基於三基色LED的混光方法與流程
2023-04-23 14:50:41
本發明涉及一種LED混光方法，尤其涉及一種基於三基色LED的混光方法。
背景技術：
：近年來，LED燈已逐漸代替傳統照明光源成為新型的照明光源，LED光源具有體積小、色域廣、節能、壽命長、可控性強等諸多優點，其中市場上出現的各種智能燈漸漸被應用於一些商業照明領域，但市場上智能燈的質量參差不齊，而且由於LED發熱導致色漂等問題，如何提高智能燈照明的光品質尤其白光的照明，讓光照環境更加舒適、健康、智能可調，滿足人們對光照的需求，成為研究熱點。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是提供一種基於三基色LED的混光方法，其具有可調色溫範圍廣、數學模型簡單的特點，通過該方法可以提高白光LED照明的光品質，讓光照環境更加舒適、健康、智能可調，滿足人們對光照的需求。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種基於三基色LED的混光方法，其包括以下步驟：步驟一、利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布，並計算對應的各單色光的三刺激值；步驟二、通過光譜儀測試得到RGB三基色LED的光度學和色度學性能參數；步驟三、確定混合光的目標色坐標和色溫；步驟四、根據顏色相加原理，所述混合光的三刺激值等於各單色光的三刺激值值相加，最終得到三基色混光數學模型以及得到混合光中各單色光的比例，得混色方程組；步驟五、採用PWM方式調光通過分別調節R、G、B燈珠的佔空比來測量其光通量，分別調節單色光的佔空比得到佔空比和光通量的關係表達式；步驟六、分別調節理論所需各單色光的佔空比，測試合成光的光學參數，與目標色光進行比較，由於結溫的影響，合成光的色坐標會發生漂移，通過分別調節合成光中各單色光的比例，尋找各單色光佔空比與合成光色坐標的關係，然後通過重新建立的關係式調整三基色的比例來合成目標色光，修正結溫帶來的色漂。優選地，所述基於三基色LED的混光方法採用RGB三色混光，據顏色相加原理，所述混合光的三刺激值等於各單色光的三刺激值值相加，最終得到三基色混光數學模型，根據三基色混光數學模型，得到混合光中各單色光的比例和混色方程組。此種情況下，混光方程組有唯一解，其中(xT,yT)代表所要配出的目標顏色的坐標，(xR,yR)，(xG,yG)，(xB,yB)，分別代表了三原色R，G，B的坐標，[kR,kG,kB]表示混光方程組的三個解，於是[kR,kG,kB]可有下式線性表示：kB＝1-kG-kB。優選地，所述基於三基色LED的混光方法採用PWM方式調光，PWM調光是使開關電路在以相對於人眼識別能力來說足夠高的頻率下工作，通過設置周期和佔空比來改變輸出電流的平均值。通過建立三通道PWM調光調色的定量計算模型，分別調節R、G、B燈珠的佔空比來調節其光通量，三通道PWM的佔空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關係。這種確定性由PWM混光技術下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。優選地，所述基於三基色LED的混光方法對理論計算合成白光的三基色的佔空比進行了優化修正，由於受結溫的影響，合成光的色坐標及色溫均發生的偏差，分別調節理論所需各單色光的佔空比，測試合成光的光學參數，與目標色光進行比較，由於結溫，合成光的色坐標會發生漂移，通過分別調節合成光中各單色光的比例，尋找各單色光佔空比與合成光色坐標的關係，然後通過重新建立的關係式調整三基色的比例來合成目標色光，修正結溫帶來的色漂。優選地，所述基於三基色LED的混光方法中單色光XYZ值和色坐標值用以下公式計算：其中X、Y、Z為單色光的三刺激值，Km為最大光譜光視效能，值為683lm/W，為CIE1931標準色度觀察者配色函數，S(λ)為光譜功率分布曲線，x、y為色坐標。優選地，所述的基於三基色LED的混光方法的數學模型如下：其中φR，φG，φB為三基色各自的光通量。本發明的積極進步效果在於：本發明在理論混光所需RGB光通量的基礎上，提出了一種解決方法，通過修正三基色的佔空比來重新合成白光。通過調節修正RGB三色光通量，改變混合光x坐標和y坐標，使色坐標向目標相關色光的色坐標移動，這樣減小了色坐標的偏差，就可以減小色溫的偏差。當色坐標x和y偏差Δx、Δy同時滿足在0.003以內，而且相關色溫偏差在50K以內，那麼調節三基色佔空比修正誤差就滿足要求了。由於色溫偏高，可以增加紅色LED佔空比，相應減少綠色LED和藍色LED的佔空比。通過尋找混合光中R、G、B分別改變時佔空比與色坐標的關係，從而重新調整三基色比例，來彌補溫度對混合光色溫的影響。附圖說明圖1為本發明的流程圖。圖2為RGB三色LED連接分布圖。圖3為增加紅色LED的佔空比，合成白光的x坐標隨佔空比的變化圖。圖4為增加紅色LED的佔空比，合成白光的y坐標隨佔空比的變化圖。圖5為減少綠色LED的佔空比，合成白光的x坐標隨佔空比的變化圖。圖6為減少綠色LED的佔空比，合成白光的y坐標隨佔空比的變化圖。圖7為減少藍色LED的佔空比，合成白光的x坐標隨佔空比的變化圖。圖8為減少藍色LED的佔空比，合成白光的y坐標隨佔空比的變化圖。具體實施方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。根據色度學原理，在國際照明委員會(CIE)x-y色品圖上，兩種顏色混合產生的第三種顏色在連接兩種顏色的直線上。同理，三基色合成的光在連接三種顏色的三角形內。根據格拉斯曼混合原理可知，合成白光的色溫由三基色的比例決定，所以黑體線上不同色溫的白光都可以通過調節RGB的比例來實現。利用PWM調光技術可以高精度調節R、G、B佔空比，實現所需比例R、G、B的光通量，最終實現精準調光調色的目的。作為本發明優選的技術方案，採用RGB三基色混光的方法，需要先針對RGB三基色的配光模型進行研究。設所要配出的目標顏色的色坐標為(xT,yT)，使用的三原色R、G、B色坐標分別為(xR,yR)、(xG,yG)、(xB,yB)，光譜功率分布曲線分別為SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)，CIE1931標準色度觀察者配色函數為相應的三刺激值分別為(XT,YT,ZT)，(XR,YR,ZR)，(XG,YG,ZG)，(XB,YB,ZB)，光通量分別為φT、φR、φG、φB。單色光XYZ值和色坐標值可以由以下公式計算：其中X、Y、Z為單色光的三刺激值，Km為最大光譜光視效能，值為683lm/W，為CIE1931標準色度觀察者配色函數，S(λ)為光譜功率分布曲線，x、y為色坐標。根據光譜分布曲線疊加原理，RGB混光後的光譜功率分布曲線為三個光譜分布曲線的疊加，即為式(3)：1931CIE標準規定，光度量只與三刺激值Y成對比，X、Z只代表色度，所以三刺激值可用下式表示為式(4)，其中i＝R,G,B,T：聯立上式(2)(3)(4)整理得到三基色混光的理論數學模型為式(5)：最終化簡得到RGB各自的光通量，得式(6)：作為本發明優選的技術方案，採用PWM方式調光，PWM調光是使開關電路在以相對於人眼識別能力來說足夠高的頻率下工作，通過設置周期和佔空比來改變輸出電流的平均值。通過建立三通道PWM調光調色的定量計算模型，分別調節R、G、B燈珠的佔空比來調節其光通量，三通道PWM的佔空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關係。這種確定性由PWM混光技術下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。作為本發明優選的技術方案，對理論計算合成白光的三基色的佔空比進行了優化修正。在相同輸入電功率下，PWM調光和模擬調光這兩種調光模式下相關色溫會隨著平均輸入電流的增大而升高。平均輸入電流的增大會導致LED的結溫的升高。結溫的升高會導致色溫及色度參數的漂移，無論是模擬調光還是PWM調光都無法避免這個問題，當溫度升高時，混合光中三基色光通量的比例發生了變化，混合光的色坐標也與目標色光的色坐標發生了偏差。由上面佔空比與光通量的關係可知平均電流影響光通量，當調節混合光的某一單色光的比例時，混合光的相關色溫會發生變化，即混合光的色坐標也會發生相應的變化，由此可知只要找到單色光佔空比變化時混合光的色坐標會發生怎樣的變化，這樣就可以通過調節三基色的佔空比來改變混合光的色坐標，最終合成目標相關色溫的色光。本發明通過改變混合光x坐標和y坐標，使色坐標向目標相關色光的色坐標移動，這樣減小了色坐標的偏差，就可以減小色溫的偏差。當色坐標x和y偏差Δx，Δy同時滿足在0.003以內，而且相關色溫偏差在50K以內，那麼調節三基色佔空比修正誤差就滿足要求。如圖1所示，本發明提供基於三基色LED的混光方法，包括以下步驟：步驟一、選擇RGB三色合一的LED，型號為CREE3535，為達到照明目的，採用6個燈珠並聯，具體分布參見圖2，利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布；步驟二、通過光譜儀測試得到RGB三基色LED的光度學和色度學性能參數；步驟三、確定混合光的目標色坐標和色溫；步驟四、根據顏色相加原理，所述混合光的三刺激值等於各單色光的三刺激值值相加，最終得到三基色混光數學模型，根據三基色混光數學模型，可以得到混合光中各單色光的比例，得混色方程組。此種情況下，混光方程組有唯一解，於是[kR,kG,kB]可有下式線性式(7)表示；然後通過下式(8)可求出三基色各自的光通量，其中i＝R,G,Bφi＝kiφT------------------(8)步驟五、本發明採用PWM方式調光通過分別調節R、G、B燈珠的佔空比來測量其光通量，分別調節單色光的佔空比得到佔空比和光通量的關係表達式；步驟六、分別調節理論所需各單色光的佔空比，測試合成光的光學參數，與目標色光進行比較，由於結溫，合成光的色坐標會發生漂移，通過分別調節合成光中各單色光的比例，尋找各單色光佔空比與合成光色坐標的關係，然後通過重新建立的關係式調整三基色的比例來合成目標色光，修正結溫帶來的色漂。實施例：選擇RGB三色合一的LED，型號為科銳CLX6A-FKB的RGB三合一的3535燈珠。其主波長分別為λDR＝623.3nm，λDG＝520.2nm，λDB＝465.9nm。為達到照明效果，實現LED精確調光，本實驗採用六顆這樣的燈珠進行串聯，採用三通道PWM調光調色。為達到照明目的，採用6個燈珠並聯，利用光譜儀獲得各單色光光譜功率分布Si(λ)，然後計算各單色光的三刺激值。通過光譜儀測試得到RGB三基色LED的光度學和色度學性能參數，如下參數表1所示。表1實驗中LED燈珠的參數表燈珠色坐標X色坐標Y光通量/lmR0.70090.298841.0G0.15780.638885.2B0.31760.050924.5然後確定混合光的目標色坐標和色溫，可以通過查詢普朗克黑體線的分布以及經驗公式可以得到不同色溫的白光的光色性能參數。根據上述三基色光學參數以及目標色光的光學性能參數，可以得到混合光中各單色光的比例，從而計算得到各單色光的光通量。色溫是描述光源特性的一個基本參數，光源的色溫是與光源輻射顏色相同時黑體的溫度。但光源實際輻射特性與黑體輻射特性差別較大，所以通常用相關色溫來描述光源的顏色特性。通過測試的數據可以看到從3000K-7500K所取的9個不同色溫的點都發生了色溫的偏移，混合光的色溫都與目標色溫有較大的偏差。目標色溫及色坐標及實際混合光的色溫及色坐標以及色溫偏差如下參數表2：表2實驗中LED燈珠的參數表當LED結溫升高時，LED的光通量會明顯的降低，此時RGB三基色的光通量都發生了不同程度的變化。由於實際調光的色溫比目標色溫偏高，表明混合光裡面缺少紅光，而多餘綠光和藍光。單調R、G、B燈珠，通過增減LED的佔空比，R、G、B各單色光合成目標光光的x和y坐標隨佔空比的變化如圖。由於實際調光的色溫比目標色溫偏高，表明混合光裡面缺少紅光，而多餘綠光和藍光。本文選取一個3571K這個色溫的白光進行實驗，具體實驗如下：單調R燈珠，增加紅色LED的佔空比，合成白光的x和y坐標隨佔空比的變化如圖3和圖4，其中R燈珠y坐標部分點有上下波動，為了簡化計算，本文最終將其處理成圖中線性關係。單調G燈珠，減少綠色LED的佔空比，合成白光的x和y坐標隨佔空比的變化如圖5和圖6。單調B燈珠，減少藍色LED的佔空比，合成白光的x和y坐標隨佔空比的變化如圖7和圖8。通過分別調節R、G、B燈珠的佔空比來查看合成光的色坐標變化情況，測量R、G、B燈珠x和y坐標與佔空比的關係如圖3～圖8所示，雖然受結溫的影響，但調節佔空比時，合成光的色坐標呈現比較好的線性變化。所以合成光的x和y坐標表達式可以寫成下式(9)：單獨調節單色燈珠時，雖然色溫能達到目標色溫，但色坐標已偏離目標色溫的色坐標，x和y坐標偏差在0。003以外，所以單獨調節某一種基色的光通量的比例是達不到目標色溫的，需要調節兩種顏色或三種顏色。由於色溫偏高，可以增加紅色LED佔空比，相應減少綠色LED和藍色LED的佔空比。從圖3～圖8中可知混合光在改變三基色光通量的比例時，其x和y坐標相對成線性變化，所以通過改變三基色的佔空比來改變光通量的比例合成目標色溫的白光，可列表達式如下式(10)：其中，DR、DG、DB分別是紅色、綠色和藍色LED初始調節輸入的佔空比，D'R、D'G、D'B分別是紅色、綠色和藍色修正後輸入的佔空比。k'R、k'G、k'B分別是紅色、綠色和藍色調整佔空比時x坐標的變化率，k″R、k″G、k″B分別是紅色、綠色和藍色調整佔空比時y坐標的變化率。x和y是初始合成光的色坐標，xw和yw是目標色溫的色坐標。通過調節修正RGB三色光通量，改變混合光x坐標和y坐標，使色坐標向目標相關色光的色坐標移動，這樣減小了色坐標的偏差，就可以減小色溫的偏差。當色坐標x和y偏差Δx，Δy同時滿足在0.003以內，而且相關色溫偏差在50K以內，那麼調節三基色佔空比修正誤差就滿足要求。同理，其合成其他色溫的白光中三基色的比例也按此方法就行修正，修正後測試的實驗數據都與目標色溫比較好的吻合，色坐標和色溫均在允許的偏差範圍之內，通過調節R、G、B燈珠的光通量來解決結溫造成的色溫偏差問題，該方法操作方便快捷。通過將目標色溫的光通量設定一個條件，即所能達到的最大值和設定一個合理的定值這兩種情況，這兩種情況求解過程都可以自動編程實現，但編程涉及到的一些特性參數需要根據具體燈珠的特性確定，比如燈珠x、y坐標隨佔空比變化情況，本發明選擇了設定一個合理的定值，求解方便。以上所述的具體實施例，對本發明的解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3