用多种LED单色光芯片模拟太阳光谱的一种光谱组装算法及相似度评价标准

汤露瑶，苏成悦，陈少藩，刘木清

(1.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；2.广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州 510006；3.广东光阳电器有限公司，广东中山 528415)

用多种LED单色光芯片模拟太阳光谱的一种光谱组装算法及相似度评价标准

汤露瑶1，苏成悦2，陈少藩3，刘木清1

(1.复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433；2.广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州 510006；3.广东光阳电器有限公司，广东中山 528415)

LED光源目前已在室内照明、室外照明以及非视觉应用方面获得广泛的应用。本文选用了三种不同色温下的太阳光谱作为目标拟合光谱，借助Matlab优化工具箱中的fmincon函数求解了不同目标光谱下各路LED的功率系数组合；提出了一种表征组装光谱与目标光谱的光谱失配评价指数E，并用该指数评价了室内照明常用光源光谱与太阳光谱的相似程度。

光谱组装；太阳光谱；LED

引言

1879年，爱迪生小组研制出寿命为14 h的真空碳丝白炽灯，人类从此进入了电气照明时代。经过数百年的发展演进，人们已经逐渐习惯在各种人造光源下生活与工作。对于长期在采光环境较差的办公室、商场、工厂以及其他室内环境工作的人们，人造光源提供的照明往往占据主导地位。然而，长达百万年的生物进化过程使人类仍旧无法长期脱离日光而健康生存。人眼的结构特征是外界自然环境长期作用的结果，与人类进化历程中的生存环境息息相关。将人眼结构想象为一枚透镜，在聚焦时，对于光谱连续的太阳光而言，眼睛的聚焦点位于波长为550 nm光的焦点附近，其他波段的光的焦点落于其周围，在视网膜上形成平衡的状态。而当采用包含特殊峰值光谱成分的光照明时，由于与白光的聚焦位置相差很远，眼睛周围的肌肉和神经需要调节以适应偏差，容易产生视觉疲劳[1]。如果光谱分布有二个峰值且不连续,则易引起视觉疲劳甚至导致眼睛调焦机能的损伤。研究表明，阳光下阅读与观测时人眼感知的舒适度最高，而要使人眼在某一照明光源下感到舒适，需要使其发光光谱与太阳光光谱相接近[2]。虽然有研究表明LED光源对比传统荧光灯光源更不易引起视觉疲劳[3]，但是有研究指出，白光LED由于其蓝光波段范围能量较为集中，会对人眼的视网膜造成危害，人体在其长期照射下会产生不利影响[4]。

随着科技的发展和生活水平的提高，人们对照明质量的要求已不仅仅满足于看得清楚，更提出舒适、健康、智能、环保等多重要求。现有的电气照明光源中，只有白炽灯的光谱与太阳光谱十分接近，为连续谱。然而，由于白炽灯光效过低，能耗过高，不利于节能环保，已在许多国家遭到逐步淘汰。幸运的是，LED由于其光谱组装的灵活性，是最有希望复现太阳全光谱的新型光源[5]。值得注意的是，LED作为半导体发光器件，使用恒流驱动，仅需调整其电流的占空比信号，就能快速精确地调整其发光功率，实现程序运算中所得出的功率系数组合。

1 光谱组装

1.1目标光谱选择

试验选取了三种不同色温下的太阳光谱作为光谱组装的目标谱，色温分别为3 000 K、4 500 K、6 000 K，其相对光谱功率分布曲线如图1～图3所示。

图1 3 000 K日光相对光谱功率分布曲线Fig.1 Relative spectral power distribution curve of 3 000 K daylight

图2 4 500 K日光相对光谱功率分布曲线Fig.2 Relative spectral power distribution curve of 4 500 K daylight

图3 6 000 K日光相对光谱功率分布曲线Fig.3 Relative spectral power distribution curve of 6 000 K daylight

1.2单色光LED选择

试验选择了15种不同峰值波长的LED单色光芯片，利用积分球测试其光谱功率分布。测定时恒定驱动电流为350 mA，测试前稳定光源30 min。15种LED的测试数据如图4所示。从图中可以看出这一LED组合能够基本覆盖可见光范围内的全部光谱区间。

图4 15种LED的光谱功率分布Fig.4 Spectral power distribution of 15 kinds of LEDs

1.3优化方法

为了评估利用LED所组装的光谱与目标太阳光谱的相似程度，基于最小二乘法，提出了一种新型评估方法如式(1)所示。

式中，E为总光谱失配评价指数；ST(λ)为目标光谱分布；Si(λ)为LED光谱分布；Ki为功率系数。E值越小，代表两个光谱的相似度越高，光谱失配程度越低。光谱匹配的目标就是寻找到一组功率系数组合，使得E的值达到最小。因此，可以通过求解式(1)的最小值，确定LED功率参数组合。

在编程过程中，使用了Matlab中的Optimization Toolbox(优化工具箱)组件来达到上述要求。该优化工具箱提供的算法组合被广泛应用于线性规划、二次规划、非线性优化、求解非线性方程等目标中。本试验中选取了fmincon函数，旨在计算出在E值最小的目标下，所选取的LED的功率系数组合。其调用格式如式(2)所示。

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

将LED的实测数据导入Matlab软件中，软件会根据选取的LED计算出对应的拟合功率系数。

2 光谱组装结果

在380～780 nm的波段内，遵循均匀选取的原则，分别选取5种、10种、15种LED芯片进行拟合。在芯片数量增加至15种时，峰值波长为529 nm和599 nm的两种LED在优化过程中因新增LED的替代作用，功率系数降至0.001以下，故在结果中予以删除，最终保留13种LED。将软件计算得到的不同峰值波长LED芯片的功率系数、拟合光谱与日光谱的总光谱失配评价指数E、拟合光谱的xyz色坐标C(选取CIE 1931xyz三刺激值进行计算，波长间隔5nm)汇总在表1～表3(其中3 000 K、4 500 K、6 000K为目标太阳光谱色温)，光谱组装结果如图5～图13所示。

表1 用5种LED模拟太阳光谱相关参数

表2 用10种LED模拟太阳光谱相关参数

表3 用13种LED模拟太阳光谱相关参数

图5 用5种LED模拟3 000 K太阳光谱Fig.5 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 5 LEDs

图6 用5种LED模拟4 500 K太阳光谱Fig.6 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 5 LEDs

图7 用5种LED模拟6 000 K太阳光谱Fig.7 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 5 LEDs

图8 用10种LED模拟3 000 K太阳光谱Fig.8 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 10 LEDs

图9 用10种LED模拟4 500 K太阳光谱Fig.9 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 10 LEDs

图10 用10种LED模拟6 000 K太阳光谱Fig.10 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 10 LEDs

图11 用13种LED模拟3 000 K太阳光谱Fig.11 Simulation of 3 000 K solar spectrum using 13 LEDs

图12 用13种LED模拟4 500 K太阳光谱Fig.12 Simulation of 4 500 K solar spectrum using 13LEDs

图13 用13种LED模拟6 000 K太阳光谱Fig.13 Simulation of 6 000 K solar spectrum using 13 LEDs

从以上图表可以看出，随着LED数目的增多，已经可以较好地复现太阳光谱。

3 传统光源与太阳光谱的比较

选取了5种市面上常见光源光谱与太阳光谱进行对比。数据如表4所示,相对光谱曲线如图14～图18所示。表4中，theta为归一化系数，E为总光谱失配评价指数、C为拟合光谱的xyz色坐标(选取CIE1931xyz三刺激值进行计算，波长间隔5 nm)。

表4 常见光源光谱与太阳光谱的相似度

图14 2 882 K LED平板灯与3 000 K日日光光谱对比Fig.14 Comparison of 2 882 K LED with 3 000 K daylight

图15 4 566 K LED平板灯与4 500 K日日光光谱对比Fig.15 Comparison of 4 566 K LED with 4 500 K daylight

图16 6 063 K LED平板灯与6 000 K日日光光谱对比Fig.16 Comparison of 6 063 K LED with 6 000 K daylight

图17 2 921 K T5荧光灯与3 000 K日日光光谱对比Fig.17 Comparison of 2 921 K T5 fluorescent lamp with 3 000 K daylight

图18 6 168 K T5荧光灯与6 000 K日日光光谱对比Fig.18 Comparison of 6 168 K T5 fluorescent lamp with 6 000 K daylight

4 总结

我们利用不同峰值波长的15种单色光LED芯片模拟了不同色温下的太阳光谱，提出了一种检验光谱匹配程度的标准E，将室内照明所用的常见光源光谱与用LED组装的光谱进行对比，结果汇总如表5所示。当采用13种LED时，E降低至0.025左右，可见组装光谱对太阳光谱的复现度是十分良好的，这有利于健康照明、舒适照明。

表5 常见光源光谱与LED组装光谱的E对比

[1] 陈非力.浅谈日光照明的优越性及商业办公楼利用日光照明的潜能[J]. 灯与照明, 1997(3):30-34.

[2] 范铎, 白素平, 闫钰锋,等. LED模拟太阳光谱的理论研究[J]. 长春理工大学学报:自然科学版, 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] 赵介军,乔波,过峰. LED蓝光危害研究[J]. 照明工程学报,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