基于多颗单色大功率led实现类日光光源的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及照明技术领域，更具体地说，涉及一种基于多颗LED实现类日光光源 的方法。
【背景技术】
[0002] 日光是人体长期适应的自然光，最适合于人眼视觉机能的需要，是公认的最健康 的照明光源。随着生活质量的不断提高，单纯照亮生活环境的照明方式已经不能满足人们 对心理和视觉舒适度的要求，自然健康的照明受到越来越多的关注。近年来，基于GaN的高 亮度蓝色LED的出现，使LED的发展进入一个崭新时代。基于LED的固态照明已在显示、照 明、装饰等领域得到广泛应用。基于光谱叠加原理，若将多个单色LED同时使用，通过调节 组分比例便可以设计出所需要的目标光谱。依照此方法可实现基于LED模拟日光光谱的类 日光照明，这不仅能满足人们对健康照明的需求，LED的绿色节能特点对能源节约和环境保 护也具有重大促进意义。
[0003] 目前，有学者以不同峰值波长的小功率LED作为发光模块并利用积分球进行匀 光，通过调整LED的驱动电流来改变光源的输出光谱分布，但控制电路极其复杂，而且改变 LED电流往往会引起主波长漂移、光谱半高全宽以及相对光谱功率分布的改变，增大光谱 匹配误差；另一方面，在很多类似的研宄中，研宄者多选用高斯函数或洛伦兹函数作为单色 LED的光谱辐射模型，但二者无法很好的拟合单色LED的光谱辐射谱线。
【发明内容】
[0004] 本发明提出基于多颗单色大功率LED实现类日光光源的方法。利用一种新的单色 LED光谱辐射模型建立大功率单色LED数据库，结合最小二乘法与光谱叠加原理求出了拟 合日光光谱所需的LED种类以及每种大功率LED所需要的颗数kp并采用相关指数R 2作为 评价拟合效果的参数。在此基础上，系统分析了不同LED种类及每种LED的颗数组合对日 光光谱的拟合效果，确定了 LED种类及每种LED所需颗数&的最佳组合。
[0005] 为了达到上述目的，本发明提供了一种基于多颗单色大功率LED实现类日光光源 的方法，包括如下步骤：
[0006] 第一步：构造目标光谱矩阵
[0007] 对在目标谱在380_780nm范围内等间隔d=0. 5~5nm(优选方式下d=lnm)离 散取点构造目标光谱矩阵：
[0008] 〇s(t) = [0sl, 0s2, 0s3,..., 0J；
[0009] 其中，t为目标光谱离散取点个数，osts目标光谱在第t点处光辐射强度，t相应 为 1、2、3......;
[0010] 第二步：构造LED单元矩阵0^ (入）
[0011] 对每种LED光谱数据在380-780nm范围内等间隔d离散取点构造Ojt):
[0012] 〇i(t) = [0n, 0i2, 0i3,0it]T,(i= 1,2,3,A,n)
[0013] 其中，t为LED单元离散取点个数；n为LED单元个数，由RGB三基色原理可知， n彡3 ;〇it为单色LED在第t点处的相对光谱辐射强度，t相应为1、2、3……。
[0014] 第三步：构造LED光谱矩阵
[0015] ?LED= !(t), 〇2(t), 〇3(t), A, 〇i(t)]；
[0016] 〇 i (t)表示加入第i种单色LED单元矩阵；
[0017] 第四步：构造系数矩阵K
[0018] K= [k1； k2, k3, A,ki]T
[0019] 其中h为拟合系数，表示当前仿真结果下所需要第i颗LED的颗数；
[0020] 第五步：利用最小二乘法编程求得满足下式的矩阵r即为K的广义解。最小二 乘解K#为待求最佳模拟效果下不同种类LED所需要的颗数：
[0021]
[0022] 其中，〇m= 〇^EDXK表示多种LED混合产生的光谱分布，采用R2作为评价参数， 其公式如下：
[0023] R2= 1-{ E (yyestimated value)V [ E y2-( EjY/x{\}
[0024] y为目标值，yestimated value为估测值，n为数据点个数；R % 1，其值越接近1则表示 估测值与目标值拟合效果越好。
[0025] 本发明优点是：本发明的优点在于使用了一种新的单色LED光谱辐射模型来表征 单色LED光谱分布特点，提高了仿真实验的准确度；通过使用最小二乘法给出了能快速确 定对太阳光谱有最佳模拟效果的LED组合；并能够通过改变组合中LED种类达到对太阳光 谱不同程度的再现，实现不同程度的类日光照明满足不同照明场景的要求。
【附图说明】
[0026] 图1是实施例中各LED相对光谱的分布图。
[0027] 图2是实施例中最佳组合混合光谱匹配日光光谱的分布图。
[0028] 图3是实施例中不同组合中LED种类数与相关指数之间的变化趋势图。
[0029] 图4是实施例中组合中包含27种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。
[0030] 图5是实施例中组合中包含16种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。
[0031] 图6是实施例中组合中包含13种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。
[0032] 图7是实施例中组合中包含12种LED混合光谱匹配日光光谱分布图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明中采用若干单色LED混合模拟日光光谱中可见光部分，由光谱叠加原理可 得到混合光谱模型为：
[0034] 〇m= 〇 ledXK
[0035] 其中，（^表示多种LED混合产生的光谱分布，〇咖为LED光谱矩阵，K为系数矩 阵。并采用R 2作为评价拟合效果好坏的参数，其公式如下：
[0036] R2= 1-{ E (y^estimated value)V [ E y2-( EjY/x{\}
[0037] y为目标值，yestimated value为估测值，n为数据点个数。R 1，其值越接近1则表 示估测值与目标值拟合效果越好。
[0038] 下面具体说明求解的步骤：
[0039] 第一步：构造目标光谱矩阵
[0040] 对在目标谱在380-780nm范围内离散取点构造目标光谱矩阵
[0041] 〇s(t) = [0sl, 0s2, 0s3,..., 0J ；
[0042] 其中，t为目标光谱离散取点个数，〇stS目标光谱在在改点处光辐射强度；
[0043] 第二步：构造LED单元矩阵0^ (入）
[0044] 对每种LED光谱数据在380-780nm范围内间隔lnm离散取点构造? i⑴：
[0045] ①!⑴=[① n，① i2，① i3，…，① it]T，（i = 1，2, 3, A，n)
[0046] 其中，t为LED单元离散取点个数；n为LED单元个数，由RGB三基色原理可知， n彡3 ;〇it为单色LED在该点处的相对光谱辐射强度。
[0047] 第三步：构造LED光谱矩阵〇\ED
[0048] ?LED= !(t), 〇2(t), 〇3(t), A, 〇i(t)]；
[0049] 〇 i (t)表示加入第i种单色LED单元矩阵；
[0050] 第四步：构造系数矩阵K
[0051] K = [k1； k2, k3, A , kj1
[0052] 其中a沪叫，叫表示当前仿真结果下所需要第i颗LED的颗数，a i是单色LED 光谱辐射强度与驱动电流之间的转化系数，因此可以根据h确定当前仿真结果下需要第i 颗LED的颗数。
[0053] 第五步：利用最小二乘法编稈求得滿足下式的矩阵矿即为K的广殳解
[0054]
[0055] 即最小二解K*即为待求最佳模拟效果下不同LED种类需要的颗数；
[0056] 实施例：
[0057] 实例中以104种不同种类大功率单色LED数据组成数据库，通过最优化程序，选出 数据库中的34种LED组成最佳组合来实现模拟日光在380-