LED光谱可调设备对光源选择的探究

罗晓霞，荣浩磊，马 晔

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 10085)



LED光谱可调设备对光源选择的探究

罗晓霞，荣浩磊，马 晔

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 10085)

借助Matlab软件提取实际光源的光谱分布数据，以Philips Lumileds Luxeon® Rebel Color系列为例，通过模拟计算自动选择最优光源组合。结果表明Royal Blue(峰值波长449nm)、Cyan(峰值波长504nm)、Green(峰值波长527nm)、Deep Red(峰值波长662nm)是实现混色范围最大的光源组合。

LED光谱可调光源；四色混光；Matlab；景观照明

引言

传统光源的光谱分布是确定的，LED光源可以通过RGB三原色或不同色光混合来任意调整光源的光谱组成。光谱可调的光源设备正逐渐应用于各技术领域：在光学领域，可用于对光学遥感器进行辐射定标[1-2]；在色度学领域，为研究显色性新的度量指标提供照明[3-5]；在生物学领域，可帮助研究人员开展不同光谱照射下的植物生长实验等。物体在不同光谱光源下的色彩表现效果正引起照明设计师的关注[6](如图1所示)，光谱可调的光源设备在照明领域的应用意义越来越凸显。

图1 不同照明光源下对香蕉的照明效果Fig.1 The lighting effect of banana under different source

现有的光谱可调光源系统大多是由大量不同光谱分布的LED组成，使其波段覆盖整个可见光光谱。然而， LED的过多使用势必造成系统在使用过程中产生大量的热量，温度的变化将引起色温漂移，对光谱形状产生影响；且控制通道较多，较难实现与用户的交互式操作。本文采用四基色混合的方式实现光谱可调光源系统的搭建，借助软件的数学模拟算法，挑选实际光源中最适宜的光源组合。

1 四基色混光原理

从原理上说，红、绿、蓝三原色在色度图中的坐标能围成一个三角形区域，通过三基色LED光源的组合，可以实现其围成的三角形区域内的任意色光，混色色光的三刺激值满足相加原理。对于确定的目标色，三基色混光的各色光系数是确定的，为了使光谱可调，须至少增加一种色光获得调光因子。因此，四色混光[7]是实现光谱可调光源最简单的方式。

四色混合以三基色混合的算法为基础[8]，四个色光点组成的三角形有四种组合方式，如图2所示，即TR1(R,G,B)、TR2(R,A,B)、TR3(R,G,A)、TR4(G,A,B)。根据给定目标色，分别对四个三角形的三原色比例系数进行计算，排除掉系数为负数的基元三角形，有且只有两个三角形对最终的目标色是有意义的。以图2中P点为例，三角形TR1和TR2为有效基元，设目标色单独由TR1和TR2三基色混合的系数分别(ai,bi,ci)和(aj,bj,cj),两个基元的线性组合不改变合成光源的色坐标位置，只对其光谱组成产生影响。设σ为两个三角形基元的权重因子，简单理解为TR1的贡献值为σ，则TR2的贡献值为(1-σ)，则RGBA四基色混合的系数满足：

图2 四基色光源的叠加混合Fig.2 Superposition on Four-Channel Color Mixing

(1)

其中σ的取值范围为0～1，通过调节σ值，可实现RGBA四种不同基色光源的能量比，在保障目标光源的光通量输出和色温的前提下，可以得到各种不同光谱分布的同色异谱光源。

2 基色光源的选取

基色光源的选择在混光领域非常重要，如何在已有的实际光源中，选择出最合适的光源组合，是开发光谱可调光源设备的基础。色坐标所围的色域面积越大，可实现的混色范围就越广。因此，问题转换为求解已知光源的色域面积。厂家光源的各光谱分布数据可以通过仪器实测得出，然而这种方法费时费力。实际上，光源的光谱分布曲线可以从官网直接下载获得，借助软件从曲线中提取数据做近似处理是前期筛选光源的最佳选择。

本文借助Matlab提取光源光谱分布曲线，并对离散点进行样条拟合，根据刺激值的计算公式，编程求解各光源的色坐标位置及对应的色域面积，即可自动找出最优的光源组合。以Philips Lumileds Luxeon® Rebel Color 家族中10种LEDs为例,其波长参数见表1，光源的实际光谱分布曲线如图3所示，Matlab提取的光谱分布曲线如图4所示。

表1 光源的波长参数Table 1 The wavelength parameters of light source

比较图3和图4可知，利用Matlab提取的光谱数据点，能够实现与实际光谱的高度吻合，选择样条曲线方程来表示光源的光谱分布，可以得到各光源在任意波长处的相对光强值。色匹配函数的光强值可直接查询CIE标准，并用求和代替积分，能够近似求解光源的色坐标。

图3 Philips LUXEON® Rebel ES 实际光源的相对光谱分布Fig.3 Relative intensity vs. wavelength of Philips LUXEON® Rebel ES

图4 Matlab 提取的Philips LUXEON® Rebel ES 的光源光谱分布Fig.4 Relative intensity vs. wavelength of Philips LUXEON® Rebel ES using Matlab

图5 Philips LUXEON® Rebel ES各色光点在色品图中的位置Fig.5 The position of the every source of Philip LUXEON® Rebel ES in CIE-xy

图5即为所求的10种光源在色品图中的色坐标位置，其中由品红色直线所连接的四边形是程序自动寻找的对应色域面积为最大的坐标点。仿真结果表明，Royal Blue(峰值波长449nm)、Cyan(峰值波长504nm)、Green(峰值波长527nm)、Deep Red(峰值波长662nm)是实现混色范围最大的光源组合。

3 总结

LED光谱可调的光源设备应用在照明领域，帮助研究人员寻找物体照明用的最适宜光源光谱组成，为景观照明的创新应用提供可能。本文介绍了四色混光的应用原理，并借助Matlab提取实际光源的光谱分布数据，通过编程计算自动寻找基色光源，为光源组合的选取提供一种简单高效的方法，也为光谱可调光源设备的后期开发提供技术参考。

[1] 朱继亦, 任建伟, 李葆勇, 等. 基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成[J]. 发光学报, 2010, 31(6):882-887.

[2] 陈风, 袁银麟, 郑小兵, 等. LED的光谱分布可调光源的设计[J]. 光学精密工程,2008, 16(11):2060-2064.

[3] Irena Fryc, Steven W B, George P E, et al. LED-based Spectrally tunable source for radiometric, photometric, and colorimetric applications [J]. Optical Engineering, 2005, 44(11):111309-1:8.

[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.

[5] Kevin J D. Brad K. The Design of a Spectrally Tunable Light Source [J]. SPIE, 2009, 7422 (742206):1-12.

[6] 林怡, 郝洛西, 杨秀. LED光源光谱能量分布对人行步道照明空间主观评价的影响研究[J].照明工程学报, 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

国家高技术研究发展计划(No.2013AA03A103)，北京市科技计划(No.Z141100001914003)

TM923

A

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