多通道LED照明系统的光谱调节方法与流程

本申请属于照明技术领域，具体涉及一种多通道led照明系统的光谱调节方法。

背景技术：

随着led和智能控制技术的飞速发展，以及人类关于光对人的身心影响研究的不断深入，光环境的研究与应用已从原有的视觉功效发展到与情绪、睡眠、认知、节律等各个方面有关的光与健康的问题，照明逐步从静态照明走向动态照明。所谓动态照明就是根据周围环境的亮度调整照明光谱及强度，从而为人们创造健康、舒适、高效的光环境。

由于led技术具有良好的控制特性，且具有光谱窄带性和丰富的光谱选择，因此通过不同光谱混合可以得到满足健康照明需要的光谱。当前市场上led变色温灯具主要是通过调整低色温芯片和高色温芯片这两种白光芯片的功率比例，或者通过调整红光芯片、绿光芯片和蓝光芯片这三种彩色光芯片的功率比例，来实现灯具色温和光输出变化的。然而这两种解决方案仅能实现光源色温或者颜色的变化，无法满足光谱变化过程中显色指数以及光谱对生理影响的调节。因此利用多通道(通道数量＞4)led照明系统实现光谱组合以满足健康照明或颜色质量评价需求成为了一种趋势。然而，随着通道数量的增加，对于led照明系统的控制提出了更高的要求，这也成为导致市场迟迟未推出市场化的多通道led照明系统的重要技术障碍。现阶段还无法有效解决利用多通道led照明系统实现任意目标光谱的调节。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种多通道led照明系统的光谱调节方法。

根据本申请实施例的一方面，本申请提供了一种多通道led照明系统的光谱调节方法，其包括以下步骤：

根据照明应用需求，预设光谱调节目标变量及其要求；

生成多通道led照明系统的合成光谱；

计算合成光谱的目标变量值；

判断合成光谱的目标变量值是否满足预设的光谱调节目标变量的要求，如果不满足，则重新生成多通道led照明系统的合成光谱，直至得到的合成光谱的目标变量值满足预设的光谱调节目标变量的要求，得到满足照明应用需求的合成光谱；

其中，

生成多通道led照明系统的合成光谱的过程为：

测得多通道led照明系统中各通道的芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布数组p[p,m]；p表示led照明系统的通道数量(p＞3)；m表示光谱功率分布数组的数量；

对多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数进行随机采样，生成多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数样本k[1，p]；

根据各通道芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布数组p[p,m]和多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数样本k[1，p]生成合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]，得到合成光谱，其中，合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]为：p[1,m]＝k[1,p]×p[p,m]。

进一步地，所述光谱功率分布数组的数量m的取值范围为其中，δλ表示光谱功率分布数组的波长步长，λmax表示光谱功率分布数组的最大波长，λmin表示光谱功率分布数组的最小波长。

进一步地，所述计算合成光谱的目标变量值包括计算合成光谱的相关色温，合成光谱的相关色温的计算过程为：

合成光谱的相关色温tcp为：

tcp＝-449*nk³+3525*nk²-6823.3*nk+5520.33，

式中，nk表示拟合系数，

nk＝(xk-0.332)/(yk-0.1858)，

式中，xk表示合成光谱x轴的色品坐标，yk表示合成光谱y轴的色品坐标；

式中，xk，yk，zk表示合成光谱的三刺激值，通过以下公式计算得到：

式中，g表示归一化系数，

sk(λ)表示合成光谱的相对光谱功率分布；δλ表示光源的相对光谱功率分布的波长测试间隔；和表示标准色度观察者色匹配函数根据查表获得。

更进一步地，所述计算合成光谱的目标变量值包括计算合成光谱与参考光源的色品差，其过程为：

式中，uk,vk表示合成光谱的色品坐标，ur,vr表示参考光源的色品坐标；

其中，

式中，xr，yr，zr表示参考光源的三刺激值，通过以下公式计算得到：

式中，sr(λ)表示合成光谱的相对光谱功率分布。

更进一步地，所述计算合成光谱的目标变量值包括计算合成光谱的显色指数；

其中，每个颜色样品对应的特殊显色指数的计算过程为：

判断合成光谱与参考光源之间的色品差是否小于5.4*10^-3，如果是，则分别计算各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的cie1931xyz刺激值；

根据各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的cie1931xyz刺激值，分别计算各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的u,v色品坐标；

对合成光谱照射下颜色样品的色品坐标的色适应色品位移进行修正，得到在合成光谱下各颜色样品的色品位移修正后的色品坐标；

分别计算各颜色样品在合成光谱和参考光源下的色度参数；

根据各颜色样品在合成光谱和参考光源下的色度参数，计算得到在合成光谱和参考光源分别照射下颜色样品的色差；

根据颜色样品的色差，计算各个颜色样品的对应的显色指数。

更进一步地，所述各颜色样品在合成光谱照射下的cie1931xyz三刺激值根据下式计算得到：

各颜色样品在参考光源照射下的cie1931xyz三刺激值根据下式计算得到：

式中，i表示评价颜色样品的序号；ρ(λ)i表示颜色样品可见光光谱反射比。

更进一步地，所述各颜色样品在合成光谱照射下的u,v色品坐标uk,i,vk,i根据下式计算得到：

所述各颜色样品在参考光源照射下的u,v色品坐标ur,i,vr,i根据下式计算得到：

更进一步地，所述各个颜色样品的对应的特殊显色指数ri为：

ri＝100-4.6δei，

一般显色指数ra由第1～8号标准颜色样品的特殊显色指数计算得到：

式中，δei表示在合成光谱和参考光源分别照射下各颜色样品的色差，wr,i^*，ur,i^*，vr,i^*表示参考光源下各颜色样品的色度参数，wk,i^*，uk,i^*，vk,i^*表示合成光谱下各颜色样品的色度参数。

进一步地，多通道led照明系统的光谱调节方法还包括以下步骤：

确定当前各通道调光比例下的最大调光动态范围dr：

式中，φmax表示根据随机生成的控制系数比例，在多通道led照明系统产生的光通满足设定颜色质量目标变量条件下，多通道led照明系统能够产生的最大光通，其计算公式如下：

式中，max(k[1,p])表示控制系数样本中的最大值；km表示辐射的光谱视效能的最大值；p(n)表示合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]中第n列数据；v(n)表示波长为λmin+(n-1)*δλ时对应的光谱光视效率：δλ表示光谱功率分布数组的波长步长；

φmin表示根据随机生成的控制系数比例，在多通道led照明系统产生的光通满足设定颜色质量目标变量条件下，多通道led照明系统能够产生的最小光通，其计算公式如下：

式中，min(k[1,p])表示控制系数样本中非零系数的最小值；q表示多通道led照明系统控制系统ad转化位数。

更进一步地，所述多通道led照明系统控制系统ad转化位数为8、14或16。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请根据照明应用需求，先预设光谱调节目标变量及其要求；再生成多通道led照明系统的合成光谱，并计算合成光谱的目标变量值；进而判断合成光谱的目标变量值是否满足预设的光谱调节目标变量的要求，对于不满足的情况，重新生成合成光谱，这样本申请就能够实现对任意目标光谱的调节，能够有效实现多通道led照明系统(通道数量大于3)的照明控制，从而为相关产品的研发提供重要技术支撑。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种多通道led照明系统的光谱调节方法的流程图。

图2为本申请具体实施方式提供的11通道led照明系统中各通道芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布曲线，其中，横坐标表示波长，纵坐标表示相对辐射功率。

图3为本申请具体实施方式提供的符合预设光谱调节目标变量及其要求的合成光谱的光谱曲线，其中，横坐标表示波长，纵坐标表示相对辐射功率。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本申请具体实施方式提供的一种多通道led照明系统的光谱调节方法的流程图。如图1所示，多通道led照明系统的光谱调节方法包括以下步骤：

s1、根据照明应用需求，预设光谱调节目标变量及其要求。其中，光谱调节目标变量可以为相关色温、色品差和显色指数等。具体地，光谱调节目标变量的要求可以为各光谱调节目标变量满足的取值范围。

s2、测得多通道led照明系统中各通道的芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布数组p[p,m]；其中，p表示led照明系统的通道数量(p＞3)；m表示光谱功率分布数组的数量，取值一般为其中，δλ表示光谱功率分布数组的波长步长，一般取值为5nm；λmax表示光谱功率分布数组的最大波长，一般取值为780nm；λmin表示光谱功率分布数组的最小波长，一般取值为380nm。

s3、对多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数进行随机采样，生成多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数样本k[1，p]。

s4、根据各通道芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布数组p[p,m]和多通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数样本k[1，p]生成合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]，得到合成光谱。其中，合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]为：

p[1,m]＝k[1,p]×p[p,m](1)

s5、根据《光源显色性评价方法》gb5702、《照明光源颜色的测量方法》gb/t7922等相关标准，计算合成光谱的目标变量值，其具体过程为：

对于合成光谱的相关色温，其计算过程为：

合成光谱的相关色温tcp为：

tcp＝-449*nk³+3525*nk²-6823.3*nk+5520.33(2)

式(2)中，nk表示拟合系数，

nk＝(xk-0.332)/(yk-0.1858)(3)

式(3)中，xk表示合成光谱x轴的色品坐标，yk表示合成光谱y轴的色品坐标；

式(4)中，xk，yk，zk表示合成光谱的三刺激值，通过以下公式计算得到：

式(5)～(7)中，g表示归一化系数，

sk(λ)表示合成光谱的相对光谱功率分布；δλ表示光源的相对光谱功率分布的波长测试间隔；和表示标准色度观察者色匹配函数根据查表获得，该表为标准色度观察者色匹配函数表，如表1所示。

表1标准色度观察者色匹配函数表

对于合成光谱与参考光源的色品差，根据以下公式计算：

式(9)中，uk,vk表示合成光谱的色品坐标，ur,vr表示参考光源的色品坐标。

其中，

式(12)和(13)中，xr，yr，zr表示参考光源的三刺激值，通过以下公式计算得到：

式(14)～(16)中，sr(λ)表示参考光源的相对光谱功率分布。

对于合成光谱的显色指数，其包括特殊显色指数和一般显色指数，其中，每个颜色样品对应的显色指数的计算过程为：

s51、判断合成光谱与参考光源之间的色品差是否小于5.4*10^-3。如果是，则分别计算各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的cie1931xyz刺激值。

各颜色样品在合成光谱照射下的cie1931xyz三刺激值根据式(17)～(19)计算得到：

各颜色样品在参考光源照射下的cie1931xyz三刺激值根据式(20)～(22)计算得到：

式(17)～(22)中，i表示评价颜色样品的序号；ρ(λ)i表示颜色样品可见光光谱反射比。

s52、根据各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的cie1931xyz刺激值，分别计算各颜色样品在合成光谱与参考光源照射下的u,v色品坐标。

各颜色样品在合成光谱照射下的u,v色品坐标uk,i,vk,i根据式(23)和(24)计算得到：

各颜色样品在参考光源照射下的u,v色品坐标ur,i,vr,i根据式(25)和(26)计算得到：

s53、对合成光谱照射下颜色样品的色品坐标的色适应色品位移进行修正，得到在合成光谱下各颜色样品的色品位移修正后的色品坐标。

色品位移修正后，在合成光谱照射下第i个样品的色品坐标为：

式(27)和(28)中，cr,dr表示参考光源体色适应色品位移修正值，

ck,dk表示合成光谱色适应色品位移修正值，

ck,i，dk,i表示第i个颜色样品色适应色品位移修正值，

s54、分别计算各颜色样品在合成光谱和参考光源下的色度参数。

对于参考光源下各颜色样品的色度参数wr,i^*，ur,i^*，vr,i^*，

式(35)～(36)中，uri和vri分别表示参考光源照射下颜色样品的u,v色品坐标，u0和v0分别表示参考光源的色品坐标。表示各颜色样品在参考光源照射下的cie1931y刺激值的1/3次方。

对于合成光谱下各颜色样品的色度参数wk,i^*，uk,i^*，vk,i^*，

式(38)～(40)中，和分别表示，在合成光谱照射下第i个样品在色品位移修正后的色品坐标，u0和v0分别表示参考光源的色品坐标。表示各颜色样品在合成光谱照射下的cie1931y刺激值的1/3次方。

s55、根据各颜色样品在合成光谱和参考光源下的色度参数，计算得到在合成光谱和参考光源分别照射下各颜色样品的色差。其中，色差δe为：

式(41)，wr,i^*，ur,i^*，vr,i^*表示参考光源下各颜色样品的色度参数，wk,i^*，uk,i^*，vk,i^*表示合成光谱下各颜色样品的色度参数。

s56、根据颜色样品的色差，计算各个颜色样品的对应的显色指数，其中，各个颜色样品的对应的特殊显色指数ri为：

ri＝100-4.6δei(42)

一般显色指数ra由第1～8号标准颜色样品的特殊显色指数计算得到：

s6、判断合成光谱的目标变量值是否满足预设的光谱调节目标变量的要求，如果不满足，则重复步骤s3～s6，直至得到的合成光谱的目标变量值满足预设的光谱调节目标变量的要求，得到满足照明应用需求的合成光谱。

需要说明的是，当预设的光谱调节目标变量仅为色温、色品差和显色指数等颜色质量参数时，本申请多通道led照明系统的光谱调节方法还包括以下步骤：

由于以上参数仅与相对光谱分布有关，在以上计算基础上，还可以确定当前各通道调光比例下的最大调光动态范围dr：

式(44)中，φmax表示根据随机生成的控制系数比例，在多通道led照明系统产生的光通满足设定颜色质量目标变量条件下，多通道led照明系统能够产生的最大光通，其计算公式如下：

式(45)中，max(k[1,p])表示控制系数样本中的最大值；km表示辐射的光谱视效能的最大值，其取值可以为683lm/w；p(n)表示合成光谱的光谱功率分布数组p[1,m]中第n列数据；v(n)表示波长为λmin+(n-1)*δλ时对应的光谱光视效率：δλ表示光谱功率分布数组的波长步长，一般取值为5nm。

φmin表示根据随机生成的控制系数比例，在多通道led照明系统产生的光通满足设定颜色质量目标变量条件下，多通道led照明系统能够产生的最小光通，其计算公式如下：

式(46)中，min(k[1,p])表示控制系数样本中非零系数的最小值；q表示多通道led照明系统控制系统ad转化位数，可以取值为8、14或16等。

上述步骤s5中，还可以根据用户需求设定相应的计算方法，来计算合成光谱的目标变量值。

下面结合具体的实施例对本申请作进一步说明。

s11、根据照明应用需求，预设的光谱调节目标变量及其要求具体为：

色温为：4000k±10k；

与参考光源的色品差的绝对值不超过0.003；

一般显色指数为：ra≥80。

s12、选用11通道led照明系统，各通道绝对光谱功率分布曲线如图2所示。测得各通道芯片在其额定功率下的绝对光谱功率分布数组。

s13、利用蒙特卡洛采样方法对11通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数进行随机采样，生成11通道led照明系统介于[0,1]之间的控制系数样本，构成数组k[1,11]。

s14、重复利用随机生成控制系数样本和11通道绝对光谱功率分布数组生成合成光谱。

s15、分别计算合成光谱的色温、色品差和显色指数。

s16、判断合成光谱的色温、色品差和显色指数是否满足预设的光谱调节目标变量的要求，如果不满足，则重复步骤s13～s16，直至得到的合成光谱的色温、色品差和显色指数满足预设的光谱调节目标变量的要求，得到满足照明应用需求的合成光谱。

s17、通过计算得到11通道led照明系统各通道的控制系数以及合成光谱的相关色温、色品差和一般显色指数，如表1所示。符合预设光谱调节目标变量及其要求的合成光谱的光谱曲线如图3所示。

表111通道led照明系统各通道的控制系数以及合成光谱的各目标变量值

根据表1中得到的控制系数最大值可以得到，该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最大光通为：

根据表1中得到的控制系数最小值以及该11通道led照明系统控制系统ad转换位数可以得到，该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最小光通分别为：

当ad转化位数为8位时，该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最小光通为21.2lm。

当ad转化位数为14位时，该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最小光通为0.33lm。

当ad转化位数为16位时，该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最小光通为0.08lm。

根据该11通道led照明系统在当前各通道调光比例下的最大光通和最小光通，得到该11通道led照明系统的调光动态范围为：

当ad转化位数为8位时，其动态范围为47.8:1。

当ad转化位数为14位时，其动态范围为3056.4:1。

当ad转化位数为16位时，其动态范围为12225.5:1。

健康照明的核心就是因时、因地、因人，动态调整光源的光通输出与光谱，从而为人们创造健康、舒适、高效的光环境。为了解决在照明应用中广泛使用的双通道、三通道调光产品存在色温、显色指数等特性无法有效控制等问题，开发成熟、稳定的多通道led照明系统成为照明应用的重要研究内容。而当通道数量大于3时，控制算法就变得非常复杂，无法通过简单的线性变换来实现控制策略。本申请多通道led照明系统的光谱调节方法能够有效实现多通道led照明系统(通道数量大于3)的照明控制，从而为相关产品的研发提供重要技术支撑。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。