随着发光二极管(LED)相关技术的迅速发展,LED光源已被广泛应用于日常生活、工业生产以及科学研究等领域。LED是一种电致发光的固态光源,相对于传统光源,具有绿色环保、寿命长、效率高等优势。尤其是,其可调的光谱特性和便捷的调光方式为满足人们对光源高光色品质和多样化的需求提供了无限可能,而这些需求的满足往往需要借助多通道LED光源来实现。为此,本论文紧密围绕其中所涉及的光谱优化设计方法以及光源的颜色质量评价开展了全面且深入的研究。其中,基于多通道LED光源的光谱优化设计方法主要用于实现目标光谱的复现(光谱匹配)和光源照明质量的最佳化(光谱优化),光源的颜色质量评价则主要涉及光源颜色质量评价方法的探讨以及感知相关的光源颜色质量评价建模。针对光谱匹配,基于差分进化(DE)算法和光度学原理提出了一种通过多通道LED光源匹配目标光谱和照度的方法,同时结合三次样条插值算法来解决LED’光谱随控制信号改变而出现漂移和非线性变化的问题。基于实际的多通道LED阵列,分别在500 lx和1000lx的照度水平下匹配国际照明委员会(CIE)标准照明体A和D65的光谱功率分布,验证了该方法的有效性,且DE算法相对于其它直接搜索优化算法还具有十分优异的全局搜索能力。为进一步改善匹配D65的光谱质量,通过综合光谱匹配误差评价指标和可见区同色异谱指数,提出了一种适用于匹配CIE日光照明体的改进方法。经包括D65在内的4种CIE日光照明体(D50、D55、D65、D75)的匹配测试,表明其在确保光谱匹配精度的同时还能够显著改善匹配光谱的可见区同色异谱指数质量等级及其颜色质量。针对实际多通道LED光源无法获得理想的光谱匹配精度但仍对光色品质有极高要求的应用,本文以光源的颜色质量评价指标作为优化目标,基于一种约束型差分进化算法提出了在特定色品(或相关色温CCT)与照度组成的光度色度约束条件下对多通道LED光源进行光谱优化的方法(spectral optimization method under the photometric and colorimetric constraint,SOUPCC)。同样,利用实际的多通道LED阵列,以CIE 一般显色指数(Ra)作为优化目标,分别在由2种照度水平(500 lx和1000 lx)以及8种分布在2800 K～6500 K的CCT共同构成的16组目标色度约束条件下进行光谱优化。结果表明,优化得到的光谱在精确满足目标色度约束条件下获得了十分优异的显色性能,且与其它直接搜索算法相比,所采用的最优化算法在颜色质量优化中还具有非常满意的全局搜索潜力。考虑到北美照明工程学会(IES)的光源颜色质量评价方法(TM-30-15)整合了众多评价方法的优势并赢得了广泛支持,本文以IESTM-30-15颜色保真指数(IES Rf)并结合辐射发光效能(LER)作为优化目标,提出了一种在特定色品(或CCT)下通过多目标优化算法对多通道LED光源进行双指标优化的方法,用以在确定各通道最佳光谱参数的同时兼顾IES Rf的性能测试。以4通道LED光源作为主要研究对象,在2800 K～6500 K的CCT范围内,通过对各通道峰值波长、光谱带宽和相对强度的优化揭示了 LER与IESRf间的竞争关系,不仅为多通道LED光源光谱优化设计中显色性能与能源效率的权衡提供理论和数据支持,而且还验证了 IES Rf相对CIE Ra所作改进的有效性。根据这一优化结果,进一步确定了一组适用于CCT可调4通道LED光源的最佳光谱参数,包括各通道的最佳峰值波长和光谱带宽。该组光谱参数在2800K～6500K的CCT范围内获得了优异的显色性能(IES Rf达到94,CIE Ra均在96左右)和较高的能源效率(LER值几乎均大于3001m/W),可为新型LED芯片的研究开发以及多通道LED光源芯片的选择提供理论指导。由此,不仅表明IESRf对CIERa具有良好的兼容性,也进一步验证了其对CIERa所作之改进是有效的。考虑到实际LED芯片往往存在光谱漂移和分选(binning)问题,本文还分析了各通道最佳峰值波长偏移对IES Rf优化分值的影响。此外,本文通过可覆盖各通道最佳峰值波长的实际多通道LED阵列,采用所提出的SOUPCC方法对IES Rf进行了再次优化,进一步检验了优化4通道LED光源所得结论的可靠性,并验证了 SOUPCC方法的有效性。鉴于表征光源色貌的CCT之计算通常是实施光源颜色质量评价方法的关键步骤,基于黄金分割搜索算法并结合小规模的查找表,提出了一种适用色品范围广且精度高的CCT计算方法。在1000K≤CCT≤S20000K且-0.03≤Duv≤0.03的色品范围内选择了大量的色品对其进行测试,结果表明该方法具有十分优异的计算精度,最大计算误差仅为0.3K,且不依赖于光源的Duv值。在精确计算光源CCT的基础上,采用19种典型的光源颜色质量评价指标对不同类型的照明体和光源进行评估实验,并通过Pearson相关系数和聚类分析方法对其评估结果进行了定量研究。结果表明,多数评价指标之间具有一定的相关性,且基于颜色保真性和基于色域面积两类评价方法的结合可对光源颜色质量进行较为全面的表征。据此,本文基于主成分分析法尝试构建了一种综合性的颜色质量评价指标(CQI)。经实验测试,其与绝大多数评价指标间均有较高的相关性,验证了 CQI的可行性。基于心理物理学视觉实验中的类别判定法,设计并实施了浸入式评价感知相关光源颜色质量的视觉实验,以进一步测试现有光源颜色质量评价典型指标以及本文所提出的综合性指标CQI对主观评价的表征性能。实验中,采用SOUPCC方法通过多通道LED阵列分别在由照度水平450 lx与4种CCT(2800 K、4000 K、5000 K、6500 K)构成的4组目标色度参数下优化设计了 41种同色异谱测试光谱,并以常见的物体色作为观察目标,由10名色觉正常的观察者根据其在每种光谱所对应测试光源照明下的整体色貌来评价它们的自然性、鲜艳性和喜好性。以获得的主观评价数据为基础,通过方差分析证实了 CCT不会显著影响观察者对光源颜色质量属性的判断,并借助Pearson相关系数讨论了光源不同颜色质量属性间的相关性。此外,基于Pearson相关系数详细研究了包括CQI在内的21种颜色质量评价指标与主观评价数据的相关性,确认了它们有限的表征性能。由此,进一步通过多维标度分析深入探究了这些评价指标与主观评价数据之间的潜在关系,发现几乎所有指标均能与自然性、鲜艳性和喜好性中的一个属性进行对应,且饱和度增量水平是一个影响光源颜色质量评价的关键因素。基于这些分析,本文采用多元非线性回归方程构建了一种预测光源颜色质量的模型,与上述21种指标相比,其能够更好地表征主观评价结果,且适用于不同的CCT。同时,这一模型的有效性也在验证实验中得到进一步证实。最后,全面总结了本论文的研究内容及成果,并展望了未来研究工作的努力方向。