快速量测白光发光二极管显色指数的方法

摘要

本发明涉及一种显色指数的量测技术，尤其是一种可以快速量测白光发光二极管显色指数的方法。本发明将白光发光二极管的光谱分解为芯片及荧光粉二部分光谱，根据预先建立好的芯片及荧光粉数据库做数值迭加或曲线拟合以代替显色指数运算时所需的大量数组积分运算。节省大量复杂积分运算时间，可快速获得显色指数，省去很多积分运算所需计算机设备，降低了生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种显色指数的量测技术，尤其是一种可以快速量测白光发光二极管显色指数的方法。

背景技术

根据国际照明信息委员会(Commission International d’Eclairage，简称CIE)的定义，ΔE_i(i＝1～8)为8种标准颜色样品(TCS01～TCS08)在参照光源下和在待测光源下的色差。而R_i＝100-4.6ΔE_i为8个特殊显色指数(Special Color Rendering Index)，此8个特殊显色指数的平均值即为该光源的显色指数(Color Rendering Index，简称CRI或Ra)。

能源之星(Energy Star)对于LED的显色指数有详细的规定。但根据量测光谱计算CRI的过程极为复杂，牵涉到非常多庞大数组运算。此运算耗用了大量计算机资源，导致系统速度缓慢不适于批量生产用的量测机台，目前一般只有积分球等研发型仪器提供此量测分析。

若光源光谱为P(λ)，根据CIE的定义该光源之XYZ坐标分别为：

$X=\int P\left(\lambda \right)\tilde{x}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }$

$Y=\int P\left(\lambda \right)\tilde{y}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }$

$Z=\int P\left(\lambda \right)\tilde{z}\left(\lambda \right)\mathrm{d\lambda }$

其中分别为CIE定义的色匹配函数(Color Matching Function，简称CMF)。

在一颗白光LED的CRI计算过程中，需要大量这样的XYZ坐标运算，包括量测样品及参考样品各别的XYZ坐标及其各别照射在各个色彩样品上的XYZ坐标等，总共有超过50次这样的积分运算。

而在计算机中举凡光谱、CMF及TCS01～TCS8(标准颜色样品)等都是以庞大的数组形式储存，因此其乘法及积分的运算都需耗用大量的计算机资源。

但白光LED正逐渐推广至室内及室外照明，大批量LED显色指数的量测便成为一个悬而未决的困扰。

有鉴于此，提供一种快速量测白光发光二极管显色指数的方法实为必要。

发明内容

本发明目的是将速度缓慢且需耗用大量的计算机资源来进行复杂的积分运算简化为速度快、时间短，只需进行简单之数值迭加便可获得显色指数，而提供一种可以快速量测白光发光二极管显色指数的方法。

本发明技术方案：一种快速量测白光发光二极管显色指数的方法，包含

积分数据库储存荧光粉及芯片光谱及对标准色采样品的XYZ值；

LED对标准色彩样品的XYZ值为芯片及荧光粉XYZ值的数值迭加，

表达式为：若光谱P(λ)可拆解为已知光谱P₁(λ)、P₂(λ)…等，其线性迭加LinearSuperposition

P(λ)＝c₁P₁(λ)+c₂P₂(λ)+...

其中c₁，c₂为各光谱分量之强度系数，则其XYZ坐标即可以简单之数值迭加获得，

X＝c₁X₁+c₂X₂+…，Y＝c₁Y₁+c₂Y₂+…，Z＝c₁Z₁+c₂Z₂+…，

其中

$X_1={\int P}_1(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{x}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

$X_2={\int P}_2(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{x}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

...

$Y_1={\int P}_1(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{y}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

$Y_2={\int P}_2(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{y}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

...

$Z_1={\int P}_1(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{z}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

$Z_2={\int P}_2(\mathrm{\lambda \lambda }\tilde{z}\left(\mathrm{\lambda \lambda }\right)d$

...。

芯片光谱对标准色彩样品的XYZ值为依据积分数据库由内插获得。

当相关色温Correlated Color Temperature，简称CCT≥5000K时，采用昼光参考光源，其对标准色彩样品的XYZ值为三个昼光分量照射在标准色彩样品的XYZ值的数值迭加。

当相关色温Correlated Color Temperature，简称CCT＜5000K时，采用黑体辐射参考光源，其对标准色彩样品的XYZ值为依据积分数据库由内插获得。

芯片光谱对标准色彩样品的XYZ值为依据芯片之主导波长及色彩纯度为内插之变数。

黑体辐射参考光源对标准色彩样品的XYZ值为依据相关色温为内插之变量。

如此一来计算机可以省下大量的数组积分运算时间。

本发明之要旨即为将已知荧光粉及芯片等标准光谱及其各对应的XYZ等积分值预存于数据库中(以下简称积分数据库)。量测时仅需运算出各光谱分量之强度系数(c₁、c₂…等)，即可以简单之数值迭加获得所需之各个XYZ坐标。如此其运算速度将远超过进行所有需要的积分运算。

本发明有益效果：节省大量复杂积分运算时间，可快速获得显色指数；省去很多积分运算所需计算机设备，降低了生产成本。

附图说明

图1是昼光的三个光谱分量。

图2是典型的昼光源各个XYZ坐标计算流程图。

图3是白光LED自身及其照在8个标准色彩样品上的XYZ坐标运算流程。

图4白光LED光谱由芯片及荧光粉光谱迭加实例(其中c₁～0.7，c₂～0.3)。

图5显示如何利用选定波长决定荧光粉强度系数。

图6是利用积分数据库计算LED照在8个标准色彩样品上的XYZ坐标运算流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

实施例一，当相关色温(Correlated Color Temperature，简称CCT)≥5000K时CRI的计算以昼光(Day Light)为参考光源，昼光光谱S(λ)可分为S₀(λ)、S₁(λ)、S₂(λ)三个分量(图1)                    S₁

S(λ)＝c(S₀(λ)+M₁S₁(λ)+M₂S₂(λ))。

其中c由待S₂测样品亮度决定，M₁，M₂等强度系数则由CCT决定。典型形的计算流程如图2，其中包含了27次数组积分。若将表一a、表一b、表一c数据预建入积分数据库中，则步骤5中的二十几次积分可以用简单的数值迭加计算所取代。

X＝c(X₀+M₁X₁+M₂X₂)

Y＝c(Y₀+M₁Y₁+M₂Y₂)

Z＝c(Z₀+M₁Z₁+M₂Z₂)

典型的白光LED对8个标准色采样品的计算流程如图3，其中包含了24次的积分运算。而白光LED光谱(P_LED(λ))是由芯片光谱(P_chip(λ))与荧光粉光谱(P_phosphor(λ))线性迭加而成(图4)

P_LED(λ)＝c₁P_chip(λ)+c₂P_phosphor(λ)

其中c₁、c₂各别为芯片及荧光粉的强度系数。

在此实施例中，本发明预先将荧光粉光谱及其对应的各项XYZ坐标建入数据库中，也同时将芯片的光谱及其对应的各项XYZ坐标依其主导波长(Dominant Wavelength，λ_D)及色采纯度(Purity)分类储存。

如图5，首先设定荧光粉光谱强度几乎为零之适当波长为参考波长(λ₀)。比较白光LED光谱(P_LED(λ₀))及荧光粉光谱(P_phosphor(λ₀))在此参考波长的强度以决定荧光粉的强度系数(c₂)，并自数据库取得荧光粉的XYZ坐标。再依下式求出乘上强度系数(c₁)的芯片XYZ坐标，

c₁X_chip＝X_LED-c₂X_Phosphor

c₁Y_chip＝Y_LED-c₂Y_Phosphor

c₁Z_hcip＝Z_LED-c₂Z_Phosphor

其中LED的XYZ坐标来自图3，再由芯片的XYZ坐标计算出它的主导波长、色彩纯度，并依其主导波长及色彩纯度在数据库中挑选或内插获得该芯片分别照射在8个标准色采样品的XYZ坐标及一并计算其强度系数(c₁)，最后依下式求得该LED照射在8个标准色采样品的所有XYZ坐标，

X_LED＝c₁X_chip+c₂X_Phosphor

Y_LED＝c₁Y_chip+c₂Y_phosphor

Z_LED＝c₁Z_chip+c₂Z_phosphor

其完整流程图见图6。

实施例二，当相关色温(Correlated Color Temperature，简称CCT)＜5000K时CRI的计算以同色温之黑体辐射源(Black Body Radiator)为参考光源。首先自1000K至5000K每隔10K将其黑体辐射照射在8个标准色采样品的所有XYZ坐标建立于数据库内。使用时依相关色温做三次内差(Cubic Spline)曲线拟合求得所需之相关XYZ坐标即可。

表一a：昼光源S₀分量自身及其照在8个标准色彩样品上的XYZ坐标

  S₀  X  Y  Z  White  10246.0842  10676.6913  12370.8930  TCS01  3542.0900  3175.6857  2787.5980  TCS02  2939.0954  3078.0090  1687.9610  TCS03  2550.3518  3240.1549  1116.5653  TCS04  2192.6199  3149.2862  2395.4587  TCS05  2705.0920  3298.7664  4575.6625  TCS06  3076.1155  3192.1399  6570.7182  TCS07  3620.7181  3142.5569  6057.7408  TCS08  4070.4772  3350.2368  5169.3846

表一b：昼光源S₁分量自身及其照在8个标准色彩样品上的XYZ坐标

  S₁  X  Y  Z  White  187.9125  193.0292  3482.5732  TCS01  -51.7295  -4.2897  791.6737  TCS02  -70.3860  11.1545  455.4280  TCS03  -57.1254  35.1028  286.8321  TCS04  33.8334  102.0966  615.2329

  S₁  X  Y  Z  TCS05  142.0896  120.0848  1262.2536  TCS06  236.1408  130.8419  1861.0787  TCS07  162.3800  64.0033  1765.9399  TCS08  49.7594  23.2604  1501.7448

表一c：昼光源S₃分量自身及其照在8个标准色彩样品上的XYZ坐标

  S₂  X  Y  Z  White  213.2814  76.4239  -235.4174  TCS01  102.9068  43.0703  -52.6031  TCS02  80.8760  31.4861  -31.7461  TCS03  58.3597  19.4118  -20.3820  TCS04  34.3338  4.7936  -45.5635  TCS05  33.2884  5.8573  -87.8920  TCS06  37.4463  8.9746  -126.8475  TCS07  74.8365  29.0826  -115.3690  TCS08  115.8136  46.3956  -98.3685