多色彩LED智慧照明系統光譜調控與擬合

 

刊登日期:2015/3/5
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LED照明市場趨勢
21世紀因為科技帶動市場發展,70億人口過度消費地球資源,造成全球氣候大變遷,各國在節能減碳趨勢下積極推動節能照明。LED為高效率、壽命長、體積小、多色彩及容易調變控制之光源,美國能源部( DOE )預估 2020年 LED封裝效率可到達 225 lm/W,透過光機電熱技術整合,LED燈具效率預估 200 lm/W,相較於螢光燈泡( 60 lm/W)及鹵素燈泡( 20 lm/W),LED光源已成為照明節能主流。根據工研院產業經濟與趨勢研究中心統計,2013年全球 LED照明市場規模約為 272億美元,預計 2017年全球 LED照明市場可達到545億美元,滲透率可以達到 48%,節能減碳效益與性價比的提高,推動 LED光源滲透率持續提升,LED照明的光品質提升及開拓新特殊應用領域為下一波發展主要趨勢。

光譜調控技術
本研究使用 4色 LED光源調控所需之目標光譜,目標光譜光品質研究流程如下,先量測個別單一色光源光學特性,透過混光比例的改變,計算混光光譜之光學特性,以目標光譜4,000K且色差小於 Δu’v’ < 0.001為限制條件,篩選出符合之同色異譜( Metamerism )光譜,並計算其合成光譜光學品質指數,LER( Luminous Efficacy of Radiation )表示光譜效率,高 CRI ( General Color Rendering Index )表示色彩顯示自然度( Naturalness )高,高 GAI ( Gamut Area Index )表示色彩顯示真實度(Vividness)高,FSCI ( Full-Spectrum Color Index )表示光譜的連續性。

圖一為計算 RGBY LED模組的量測光譜分布( SPD ),藍光模組使用 13顆高功率藍光 LED晶片以 Chip On Board( COB )形式封裝於高導熱基板上,再以 Silicon Molding方式進行封裝,紅/綠/黃光模組使用 13顆高功率藍光 LED晶片以 COB形式封裝於高導熱基板上,於晶片上噴塗相對應紅/綠/黃螢光粉,再以 Silicon Molding 方式進行封裝,形成 4個單色模組。


圖一、RGBY LED模組發光光譜

本研究開發一無線控制 RGBY LED 照明系統驗證光譜調控計算結果,此系統電控架構為一交流轉直流( AC-D C)電源接 4個直流轉定電流(DC-CC)驅動器,每一個驅動器負責驅動一個單色光源,驅動器具有 PWM 調光介面,使用一具有微處理器之模組( Arduino UNO ),微處理器之模組接有一 Zigbee 模組接收無線控制命令,並交由微處理器之模組送出 4個 PWM 訊號給驅動器控制單色光源亮度,使用者於電腦上 Matlab GUI介面設定 RGBY 4 個 PWM Duty 值,資料透過 USB 傳送至 Zigbee 模組發射調光命令,RGBY LED模組固定於 300 × 300 × 30 mm燈殼,並於燈殼上設置一擴散板,整個系統放置於積分球內量測特性,設置如圖二左上角所示,多色彩LED混光準確性與單色光源調光線性度有非常關聯性,圖二為此系統的 RGBY光源調光線性度。,RGBY的線性擬合方程式及 R2值分別為 y = 1.9756x +2.1435,R2 = 0.9997;y = 9.9825x + 22.175,R2 = 0.9983;y = 1.6073x - 0.0673,R2 =0.9999;y = 9.493x + 16.669,R2 = 0.9984,此數據顯示本系統調光線性度極佳。


圖二、單色光源調光線性度

圖三顯示 7種 4,000K量測同色異譜混光光譜圖,此結果證明 RGBY 4色光源可以在相同色彩(溫)及相同亮度條件下,透過改變 4種單色光源的比例,調整不同的光譜值。

光譜擬合技術
本研究使用之 RGBY LED照明系統具有同色異譜之光譜調控能力、連續光譜及高光學品質特性,適合應用於高品質光譜擬合,光譜擬合的應用之一為複製燈具光譜或環境光譜,例如複製國外美肌光色燈具之人因光譜或是複製阿里山日出光譜等,圖四為 RGBY LED 光譜擬合計算之流程及 Matlab GUI 介面圖
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:黃忠民、龔哲民、王玫丹、林志偉、徐可芳/工研院綠能所
★完整內容請見下方附檔。


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