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的實現(xiàn)為LED應用前景打開了局面。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?shù)耐暋?/span>
雖然不同色溫的白光LED應用非常廣泛，應用前景也相當不錯，但是對于^些特殊領域，比如生物學領域，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行光強的調(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，髙度整合在一個LED模組中，并實現(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所對應的波長間隔，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光譜分布應該如何表達以至于表達式最接近于單色LED的實際光譜分布。目前，主要采用高斯型來表達單色LED的光譜分布。與單色LED實際的光譜分布相比，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，使得改進后的高斯分布與實際光譜分布之間的擬合誤差盡可能的小。在所有改進的高斯分布模型中，式1能夠很好地跟單色LED實際光譜分布擬合。圖2分別畫出了上述改進的高斯分布模型與實際光譜分布。從圖2看出，在不同的顏色情況下，上述改進的高斯分布模型和實際光譜分布之間擬合度較高。所以本研宄采用了式（1)所示改進后的高斯分布模型來作為單色LED光譜分布的表達式。
考慮到要得到復合的寬波段光譜，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行匹配，而每個單色的LED可以實現(xiàn)單獨調(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光譜混合之后的實際光譜功率值，通過式（2)可以計算7顆LED在不同光強情況下的色溫和顯色指數(shù)，進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模擬太陽光譜的實用性，認為日出后與日落前的太陽光譜色溫是基本對應的。從表1中選擇5個典型色溫作為參照光譜進行模擬，分別是色溫為2500K、3500K、4000K、5000K、6500K。對應的每一色溫值的太陽光譜需要得到其對應的典型日光相對光譜功率來進行擬合的計算。
CIE所規(guī)定的典型日光，及標準照明體是由在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色度圖上許多實測的日光色度點的分布定出的，它包括4000~40000K典型日光的色度點。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。實驗測試所得到的不同中心波長的LED對應的半寬分別為35nm，35nm,40nm，20nm，20nm，20nm，20nm。在構建上文提到的高斯模型的基礎上，分別改變不同情況下每一顆LED的光強，節(jié)能與環(huán)保，企業(yè)資訊，以得到相對應的色溫值，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的7顆LED的歸一化光強值如表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，獲得標準光譜。在這三種情況下，7顆LED模擬太陽光與其對應的標準光譜的擬合曲線如圖3、圖4、圖5所示。
總結