一种优化灯珠光谱的控制方法及系统与流程

本发明涉及一种光谱控制方法，尤其涉及一种优化灯珠光谱的控制方法，并涉及采用了该优化灯珠光谱的控制方法的控制系统。

背景技术：

目前市场上常见的rgb和rgbw类led灯珠，在一个灯珠内集成了r灯珠、g灯珠、b灯珠和w灯珠，即集成了红、绿、蓝、白等多种发光led的发光元器件，各发光元器件的光谱特点各不相同，如图2所示，图2中左边分别为蓝光、绿光和红光的光谱图，右边为合成的光谱图。

现有的量产led灯珠中一般有固定的光谱特点。但是在某些照明场景下会对光谱提出特殊的需要，例如植物生长照明需要在某些光谱频段进行增强；目前对这类特殊的需求，只能通过灯珠生产厂商，以定制灯珠或者通过多个灯珠进行合成的方式来满足，这种方式存在一些缺陷：一是实现周期长；二是定制生产或多个灯珠合成的成本非常高；三是只能固定满足一种光谱频段的需求，不能灵活变更。

申请人之前也对led灯珠的光谱合成提出了通过方差和最小的计算方式来实现输出的光谱与目标光谱之间能量差最小，但这种办法并不能保证二者的光谱是最相似的，因此，在实际应用中，仍然不能很好地满足实际的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够快速实现优化灯珠光谱，并尽量提高实际输出光谱与目标光谱之间的相似程度的控制方法，并进一步提供采用了该优化灯珠光谱的控制方法的控制系统。

对此，本发明提供一种优化灯珠光谱的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1，输入灯珠中各个led发光器件的光谱特性；

步骤s2，根据目标光谱的输出需求，计算灯珠实际输出光谱与所述目标光谱之间的夹角余弦值，取所述夹角余弦值最接近于1时所对应的实际输出光谱为光谱计算值；

步骤s3，通过所述光谱计算值控制所述灯珠中各个led发光器件的正向电流强度。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s2包括以下子步骤：

步骤s201，将目标光谱的目标频段输出值记为t，对t进行归一化；

步骤s202，计算并读取所有达到目标光谱的最低输出总值l的实际输出光谱；

步骤s203，计算各个实际输出光谱分别与所述目标光谱之间的夹角余弦值；

步骤s204，将计算得到的夹角余弦值与预存的余弦列表进行比较，保留所述夹角余弦值最接近于1时所对应的实际输出光谱的记录，并将其作为当前的光谱计算值。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s201包括以下子步骤：

步骤s2011，将所述目标光谱划分为401个计算区间，得到目标光谱的目标频段输出值t[0....400]，然后对目标光谱的频段输出值t[0...400]进行归一化至[0...1]的取值范围内；

步骤s2012，对各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]进行从0％到100％的轮询计算；

步骤s2013，根据轮询计算各个led发光器件的光谱输出强度，使得各个led发光器件的光谱输出强度相加后得到目标光谱的光谱强度o[0...400]的值；

步骤s2014，将目标光谱的光谱强度o[0...400]的值归一化到[0...1]区间。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s2012对各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]进行从0％到100％的轮询计算中，通过矩阵计算得到各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]，所述矩阵为

本发明的进一步改进在于，所述步骤s201中还包括步骤s2015，所述步骤s2015将各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]及其对应的光谱强度o[0...400]之间的记录值写入至预计算数据文件中，通过轮询循环完成预计算过程，得到完整的预计算数据文件。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s202中，循环从所述预计算数据文件中读取所述记录值，并读取所述记录值对应的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]，计算其对应的光谱输出总值，将计算所得的光谱输出总值与目标光谱的最低输出总值l进行比较，输出达到目标光谱的最低输出总值l的实际输出光谱。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s203中，通过公式计算各个实际输出光谱分别与所述目标光谱之间的夹角余弦值s，其中，ti为目标光谱的目标频段输出值，i为自然数，i＝0....400，oi为目标光谱的光谱强度。

本发明的进一步改进在于，所述步骤s3中，控制器根据所述光谱计算值驱动所述灯珠中各个led发光器件，进而控制所述灯珠中各个led发光元器件的正向电流强度。

本发明的进一步改进在于，所述控制器通过恒流驱动电路驱动所述灯珠中各个led发光器件。

本发明还提供一种优化灯珠光谱的控制系统，采用了如上所述的优化灯珠光谱的控制方法，并包括控制器、恒流驱动电路和灯珠，所述控制器通过所述恒流驱动电路连接至所述灯珠各个led发光器件的驱动端。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：根据灯珠实际输出光谱与所述目标光谱之间的夹角余弦值之间的计算，进而得到既能满足目标光谱所需要的光谱输出总值，又能尽量提高实际输出光谱与目标光谱之间的相似程度的光谱计算值，以得到所述灯珠的各个led发光器件的正向电流强度百分比，然后通过给各个led发光器件施加相对应强度的正向电流即可最大程度地模拟出目标光谱；因此，本发明能够快速地使用现有led灯珠输出需要的目标光谱，成本低，周期短，能够很好地拓展了led灯珠的用途，满足用户的个性化需求，且本发明的灯珠优化效果明显优于通过最小方差和计算来实现光谱合成的效果。

附图说明

图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；

图2是现有技术中led灯珠的光谱特点仿真示意图；

图3是本发明一种实施例实现优化灯珠光谱的仿真测试图；

图4是本发明一种实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1所示，本例提供一种优化灯珠光谱的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1，输入灯珠中各个led发光器件的光谱特性；

步骤s2，根据目标光谱的输出需求，计算灯珠实际输出光谱与所述目标光谱之间的夹角余弦值，取所述夹角余弦值最接近于1时所对应的实际输出光谱为光谱计算值；

步骤s3，通过所述光谱计算值控制所述灯珠中各个led发光器件的正向电流强度。

本例所述灯珠为led灯珠的简称，所述led灯珠的输出光谱强度与其上所施加的正向电流强度呈正比关系。而整个led灯珠的综合输出光谱强度等于其中所包含的所有发光器件的光谱输出之和。因此，可以通过给rgb、rgbw类等灯珠内的多个led发光器件施加不同强度的正向电流，来实现模拟目标需要光谱的目的。以下，以rgbw类灯珠为例对光谱合成计算方法进行说明。

可见光的光谱波长分布在从380纳米到780纳米的区间内，以1纳米为单位，可以划分为401个计算区间。以rn、gn、bn和wn分别代表红色、绿色、蓝色和白色的led发光器件在第n个区间的最大光谱强度，n为0～400的自然数值，以on代表目标光谱在第n个区间的光谱强度，以pr、pg、pb和pw分别代表红色、绿色、蓝色和白色的led发光器件的正向电流强度百分比，则可以通过矩阵进行目标光谱的强度计算。

因此，如果给定rgbw的led灯珠及其光谱特性，对于特殊光谱输出需求[o0,o1,...,o400]，可以尝试对该矩阵方程进行求解，找到一个合适的[pr,pg,pb,pw]组合，使得该矩阵右侧的计算输出等于左侧的目标光谱强度。

但是，受限于特定rgbw灯珠的光谱特性及目标输出光谱的需求，在实际应用中，难以找到该矩阵的完美解或是较为完美解，而只能尝试找到该方程的近似最优解。

申请之前采用的是对于近似最优解，即最小方差和的方案来求取这个近似最优解，也就是使得实际输出光谱强度与目标光谱强度在所有频段上方差之和最小的解。但是，方差和最小，虽然保证了输出的光谱与目标光谱能量差最小，却不能保证二者的光谱是最相似的。而在实际应用中，例如要保证输出光谱的颜色，或者满足植物不同生长阶段对光谱的特性需求，需要的是光谱的相似性，因此，这种最小方差和的方案仍然不能很好地满足实际的需求，需要进一步寻求更优化的近似最优解。

本例步骤s1输入灯珠中各个led发光器件的光谱特性，通过r[0..400]、g[0..400]、b[0..400]以及w[0..400]表示各个led发光器件在所有光谱频段的输出。

本例所述步骤s2将实际输出光谱强度与目标光谱在所有频段上的强度，当作两个向量，计算这两个向量之间的夹角。若夹角等于0度，说明这两个向量是完全相似的，则其光谱也是完全相似的。若夹角等于90度，则说明两个向量是正交的，是完全不相关的，则其光谱也是完全不相关的。

对任意一组[pr,pg,pb,pw]组合，对应的输出光谱为[t0,t0,...,t400]，其与目标光谱的夹角余弦值计算方法为

如果余弦等于1，则说明这两个向量的夹角为0度，是完全相似的。如果两个向量的余弦等于0，则说明这两个向量的夹角是90度，是完全不相似的。

那么，就需要找到使夹角余弦最接近1的[pr,pg,pb,pw]组合。以这个组合的电流驱动rgbw灯珠发光，就可以获得在光谱范围内与目标光谱值的输出波形最相似的组合，得到本申请所需要找到的优化后的最优近似解。

更为具体的，本例所述步骤s2包括以下子步骤：

步骤s201，将目标光谱的目标频段输出值记为t，对t进行归一化；

步骤s202，计算并读取所有达到目标光谱的最低输出总值l的实际输出光谱；

步骤s203，计算各个实际输出光谱分别与所述目标光谱之间的夹角余弦值；

步骤s204，将计算得到的夹角余弦值与预存的余弦列表进行比较，保留所述夹角余弦值最接近于1时所对应的实际输出光谱的记录，并将其作为当前的光谱计算值。

本例所述步骤s201包括以下子步骤：

步骤s2011，将所述目标光谱划分为401个计算区间，得到目标光谱的目标频段输出值t[0....400]，然后对目标光谱的频段输出值t[0...400]进行归一化至[0...1]的取值范围内；由于，可见光的光谱波长分布在380纳米到780纳米的区间内，因此，本例以1纳米为单位，可以目标光谱划分为401个计算区间；

步骤s2012，对各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]进行从0％到100％的轮询计算；

步骤s2013，根据轮询计算各个led发光器件的光谱输出强度，使得各个led发光器件的光谱输出强度相加后得到目标光谱的光谱强度o[0...400]的值；

步骤s2014，将目标光谱的光谱强度o[0...400]的值归一化到[0...1]区间。

本例所述步骤s2012对各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]进行从0％到100％的轮询计算中，通过矩阵计算得到各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]，所述矩阵为

优选的，本例所述步骤s201中还包括步骤s2015，所述步骤s2015将各个led发光器件的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]及其对应的光谱强度o[0...400]之间的记录值写入至预计算数据文件中，通过轮询循环完成预计算过程，进而得到完整的预计算数据文件，便于后续的控制，避免了重复计算增加系统负担，能够有效减少每次计算矩阵最优解或是近似最优解所需的时间，因为实际中只要led灯珠一旦确定，其输出的光谱特性就已经确定，因此在实现中可以通过预计算数据组文件的方式来减少单次计算量。

对应的，本例所述步骤s202中，循环从所述预计算数据文件中读取所述记录值，并读取所述记录值对应的正向电流强度百分比[pr,pg,pb,pw]，计算其对应的光谱输出总值，将计算所得的光谱输出总值与目标光谱的最低输出总值l进行比较，输出达到目标光谱的最低输出总值l的实际输出光谱。

本例所述步骤s203中，通过公式计算各个实际输出光谱分别与所述目标光谱之间的夹角余弦值s，其中，ti为目标光谱的目标频段输出值，i为自然数，i＝0....400，oi为目标光谱的光谱强度。

本例所述步骤s3中，控制器1根据所述光谱计算值驱动所述灯珠中各个led发光器件，进而控制所述灯珠中各个led发光元器件的正向电流强度。

本例所述控制器1优选通过恒流驱动电路2驱动所述灯珠中各个led发光器件。

即，如图4所示，本例还提供一种优化灯珠光谱的控制系统，采用了如上所述的优化灯珠光谱的控制方法，并包括控制器1、恒流驱动电路2和灯珠，所述控制器1通过所述恒流驱动电路2连接至所述灯珠各个led发光器件的驱动端。

用户通过输入rgbw灯珠的发光频谱特性，以及根据目标光谱的输出需求，并据此进行计算，得出可选的近似最优[pr,pg,pb,pw]组合。将该组合输入到控制器1控制其单片机，所述控制器1(单片机)通过所述恒流驱动电路2控制led灯珠中各发光元器件的正向电路强度，从而控制灯珠发光，获得与目标光谱一致的输出，经实验验证，其效果非常好，如图3所示。

综上，本例根据灯珠实际输出光谱与所述目标光谱之间的夹角余弦值之间的计算，进而得到既能满足目标光谱所需要的光谱输出总值，又能尽量提高实际输出光谱与目标光谱之间的相似程度的光谱计算值，以得到所述灯珠的各个led发光器件的正向电流强度百分比，然后通过给各个led发光器件施加相对应强度的正向电流即可最大程度地模拟出目标光谱；因此，本发明能够快速地使用现有led灯珠输出需要的目标光谱，成本低，周期短，能够很好地拓展了led灯珠的用途，满足用户的个性化需求，且本发明的灯珠优化效果明显优于通过最小方差和计算来实现光谱合成的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。