一种色温可调的LED混光照明系统及其调光方法与流程

本发明涉及led智能调光领域，具体涉及一种色温可调的led混光照明系统及其调光方法。

背景技术：

led照明由于其发光效率高、使用寿命长、安全可靠等优势，近年来已经逐渐取代传统照明，在各个应用场合得到广泛使用和推广。改善其性能的各种研究也越来越深入。led照明系统的调光就是研究的一个重要方向，目前led照明的主要调光方式有脉冲宽度调节(pwm)和线性调节两种方式。pwm通过控制高频通断电流的占空比来控制光亮度，该方法可以达到精确调节的目的，但是存在人眼不可察觉的闪烁问题，存在潜在的健康风险。线性调光直接改变通过led的电流大小来控制光亮度，该方法简单且不会产生电磁干扰，但存在整个光亮调节范围内的色度漂移大、色温不恒定(色温漂移)问题。led的色温是人眼对led光源的感受，是集合物理学、生理学和心理学的一个错综复杂的感受，这种感受因人的喜好不同而不同，也可能对人的心情等感受产生积极或消极的影响。因此，led的色温可调是led深入研究的另一重要方向。

发明专利zl201510031334.x公开了一种led灯的色温补偿方法，其利用led的色温随工作电流变化的规律，反向求解预期色温和光通量下的工作电流，利用两组不同色温范围的led进行混光，达到光通量调节范围内色温偏差较小的目的。

发明专利zl201510031334.x公开的色温补偿方法，直接建立电流与相对色温之间的关系，而同一相对色温对应色度图上一系列的色度坐标点，其并不是唯一的，这一系列相同色温的坐标点称为“等温线”，以色温的差异来量化色度差并不准确。而且该专利描述的操作过程中选择的拟合离散点极其有限，混合色温的计算方法也极其粗糙，不精确，这一系列的近似的理论基础和近似操作过程势必造成理论预期和实际情况之间存在较大的偏差，使其无法达到精确的色温补偿目的。

另外，现有led调光过程对于光强度的调节还没有考虑到人眼对光强度的感知，即“明度”与测量设备测量的客观亮度之间的关系，现有led光强度的调节多以客观亮度为依据进行调节。

技术实现要素：

本发明提供一种色温可调的led混光照明系统及其调光方法，该系统利用两组以上不同色温的led进行混光，达到色温可调以及led光强调节范围内色温相对恒定的目的，同时光强的调节依据人眼对光强的感知(明度)划分等级。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种色温可调的led混光照明调光方法，包括以下步骤：

s1设定照明系统的色温和明度等级，进入下一步；

s2微处理系统接收到设定信号后，根据查找表查找出各组led驱动的电流值，产生电流控制信号，进入下一步；

s3各组直流驱动器接收到电流控制信号后产生相应的驱动电流，驱动各组led发光，进入下一步；

s4各组led发光形成混光效果，达到相应的照明需求。

优选地，s2包括：

s201分别测量各组led在不同工作电流下cie1931xyz色度系统三刺激值，并进入步骤s202，测试过程中只改变电流大小，其它测试条件确保一致，记录下各组测量数据的i、x、y、z；

s202通过数据拟合分别建立y与x、z和电流i之间的数值关系，进入步骤s203；

s203建立归一化的亮度y与明度l之间的函数关系，并进入步骤s204；

s204通过数据拟合建立黑体辐射轨迹坐标u0’v0’与色温的关系，并进入步骤s205；

s205利用遍历法寻找对应色温和明度等级下，各组led的控制电流大小，建立查找表关系。

优选地，s202中以两组led为例，建立公式(1)和公式(2)的数据关系：

优选地，s203中亮度y和明度l之间存在非线性关系，具体的数值计算用公式(3)表达。

优选地，s204通过数据拟合建立黑体辐射轨迹坐标u0’v0’与色温tc的关系如式(4)：

优选地，s201中用公式(5)表示基本的三刺激值混光原理，混合光的xyz三刺激值分别等于参与混合的各组led对应光三刺激值之和，

其中，接收的设定信号为明度等级l，用归一化的百分数表示，以及色温用tc表示，根据公式(3)获得对应明度等级l下照明系统整体的归一化亮度y，选取各组led最大亮度中的最小值为系统的最大亮度，该最大亮度与设定的归一化亮度y相乘，即可获得该明度等级下实际的混光亮度ym；

在确保混光亮度ym的前提下，假设其中的一个亮度组合为ya和yb，据此可以分别根据公式(1)和公式(2)计算出xa、za、ia、xb、zb、ib。再根据公式(5)计算出xm、zm。

优选地，获得混光的三刺激值，即可根据公式(6)计算出混合光cieluv色彩空间的色坐标u’m和v’m。

优选地，接收的设定色温为tc，据此计算出其对应的黑体辐射轨迹坐标u’0和v’0。对于每个给定的色温下，调光所需的查找表获取方法是首先计算明度等级l为100％的情况下，最佳的led亮度组合，采用公式(7)定义的色差最小值，即与给定色温下黑体辐射轨迹坐标最近的坐标点；

在后续计算非100％各明度等级下的最佳值时，为保证led照明系统自身的色差最小和色温恒定，后续的最佳色度坐标不再以对应色温下黑体辐射轨迹坐标为依据，而是以明度等级l为100％的情况下，计算出的最佳色度坐标为依据，即公式(7)中的u’0和v’0分别赋新值

依据以上方法和步骤，可以计算出各个明度等级l、色温tc下最佳的各组led驱动电流组合ia和ib，最终建立对应的查找表，如式(8)所示：

一种色温可调的led混光照明系统，其包括：

led调光控制器，所述led调光控制器用于输入调光信号，所述调光信号包括色温设定信号和明度等级设定信号；

微处理系统，所述微处理系统接收所述led调光控制器输入的调光信号，所述微处理系统对调光信号进行处理后获得各个led组的电流控制信号；

直流驱动器组，所述直流驱动器组接收来自所述微处理系统的各个led组的电流控制信号，产生各个led组的直流电流信号，所述直流驱动器组直接驱动各组led；

多组led，多组led受所述直流驱动器组驱动发光，混合产生特定色温和明度等级的照明效果。

本发明的有益效果是:本发明建立了一种色温可调的led混光照明系统，照明系统由两组以上不同色温的led组成，各组led的调光均采用电流大小控制的线性调光，避免pwm调光的闪烁可能造成的健康危害。

本照明系统色温和光强度可调，同时调光方法采用混光的方式有效避免了单色led在线性调光时存在的较大色差(色温漂移)。本发明理清了色度漂移和色温漂移之间的关系，依据最基础的光叠加原理，设计获得最佳的混色led电流配比，使色差最小，最终确保照明系统特定色温下光强度调节过程中的色温相对恒定。

本照明系统的光强度调节考虑到人眼对光强度的感知，即主观光强度：“明度”与测量设备测量的客观光强度:“亮度”之间的关系，照明系统的光强度调节以明度为依据划分等级进行调节，更加合理和人性化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统图；

图2是本发明的流程图；

图3是图2中第二步的流程图；

图4亮度y(客观光强度)和明度l(主观光强度)之间非线性关系图；

图5～8是具体实施例的效果展示图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。

实施例1

如图1所示，本实施例中公开了一种色温可调的led混光照明系统，其包括：led调光控制器1，微处理系统2，直流驱动器组3，多组led4，所述led调光控制器1用于输入调光信号，所述调光信号包括色温设定信号和明度等级设定信号；所述微处理系统2接收所述led调光控制器输入的调光信号，所述微处理系统2对调光信号进行处理后获得各个led组的电流控制信号；所述直流驱动器组3接收来自所述微处理系统2的各个led组的电流控制信号，产生各个led组的直流电流信号，所述直流驱动器组直接驱动各组led4；多组led4受所述直流驱动器组驱动发光，混合产生特定色温和明度等级的照明效果。

实施例2

如图2所示，实施例2中公开了一种调光方法，包括以下步骤：

s1设定照明系统的色温和明度等级，进入下一步；

s2微处理系统接收到设定信号后，根据查找表查找出各组led驱动的电流值，产生电流控制信号，进入下一步；

s3各组直流驱动器接收到电流控制信号后产生相应的驱动电流，驱动各组led发光，进入下一步；

s4各组led发光形成混光效果，达到相应的照明需求。

在本实施例中，具体的，

如图3所示，图2流程图中的步骤s2涉及的查找表获取的流程如下，步骤包括：

s201分别测量各组led在不同工作电流下cie1931xyz色度系统三刺激值，并进入步骤s202；测量条件为照明系统已经是最终产品的设计，主要包括各组led已经交叉排布，测量时led已经使用的最终产品的灯罩等，测试过程中只改变电流大小，其它测试条件确保一致。测量在暗室进行，最终记录下各组测量数据的i、x、y、z。尽可能多地测试多组数据。

s202通过数据拟合分别建立y与x、z和电流i之间的数值关系，进入步骤s203；以两组led为例，建立公式1和2的数据关系。

s203建立归一化的亮度y与明度l之间的函数关系，并进入步骤s204；如图4所示，亮度y(客观光强度)和明度l(主观光强度)之间存在非线性关系，具体的数值计算可用公式3表达。

通过数据拟合建立黑体辐射轨迹坐标u0’v0’与色温tc的关系，并进入步骤s205；

s205利用遍历法寻找对应色温和明度等级下，各组led的控制电流大小，建立查找表关系。

图2中，步骤202接收的设定信号为明度等级l，用归一化的百分数表示，以及色温用tc表示。

根据公式3可以获得对应明度等级l下照明系统整体的归一化亮度y，选取各组led最大亮度中的最小值为系统的最大亮度，该最大亮度与归一化亮度y相乘，即可获得该明度等级下实际的混光亮度ym。公式5表示了基本的三刺激值混光原理，混合光的xyz三刺激值分别等于参与混合的各组led对应光三刺激值之和。因此在混光亮度确定的前提下，采用各组led亮度组合遍历的方法寻找色差最小为值，即为最佳值。

在确保混光亮度ym的前提下，假设其中的一个亮度组合为ya和yb，据此可以分别根据公式1和公式2计算出xa、za、ia、xb、zb、ib。再根据公式5可以计算出xm、zm。有了混光的三刺激值，即可根据公式6计算出混合光cieluv色彩空间的色坐标u’m和v’m。

图2中，步骤s202接收的设定色温为tc，可以据此计算出其对应的黑体辐射轨迹坐标u’0和v’0。对于每个给定的色温下，本照明系统的调光所需的查找表获取方法是首先计算明度等级l为100％的情况下，最佳的led亮度组合，采用公式7定义的色差最小值，即与给定色温下黑体辐射轨迹坐标最近的坐标点。

在后续计算非100％各明度等级下的最佳值时，为保证led照明系统自身的色差最小和色温尽可能恒定，后续的最佳色度坐标不再以对应色温下黑体辐射轨迹坐标为依据，而是以明度等级l为100％的情况下，计算出的最佳色度坐标为依据。即公式7中的u’0和v’0分别赋新值(明度等级l为100％的情况下，计算出的最佳色度坐标)。

依据以上方法和步骤，可以计算出各个明度等级l、色温tc下最佳的各组led驱动电流组合ia和ib，最终建立对应的查找表(如式8所示)。

为更加明确，以上计算和表述过程采用两组led(a组和b组)为例，但本专利的保护范围不限于两组led的混光。

图5是各组led在不同明度等级下的色度坐标(测试值)，每幅图中对应的10个离散点是10％到100％明度范围内每隔10％对应的色度坐标，图中的圆形是以100％明度的色坐标作为原点，其与其余9点中距离最远的点之间的距离作为半径。

圆的大小可以作为整个光强度(明度)调节范围内色差的大小的量化指标，圆半径越大色差越大。图5a是2700k暖色调，图5b是6400k冷色调。

依据图5示例的两组led，可以通过本专利描述的方法设计相关色温tcc在2700k至6400k之间的混光效果。图6所示a～f的6幅分别对应的相关色温为3000k、3400k、3900k、4400k、5000k、5600k的混光色度。

为了更加直观地比较单色led和混色色差效果，图7将8个圆放在同一色度图中。根据cie定义，n阶u’v’圆半径是0.0011的n倍，据此，图中2700k暖色调色差为3阶，6400k冷色调为2阶，混色色差均为1阶及以下。因此，本专利的方法降低了线性调光led照明系统的色差，可以确保在整个光强度(明度)调节范围内色差不可察觉。解决了单色led线性调光过程中可察觉的色漂移问题。

图8从相关色温的角度同样比较了单色led和混色照明系统。图中2700k暖色调相关色温差最大值为112k，6400k冷色调相关色温差最大值为54k，混色相关色温差最大值为26k及以下。本实施例可以确保在整个光强度(明度)调节范围内色温基本恒定。

上述实施例中建立了一种色温可调的led混光照明系统，照明系统由两组以上不同色温的led组成，各组led的调光均采用电流大小控制的线性调光，避免的pwm调光的闪烁可能造成的健康危害。

本照明系统色温和光强度可调，同时调光方法采用混光的方式有效避免了单色led在线性调光时存在的较大色差(色温漂移)。本发明理清了色度漂移和色温漂移之间的关系，依据最基础的光叠加原理，设计获得最佳的混色led电流配比，使色差最小，最终确保照明系统特定色温下光强度调节过程中的色温相对恒定。

本照明系统的光强度调节考虑到人眼对光强度的感知，即主观光强度：“明度”与测量设备测量的客观光强度:“亮度”之间的关系，照明系统的光强度调节以明度为依据划分等级进行调节，更加合理和人性化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。