光源的相关色温和Duv的计算方法及其在LED光谱优化中的应用研究

LED spectrum optimization is an important technique to improve the performance of LED. Currently, the LED spectrum optimization are investigated under the fixed colour temperature to explore high light efficiency, high color rendering index and so on. If an optimization problem in a wide range of colour temperature is needed, it is necessary to discretize the color temperature, repeat optimization process under a fixed colour temperature, and finally select the best result from the limited ones, which does not guarantee to get an optimal result over the wide range of color temperature. LED spectrum optimization over a wide range of color temperature has been hindered by the fact that we are lacking of accurate methods for computing color temperature. Hence, it is first for this project to improve the Newton iterative algorithm proposed recently by the applicant and his colleagues for accurately computing the correlated color temperature of a light source so that the improved method converges to a local minimum point to the distance function for any initial guess and therefore the improved method can be used for computing the shortest distance between the illuminant chromaticity coordinates and the blackbody locus by choosing special initial values, resulting in the correlated colour temperature as well. The development of this improved algorithm can make LED spectrum optimization over a wide range of color temperature possible. Furthermore, mathematical models are given for LED spectrum optimization over a wide range of colour temperature in road, general indoor office and factory (in the night) lighting respectively. The findings of this project not only provide a scientific way for LED spectrum optimization, effectively enhance the comprehensive performance of the LED lighting, have important significance to promote the application of LED lighting in various fields, but also can make a great contribution to the CIE for recommending a standard method for computing color temperature.

LED光谱优化是提高LED性能的重要技术，目前光谱优化都是在固定色温下，研究提高光效、显色指数等，若需要大范围色温下的优化问题，还需对色温进行离散，反复运用固定色温下的优化过程，最后从有限的结果中挑选最好的，这不能保证获得大范围色温下的最优结果。阻碍大范围色温下的LED光谱优化的发展主要是没有准确的色温计算方法。本课题首先研究改造申请人等最近提出的计算光源色温的牛顿迭代算法，使之对任何初值都收敛到距离函数的一个局部极小值点，从而通过初值的特殊选取获得光源色度坐标到黑体轨迹的最短距离和相关色温。这种算法的研发，使大范围色温下LED光谱优化成为可能。进一步地，分别给出了大范围色温下的道路、一般室内和夜间工厂LED照明的光谱优化数学模型。研究结果不仅为LED光谱优化提供了科学途径，有效提升LED的综合性能，推动LED照明在各个领域的应用具有重要意义，而且为CIE推荐标准计算色温方法具有重要贡献。

目前LED光谱优化都是在固定色温下，研究提高光效、显色指数等，若需要大范围色温下的优化问题，需对色温进行离散，反复运用固定色温下的优化过程，最后从有限的结果中挑选最好的，这不能保证获得大范围色温下的最优结果。本课题首先提出广义相关色温（GCCT）的概念，研发出下降牛顿法，通过在色度图内大量随机选取测试点, 应用下降牛顿法，研判距离函数的特点，进而提出综合计算光源GCCT算法，测试结果表明我们的综合算法是目前最准确有效的计算相关色温方法，可以期望我们的算法在LED光谱优化中会得到广泛应用。同时我们还发现近期Ohno（LEUKOS, 2014, 10(1)）给出的查找表类算法计算相关色温还有提升的空间，提出了三次插值，三次样条插值和带2阶导数的三次插值法分别与三角形法相结合的三种混合型方法，测试结果表明，这些方法都优于Ohno方法。我们还探讨了基于视锥响应三刺激值LMS导出的色度坐标空间计算相关色温与目前基于XYZ体系计算相关色温的差别，研究结果为CIE基于以LMS空间建立新的色度学体系提供重要参考信息。.对于LED光谱优化设计，本项目主要考虑中视觉环境下的LED光谱优化研究。首先提出了以极小化白光LED的辐射亮度作为中间视觉白光LED光谱优化的目标函数，将中视觉亮度固定，相关色温限定在一定范围内，显色指数等做为约束条件的非线性约束优化方法，即极小化“B”优化法。该方法目标函数计算简便，可以获得大范围色温内，发光效率最大，满足显色指数等要求的最优LED光谱。而后分别探讨在三基色和四基色白光LED的光谱优化的情况下应用极小化“B”优化法，研究结果表明本文提出的方法优于文献中Xiao等人（Applied Optics, v57(4), 2018）和Zan等人（Optics Express, v24,2016）的工作。此外，我们把理想光谱离散为81（380nm到780nm，5nm间隔）个未知量，然后采用极小化“B”优化法确定理想光谱。发现从目前LED技术可实现的最优光谱的发光效率是理论白光发光效率的70%到80%。因此从发光效率上讲， LED技术还有20%到30%的提升空间。.本项目研究结果为高发光效率的多基色白光LED的制备以及新型LED材料的开发提供了一定的指导意义。