光源相关色温及色偏差计算方法研究

作     者：李月 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李长军;高程

授予年度：2023年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：相关色温 色偏差 查找表 下降牛顿迭代法 

摘      要：色温表示的是光源发射出的光线中包含颜色成分的多少,所以通过色温可以评估出光源质量的好坏,但现实生活中大多数光源的色品坐标点都偏离黑体轨迹,此时色温的概念就被扩展为相关色温(Correlated Color Temperature,CCT)。相关色温的计算方法是至关重要的,也一直是研究热点,当前计算方法主要分为两类:迭代类方法和查找表类方法,迭代类方法可计算的色温范围较广,但是高度依赖初始值;查找表类方法计算过程简单,但是精确度取决于查找表的大小。两类方法都有不可避免的缺点,为此,本文分别对两类计算方法进行深入研究,提出了新的计算方法。首先,测试结果显示LED光谱优化产生的部分光源偏离黑体轨迹的距离远远超过国际照明委员会(International Commission on Illumination,CIE)规定范围,不仅如此,部分光源点到黑体轨迹的距离函数存在局部极大值。为解决这些问题,本文共提出三个创新点:第一,提出了广义相关色温(GCCT)和广义色偏差(GDuv)的概念,以便描述超出CIE规定范围的光源点;第二,提出了下降牛顿迭代法,该方法在LED光谱优化过程中依旧能收敛到局部极小值点,而非局部极大值点;第三,依据光源点到黑体轨迹的距离函数特点,把CIE1960 UCS图划分成六个区域,提出了基于牛顿迭代法和下降牛顿迭代法的混合迭代法。其次,Ohno提出用基于三角形法和二次多项式法的混合查找表法计算相关色温和色偏差(Color Deviation,Duv),但测试结果显示使用二次多项式法计算光源点到黑体轨迹的距离仍有提升之处,因此本文提出了两种改进方法。两种改进方法在|Duv|0.002时依旧使用三角形法,只是在|Duv|≥0.002时分别使用三次样条插值法和使用带有二阶导数的三次多项式法代替二次多项式法。最后,对所提出的方法进行大量测试,测试集是严格根据相关色温和色偏差的定义仿真建成。测试结果显示,本文提出的混合迭代法计算误差低于0.002K,并且可以在LED光谱优化过程中使用。本文还采用两种规格的查找表,分别测试了本文对Ohno方法的两种改进方法,结果显示两种改进方法给出的结果接近且误差明显小于Ohno方法,并且两种改进方法只需使用1%查找表就可以将最大误差由Ohno的1.2484K降低到0.3858K。本文提出的混合迭代法在LED光谱优化中有重要应用价值,同时,本文研究内容对CIE制定统一计算标准有重要参考价值。