CN100544531C - 用于包括离散光源的照明设备的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够对其产生的照明进行动态颜色控制的照明系统。该照明系统包括产生许多不同波长的照明的多个发光元件，其中照明系统所能产生的颜色基于被混合的各个发光元件的颜色所定义的色域。该系统还包括至少一个检测器件，以收集有关多个发光元件所产生的照明的信息，其中该信息可与不同波长下产生的光通量相关联。一个计算系统归并到该照明系统中，其中该计算系统提供一个装置，用于从至少一个检测器件接收信息，并基于一个具有一个定义表征恒定发光强度和色度的超平面的解的多元函数确定控制参数。在这些条件下，计算系统实质上可以将来自检测器件的信息线性化，从而根据输入信息确定多个控制参数，供传输给控制器。随后，归并到系统中的控制器确定待发送给发光元件的控制信号，以控制由此产生的照明。如此，根据本发明的照明系统可以检测所产生的照明，以及基于收集到的信息和所需的照明效果，动态地改变所产生的例如颜色和强度。

Description

用于包括离散光源的照明设备的控制系统
发明领域
本发明涉及照明控制领域，特别涉及用于包括离散光源的照明设备的控制系统。
发明背景
具有独立强度控制的多色光源可具有产生组成光源的色域中任意颜色的能力。具有红色、绿色和蓝色(RGB)发光二极管(LED)的固态电灯组件就是一个例子。存在许多控制系统，能实现对包括具有不同发光颜色的多个光源的照明设备的控制。这些控制系统提供了一种基于所需照明水平对总的混合照明进行操控的装置。
例如，美国专利No.5,350,977公开了一种具有可变色温的照明设备，其包含具有不同发光颜色的多个光源，这多个光源借助一发光装置发光。各个光源的发光颜色被混合在一起，以从照明设备发出混合颜色光。控制装置将一个色温控制信号传输给发光装置，用以改变发光颜色混合的方式。执行从控制装置到发光装置的信号传输，使得相邻两级色温控制信号的相应色温倒数(mirek)差得到基本补偿。
美国专利No.6,448,550公开了一种自动测量LED光源的光谱成分，并参照所需的光谱成分，基于该测量控制光谱成分的方法。由不同颜色的LED源构成的固态照明源的光谱成分通过紧靠所述源安装的光传感器进行测量。这些测量的结果用来通过改变通到不同颜色LED中的电流控制混合光的光谱成分。与系统相关联的光传感器可以收集混合光，因此不需要对每种颜色的LED进行单独测量。选择所需的光谱成分，可测量实际的光谱成分，并将其调整到与期望水平匹配。
美国专利No.6,127，7783公开了一个系统，在该系统中，设置单个光敏二极管对阵列中所有LEID的光输出进行测量，基于该光敏二极管的测量结果对发白光的LED照明设备的组合光输出或色度进行电控制。每种颜色的LED的光输出利用一列时间脉冲分别进行测量。在每个时间脉冲期间，用于未被测量的颜色的电流是关闭的。光敏二极管的响应时间足够短，使得测量可在较人眼能观察到的更短的时间内完成。将所测量的针对颜色的光输出与可通过用户控制设定的所需输出进行比较，必要时改变颜色模块的功率供应。
美国专利No.6,507,159公开了一个用于RGB LED照明设备的控制系统，其将表征RGB LED照明设备的混合光输出的反馈三色激励值与表征期望发射光的参考三色激励值进行比较。控制系统调整LED照明设备的正向电流，使得这些三色激励值之间的差减为零。具体地说，控制系统包括一个反馈单元和一个控制器，反馈单元包括用于产生LED照明设备的反馈三色激励值的光敏二极管，控制器用于获取反馈三色激励值与期望的参考三色激励值之间的差值。控制器产生控制电压，用于调整LED照明设备的正向电流，使得这些三色激励值之间的差值减为零。进行比较的三色激励值可依照CIE 1931三色激励系统或者新的RGB色度系统。在反馈三色激励值遵从期望的参考值的稳定状态下，RGB LED照明设备所产生的光具有期望的目标色温和流明输出，其能根据目标加以调节，而不论RGB LED照明设备中LED的结温度、正向电流以及老化程度的变化。
美国专利No.6,552,495公开了一个利用反馈控制装置的RGB LED控制器系统，反馈控制装置实质上矫正所有颜色点误差(colourpoint error)而不造成色彩上的视觉变化。这个控制系统包括一个响应LED所发出的光的传感器，以测量所发出的光的颜色坐标，其中该颜色坐标在CIE(x，y，z)颜色空间中有定义。一个变换模块与传感器相连，以将所发出的光的坐标依照芬索斯变换(Farnsworthtransformation)变换到第二颜色空间，如(x’，y’)颜色空间。一个参照模块被设置提供与所需光对应的、在第二颜色空间中表达的参考颜色坐标。一个误差模块连接到变换模块和参照模块，此误差模块被设置产生与所需白光的颜色坐标和所发出白光的颜色坐标之间的差对应的误差颜色坐标。一个驱动模块连接到误差模块，并被设置根据该差产生用于驱动LED的驱动信号。
美国专利No.6,441,558公开了一个使用红色、绿色和蓝色LED的可控白色LED照明设备。一个光控制系统被设置维持所发射白光的色温和流明输出水平。该控制系统包括一个前馈温度补偿装置和一个光学反馈控制系统，以维持目标白光。对LED的结温度和光输出进行检测，并将其馈入到光控制系统中。温度前馈补偿系统矫正目标色温与白光的显色指数的偏差。处理装置，如前馈温度补偿器装置，被设置根据LED的结温度和目标白光提供RBG光源的所需流明输出部分。流明输出模式与流明输出控制器相结合，被设置维持LED光源所产生的光输出与前馈温度补偿器所提供的光输出值相等，而不论LED的结温度、老化程度和批次差异。
但是，LED的发光强度取决于它们的光谱分布、结温度、驱动电流、非线性光通量输出特性、峰值波长位移和光谱展宽特性、器件老化以及包括如针对峰值波长、发光强度和正向电压的分仓(binning)在内的制造公差。如此，用于这样的照明系统的控制系统的成功设计理应包括来自监测颜色和强度两者的传感器的光学反馈，如现有技术所阐述的那样。但是，这样的场景引入了额外的设计问题，如颜色传感器光谱响应率、采样速率和反馈回路响应时间等的变化。此外，对于感知照明，在将传感器信号转化成人类色视觉模式时，线性颜色空间会引入近似。解决这样的问题的一种典型方法是实现其反馈控制信号为瞬时误差、误差的积分、误差的微分三者的加权和的比例积分微分(PID)控制器，其中该方法隐含地假设所控制的过程是线性的。因此，正如现有技术所表现的，结温依赖性、平方定律调光和颜色空间映射的组合会阻碍线性PID控制器的有效利用。如此，就需要一种可计及这些非线性因素的控制系统，用于控制具有可变发光峰值波长的多个离散光源，从而提供对照明系统的动态控制。
提供此背景信息的目的是使申请人认为可能与本发明有关的信息被知晓。并不必然意味着承认，也不应该被解释为，任何前述信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于包括离散光源的照明设备的控制系统。根据本发明的一个方面，提供一种照明系统，包括：用于提供具有多种波长的照明的多个发光元件；用于提供有关发光元件所产生的照明的信息的至少一个检测器件；用于从至少一个检测器件接收信息并基于一个预定参数组确定多个控制参数的计算系统；用于接收多个控制参数并确定一组控制信号的控制器，其中所述控制信号被发送给发光元件以控制所产生的照明；以及，用于为照明系统提供功率的电源。
附图简述
图1图解了根据本发明的一个实施方案的照明系统。
图2是根据本发明的一个实施方案的、基于径向基函数的神经网络示意图。
图3图解了根据本发明的一个实施方案的照明系统的部件。
图4图解了根据本发明的另一个实施方案的照明系统的部件。
图5图解了根据本发明的另一个实施方案的照明系统的部件。
具体实施方式
定义
术语“发光元件”用来定义任何这样的器件：当在其两端施加电势差或使其中有电流流过时，发射出在电磁波谱可见波段内的辐射。发光元件的例子包括，例如半导体发光二极管或者有机发光二极管(OLED)或者易于理解的其它类似的器件。对本领域技术人员来说，明显的是，发射如红外或者紫外线之类的其它形式的辐射的电子器件，如果需要的话，也可在适当位置用作发光元件或者与发出可见光的发光元件配合使用，并被认为在发光元件的定义的范围以内。
除非另有定义，在这里使用的所有技术和科学术语的意义与本发明所属领域普通技术人员普遍理解的意义相同。
由于需要在各种各样的工作条件下保持一致的彩色平衡，使设计与实现针对基于多色发光元件的照明器材的体系性调光控制变得复杂。要考虑的因素包括光通量强度与驱动电流、结温依赖性、发光元件制造公差及分仓参数、器件老化特性、彩色传感器光谱响应率的变化、线性颜色空间模型所引入的近似之间的非线性关系。本发明提供发光元件照明器材控制系统，该系统通过利用一个非线性多维函数提供此非线性功能度，在该系统中，将保持一致的彩色平衡等效为确定表征恒定色度的超平面。此超平面的确定可在调整照明器材强度时实时地执行，其中施加于发光元件的驱动电流根据检测器输入连续调整，以在给定的强度设定下保持恒定色度。
本发明提供一种能够对其产生的照明进行动态颜色控制的照明系统。该照明系统包括产生许多不同波长的照明的多个发光元件，其中该照明系统所能产生的颜色基于被混合的各个发光元件的颜色所定义的色域，如产生红色、绿色和蓝色照明的发光元件的引入会提供一个相对较宽的色域。该系统还包括至少一个检测器件，以收集有关多个发光元件所产生的照明的信息，其中该信息可关联于在不同波长下产生的光通量。一个计算系统归并到该照明系统中，其中该计算系统提供一个装置，用于从至少一个检测器件接收信息，并基于具有一个定义表征恒定发光强度和色度的超平面的解的多元函数来确定控制参数。在这些条件下，计算系统实质上可以将来自检测器件的信息线性化，从而由输入信息确定多个控制参数，供传输给控制器。随后，控制器确定待发送给发光元件的控制信号，以控制由此产生的照明。如此，根据本发明的照明系统可以检测所产生的照明，以及基于收集到的信息和所需的照明效果，动态地改变所产生的例如颜色或强度。
图1给出了根据本发明的一个实施方案的照明系统的示意图。系统包括一个或多个检测器件10；一个计算系统20，用以确定供传输给控制器30的控制参数，其中控制器产生控制信号，实现对多组发光元件40所产生的照明进行调节，从而提供动态颜色控制。
发光元件
照明系统包含了在一个或多个衬底上排列成一个或多个阵列的多个发光元件。发光元件相互电连接到一个电源和一个控制器，电源提供用于使这些元件通电的装置，控制器提供用于调节提供给每个发光元件的功率的装置，从而除了激励与去激励发光元件外，还控制照明水平。发光元件所产生的照明的进一步混合可由与照明系统关联的漫射器或其它合适的光学器件提供。
本发明的照明系统中所引入的发光元件提供了多种波长的照明，其中这些颜色的组合能够产生混合照明颜色，可能的照明颜色则是基于发光元件所产生的各种照明颜色的色域的结果。各种发光元件所产生的照明颜色可集中于例如红光、绿光和蓝光的波长。产生更多颜色的发光元件可被选择性地引入到阵列中，比如，可将产生集中于琥珀色波长的照明的发光元件纳入到系统中。除了发光元件所能产生的照明颜色以外，对发光元件的选择还直接关联于所需的色域。
发光元件可由控制器分别控制，或者可排列成串，其中施加于一串的控制信号可应用到该串中所有的发光元件上。例如，相似的发光元件可构成发光元件串。
检测器件
一个或多个检测器件提供用于收集有关发光元件所产生的照明的信息的装置，该信息与发光元件的光通量输出和光谱辐射通量输出有关。与光通量有关的信息的收集可关联于每种颜色，例如发光元件的特定波长范围，由此提供一种装置，用于根据所需标准来评估特定发光元件将要产生的每种颜色的所需强度。另外，一个或多个检测器件还可收集有关对照明的期望调节的信息，例如，用户定义的总照明衰减，同时仍保持所需的照明颜色。一个或多个检测器件可收集的其它信息可关联于例如特定颜色发光元件的结温度、期望发光强度和相关色温(CCT)的示值、以及其它光源的级别与分布等。
针对可引入本发明作为所述一个或多个检测器件的光度传感器和色度传感器，有许多种设计。可用来评估特定传感器的适用性的选择标准可基于例如传感器的动态工作范围、传感器可检测到的光的颜色、传感器所提供的输出类型以及传感器的成本和大小等因素。例如，特定检测器件的选定可基于其宽的动态工作范围、三色检测能力、传感器具有数字格式的输出以及传感器的成本低、尺寸小。
在本发明的一个实施方案中，检测器件为得克萨斯州普莱诺的得克萨斯高级光学解决方案有限公司(Texas Advanced OpticalSolutions，Inc.)生产的TAOS TCS230彩色传感器。此彩色传感器是一个8引脚集成电路，提供一个可编程增益光-频转换器，具有过滤的红、绿、蓝通道用于进行色度测量，以及具有近似CIE V(λ)光谱响应率的宽带通道用于进行光度测量。此彩色传感器可直接与微控制器或计算系统接口，其可变频率输出和可编程增益可在不需引入模拟-数字转换器的情况下为每个通道提供有效的18位动态范围。对本领域技术人员来说容易理解的是，其它器件也可用作所述一个或多个检测器件。此外，照明系统可在其中包括各种各样不同类型的检测器件，以提供多种光度测量。
计算系统
计算系统收集来自所述一个或多个检测器件的信息，并确定将要由控制器使用的一批控制参数，以确定供传输给发光元件的控制信号，由此控制发光元件所产生的照明。实质上，计算系统将来自检测器件的、固有非线性的信息线性化为可由控制器使用的控制参数，而控制器是在隐含地假定所控制的过程是线性的情况下进行运作的。计算系统可以是会提供所需功能度和所需计算速度的任何计算设备，以便能够实时调整多个发光元件所产生的照明。此外，进一步的考虑可基于计算系统的大小和成本。在本发明的一个实施方案中，计算系统是一个微控制器。适合引入根据本发明的照明系统中的其他类型的计算系统应容易为本领域技术人员理解。
对可为计算系统提供所需功能度的解析算法或数值算法进行评估可能是困难的，它将取决于输入信息量和计算后要求输出的所需类型。如此对这一算法的评估会是冗繁耗时的。
在本发明的一个实施方案中，一个神经网络被纳入到计算系统中，因为神经网络可用作能够表征任意连续可微有界函数的万能近似器。此外，如Haykin，S.在Neural Networks：A ComprehensiveFoundation，Second Edition(神经网络：博大的基石，第二版)，Prentice Hall，1999中描述的，神经网络可用最少的计算资源表征非线性多元函数。神经网络可以是一个径向基函数(RBF)，一个广义径向基函数(GRBF)或者其它形式的神经网络，这将是本领域技术人员容易理解的。神经网络表征了一个多维函数，并可提供例如保持恒定色度所需的反馈信号。得到评估函数的解析表达式可以是不必要甚至不希望的，因为神经网络可以被训练到根据示例性输入数据和已知或者所需的输出数据学习该函数。因此，可以利用预定输入组，如强度和色度设定以及所需的响应或待确定的控制参数，在“工厂地板(factory floor)”上训练网络。神经网络可以隐式地学习由检测器件和照明系统中发光元件的特性定义的多维函数。如此，这可提供一个本质上能不依赖LED制造公差和分仓参数的弹性解决方案。
在本发明的一个实施方案中，神经网络是一个如图2所示的径向基函数(RBF)。该RBF网络是具有一个输入层50、一个隐含层60和一个输出层70的前馈体系结构。输入层具有n个神经元，对应于输入矢量x的n个分量。隐含层具有h个神经元和一个偏置神经元62，每一个输入神经元都完全连接到这h个隐含层神经元。每一个隐含层神经元(包括偏置神经元)都连接到m个输出神经元。每一个输出层神经元表征输入矢量的m种可能输出中的一种。操作时，将一个任意输入矢量x提供给RBF网络。每个隐含层神经元计算它的输出，将结果提供给输出层。每个输出层神经元对隐含层神经元输出执行线性加权求和。从而，将输入矢量x非线性地映射到输出矢量z。隐含神经元的个数可根据待近似的多维函数的复杂性而有所不同。对于以上描述，神经元是生物神经元的简化计算模型，可被认为是增益一般等于或小于1的非线性放大器。
如本领域技术人员所了解的，径向基函数神经网络的训练包括确定隐含层神经元激活函数的中心和宽度，以及确定输出层神经元所需的权重。存在许多种训练策略，从Lowe，D.在Adaptive Radial BasisFunction Nonlinearities and the Problem of Generalization，First IEEE International Conference on Artificial Nerworks(自适应径向基函数非线性特性及广义性问题，第一届IEEE人工网络国际会议)，1989中定义的，从输入矢量训练组中随机选择隐含神经元中心，到Leonardis，A.和Bishchof，A.在An EfficientMDL-Based Construction of RBF Networks，Neural Networks(基于MDL的RBF网络的有效构建，神经网络)，1998中定义的，应用正则化理论。
控制器
控制器接收来自计算系统的多个控制参数，基于这些控制参数，控制器对要传输给发光元件的控制信号进行评估，从而控制由此产生的照明。这些控制信号采用改变电流的形式，电流改变导致发光元件所产生的照明得到调整。
在本发明的一个实施方案中，控制器是一个比例积分微分(PID)控制器。计算系统所提供的控制参数是检测器件信号的线性化表示，其中这种形式的控制信号与PID控制器兼容，是由于存在PID控制器所控制的过程实际上是线性的这一隐含假设。
在本发明的一个实施方案中，控制器可归并到计算系统中，从而实现由计算系统直接产生控制信号。
实施例
实施例1：
参照图3，在一个实施方案中，照明系统包括产生具有红色140、绿色150和蓝色160的照明的发光元件，和能够对红色、绿色、蓝色的照明强度80、90、100以及关于发光元件的结温度110的信息进行评估的检测器件。计算系统是一个神经网络120，利用监督学习技术借助已知的输入数据和所需的响应训练该神经网络，这样使得该神经网络可以自动确定表征所需超平面的非线性多元函数。操作中，神经网络实际上将传感器信号线性化后，作为常规比例积分微分(PID)控制器130的输入，PID控制器130提供电流变化形式的控制信号给发光元件，以维持恒定的发光强度和色度。
实施例2：
参照图4，在另一个实施方案中，照明系统包括了实施例1中所列的元件，还包括允许输入关于所需发光强度190和相关色温(CCT)200的用户请求的检测器件。选择性地，附加的用户控制输入或检测器件可提供所需色度在垂直于黑体轨迹方向的指示，以在例如不改变标称“白”光的相关色温的情况下实现标称“白”光色调上的所需改变。在此实施方案中，神经网络通过合适的已知输入数据和所需响应进行训练，使得色度被限制到遵循CIE 1976 u-v均匀色度空间中黑体轨迹的色度，以在不同的相关色温或CCT下产生标称“白”光。
实施例3：
参照图5，在另一个实施方案中，照明系统包括了实施例1中所列的元件，还包括了第二色度计形式的另一检测器件，以监测由发光设备、日光220和/或其它光源发出的光通量的组合所致的环境照明的强度和大致光谱分布。在此实施方案中，训练神经网络，使得环境照明的强度和相关色温，或者感知照明条件即来自照明系统和其它源的照明的组合，近似保持恒定或遵从用户定义的与日光照明的强度和相关色温的相关性。例如，如果由于传播到一个区域的日光增加，使环境照明条件有所增强，基于所期望的对特定强度和CCT的保持，照明系统所产生的照明会受到自动控制并减弱，从而解决替代照明源所产生的照明增强的问题。
实施例4：
在另一个实施方案中，照明系统包括了实施例1中所列的元件，其中多色光源包含红色、绿色、蓝色及琥珀色发光元件，以提供具有增强的显色特性的“全光谱”白光。在此实施方案中，神经网络学习并执行从如红、绿、蓝三色传感器通道到四个发光元件控制参数的非线性颜色映射，以便控制器调整四种颜色的发光元件所产生的照明。
尽管这样描述了本发明的实施方案，但明显其可以许多方式进行改变。这样的变动并不被认为脱离本发明的精神和范围，旨在所有这样对本领域技术人员来说明显的变型都包含在下述权利要求的范围之内。

Claims (30)

1.一种照明系统，包括：
a)用于提供具有多种波长的照明的多个发光元件；
b)用于提供有关发光元件所产生的照明的信息的至少一个检测器件；
c)用于从至少一个检测器件接收信息并基于一个预定参数组确定多个控制参数的计算系统，所述预定参数组由具有定义一个表征给定发光强度下恒定色度的超平面的解的多元函数定义；
d)用于接收多个控制参数并确定一组控制信号的控制器，其中所述控制信号被发送给发光元件以控制所产生的照明；以及
e)用于为照明系统提供功率的电源。
2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件能够收集表征选自：照明的光通量和光谱辐射通量、多个发光元件中至少一个发光元件的结温度、所需发光强度、相关色温以及环境光中的特征的信息。
3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件是光度传感器或色度传感器。
4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，计算系统是一个微控制器。
5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，一个神经网络纳入到计算系统中。
6.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，神经网络是一个径向基函数。
7.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，神经网络是一个广义径向基函数。
8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，控制器是一个比例积分微分控制器。
9.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，控制器功能度归并到计算系统中。
10.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，多个发光元件排列成一个或多个阵列。
11.如权利要求10所述的照明系统，其特征在于，一个或多个阵列中的每一个由控制器单独地控制。
12.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，多个发光元件由控制器单独地控制。
13.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件是具有三色检测能力的彩色传感器。
14.如权利要求13所述的照明系统，其特征在于，该彩色传感器被配置为具有用于色度测量的过滤的红、绿和蓝通道的可编程增益光-频转换器。
15.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件被配置为检测发光元件的结温度。
16.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件被配置为检测照明的相关色温。
17.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件被配置为允许输入用户请求。
18.如权利要求17所述的照明系统，其特征在于，所述用户请求提供所需色度在垂直于黑体轨迹方向的指示，以在维持标称白光照明的预定相关色温的同时实现该标称白光照明色调上的所需改变。
19.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一个检测器件是一个被配置以监测环境照明的强度和光谱分布的色度计。
20.如权利要求19所述的照明系统，其特征在于，所述环境照明是日光和照明系统发出的光通量的组合。
21.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述多个发光元件中的一个或多个是发射可见光的半导体发光二极管。
22.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述多个发光元件中的一个或多个是发射可见光的有机发光二极管。
23.如权利要求22所述的照明系统，其特征在于，所述多个发光元件中的一个或多个是发射可见光的半导体发光二极管。
24.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，该照明系统具有照明色域，该照明色域由多个发光元件的每一个所产生的单独照明颜色来定义。
25.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述多个发光元件的每一个产生的单独照明颜色集中在红、绿或蓝波长周围。
26.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述计算系统是体系性调光控制系统。
27.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述计算系统被配置为在照明系统产生的照明的强度调节期间维持恒定色度。
28.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，所述神经网络被配置为可利用预定输入组和从中得到的所需的控制参数来训练。
29.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，所述神经网络被配置为执行从彩色传感器的三个不同颜色通道到发光元件的四个不同颜色的控制参数的非线性颜色映射。
30.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，所述神经网络被配置为遵从用户定义的与日光照明的相关性，所述日光照明具有强度和相关色温。
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