用多種LED單色光芯片模擬太陽(yáng)光譜的一種光譜組裝算法及相似度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

湯露瑤，蘇成悅，陳少藩，劉木清

(1.復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；2.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；3.廣東光陽(yáng)電器有限公司，廣東中山 528415)

用多種LED單色光芯片模擬太陽(yáng)光譜的一種光譜組裝算法及相似度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

湯露瑤1，蘇成悅2，陳少藩3，劉木清1

(1.復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；2.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；3.廣東光陽(yáng)電器有限公司，廣東中山 528415)

LED光源目前已在室內(nèi)照明、室外照明以及非視覺應(yīng)用方面獲得廣泛的應(yīng)用。本文選用了三種不同色溫下的太陽(yáng)光譜作為目標(biāo)擬合光譜，借助Matlab優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù)求解了不同目標(biāo)光譜下各路LED的功率系數(shù)組合；提出了一種表征組裝光譜與目標(biāo)光譜的光譜失配評(píng)價(jià)指數(shù)E，并用該指數(shù)評(píng)價(jià)了室內(nèi)照明常用光源光譜與太陽(yáng)光譜的相似程度。

光譜組裝；太陽(yáng)光譜；LED

引言

1879年，愛迪生小組研制出壽命為14 h的真空碳絲白熾燈，人類從此進(jìn)入了電氣照明時(shí)代。經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展演進(jìn)，人們已經(jīng)逐漸習(xí)慣在各種人造光源下生活與工作。對(duì)于長(zhǎng)期在采光環(huán)境較差的辦公室、商場(chǎng)、工廠以及其他室內(nèi)環(huán)境工作的人們，人造光源提供的照明往往占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，長(zhǎng)達(dá)百萬年的生物進(jìn)化過程使人類仍舊無法長(zhǎng)期脫離日光而健康生存。人眼的結(jié)構(gòu)特征是外界自然環(huán)境長(zhǎng)期作用的結(jié)果，與人類進(jìn)化歷程中的生存環(huán)境息息相關(guān)。將人眼結(jié)構(gòu)想象為一枚透鏡，在聚焦時(shí)，對(duì)于光譜連續(xù)的太陽(yáng)光而言，眼睛的聚焦點(diǎn)位于波長(zhǎng)為550 nm光的焦點(diǎn)附近，其他波段的光的焦點(diǎn)落于其周圍，在視網(wǎng)膜上形成平衡的狀態(tài)。而當(dāng)采用包含特殊峰值光譜成分的光照明時(shí)，由于與白光的聚焦位置相差很遠(yuǎn)，眼睛周圍的肌肉和神經(jīng)需要調(diào)節(jié)以適應(yīng)偏差，容易產(chǎn)生視覺疲勞[1]。如果光譜分布有二個(gè)峰值且不連續(xù),則易引起視覺疲勞甚至導(dǎo)致眼睛調(diào)焦機(jī)能的損傷。研究表明，陽(yáng)光下閱讀與觀測(cè)時(shí)人眼感知的舒適度最高，而要使人眼在某一照明光源下感到舒適，需要使其發(fā)光光譜與太陽(yáng)光光譜相接近[2]。雖然有研究表明LED光源對(duì)比傳統(tǒng)熒光燈光源更不易引起視覺疲勞[3]，但是有研究指出，白光LED由于其藍(lán)光波段范圍能量較為集中，會(huì)對(duì)人眼的視網(wǎng)膜造成危害，人體在其長(zhǎng)期照射下會(huì)產(chǎn)生不利影響[4]。

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)照明質(zhì)量的要求已不僅僅滿足于看得清楚，更提出舒適、健康、智能、環(huán)保等多重要求。現(xiàn)有的電氣照明光源中，只有白熾燈的光譜與太陽(yáng)光譜十分接近，為連續(xù)譜。然而，由于白熾燈光效過低，能耗過高，不利于節(jié)能環(huán)保，已在許多國(guó)家遭到逐步淘汰。幸運(yùn)的是，LED由于其光譜組裝的靈活性，是最有希望復(fù)現(xiàn)太陽(yáng)全光譜的新型光源[5]。值得注意的是，LED作為半導(dǎo)體發(fā)光器件，使用恒流驅(qū)動(dòng)，僅需調(diào)整其電流的占空比信號(hào)，就能快速精確地調(diào)整其發(fā)光功率，實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)算中所得出的功率系數(shù)組合。

1 光譜組裝

1.1目標(biāo)光譜選擇

試驗(yàn)選取了三種不同色溫下的太陽(yáng)光譜作為光譜組裝的目標(biāo)譜，色溫分別為3 000 K、4 500 K、6 000 K，其相對(duì)光譜功率分布曲線如圖1～圖3所示。

圖1 3 000 K日光相對(duì)光譜功率分布曲線Fig.1 Relative spectral power distribution curve of 3 000 K daylight

圖2 4 500 K日光相對(duì)光譜功率分布曲線Fig.2 Relative spectral power distribution curve of 4 500 K daylight

圖3 6 000 K日光相對(duì)光譜功率分布曲線Fig.3 Relative spectral power distribution curve of 6 000 K daylight

1.2單色光LED選擇

試驗(yàn)選擇了15種不同峰值波長(zhǎng)的LED單色光芯片，利用積分球測(cè)試其光譜功率分布。測(cè)定時(shí)恒定驅(qū)動(dòng)電流為350 mA，測(cè)試前穩(wěn)定光源30 min。15種LED的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖中可以看出這一LED組合能夠基本覆蓋可見光范圍內(nèi)的全部光譜區(qū)間。

圖4 15種LED的光譜功率分布Fig.4 Spectral power distribution of 15 kinds of LEDs

1.3優(yōu)化方法

為了評(píng)估利用LED所組裝的光譜與目標(biāo)太陽(yáng)光譜的相似程度，基于最小二乘法，提出了一種新型評(píng)估方法如式(1)所示。

式中，E為總光譜失配評(píng)價(jià)指數(shù)；ST(λ)為目標(biāo)光譜分布；Si(λ)為L(zhǎng)ED光譜分布；Ki為功率系數(shù)。E值越小，代表兩個(gè)光譜的相似度越高，光譜失配程度越低。光譜匹配的目標(biāo)就是尋找到一組功率系數(shù)組合，使得E的值達(dá)到最小。因此，可以通過求解式(1)的最小值，確定LED功率參數(shù)組合。

在編程過程中，使用了Matlab中的Optimization Toolbox(優(yōu)化工具箱)組件來達(dá)到上述要求。該優(yōu)化工具箱提供的算法組合被廣泛應(yīng)用于線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、非線性優(yōu)化、求解非線性方程等目標(biāo)中。本試驗(yàn)中選取了fmincon函數(shù)，旨在計(jì)算出在E值最小的目標(biāo)下，所選取的LED的功率系數(shù)組合。其調(diào)用格式如式(2)所示。

x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)

將LED的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件中，軟件會(huì)根據(jù)選取的LED計(jì)算出對(duì)應(yīng)的擬合功率系數(shù)。

2 光譜組裝結(jié)果

在380～780 nm的波段內(nèi)，遵循均勻選取的原則，分別選取5種、10種、15種LED芯片進(jìn)行擬合。在芯片數(shù)量增加至15種時(shí)，峰值波長(zhǎng)為529 nm和599 nm的兩種LED在優(yōu)化過程中因新增LED的替代作用，功率系數(shù)降至0.001以下，故在結(jié)果中予以刪除，最終保留13種LED。將軟件計(jì)算得到的不同峰值波長(zhǎng)LED芯片的功率系數(shù)、擬合光譜與日光譜的總光譜失配評(píng)價(jià)指數(shù)E、擬合光譜的xyz色坐標(biāo)C(選取CIE 1931xyz三刺激值進(jìn)行計(jì)算，波長(zhǎng)間隔5nm)匯總在表1～表3(其中3 000 K、4 500 K、6 000K為目標(biāo)太陽(yáng)光譜色溫)，光譜組裝結(jié)果如圖5～圖13所示。

表1 用5種LED模擬太陽(yáng)光譜相關(guān)參數(shù)

表2 用10種LED模擬太陽(yáng)光譜相關(guān)參數(shù)

表3 用13種LED模擬太陽(yáng)光譜相關(guān)參數(shù)

圖5 用5種LED模擬3 000 K太陽(yáng)光譜Fig.5 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 5 LEDs

圖6 用5種LED模擬4 500 K太陽(yáng)光譜Fig.6 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 5 LEDs

圖7 用5種LED模擬6 000 K太陽(yáng)光譜Fig.7 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 5 LEDs

圖8 用10種LED模擬3 000 K太陽(yáng)光譜Fig.8 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 10 LEDs

圖9 用10種LED模擬4 500 K太陽(yáng)光譜Fig.9 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 10 LEDs

圖10 用10種LED模擬6 000 K太陽(yáng)光譜Fig.10 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 10 LEDs

圖11 用13種LED模擬3 000 K太陽(yáng)光譜Fig.11 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 13 LEDs

圖12 用13種LED模擬4 500 K太陽(yáng)光譜Fig.12 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 13LEDs

圖13 用13種LED模擬6 000 K太陽(yáng)光譜Fig.13 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 13 LEDs

從以上圖表可以看出，隨著LED數(shù)目的增多，已經(jīng)可以較好地復(fù)現(xiàn)太陽(yáng)光譜。

3 傳統(tǒng)光源與太陽(yáng)光譜的比較

選取了5種市面上常見光源光譜與太陽(yáng)光譜進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)如表4所示,相對(duì)光譜曲線如圖14～圖18所示。表4中，theta為歸一化系數(shù)，E為總光譜失配評(píng)價(jià)指數(shù)、C為擬合光譜的xyz色坐標(biāo)(選取CIE1931xyz三刺激值進(jìn)行計(jì)算，波長(zhǎng)間隔5 nm)。

表4 常見光源光譜與太陽(yáng)光譜的相似度

圖14 2 882 K LED平板燈與3 000 K日日光光譜對(duì)比Fig.14 Comparison of 2 882 K LED with 3 000 K daylight

圖15 4 566 K LED平板燈與4 500 K日日光光譜對(duì)比Fig.15 Comparison of 4 566 K LED with 4 500 K daylight

圖16 6 063 K LED平板燈與6 000 K日日光光譜對(duì)比Fig.16 Comparison of 6 063 K LED with 6 000 K daylight

圖17 2 921 K T5熒光燈與3 000 K日日光光譜對(duì)比Fig.17 Comparison of 2 921 K T5 fluorescent lamp with 3 000 K daylight

圖18 6 168 K T5熒光燈與6 000 K日日光光譜對(duì)比Fig.18 Comparison of 6 168 K T5 fluorescent lamp with 6 000 K daylight

4 總結(jié)

我們利用不同峰值波長(zhǎng)的15種單色光LED芯片模擬了不同色溫下的太陽(yáng)光譜，提出了一種檢驗(yàn)光譜匹配程度的標(biāo)準(zhǔn)E，將室內(nèi)照明所用的常見光源光譜與用LED組裝的光譜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。當(dāng)采用13種LED時(shí)，E降低至0.025左右，可見組裝光譜對(duì)太陽(yáng)光譜的復(fù)現(xiàn)度是十分良好的，這有利于健康照明、舒適照明。

表5 常見光源光譜與LED組裝光譜的E對(duì)比

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ASpectralAssemblyAlgorithmandMismatchEvaluationIndexforSimulatingSolarSpectraUsingAVarietyofLEDMonochromaticOpticalChips

TANG Luyao1, SU Chengyue2, CHAN Shaofan3, LIU Muqing1
(1.EngineeringResearchCentreofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200433,China；2.SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China；3.GuangdongGuangyangElectricCo.,Ltd.,Zhongshan528415,China)

As a new light source that has been rising rapidly since 90s, LED has been widely used in indoor lighting, outdoor lighting and non-visual applications. In this paper, the solar spectra of three different color temperatures are selected as the target fitting spectra. The power coefficients of LEDs are obtained by using the fmincon function in the Matlab optimization toolbox. A spectral mismatch evaluation indexEis proposed, and the similarity between the spectra of common light sources and solar spectra is also evaluated by using the index.

spectral synthesis; solar spectrum; LED

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.002