LED如何模擬不同時刻的太陽光
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間: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)耐暋?/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，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典型時刻的太陽光譜進(jìn)行匹配,，而每個單色的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不同時刻的太陽光譜
一天之中不同時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兩個典型太陽光色溫情況是無法計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)