一种高显色质量的色温可调白光led光源设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，属于照明控制领 域。
【背景技术】
[0002] 色温可调白光LED光源设计过程中，不仅要保证其具有高的发光效率，而且要保 证LED光源具有高的显色质量。
[0003] 目前，在光源设计中，会使用国际照明委员会CIE提出的用于衡量光源显色能力 的CRI (Color Rendering Index) -般显色指数Ra，以此来评价光源的显色质量。但是一 般CRI指数Ra所用的颜色样品为中度饱和的颜色样品，其缺陷在于无法正确衡量光源对饱 和色的显色能力。当光源的CRI接近100时，其显示深红、深黄、深绿、深绿的显色能力可能 很差。因此，国际照明委员会为了解决这个问题，于1995提出了对应于深红、深黄、深绿、深 蓝、皮肤色、橄榄绿的特殊显色指数R9、R1(]、…、R14。但是，由于国际照明委员会的标准制定 时，当时的主流光源，如汞灯和荧光灯均为连续光谱，CRI较适合于评价此类光源。但是，由 于LED光源光谱具有蓝色尖峰且光谱不连续，因此CRI在评价LED光源时存在一定的缺陷， 这也得到国际照明委员会的公认。
[0004] 2010年，美国国家标准研究院NIST提出了他们认为的更适合LED显色质量评价的 指数：Color Quality Scale (CQS)，该指数所用颜色样品具有比CRI更宽广的色域，因而相 比于CRI能更全面的评价LED的照明质量。并且美国国家标准研究院正努力推动将CQS成 为CIE用于衡量LED光源显色能力的国际标准的工作。
[0005] 同时，越来越多的学者肯定了 CQS指数的合理性及先进性，由于CRI指数在衡量 LED显色能力的时候存在一定的不足，他们在制备白光LED灯珠时考虑了 CQS指数。但是， CQS在完全取代CRI成为国际照明委员会制定的国际标准之前还需要进一步的研究和发 展。
[0006] 色温可调白光LED光源设计过程中，如何保证光源具有可信的、高的显色质量，且 同时具有高的发光效率，这是目前LED光源设计中存在的问题。因此，目前缺少一种高显色 质量的白光LED光源设计方法，以控制LED光源的设计过程，使得LED光源具有高的显色质 量。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光 源设计方法，衡量LED显色能力及进行LED光源设计的折衷，在优化LED光源光谱时同时考 虑CRI和CQS，克服了当前光源设计中没有全面的考虑显色质量问题。
[0008] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种高显色质量的色温可 调白光LED光源设计方法，包括以下步骤：
[0009] (1)挑选出至少包含红、绿、蓝三种颜色的单色LED灯珠共N颗，在100mA电流 驱动下测试各个灯珠的光功率Pu、电功率PEl、以及归一化的光谱功率分布SJ λ)，其中， 1彡i彡N ;则N颗灯珠构成的LED光源光谱用下式描述：
[0011] 其中h为第i颗LED光谱辐射强度最大值；
[0012] (2)建立优化目标和约束条件：
[0013] (2. 1)建立最小优化目标，所述最小优化目标通过下式表示：
[0015] 其中，&是(：此标准中规定的一般显色指数，1?9是(：此标准中规定的用于评价光源 对深红显色能力的特殊显色指数，(^是CQS标准中规定的一般显色指数，均根据光谱S ( λ ) 计算得出；LE是光源的发光效率，根据光谱SU)和ΡΕι计算得出；A、B、C和D分别是Ra、R 9、 QJP LE的权重系数，为设置值，0〈A，B，C，D〈l，且A+B+C+D = 1 ; i表示关于h的一组解；
[0016] 〈ft?〉和〈私(功是该优化目标的惩罚函数，
[0019] 其中，CCT是该光源的相关色温，DC是该光源与该光源具有相同色温的参考光源 之间的色差，CCT和DC均根据光谱S(X)计算得出；CCTw是该光源的设计目标色温；R是 惩罚因子，为一个至少大于10的正数；
[0020] (2. 2)建立约束条件：N颗LED在各自Si ( λ )= 1处波长的光谱辐射强度的相对 比例0彡k# 1 ;
[0021] (3)遗传算法求解：
[0022] (3· 1)遗传编码：
[0023] 以二进制数表示h，则h为一个基因，将N个表示k i的二进制数首尾相接形成一 个N段染色体；所述染色体即个体；设置迭代次数；设置当前迭代次数；
[0024] (3. 2)初始种群生成：
[0025] 在[0, 1]范围内随机选取一组二进制数代表变量h，形成一个染色体；重复形成 染色体操作直至染色体数目达到种群数M，Μ个染色体组成一个种群；
[0026] (3. 3)适度函数计算：
[0027] 根据公式（1)计算种群中每条染色体的适度值
[0028] (3. 4)遗传操作：
[0029] (3. 4. 1)复制操作：
[0030] 建立一个新的种群，所述新的种群初始为空；选取当前种群中适应度函数最小的 染色体放入新的种群中；
[0031] (3. 4. 2)交叉操作：
[0032] 按照设置的概率P。进行交叉，随机选取当前种群中的两条染色体，交换染色体段， 产生两条新的染色体放入种群中；
[0033] (3. 4. 3)变异操作：
[0034] 按照设置的概率PJS行变异，随机选取当前种群中的一条染色体，分别在染色体 的N段中提取任意一个基因进行数值的再生成，将生成的染色体放入新种群中；
[0035] (3. 4. 4)补足操作：
[0036] 使用种群初始化的方法生成新染色体，补足种群染色体数至Μ ;
[0037] (3. 4. 5)当前迭代次数累加1 ;若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出重复过 程中适应度最小的染色体，进入步骤（4);否则返回（3.3);
[0038] (4)根据步骤（3)得到的适应度最小的染色体，得到色温CCTt"下的由Ν颗灯珠构 成的LED光源。
[0039] 步骤（3. 1)所述用于表示h的二进制的位数为25位。
[0040] 步骤（3. 4. 2)所述的概率Pc设置为0· 7。
[0041] 步骤（3. 4. 3)所述的概率P"设置为0· 7。
[0042] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：本发明提出了一种由多颗单色 LED组成的、便捷、低成本的高显色质量的色温可调白光LED光源设计设法，由多颗单色LED 组成，因此结构简单，仅仅通过控制各LED的驱动电流即可获得所需要的色温，并且保证光 源具有高的显色质量及发光效率。本发明可应用于通用照明场合及需要调节光源色温的场 合。
【附图说明】
[0043] 图1是本发明实施例所用的红、绿、蓝三种颜色的单色LED灯珠归一化光谱。
[0044] 图2是通过本发明所获得的色温可调的、高显色质量的白光LED光源光谱。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0046] 本发明提供了一种高显色质量的色温可调白光LED光源设计方法，包括以下步 骤：
[0047] (1)挑选出红、绿、蓝色的单色LED灯珠各1颗，在100mA电流驱动下测试各个灯珠 的光功率Pu、电功率ΡΕι、以及归一化的光谱功率分布Si ( λ )，其中，1彡i彡3 ;则3颗灯珠 构成的LED光源光谱用下式描述：
[0049] 其中N = 3,其中h为第i颗LED光谱辐射强度最大值；
[0050] (2)建立优化目标和约束条件：
[0051] 本发明对1^进行优化，在指定光源的相关色温的前提下，使由3颗LED灯珠组成 的LED光源的发光效率及显色质量都达到高的水平。
[0052] (2. 1)建立最小优化目标，所述最小优化目标通过下式表示：
[0054] 其中，&是CIE标准中规定的一般显色指数，1?9是CIE标准中规定的用于评价光源 对深红显色能力的特殊显色指