基于亮度參數的多通道led照明系統的光譜匹配方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，屬于LED照明技術領域。本發明首先利用光譜輻射計測量出每一LED通道最大數字驅動值時的光譜功率分布數據以及以若干數字驅動等級條件下的亮度值；然后利用最大數字驅動值時的光譜功率分布數據和目標光譜功率分布數據，經牛頓迭代算法計算出用以模擬目標光譜功率分布的每種LED通道之間的亮度比例值；最后通過三次樣條插值算法計算出每種LED通道所需亮度比例條件下的數字驅動值，從而最終實現目標光譜。本發明解決了如何利用多通道照明系統模擬任意光譜時各LED通道所需的數字驅動值問題，為高精度圖像再現、顏色復制等領域提供了必要的觀察照明條件。
【專利說明】
基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法
技術領域
[0001] 本發明涉及LED照明技術領域，特別涉及一種基于亮度參數的多通道LED照明系統 的光譜匹配方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著國家對節能減排的重視，LED照明設備已越來越多的應用在室外照明 領域，而LED室內照明將成為下一個照明領域研究的熱點。
[0003] LED除了低耗能、壽命長的特點外，其窄帶光譜以及瞬間響應的發光特點使光譜可 調成為可能。傳統光源的光譜分布是確定的，但LED光源可以通過組合不同色光LED來實現 任意光譜組成的光環境。
[0004] LED光譜可調光源是利用迭代方法優化由多種不同峰值波長的LED輻射疊加所形 成的模擬光譜，使其與目標光譜差最小，最終實現預定的光源光譜功率分布。
[0005] 由于各項光度學和色度學參數都是基于輻射度學中的光譜功率分布或光譜反射 比的基礎上推演而來，因此當光源的光譜功率分布確定之后，光源的亮度值以及光源色品 坐標、色溫等一系列色度學量也就相應確定下來。也即是說，如能很好的模擬任意光源或者 發光體的光譜功率分布，即可以對其色品坐標、顏色三刺激值等一系列色度學參數進行匹 配和復制，在實際應用中具有非常大的應用前景，尤其是對光學遙感器的輻射定標、光源顯 色性研究、以及光生物學等領域提供可靠的技術支持。
【發明內容】
[0006] 為了解決現有技術中的問題，本發明提供了一種基于亮度參數的多通道LED照明 系統的光譜匹配方法。
[0007] 本發明的技術方案為：
[0008] -種基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，包括步驟：
[0009] 1)測量標準白板或標準灰板的光譜反射比Ρ[5(λ);
[0010] 2)測量經所述標準白板或標準灰板反射的每種LED通道在最大數字驅動值255等 級下的絕對光譜功率分布數據Ρ?(λ);
[0011] 3)通過公式（1)計算多通道LED照明系統的每種LED通道在最大數字驅動值255等 級下的絕對光譜功率分布數據/(λ);:公式(1)中，i = l~n，其中η為LED照明系統通道數；
[0012] ρ￡￡Αμ) = ρ,μ)/Ρθμ) (1)
[0013] 4)對每種LED通道的數字驅動值從0~255等級范圍內采樣，采樣數量不小于3,且 包括最大數字驅動值255;然后采用步驟2)和步驟3)的方法測量出所采樣本驅動值等級下 每種LED通道的亮度數據，將數字驅動值為6,的樣本測量所得的亮度值記作4,;
[0014] 5)將步驟4)所得每種LED通道在各采樣數字驅動值下的亮度值按照公式(2)進行 歸一化處理;其中，將255等級數字驅動值下的亮度值定義為1，按照各數字驅動值下的亮度 相對于255等級數字驅動值下的亮度的比例進行調整，得到在0~1之間的一系列歸一化后 的相對亮度值#6(;
[0015] /?〔,.= (2)
[0016] 6)預定義可以實現目標光譜的每種LED通道亮度的比例值ki(0)，i = 1~η，其中η 為LED照明系統通道數，然后用迭代公式(3)計算第j次迭代后1^〇)的值，式中，a為經驗值 比例系數，取100, Am,(幻為每種LED通道最大數字驅動值時的光譜功率分布，Ρ5(λ)為目標 光譜；
[0018] 7)根據判別公式(4)判斷j次迭代后輸出光譜與目標光譜差是否小于預設的迭代 閾值，如果小于迭代閾值，迭代過程結束;如果大于迭代閾值，則進行下一次迭代，其中，ε為 迭代閾值；
[0020] 8)判斷利用步驟6)和7)的迭代算法所獲得的lu(j)數組中的每一個元素是否都小 于1，如果都小于1執行下一步，如果有任何一個元素大于1，降低測量面照度后，并要求返回 到步驟1重新執行；
[0021] 9)根據數字驅動值仏和歸一化后的相對亮度值^^的比例關系，利用插值算法計算 出預測所需的亮度1/所對應的每種LED通道的數字驅動值G/。
[0022] 本發明首先利用光譜輻射計測量出每一 LED通道最大數字驅動值時的光譜功率分 布數據以及以若干數字驅動等級條件下的亮度值;然后利用最大數字驅動值時的光譜功率 分布數據和目標光譜功率分布數據，經牛頓迭代算法計算出用以模擬目標光譜功率分布的 每種LED通道之間的亮度比例值;最后通過三次樣條插值算法計算出每種LED通道所需亮度 比例條件下的數字驅動值，從而最終實現目標光譜。
[0023]作為優選方案，步驟1)中，采用分光光度計測量標準白板或標準灰板的光譜反射 比P白(入）。
[0024] 作為優選方案，步驟2)中，采用光譜輻射計測量經所述標準白板或標準灰板反射 的每種LED通道在最大數字驅動值255等級下的絕對光譜功率分布數據Ρ?(λ)。
[0025] 進一步地，步驟4)中，采用光譜輻射計測量所采樣本驅動值等級下每種LED通道的 亮度數據4。
[0026]作為優選方案，步驟4)中對每種LED通道的數字驅動值從0~255等級范圍內均勻 采樣，采用數目為9-12個。
[0027]作為優選方案，步驟7)中，迭代閾值取值為0.0001。
[0028]作為優選方案，步驟9)中所述插值算法為三次樣條插值算法。
[0029] 本發明的有益效果為：
[0030] 本發明的光譜匹配方法適用于解決LED多通道照明系統的光譜匹配問題，利用亮 度作為重要參數指標，對輻射光譜可覆蓋或基本覆蓋可見光范圍且大于3通道的任意通道 數的LED照明系統均可由本發明方法進行光譜匹配，精度高，且簡便實用。
[0031] 本發明解決了如何利用多通道照明系統模擬任意光譜時各LED通道所需的數字驅 動值問題，此問題的解決為高精度圖像再現、顏色復制等科技領域提供了必要的觀察照明 條件。
【具體實施方式】
[0032] 以11通道LED照明系統模擬測量面照度ΙΟΟΟΙχ條件下的標準照明體A的光譜功率 分布為例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅 僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術 人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033] 實施例1
[0034] -種基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，包括步驟：
[0035] 1)利用X-Rite SpectralEye分光光度計測量X-Rite ColorChecker Passport標 準灰板的光譜反射比Ρ6(λ)，結果如表1所示；
[0036] 2)利用Topcon SR-3A光譜福射計測量經X-Rite ColorChecker Passport標準灰 板反射的11種LED通道在最大數字驅動值255等級下的絕對光譜功率分布數據Ρ?(λ)，11種 LED通道的光譜數據如表2-1、表2-2、表2-3、表2-4所示；
[0037] 3)通過公式（1)計算多通道LED照明系統的每種LED通道在最大數字驅動值255等 級下的絕對光譜功率分布數據公式(1)中，i = l~Π，其中η為LED照明系統通道數
[0038] PmDi (2;) = Pm (λ)ΙΡ& (Λ) (1 )
[0039] 絕對光譜功率分布數據/^根據表1與表2-1、表2-2、表2-3、表2-4中的數據計 算即可；
[0040] 4)對每種LED通道的數字驅動值進行采樣，采樣值分別為255、235、215、195、175、 150、100、80、60、40、25;采用1'〇?(：〇1131?-34光譜輻射計以步驟2)和步驟3)的方法測量出所 采樣本驅動值等級下11種LED通道的亮度數據，將數字驅動值為樣本測量所得的亮度 值記作; 11種LED通道的亮度值如表3-1、表3-2所示；
[0041] 5)將步驟4)所得11種LED通道在11個采樣數字驅動值下的亮度值按照公式(2)進 行歸一化處理;其中，將255等級數字驅動值下的亮度值定義為1，按照各數字驅動值下的亮 度相對于255等級數字驅動值下的亮度的比例進行調整，得到在0~1之間的一系列歸一化 后的相對亮度值^@，相對亮度值#(；,如表4-1、表4-2所示；
[0042] R,； = 1,: ； (2)
[0043] 6)預定義11種LED通道亮度的比例值ki(0)為1:1:1:1:1:1:1:1:1:1:1，用以實現 標準照明體A的光譜功率分布，然后用迭代公式(3)計算第j次迭代后的kdj)值，本例共迭 代20次，ki的20次迭代取值如表5-1、表5-2所示，a為經驗系數，取值100; U)為每種LED 通道最大數字驅動值時的光譜功率分布，Ps(A)為目標光譜；
[0044] 7)根據判別公式(4)判斷20次迭代后輸出光譜與目標光譜差是否小于預設的迭代 閾值ε = 〇.〇〇〇 1 ;本實施例中，19次迭代后的光譜差大于閾值，20次迭代后光譜差為 4.6903e-05，即，4.6903 X 10-5;
[0046] 8)獲得的ki( 20)中代表11個LED通道的元素值全部小于1，繼續執行下一步；
[0047] 9)根據數字驅動值61和歸一化后的相對亮度值爲^的比例關系，利用三次樣條插值 算法和取整算法計算出預測所需11種LED通道的數字驅動值G/，分別為155、139、16、183、 153、112、254、166、42、75、15。
[0048] 表ΙΧ-Rite ColorChecker Passport標準灰板的光譜反射比
[0051]
[0052] 表2-1 11種LED通道經灰板反射后的絕對光譜功率分布
【主權項】
1. 一種基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在于，包括步驟： 1) 測量標準白板或標準灰板的光譜反射比Pe(X); 2) 測量經所述標準白板或標準灰板反射的每種LED通道在最大數字驅動值255等級下 的絕對光譜功率分布數據ΡΜ(λ); 3) 通過公式（1)計算多通道LED照明系統的每種LED通道在最大數字驅動值255等級下 的絕對光譜功率分布數據(A);公式(1)中，i = 1~η，其中η為LED照明系統通道數；4) 對每種LED通道的數字驅動值從O~255等級范圍內采樣，采樣數量不小于3,且包括 最大數字驅動值255;然后采用步驟2)和步驟3)的方法測量出所采樣本驅動值等級下每種 LED通道的亮度數據，將數字驅動值為樣本測量所得的亮度值記作4,; 5) 將步驟4)所得每種LED通道在各采樣數字驅動值下的亮度值按照公式(2)進行歸一 化處理;其中，將255等級數字驅動值下的亮度值定義為1，按照各數字驅動值下的亮度相對 于255等級數字驅動值下的亮度的比例進行調整，得到在O~1之間的一系列歸一化后的相 對亮度值6) 預定義可以實現目標光譜的每種LED通道亮度的比例值ki(0)，i = l~η，其中η為LED 照明系統通道數，然后用迭代公式(3)計算第j次迭代后匕(」）的值，式中，a為經驗值比例系 數，取100，(W為每種LED通道最大數字驅動值時的光譜功率分布，Ρ 5(λ)為目標光譜；7) 根據判別公式(4)判斷j次迭代后輸出光譜與目標光譜差是否小于預設的迭代閾值， 如果小于迭代閾值，迭代過程結束;如果大于迭代閾值，則進行下一次迭代，其中，ε為迭代 閾值；8) 判斷利用步驟6)和7)的迭代算法所獲得的kdj)數組中的每一個元素是否都小于1， 如果都小于1執行下一步，如果有任何一個元素大于1，降低測量面照度后，并要求返回到步 驟1重新執行； 9) 根據數字驅動值61和歸一化后的相對亮度值％的比例關系，利用插值算法計算出預 測所需的亮度F :所對應的每種LED通道的數字驅動值V 1<32. 如權利要求1所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在 于:步驟1)中，采用分光光度計測量標準白板或標準灰板的光譜反射比阼(入)。3. 如權利要求1或2所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征 在于:步驟2)中，采用光譜輻射計測量經所述標準白板或標準灰板反射的每種LED通道在最 大數字驅動值255等級下的絕對光譜功率分布數據Ρ?(λ)。4. 如權利要求3所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在 于:步驟4)中，采用光譜輻射計測量所采樣本驅動值等級下每種LED通道的亮度數據/6, ?5. 如權利要求1所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在 于:步驟4)中對每種LED通道的數字驅動值從O~255等級范圍內均勻采樣，采用數目為9-12 個。6. 如權利要求1所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在 于:步驟7)中，迭代閾值取值為O. OOOl。7. 如權利要求1所述基于亮度參數的多通道LED照明系統的光譜匹配方法，其特征在 于:步驟9)中所述插值算法為三次樣條插值算法。
【文檔編號】G01M11/02GK106017868SQ201610318757
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】王慶
【申請人】齊魯工業大學