CN109117492B - 用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其在色品图上根据所述3N种光谱色坐标位置进行组合，构成N个均包围黑体曲线的三角形；根据目标色温的色坐标，分别计算所述N个三角形顶点对应的基色光谱的光通量比例，即可得到N个三峰同色异谱白光光谱；对所述N个三峰同色异谱白光光谱进行固定步长的比例混合，遍历所有的合成光谱并计算对应的色度指标，可以筛选得到最佳的全光谱白光配比方案。由于单个三峰白光光谱的单色峰光通量比例是同步变化的，因而大幅度地减少了计算量，准确率较高，筛选出来的合成光谱的色温均在目标色温附近，且与黑体线的距离接近，实现了宽色温调节范围下的高显色性。

Description

用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法

技术领域

本发明涉及LED混色技术领域，尤其是涉及一种用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法。

背景技术

全光谱白光指的是光谱成分包含从紫光到红光、波长范围380-780nm的连续光谱曲线，且光谱图中各段波长没有比例极为失调的波峰与波谷的部分，一般显色指数Ra接近100。全光谱LED应尽可能模拟自然光的连续光谱，目前都是通过蓝光芯片加多种荧光粉或多芯片组合来合成全光谱白光。由于蓝光芯片发光强度大，蓝光光谱峰值特别高，缺少紫光、青光、短波绿光和长波红光部分，因此无法做到所有特殊显色指数(R1-R15)均在95以上，也没有提出全色温范围的全光谱白光解决方案。

目前市场上主流的白光LED为两基色，GaN蓝光LED芯片激发含Ce³⁺的钇铝石榴石(简称YAG)黄色荧光粉，芯片发出的大部分蓝光激发黄色荧光粉后发射出黄光，黄光与剩余的小部分蓝光混合即为白光。该方法所需的蓝光LED芯片属于大规模生产，质量稳定，易于获取，且产生的白光基本覆盖从蓝光到红光的可见光区域，提高了一般显色指数Ra，但由于光谱中缺少红色部分，导致表征饱和红色的特殊显色指数R9过低；且高色温时蓝光峰值过强，在460–500nm范围内青光较弱，形成明显的波谷，导致表征饱和蓝色的特殊显色指数R12也不够高。

专利CN2004800212989提出了一种包含荧光体混合物的发光装置，该混合物包含四种或多于四种荧光体，能在特定光谱范围内发射，但是该方法所述的发光装置只能产生400–700nm之间的全光谱，一般显色指数da较高但是却无法满足特殊显色指数R9和R12均较高的要求。专利CN2009101110417提出了一种在2700–13000K全色温范围内的高显色性高光效的白光LED，用蓝光LED芯片激发绿色、黄色、红色荧光粉，较好地实现了全色温范围内的高显色性，但是该专利并未提及芯片和荧光粉按照何种比例混合才能同时满足宽色温调节范围和高显色性的要求。专利CN201410315235X提出了一种全色域多通道混色方法，能利用四参数向量控制N组(N≥5)不同主波长的单色LED封装器件进行混色，需要显示某个色坐标对应的光色时，通过寻址确定目标光色所在的三角形位置，通过调节三角形顶点对应的LED器件光通比例即可混色得到所需的目标光色。虽然该方法能实现更加丰富多彩的颜色显示，但该方法并未考虑当N较大时必然包含多种纯色光，当两种纯色光距离较近时，在合成目标光色时如何取舍分配的问题，并且用于混色的白光原色有很大程度上会产生色漂，导致混色结果达不到预期效果。专利CN2015103957601提出了一种RGBW四色混光混色设计算法，将红光、黄绿光、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED配色成所需目标色坐标点的白光，利用该算法设计出来的LED产品，能得到相同色温、相同显色指数、而具有高色域指数的白光LED照明系统。但是该专利只采用RGB三色进行合成，三基色复现的色域较窄，无法实现全光谱白光的要求。专利CN2016112145689提出了一种无荧光粉的全光谱LED封装结构及其封装方法，不使用荧光粉只通过多基色LED包括黄光、绿光、青光、蓝光、红光和橙光芯片直接合成白光，基本解决了传统封装方法蓝光过多、青光缺失和红光不足的缺陷，但是该方法将多基色LED芯片封装到一个器件上，则光能利用效率不高、热量散发会非常困难，温度一旦变化则会引起色温偏差等一系列问题。

由于现有LED混色技术难以满足人们对高品质照明的需求，因此有必要研究更精准，更易控制，更完善的混色方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其更精准，更易控制，更完善。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于用3N(N≥3)种基色光谱进行混色；在色品图上根据所述3N种光谱色坐标位置进行组合，构成N个均包围黑体曲线的三角形；根据目标色温的色坐标，分别计算所述N个三角形顶点对应的基色光谱的光通量比例，即可得到N个三峰同色异谱白光光谱；对所述N个三峰同色异谱白光光谱进行固定步长的比例混合，遍历所有的合成光谱并计算对应的色度指标，可以筛选得到最佳的全光谱白光配比方案。

所述目标色温色坐标为H(x,y)，3N个基色光谱的色坐标分别为a₁(x_a1,y_a1)、b₁(x_b1,y_b1)、c₁(x_c1,y_c1)、a₂(x_a2,y_a2)、b₂(x_b2,y_b2)、c₂(x_c2,y_c2)……a_N(x_aN,y_aN)、b_N(x_bN,y_bN)、c_N(x_cN,y_cN)；

对于其中一种三角形组合方式a₁b₁c₁、a₂b₂c₂……a_Nb_Nc_N，计算a₁、b₁、c₁三个基色光谱合成目标色温所需的光通量：

根据a₁光谱分布得到的基础光通量为Y_oa1，则基色光谱a₁的比例为

k_a1＝Y_a1/Y_oa1；

同理可以求出另两个顶点b₁和c₁的光谱比例k_b1和k_c1，从而获得白光光谱W₁；以此类推，可以得到其它三峰同色异谱白光光谱W₂、W₃、……W_N；对所述N个同色异谱白光光谱进行固定取样步长组合并计算合成光谱对应的色度指标，可以筛选出该三角形组合方式下的最佳配比方案；遍历所有三角形组合方式，最终可以得到所述3N种基色光谱合成全光谱白光的最佳光谱配比方案。

所述计算过程通过软件编程来实现。

所述3N种基色光谱包括单色LED光谱和荧光粉光谱，峰值波长均在380–780nm波长范围内。

所述单色LED包括但不限于紫光、青光和蓝光LED；所述荧光粉光谱包括但不限于绿光、黄光和红光。

所述目标色温范围在2700–6500K，一般显色指数Ra大于97，特殊显色指数R1-R15均大于95。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用3N(N≥3)种基色光谱来合成全光谱白光，基色光谱覆盖范围广，合成光谱的色温能覆盖可见照明的所有常见照明区段(2700–6500K)。

本发明提出的光谱混色算法，首先用3N(N≥3)种基色光谱合成N个三峰同色异谱白光，然后再用所述的同色异谱白光来合成全光谱白光。由于单个三峰白光光谱的单色峰光通量比例是同步变化的，因而大幅度地减少了计算量，准确率较高，筛选出来的合成光谱的色温均在目标色温附近，且与黑体线的距离接近，实现了宽色温调节范围下的高显色性。

附图说明

图1为本发明的用3个三峰同色异谱合成全光谱白光的九色组合方式之一；

图2为本发明的用3个三峰同色异谱白光来合成全光谱白光的流程图；

图3为本发明的用3个三峰同色异谱白光合成的全光谱白光；

图中标号：Y-黄色荧光粉、C-青光LED、OR-橙红荧光粉；YG-黄绿荧光粉、B-蓝光LED、R-红色荧光粉；LG-浅绿荧光粉、P-紫光LED、DR-深红荧光粉；H₆₅-6500K黑体色坐标点。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

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。

采用9色合成6500K的全光谱白光，包括紫光LED“P”(428±20nm)、蓝光LED“B”(450±25nm)、青光LED“C”(480±30nm)、浅绿荧光粉“LG”(518±102nm)、黄绿荧光粉“YG”(537±102.3nm)、黄色荧光粉“Y”(555±114.5nm)、橙红荧光粉“OR”(610±60nm)、红色荧光粉“R”(626±76nm)、以及深红荧光粉“DR”(655±84nm)。在色品图上描绘这9种基色光谱的色坐标点并进行组合，可以构成3个包含黑体线的三角形，共有36种组合方式。其中一种组合方式如图1所示，三个三角形分别为Y-C-OR、YG-B-R和LG-P-3DR。

9色合成全光谱白光的计算流程如图2所示：以目标色温6500K为例，其色坐标点为H₆₅(0.3135，0.3236)。

对于图1所示的三角形组合，首先计算Y-C-OR合成6500K色温H₆₅(0.3135，0.3236)的白光光谱：已知Y-C-OR三个顶点坐标Y(x₁,y₁)、C(x₂,y₂)、OR(x₃,y₃)，可求出Y、C、OR三个基色光谱所需的光通量：

然后根据Y、C、OR的光谱功率分布分别计算出基础光通量Y_o1、Y_o2和Y_o3，则可求出这三种基色光谱的合成比例：

k₁＝Y₁/Y_o1，

k₂＝Y₂/Y_o2，

k₃＝Y₃/Y_o3；

从而可以得到一个三峰白光光谱W₁。依次类推，可以得到另两个三角形YG-B-R和LG-P-DR所合成的白光光谱W₂和W₃，这三个白光光谱为同色异谱。

设置取样步长为0.02，对于所述3个三峰同色异谱白光W₁、W₂和W₃进行组合并计算合成光谱对应的色度指标，可以得到该三角形组合下的最佳配比方案。

遍历所有三角形组合，最终可以得到所述的9色合成全光谱白光的最佳方案。

上述计算过程采用Matlab编程实现，最终得到的9色混合全光谱白光如图3所示，其色温为6500K,色坐标(x,y)＝(0.3135,0.3236),色差Duv＝0.0000,一般显色指数Ra＝99.0,特殊显色指数Ri>97(i＝1-15),具体为R1＝99,R2＝99,R3＝98,R4＝99,R5＝99,R6＝98,R7＝100,R8＝100,R9＝98,R10＝98,R11＝97,R12＝97,R13＝99,R14＝98,R15＝98。

Claims (6)

1.一种用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于用3N种基色光谱进行混色，N≥3；在色品图上根据所述3N种基色光谱的色坐标位置进行组合，构成N个均包围黑体曲线的三角形；根据目标色温的色坐标，分别计算所述N个三角形顶点对应的基色光谱的光通量比例，即可得到N个三峰同色异谱白光光谱W₁、W₂、……、W_N，它们的色坐标相同；对所述N个三峰同色异谱白光光谱W₁、W₂、……、W_N进行固定步长的比例混合并计算合成光谱对应的色度指标，遍历所有的合成光谱后根据对应的色度指标，可以筛选得到最佳的全光谱白光配比方案。

2.根据权利要求1所述的用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于所述目标色温色坐标为H(x,y)，3N个基色光谱的色坐标分别为a₁(x_a1,y_a1)、b₁(x_b1,y_b1)、c₁(x_c1,y_c1)、a₂(x_a2,y_a2)、b₂(x_b2,y_b2)、c₂(x_c2,y_c2)……a_N(x_aN,y_aN)、b_N(x_bN,y_bN)、c_N(x_cN,y_cN)；

对于其中一种三角形组合方式a₁b₁c₁、a₂b₂c₂……a_Nb_Nc_N，计算a₁、b₁、c₁三个基色光谱合成目标色温所需的光通量：

根据a₁光谱分布得到的基础光通量为Y_oa1，则基色光谱a₁的比例为

k_a1＝Y_a1/Y_oa1；

同理可以求出另两个顶点b₁和c₁的光谱比例k_b1和k_c1，从而获得白光光谱W₁；以此类推，可以得到其它三峰同色异谱白光光谱W₂、W₃、……W_N；对所述N个同色异谱白光光谱进行固定取样步长组合并计算合成光谱对应的色度指标，可以筛选出该三角形组合方式下的最佳配比方案；遍历所有三角形组合方式，最终可以得到所述3N种基色光谱合成全光谱白光的最佳光谱配比方案。

3.根据权利要求2所述的用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于所述方法通过软件编程来实现。

4.根据权利要求1所述的用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于所述3N种基色光谱包括单色LED光谱和荧光粉光谱，峰值波长均在380–780nm波长范围内。

5.根据权利要求4所述的用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于所述单色LED包括但不限于紫光、青光和蓝光LED；所述荧光粉光谱包括但不限于绿光、黄光和红光。

6.根据权利要求1所述的用多个三峰同色异谱白光光谱来合成全光谱白光的方法，其特征在于所述目标色温范围在2700–6500K，一般显色指数Ra大于97，特殊显色指数R1-R15均大于95。

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