高色飽和度白光led照明系統(tǒng)及其混色設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高色飽和度白光LED照明系統(tǒng)及 其混色設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光品質(zhì)已越來越受到人們的重視，特別是對于室內(nèi)照明，如商場、零售店、酒店、博 物館、家居等室內(nèi)空間，對于光品質(zhì)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對光效的要求。照明系統(tǒng)會影響到被照 物體的視覺感受，許多時候，用戶和消費(fèi)者更關(guān)注物體給人的視覺效果，比如顏色是否豐富 多彩，是否有吸引力。因此，被照物體的顏色是衡量光源質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。目前有很多 關(guān)于調(diào)光調(diào)色的研究，但大部分只關(guān)注提高顯色指數(shù)和擴(kuò)大色溫的調(diào)節(jié)范圍，忽視了提高 光源的色飽和度這個關(guān)鍵問題。用具有高飽和度色光的光源照射物體，能夠提升物品顏色 表現(xiàn)力，使視覺清晰度和視亮度增加，進(jìn)而增加人的喜悅感和舒適度。
[0003] 目前，照明行業(yè)還是使用傳統(tǒng)的顯色指數(shù)（CRI)作為光源顏色品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，具 有很多局限性。CRI參考光源是連續(xù)光譜，但用它來衡量不連續(xù)光譜的光源如LED光源時， 并不能完全反映出真實(shí)的視覺效果，尤其是不能表征光源對高色飽和度物體照明的視覺效 果。有實(shí)驗(yàn)表明，用RGB三基色LED光源混合成白光照亮物體時，視覺效果很好，但CRI數(shù) 值不到30。因此，用CRI的評價(jià)方法并不能客觀地測量人的主觀感受。
[0004] 由于CRI的局限性，目前國際上出現(xiàn)了很多新的衡量顏色品質(zhì)的評價(jià)體系。其中， 全色域指數(shù)（Gamutareaindex,GAI)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CRI標(biāo)準(zhǔn)的不足之處。GAI是由美國固 態(tài)照明技術(shù)與系統(tǒng)聯(lián)合會ASSIST提出的，GAI的具體計(jì)算方法是：計(jì)算CRI前8個顏色樣 品在待測光源和參考光源下在CIE1976u'v'色域空間中的色域面積之比。GAI標(biāo)準(zhǔn)根據(jù) 人腦感知光源的模式設(shè)定，能夠準(zhǔn)確地描述被人腦感知的光線與顏色，反映光源的整體效 果以及人們感知光源色彩的主觀感受。有研究表明，用具有高GAI指數(shù)的光源照射物體，能 提高被照物體顏色飽和度，使物體顏色更鮮艷更吸引人，人們對物體顏色的偏好度也隨GAI 指數(shù)的增大而增加。因此，GAI指數(shù)可以作為CRI的有效補(bǔ)充，GAI指數(shù)和CRI指數(shù)雙重標(biāo) 準(zhǔn)的使用，將能更精準(zhǔn)地、"人性化"地描述光源的質(zhì)量。
[0005]計(jì)算光源的CRI指數(shù)和GAI指數(shù)都是用黑體輻射作為參考光源。黑體輻射的顯色 指數(shù)CRI=IOO,全色域指數(shù)GAI=100。目前常用的普通的熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED的顯色指數(shù) CRI=80,全色域指數(shù)GAI=96 ;高顯色陶瓷金鹵燈的顯色指數(shù)CRI=92,全色域指數(shù)GAI=104。 高顯色陶瓷金鹵燈由于其優(yōu)異的光色性能，被用于高端設(shè)計(jì)空間，如零售店、博物館、酒店 大堂等對光品質(zhì)要求較高的場所，用來重點(diǎn)照明，突出被照物體，提高被照物體顏色飽和 度。但是金鹵燈電弧管里面填充的汞是具有蓄積毒性的重金屬，不環(huán)保。因此，有必要研發(fā) 設(shè)計(jì)具有高光色性能的白光LED來替代高顯色陶瓷金鹵燈，特別是提高LED燈的GAI指數(shù)， 應(yīng)用于對光品質(zhì)要求較高的高端設(shè)計(jì)場所。但是如何對LED進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，提高GAI指數(shù)， 這方面的研究報(bào)導(dǎo)很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種高色飽和度白光LED的混色設(shè)計(jì)方法及白光LED照明系 統(tǒng)，使混色得到的白光LED照明系統(tǒng)在保持相同色溫和相同顯色指數(shù)的情況下，具有高全 色域指數(shù)；用具有高全色域指數(shù)的白光LED照射物體，可以提高被照物體顏色的飽和度，使 被照物體顏色更鮮艷，提高人們對被照物體的喜愛度和偏好度。
[0007] 本發(fā)明提供高色飽和度白光LED的混色設(shè)計(jì)方法，具體步驟為： 步驟1 :設(shè)定白光LED照明系統(tǒng)所需要的色溫，然后在CIE1931色域空間中求得所需 色坐標(biāo)點(diǎn)（x，y)，轉(zhuǎn)化為三點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z); 步驟2 :選用三原色（R、G、B)紅光LED、黃綠光LED、藍(lán)光LED和熒光粉轉(zhuǎn)換的白光LED配色成所需色坐標(biāo)點(diǎn)的白光。根據(jù)每組光源的光譜和顏色匹配函數(shù)，求得三原色R、G、B和 白光LED的色坐標(biāo)點(diǎn)，分別記為（Xr，Yr，Zr)、（Xg，Yg，Zg)、（Xb，Yb，Zb)、（Xw，Yw，Zw); 步驟3 :計(jì)算滿足所需白光的色坐標(biāo)點(diǎn)的R、G、B和白光LED比例；假設(shè)R、G、B和白光LED的比例分別為^8、13、《，根據(jù)所需白光的色坐標(biāo)點(diǎn)，可得到如下方程組：
此方程組為奇異值方程，三個方程，四個未知數(shù)。用數(shù)學(xué)軟件解此奇異值方程，可得到 無窮多組解。因此當(dāng)用四組不同波長的LED光源混色時，多種LED配比都可以得到所需白 光的色坐標(biāo)點(diǎn)； 步驟4 :對于每一種配比，根據(jù)CIE制定的標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)方法計(jì)算CRI和GAI指數(shù)。得到R、G、B比例和CRI/GAI之間的曲線關(guān)系，隨光源系統(tǒng)中R、G、B比例增大，CRI指數(shù)先增大而 后減小，而GAI指數(shù)則一直線性增大； 步驟5 :根據(jù)R、G、B比例和CRI/GAI之間的線性關(guān)系曲線，可以得到所設(shè)定的色溫條件 下，針對某個顯色指數(shù)，高全色域指數(shù)混色方案所對應(yīng)的R、G、B和白光LED的比例； 步驟6 :對每組LED光源采用脈沖寬度調(diào)制（PffM)調(diào)光，改變其光輸出強(qiáng)度，得到所需的R、G、B和白光LED的比例，以此設(shè)計(jì)產(chǎn)品，得到相同色溫、相同顯色指數(shù)，而具有高全色域指 數(shù)的白光LED照明系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明中，所述混色設(shè)計(jì)方法得到的高色飽和度白光LED照明系統(tǒng)，包含四組不 同波長的LED光源，每組光源通過PffM方式調(diào)節(jié)所需光輸出比例，LED導(dǎo)通時保持電流幅值 恒定，光色穩(wěn)定性好。
[0009] 本發(fā)明中，所述混色設(shè)計(jì)方法得到的高色飽和度白光LED照明系統(tǒng)，色溫調(diào)節(jié)范 圍為 2000 - 10000K。
[0010] 本發(fā)明中，所述混色設(shè)計(jì)方法得到的高色飽和度白光LED照明系統(tǒng)，全色域指數(shù) GAI^ 100〇
[0011] 本發(fā)明的高色飽和度白光LED混色設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)勢： 1、本發(fā)明通過混色優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到高全色域指數(shù)的白光LED照明系統(tǒng)。本發(fā)明的LED照明系統(tǒng)的GAI指數(shù)超過現(xiàn)有高顯色陶瓷金鹵燈的水平，視覺效果更好。用高GAI指數(shù)的 白光LED照射物體，可以提高被照物體顏色的飽和度，使被照物體顏色更鮮艷，并且提高人 們對被照物體的偏好度和喜愛度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)本發(fā)明的高GAI指數(shù)的白光LED照明系統(tǒng)對被 照物體顏色的視覺影響和觀測者對被照物體的視覺偏好度優(yōu)于相同色溫、相同顯色指數(shù)下 的陶瓷金鹵燈和熒光粉轉(zhuǎn)化的白光LED; 2、 本發(fā)明用四組不同波長的LED光源配色成所需色坐標(biāo)點(diǎn)的白光，通過求解奇異值方 程，就可得到多組滿足色坐標(biāo)點(diǎn)的LED配比。然后可計(jì)算得到不同配比下的光色性能，比如 顯色指數(shù)、全色域指數(shù)等參數(shù)。本發(fā)明的混色計(jì)算方法簡便，理論計(jì)算與實(shí)際測得的光色參 數(shù)一致； 3、 本發(fā)明通過混色設(shè)計(jì)得到的高色飽和度白光LED照明系統(tǒng)，具有高的全色域指數(shù)， GAI^ 100〇
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的通過混色設(shè)計(jì)方法得到的RGB比例和CRI/GAI指數(shù)的關(guān)系圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明的用于實(shí)驗(yàn)的陶瓷金鹵燈和三種LED光源的光譜圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)得到的觀測者對被照物體顏色鮮艷度的平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0015] 圖4為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)得到的觀測者對被照物體顏色偏好度的平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。所描述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的 部