高光色品质的白光led照明系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种高光色品质的白光LED照明系统 及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 光品质已越来越受到人类的重视，特别是对于室内照明，如商场、零售店、酒店、博 物馆、家居等室内空间，对于光品质的要求远远大于对光效的要求。良好的照明质量、舒适 的光环境，是靠高质量的照明效果来实现的。灯光会影响到人的情绪、认知度、对整个室内 空间的印象、以及对被照物体的视觉感受。目前有很多关于调光调色的研究，但大部分只关 注提高显色指数和扩大色温的调节范围。事实上，提高光源的光色品质才是关键问题。用 具有高光色品质的光源照射室内环境，不仅能够创造好的视见度，还能提高人在环境下的 愉悦度和满意度，并能够增强被照物体颜色的饱和度，使视觉清晰度和视亮度增加，进而增 加人的喜悦感和舒适度。
[0003] 照明行业使用相关色温（CCT)来表示光源的光色，但是即使光源的色温相同，它们 发出的光的颜色并不会完全相同。色坐标可以精确的表示光源颜色，但是很不直观。而且有 研究表明 [1^]，色坐标点在黑体曲线上的白光在人眼的视觉感受方面并不呈现为纯白光， 高品质光色的白光并不在黑体辐射轨迹上，光的颜色品质与色坐标点离黑体曲线的距离有 关。色坐标点到黑体曲线的距离（distance from the blackbody line，Duv)可以与CCT 同时使用，能够更精确的表征白光的颜色特性，反映白光的光色品质。在实际室内照明应用 中，对色温的范围是有一定要求的。因此，可以在保持相同色温的情况下，优化色坐标点的 位置来提高白光光色，从而提升室内灯光环境，使人更加愉悦舒适。
[0004] 显色指数（CRI)是用来表示光源照射下还原被照物体颜色的能力，但是LED的CRI 指数值与视觉效果之间并没有内在的联系，特别不能表征高色饱和度光源对高色饱和度物 体照明的视觉效果。本发明用全色域指数（GAI)和显色指数同时来表征被照物体的颜色特 性。GAI是由美国固态照明技术与系统联合会ASSIST提出的，GAI的具体计算方法是用等 能光谱的照明体作为参照光源，计算CRI前8个颜色样品在待测光源和参照光源下在CIE 1976 u'v'色域空间中的色域面积之比。GAI能够更准确地描述被人脑感知的光线与颜色， 反映光源的整体效果以及人们感知光源色彩的主观感受。
[0005] 本发明同时使用色温CCT和色坐标点到黑体曲线距离Duv来表征白光的颜色，负 的Duv表示色坐标点在黑体曲线下方，Duv的绝对值越大，表示色坐标点到黑体曲线越远； 用显色指数CRI和全色域指数GAI来表征被照物体的颜色。通过优化Duv，得到高光色品质 的白光LED，可用于高端设计空间如零售店、博物馆、酒店大堂等对光品质要求较高的场所。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种高光色品质的白光LED照明系统及其设计方法。
[0007] 本发明提供的白光LED照明系统的设计方法，通过优化CIE 1931色域空间中色坐 标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下高白光偏好度的LED照明系统；具体的设计方 法包括以下步骤： 步骤1:设定白光LED照明系统所需要的色温，然后在CIE 1931色域空间中求得此色 温在黑体曲线上所对应的白光的色坐标。用数学软件对不同温度的黑体曲线色坐标点进行 曲线模拟，得到黑体曲线的多项式函数。根据所需色温的色坐标点和黑体曲线多项式函数， 可求得所需色温的等色温线直线方程： y=kx+b ； 步骤2 :在该等色温线上取若干个点，每个点到黑体曲线的距离Duv都不同，然后再根 据等色温线直线方程和设定的Duv距离求得这些点对应的色坐标； 步骤3 :所述LED照明系统选用三原色（RGB)的红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光 粉转换的白光LED来混光生成所需的白光。针对不同Duv的色坐标点，用奇异值方程求解 满足该色坐标点的R、G、B和白光LED的比例，并计算不同比例下的显色指数CRI和全色域 指数GAI，得到在不同的Duv时的RGB比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线； 步骤4 :在曲线上根据所需光色性能CRI和GAI选择相对应的RGB和白光LED的比例， 采用脉冲宽度调制（PWM)调光得到每组LED所需光输出强度，设计产品，得到不同Duv时的 白光LED照明系统； 步骤5 :实验测试观测者对不同Duv的白光LED发出的白光的偏好度和被照物体颜色 的主观感受，得到优化的Duv及对应的具有高白光偏好度的LED照明系统。
[0008] 本发明中，所述混色设计方法优化的Duv对应的色坐标点位于黑体曲线的下方， 能够增强白光LED光源的颜色品质，提升灯光环境效果。
[0009] 本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明系统，在提高白 光偏好度的同时，不影响CRI性能指标，并具有更高的GAI指数。
[0010] 本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明系统，色温调节 范围为 2000 - 10000 K。
[0011] 本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明系统，色坐标点 到黑体曲线的距离范围-0. 1彡Duv彡0。
[0012] 本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明系统，在每一色 温每一 Duv下的全色域指数GAI彡100。
[0013] 本发明的高光色品质的白光LED照明系统具有以下优势： 1、 本发明通过优化色坐标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下具有高白光偏好 度的LED混色照明系统，能够增强白光光源的颜色品质，提升照明光环境效果。同时能够确 保所需的显色指数CRI和较高的全色域指数GAI，增强被照物体颜色饱和度。实验证实本发 明的高光色品质的白光LED照明系统其白光偏好度和对被照物体颜色的视觉影响优于相 同色温的高显色陶瓷金卤灯； 2、 本发明用四组不同波长的LED光源配色成所需Duv对应的色坐标点的白光。通过求 解奇异值方程，得到多组满足色坐标点的LED配比，再计算得到不同Duv时，LED配比与光 色性能的关系，用实验得到最优的Duv时的高光色品质的白光LED照明系统。本发明优化 Duv的混色计算方法简便，理论计算与实际测得的光色参数一致； 3、 本发明通过优化Duv混色设计得到的高光色品质的白光LED照明系统，色温调节 范围为2000 - 10000 K，色坐标点到黑体曲线的距离范围-0.1彡Duv彡0,全色域指数 GAI ^ 100 〇
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的等色温线上到黑体曲线不同距离的色坐标点。
[0015] 图2为本发明的通过混色设计方法得到的不同Duv时的RGB比例和CRI/GAI指数 的关系图。
[0016] 图3为本发明的用于实验的陶瓷金卤灯和八种LED光源的光谱图。
[0017] 图4为本发明的实验得到的观测者对灯光颜色偏好度的平均实验结果。
[0018] 图5为本发明的实验得到的观测者对灯光颜色的视觉印象。
[0019] 图6为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色鲜艳度的平均实验结果。
[0020] 图7为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色偏好度的平均实验结果。
【具体实施方式】
[0021] 以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。所描述的实施例仅为本发明的 部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发 明的保护范围。
[0022] 本发明将三原色RGB与任意色温的白光LED混合得到优化Duv的高光色品质的白 光LED照明系统，通过PWM调光方式，改变每组LED的光输出强度，混合得到所需Duv的白 光。具体的设计方法包括以下步骤： 步骤1:设定白光LED照明系统所需要的色温，然后在CIE 1931色域空间中求得此色 温在黑体曲线上所对应的白光的色坐标。用数学软件对不同温度的黑体曲线色坐标点进行 曲线模拟，得到黑体曲线的多项式函数。