LED如何模擬不同時(shí)刻的太陽光

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-11-05

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LED問世至今，人們通過對新型發(fā)光材料的不斷探索，使得LED在全彩顯示方面取得了巨大的進(jìn)步。人們己經(jīng)能夠基于不同的發(fā)光材料體系制作出不同波長的LED,特別是在可見光波段內(nèi)（380nm~780mn)。不同波長LED的實(shí)現(xiàn)為LED應(yīng)用前景打開了局面。目前，超市照明，由于光譜可調(diào)光源的重要性，照明產(chǎn)品，采用不同波長的LED光源的光譜匹配研究已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)耐�視�?/span>

雖然不同色溫的白光LED應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用前景也相當(dāng)不錯(cuò)，但是對于^些特殊領(lǐng)域，比如生物學(xué)領(lǐng)域，照明資質(zhì)，不同種類的植物需要各自特定的光譜分布，單純的采用某種色溫的LED并不能滿足植物生長需求。對于類似的問題，主流的解決辦法就是利用混色的原理來實(shí)現(xiàn)理想光譜可調(diào)光源，利用不同波長的LED通過混色的方法來實(shí)現(xiàn)一些常見的特殊光譜分布，比如D65日光光譜、溴鎢燈光譜、太陽光譜以及5500K理想黑體光譜等。但是目前LED光源的光譜匹配研宄主要是專注于單一光譜匹配的算法研究，而忽略了其實(shí)用性。

本文主要探討的LED模擬日光光譜研宄是將一天之中不同時(shí)刻的太陽光譜通過7顆固定光色的LED模擬出來， led商業(yè)照明，在不同時(shí)刻的可以進(jìn)行光強(qiáng)的調(diào)節(jié)，企業(yè)資訊，以滿足不同的色溫需求。這樣的整體模擬，充分利用了LED體積小的特點(diǎn)，髙度整合在一個(gè)LED模組中，并實(shí)現(xiàn)整體光譜從早到晚完整的模擬太陽日出日落的情形，為眾多非視覺應(yīng)用提供了新的照明可能。

LED光譜匹配原理

1.1不同波長LED的光譜分布曲線

單色LED的光其實(shí)并非單一波長， led室內(nèi)照明，其波長大體按照圖1所示分布，波長A0的光強(qiáng)度最大，稱為峰值波長。光譜半寬度A入表示LED光譜純度，即而分之一峰值光強(qiáng)所對應(yīng)的波長間隔，半高寬度反映譜線寬度， LED置換工程，表示LED光譜純度。

由圖1可以看出，單色LED的光譜分布是由兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)決定的，即峰值波長和半高寬度，所以單色LED光譜分布的表達(dá)式必然包括峰值波長和半髙寬度這兩個(gè)參數(shù)，但是單色LED光譜分布應(yīng)該如何表達(dá)以至于表達(dá)式最接近于單色LED的實(shí)際光譜分布。目前，主要采用高斯型來表達(dá)單色LED的光譜分布。與單色LED實(shí)際的光譜分布相比，原始的高斯分布還是存在一定的擬合誤差。為此，LED照明企業(yè)，對原始的高斯分布加以改進(jìn)，使得改進(jìn)后的高斯分布與實(shí)際光譜分布之間的擬合誤差盡可能的小。在所有改進(jìn)的高斯分布模型中，式1能夠很好地跟單色LED實(shí)際光譜分布擬合。圖2分別畫出了上述改進(jìn)的高斯分布模型與實(shí)際光譜分布。從圖2看出，在不同的顏色情況下，上述改進(jìn)的高斯分布模型和實(shí)際光譜分布之間擬合度較高。所以本研宄采用了式（1)所示改進(jìn)后的高斯分布模型來作為單色LED光譜分布的表達(dá)式。

考慮到要得到復(fù)合的寬波段光譜，需要不同波長的LED共同作用，所以需要利用不同波長的LED光源來與一天之中幾個(gè)典型時(shí)刻的太陽光譜進(jìn)行匹配，而每個(gè)單色的LED可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)，根據(jù)光譜疊加原理可以得到多種單色LED光譜合成的基本數(shù)學(xué)模型如式（2)所示。

式（2)中SMIX(入)為多種單色LED光譜混合之后的實(shí)際光譜功率值，通過式（2)可以計(jì)算7顆LED在不同光強(qiáng)情況下的色溫和顯色指數(shù)，進(jìn)而與不同時(shí)刻的太陽光譜相匹配，照明產(chǎn)品，也為后面的MATLAB擬合提供了原始的擬合方程。

1.2不同時(shí)刻的太陽光譜

一天之中不同時(shí)刻的太陽光色溫變化情況如表1所示。

考慮采用7顆LED模擬太陽光譜的實(shí)用性，認(rèn)為日出后與日落前的太陽光譜色溫是基本對應(yīng)的。從表1中選擇5個(gè)典型色溫作為參照光譜進(jìn)行模擬，分別是色溫為2500K、3500K、4000K、5000K、6500K。對應(yīng)的每一色溫值的太陽光譜需要得到其對應(yīng)的典型日光相對光譜功率來進(jìn)行擬合的計(jì)算。

CIE所規(guī)定的典型日光，及標(biāo)準(zhǔn)照明體是由在CIE1931U，y)色度圖上的一條位于普朗克軌跡上方的典型日光色度軌跡來代表的。這條軌跡是根據(jù)CIE1931色度圖上許多實(shí)測的日光色度點(diǎn)的分布定出的，它包括4000~40000K典型日光的色度點(diǎn)。因此2500K和3500K兩個(gè)典型太陽光色溫情況是無法計(jì)算出其的典型日光相對光譜功率分布的，也就無法與7顆LED進(jìn)行光譜擬合。而4000K、5000K、6500K三種太陽光色溫情況則均可依照典型日光的相對功率分布公式（3)求得。

式（3)中，家用照明，S(入)為某一相關(guān)色溫典型日光波長色溫相對光譜功率；S。（A)為波長為典型日光的平均相對光譜分布。\(A)，S2(A)為波長A第一特征矢量、第二特征矢量似2分別為第一特征矢量和第二特征矢量的乘數(shù)。

LED模擬太陽光譜

在這一模型中，所選擇的7顆LED,其中心波長分別為450nm，500nm，550nm，600nm,650nm，700nm，廠房照明，750nm。實(shí)驗(yàn)測試所得到的不同中心波長的LED對應(yīng)的半寬分別為35nm，35nm,40nm，20nm，20nm，20nm，20nm。在構(gòu)建上文提到的高斯模型的基礎(chǔ)上，分別改變不同情況下每一顆LED的光強(qiáng)，節(jié)能與環(huán)保，企業(yè)資訊，以得到相對應(yīng)的色溫值，并調(diào)節(jié)出較高的顯色指數(shù)。不同時(shí)間段的太陽光譜對應(yīng)的7顆LED的歸一化光強(qiáng)值如表2-表6所示。

其中，4000K、5000K、6500K三種太陽光色溫情況則均可依照典型日光的相對功率分布公式求得，獲得標(biāo)準(zhǔn)光譜。在這三種情況下，7顆LED模擬太陽光與其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光譜的擬合曲線如圖3、圖4、圖5所示。

總結(jié)