基于三基色LED的混光方法

1.一种基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED的混光方法包括以下步骤：
步骤一、利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布，并计算对应的各单色光的三刺激值；
步骤二、通过光谱仪测试得到RGB三基色LED的光度学和色度学性能参数；
步骤三、确定混合光的目标色坐标和色温；
步骤四、根据颜色相加原理，所述混合光的三刺激值等于各单色光的三刺激值相加，最终得到三基色混光数学模型以及混合光中各单色光的比例，得混色方程组；
步骤五、采用PWM方式调光通过分别调节R、G、B灯珠的占空比来测量其光通量，分别调节单色光的占空比得到占空比和光通量的关系表达式；
步骤六、分别调节理论所需各单色光的占空比，测试合成光的光学参数，与目标色光进行比较，由于结温，合成光的色坐标会发生漂移，通过分别调节合成光中各单色光的比例，寻找各单色光占空比与合成光色坐标的关系，然后通过重新建立的关系式调整三基色的比例来合成目标色光，修正结温带来的色漂。
2.如权利要求1所述的基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED的混光方法采用RGB三色混光，据颜色相加原理，所述混合光的三刺激值等于各单色光的三刺激值相加，最终得到三基色混光数学模型，根据三基色混光数学模型，得到混合光中各单色光的比例，得混色方程组，此种情况下，混光方程组有唯一解，于是[kR,kG,kB]用下式线性表示，其中(xT,yT)代表所要配出的目标颜色的坐标，(xR,yR)，(xG,yG)，(xB,yB)分别代表了三原色R，G，B的坐标，[kR,kG,kB]表示混光方程组的三个解，


kB＝1-kG-kB。
3.如权利要求2所述的基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED 的混光方法采用PWM方式调光，PWM调光是使开关电路在以相对于人眼识别能力来说足够高的频率下工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值，通过建立三通道PWM调光调色的定量计算模型，分别调节R、G、B灯珠的占空比来调节其光通量，三通道PWM的占空比与混合光的光色量之间存在确定的映射关系，这种确定性由PWM混光技术下的几何、光度、色度约束条件共同决定。
4.如权利要求2所述的基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED的混光方法对理论计算合成白光的三基色的占空比进行了优化修正，由于受结温的影响，合成光的色坐标及色温均发生的偏差，分别调节理论所需各单色光的占空比，测试合成光的光学参数，与目标色光进行比较，由于结温，合成光的色坐标会发生漂移，通过分别调节合成光中各单色光的比例，寻找各单色光占空比与合成光色坐标的关系，然后通过重新建立的关系式调整三基色的比例来合成目标色光，修正结温带来的色漂。
5.如权利要求2所述的基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED的混光方法中单色光XYZ值和色坐标值用以下公式计算：





其中X、Y、Z为单色光的三刺激值，Km为最大光谱光视效能，值为683lm/W，为CIE1931标准色度观察者配色函数，S(λ)为光谱功率分布曲线，x、y为色坐标。
6.如权利要求2所述的基于三基色LED的混光方法，其特征在于，所述基于三基色LED的混光方法的数学模型如下：

其中φR，φG，φB为三基色各自的光通量。

基于三基色LED的混光方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种LED混光方法，尤其涉及一种基于三基色LED的混光方法。\n背景技术\n[0002] 近年来，LED灯已逐渐代替传统照明光源成为新型的照明光源，LED光源具有体积小、色域广、节能、寿命长、可控性强等诸多优点，其中市场上出现的各种智能灯渐渐被应用于一些商业照明领域，但市场上智能灯的质量参差不齐，而且由于LED发热导致色漂等问题，如何提高智能灯照明的光品质尤其白光的照明，让光照环境更加舒适、健康、智能可调，满足人们对光照的需求，成为研究热点。\n发明内容\n[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三基色LED的混光方法，其具有可调色温范围广、数学模型简单的特点，通过该方法可以提高白光LED照明的光品质，让光照环境更加舒适、健康、智能可调，满足人们对光照的需求。\n[0004] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于三基色LED的混光方法，其包括以下步骤：\n[0005] 步骤一、利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布，并计算对应的各单色光的三刺激值；\n[0006] 步骤二、通过光谱仪测试得到RGB三基色LED的光度学和色度学性能参数；\n[0007] 步骤三、确定混合光的目标色坐标和色温；\n[0008] 步骤四、根据颜色相加原理，所述混合光的三刺激值等于各单色光的三刺激值值相加，最终得到三基色混光数学模型以及得到混合光中各单色光的比例，得混色方程组；\n[0009] 步骤五、采用PWM方式调光通过分别调节R、G、B灯珠的占空比来测量其光通量，分别调节单色光的占空比得到占空比和光通量的关系表达式；\n[0010] 步骤六、分别调节理论所需各单色光的占空比，测试合成光的光学参数，与目标色光进行比较，由于结温的影响，合成光的色坐标会发生漂移，通过分别调节合成光中各单色光的比例，寻找各单色光占空比与合成光色坐标的关系，然后通过重新建立的关系式调整三基色的比例来合成目标色光，修正结温带来的色漂。\n[0011] 优选地，所述基于三基色LED的混光方法采用RGB三色混光，据颜色相加原理，所述混合光的三刺激值等于各单色光的三刺激值值相加，最终得到三基色混光数学模型，根据三基色混光数学模型，得到混合光中各单色光的比例和混色方程组。此种情况下，混光方程组有唯一解，其中(xT,yT)代表所要配出的目标颜色的坐标，(xR,yR)，(xG,yG)，(xB,yB)，分别代表了三原色R，G，B的坐标，[kR,kG,kB]表示混光方程组的三个解，于是[kR,kG,kB]可有下式线性表示：\n[0012]\n[0013]\n[0014] kB＝1-kG-kB。\n[0015] 优选地，所述基于三基色LED的混光方法采用PWM方式调光，PWM调光是使开关电路在以相对于人眼识别能力来说足够高的频率下工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值。通过建立三通道PWM调光调色的定量计算模型，分别调节R、G、B灯珠的占空比来调节其光通量，三通道PWM的占空比与混合光的光色量之间存在确定的映射关系。这种确定性由PWM混光技术下的几何、光度、色度约束条件共同决定。\n[0016] 优选地，所述基于三基色LED的混光方法对理论计算合成白光的三基色的占空比进行了优化修正，由于受结温的影响，合成光的色坐标及色温均发生的偏差，分别调节理论所需各单色光的占空比，测试合成光的光学参数，与目标色光进行比较，由于结温，合成光的色坐标会发生漂移，通过分别调节合成光中各单色光的比例，寻找各单色光占空比与合成光色坐标的关系，然后通过重新建立的关系式调整三基色的比例来合成目标色光，修正结温带来的色漂。\n[0017] 优选地，所述基于三基色LED的混光方法中单色光XYZ值和色坐标值用以下公式计算：\n[0018]\n[0019]\n[0020]\n[0021]\n[0022]\n[0023] 其中X、Y、Z为单色光的三刺激值，Km为最大光谱光视效能，值为683lm/W，为CIE1931标准色度观察者配色函数，S(λ)为光谱功率分布曲线，x、y为色坐\n标。\n[0024] 优选地，所述的基于三基色LED的混光方法的数学模型如下：\n[0025]\n[0026] 其中φR，φG，φB为三基色各自的光通量。\n[0027] 本发明的积极进步效果在于：本发明在理论混光所需RGB光通量的基础上，提出了一种解决方法，通过修正三基色的占空比来重新合成白光。通过调节修正RGB三色光通量，改变混合光x坐标和y坐标，使色坐标向目标相关色光的色坐标移动，这样减小了色坐标的偏差，就可以减小色温的偏差。当色坐标x和y偏差Δx、Δy同时满足在0.003以内，而且相关色温偏差在50K以内，那么调节三基色占空比修正误差就满足要求了。由于色温偏高，可以增加红色LED占空比，相应减少绿色LED和蓝色LED的占空比。通过寻找混合光中R、G、B分别改变时占空比与色坐标的关系，从而重新调整三基色比例，来弥补温度对混合光色温的影响。\n附图说明\n[0028] 图1为本发明的流程图。\n[0029] 图2为RGB三色LED连接分布图。\n[0030] 图3为增加红色LED的占空比，合成白光的x坐标随占空比的变化图。\n[0031] 图4为增加红色LED的占空比，合成白光的y坐标随占空比的变化图。\n[0032] 图5为减少绿色LED的占空比，合成白光的x坐标随占空比的变化图。\n[0033] 图6为减少绿色LED的占空比，合成白光的y坐标随占空比的变化图。\n[0034] 图7为减少蓝色LED的占空比，合成白光的x坐标随占空比的变化图。\n[0035] 图8为减少蓝色LED的占空比，合成白光的y坐标随占空比的变化图。\n具体实施方式\n[0036] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。\n[0037] 根据色度学原理，在国际照明委员会(CIE)x-y色品图上，两种颜色混合产生的第三种颜色在连接两种颜色的直线上。同理，三基色合成的光在连接三种颜色的三角形内。根据格拉斯曼混合原理可知，合成白光的色温由三基色的比例决定，所以黑体线上不同色温的白光都可以通过调节RGB的比例来实现。利用PWM调光技术可以高精度调节R、G、B占空比，实现所需比例R、G、B的光通量，最终实现精准调光调色的目的。\n[0038] 作为本发明优选的技术方案，采用RGB三基色混光的方法，需要先针对RGB三基色的配光模型进行研究。设所要配出的目标颜色的色坐标为(xT,yT)，使用的三原色R、G、B色坐标分别为(xR,yR)、(xG,yG)、(xB,yB)，光谱功率分布曲线分别为SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)，CIE1931标准色度观察者配色函数为 相应的三刺激值分别为(XT,YT,ZT)，(XR,\nYR,ZR)，(XG,YG,ZG)，(XB,YB,ZB)，光通量分别为φT、φR、φG、φB。\n[0039] 单色光XYZ值和色坐标值可以由以下公式计算：\n[0040]\n[0041]\n[0042]\n[0043]\n[0044]\n[0045] 其中X、Y、Z为单色光的三刺激值，Km为最大光谱光视效能，值为683lm/W，为CIE1931标准色度观察者配色函数，S(λ)为光谱功率分布曲线，x、y为色坐\n标。\n[0046] 根据光谱分布曲线叠加原理，RGB混光后的光谱功率分布曲线为三个光谱分布曲线的叠加，即为式(3)：\n[0047]\n[0048] 1931CIE标准规定，光度量只与三刺激值Y成对比，X、Z只代表色度，所以三刺激值可用下式表示为式(4)，其中i＝R,G,B,T：\n[0049]\n[0050] 联立上式(2)(3)(4)整理得到三基色混光的理论数学模型为式(5)：\n[0051]\n[0052] 最终化简得到RGB各自的光通量，得式(6)：\n[0053]\n[0054] 作为本发明优选的技术方案，采用PWM方式调光，PWM调光是使开关电路在以相对于人眼识别能力来说足够高的频率下工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值。通过建立三通道PWM调光调色的定量计算模型，分别调节R、G、B灯珠的占空比来调节其光通量，三通道PWM的占空比与混合光的光色量之间存在确定的映射关系。这种确定性由PWM混光技术下的几何、光度、色度约束条件共同决定。\n[0055] 作为本发明优选的技术方案，对理论计算合成白光的三基色的占空比进行了优化修正。在相同输入电功率下，PWM调光和模拟调光这两种调光模式下相关色温会随着平均输入电流的增大而升高。平均输入电流的增大会导致LED的结温的升高。结温的升高会导致色温及色度参数的漂移，无论是模拟调光还是PWM调光都无法避免这个问题，当温度升高时，混合光中三基色光通量的比例发生了变化，混合光的色坐标也与目标色光的色坐标发生了偏差。由上面占空比与光通量的关系可知平均电流影响光通量，当调节混合光的某一单色光的比例时，混合光的相关色温会发生变化，即混合光的色坐标也会发生相应的变化，由此可知只要找到单色光占空比变化时混合光的色坐标会发生怎样的变化，这样就可以通过调节三基色的占空比来改变混合光的色坐标，最终合成目标相关色温的色光。本发明通过改变混合光x坐标和y坐标，使色坐标向目标相关色光的色坐标移动，这样减小了色坐标的偏差，就可以减小色温的偏差。当色坐标x和y偏差Δx，Δy同时满足在0.003以内，而且相关色温偏差在50K以内，那么调节三基色占空比修正误差就满足要求。\n[0056] 如图1所示，本发明提供基于三基色LED的混光方法，包括以下步骤：\n[0057] 步骤一、选择RGB三色合一的LED，型号为CREE 3535，为达到照明目的，采用6个灯 珠并联，具体分布参见图2，利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布；\n[0058] 步骤二、通过光谱仪测试得到RGB三基色LED的光度学和色度学性能参数；\n[0059] 步骤三、确定混合光的目标色坐标和色温；\n[0060] 步骤四、根据颜色相加原理，所述混合光的三刺激值等于各单色光的三刺激值值相加，最终得到三基色混光数学模型，根据三基色混光数学模型，可以得到混合光中各单色光的比例，得混色方程组。此种情况下，混光方程组有唯一解，于是[kR,kG,kB]可有下式线性式(7)表示；\n[0061]\n[0062] 然后通过下式(8)可求出三基色各自的光通量，其中i＝R,G,B\n[0063] φi＝kiφT------------------(8)\n[0064] 步骤五、本发明采用PWM方式调光通过分别调节R、G、B灯珠的占空比来测量其光通量，分别调节单色光的占空比得到占空比和光通量的关系表达式；\n[0065] 步骤六、分别调节理论所需各单色光的占空比，测试合成光的光学参数，与目标色光进行比较，由于结温，合成光的色坐标会发生漂移，通过分别调节合成光中各单色光的比例，寻找各单色光占空比与合成光色坐标的关系，然后通过重新建立的关系式调整三基色的比例来合成目标色光，修正结温带来的色漂。\n[0066] 实施例：\n[0067] 选择RGB三色合一的LED，型号为科锐CLX6A-FKB的RGB三合一的3535灯珠。其主波长 分别为λDR＝623.3nm，λDG＝520.2nm，λDB＝465.9nm。为达到照明效果，实现LED精确调光，本实验采用六颗这样的灯珠进行串联，采用三通道PWM调光调色。为达到照明目的，采用6个灯珠并联，利用光谱仪获得各单色光光谱功率分布Si(λ)，然后计算各单色光的三刺激值。\n[0068] 通过光谱仪测试得到RGB三基色LED的光度学和色度学性能参数，如下参数表1所示。\n[0069] 表1实验中LED灯珠的参数表\n[0070]\n灯珠 色坐标X 色坐标Y 光通量/lm \nR 0.7009 0.2988 41.0 \nG 0.1578 0.6388 85.2 \nB 0.3176 0.0509 24.5 \n[0071] 然后确定混合光的目标色坐标和色温，可以通过查询普朗克黑体线的分布以及经验公式可以得到不同色温的白光的光色性能参数。\n[0072] 根据上述三基色光学参数以及目标色光的光学性能参数，可以得到混合光中各单色光的比例，从而计算得到各单色光的光通量。\n[0073] 色温是描述光源特性的一个基本参数，光源的色温是与光源辐射颜色相同时黑体的温度。但光源实际辐射特性与黑体辐射特性差别较大，所以通常用相关色温来描述光源的颜色特性。通过测试的数据可以看到从3000K-7500K所取的9个不同色温的点都发生了色温的偏移，混合光的色温都与目标色温有较大的偏差。目标色温及色坐标及实际混合光的色温及色坐标以及色温偏差如下参数表2：\n[0074] 表2实验中LED灯珠的参数表\n[0075]\n[0076]\n[0077] 当LED结温升高时，LED的光通量会明显的降低，此时RGB三基色的光通量都发生了不同程度的变化。由于实际调光的色温比目标色温偏高，表明混合光里面缺少红光，而多余绿光和蓝光。\n[0078] 单调R、G、B灯珠，通过增减LED的占空比，R、G、B各单色光合成目标光光的x和y坐标随占空比的变化如图。\n[0079] 由于实际调光的色温比目标色温偏高，表明混合光里面缺少红光，而多余绿光和蓝光。本文选取一个3571K这个色温的白光进行实验，具体实验如下：\n[0080] 单调R灯珠，增加红色LED的占空比，合成白光的x和y坐标随占空比的变化如图3和图4，其中R灯珠y坐标部分点有上下波动，为了简化计算，本文最终将其处理成图中线性关系。\n[0081] 单调G灯珠，减少绿色LED的占空比，合成白光的x和y坐标随占空比的变化如图5和图6。\n[0082] 单调B灯珠，减少蓝色LED的占空比，合成白光的x和y坐标随占空比的变化如图7和图8。\n[0083] 通过分别调节R、G、B灯珠的占空比来查看合成光的色坐标变化情况，测量R、G、B灯珠x和y坐标与占空比的关系如图3～图8所示，虽然受结温的影响，但调节占空比时，合成光的色坐标呈现比较好的线性变化。所以合成光的x和y坐标表达式可以写成下式(9)：\n[0084]\n[0085] 单独调节单色灯珠时，虽然色温能达到目标色温，但色坐标已偏离目标色温的色坐标，x和y坐标偏差在0。003以外，所以单独调节某一种基色的光通量的比例是达不到目标色温 的，需要调节两种颜色或三种颜色。由于色温偏高，可以增加红色LED占空比，相应减少绿色LED和蓝色LED的占空比。从图3～图8中可知混合光在改变三基色光通量的比例时，其x和y坐标相对成线性变化，所以通过改变三基色的占空比来改变光通量的比例合成目标色温的白光，可列表达式如下式(10)：\n[0086]\n[0087] 其中，DR、DG、DB分别是红色、绿色和蓝色LED初始调节输入的占空比，D'R、D'G、D'B分别是红色、绿色和蓝色修正后输入的占空比。k'R、k'G、k'B分别是红色、绿色和蓝色调整占空比时x坐标的变化率，k″R、k″G、k″B分别是红色、绿色和蓝色调整占空比时y坐标的变化率。x和y是初始合成光的色坐标，xw和yw是目标色温的色坐标。\n[0088] 通过调节修正RGB三色光通量，改变混合光x坐标和y坐标，使色坐标向目标相关色光的色坐标移动，这样减小了色坐标的偏差，就可以减小色温的偏差。当色坐标x和y偏差Δx，Δy同时满足在0.003以内，而且相关色温偏差在50K以内，那么调节三基色占空比修正误差就满足要求。\n[0089] 同理，其合成其他色温的白光中三基色的比例也按此方法就行修正，修正后测试的实验数据都与目标色温比较好的吻合，色坐标和色温均在允许的偏差范围之内，通过调节R、G、B灯珠的光通量来解决结温造成的色温偏差问题，该方法操作方便快捷。通过将目标色温的光通量设定一个条件，即所能达到的最大值和设定一个合理的定值这两种情况，这两种情况求解过程都可以自动编程实现，但编程涉及到的一些特性参数需要根据具体灯珠的特性确定，比如灯珠x、y坐标随占空比变化情况，本发明选择了设定一个合理的定值，求解方便。\n[0090] 以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。