一种多色led匹配光谱和照度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种多色LED匹配光谱和照度的方法。在本方法中，首先，通过采样和测量获取各色单颗LED的光谱样本数据；然后，对待匹配光谱和照度进行转换以获得相应的目标光谱辐射亮度分布；最后，通过差分进化算法迭代匹配获得LED的驱动值，同时还提供了相应的光谱和照度匹配评价指标以对匹配结果进行评价。本发明解决了当前光谱匹配方法存在的不足，能够在匹配光谱的同时获得照度的匹配，并可显著降低因LED混合光源维护和更新而造成的标定成本，操作简便，易于实施。此外，匹配过程中还解决了LED光源因发热而造成的光谱变化问题，可满足实际应用同时对光谱和照度匹配的需求。
【专利说明】
一种多色LED匹配光谱和照度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及LED照明领域，尤其涉及一种多色LED匹配光谱和照度的方法。
【背景技术】
[0002] LED光源凭借环保、节能、长寿、体积小等优势正逐渐渗透到各个应用领域，如显 示、一般照明、植物栽培、生物医疗、光伏以及辐射度、光度和色度仪器定标等方面，而其中 多数应用均需光源在能够提供一定亮度或照度的同时还要具有某种光谱分布特性，因此精 确提供满足特定应用需求的光源光谱和照度具有十分显著的实际应用价值。
[0003] LED光源光谱的窄带特性及其丰富的颜色分布为实现光源光谱可调提供了重要基 础。目前，通过LED光源实现光谱匹配的方法主要有：1)采用最小二乘法实现待匹配目标光 谱与匹配光谱间的误差最小，这种方法简单易行，但对于某些匹配情形，最小二乘法获得的 部分LED的匹配比例会出现负值，显然负值无法用实际的LED予以实现，而简单地丢弃出现 负值的LED光源又会造成匹配误差增大;2)采用梯度下降的迭代方法，该方法对迭代参数的 设置较为敏感，一旦设置不合理，往往造成迭代不收敛的弊端;3)采用遗传算法，这种方法 虽可以避免上述两种方法缺点，但不易实施。
[0004] LED光源的光谱特性会随其发热产生变化，而已有方法往往假定LED光源的光谱特 性是恒定的，进而造成匹配误差。此外，已有的方法也均未提及在匹配LED光谱的同时如何 处理照度匹配的问题。
【发明内容】
[0005] 为了克服已有光谱匹配方法的不足，本发明提供了一种多色LED匹配光谱和照度 的方法。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种多色LED匹配光谱和照度的方法，包括如下步骤：
[0008] SI: LED光谱样本数据的获取；
[0009] S2:待匹配光谱和照度数据的处理，得到与待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐 射亮度分布；
[0010] S3:采用差分进化算法进行迭代匹配，获得与目标光谱辐射亮度分布对应的各类 LED的驱动值；
[0011] S4:对上述驱动值下测量获得的光谱和照度进行匹配评价。
[0012] 作为优选，所述步骤S1中LED光谱样本数据的获取过程具体包括以下步骤：
[0013] S101:在各类LED的驱动值动态范围内以一定采样间隔建立LED驱动数据样本，记 为d^，表示第i类LED的第j个驱动数据样本，用行向量将各类LED的驱动数据样本表示为cU = [(1^(1^，. . .，di,max]，其中，di,max表示第i类LED的最大采样驱动值，并将各类LED最大采 样驱动值构成的行向量记为0 111￡?=[(11,111￡?，(12,111 ￡?，...，(111,111￡?]，其中11为]^1)的种类数；
[0014] S102:将步骤S101中的驱动数据样本分别依次驱动点亮对应类别单颗LED，并等待 其发光稳定；
[0015] S103:在各类单颗LED垂直正下方放置标准灰板或标准白板（以下统称为标准板）， 采用光谱辐射计依次测量获得各类单颗LED点亮稳定时经标准板反射的光谱辐射亮度分布 数据，记为S^(A)，表示第i类单颗LED在驱动值点亮稳定后经标准板反射的光谱辐射亮 度分布，单位为W/(sr · m2 · nm)，λ为可见光波长。
[0016] 作为优选，所述步骤S2中待匹配光谱和照度数据的处理具体包括以下步骤：
[0017] S201:设置待匹配光谱St(A)，并结合标准板的光谱反射比，依据光度学理论计算St (λ)经标准板反射的光谱StQ(A)，标准板的光谱反射比通过分光光度计测量获得；
[0018] S202:根据光度学理论计算步骤S201中StQ(X)对应的光亮度Lto;
[0019] S203:设置待匹配照度Et，单位为lx，并结合步骤S202中的光亮度LtQ，依据光度学 理论计算待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐射亮度分布S ta(A)。
[0020] 作为优选，所述步骤S3中光谱和照度匹配采用差分进化算法进行迭代匹配，其具 体步骤为：
[0021] S301:根据光照度叠加原理计算各类LED的等效数量，用行向量记为Nmax= [Nmax>1， Nmax,2，…，Nmx,η]，其中η为LED的种类数；
[0022] S302:按照下式计算各类LED在采样驱动值均为du打开时的混合光谱辐射亮度分 布Si，j，M(X):
[0023] Si, =Nmax,iSi, j(A)，
[0024] 式中Nmax,i为步骤S301中第i类LED的等效数量，Si,j(A)为步骤S103中单颗LED在采 样驱动值为di,j时测量的光谱福射亮度分布；
[0025] S303:通过三次样条插值算法预测各类LED在其驱动值动态范围内任一驱动值时 的光谱福射亮度分布Si,M(X)，gp
[0026] Si，M(X) =spline(di，Si(A)，Di)，
[0027] 式中spline表示执行三次样条插值，di为步骤S101中第i类LED采样驱动值构成的 行向量为步骤S302中第i类LED在波长λ处不同采样驱动值的光谱辐射亮度构成的行 向量，Di为第i类LED在其驱动值动态范围内的任一驱动值；
[0028] S304:设置波长匹配范围[心，\2]，即在[心，\2]波长范围内进行光谱匹配；
[0029] S305:定义目标函数f(D)，即将光谱匹配转换为求解下式的最小值：
[0030] 注意的是，该目标函数需在步骤S304中设置的波长匹配范围内进行计算；
[0035] S306:执行初始化操作，即在0~Dmax间随机生成Np个均匀分布的候选解向量集，记 为015,1 = [01,15,1，02人1，"_，0 11,1{,1]，其中汰表示第1^个候选解向量，且1^={1，2，...，邮}，恥取 决于LED的种类数，一般情况下Np=10n，l表示初始候选解向量集，同样将经过第G次迭代时 的邮个候选解向量集记为〇1^=[01,1^，02,1^，~，0 11,1^];
[0036] S307:根据经典差分进化算法原理对步骤S306中的Np个候选解向量Dk,G依次执行 变异、交叉和选择操作，经此系列操作获得下一次（即第G+1次）迭代的Np个候选解向量 Dk,G+l ；
[0037] S308:按照下式获得第G次迭代时的最佳候选解向量：
[0038] _ D
…一…」
[0039] 式中f(Dk,c+1)为第k个候选解向量对应的目标函数值，Do,c为第G次迭代时的最佳候 选解向量，Min表示计算最小值；
[0040] S309:重复执行步骤S307~S308，直至满足设定的迭代终止条件，即最大迭代次数 Gmax，并将最终获得的最佳解向量记为Do,end，即为匹配获得的各类LED的驱动值；
[0041 ] S310 :将步骤S309中匹配获得的各类LED的驱动值输入到对应的控制软件点亮 LED，并通过光谱辐射计和照度计分别测量匹配出的光谱辐射亮度分布Stm(A)和照度Em。 [0042]作为优选，所述步骤S4中光谱和照度匹配评价具体包括以下步骤：
[0043] S401:采用光谱均方根误差(RMS)、光谱拟合优度(GFC)、p参数等光谱评价指标对 光谱匹配结果进行评价，这三个指标的定义分别为
[0044]
[0045] 123456 2
[0047] 式中λ^ΡλΜ应步骤S304中的波长匹配范围，N为参与评价波长的数量，Sta(A)为 步骤S203中的目标光谱，Stm(A)为步骤S310中的光谱测量值； 3
[0048] S402:^用照度误差百分比εΕ对照度匹配结果进行评价，εΕ的定义为 4
[0049]
5 式中Et为步骤S203中的待匹配照度，Em为步骤S310中的照度测量值。 6 本发明的有益效果是:本发明解决了当前通过LED光源实现光谱匹配存在的不足， 所述方法仅测量不同类型单颗LED的光谱数据，而无需测量同类LED同时打开时的混合光 谱，能够显著降低因 LED混合光源维护和更新而造成的标定成本。此外，匹配过程中通过三 次样条插值考虑了 LED光源因其发热而造成的光谱变化问题。此方法操作简便，易于实施， 且在实现光谱匹配的同时兼顾照度匹配，能够满足实际应用中对光源光谱和照度匹配的要 求。
【附图说明】
[0052]图1是与CIE标准照明体A对应的目标光谱和匹配测量光谱；
[0053]图2是与CIE标准照明体D65对应的目标光谱和匹配测量光谱。
【具体实施方式】
[0054] 本发明提供的多色LED匹配光谱和照度的方法，主要包括如下步骤：
[0055] SI: LED光谱样本数据的获取；
[0056] S2:待匹配光谱和照度数据的处理，得到与待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐 射亮度分布；
[0057] S3:采用差分进化算法进行迭代匹配，获得与目标光谱辐射亮度分布对应的各类 LED的驱动值；
[0058] S4:对上述驱动值下测量获得的光谱和照度进行匹配评价。
[0059] 下面结合附图和实施例对上述匹配方法进行详细阐述，以更好地理解本发明的实 质。
[0060] 本实施例采用的多色LED光源是由17种类型一千多颗单色LED构成的一个大尺寸 LED矩阵，并通过基于PWM的数字调光方式对其进行调光控制。需要说明的是，本发明并不局 限于实施例中所采用的LED类型和调光方式，只要采用LED光源匹配光谱均适用于本发明。
[0061] 1.LED光谱样本数据的获取过程具体包括以下步骤：
[0062] S101:在各类LED的驱动值动态范围内以8作为驱动值采样间隔建立LED驱动数据 样本，记为d^，表示第i类LED的第j个驱动数据样本，用行向量将各类LED的驱动数据样本 表示为. . .，di,max]，其中，di,max表示第i类LED的最大采样驱动值，驱动值的取 值范围为〇~255,并将各类LED的最大采样驱动值构成的行向量记为D max=[cU,max， d2，max，· · ·，dn, max ]，中 Π - 17;
[0063] S102:将步骤S101中的驱动数据样本分别依次驱动点亮对应类别单颗LED，并等待 其发光稳定；
[0064] S103:在各类单颗LED垂直正下方放置X-Rite ColorChecker Passport标准灰板， 采用光谱辐射计Konica Minolta CS-2000依次测量获得各类单颗LED点亮稳定时经标准灰 板反射的光谱辐射亮度分布数据，记为S^(A)，表示第i类单颗LED在驱动值点亮稳定后 经标准灰板反射的光谱辐射亮度分布，单位为W/(sr · m2 · nm)，λ为可见光波长，波长测量 范围为380~780nm，波长测量间隔为lnm。
[0065] 2.待匹配光谱和照度数据的处理具体包括以下步骤：
[0066] S201:选取CIE标准照明体A和D65作为待匹配目标光谱St(A)，然后结合标准灰板 的光谱反射比，根据光度学理论计算St(A)经标准灰板反射的光谱St〇(A)，标准灰板的光谱 反射比通过分光光度计GretagMacBeth Color-Eye 7000A测量获得，需要说明的是，本发明 并不局限于这两种类型的光谱，只要采用LED匹配光源光谱均适用本发明；
[0067] S202:根据光度学理论计算步骤S201中StQ(X)对应的光亮度Lt0;
[0068] S203:设置待匹配照度Et = 5001x，需要说明的是，本发明并不局限于这一照度值， 只要待匹配照度在多色LED所能实现的照度范围之内均适用本发明，并结合步骤S202中的 光亮度Lto,依据光度学理论计算待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐射亮度分布S ta(A)， 即与选取的CIE标准照明体A和D65对应的目标光谱辐射亮度分布，计算结果分别见图1(A_ 目标)和图2(065_目标）。
[0069] 3.光谱和照度匹配采用差分进化算法进行迭代匹配，其具体步骤为：
[0070] S301:根据光照度叠加原理计算各类LED的等效数量，用行向量记为Nmax=[Nmax山 Nmax,2，…，Nmax,n]，其中η为LED的种类数，SPn= 17;
[0071] S302:按照下式计算各类LED在采样驱动值均为打开时的混合光谱辐射亮度分 布Si，j，M(X):
[0072] Si, =Nmax,iSi, j(A)，
[0073] 式中Nmax,i为步骤S301中第i类LED的等效数量，Si,j(A)为步骤S103中单颗LED在采 样驱动值为di,j时测量的光谱福射亮度分布；
[0074] S303:通过三次样条插值预测各类LED在其驱动值动态范围内任一驱动值时的光 谱辐射亮度分布Si,M(A)，gp
[0075] Si，M(X) =spline(di，Si(A)，Di)，
[0076]式中spline表示执行三次样条插值，di为步骤S101中第i类LED采样驱动值构成的 行向量为步骤S302中第i类LED在波长λ处不同采样驱动值的光谱辐射亮度构成的行 向量，Di为第i类LED在其驱动值动态范围内的任一驱动值；
[0077] S304:设置波长匹配范围[λ^λ〗]，即在[心，\2]波长范围内进行光谱匹配，在此实 施例中设置^ = 430^1^2 = 640^11,需要说明的是，波长匹配范围并不局限于这一范围，取决 于实际采用的LED的光谱分布；
[0078] S305:定义目标函数，即将光谱匹配转换为求解下式的最小值：
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]式中D为待求解行向量，向量中各元素01表示第i类LED在其驱动值动态范围内任 一驱动值，η为LED的种类数，即n= 17，Sm(A)表示多色LED的混合光谱辐射亮度分布，Si,Μ(λ) 为第i类LED在其驱动值动态范围内任一驱动值处的光谱辐射亮度分布，可通过步骤S303获 得，需要注意的是，λι = 430nm，λ2 = 640nm，即步骤S304设置的波长匹配范围；
[0084] S306:执行初始化操作，即在0~Dmax间随机生成Np个均匀分布的候选解向量集，记 为〇15,1=[01,1<,1，02,1<,1，'"，017,1<,1]，其中，1^表示第1^个候选解向量，且1^={1，2，...，邮}，邮= 170，1表示初始候选解向量集，同样将经过第G次迭代时的170个候选解向量集记为Dk, G = [Dl,k,G,D2,k,G, ··· ,Dl7,k,G]；
[0085] S307:根据经典差分进化算法原理对步骤S306中的170个候选解向量Dk,G依次执行 变异、交叉和选择操作，经此系列操作获得下一次（即第G+1次）迭代的170个候选解向量 Dk，G+l;
[0086] S308:按照下式获得第G次迭代时的最佳候选解向量：
[0087]
[0088] 式中f(Dk,c+1)为第k个候选解向量对应的目标函数值，Do,c为第G次迭代时的最佳候 选解向量，Min表示计算最小值；
[0089] S309:重复执行步骤S307~S308，直至满足设定的迭代终止条件，即最大迭代次数 Gmax，此处Gmax = 200,可根据实际匹配情况对其适当调节，迭代次数设置越大匹配效果越好， 但会降低匹配效率，并将最终获得的最佳解向量记为Do,end，即为匹配获得的各类LED的驱动 值；
[0090] S310:将步骤S309中匹配获得的各类LED的驱动值输入到编写的控制软件中点亮 LED矩阵，并通过CS-2000和ΧΥΙ-ΙΙI全数字照度计分别测量匹配出的CIE标准照明体A和D65 的光谱辐射亮度分布S tm(A)和照度Em，具体匹配结果分别见图1(A_匹配)和图2(065_匹配）， 两种匹配情形下的照度测量值分别为4761x和4761x。
[0091] 4.光谱和照度匹配评价具体包括以下步骤：
[0092] S401:采用光谱均方根误差(RMS)、光谱拟合优度(GFC)、p参数等光谱评价指标对 光谱匹配结果进行评价，这三个指标的定义分别为
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 式中λ#Ρλ2对应步骤S304中的波长匹配范围，分别为430nm和640nm，N为参与评价 波长的数量，即211，Sta(A)为步骤S203中的目标光谱，Stm(A)为步骤S310中的光谱测量值； [0097] 将步骤S203中对应CIE标准照明体A和D65的目标光谱以及步骤S310中匹配光谱测 量值分别代入上述公式，可获得光谱匹配评价结果，如表1所示。
[0098]由表1、图1以及图2可见，本发明提供的光谱匹配方法在设置的波长匹配范围内获 得了较好的匹配结果，但CIE标准照明体D65的匹配结果差于CIE标准照明体A，这主要是由 于D65在部分波长处存在尖峰和波谷，加之实施例采用的LED矩阵大约在540~580nm波长范 围内均为宽带LED且短波区域LED光谱分布也不够均匀，因此实践中只要能够在可见光波长 范围内获得尽可能均匀分布的LED，本发明提供的光谱匹配方法就可以获得满意的匹配精 度。
[0099] 表1光谱匹配评价结果 [0100]
[0101] S402:采用照度误差百分比εΕ对照度匹配结果进行评价，εΕ的定义为
[0102]
[0103] 式中Et为步骤S203中的待匹配照度，即5001x，Em为步骤S310中的照度测量值，即均 为4761x。将两种情形中的测量照度分别代入上式，获得照度匹配误差均为4.8%，该照度匹 配误差在可接受的范围内。照度匹配误差主要源于A和D65整体上在540~580nm波长范围内 测量光谱辐射亮度均低于目标光谱辐射亮度，鉴于实施例所采用LED光谱尤其在540~ 580nm波长范围内的限制，所以本发明提供的照度匹配方法是有效的。
【主权项】
1. 一种多色LED匹配光谱和照度的方法，其特征在于，包括如下步骤： SI: LED光谱样本数据的获取； S2:待匹配光谱和照度数据的处理，得到与待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐射亮 度分布； S3:采用差分进化算法进行迭代匹配，获得与目标光谱辐射亮度分布对应的各类LED的 驱动值； S4:对上述驱动值下测量获得的光谱和照度进行匹配评价。2. 如权利要求1所述的多色LED匹配光谱和照度的方法，其特征在于，所述步骤Sl中LED 光谱样本数据的获取过程具体包括以下步骤： SlOl:在各类LED的驱动值动态范围内以一定采样间隔建立LED驱动数据样本，记为 cU,J，表示第i类LED的第j个驱动数据样本，用行向量将各类LED的驱动数据样本表示为Cl1 = [di,i，di,2,. . .，di,max]，其中，di,max表示第i类LED的最大采样驱动值，并将各类LED最大采样 驱动值构成的行向量记为〇1!1 ￡?=[(11,111￡?，(12,111￡?，...，(1 11,111￡?]，其中11为1^0的种类数； S102:将步骤SlOl中的驱动数据样本分别依次驱动点亮对应类别单颗LED，并等待其发 光稳定； S103:在各类单颗LED垂直正下方放置标准板，采用光谱辐射计依次测量获得各类单颗 LED点亮稳定时经标准板反射的光谱辐射亮度分布数据，记为Si,」(λ)，表示第i类单颗LED在 驱动值di,j点亮稳定后经标准板反射的光谱福射亮度分布，单位为W/(sr · m2 · nm)，λ为可 见光波长。3. 如权利要求1所述的多色LED匹配光谱和照度的方法，其特征在于，所述步骤S2中待 匹配光谱和照度数据的处理具体包括以下步骤： S201:设置待匹配光谱St(A)，并结合标准板的光谱反射比，依据光度学理论计算St(A) 经标准板反射的光谱Sto(A)，标准板的光谱反射比通过分光光度计测量获得； S202:根据光度学理论计算步骤S201中Sto(A)对应的光亮度Lt0; S203:设置待匹配照度Et，单位为lx，并结合步骤S202中的光亮度LtQ，依据光度学理论 计算待匹配光谱和照度对应的目标光谱辐射亮度分布Sta(A)。4. 如权利要求1所述的多色LED匹配光谱和照度的方法，其特征在于，所述步骤S3中光 谱和照度匹配采用差分进化算法进行迭代匹配，其具体步骤为： S301:根据光照度叠加原理计算各类LED的等效数量，用行向量记为Nmax= [Nmax山 Nmax, 2，…，Nmx, n]，其中η为LED的种类数； S302:按照下式计算各类LED在采样驱动值均为du打开时的混合光谱辐射亮度分布 Si,」，Μ(λ): Si，j，Μ(λ·) - Nmax, iSi, j (λ.), 式中Nmax,i为步骤S301中第i类LED的等效数量，Si,j(A)为步骤S103中单颗LED在采样驱 动值为di,j时测量的光谱辐射亮度分布； S303:通过三次样条插值算法预测各类LED在其驱动值动态范围内任一驱动值时的光 谱辐射亮度分布Si,Μ(λ)，gp Si，M(X) = spline(di，Si(A)，Di)， 式中spline表示执行三次样条插值，di为步骤SlO 1中第i类LED采样驱动值构成的行向 量，Si(A)为步骤S302中第i类LED在波长λ处不同采样驱动值的光谱辐射亮度构成的行向 量，Di为第i类LED在其驱动值动态范围内的任一驱动值； S304:设置波长匹配范围[A1J2],即在[A1J2]波长范围内进行光谱匹配； S305:定义目标函数f(D)，即将光谱匹配转换为求解下式的最小值：式中D为待求解行向量，向量中各元素 Di表示第i类LED在其驱动值动态范围内任一驱动 值，η为LED的种类数，Sm(A)表示多色LED的混合光谱辐射亮度分布，Si,Μ(λ)为第i类LED在其 驱动值动态范围内任一驱动值处的光谱辐射亮度分布，可通过步骤S303获得； S306:执行初始化操作，即在O~Dmax间随机生成Np个均匀分布的候选解向量集，记为 Dk,i=[Di,k,i，D2,k,i，…，Dn,k,i]，其中，k表示第k个候选解向量，且k= {1，2,. . .，Np}，1 表示初 始候选解向量集，同样将经过第G次迭代时的Np个候选解向量集记为Dk, C = [Di, k, c， D2,k,G, ··· ,Dn.k.c]； S307:根据经典差分进化算法原理对步骤S306中的Np个候选解向量Dk,G依次执行变异、 交叉和选择操作，经此系列操作获得下一次迭代的Np个候选解向量Dk,c+1; S308:按照下式获得第G次迭代时的最佳候选解向量：式中f (Dk,c+1)为第k个候选解向量对应的目标函数值，Do,c为第G次迭代时的最佳候选解 向量，Min表示计算最小值； S309:重复执行步骤S307~S308,直至满足设定的迭代终止条件，即最大迭代次数Gmax， 并将最终获得的最佳解向量记为Do,end，即为匹配获得的各类LED的驱动值； S310:将步骤S309中匹配获得的各类LED的驱动值输入到对应的控制软件点亮LED，并 通过光谱辐射计和照度计分别测量匹配出的光谱辐射亮度分布Stm(A)和照度Em。5.如权利要求1所述的多色LED匹配光谱和照度的方法，其特征在于，所述步骤S4中光 谱和照度匹配评价具体包括以下步骤： S401:采用光谱均方根误差RMS、光谱拟合优度GFC、p参数等光谱评价指标对光谱匹配 结果进行评价，这三个指标的定义分别为式中λ#Ρλ2对应步骤S304中的波长匹配范围，N为参与评价波长的数量，Sta(A)为步骤 S203中的目标光谱，Stm(A)为步骤S310中的光谱测量值； S402:采用照度误差百分比εΕ对照度匹配结果进行评价，εΕ的定义为式中Et为步骤S203中的待匹配照度，Em为步骤S310中的照度测量值。
【文档编号】H05B33/08GK105934020SQ201610273647
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】徐海松, 章夫正, 汪哲弘
【申请人】浙江大学