LED光譜可調設備對光源選擇的探究

羅曉霞，榮浩磊，馬 曄

(北京清華同衡規劃設計研究院有限公司，北京 10085)

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LED光譜可調設備對光源選擇的探究

羅曉霞，榮浩磊，馬 曄

(北京清華同衡規劃設計研究院有限公司，北京 10085)

借助Matlab軟件提取實際光源的光譜分布數據，以Philips Lumileds Luxeon? Rebel Color系列為例，通過模擬計算自動選擇最優光源組合。結果表明Royal Blue(峰值波長449nm)、Cyan(峰值波長504nm)、Green(峰值波長527nm)、Deep Red(峰值波長662nm)是實現混色范圍最大的光源組合。

LED光譜可調光源；四色混光；Matlab；景觀照明

引言

傳統光源的光譜分布是確定的，LED光源可以通過RGB三原色或不同色光混合來任意調整光源的光譜組成。光譜可調的光源設備正逐漸應用于各技術領域：在光學領域，可用于對光學遙感器進行輻射定標[1-2]；在色度學領域，為研究顯色性新的度量指標提供照明[3-5]；在生物學領域，可幫助研究人員開展不同光譜照射下的植物生長實驗等。物體在不同光譜光源下的色彩表現效果正引起照明設計師的關注[6](如圖1所示)，光譜可調的光源設備在照明領域的應用意義越來越凸顯。

圖1 不同照明光源下對香蕉的照明效果Fig.1 The lighting effect of banana under different source

現有的光譜可調光源系統大多是由大量不同光譜分布的LED組成，使其波段覆蓋整個可見光光譜。然而， LED的過多使用勢必造成系統在使用過程中產生大量的熱量，溫度的變化將引起色溫漂移，對光譜形狀產生影響；且控制通道較多，較難實現與用戶的交互式操作。本文采用四基色混合的方式實現光譜可調光源系統的搭建，借助軟件的數學模擬算法，挑選實際光源中最適宜的光源組合。

1 四基色混光原理

從原理上說，紅、綠、藍三原色在色度圖中的坐標能圍成一個三角形區域，通過三基色LED光源的組合，可以實現其圍成的三角形區域內的任意色光，混色色光的三刺激值滿足相加原理。對于確定的目標色，三基色混光的各色光系數是確定的，為了使光譜可調，須至少增加一種色光獲得調光因子。因此，四色混光[7]是實現光譜可調光源最簡單的方式。

四色混合以三基色混合的算法為基礎[8]，四個色光點組成的三角形有四種組合方式，如圖2所示，即TR1(R,G,B)、TR2(R,A,B)、TR3(R,G,A)、TR4(G,A,B)。根據給定目標色，分別對四個三角形的三原色比例系數進行計算，排除掉系數為負數的基元三角形，有且只有兩個三角形對最終的目標色是有意義的。以圖2中P點為例，三角形TR1和TR2為有效基元，設目標色單獨由TR1和TR2三基色混合的系數分別(ai,bi,ci)和(aj,bj,cj),兩個基元的線性組合不改變合成光源的色坐標位置，只對其光譜組成產生影響。設σ為兩個三角形基元的權重因子，簡單理解為TR1的貢獻值為σ，則TR2的貢獻值為(1-σ)，則RGBA四基色混合的系數滿足：

圖2 四基色光源的疊加混合Fig.2 Superposition on Four-Channel Color Mixing

(1)

其中σ的取值范圍為0～1，通過調節σ值，可實現RGBA四種不同基色光源的能量比，在保障目標光源的光通量輸出和色溫的前提下，可以得到各種不同光譜分布的同色異譜光源。

2 基色光源的選取

基色光源的選擇在混光領域非常重要，如何在已有的實際光源中，選擇出最合適的光源組合，是開發光譜可調光源設備的基礎。色坐標所圍的色域面積越大，可實現的混色范圍就越廣。因此，問題轉換為求解已知光源的色域面積。廠家光源的各光譜分布數據可以通過儀器實測得出，然而這種方法費時費力。實際上，光源的光譜分布曲線可以從官網直接下載獲得，借助軟件從曲線中提取數據做近似處理是前期篩選光源的最佳選擇。

本文借助Matlab提取光源光譜分布曲線，并對離散點進行樣條擬合，根據刺激值的計算公式，編程求解各光源的色坐標位置及對應的色域面積，即可自動找出最優的光源組合。以Philips Lumileds Luxeon? Rebel Color 家族中10種LEDs為例,其波長參數見表1，光源的實際光譜分布曲線如圖3所示，Matlab提取的光譜分布曲線如圖4所示。

表1 光源的波長參數Table 1 The wavelength parameters of light source

比較圖3和圖4可知，利用Matlab提取的光譜數據點，能夠實現與實際光譜的高度吻合，選擇樣條曲線方程來表示光源的光譜分布，可以得到各光源在任意波長處的相對光強值。色匹配函數的光強值可直接查詢CIE標準，并用求和代替積分，能夠近似求解光源的色坐標。

圖3 Philips LUXEON? Rebel ES 實際光源的相對光譜分布Fig.3 Relative intensity vs. wavelength of Philips LUXEON? Rebel ES

圖4 Matlab 提取的Philips LUXEON? Rebel ES 的光源光譜分布Fig.4 Relative intensity vs. wavelength of Philips LUXEON? Rebel ES using Matlab

圖5 Philips LUXEON? Rebel ES各色光點在色品圖中的位置Fig.5 The position of the every source of Philip LUXEON? Rebel ES in CIE-xy

圖5即為所求的10種光源在色品圖中的色坐標位置，其中由品紅色直線所連接的四邊形是程序自動尋找的對應色域面積為最大的坐標點。仿真結果表明，Royal Blue(峰值波長449nm)、Cyan(峰值波長504nm)、Green(峰值波長527nm)、Deep Red(峰值波長662nm)是實現混色范圍最大的光源組合。

3 總結

LED光譜可調的光源設備應用在照明領域，幫助研究人員尋找物體照明用的最適宜光源光譜組成，為景觀照明的創新應用提供可能。本文介紹了四色混光的應用原理，并借助Matlab提取實際光源的光譜分布數據，通過編程計算自動尋找基色光源，為光源組合的選取提供一種簡單高效的方法，也為光譜可調光源設備的后期開發提供技術參考。

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[4] Brown S W, Rice J P, Neira J E, et al. Spectrally Tunable Sources for Advanced Radiometric Applications [J]. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 2006, 111:401-410.

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[6] 林怡, 郝洛西, 楊秀. LED光源光譜能量分布對人行步道照明空間主觀評價的影響研究[J].照明工程學報, 2013, 24(6):60-65.

[7] Zukauskas A, Valcekauskas R, Vitta P, et al. Color rendition engine [J]. OPTICS EXPRESS, 2012, 20(5):5356-5367.

[8] Gulati A. The science behind color mixing[OL]. http://www.eetimes.com.

Research on Selection of Source to LED-based Spectrally Tunable Equipment

Luo Xiaoxia，Rong Haolei，Ma Ye

(BeijingTsinghuaTonghengUrbanPlanning&DesignInstitute,Beijing100085,China)

In this paper, the spectral distribution of the actual source is extracted by Matlab software, and the optimal light source combinations are chosen through simulation automatically, taking Philips Lumileds Luxeon? Rebel Color for example. The result shows Royal Blue, Cyan, Green and Deep Red are the light combinations to achieve the maximum range.

spectrally tunable LED light source; four-color mix; Matlab; landscape lighting

國家高技術研究發展計劃(No.2013AA03A103)，北京市科技計劃(No.Z141100001914003)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.010