專利名稱：發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光源仿真系統(tǒng)，尤其是仿真不同發(fā)光二極管所產生的混合光源。
背景技術：
長久以來，照明工程師很希望能有一種任意可調整光譜能量分布(SpectralPower Distribution, SPD)的光源,但遺憾的是,無法利用一般傳統(tǒng)的照明光源，如白熾燈、鹵素燈、熒光燈、高壓氣體放電燈，因為這些傳統(tǒng)光源是利用色固定溫來定義其色彩。色溫是由改變黑體溫度而產生色光連續(xù)變化的光源，而黑體是理論光源，在實際中不存在的光源。發(fā)光二極管是一種半導體固體發(fā)光組件，具有高光效、低能耗、可調整光譜、高環(huán)保、壽命長、響應速度快的優(yōu)點，尤其是現有的發(fā)光二極管色光可包括紅、橙、綠、藍光等，已幾乎覆蓋整個可見光范圍(380nm-780nm)，且具有窄帶和寬帶兩種的光譜能量分布。因此，需要一種發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，利用發(fā)光二極管的特性，設計出具所需光譜能量分布的混合光源，藉以解決上述現有技術的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在提供一種發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，可用以仿真發(fā)光二極管所產生的混合光源，該發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)包括以下步驟:I)選取一功能如已知光譜能量分布的光源(比如國際照明委員會所定義的標準光源)、一項或多項質量指標(比如光效指數、標準色溫色差、同色異譜之色、顯色指數、色域面積指數等)、特殊設計顯色數或具特殊情緒的色彩。2)選取光源數據庫中多個發(fā)光二極管亦可包含非發(fā)光二極管，且每個光源的光譜能量分布均不同，以及依據步驟I的功能選項數據，利用計算核心單元配合所選取發(fā)光二極管的光譜能量分布，以進行最佳配方計算，藉以仿真并驅動所選取的發(fā)光二極管產生最佳配方的混合光源，因此可用來設計各種光源。


圖1為本發(fā)明發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)的操作處理流程圖。圖2顯示本發(fā)明發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)的示意圖。圖3為D65標準光源以及模擬光源的光譜能量分布的示意圖。圖4為多功能光源以及仿真光源的光譜能量分布的示意圖。附圖標記說明SlO選取目標光源S20選取質量指標庫中的質量指標S30建立特殊顯色性指標S40選取色彩感性坐標
S50選取光源數據庫中的原始光源S60進行最佳匹配計算以產生最佳配方
具體實施例方式以下配合附圖對本發(fā)明的實施方式做更詳細的說明，使本領域技術人員在研讀本說明書后能據以實施。參考圖1，本發(fā)明發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)的操作處理流程圖。如圖1所示，本發(fā)明的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)包括步驟S10、S20、S30、S40、S50及S60，且為進一步詳細說明本發(fā)明的特征，請配合參考圖2，本發(fā)明發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)的示意圖。首先，本發(fā)明的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)可由工作需要，選取步驟S10、S20、S30或 S40。在步驟SlO中選取目標光源，其光譜能量分布為已知，而目標光源可能包括國際照明委員會(CIE)所定義的標準光源，如050、055、065、075、？648、？11等。在S20中，選取預先建立的質量指標庫10中的至少一項質量指標，如光效指標(Luminous Efficacy, LE)、同色異譜指數(Metamerism Index, MI)、標準色度距離差、顯色指數(Color Rendering Index, CRI)、色域面積指標(Gamut Area Index, GAI)、全光譜指標(Full Spectral Index, FSI)等。光效指標是代表光源能量消耗的程度，定義成每瓦特的光通量(lm/W)。同色異譜指數是CIE所制定的標準，用于評判平均日光的質量，將如CIE D50及D65光源下，用預先準備的同色異譜色對來計算測試光源下的色差值，色差愈大代表該光源質量愈差，并以A(最佳)、B、C、D(最差)判斷其等級。色度距離差是指CIE1964所定義的u' V'色度圖上的坐標距離差。顯色指數是用來判斷光源質量的指針，采用特別選擇的多個色樣，藉判斷所述色樣在測試光源與標準光源間的改變，可包含色彩差異、記憶色差異、喜好色差異。若由S30、S40進行,會在后面說明。然后進入步驟S50，在光源數據庫20中選取至少一發(fā)光二極管以當作一原始光源，其中光源數據庫20具有多個發(fā)光二極管以及所述發(fā)光二極管的光譜能量分布，且每個發(fā)光二極管的光譜能量分布為已知且相互不同，比如紅光、橙光、綠光、藍光、白光的發(fā)光二極管。最后在步驟S60中，依據選取S10、S20、S30或S40的數據，利用計算核心單元50配合發(fā)光二極管的發(fā)光參數以進行最佳匹配計算(見公式(I))，而產生最佳匹配參數，其中最佳匹配參數可用以模擬所選取的發(fā)光二極管產生最佳匹配于目標光源的混合光源。此夕卜，可利用最佳匹配參數以驅動發(fā)光二極管產生所需的混合光源。SPDp (λ) = K1SPD1 ( λ ) +K2SPD2 ( λ ) +....+KnSPDn (λ ) (I)其中SPDp ( λ )是混合光源的預估光譜能量分布，λ是可見光400nm-700nm范圍內的波長，SPDi是第i個發(fā)光二極管的個別光譜能量分布，儲存于光源數據庫20中，而η為所選取發(fā)光二極管的總數，且η為大于I的整數，Ki是第i個發(fā)光二極管的最優(yōu)化系數，代表該光源的配方。以下實例將針對不同步驟選取資料進一步詳細說明本發(fā)明最佳匹配計算的特征。例如產生CIE標準光源，如D50、D55、D65、D75、F6、F8、Fll光源，其光譜功率分布已知，用SPDtU)來代表，可依據以下公式(I)計算模擬混合光源的光譜能量分布。最后SPDt(A)及SPDpU)會相當接近。當公式(I)中的初始光譜能量分布求得時，需先計算公式(2)中的三種質量指標來計算AS1:標準色溫間的色度距離差Au' V'、同色異譜指數M1、光譜能量分布平方差
rmsoΔ S1 = Hi1 ( Δ Y1 ) +m2 (MI) +m3(rms)(2)其中叫、1112、1113為固定值。以上三個質量指標是固定用于SlO時，公式(I)中的K1.....Kn會在Λ S1值最小時達到最優(yōu)化。圖3為D65標準光源以及模擬光源的光譜能量分布的示意圖，其中虛線代表D65標準光源的光譜能量分布，而實線代表模擬光源的光譜能量分布，雖然二者在圖上有明顯的差異，但在公式(2)的三個質量指標下，已達到最佳匹配效應。若依據步驟S20時,針對不知SPDtO )的目標光源，選擇所需的質量指標，比如代表能量消耗的光效指數LE、代表色域大小的色域面積指標GA1、代表顯色特性的顯色指標CRI,且在相同的相對色溫(Correlated Color Temperature, CCT)下,利用以下的公式(3)計算整體差異值AS2:Δ S2 = Iii1 (LE) +m2 (GAI) +m3 (CRI) +....(3)其中或更多項固定常數。公式⑴中的K”...、Kn會再AS2值最小時，SPDp (λ )達到最優(yōu)化。公式(3)中的顯色指標CRI可為CIE-Ra、MCR1、CAM02UCS_Ra、CQS,CIE-Ra是CIE在1974推薦的顯色指數，以色差大小表示該光源質量，色差小，顯色指數高。一般允許值為80，若色樣的色貌在測試與標準光源下相同時，指數為100 ；MCRI是由比利時學者于2010推薦的顯色指數 ，選出較具代表性的記憶色，該顯色指數評估由實際色與記憶色的差異；CR1-CAM02UCS是由英國學者于2010年推薦的顯色指數，與CIE-Ra相同，是以色差大小評斷光源質量為主，但是其采用較均勻的CAM02-UCS色彩空間；CQS是由美國國家標準與技術研究院(NIST)推薦的顯色指數，其采用15較為飽和色樣，計算在測試及標準光源下的色差，但是其采用飽和度系數(saturation factor)的概念,顏色彩度愈高,顯色指數則高。因此，將公式(3)中的系數優(yōu)化，達到最小化的整體差異值AS2而獲得此混合光源有固定CCT下具節(jié)能、高顯色性、大色域或其它佳質量指標的仿真光源。圖4為多功能光源以及仿真光源的的示意圖，其中虛線代表達到多項質量指標光源的光譜能量分布，而實線代表模擬光源的光譜能量分布，雖然二者在圖上仍有差異，但在這些選擇的質量指標下已達到最佳匹配效應。S30步驟是針對具特殊顯色性的目標光源，因為有多種不同的顯色指標，有些是針對色差的理念，有些則針對喜好色、記憶色等，因此在一些特殊用途下，需有較特殊的顯色性，如食品蔬果新鮮色、皮膚真實色表示、醫(yī)療用內視鏡觀察色等。因此，可選取特定的CCT，并選取特殊色樣的反射率，比如鮮魚、鮮肉、蔬菜、水果的色樣等。計算在CAM02-UCS具不同色相的標準色樣的色坐標，經以下公式(4)計算顯色指數:
8CM = J](100-8xA^(C4M02C/C5))/8
1(4)
其中AE(CAM02UCS)為在CAM02-UCS空間中的色差，且利用所計算的顯色指數CRI
進行最佳光譜能量分布匹配，以模擬所需的最佳匹配目標光源。在公式(I)中的K1.....Kn
改變已達到CRI最佳化，即得知該光源的配方。S40步驟是以影響情緒的情緒光源當作目標光源，主要是將情緒藉由顏色科學數據而予以量化，舉例如下，利用公式(5)、(6)、(7)可用來預估情緒的三個坐標:軟硬色(Soft-Hard, SH)、冷暖色(Cool-Warm, Cff)、活潑保守色(Active-Passive, AP)。SH = -2.1+0.05(100-L*)(5)Cff = -0.5+0.02 (C*) L 07cos (h_50。)(6)
權利要求
1.一種發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，用以仿真發(fā)光二極管所產生的一混合光源，其特征在于，該發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)包括以下操作步驟: 選取具已知光譜能量分布的一目標光源，并在一質量指標庫中選取至少一質量指標，該質量指標庫包括多個質量指標； 在具有多個發(fā)光二極管以及所述發(fā)光二極管的光譜能量分布的一光源數據庫中，選取至少一發(fā)光二極管以當作一原始光源，且每個發(fā)光二極管的光譜能量分布為已知且相互不同；以及 依據該目標光源的光譜能量分布，利用一計算核心單元并配合所選取的該至少一質量指標以及所選取的該原始光源的光譜能量分布，以進行最佳匹配計算，藉以產生最佳匹配參數，用以模擬該原始光源產生最佳匹配于該目標光源的該混合光源。
2.如權利要求1所述的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，其特征在于，該質量指標包括光量效應、同色異譜指數、色度距離差、顯色指數、色域面積指標以及全光譜指標(FullSpectral Index, FSI)的至少其之一。
3.如權利要求1所述的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括在選取該原始光源之前，針對具特殊顯色性的該目標光源，利用選取一特定相對色溫以及至少一個特選色樣的反射率，以建立特殊顯色性指標，用以進行最佳光譜能量分布匹配，并模擬所需的最佳匹配目標光源，其中該特殊顯色性包括食品蔬果的新鮮色、皮膚的真實色、醫(yī)療用內視鏡的觀察色，且該特殊色樣包括鮮魚、鮮肉、蔬菜或水果的色樣，該特殊顯色性指標包括色差、喜好色、記憶色、色彩調。
4.如權利要求1所述的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括在選取該原始光源之前，針對包括影響情緒的情緒光源的該目標光源，選取顏色科學數據以量化該情緒，該顏色科學數 據包括軟硬色、冷暖色、活潑保守色的色彩感性坐標。
5.如權利要求1所述的發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)，其特征在于，該混合光源的光譜能量分布由以下公式計算而模擬， SPDni(A) =K1SPD1(A)+....+KiSPDiU)+....+KnSPDnU) 其中SPDmU)是該混合光源的光譜能量分布，λ是可見光400nm-700nm范圍內的波長，SPDi是第i個發(fā)光二極管的個別光譜能量分布，儲存于該光源數據庫中，而η為所選取發(fā)光二極管的總數，且η為大于I的整數，Ki是第i個發(fā)光二極管的加權系數，而i = 1，…，η。
全文摘要
一種發(fā)光二極管光源仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)數據庫中，已預存不同種類光源包括發(fā)光二極管的光譜能量分布。該系統(tǒng)能設計特殊光源由光譜能量分布來表達，且提供其制造配方。特殊光源可包含已知光譜能量分布是目標光源，或能達到單項或多項質量指標的光源(質量指標包括如光效應指數、標準色溫色差、同色異譜之色、顯色指數、色域面積指數等)，或能達到使用者由本系統(tǒng)設計的特殊顯色指數光源或能促成某一情緒的光源等。
文檔編號H05B37/02GK103179716SQ201110428739
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者羅明 申請人:明理科技有限公司