CN105042365A - 高光色品质的白光led照明***及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体照明技术领域，具体为一种高光色品质的白光LED照明***及其设计方法。本发明通过优化CIE？1931色域空间中色坐标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下具有高白光偏好度的LED混色照明***，能够增强白光光源的颜色品质，提升灯光环境效果；同时能够确保所需的显色指数CRI和较高的全色域指数GAI。本发明的白光LED照明***的色温调节范围2000?10000K，色坐标点到黑体曲线的距离范围?0.1≤Duv≤0。本发明通过优化Duv的混色设计方法，得到高白光偏好度的LED照明***，可应用于对光品质要求较高的场所的照明。

Description

高光色品质的白光LED照明***及其设计方法

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种高光色品质的白光LED照明***及其设计方法。

背景技术

光品质已越来越受到人类的重视，特别是对于室内照明，如商场、零售店、酒店、博物馆、家居等室内空间，对于光品质的要求远远大于对光效的要求。良好的照明质量、舒适的光环境，是靠高质量的照明效果来实现的。灯光会影响到人的情绪、认知度、对整个室内空间的印象、以及对被照物体的视觉感受。目前有很多关于调光调色的研究，但大部分只关注提高显色指数和扩大色温的调节范围。事实上，提高光源的光色品质才是关键问题。用具有高光色品质的光源照射室内环境，不仅能够创造好的视见度，还能提高人在环境下的愉悦度和满意度，并能够增强被照物体颜色的饱和度，使视觉清晰度和视亮度增加，进而增加人的喜悦感和舒适度。

照明行业使用相关色温（CCT）来表示光源的光色，但是即使光源的色温相同，它们发出的光的颜色并不会完全相同。色坐标可以精确的表示光源颜色，但是很不直观。而且有研究表明^[1?3]，色坐标点在黑体曲线上的白光在人眼的视觉感受方面并不呈现为纯白光，高品质光色的白光并不在黑体辐射轨迹上，光的颜色品质与色坐标点离黑体曲线的距离有关。色坐标点到黑体曲线的距离（distancefromtheblackbodyline，Duv）可以与CCT同时使用，能够更精确的表征白光的颜色特性，反映白光的光色品质。在实际室内照明应用中，对色温的范围是有一定要求的。因此，可以在保持相同色温的情况下，优化色坐标点的位置来提高白光光色，从而提升室内灯光环境，使人更加愉悦舒适。

显色指数（CRI）是用来表示光源照射下还原被照物体颜色的能力，但是LED的CRI指数值与视觉效果之间并没有内在的联系，特别不能表征高色饱和度光源对高色饱和度物体照明的视觉效果。本发明用全色域指数（GAI）和显色指数同时来表征被照物体的颜色特性。GAI是由美国固态照明技术与***联合会ASSIST提出的，GAI的具体计算方法是用等能光谱的照明体作为参照光源，计算CRI前8个颜色样品在待测光源和参照光源下在CIE1976u’v’色域空间中的色域面积之比。GAI能够更准确地描述被人脑感知的光线与颜色，反映光源的整体效果以及人们感知光源色彩的主观感受。

本发明同时使用色温CCT和色坐标点到黑体曲线距离Duv来表征白光的颜色，负的Duv表示色坐标点在黑体曲线下方，Duv的绝对值越大，表示色坐标点到黑体曲线越远；用显色指数CRI和全色域指数GAI来表征被照物体的颜色。通过优化Duv，得到高光色品质的白光LED，可用于高端设计空间如零售店、博物馆、酒店大堂等对光品质要求较高的场所。

发明内容

本发明的目的是提供一种高光色品质的白光LED照明***及其设计方法。

本发明提供的白光LED照明***的设计方法，通过优化CIE1931色域空间中色坐标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下高白光偏好度的LED照明***；具体的设计方法包括以下步骤：

步骤1：设定白光LED照明***所需要的色温，然后在CIE1931色域空间中求得此色温在黑体曲线上所对应的白光的色坐标。用数学软件对不同温度的黑体曲线色坐标点进行曲线模拟，得到黑体曲线的多项式函数。根据所需色温的色坐标点和黑体曲线多项式函数，可求得所需色温的等色温线直线方程：

y=kx+b；

步骤2：在该等色温线上取若干个点，每个点到黑体曲线的距离Duv都不同，然后再根据等色温线直线方程和设定的Duv距离求得这些点对应的色坐标；

步骤3：所述LED照明***选用三原色（RGB）的红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED来混光生成所需的白光。针对不同Duv的色坐标点，用奇异值方程求解满足该色坐标点的R、G、B和白光LED的比例，并计算不同比例下的显色指数CRI和全色域指数GAI，得到在不同的Duv时的RGB比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线；

步骤4：在曲线上根据所需光色性能CRI和GAI选择相对应的RGB和白光LED的比例，采用脉冲宽度调制（PWM）调光得到每组LED所需光输出强度，设计产品，得到不同Duv时的白光LED照明***；

步骤5：实验测试观测者对不同Duv的白光LED发出的白光的偏好度和被照物体颜色的主观感受，得到优化的Duv及对应的具有高白光偏好度的LED照明***。

本发明中，所述混色设计方法优化的Duv对应的色坐标点位于黑体曲线的下方，能够增强白光LED光源的颜色品质，提升灯光环境效果。

本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明***，在提高白光偏好度的同时，不影响CRI性能指标，并具有更高的GAI指数。

本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明***，色温调节范围为2000?10000K。

本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明***，色坐标点到黑体曲线的距离范围?0.1≤Duv≤0。

本发明中，所述混色设计方法得到的高光色品质的白光LED照明***，在每一色温每一Duv下的全色域指数GAI≥100。

本发明的高光色品质的白光LED照明***具有以下优势：

1、本发明通过优化色坐标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下具有高白光偏好度的LED混色照明***，能够增强白光光源的颜色品质，提升照明光环境效果。同时能够确保所需的显色指数CRI和较高的全色域指数GAI，增强被照物体颜色饱和度。实验证实本发明的高光色品质的白光LED照明***其白光偏好度和对被照物体颜色的视觉影响优于相同色温的高显色陶瓷金卤灯；

2、本发明用四组不同波长的LED光源配色成所需Duv对应的色坐标点的白光。通过求解奇异值方程，得到多组满足色坐标点的LED配比，再计算得到不同Duv时，LED配比与光色性能的关系，用实验得到最优的Duv时的高光色品质的白光LED照明***。本发明优化Duv的混色计算方法简便，理论计算与实际测得的光色参数一致；

3、本发明通过优化Duv混色设计得到的高光色品质的白光LED照明***，色温调节范围为2000?10000K，色坐标点到黑体曲线的距离范围?0.1≤Duv≤0，全色域指数GAI≥100。

附图说明

图1为本发明的等色温线上到黑体曲线不同距离的色坐标点。

图2为本发明的通过混色设计方法得到的不同Duv时的RGB比例和CRI/GAI指数的关系图。

图3为本发明的用于实验的陶瓷金卤灯和八种LED光源的光谱图。

图4为本发明的实验得到的观测者对灯光颜色偏好度的平均实验结果。

图5为本发明的实验得到的观测者对灯光颜色的视觉印象。

图6为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色鲜艳度的平均实验结果。

图7为本发明的实验得到的观测者对被照物体颜色偏好度的平均实验结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。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。

本发明将三原色RGB与任意色温的白光LED混合得到优化Duv的高光色品质的白光LED照明***，通过PWM调光方式，改变每组LED的光输出强度，混合得到所需Duv的白光。具体的设计方法包括以下步骤：

步骤1：设定白光LED照明***所需要的色温，然后在CIE1931色域空间中求得此色温在黑体曲线上所对应的白光的色坐标。用数学软件对不同温度的黑体曲线色坐标点进行曲线模拟，得到黑体曲线的多项式函数。根据所需色温的色坐标点和黑体曲线多项式函数可求得所需色温的等色温线直线方程

y=kx+b；

步骤2：在此等色温线上取若干个到黑体曲线不同距离范围的点，比如，Duv=0，?0.005，?0.01，?0.015，?0.02_......?0.1等，如图1，然后再根据等色温线的直线方程求得这些点相对应的色坐标；

步骤3：选用三原色（RGB）红光LED、黄绿光LED、蓝光LED加荧光粉转换的白光LED来混光生成所需的白光。针对不同Duv的色坐标点，用奇异值方程求解满足色坐标点的R、G、B和白光LED的比例；

步骤4：计算不同比例下的CRI和GAI指数。图2是对于色温为3000K的LED白光照明***，在不同的Duv时的RGB比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线。由图可见，在相同色温下，当改变色坐标点到黑体曲线距离时，GAI指数随Duv绝对值增大而显著增加。根据所需光色参数，选择相对应的RGB和白光LED比例，设计产品。

下面通过具体的实验测试结果来说明本发明不同Duv距离的白光LED照明***对白光偏好度和被照物体颜色的影响。根据图2中不同Duv时的RGB比例和CRI/GAI的关系曲线，选择八种典型参数的LED光源进行实验，比较在相同色温、相同显色指数时，具有不同Duv的LED光源对观测者的白光偏好度和对被照物体颜色的影响。LED光源使用Osram的OSLONSSL灯珠，采用PWM调光，控制各组LED的光输出强度，优化设计得到所需光色参数的LED光源。相同色温的具有高显色指数的陶瓷金卤灯作为参考光源。用积分球***测量得到陶瓷金卤灯（HID）和八种LED光源的光谱，如图3所示。由此得到的色参数，包括色温、显色指数、全色域指数、色坐标，如表1所示。

表1LED光源参数

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在两个房间分别安装陶瓷金卤灯和LED灯，比较这两个房间的灯光颜色和人们对灯光的偏好度。并且选用6种不同颜色的服装，包括白色、红色、黄色、橙色、蓝色、绿色这六种CIE1976Lab色域空间中典型的颜色，把这些衣服分别挂在这两个房间，研究灯光对被照物体颜色的影响。调节光源的光通量，保证这两个房间的光亮度和在衣服上的光照度都相同。20个观测者对灯光颜色和每件衣服颜色进行打分评价，包括他们对灯光颜色的偏好度和对灯光的视觉印象，比如跟HID发出的白光相比，LED发出的白光看上去是纯白光，还是偏红、偏黄、偏绿、偏蓝。观测者还需对衣服颜色的鲜艳度和他们对颜色的偏好度进行评价，分数从?3到+3。正值表示在LED灯照射下，白光偏好度和被照衣服颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度比陶瓷金卤灯好；负值表示在LED灯照射下，白光偏好度和被照衣服颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度比陶瓷金卤灯差；0表示在LED灯和陶瓷金卤灯照射下，白光偏好度和被照衣服颜色的鲜艳度和观测者对颜色的偏好度两者无差别。

图4为观测者对灯光颜色偏好度的平均实验结果。可以看到，虽然陶瓷金卤灯和不同参数的LED灯的色温都相同，观测者更偏好色坐标点位于黑体曲线下方的LED发出的白光。图5是观测者对不同Duv下LED发出的白光的视觉印象。当色坐标点在黑体曲线上时，观测者认为LED光偏黄/偏绿，随着色坐标点到黑体辐射距离增大，LED光偏红/偏蓝。观测者更偏好红蓝色的白光，他们认为白光偏红/偏蓝时，显得更白。图6和图7分别是观测者对被照物体颜色鲜艳度和偏好度的平均实验结果。可以看到，对于具有高GAI指数的LED灯，对颜色的照射效果都比陶瓷金卤灯好，并且随着GAI指数增大，颜色鲜艳度和观测者的偏好度增强。所以通过优化色坐标点到黑体曲线的距离得到的白光LED照明***，创造的照明光环境给人的视觉印象和对物体颜色的视觉表现能力优于目前高端商店最常用的高显色指数的陶瓷金卤灯，能够增强白光光源的颜色品质，提升灯光环境效果，同时增强被照物体颜色饱和度和鲜艳度，提高人们的偏好度。

参考文献

1.O.MasudaandS.M.C.Nascimento,“Bestlightingfornaturalnessandpreference,”J.Vision13(7),4(2013).

2.M.ReaandJ.Freyssinier,“Whitelightingforresidentialapplications,”LightingRes.Technol.45,331?344(2013).

3.M.ReaandJ.Freyssinier,“Whitelighting,”ColorRes.&Appl.38(2),82?92(2013).。

Claims (5)

1.一种高光色品质的白光LED照明***的设计方法，其特征在于：通过优化CIE1931色域空间中色坐标点到黑体曲线的距离Duv，得到所需色温下高白光偏好度的LED照明***；具体步骤如下：

步骤1：设定白光LED照明***所需要的色温，然后在CIE1931色域空间中求得此色温在黑体曲线上所对应的白光的色坐标；用数学软件对不同温度的黑体曲线色坐标点进行曲线模拟，得到黑体曲线的多项式函数；根据所需色温的色坐标点和黑体曲线多项式函数，求得所需色温的等色温线直线方程：

y=kx+b；

步骤2：在该等色温线上取若干个点，每个点到黑体曲线的距离Duv都不同，然后再根据等色温线直线方程和设定的Duv距离求得这些点对应的色坐标；

步骤3：所述LED照明***选用三原色红光LED、黄绿光LED、蓝光LED和荧光粉转换的白光LED来混光生成所需的白光；针对不同Duv的色坐标点，用奇异值方程求解满足该色坐标点的R、G、B和白光LED的比例，并计算不同比例下的显色指数CRI和全色域指数GAI，得到在不同的Duv时的RGB比例和CRI/GAI之间的线性关系曲线；

步骤4：在曲线上根据所需光色性能CRI和GAI选择相对应的RGB和白光LED的比例，采用脉冲宽度调制调光得到每组LED所需光输出强度，设计产品，得到不同Duv时的白光LED照明***；

步骤5：实验测试观测者对不同Duv的白光LED发出的白光的光颜色和被照物体颜色的主观感受，得到优化的Duv及对应的具有高白光偏好度的LED照明***。

2.由权利要求1所述的设计方法得到的高光色品质的白光LED照明***，其特征在于：在提高白光偏好度的同时，不影响CRI性能指标，并具有更高的GAI指数。

3.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED照明***，其特征在于：色温调节范围为2000?10000K。

4.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED照明***，其特征在于：白光的色坐标点到黑体曲线的距离范围?0.1≤Duv≤0。

5.根据权利要求2所述的高光色品质的白光LED照明***，其特征在于：在每一色温每一Duv下混色得到的白光LED的全色域指数GAI≥100。