LED光源。
本發明之此一較佳實施例之LED光源篩選方法，係用於在該LED光源群組10中篩選出具有一高演色指數的組合。該高演色指數組合係為最接近一CIE標準光源之光譜能量分佈。在此較佳實施例中，該CIE標準光源係選定為D65標準光源。需注意的是，本發明並不限D65標準光源，也可選自A光、D65、D55、D50等CIE標準光源所組成之群組之一。請參照第2圖，第2圖中顯示本發明的一較佳實施例之LED光源篩選方法之流程圖。
該LED光源篩選方法包含下列步驟：執行步驟S10，統計該些LED光源對應之複數個光譜能量分佈，然後執行步驟S20。該些光譜能量分佈係為各個該等LED光源之複數個波長對應之發光強度值。舉例來說，首先，先統計該LED光源群組10中第1種LED光源(即波峰所在波長為401.8 nm)之光譜能量分佈，該種LED光源之光譜能量分佈一般可由該LED元件資料表中取得，或者由光譜量測儀量測出。更具體的說，可在波長範圍400至700nm內，每隔5nm設定一個波長對應發光強度值之取樣點，這在以下的式子中是以d1 (1)、d1 (2)、……、d1 (61)表示(下標“1”代表第1種光源)，而dM (1)、dM (2)、……、dM (61)則代表第M種的LED光源的光譜能量分佈之波長對應發光強度值。使用1至61點的原因是因光譜是由400至700nm每隔5nm做一次取樣，如此一來每一個光譜就會有61個取樣點。需注意的是，本發明並不侷限於每隔5nm統計一個取樣點，亦可每隔10nm或者2nm就取一個取樣點，如此可降低取樣點間隔，而可取得更精細的光源組合。
於步驟S20中，排列該些光譜能量分佈以獲得對應於該些LED光源之一矩陣A，然後執行步驟S30。舉例來說，第1種LED光源之光譜能量分佈d1 (1)、d1 (2)……d1 (61)排列在第1列，下一列係為第2種LED光源之光譜能量分佈d2 (1)、d2 (2)、……、d2 (61)排列在第2列，第M種LED光源之光譜能量分佈dM (1)、dM (2)、……、dM (61)排列在第M列，依此類推。其排列而成的矩陣A如下列式1：
在此較佳實施例中，該LED光源群組10具有61種LED光源，故該矩陣A之第M列即為第61列(亦即M=61)。
於步驟S30中，計算一重建係數，該重建係數係為該矩陣A對該CIE標準光源之光譜能量分佈的一最小平方近似解。請參考第3圖及第4圖所示，第3圖中顯示CIE標準光源D65之光譜能量分佈，第4圖中顯示CIE標準光源D65之取樣點之數據。在此較佳實施例中，該CIE標準光源D65之光譜能量分佈係如第3圖之實線所示，其中水平軸代表的係波長(nm)，垂直軸代表的係強度之絕對值。其中第3圖之點係為每隔5nm取一個取樣點，其具體數值如第4圖所示。
第4圖之該CIE標準光源D65之光譜能量分佈之61個數值以一61×1列向量表示。而該重建係數以線性代數來說，即是式2之解：
需注意的是，AT 代表的是矩陣A的轉置矩陣(Transpose)，如下式3：
式2中x的表示為一個61×1之列向量，由矩陣乘法可知AT x之結果係為另一個61×1之列向量，AT x之第一個(即1×1)數值即該LED光源群組10之該些LED光源，位於400nm之強度某些比例的加總。理想中，該第一個數值即係為D65之光譜能量分佈位於400nm之強度值。由於實際上該LED光源群組10無法完全重建CIE標準光源D65之光譜能量分佈，因此式2中之AT x≠，需求其最佳近似解，以表示。其中最佳的意義在此是指誤差平方最小，即最小平方近似(least-squares approximation)解。
該最小平方近似解在線性代數中，係為計算該矩陣A之一偽逆(Pseudoinverse)矩陣A+ 乘上該CIE標準光源之光譜能量分佈，即向量，其中該偽逆矩陣A+ 若以數學式表示係為(AAT )-1 A。由此可知該重建係數可由計算(AAT )-1 A得出，以列向量表示之。
該重建係數，即列向量之係數具有複數個數值。在此較佳實施例中，列向量之係數具有61數值。由上述可之，該些數值代表對應的該些LED光源之貢獻程度，因此負數為不合理。因此該些該重建係數皆需為正數。
於步驟S40中，根據該重建係數選擇出最佳的LED光源組合。具體而言，最佳的LED光源組合係選自該些數值中之複數個最大值所對應的該些LED光源。在此較佳實施例中，選擇該些數值中之前7個最大值所對應的LED光源，且該最佳的LED光源組合之演色指數係介於85到90之間。須注意的是，最佳的LED光源組合中之LED光源個數可根據所需之演色指數提高，而增加組合中之LED光源個數。例如，需要演色指數係介於90到95之間，則LED光源組合就需要有8個LED光源；需要演色指數係介於95到100之間，則LED光源組合就需要有9個LED光源。
根據上述之LED光源篩選方法，同樣地可用來篩選符合CIE標準光源如A光、D55及D50之個別最接近之7種LED光源，再將符合A光、D65、D55及D50之各組之7種LED光源比較並統計出7個較佳的波長區間，以使得該7個波長區間內之LED光源可模擬符合上述之CIE標準光源。例如，該7個波長區間內之LED光源欲模擬D65之光譜能量分佈，則可根據上述計算出之重建係數之前7個最大值之比例，並個別調製該7個LED光源的強度，以符合D65之光譜能量分佈。
同樣地，若該7個波長區間內之LED光源欲模擬D55之光譜能量分佈，則可根據所計算出的符合D55之重建係數的前7個最大值之比例，個別調製該7個LED光源的強度，以符合D55之光譜能量分佈。其中該符合D55之重建係數係為該偽逆矩陣A+ 乘上D55之光譜能量分佈。
在此較佳實施例中，計算出之7種LED光源之主波長範圍係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之LED光源，以及一黃色螢光粉摻雜之LED光源。可調製各別之LED光源以符合CIE標準光源A光、D65、D55及D50，並且該最佳的7種LED光源組合之演色指數係介於85到90之間。
如需要演色指數係介於90到95之間，則LED光源組合就需要增加一個LED光源，該LED光源的波長係選定為630~645nm。如需要演色指數係介於95到100之間，則LED光源組合就需要增加兩個LED光源，該等兩個LED光源的波長係選定為560~600nm及630~645nm。
請參考第5圖，第5圖顯示出一較佳實施例中，以9種LED光源模擬A光、D65、D55及D50之光譜能量分佈。其中實線係表示A光、D65、D55及D50之光譜能量分佈，虛線係表示9種LED光源之主波長範圍係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm、560~600nm、630~645nm、該藍色螢光粉摻雜之LED光源及該黃色螢光粉摻雜之LED光源所模擬出之光譜能量分佈。
綜上所述，其光譜能量分佈可以達到近似CIE標準光源的效果，而其演色指數可以達到95以上，以使得本發明可以解決需使用多種燈管及只有色溫符合標準光之缺陷。
此外，以下將配合附圖來詳細說明本發明之LED光源組合的一較佳實施例。請參考第6圖，第6圖顯示本發明的一較佳實施例之LED光源組合。該LED光源組合係以標號20來表示，該LED光源組合20包含有7個不同波長的LED光源31、32、33、34、35、36、及37，以及一微處理器40。該些LED光源31至37係設置於一導線架30上，且該些LED光源31至37係為根據上述之LED光源篩選方法所選定的380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之LED光源，以及一黃色螢光粉摻雜之LED光源。
該些LED光源31至37的各針腳(未圖示)一端接地，另一端係電性連接於該微處理器40，該微處理器40會同步送出脈波寬度調變(PWM)訊號至各個LED光源31至37，以調製控制各個LED光源31至37的亮度，以達到可調製不同CIE標準光源如A光、D65、D55及D50的效果。
其中該些脈波寬度調變(Pulse-width modulation,PWM)訊號，係為於一週期中該些LED光源31至37的發光時間，該些LED光源31至37的發光時間可根據上述之該重建係數的前7個最大值之比例分配，以達到調製出CIE標準光源如A光、D65、D55或D50的光譜能量分佈。此外，該LED光源組合31至37係具有介於85到90之間之演色指數。
在此較佳實施例中，同樣地，如需要演色指數係介於90到95之間，則LED光源組合就需要增加一個LED光源38，該LED光源38的波長係選定為630~645nm。如需要演色指數係介於95到100之間，則LED光源組合就需要增加兩個LED光源38及39，該等兩個LED光源38及39的波長係選定為560~600nm及630~645nm。
綜上所述，本發明之LED光源組合20係具有高演色指數的光源，並且以單一個LED光源組合，即可調製出任意的上述標準光源或色溫所需之光譜，並同時具有多種CIE標準光源合為一體的效果，而不需要為了產生各種不同色溫而要裝置不同之光源的煩雜過程，又可以節省成本及空間，達到更符合標準光源的需求。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧LED光源群組
20‧‧‧LED光源組合
30‧‧‧導線架
31~37‧‧‧LED光源
40‧‧‧微處理器
S10~S40‧‧‧步驟
第1圖顯示61種市售之LED之波峰所在波長。
第2圖繪示本發明的一較佳實施例之LED光源篩選方法之流程圖。
第3圖繪示CIE標準光源D65之光譜能量分佈。
第4圖顯示CIE標準光源D65之取樣點之數據。
第5圖係繪示本較佳實施例之9種LED光源模擬A光、D65、D55及D50之光譜能量分佈。
第6圖係繪示本發明的一較佳實施例之LED光源組合。
S10～S40．．．步驟

Claims (8)

  1. 一種發光二極體光源篩選方法，其係用於在一發光二極體光源群組中篩選出具有一發光二極體光源組合，該發光二極體光源組合係為最接近一CIE標準光源之光譜能量分佈，該發光二極體光源群組包含有複數個發光二極體光源，該篩選方法包含下列步驟：統計該些發光二極體光源對應之複數個光譜能量分佈，該些光譜能量分佈係為各個該發光二極體光源之複數個波長所對應之發光強度值；排列該些光譜能量分佈以獲得對應該些發光二極體光源之一矩陣(A)；計算一重建係數，該重建係數係為該矩陣(A)對該CIE標準光源之光譜能量分佈的一最小平方近似解；以及根據該重建係數選擇出該發光二極體光源組合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源篩選方法，其中該最小平方近似解係計算該矩陣之一偽逆矩陣乘上該CIE標準光源之光譜能量分佈，其中該偽逆矩陣以數學式表示係(AAT )-1 A。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源篩選方法，其中該重建係數具有複數個數值，該些數值係為正數且代表對應的該些發光二極體光源之貢獻程度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源篩選方法，其中該發光二極體光源群組係為市售的發光二極體光源，而該篩選出之該發光二極體光源組合係為7種發光二極體光源。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光源篩選方法，其中該等7種 發光二極體光源之主波長範圍係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之發光二極體光源，以及一黃色螢光粉摻雜之發光二極體光源。
  6. 一種發光二極體光源組合，其包含有：8個不同波長的發光二極體光源，且各個發光二極體光源的波長係分別選定為380~420nm、480~520nm、600~630nm、630~645nm、645~675nm、645~720nm與一藍色螢光粉摻雜之發光二極體光源，以及一黃色螢光粉摻雜之發光二極體光源；以及一微處理器，該微處理器係同步送出脈波寬度調變(PWM)訊號至各個發光二極體光源，藉此調製出各種色溫且演色指數介於90至95之光。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體光源組合，其中該發光二極體光源組合進一步包含有一發光二極體光源，該兩個發光二極體光源的波長係選定為560~600nm。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體光源組合，其中演色指數介於95至100。
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