羅曉霞，榮浩磊，馬 曄

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 10085)

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LED光譜可調(diào)設(shè)備對光源選擇的探究

羅曉霞，榮浩磊，馬 曄

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)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(shù)據(jù)，以Philips Lumileds Luxeon? Rebel Color系列為例，通過模擬計算自動選擇最優(yōu)光源組合。結(jié)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(xiàn)混色范圍最大的光源組合。

LED光譜可調(diào)光源；四色混光；Matlab；景觀照明

引言

傳統(tǒng)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(diào)整光源的光譜組成。光譜可調(diào)的光源設(shè)備正逐漸應(yīng)用于各技術(shù)領(lǐng)域：在光學(xué)領(lǐng)域，可用于對光學(xué)遙感器進(jìn)行輻射定標(biāo)[1-2]；在色度學(xué)領(lǐng)域，為研究顯色性新的度量指標(biāo)提供照明[3-5]；在生物學(xué)領(lǐng)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(xiàn)效果正引起照明設(shè)計師的關(guān)注[6](如圖1所示)，光譜可調(diào)的光源設(shè)備在照明領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)有的光譜可調(diào)光源系統(tǒng)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(tǒng)在使用過程中產(chǎn)生大量的熱量，溫度的變化將引起色溫漂移，對光譜形狀產(chǎn)生影響；且控制通道較多，較難實現(xiàn)與用戶的交互式操作。本文采用四基色混合的方式實現(xiàn)光譜可調(diào)光源系統(tǒng)的搭建，借助軟件的數(shù)學(xué)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(lán)三原色在色度圖中的坐標(biāo)能圍成一個三角形區(qū)域，通過三基色LED光源的組合，可以實現(xiàn)其圍成的三角形區(qū)域內(nèi)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(biāo)色，三基色混光的各色光系數(shù)是確定的，為了使光譜可調(diào)，須至少增加一種色光獲得調(diào)光因子。因此，四色混光[7]是實現(xiàn)光譜可調(diào)光源最簡單的方式。

四色混合以三基色混合的算法為基礎(chǔ)[8]，四個色光點(diǎn)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(jù)給定目標(biāo)色，分別對四個三角形的三原色比例系數(shù)進(jìn)行計算，排除掉系數(shù)為負(fù)數(shù)的基元三角形，有且只有兩個三角形對最終的目標(biāo)色是有意義的。以圖2中P點(diǎn)為例，三角形TR1和TR2為有效基元，設(shè)目標(biāo)色單獨(dú)由TR1和TR2三基色混合的系數(shù)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(biāo)位置，只對其光譜組成產(chǎn)生影響。設(shè)σ為兩個三角形基元的權(quán)重因子，簡單理解為TR1的貢獻(xiàn)值為σ，則TR2的貢獻(xiàn)值為(1-σ)，則RGBA四基色混合的系數(shù)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(diào)節(jié)σ值，可實現(xiàn)RGBA四種不同基色光源的能量比，在保障目標(biāo)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(lǐng)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(fā)光譜可調(diào)光源設(shè)備的基礎(chǔ)。色坐標(biāo)所圍的色域面積越大，可實現(xiàn)的混色范圍就越廣。因此，問題轉(zhuǎn)換為求解已知光源的色域面積。廠家光源的各光譜分布數(shù)據(jù)可以通過儀器實測得出，然而這種方法費(fèi)時費(fèi)力。實際上，光源的光譜分布曲線可以從官網(wǎng)直接下載獲得，借助軟件從曲線中提取數(shù)據(jù)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(diǎn)進(jìn)行樣條擬合，根據(jù)刺激值的計算公式，編程求解各光源的色坐標(biāo)位置及對應(yīng)的色域面積，即可自動找出最優(yōu)的光源組合。以Philips Lumileds Luxeon? Rebel Color 家族中10種LEDs為例,其波長參數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)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(qiáng)值。色匹配函數(shù)的光強(qiáng)值可直接查詢CIE標(biāo)準(zhǔn)，并用求和代替積分，能夠近似求解光源的色坐標(biāo)。

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(diǎn)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(biāo)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(yīng)色域面積為最大的坐標(biāo)點(diǎn)。仿真結(jié)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(xiàn)混色范圍最大的光源組合。

3 總結(jié)

LED光譜可調(diào)的光源設(shè)備應(yīng)用在照明領(lǐng)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(chuàng)新應(yīng)用提供可能。本文介紹了四色混光的應(yīng)用原理，并借助Matlab提取實際光源的光譜分布數(shù)據(jù)，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(diào)光源設(shè)備的后期開發(fā)提供技術(shù)參考。

[1] 朱繼亦, 任建偉, 李葆勇, 等. 基于LED的光譜可調(diào)光源的光譜分布合成[J]. 發(fā)光學(xué)報, 2010, 31(6):882-887.

[2] 陳風(fēng), 袁銀麟, 鄭小兵, 等. LED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計[J]. 光學(xué)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, 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(xué)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(shù)研究發(fā)展計劃(No.2013AA03A103)，北京市科技計劃(No.Z141100001914003)

TM923

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