用多種LED單色光芯片模擬太陽光譜的一種光譜組裝算法及相似度評價標準

湯露瑤，蘇成悅，陳少藩，劉木清

(1.復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；2.廣東工業大學物理與光電工程學院，廣東廣州 510006；3.廣東光陽電器有限公司，廣東中山 528415)

用多種LED單色光芯片模擬太陽光譜的一種光譜組裝算法及相似度評價標準

湯露瑤1，蘇成悅2，陳少藩3，劉木清1

(1.復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433；2.廣東工業大學物理與光電工程學院，廣東廣州 510006；3.廣東光陽電器有限公司，廣東中山 528415)

LED光源目前已在室內照明、室外照明以及非視覺應用方面獲得廣泛的應用。本文選用了三種不同色溫下的太陽光譜作為目標擬合光譜，借助Matlab優化工具箱中的fmincon函數求解了不同目標光譜下各路LED的功率系數組合；提出了一種表征組裝光譜與目標光譜的光譜失配評價指數E，并用該指數評價了室內照明常用光源光譜與太陽光譜的相似程度。

光譜組裝；太陽光譜；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，人類從此進入了電氣照明時代。經過數百年的發展演進，人們已經逐漸習慣在各種人造光源下生活與工作。對于長期在采光環境較差的辦公室、商場、工廠以及其他室內環境工作的人們，人造光源提供的照明往往占據主導地位。然而，長達百萬年的生物進化過程使人類仍舊無法長期脫離日光而健康生存。人眼的結構特征是外界自然環境長期作用的結果，與人類進化歷程中的生存環境息息相關。將人眼結構想象為一枚透鏡，在聚焦時，對于光譜連續的太陽光而言，眼睛的聚焦點位于波長為550 nm光的焦點附近，其他波段的光的焦點落于其周圍，在視網膜上形成平衡的狀態。而當采用包含特殊峰值光譜成分的光照明時，由于與白光的聚焦位置相差很遠，眼睛周圍的肌肉和神經需要調節以適應偏差，容易產生視覺疲勞[1]。如果光譜分布有二個峰值且不連續,則易引起視覺疲勞甚至導致眼睛調焦機能的損傷。研究表明，陽光下閱讀與觀測時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，需要使其發光光譜與太陽光光譜相接近[2]。雖然有研究表明LED光源對比傳統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由于其藍光波段范圍能量較為集中，會對人眼的視網膜造成危害，人體在其長期照射下會產生不利影響[4]。

隨著科技的發展和生活水平的提高，人們對照明質量的要求已不僅僅滿足于看得清楚，更提出舒適、健康、智能、環保等多重要求。現有的電氣照明光源中，只有白熾燈的光譜與太陽光譜十分接近，為連續譜。然而，由于白熾燈光效過低，能耗過高，不利于節能環保，已在許多國家遭到逐步淘汰。幸運的是，LED由于其光譜組裝的靈活性，是最有希望復現太陽全光譜的新型光源[5]。值得注意的是，LED作為半導體發光器件，使用恒流驅動，僅需調整其電流的占空比信號，就能快速精確地調整其發光功率，實現程序運算中所得出的功率系數組合。

1 光譜組裝

1.1目標光譜選擇

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

圖1 3 000 K日光相對光譜功率分布曲線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

試驗選擇了15種不同峰值波長的LED單色光芯片，利用積分球測試其光譜功率分布。測定時恒定驅動電流為350 mA，測試前穩定光源30 min。15種LED的測試數據如圖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的全部光譜區間。

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

1.3優化方法

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

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

在編程過程中，使用了Matlab中的Optimization Toolbox(優化工具箱)組件來達到上述要求。該優化工具箱提供的算法組合被廣泛應用于線性規劃、二次規劃、非線性優化、求解非線性方程等目標中。本試驗中選取了fmincon函數，旨在計算出在E值最小的目標下，所選取的LED的功率系數組合。其調用格式如式(2)所示。

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

將LED的實測數據導入Matlab軟件中，軟件會根據選取的LED計算出對應的擬合功率系數。

2 光譜組裝結果

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

表1 用5種LED模擬太陽光譜相關參數

表2 用10種LED模擬太陽光譜相關參數

表3 用13種LED模擬太陽光譜相關參數

圖5 用5種LED模擬3 000 K太陽光譜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數目的增多，已經可以較好地復現太陽光譜。

3 傳統光源與太陽光譜的比較

選取了5種市面上常見光源光譜與太陽光譜進行對比。數據如表4所示,相對光譜曲線如圖14～圖18所示。表4中，theta為歸一化系數，E為總光譜失配評價指數、C為擬合光譜的xyz色坐標(選取CIE1931xyz三刺激值進行計算，波長間隔5 nm)。

表4 常見光源光譜與太陽光譜的相似度

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日日光光譜對比Fig.18 Comparison of 6 168 K T5 fluorescent lamp with 6 000 K daylight

4 總結

我們利用不同峰值波長的15種單色光LED芯片模擬了不同色溫下的太陽光譜，提出了一種檢驗光譜匹配程度的標準E，將室內照明所用的常見光源光譜與用LED組裝的光譜進行對比，結果匯總如表5所示。當采用13種LED時，E降低至0.025左右，可見組裝光譜對太陽光譜的復現度是十分良好的，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對比

[1] 陳非力.淺談日光照明的優越性及商業辦公樓利用日光照明的潛能[J]. 燈與照明, 1997(3):30-34.

[2] 范鐸, 白素平, 閆鈺鋒,等. LED模擬太陽光譜的理論研究[J]. 長春理工大學學報:自然科學版, 2011, 34(3):16-18.

[3] WANG Q, XU H, GONG R,etal. Investigation of visual fatigue under LED lighting based on reading task[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2015, 126: 1433-1438.

[4] 趙介軍,喬波,過峰. LED藍光危害研究[J]. 照明工程學報,2015,26(1):84-87.

[5] KOHRAKU Shogo, KUROKAWA Kosuke. New methods for solar cell measurement by LED solar simulator[C]. Japan: 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2003.

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