基于亮度参数的多通道led照明系统的光谱匹配方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，属于LED照明技术领域。本发明首先利用光谱辐射计测量出每一LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布数据以及以若干数字驱动等级条件下的亮度值；然后利用最大数字驱动值时的光谱功率分布数据和目标光谱功率分布数据，经牛顿迭代算法计算出用以模拟目标光谱功率分布的每种LED通道之间的亮度比例值；最后通过三次样条插值算法计算出每种LED通道所需亮度比例条件下的数字驱动值，从而最终实现目标光谱。本发明解决了如何利用多通道照明系统模拟任意光谱时各LED通道所需的数字驱动值问题，为高精度图像再现、颜色复制等领域提供了必要的观察照明条件。
【专利说明】
基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法
技术领域
[0001] 本发明涉及LED照明技术领域，特别涉及一种基于亮度参数的多通道LED照明系统 的光谱匹配方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着国家对节能减排的重视，LED照明设备已越来越多的应用在室外照明 领域，而LED室内照明将成为下一个照明领域研究的热点。
[0003] LED除了低耗能、寿命长的特点外，其窄带光谱以及瞬间响应的发光特点使光谱可 调成为可能。传统光源的光谱分布是确定的，但LED光源可以通过组合不同色光LED来实现 任意光谱组成的光环境。
[0004] LED光谱可调光源是利用迭代方法优化由多种不同峰值波长的LED辐射叠加所形 成的模拟光谱，使其与目标光谱差最小，最终实现预定的光源光谱功率分布。
[0005] 由于各项光度学和色度学参数都是基于辐射度学中的光谱功率分布或光谱反射 比的基础上推演而来，因此当光源的光谱功率分布确定之后，光源的亮度值以及光源色品 坐标、色温等一系列色度学量也就相应确定下来。也即是说，如能很好的模拟任意光源或者 发光体的光谱功率分布，即可以对其色品坐标、颜色三刺激值等一系列色度学参数进行匹 配和复制，在实际应用中具有非常大的应用前景，尤其是对光学遥感器的辐射定标、光源显 色性研究、以及光生物学等领域提供可靠的技术支持。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于亮度参数的多通道LED照明 系统的光谱匹配方法。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] -种基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，包括步骤：
[0009] 1)测量标准白板或标准灰板的光谱反射比Ρ[5(λ);
[0010] 2)测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等 级下的绝对光谱功率分布数据Ρ?(λ);
[0011] 3)通过公式（1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等 级下的绝对光谱功率分布数据/(λ);:公式(1)中，i = l~n，其中η为LED照明系统通道数；
[0012] ρ￡￡Αμ) = ρ,μ)/Ρθμ) (1)
[0013] 4)对每种LED通道的数字驱动值从0~255等级范围内采样，采样数量不小于3,且 包括最大数字驱动值255;然后采用步骤2)和步骤3)的方法测量出所采样本驱动值等级下 每种LED通道的亮度数据，将数字驱动值为6,的样本测量所得的亮度值记作4,;
[0014] 5)将步骤4)所得每种LED通道在各采样数字驱动值下的亮度值按照公式(2)进行 归一化处理;其中，将255等级数字驱动值下的亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的亮度 相对于255等级数字驱动值下的亮度的比例进行调整，得到在0~1之间的一系列归一化后 的相对亮度值#6(;
[0015] /?〔,.= (2)
[0016] 6)预定义可以实现目标光谱的每种LED通道亮度的比例值ki(0)，i = 1~η，其中η 为LED照明系统通道数，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后1^〇)的值，式中，a为经验值 比例系数，取100, Am,(幻为每种LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，Ρ5(λ)为目标 光谱；
[0018] 7)根据判别公式(4)判断j次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代 阈值，如果小于迭代阈值，迭代过程结束;如果大于迭代阈值，则进行下一次迭代，其中，ε为 迭代阈值；
[0020] 8)判断利用步骤6)和7)的迭代算法所获得的lu(j)数组中的每一个元素是否都小 于1，如果都小于1执行下一步，如果有任何一个元素大于1，降低测量面照度后，并要求返回 到步骤1重新执行；
[0021] 9)根据数字驱动值仏和归一化后的相对亮度值^^的比例关系，利用插值算法计算 出预测所需的亮度1/所对应的每种LED通道的数字驱动值G/。
[0022] 本发明首先利用光谱辐射计测量出每一 LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分 布数据以及以若干数字驱动等级条件下的亮度值;然后利用最大数字驱动值时的光谱功率 分布数据和目标光谱功率分布数据，经牛顿迭代算法计算出用以模拟目标光谱功率分布的 每种LED通道之间的亮度比例值;最后通过三次样条插值算法计算出每种LED通道所需亮度 比例条件下的数字驱动值，从而最终实现目标光谱。
[0023]作为优选方案，步骤1)中，采用分光光度计测量标准白板或标准灰板的光谱反射 比P白(入）。
[0024] 作为优选方案，步骤2)中，采用光谱辐射计测量经所述标准白板或标准灰板反射 的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据Ρ?(λ)。
[0025] 进一步地，步骤4)中，采用光谱辐射计测量所采样本驱动值等级下每种LED通道的 亮度数据4。
[0026]作为优选方案，步骤4)中对每种LED通道的数字驱动值从0~255等级范围内均匀 采样，采用数目为9-12个。
[0027]作为优选方案，步骤7)中，迭代阈值取值为0.0001。
[0028]作为优选方案，步骤9)中所述插值算法为三次样条插值算法。
[0029] 本发明的有益效果为：
[0030] 本发明的光谱匹配方法适用于解决LED多通道照明系统的光谱匹配问题，利用亮 度作为重要参数指标，对辐射光谱可覆盖或基本覆盖可见光范围且大于3通道的任意通道 数的LED照明系统均可由本发明方法进行光谱匹配，精度高，且简便实用。
[0031] 本发明解决了如何利用多通道照明系统模拟任意光谱时各LED通道所需的数字驱 动值问题，此问题的解决为高精度图像再现、颜色复制等科技领域提供了必要的观察照明 条件。
【具体实施方式】
[0032] 以11通道LED照明系统模拟测量面照度ΙΟΟΟΙχ条件下的标准照明体A的光谱功率 分布为例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅 仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033] 实施例1
[0034] -种基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，包括步骤：
[0035] 1)利用X-Rite SpectralEye分光光度计测量X-Rite ColorChecker Passport标 准灰板的光谱反射比Ρ6(λ)，结果如表1所示；
[0036] 2)利用Topcon SR-3A光谱福射计测量经X-Rite ColorChecker Passport标准灰 板反射的11种LED通道在最大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据Ρ?(λ)，11种 LED通道的光谱数据如表2-1、表2-2、表2-3、表2-4所示；
[0037] 3)通过公式（1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等 级下的绝对光谱功率分布数据公式(1)中，i = l~Π，其中η为LED照明系统通道数
[0038] PmDi (2;) = Pm (λ)ΙΡ& (Λ) (1 )
[0039] 绝对光谱功率分布数据/^根据表1与表2-1、表2-2、表2-3、表2-4中的数据计 算即可；
[0040] 4)对每种LED通道的数字驱动值进行采样，采样值分别为255、235、215、195、175、 150、100、80、60、40、25;采用1'〇?(：〇1131?-34光谱辐射计以步骤2)和步骤3)的方法测量出所 采样本驱动值等级下11种LED通道的亮度数据，将数字驱动值为样本测量所得的亮度 值记作; 11种LED通道的亮度值如表3-1、表3-2所示；
[0041] 5)将步骤4)所得11种LED通道在11个采样数字驱动值下的亮度值按照公式(2)进 行归一化处理;其中，将255等级数字驱动值下的亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的亮 度相对于255等级数字驱动值下的亮度的比例进行调整，得到在0~1之间的一系列归一化 后的相对亮度值^@，相对亮度值#(；,如表4-1、表4-2所示；
[0042] R,； = 1,: ； (2)
[0043] 6)预定义11种LED通道亮度的比例值ki(0)为1:1:1:1:1:1:1:1:1:1:1，用以实现 标准照明体A的光谱功率分布，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后的kdj)值，本例共迭 代20次，ki的20次迭代取值如表5-1、表5-2所示，a为经验系数，取值100; U)为每种LED 通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，Ps(A)为目标光谱；
[0044] 7)根据判别公式(4)判断20次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代 阈值ε = 〇.〇〇〇 1 ;本实施例中，19次迭代后的光谱差大于阈值，20次迭代后光谱差为 4.6903e-05，即，4.6903 X 10-5;
[0046] 8)获得的ki( 20)中代表11个LED通道的元素值全部小于1，继续执行下一步；
[0047] 9)根据数字驱动值61和归一化后的相对亮度值爲^的比例关系，利用三次样条插值 算法和取整算法计算出预测所需11种LED通道的数字驱动值G/，分别为155、139、16、183、 153、112、254、166、42、75、15。
[0048] 表ΙΧ-Rite ColorChecker Passport标准灰板的光谱反射比
[0051]
[0052] 表2-1 11种LED通道经灰板反射后的绝对光谱功率分布
【主权项】
1. 一种基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在于，包括步骤： 1) 测量标准白板或标准灰板的光谱反射比Pe(X); 2) 测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下 的绝对光谱功率分布数据ΡΜ(λ); 3) 通过公式（1)计算多通道LED照明系统的每种LED通道在最大数字驱动值255等级下 的绝对光谱功率分布数据(A);公式(1)中，i = 1~η，其中η为LED照明系统通道数；4) 对每种LED通道的数字驱动值从O~255等级范围内采样，采样数量不小于3,且包括 最大数字驱动值255;然后采用步骤2)和步骤3)的方法测量出所采样本驱动值等级下每种 LED通道的亮度数据，将数字驱动值为样本测量所得的亮度值记作4,; 5) 将步骤4)所得每种LED通道在各采样数字驱动值下的亮度值按照公式(2)进行归一 化处理;其中，将255等级数字驱动值下的亮度值定义为1，按照各数字驱动值下的亮度相对 于255等级数字驱动值下的亮度的比例进行调整，得到在O~1之间的一系列归一化后的相 对亮度值6) 预定义可以实现目标光谱的每种LED通道亮度的比例值ki(0)，i = l~η，其中η为LED 照明系统通道数，然后用迭代公式(3)计算第j次迭代后匕(」）的值，式中，a为经验值比例系 数，取100，(W为每种LED通道最大数字驱动值时的光谱功率分布，Ρ 5(λ)为目标光谱；7) 根据判别公式(4)判断j次迭代后输出光谱与目标光谱差是否小于预设的迭代阈值， 如果小于迭代阈值，迭代过程结束;如果大于迭代阈值，则进行下一次迭代，其中，ε为迭代 阈值；8) 判断利用步骤6)和7)的迭代算法所获得的kdj)数组中的每一个元素是否都小于1， 如果都小于1执行下一步，如果有任何一个元素大于1，降低测量面照度后，并要求返回到步 骤1重新执行； 9) 根据数字驱动值61和归一化后的相对亮度值％的比例关系，利用插值算法计算出预 测所需的亮度F :所对应的每种LED通道的数字驱动值V 1<32. 如权利要求1所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在 于:步骤1)中，采用分光光度计测量标准白板或标准灰板的光谱反射比阼(入)。3. 如权利要求1或2所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征 在于:步骤2)中，采用光谱辐射计测量经所述标准白板或标准灰板反射的每种LED通道在最 大数字驱动值255等级下的绝对光谱功率分布数据Ρ?(λ)。4. 如权利要求3所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在 于:步骤4)中，采用光谱辐射计测量所采样本驱动值等级下每种LED通道的亮度数据/6, ?5. 如权利要求1所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在 于:步骤4)中对每种LED通道的数字驱动值从O~255等级范围内均匀采样，采用数目为9-12 个。6. 如权利要求1所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在 于:步骤7)中，迭代阈值取值为O. OOOl。7. 如权利要求1所述基于亮度参数的多通道LED照明系统的光谱匹配方法，其特征在 于:步骤9)中所述插值算法为三次样条插值算法。
【文档编号】G01M11/02GK106017868SQ201610318757
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】王庆
【申请人】齐鲁工业大学