CN101310236A - 具有用于led光引擎的通信协议的led组件 - Google Patents

Abstract

一种包括LED组件的***，所述***能够有效并且始终如一地提供所需的颜色输出。所述***包括一个网络和与该网络连接的多个发光二极管(LED)组件。每个LED组件包括唯一的地址。此外，一个控制单元与所述网络连接，并被配置成单独地向LED组件发送光控制信号。光控制信号包括通用色坐标系中的颜色信息。通用色坐标系可以是CIE色坐标系，所述网络能够利用基于以太网的通信协议。

Description

具有用于LED光引擎的通信协议的LED组件

技术领域

本发明涉及具有用于LED光引擎的通信协议的LED(发光二极管)组件，以及制造LED组件的方法，本发明特别适合于解决LED组件内不同LED之间的色差问题。

背景技术

传统光源大部分一般是白炽光源或者气体放电光源。每种光源既有优点又有缺点。尽管制造成本低，不过传统的白炽灯存在两个缺陷。首先，传统照明设备的大多数输入能量以热或红外(不可见)光的形式被浪费掉；只有少量的输入能量被转换成可见光。其次，白炽灯的寿命有限，当发生故障时，该故障是灾难性的。传统的荧光灯寿命较长，但是在温度范围内性能变化显著。在较低的温度下，荧光灯根本不工作。由于成本的少量增加，卤素光源效率稍有提高，并且寿命超过白炽光源。

通过滤波，传统的照明光源能够产生精确的颜色。滤波处理获得白光照明，并除去除指定颜色的所需光线之外的所有光线，于是进一步降低光源的效率。另外，传统的照明是从光源沿所有方向播散的，当目的是照明较小的物体时，这也许并不有利。最后，传统的照明在亮度和输入电流之间存在非线性关系。这种非线性使得难以容易地使光源变暗。

由于其明显更长的寿命，更高的效率，以及引导光线的能力，LED克服了传统照明设备的许多缺点。典型的白炽光源的平均故障间隔时间(MTBF)约为10000小时。LED的MTBF约为一百万-一千万小时。对于白炽灯来说，一般只有5％的输入能量被转换成可见光。类似地，对于LED来说，约15％的输入能量被转换成可见光。光输出的流明与输入能量的瓦特之比是考察效率的另一种方式。传统的照明设备约为17流明/瓦，而基于LED的(白光)光源约为35流明/瓦。效率改进等同于降低能耗，或者施加相似功率的情况下更高的光输出。一般来说，单个的LED产生不足以用作光源的低水平光输出。把许多LED组合成组件或阵列使所述阵列可以成为可靠并且费效比高的传统光源替代物。

当设计和制备LED阵列时，组件中的LED阵列可以并联、串联或者任意组合地电连接。另外，组件中的LED可以是单基色或者许多不同的颜色。通过把几种不同的颜色组合到一个组件中，光引擎能够显示各种各样指定的颜色。由于其降低电力用量，改进维护成本，以及允许动态、定制的色投影的能力，这些LED光引擎组件正在得到广泛使用。

另外，LED组件正在替换人身安全市场中的电灯泡。人身安全应用可包括交通指示灯、塔上的安全信号灯、铁路道口的报警灯、紧急出口照明设备、机场跑道照明设备，以及另外的许多应用。在这些应用中，由于两个原因，LED光源正在得到普及：(1)LED的可靠性增大，(2)维修的成本和难度降低。

目前，基于LED的光引擎正在全世界的无数场所中为人身安全应用而工作着。

在建筑和剧院应用中，LED照明也是有益的。好处不仅在于产生用于改变心境和情绪的精确且可重复的光的能力，而且在于动态地并且在大量的光源中产生这些颜色的能力。这种实践许多年来一直以各种形式用在剧场照明中，并且近年来在随需应变的数字颜色方面取得巨大的进步。对于建筑学来说，由于剧场级固定设备在建筑应用中的使用麻烦，因此颜色的实际使用仍然受到极大的限制。LED照明的前途是为剧场和建筑应用，以更有用的波形系数(form factor)并且实时地实现动态颜色。

典型的LED组件包括安装到***中的许多LED，并且所有的LED一般都是单基色。技术正在进步，正在出现由两种、三种、四种或更多基色的LED的组合产生广谱颜色的新要求。开发中的许多组件包括几个红色LED、几个绿色LED和几个蓝色LED。每种颜色需要几个LED，因为单个LED不能为光引擎提供足够的光。需要不同的LED颜色，以致可以组合不同的颜色，形成广谱的定制照明效果。

图1中表示了广义的LED组件10。LED组件10包括一个LED光源11，LED光源11又包括用标志符-R(红)、G(绿)和B(蓝)表示的不同颜色的各个LED 12。LED组件11包括LED 12及驱动LED的配件(support)和相关电路。相关电路和配件包括一个机械固定LED 12并向LED 12提供电输入的电子载体或印刷电路板(未示出)，把输入功率转换成LED 12的可用形式的电源13，适当地打开和关闭LED 12、对电子信号执行算法并与更大的照明***中的其它设备通信的控制电子仪器14，和把来自几个小点光源的光景象修改成令人愉快、并且对产品来说有作用的外观(look)。

不过，LED组件确实具有本发明人认识到的下述缺陷。光学和电输出性质的制造技术内的变化是相当大的。由于LED的制造变化，目标输出颜色难以获得。在产品的寿命期内，光学输出不断变化；例如，输出强度随着时间降低。主波长非常依赖于温度。并且，随着温度升高，强度降低。

此外，对于LED来说，不同的半导体化合物被用于产生不同的颜色。每种化合物将相对于温度和长期退化以不同的速率变化。这使RGB(红、绿、蓝)LED阵列的颜色稳定性变得困难。

LED光输出与输入电流成正比地变化的事实通常是LED的优点；不过当LED组件被用作白炽灯的直接替代物时，这变成一个缺点。这是因为控制***补偿白炽灯的非线性，就替代物LED组件来说产生无意义的输出。

照明控制***或控制台寻址(address)具有有限数目的可能颜色规格的数目有限的光输出，而寻址大型的照明***可能需要笨重的硬件。

由于两个原因，LED会发生温度变化。一个原因是外部环境。LED光源可安装在温度可控的环境中，其例子可以是住宅或办公楼。另一方面，LED光源可被安装在温度不可控的环境中，在所述环境中，温度变化在人类适居性的范围内以及超出该范围。温度可变性的第二原因是特定***内热耗散的效力。光学输出性质与芯片(die)温度相关。芯片温度与外部环境相关，不过还与从芯片到外界的整个路径的热阻相关。

随着这些温度发生变化，主波长(由λd表示)和光强表现出可量化的变化。在温度变化足够大的情况下，人眼能够辨别主波长的变化。在某些波长(琥珀色附近)，人眼能够辨别2-3纳米的变化；在其它波长(红色附近)，在人眼能够区分色移之前，需要20-25纳米的变化。随着温度的强度变化也是可辨别的。60℃的温升能够使输出降低大约50％。

现有技术部分解决了这些问题。通过把LED拣选或分类(bin)成光学性质相似的分组，解决了LED光学输出的制造变化。在用于LED阵列的控制软件和硬件中模仿了白炽灯的光学响应，例如参见美国专利6683419。LED的初始功率输出也可被过驱动(over-driven)，这在更长的一段时间内产生可接受的功率输出。

但是，现有技术未解决下述问题。仍然不能实现指定颜色的精确颜色生成。由于分类的内LED光学性质的变化极大，因此LED的分类并不总是足以在所有环境下产生精确的颜色。温度变化和时间退化对LED输出波长和强度的影响未被补偿。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够有效并且始终如一地提供LED组件的所需颜色输出的新颖LED组件和制造该LED组件的新方法。

本发明通过提供一种***实现了上述及其它目的，所述***包括一个网络和与该网络连接的多个发光二极管(LED)组件。每个LED组件包括唯一的地址。此外，一个控制单元与所述网络连接，并被配置成单独地向LED组件发送光控制信号。光控制信号包括通用色坐标系中的颜色信息。通用色坐标系可以是CIE色坐标系，所述网络能够利用以太网通信协议。

附图说明

结合附图，参考下面的详细说明，本发明及其许多附带优点将变得更明白，从而易于更全面地理解本发明及其许多附带优点，其中：

图1表示广义的背景LED灯组件；

图2解释CIE色度图上的LED颜色指定；

图3a和3b表示关于LED组件的未补偿光学输出的处理；

图4表示在制造按照本发明的LED组件的方法中进行的操作的处理流程；

图5表示在制造本发明的LED的方法中利用的制造夹具的简化图；

图6a、6b表示对本发明的LED组件实现补偿的光学输出的处理的概述；

图7表示本发明的第一实施例的LED光引擎组件；

图8表示在制造按照本发明的LED组件时进行的处理的更广义的操作；

图9表示CIE色度图上的RGB颜色指定；

图10表示对CIE色度图上的RGB颜色指定的呈现颜色的影响；

图11表示背景DMX512分组格式；

图12表示作为本发明的另一实施例的照明***；

图13表示本发明的另一实施例中的LED光引擎组件；

图14表示用于通信的标准以太网帧；

图15表示可在本发明的另一实施例中利用的帧内容；

图16表示可在本发明的另一实施例中利用的帧内容的修改。

具体实施方式

现在参见附图，详细说明本发明的特征，附图中，相同的附图标记表示相同或对应的部件。

利用CIE色坐标系可指定颜色输出。也可利用其它适当的颜色指定方案。CIE是国际照明委员会的缩写，是首先说明用在1931年编写的标准中量化颜色的方式的国际标准发展组织。CIE色坐标系是公认的光谱分布的测量标准，并且利用x坐标、y坐标和Y′坐标定义颜色。CIE色坐标系是一种与设备无关的颜色描述方式，于是也被描述成定义颜色的通用坐标系，并以图形方式示于图2中。图2表示具有CIE色矩(color torque)的CIE色度图。CIE色矩表示饱和色的x、y和Y′坐标。x坐标和y坐标被归一化，并以0-1的尺度表示。x和y坐标都是无单位的，并且指定颜色。Y′指定强度，并也被归一化成无单位的数字。

图2中表示了典型的红、绿和蓝LED颜色输出。通过互连表示红、绿和蓝的坐标，形成一个三角形。该三角形内的CIE坐标表示可显示的颜色的范围。三角形之外的点不能用指定光源显示。三角形的中心点是红、绿和蓝光源的最大组合的CIE坐标，理论上为白色。

生产LED的制造工艺是不一致的，并且产生其输出变化极大的LED。对于红、绿和蓝来说，分别用椭圆(16)、(17)和(18)的跨度图形地表示了这种可变性。图2还识别目标白色(15)，并且表示了另一个椭圆(19)，椭圆(19)代表三种颜色光源红(16、绿(17)和蓝(18)的组合的显示白色的范围。

图2表示在不补偿LED的许多可变性来源的情况下，显示颜色的白色范围(19)。各个LED的所述可变性包括在LED寿命期内，输出强度的退化，主波长随温度的变化，输出强度随温度的变化，制造工艺内的可变性等等。

图3a是由红色、绿色和蓝色LED的输出产生白光的简单化或者未补偿的处理。图3中所示的处理包括三个同时的步骤S61、S62和S63，其中分别产生所有红色LED的最大输出，所有绿色LED的最大输出，所有蓝色LED的最大输出。通过执行将每个红、绿和蓝LED驱动到其最大输出的步骤，在步骤S64中产生红、绿和蓝LED的最大颜色输出，从而产生理论白光输出。即，通过最大地混合红、绿和蓝，LED就形成白光。但是，由于各个LED的颜色输出之间的差异，这样的***存在红、绿和蓝LED的颜色输出中的变化可能并不产生纯粹的白色输出的缺陷。来自图3a的处理的输出的可变性在图2中的CIE色度图上被表示成(19)，并且足以导致该白光与理论白色的可测差异。人眼可辨别该差异。图3a的加色处理没有补偿LED可变性，会产生不精确的白色。除了不精确之外，结果也是不一致的。

图3b是产生定制颜色的类似的简单化或未补偿的处理。在图3b的处理中，和图3a中一样，首先在步骤S61、S62和S63分别以其最大输出驱动每个红、绿和蓝LED。随后，在每个这些输出中引入按比例缩放，从而产生所需的颜色。更具体地说，步骤S71调整红色LED驱动参数，以获得所需的红光输出，步骤S72调整绿色LED驱动参数，以获得所需的绿光输出，步骤S73调整蓝色LED驱动参数，以获得所需的蓝光输出。通过修改每个相应的红、绿和蓝LED输出的驱动参数，例如占空度和驱动电流，步骤S71、S72和S73都能够获得所需的比例缩放。理想地，组合输出是所需的定制颜色。不幸的是，这种简单化的处理也可能产生不可接受的结果。由许多因素在这三个输入激励源的每一个引起的LED可变性产生不精确并且不一致的目标颜色表现。

单色LED光引擎组件已生产了许多年。与单色LED的制备相关的可变性，以及人身安全市场(单色LED主要用在该市场中)的明确要求已要求LED装配企业为整个***产生精确的输出颜色。通过在出货之前，预先把LED分类或者分类到较小的可变性范围，LED制造商已给LED装配企业提供了帮助。更小范围的LED输入激励源已帮助装配企业产生目标输出颜色。由于分类内的LED仍然具有相当大的性能变化，因此可接受的显色(color rendering)仍然是一项苛求的任务。

分类操作会很快变得复杂。以只具有琥珀色LED的组件为例。在依据用标记V、W、X、Y和Z识别的5个通量值分类的情况下，琥珀色LED来自于制造商。每个通量分类(flux bin)内的变化可以为±15％或更大。主波长可变化±2.5纳米，并且可被分成标记为1、2、3、4和5的五个分类。根据变化±5％并且标记为a、b、c、d和e的正向电压形成另外5个分类。所有这些分类的结果是在被分成5＊5＊或者说125个可能的分类位置的情况下，琥珀色LED到达装配企业。琥珀色LED的一个分类可被标记在W4e；W规定其通量范围，4规定其主波长，e规定其正向电压。

利用来自琥珀色LED的不同分类的LED的搭配(recipe)，可制备LED组件。每种搭配包含LED光引擎组件设计的电子载体内的每个LED位置的可接受分类代码。在制备之前，可接受的搭配被设计成对于客户的所需光学参数来说可接受的输出。利用光学性能计算确定可接受的搭配，并通过实验核实。在组件中的LED数目较大，并且分类内的光学输出的变化较大的情况下，越来越难以保证整个组件的光学输出对客户来说是可接受的-即使进行搭配。

对于每种产品来说，通常存在许多可接受的搭配。存在多种搭配使装配企业可以灵活地用几种不同方式构建组件，以考虑到LED的不同分类的库存变化。但是，即使对于每种产品设计来说，存在许多可接受的搭配，大批量生产中分类内容的库存管理对装配企业来说仍然是一个挑战。相反，有时挑战是利用bin数量的现有库存，找出LED分类(bin)的可接受搭配。

上面的例子使用只具有一种颜色LED的简单LED组件。当设计涉及几种不同颜色的LED，并且搭配涉及从几种不同基色的分类中选取LED时，搭配的复杂性成倍地增大。实际上，多种颜色的LED光引擎组件一直不太成功。单色的精确性问题被放大成更大的问题；最终结果是呈色不可接受。总之，分类(binning)已允许批量生产可接受的单色LED光引擎组件。但是，关于单色组件的分类缺乏制造灵活性，并且会产生在可接受范围之外的光输出。在多色LED组件中，分类变得难以管理或者不可能管理，所得到的产品一般是不可接受的。

如下更详细所述，通过在制造时测量每个唯一的单个LED光引擎组件的基准光学性能来量化输出的精确颜色和强度，本发明的处理克服了这样的缺陷。颜色的基准测量的量化值随后被保存在LED组件内，并且可由***用于补偿驱动输入参数，从而在***的整个寿命期内，产生精确并且可重复的输出。

发明人提出了图4中所示的处理，所述处理使用图5的测试***40。在所有LED和其它控制电子器件的装配之后，不过在装运之前在制造工厂进行图4的处理。

在该处理中，在该处理的开始，即步骤S111(参见图4)，每个LED组件100被装到制造测试***40(参见图5)上。测试***40包括用于把LED组件100限制在距离光学测量仪器45固定距离d的位置的夹具42。屏蔽物44引导光，并防止杂散光进入光学测量仪器45。

测试***40还包括控制电子器件。控制电子器件分配在定制的接口箱41和定制的计算机或工作站46的内部电路之间。测试***40控制电子器件包括测量当前温度的测量装置，控制LED的控制装置，测量电压的测量装置，把数据写入LED组件的存储器的装置，它可容纳在接口箱41、工作站46中，或者容纳在LED组件100内部的控制电子器件上。

在把LED组件100装入测试***40中之后，该处理指令控制电路驱动所有的红色LED，并且只驱动红色LED(步骤S112)。用于该处理的控制电路或者在LED组件100内，或者在***控制器工作站46内。随后在步骤S113中用光学测量装置45(它可包括分光光度计)测量全红输出。在步骤S113中测量全红输出的CIE坐标和全红下的正向电压。步骤S114类似于步骤S112，除了控制电路只驱动所有的绿色LED之外。在步骤S115中，光学测量装置45测量全绿输出的CIE坐标和全绿的正向电压。步骤S116类似于步骤S112，除了控制电路只驱动所有的蓝色LED之外。步骤S117测量全蓝光学输出和全蓝正向电压。如果按照100％最大输入条件驱动所有的红色、绿色和蓝色LED，那么可以最容易地实现步骤S112、S114和S116。但是，由于LED通量输出在数学上与其输入电流相关，因此可用按比例降低的输入实现这些处理。最好在***达到稳定状态之后进行所有的光学测量。另一方面，可以利用变化的脉宽来驱动LED，并且可由此外推稳态输出性能。如下所述，可利用任何适当的色坐标系实现步骤S113、S115和S117。

随后在步骤S118中，利用温度测量装置47测量温度和/或其它相关环境数据。测量环境数据以指示产生测量的LED输出的环境条件。例如，LED输出可根据温度而变化，从而对于在步骤S113、S115和S117中测得的红色、绿色和蓝色LED的光学输出来说，知道测量时的温度为多少是恰当的。步骤S118的环境测量结果随后在补偿算法24中用于控制LED的驱动，如下参考图6所述。该算法适应由随温度而变化的强度和主波长引起的光学输出变化。下面说明的补偿算法24能够校正未来的偏离基准环境的变化。

随后在步骤S119，所有的测量信息被保存在LED组件100内。通过使用CIE值(x，y，Y)，代表正向电压的Vf，代表温度的T，保存的信息由下面说明的下述变量表示。

$(x_r,y_r,{Y_r}^{\′})V_{f_r},(x_g,y_g,{Y_g}^{\′})V_{f_g},(x_b,y_b,{Y_b}^{\′})V_{f_b},T$

所有的保存信息可在如上所述的步骤S119中写入LED组件的存储装置中，或者另一方面，可在步骤S113、S115和S117中获得所有保存信息之后立即把它们写入LED组件的存储装置中。该备选方案由图4中的虚线表示。

关于“所制造的”(as manufactured)独特光引擎的性能的附加信息可在步骤S119中保存在***内，例如，所述附加信息可包括制造日期和时间，或者产品的序列号。也可把这些初始测量结果保存在***之外。LED组件外的复制数据可用于组件的修理或者返工，或者用于产品可变性的统计分析。通过从测试***100卸下LED组件100，并继续进行LED光引擎组件100的使用，在步骤S120中结束该处理。

借助上面的处理，本发明表征并记录制造时LED组件的具体光输出信息，从而记录LED组件的基准颜色输出，该信息随后供在图6和7中的LED组件中产生补偿光输出的整个处理中使用。这样，显示颜色的精确基准可供颜色优化算法使用。

图6a、6b和7表示本发明的LED组件，所述LED组件保存由图4中的处理产生的数据，并利用这样的数据产生适当颜色的增强的所需光输出。图7表示本发明中的LED组件100，它包括LED灯101中的LED 105和电源103，图6a和6b表示在该LED组件100中进行的控制操作。

如图7中所示，本发明的LED组件100和图1的背景技术的LED组件类似，除了本发明的LED组件100包括增强的控制电子器件104之外，所述控制电子器件104包括环境传感器106和存储器109。存储器109保存在图4中的步骤S119中记录的数据。

把所述信息保存在***中的方法很多，不过一个特征是在光引擎的整个寿命期内，“所制造的”输出信息仍然可供优化算法使用。内部保存所述信息的方法可以是采用许多存储装置中的任意一种。只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、闪速EPROM等可用作存储器109。

图7中的控制电子器件104执行图6a、6b中所示的操作，下面更详细地说明。

如图6a中所示的本发明的LED组件100的整个控制操作的第一实施例是结合保存的环境数据，利用保存的形成LED灯101的红色LED、绿色LED和蓝色LED的基准光输出数据，根据这些光的测量输出以及根据测量的环境值进行补偿，并输出所需的光输出。

在该操作中，在处理21-23中取回全红响应、全绿响应和全蓝响应的存储值。这些值对应于在图4的步骤S119中保存的值。在处理21-23中取回的存储值可被补偿和混色算法使用，从而使得可以产生定制的颜色。

更具体地说，在处理21-23中取回的存储值被提供给运行补偿算法的处理24，以便根据取回的存储值预测当前环境条件下的输出。补偿算法24的输出随后被提供给混色算法25。作为输入，混色算法25接收来自处理30的所需光输出。从而，混色算法25接收关于所需光输出的指示，并且能够修改混色，从而获得所需的光输出。混色算法25随后在处理31-33中控制红色LED、绿色LED和蓝色LED的驱动参数，从而在处理34中输出所需规范的光。

补偿算法24和混色算法25是实现所需颜色输出的控制算法，或者用电子电路硬编程，或者用LED光引擎组件100的控制电子器件104内的定制软件软编程。在处理31-33中，混色算法25调整每个LED的占空度(D)和其它参数，有效地修改每种基色的百分率，从而定制颜色显示。可利用许多控制技术调整占空度-包括脉冲调频，脉冲位置调制、调幅、相移调制和脉宽调制(例如，参见Color Kinetics的美国专利6016038)。

组合地操作补偿算法24和混色算法25在处理21、22和23中取回保存的光学参数，解决了LED光引擎组件的许多性能问题。补偿算法24可适用于考虑光学输出中的温度变化。类似地，在补偿算法2中能够以算法方式克服LED的寿命退化。即，补偿算法24能够考虑当前的环境条件，LED的老化等，并且能够关于当前条件补偿LED的光输出。例如，LED的光输出随温度降低。于是，如果LED组件100的当前温度高于测试LED时的温度，即，高于在图4中的步骤S119中保存的温度，那么补偿算法24能够进行控制，以增大每个LED的驱动功率，从而补偿由温度升高而导致的强度降低。类似地，补偿算法24能够把LED的使用年限计算在内，并随着LED 105的老化增大给LED 105的驱动电流(I)。补偿算法24能够根据其它环境条件，例如湿度，以及需要的其它因素进行其它补偿。

此外，通过恰当地应用混色算法25，能够解决搭配和分类的困难性。由于精确地知道起点，因此补偿算法24和混色算法25能够提供补偿光表现处理的计算。这是在本发明的处理中实现中。

可在本发明中实现的混色算法25的细节的一个具体、非限制性例子如下所示。

混色算法25从为显示所指定的目标颜色开始。

目标色坐标(x_t，y_t，Y_t′)                             (151)

关于全红、全绿和全蓝的光谱输入的CIE色度坐标(x，y，Y′)也为该算法已知，参见图4中的步骤S113、S115、S117。

测得的(x_r，y_r，Y_r′)(x_g，y_g，Y_g′)(x_b，y_b，Y_b′)     (152)

所需的输出是用于显示目标颜色的全红、全绿和全蓝LED组件的占空度和驱动电流。

找到

和I                                                      (153)

混色算法25的非限制性实现的推导和细节如下所示。

首先，由于下面的定义等式的缘故，对于任意颜色不必给出z。

x+y+z＝1                                             (154)

z＝1-x-y

计算全红、全绿和全蓝的输出强度和y坐标之间的关系的线性比例常数(加权因子)。

m_r＝(Y′_r/y_r)                                        (155)

m_g＝(Y′_g/y_g)

m_b＝(Y′_b/y_b)

比例常数被用于计算全红、全绿和全蓝的组合-理论上纯白色的CIE坐标。

$x_w=\frac{x_r{m}_r+x_g{m}_g+x_b{m}_b}{m_r+m_g+m_b}$ (156)

$y_w=\frac{y_r{m}_r+y_g{m}_g+y_b{m}_b}{m_r+m_g+m_b}$

Y′_w＝Y′_r+Y′_g+Y′_b

CIE值被转换成三色值。三色值是用于描述未被归一化的颜色的类似坐标系。这两个坐标系之间的关系由下面的等式(157)定义。

Y＝Y′  x＝X/(X+Y+Z)   y＝Y/(X+Y+Z)  z＝Z/(X+Y+Z)    (157)

根据上面的等式(154)和(157)很快能够导出下面的一般方程。

$\frac{X}{Y}=\frac{x}{y}$ $\frac{Z}{Y}=\frac{z}{y}$ $\frac{Z}{Y}=\frac{(1-x-y)}{y}$ (158)

上面的一般方程(158)产生全绿、全红、全蓝和作为结果的白色的三色值X，Y，Z的特定等式(159)。重要的是注意所述白色不一定表现为白色。其为纯白色的程度将取决于三个基色围绕白色的中心坐标(0.333，0.333，0.333)是如何均匀地平衡的。

$X_r=\frac{x_r{Y}_r^{\′}}{y_r}$ Y_r＝Y′_r $Z_r=\frac{(1-x_r-y_r)Y_r^{\′}}{y_r}$

$X_g=\frac{x_g{Y}_g^{\′}}{y_g}$ Y_g＝Y′_g $Z_g=\frac{(1-x_g-y_g)Y_g^{\′}}{y_g}$ (159)

$X_b=\frac{x_b{Y}_b^{\′}}{y_b}$ Y_b＝Y′_b $Z_b=\frac{(1-x_b-y_b)Y_b^{\′}}{y_b}$

$X_w=\frac{x_w{Y}_w^{\′}}{y_w}$ Y_w＝Y′_w $Z_w=\frac{(1-x_w-y_w)Y_w^{\′}}{y_w}$

相同的等式可被用于把目标颜色的指定CIE值(x_r，y_r，Y_r′)转换成三色值(X_t，Y_t，Z_t)，如下所示。

$X_t=\frac{x_t{Y}_t^{\′}}{y_t}$ Y_t＝Y′_t $Z_t=\frac{(1-x_t-y_t)Y_t^{\′}}{y_t}$ (160)

变换矩阵需要比例因子(S_r，S_g，S_b)，并如下所示根据等式(160)右手侧的已知值计算。

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_r& S_g& S_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{X}_w& Y_w& Z_w\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}{X}_r& Y_r& Z_r\\ X_g& Y_g& Z_g\\ X_b& Y_b& Z_b\end{array}\right]}^{-1}---\left(161\right)$

$\left[M\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_r{X}_r& S_r{Y}_r& S_r{Z}_r\\ S_g{X}_g& S_g{Y}_g& S_g{Z}_g\\ S_b{X}_b& S_b{X}_b& S_b{Z}_b\end{array}\right]---\left(162\right)$

目标颜色的[R_t，G_t，B_t]是目标颜色中的红、绿和蓝的量，并且如果利用RGB规范***，那么可被用于描述颜色，如下所示。

[R_t G_t B_t]＝[X_t Y_t Z_t][M]^-1                          (163)

下面计算每种颜色的占空度D。为了易于实现，全红、全蓝或全绿的三种占空度之一总是被定义成100％。其它两个占空度被比例缩放，以保持类似的RGB比例。

$D_{r_t}=R_t/\max (R_t,G_t,B_t)$ $D_{g_t}=G_t/\max (R_t,G_t,B_t)$ $D_{b_t}=B_t/\max (R_t,G_t,B_t)$ (164)

此外，对于当[S_r，S_g，S_b]＝[1.0，1.0，1.0]时的情况来说进一步简化，当设计要求表明全红、全绿和全蓝的组合不必是纯白色时，该情况相关。

c＝x_b(y_g-y_r)+x_g(y_r-y_b)+x_r(y_b-y_g)

$G_t=\frac{y_g[x_b(y_t-y_r)+x_t(y_r-y_b)+x_r(y_b-y_t)]}{y_t\·Y_g^{\′}\·c}$

$B_t=\frac{y_b[x_t(y_g-y_r)+x_g(y_r-y_t)+x_r(y_t-y_g)]}{y_t\·Y_b^{\′}\·c}$

$D_{r_t}=R_t/\max (R_t,G_t,B_t)$ $D_{g_t}=G_t/\max (R_t,G_t,B_t)$ $D_{b_t}=B_t/\max (R_t,G_t,B_t)$

所述等式只涉及颜色的生成，并不涉及颜色的强度。目标颜色强度由Y_t′表示。如下计算关于强度的调整：

Y′_total＝Y′_r+Y′_g+Y′_b

I_ref是由LED制造商规定的驱动电流，并在制造测试过程中用于生成图6的处理21、22和23的存储值。

情况1：如果Y_total′≥Y_t′，那么下面的等式适用。占空度被适当地按比例缩小，以考虑到强度。

$D_{r_t}^{\′}=\frac{Y_t^{\′}}{Y_{\mathrm{total}}^{\′}}{D}_{r_t}$

$D_{g_t}^{\′}=\frac{Y_t^{\′}}{Y_{\mathrm{total}}^{\′}}{D}_{g_t}$

$D_{b_t}^{\′}=\frac{Y_t^{\′}}{Y_{\mathrm{total}}^{\′}}{D}_{b_t}$

I＝I_tested

情况2：如果Y_total′＜Y_t′，那么下面的等式适用。驱动电流被适当地按比例增大，以提供额外所需的亮度。

$D_{r_t}^{\′}=D_{r_t}$

$D_{g_t}^{\′}=D_{g_t}$

$D_{b_t}^{\′}=D_{b_t}$

$I=\frac{Y_t^{\′}}{Y_{\mathrm{total}}^{\′}}{I}_{\mathrm{tested}}$

于是利用占空度

和驱动电流I为情况1和情况2显示目标颜色。

图6b表示图6a的实施例的修改，它可应用于包括红色LED、蓝色LED、绿色LED和琥珀色LED的不同颜色的LED的装置。即，代替得到只具有红、蓝和绿三种颜色的***，***可容纳红、蓝、绿和琥珀色四种颜色。在这些情况下，类似于对于红、绿和蓝LED那样，图3a、3b和4中所示的操作也进行针对琥珀色LED的操作。从而，保存在存储器中的测量光学值也包括琥珀色LED的数据，从而在图6b中，执行在处理26中取回全琥珀色响应的附加操作，随后在处理34中，类似于对于红、绿和蓝LED那样，也调整琥珀色LED的占空度和其它参数。

本发明甚至不局限于这种具有四种颜色的实施例，相反可按照任何所需的组合使用任意数目的颜色。

现在使用前面的例证组件说明本发明。假定前面的组件包括几个红色LED，几个绿色LED和几个蓝色LED。另外，为了便于说明，来自所有红色LED的组合输出被称为全红输出。如果如有一个红色LED，那么该红色LED的输出和全红输出将相等。类似地，所有绿色LED的显示将被称为全绿，所有蓝色LED的显示将被称为全蓝。

本发明的处理允许生成颜色输出的精确且已知的起点或基准，并且允许在***内部存储该已知起点。特定LED组件的光输出最初在该组件内部，被保存到适当的存储装置上。适当的补偿算法24和适当的混色算法25可在任意稍后时刻使用该起点产生所需的颜色匹配。

本发明的处理涉及借助图4的处理，把具体的光输出描述内部保存到LED光引擎组件中，所述光输出描述随后被用于定制的颜色表现。随后，在LED组件100的操作中，在图6的补偿光处理的处理21、22和23中取回保存的值。这样，使补偿算法24和混色算法25能够采用显示颜色的精确基准。图4的处理S113、S115和S117产生全红、全绿和全蓝的CIE坐标，图6的处理21、22和23利用全红、全绿和全蓝的CIE坐标。

分配的用于保存初始光学性能信息的存储器109可以是专用的单一组件。另一方面，该信息可以和其它***信息结合，并添加到已存在于***中的存储部件中。例如，保存的本发明的制造过程的输出可被增加到控制***的固件中，并保存在和所述固件相同的物理装置上。

利用CIE色坐标系能够传送图4的处理中的颜色规范。还存在也可用于量化光源的与设备无关的其它通用色坐标系。实验室模型(Lab Model)使用明度(L)，沿着绿到红光谱的(a)坐标，以及沿着蓝到黄光谱的(b)坐标。Munsell色系使用三个坐标：色调(H)、值(V)和色度(C)。本发明并不排斥任何这些通用色坐标系的使用，不过CIE***被认为在传递精确颜色方面最有效。

如果使用另一种坐标系，那么测量并且保存的值不会正好是下面列举的变量

$(x_r,y_r,Y_r^{\′})V_{f_r},(x_g,y_g,Y_g^{\′})V_{f_g},(x_b,y_b,Y_b^{\′})V_{b_b},T$

概念上，它们应是描述在新的坐标系中的颜色的类似值。例如，对于实验室模型来说，它们很可能是

$(L_r,a_r,b_r)V_{f_r},(L_g,a_g,b_b)V_{f_g},(L_b,a_b,b_b)V_{b_b},T$

对于Munsell***，它们可能是

$(H_r,V_r,C_r)V_{f_r},(H_g,V_g,C_g)V_{f_g},(H_b,V_b,C_b)V_{b_b},T$

基于红、绿和蓝三种颜色的不同色坐标系有许多。标准的RGB色空间的例子包括ISO RGB、sRGB、ROMM RGB、Adobe RGB、Apple RGB和视频RGB空间(NTSC、EBU、ITU-R BT.709)。不过这些标准都不是通用标准，由于不同应用(扫描仪、数字照相机、监视器、打印机)的需求不同，因此可能根本不存在通用的RGB标准。还存在基于青色、洋红色、黄色和黑色的比例的CMYK颜色标准。和RGB标准一样，CMYK标准也存在缺乏通用性的问题。任意这些标准都可用于本发明的颜色描述，不过由于CIE色坐标系被更普遍地认可，因此CIE色坐标系可能是优选实现。

上面关于图4说明的处理表示对具有多达三种颜色的***获得数据，图6b表示对具有多达四种颜色的应用。不要求***只包括这些颜色，相反可以包含许多颜色。图8中表示了可在本发明中进行的更广义的处理，该处理实质上获得和图4的处理相同的结果，不过该处理可应用于和在不同环境条件下所需一样多的颜色。

图8的更广义的处理的目的和图的处理相同。通过把LED光引擎组件100装入测试***40，步骤S131开始该广义处理。步骤S132是用于跨越许多环境量化相关的基准光学性质的“外环”迭代函数的起点。如果在上面的例子中，只有一种环境被基准化(baseline)，那么环境的数目为1，该迭代循环只执行一次。环境可以是可控的，例如在湿热试验箱中，或者是不可控的，例如制造时的LED芯片温度。相关的环境变化可以是温度、湿度、***“工作时间”、高度或者任何其它环境条件。步骤S133利用环境传感器，比如温度传感器47量化相关的环境条件。步骤S134对每种基色开始另一“内环”迭代函数。在具体的例子中，基色的数目为3或4(红色、绿色、蓝色和琥珀色(可选))，并且该迭代循环被执行三次或四次。

步骤S135驱动单基色的所有LED。一般来说，都以100％的输入电流驱动并测量所有LED。其它输入值可以和在随后执行的算法中应用的线性、对数或者其它适当的缩放比例一起使用。在步骤S316，关于正被测试的基色和环境条件的组合，测量和量化光输出和正向电压。步骤S137把步骤S136的测量值记录到存储器109。步骤S137的相对于存储器的存储可在进行每次测量之后进行，或者可在进行所有测量之后集体进行。步骤S138的“内环”迭代函数对每种基色重复该处理。步骤S139的“外环”迭代函数对每种环境条件重复该处理。每种环境条件可以是，例如室温值、高温值和低温值的温度。“内环”和“外环”函数可以交换，只要所有基色和环境被量化。通过从测试***40卸下LED光引擎组件，步骤S140结束该处理。在步骤S130结束时，内部存储器109现在包括特定的LED光引擎组件的基准光学性能。

通过把独特的LED光引擎组件的基准光学性能包括在控制电子器件中，能够在LED组件的光输出的产生、工作和质量方面获得改进。参见图7，每个LED光引擎组件在存储器109中具有其安装的LED 105在已知环境条件下的光学输出的起点。在不存在由本发明的处理21、22和23产生的存储值的情况下，对于补偿算法24和混色算法25的起点来说，需要一个假定值，比如一组LED的平均光学输出。由于下述原因，利用产生的一组存储值的结果是极大改进的处理：通过利用独特LED组件的已知起点以及应用混色算法，能够表现无穷数目的目标输出颜色；由于混色算法从光学颜色性能的已知起点开始，因此表现颜色的精确性得到提高；由于能够从已知起点应用对产品寿命期内的强度退化的补偿，因此目标颜色的可重复性得到改进；由于能够从已知起点应用考虑到随温度的波长变化和强度变化的补偿，因此颜色表现更加可重复；由于LED光引擎组件能够执行补偿各个LED的制造变化的算法，因此能够减少或者消除搭配或分类。

最终结果是一种能够精确并且可重复地表现更多颜色，同时降低成本，改进可制造性的LED光引擎组件。

上面说明的本发明的实施例的特征目的在于制造一种LED组件，其中混色算法25的输入利用输入到补偿算法24中的取回的存储值21-23和26来预测输出。

但是，在本发明的另一实施例中，混色算法25的输入可来自不同的来源，并且在信号被输入混色算法25之前，可经过进一步的补偿。

图8B中表示了本发明的这样的另一实施例。

在图8B中，混色算法25能够从不同的初始LED光谱响应选择以及在不同补偿选择之后接收输入信号。

如下面更详细所述，LED光谱响应值是混色算法25的输入信号的起点。图6b中所示的实施例对应于在组件(图7中表示成213)测量的LED光谱响应。即，在组件213测量的LED光谱响应对应于图6b中的取回的存储值21、22、23和26。如上所述，使用在组件的这种测量值要求预先测试组件中的LED，和保存LED的不同响应数据。不过当然也可实现较简单的选择。

在最简单的处理中，可以利用来自供应商211的LED光谱数据。这样的数据可以是来自LED制造商的分类数据。这当然是最简单的选择，因为它依赖于供应商提供相关数据。当然这种选择可能也是最不可靠的，因为如上所述即使在分类处理中LED也存在差异。

另一种备选方案是提供以关于多个LED或者多组LED的实验数据为基础的平均LED光谱数据212。目前，LED技术不能产生可接受的平均数据的输出，不过即使从任意一个LED到下一个LED的变化性可能相当大，随着LED组的规模的增大，大型的LED组的变化性逐渐减小。随着LED技术的改进以及使用更大的LED组，平均LED光谱输入212可产生可接受的起始LED光谱响应。

在LED光谱响应之后，能够使用不同的补偿选择。

最简单的选择是没有任何补偿221，在LED光引擎组件投入使用后不久，并且温度接近于测试温度时，这可能是适当的。测试温度可以是供应商测试温度、平均测试温度，或者是组件测试温度，取决于光谱输入211、212和213的选择。无补偿221选择是最简单的，不过不会提供最高的性能水平。

另一种补偿选择是关于光谱值的时间补偿222，以补偿基于时间的退化影响。即，如同已知的那样，LED随着时间退化，并且这样的时间退化一般是对数的，并且是可预测的。根据LED光引擎组件的强度退化和使用时间之间的数学关系，LED激励可被转换成当前时段的新的预测LED激励。随着时间的过去，光输出的强度降低，第一年内典型的LED退化为20％-30％，这大到足以有必要进行校正。时间补偿选择222不提供温度补偿。

另一种补偿选择是校正基于温度的退化影响的温度补偿223。温度对LED光输出具有两种不同的影响。第一种影响是对光输出的影响，并且在感兴趣的范围中是一种二次关系。温度是自变量。输出强度是二次方程的因变量。二次方程的系数随着不同的基色LED而变化，因为对于每种基色，半导体化合物不同。借助查寻表或者预先将其编程到电子器件中，可根据光谱响应的CIE坐标或者根据波长确定基色。二次方程的系数随后可由半导体制造商或装配商测量，并且在时间和温度范围内是恒定的。结果是涉及在LED光引擎的温度变化和输出光强度的降低的算法。如果在室温下，I被归一化为1，并且温度被表示成℃，那么InGaN LED装置的范例方程为：

I＝-0.000004T²-0.0029T+1.0477

温度补偿选择223补偿的温度的第二种影响是对波长的影响。借助查寻表或者可将其编程到电子器件中，可根据波长或CIE坐标确定基色。温升还增大峰值波长，并且增大波长响应的宽度。在感兴趣的范围内，波长随着温升线性增大。对于每种基色来说，变化速率K近似恒定。

最后的一种补偿选择(它最复杂，但是提供质量最高的结果)是关于上面说明的对输出光强度的基于时间的退化以及温度相关影响，校正光谱输入的时间和温度补偿224。时间和温度补偿224选择结合时间补偿222选择和温度补偿223选择的效果。

补偿选择的输出随后被提供给混色算法25。这样的选择允许向混色算法25提供关于起点的LED激励的最精确表现。利用时间和温度补偿224选择将产生最精确的显色，因为它将关于LED的光输出中的基于时间的退化和温度引起的变化进行校正。

本发明中的上述特征目的在于制造一种正确地输出光的LED组件。本发明的另一特征是确保LED灯组件能够始终如一地输出所需的特定光颜色。在例如建筑、舞台、剧场、现场表演和生产照明中，这样的特征具有特殊的应用。在这样的应用中，可能特别希望确保来自LED光源的光输出是特定颜色的光输出，并且保持该特定颜色。这样的输出特定颜色的光的概念常常被称为显色(color rendering)。

显色是首先实现成红、绿和蓝(RGB)的加色处理的现代技术。早期显色通过组合适量的红、绿和蓝来产生颜色，从而显示电视图像。RGB系既用于颜色的生成，又用于颜色的指定。这是一个重要的区别。RGB系通常用于产生颜色，不过它们也可被用于指定颜色。

主流的指定颜色的***起源于RGB生成***的使用。当以RGB的组合的形式产生颜色时，指定颜色的最简单且最容易的方式是目标颜色中RGB的数量。缺乏实现的简易性和响应速度的RGB规范***起源于RGB生成***。不过，RGB规范***具有缺陷。

RGB实现具有有限范围的显示颜色。图9表示CIE色度图上的例证RGB颜色指定。所有CIE可指定的可视颜色由区域56代表。RGB规范局限于可表示成红、绿和蓝的组合的颜色。RGB可指定颜色示于三角形54中。许多颜色可由在三角形54内的红、绿和蓝的总和表示，不过在该三角形外的许多颜色却不能。这些颜色被表示在RGB可指定区域55外的周围区域中。CIE可指定区域56是RGB可指定三角形54和RGB可指定三角形55外的区域55之和。折点是RGB颜色指定***不能产生或指定区域55中的颜色的点。就RGB规范来说，好像区域55的颜色不存在一样。

本发明的另一特征是实现一种允许指定CIE可指定区域56中的所有这些颜色的***，如下进一步所述。

已为不同的应用提出了不同的RGB标准。RGB标准之间的主要差别是基色的定义。一个***定义的红色可能与另一***的红色有少许差别-对于绿色和蓝色来说同样如此。标准RGB色空间的例子包括ISO RGB、sRGB、ROMM RGB、Adobe RGB、Apple RGB和视频RGB空间(NTSC、EBU、ITU-R BT.709)。由于不同应用(扫描仪、数字照相机、监视器、打印机、电视机)的需求不同，因此不可能不存在通用的RGB标准。

图10证明不同RGC颜色指定***对显色的影响。图9的RGBGamut在图10中被复制，并被假定为上面提及的任意一个RGB颜色指定***。标记了RGB范围在标准红色1、标准绿色1和标准蓝色1之间的RGB规范***1。RGB范围在标准红色2、标准绿色2和标准蓝色2之间的第二RGB规范***2叠加在图10上。

由于它们基于标准红色、标准绿色和标准蓝色，因此利用RGB规范的定制颜色指定实际上仅仅相当于标准颜色的定义。由RGB***1指定为红色20％，绿色80％和蓝色0％的定制颜色图形上被表示成46，并且位于互连标准绿色1和标准红色1的直线的20％处。按照相同的方式利用RGB***2指定为红色20％，绿色80％和蓝色0％的定制颜色图形上被表示成47，并且位于互连标准绿色2和标准红色2的直线的20％处。尽管按照相同的方式指定两种颜色，不过由于不同的标准红色、绿色和蓝色的缘故，所得到的颜色46和47是可区分的。由RGB***1指定的红色33％，绿色33％和蓝色33％的定制颜色明显不同于由RGB***2指定的红色33％，绿色33％和蓝色33％的定制颜色。如果阴极射线管(CRT)制造商使用RGB***1，液晶显示器(LCD)制造商使用RGB***2，那么与LCD监视器相比，(R 20，G80，B 0)将被不同地显示在CRT监视器上。目标颜色是不可重复的。图10的结论是所得到的颜色输出非常依赖于RGB标准，并且不一定可重复。

显色装置的工程化通常规定特定的RGB标准。例如，电视机用CRT和计算机监视器用CRT使用分光镜把白光分成其红、绿和蓝分量。分光镜的物理学规定用于颜色生成的红、绿和蓝标准的CIE色坐标系定义。液晶显示器(LCD)类似地把每个像素分成红、绿和蓝子像素。通过白光滤波产生RGB子像素。类似于CRT，关于LCD的滤波处理的设计和物理学规定用于颜色生成的RGB标准的选择。分光镜或滤波器的显色装置设计强制决定RGB标准。反过来，根据RGB标准输出的呈现颜色依赖于装置设计。

用于建筑、舞台、剧场、现场表演和生产照明的最常见通信协议是DMX512。图11中表示了DMX512的分组结构。该协议允许以250000比特/秒(bps)的速率传送多达512个地址的8位(一字节)信息。该分组还包括位于分组的起点的报头信息，和尾部的检查和信息。在DMX512的一种传统实现中，每个光源需要几个字节的信息来控制色轮位置，左右转动(pan)，俯仰转动(tilt)，调光器或其它相关控制信息。

每个分组中的512个地址是固定的。例如，典型的照明***可由几个光源A、B、C等构成。512个可用地址中的第一个地址被定义为用于光源A的调光器的8位二进制控制。一旦进行了这种分配，那么对于以后传送的每个分组，第一个地址位置将继续用于光源A的调光器控制。同样地，一旦被分配，对于每个分组来说，第二个地址必定是光源A的左右转动控制。通过布线物理地导线连接地址位置，超出512个地址的增加需要更多线缆的成本和人工。

上面提及的通信协议供剧场照明***使用，所述剧场照明***的灯的数目有限，每个灯具有色轮，调光器，可能还具有左右转动或俯仰转动能力。目前存在DMX512的扩展，它以每种颜色输入-红、绿和蓝的8位控制利用DMX512。为了传送定制颜色定义，颜色被分成其组分-红色分量、绿色分量和蓝色分量。以0-255的尺度定义每种分量，0表示不存在该颜色的贡献，255表示该颜色的最大(100％)贡献。在传输之后，接收硬件合计红、绿和蓝分量，从而为用户呈现定制颜色。

DMX512协议的RGB实现的困难之一是标准RGB色空间的定义。就RGB色坐标系的使用来说，在来自不同制造商的照明控制台向来自其它制造商的固定设备传送颜色指定的情况下，通信出错的可能性极大。为了产生精确的显色，发送硬件和接收硬件都必须以相同的RGB标准进行通信。由于存在如此众多的RGB标准，因此这是一项难以完成的任务。

对与LED光源的通信来说，关于DMX512的RGB实现的使用并不理想，因为对于每个LED光源来说，它最少需要三个字节的信息。另外对于每个RGB还需要一个字节的控制信息。于是，每个光源消耗可用的512个地址中的至少三个字节，从而推断DMX512协议的RGB实现最多允许与170个LED光源(512/3＝170)通信。

本发明的另一特征是一种能够为LED光引擎组件传送精确的颜色指定和控制信息的通信协议。所述颜色指定能够指定任何可视颜色，并不局限于为红、绿和蓝分量的集合的那些颜色。颜色指定是可重复的，并且与设备无关。可通过现有的计算机或电信网络，实时地动态传递颜色指定数据。为了实现这样的***，LED光引擎组件都包含一个唯一的地址，以及呈现指定颜色的硬件和软件。

计算机或电信网络一般不向LED光引擎组件传送光控制信息。这样做的一些早期尝试不太成功，本发明人认为他们的第一个失败原因是利用红、绿和蓝分量的叠加的颜色指定来定义颜色。如上所述，RGB颜色指定不是标准化的、可重复的，或者与设备无关的。另外，RGB颜色指定不能处理所有的可视颜色。本发明人认为早期尝试的第二个失败原因是受限的DMX512照明协议到计算机网络的转移，而不是使目前的计算机网络协议适应LED光引擎组件。

在另一特征中，本发明提出一种用于把精确的颜色指定传给LED光引擎组件的协议。每个组件包含唯一的地址或名称，以致它能够区分供它自己之用的颜色规范与供照明***中的其它LED光引擎组件之用的颜色规范。人眼可见的所有颜色都可用该颜色规范来指定。这与目前的只使用红色、绿色和蓝色的叠加，并且只包含红色分量的256种选择，绿色分量的256种选择和蓝色分量的256种选择的***相反。光规范在现有计算机和电信网络的数据部分中传送，并实时地动态传给LED光引擎组件。

现在说明第一种实现的具体细节。本发明并不局限于这种实现，相反，第一种实现的细节增进本发明的进一步了解。

第一种实现利用传输速度为10Mbps的以太网通信协议，或者传输速度为100Mbps的快速以太网通信协议-为DMX512的速度的40或400倍。如图12中所示，这种实现在以太网上传播。标记为A-H的许多LED光引擎组件与现有的布局或网络77连接，许多计算机或工作站11也能够与网络77连接。照明控制台78也连接到网络77上。照明控制台78可以类似于DMX512的控制台，一种用于照明控制的专用计算机，或者具有LED灯专用控制硬件和软件的现有计算机。所述布局或网络77可以是如图12中所示的总线布局，集中星型(星型)布局，无线***，或者其它可接受的网络布局。以太网的数据通信速率的增大能够在本发明的这种实现中提供优点。

由于计算机、因特网、蜂窝电话网络和有线及无线连通在当今社会中的普遍使用，LED光引擎组件相对于与网络77类似的任何网络布局的加入和互连也是有益的。第一种实现的协议是基于以太网的协议，计划在以太网连通***上工作。从而，利用本发明的体系结构的照明***能够容易地加入具有现有的以太网基础结构的任何设施(即，办公楼、会议中心、***、剧场、住宅等)中。

本发明的第一实现中的颜色规范最好利用CIE色坐标系的(x，y，Y′)坐标，从而利用通用的色坐标系，而不是任意上述RGB标准来传送。可以使用照明规范数据的整数或浮点表示法。可以选择使用16位的整数表示法。浮点表示法需要至少32位，与整数算术相比，成本更高，效率较低。通过在来源和目的地恰当地按比例缩放，数值可被转换成整数。

存在其它独立于设备，并且也可被用于描述光输出的通用色坐标系。实验室模型使用明度，沿着绿到红光谱的“a”坐标和沿着蓝到黄光谱的“b”坐标。Munsell色系使用色调、值和色度这三个坐标。任意上述RGB标准或CMYK标准(青、洋红、黄或黑)也可传递目标光输出，不过RGB和CMYK***缺乏通用性并且依赖于设备，从而损害了光输出的质量。本发明并不局限于特定色坐标系的使用，不过CIE***可能是最有效的。

现有技术的LED光引擎组件并不包含内部地址。为了实现任意通信方案，每个LED光引擎组件必须包含可关于每个组件配置的一个电子地址。图13中表示了这样的实现，其中为本发明的该实施例增加一个电子地址20。这样，网络77上的每个组件10具有唯一的地址。地址20是当传递指示时，照明控制台78访问LED光引擎10的个体的方式。

图13表示包括可配置的地址20的LED组件10。另外，如图13中用虚线所示，LED组件还可包括存储器109，比如图7的实施例中的存储器109。即，LED组件10不一定需要存储如上所述的预先测量数据的存储器109，不过可以增加这样的存储器109，以获得本说明书中上面关于图1-8说明的实施例的所有好处。

就DMX512来说，最多存在512个地址，并且从一个分组到下一个分组，地址位置不能被互换。利用DMX512与另外的地址位置通信需要增加额外的布线。可取的是，本发明能够使用类似以太网的规范向LED光引擎组件10广播颜色规范。

图14详细说明了在图12的网络布局或者某一类似的网络布局上传送的以太网帧的结构。存在几种不同版本的以太网，包括以太网802.3，以太网II，以太网802.2和以太网SNAP，不过帧内容是相似的。64位的前同频码字段101表示帧的起点，并且使帧与网络同步。48位的目的地地址字段91识别数据帧的接收者。48位的源地址字段103识别数据帧的发送者。一些以太网版本使用16位的字段104来指定类型字段，其它一些以太网版本使用16位的字段104来指定长度字段。类型字段描述接下来的特定于设备的数据。长度字段量化数据的大小。数据字段92包含将从源传送给目的地的信息，可在46-1500字节之间。32位的帧校验序列106核实数据，并且允许接收者检查传输中数据损坏的可能性。

生成光的一种实现是使用如上所述的以太网帧-每一帧包含前同步码，目的地地址，源地址，类型或长度控制，数据和帧校验序列。每个分组中的最小数据量为46字节的信息。每个LED光引擎组件10是一个目的地，包含可配置的目的地地址20。每个LED组件10的光输出由传送颜色规范的照明控制台78控制。但是，为固定光源传送的数据一般只为6个字节-每两个字节(16位)分别用于(x，y，Y′)CIE坐标。一直到总共46个字节的其它字节必须用0填充。这种情况下，应存在6个字节的信息和填充的40字节的0；其效率的低下是显而易见的。

可在本发明中实现的一种改进修改供大量的目的地和将发给每个目的地的少量数据使用的以太网帧。本发明的改进帧的各个片段的细节如下所示：

(1)前同步码：和在以太网规范中定义的一样；

(2)目的地地址：指示应被所有光引擎读取的广播消息的二进制序列；

(3)源地址：产生该帧的源的二进制位置；

(4)类型或长度：和在以太网规范中定义的一样；

(5)数据：发给许多不同的目的地的46-1500字节的信息；该数据应包括目的地地址以及关于该目的地的控制信息，下面进一步详细说明；和

(6)帧校验序列：和在以太网规范中定义的一样。

用于本发明中的这种实现的通信帧的例子可如下所示。首先，假定存在大型办公楼中的由光源A、B和C等组成的建筑照明***，并且所有光源都是固定的-即，它们不能沿轨道来回移动，左右转动或俯仰转动。在这种应用中，能够实现利用如图15中描述的单个信息分组100的***。光控制信息的目的地地址111被嵌入数据块105的主体内。用来包含目的地地址111的字段还包含指示正在广播照明规范的二进制数据。广播分组的指示符用信号通知光源读取和评估整个传送的帧，因为数据字段包含照明控制信息。用于固定的灯固定设备的类似以太网的协议的数据字段92包含光数据组105中的数据，包括：

显示指定颜色的光源的目的地地址字段111；

光规范的CIE x坐标字段112；

光规范的CIE y坐标字段113；

光规范的CIE Y′坐标字段114；

数字字段92包含给网络77上的每个目的地的这种信息，如图15中所示。

如果每一帧能够包含1500字节的数据，并且寻址每个光源需要8个字节，那么每一帧能够用精确、独立于设备并且通用的颜色规范指定多达187个光源(1500除以8)。下一帧能够精确地控制相同的187个目的地，全新的一组187个目的地或者它们的一些组合。于是，本发明的协议允许大量的目的地地址分别接收少量的数据。这解决了直接以太网连接的一个缺点。通过用每个连续的帧寻址不同的目的地，本发明的协议***能够寻址数目无限的位置。也解决了DMX512的不能以有限(65536种变化)颜色规范寻址超过170个位置的问题。

还可关于运动光源，即能够来回移动、左右转动或俯仰转动的光源进一步一般化该协议。图16表示了用于运动光源的一个例证帧。该帧和图15的帧类似，从而许多特征被同样命名和编号。图16增加了配置字段121，左右转动字段122和俯仰转动字段123。配置字段121是定义数据字段中的信息的格式的二进制数，左右转动字段122指示光源的左右转动，俯仰转动字段123指示光源的俯仰转动。由于只需要指定光的颜色，因此固定光的***相对易于控制。由于除了利用(x，y，Y′)控制目标颜色规范之外，一些光引擎可能还需要控制左右转动，因此运动***更复杂。在其它情况下，只有俯仰转动控制被增加到目标颜色规范中。或者在一些情况下，需要控制左右转动、俯仰转动和位置，但是可能不需要目标颜色规范。于是，配置字段121传递帧的数据字段中的信息的格式。配置字段121、左右转动字段122和俯仰转动字段123可位于数据块105内，如图15中所示，或者包含在类型/长度字段104或者帧中的其它地方中。

在网络77内，所有的光规范不可能作为CIE坐标(x，y，Y′)到达LED光引擎组件10。为此，在本发明中，在网络上的任何光源10中可利用如下所示的变换算法。该变换算法可把(R_t，G_t，B_t)格式的目标RGB规范变换成CIE坐标(x_t，y_t，Y_t′)。该处理涉及做出关于标准红色51、标准绿色52和标准蓝色53或者目标输出的一些假设。必须出现这些值的假设的事实是把颜色指定为RGB的固有缺点。

该变换算法计算RGB色空间的中心的理论白色点，随后利用该白色点来计算变换矩阵的比例因子(S_r，S_g，S_b)。变换矩阵[M]被用于进行从目标颜色的(R_t，G_t，B_t)到目标颜色的三色值(X_t，Y_t，Z_t)的变换。通过使用定义方程136把三色值(X_t，Y_t，Z_t)转换成目标颜色的坐标(x_t，y_t，Y_t′)，算法130结束。整个算法的更多细节如下所示。

该变换算法从在RGB规范***中指定的目标颜色定义开始

给定(R_t，G_t，B_t)                                     (131)

该算法还需要RGB颜色规范的红色、绿色和蓝色的CIE色度坐标(x，y，Y′)。如果RGB颜色规范***未知，那么不得不假定CIE值。

给定或假定(x_r，y_r，Y′_r)，(x_g，y_g，Y′_g)，(x_b，y_b，Y′_b)  (132)

由于定义方程的缘故，对于任意颜色，不必给出z。

x+y+z＝1                                                  (133)

z＝1-x-y

计算RGB标准红色、绿色和蓝色的输出强度和y坐标之间的关系的线性比例常数(加权因子)。

m_r＝(Y′_r/y_r)

m_g＝(Y′_g/y_g)                                             (134)

m_b＝(Y′_b/y_b)

比例常数被用于计算RGB标准红色、绿色和蓝色的组合-理论上纯白色的CIE坐标。

$x_w=\frac{x_r{m}_r+x_g{m}_g+x_b{m}_b}{m_r+m_g+m_b}$ (135)

$y_w=\frac{y_r{m}_r+y_g{m}_g+y_b{m}_b}{m_r+m_g+m_b}$

Y′_w＝Y′_r+Y′_g+Y′_b

CIE坐标被转换成三色值，三色值只是一个用于描述颜色的不同坐标系。这两个坐标系之间的关系由下面的方程定义。

Y＝Y′ x＝X/(X+Y+Z)  y＝Y/(X+Y+Z)  z＝Z/(X+Y+Z)           (136)

根据上面的方程31和34能够很快导出下面的一般方程。

$\frac{x}{y}=\frac{X}{Y}$ $\frac{z}{y}=\frac{Z}{Y}$ $\frac{Z}{Y}=\frac{(1-x-y)}{y}$ (137)

这些一般方程可被用于产生RGB颜色规范标准红色、绿色和蓝色以及所得到的白色的三色值X，Y，Z的方程。

$X_r=\frac{x_r{Y}_r^{\′}}{y_r}$ Y_r＝Y′_r $Z_r=\frac{(1-x_r-y_r)Y_r^{\′}}{y_r}$

$X_g=\frac{x_g{Y}_g^{\′}}{y_g}$ Y_g＝Y′_g $Z_g=\frac{(1-x_g-y_g)Y_g^{\′}}{y_g}$ (138)

$X_b=\frac{x_b{Y}_b^{\′}}{y_b}$ Y_b＝Y′_b $Z_b=\frac{(1-x_b-y_b)Y_b^{\′}}{y_b}$

$X_w=\frac{x_w{Y}_w^{\′}}{y_w}$ Y_w＝Y′_w $Z_w=\frac{(1-x_w-y_w)Y_w^{\′}}{y_w}$

根据下面的方程，利用红色、绿色和蓝色标准以及计算的白色的三色值，计算比例因子(S_r，S_g，S_b)。

$\left[\begin{array}{ccc}{S}_r& S_g& S_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{X}_w& Y_w& Z_w\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}{X}_r& Y_r& Z_r\\ X_g& Y_g& Z_g\\ X_b& Y_b& Z_b\end{array}\right]}^{-1}---\left(139\right)$

这得到下面的变换矩阵。

$\left[M\right]=\left[\begin{array}{ccc}{S}_r{X}_r& S_r{Y}_r& S_r{Z}_r\\ S_g{X}_g& S_g{Y}_g& S_g{Z}_g\\ S_b{X}_b& S_b{X}_b& S_b{Z}_b\end{array}\right]---\left(140\right)$

目标颜色规范的三色值为(X_t，Y_t，Z_t)

[X_t Y_t Z_t]＝[R_t G_t B_t][M]                            (141)

三色值(X_t，Y_t，Z_t)随后可由定义方程(136)变换成CIE坐标。

$x_t=\frac{X_t}{X_t+Y_t+Z_t}$ (142)

$y_t=\frac{Y_t}{X_t+Y_t+Z_t}$

Y′_t＝Y_t

该算法的结束允许当指定[R_t，G_t，B_t]时CIE坐标(x_t，y_t，Y_t′)的使用。

总之，与DMX512和DMX512的变型相比，本发明的这一特征具有许多优点。以大量的变化定义颜色规范。采用了与RGB颜色标准的含糊性相对的CIE颜色规范标准的明确性。CIE规范的明确性的原因在于它与呈现设备无关，可重复并且能够指定所有颜色。在以RGB格式接收颜色规范的情况下，从RGB到CIE的变换算法是通信协议的一个重要特征。与借助每条物理线缆只能寻址170个目的地的DMX512的RGB实现相反，借助这里说明的协议几乎能够寻址数目无限的目的地。与DMX512的250Kbps速度相反，本发明能够使用速度在Mbps范围或者更高的高速计算机和电信网络。最后，对于式样翻新和新安装来说，现有网络的物理硬件使***费效比高。

显然，鉴于上面的教导，本发明的各种另外的修改和变化是可能的。于是在附加权利要求的范围内，能够以不同于这里具体说明的其它方式实践本发明。

Claims (16)

1、一种***，包括：

(a)网络；

(b)与所述网络连接的多个发光二极管(LED)组件，每个组件包括唯一地址；和

(c)与所述网络连接、并被配置成单独地向LED组件发送光控制信号的控制单元，所述光控制信号包括通用色坐标系中的颜色信息。

2、按照权利要求1所述的***，其中所述通用色坐标系是CIE色坐标系。

3、按照权利要求1所述的***，其中所述网络利用基于以太网的通信协议。

4、按照权利要求2所述的***，其中所述网络利用基于以太网的通信协议。

5、按照权利要求3所述的***，其中在以太网帧中提供所述光控制信号，在数据字段中，所述以太网帧包括指示LED组件之一的目的地地址和CIE色坐标信息。

6、按照权利要求5所述的***，其中在数据字段中，所述以太网帧还包括指示的LED组件之一的至少一个配置信息、左右转动信息和俯仰转动信息。

7、按照权利要求4所述的***，其中在以太网帧中提供所述光控制信号，所述以太网帧在数据字段中包括指示LED组件之一的目的地地址和CIE色坐标信息。

8、按照权利要求7所述的***，其中在数据字段中，所述以太网帧还包括指示的LED组件之一的至少一个配置信息、左右转动信息和俯仰转动信息。

9、一种***，包括：

(a)网络；

(b)与所述网络连接的多个发光二极管(LED)组件，每个组件包括唯一地址；和

(c)与所述网络连接、用于单独地向LED组件发送光控制信号的装置，所述光控制信号包括通用色坐标系中的颜色信息。

10、按照权利要求9所述的***，其中所述通用色坐标系是CIE色坐标系。

11、按照权利要求9所述的***，其中所述网络利用基于以太网的通信协议。

12、按照权利要求10所述的***，其中所述网络利用基于以太网的通信协议。

13、按照权利要求11所述的***，其中在以太网帧中提供所述光控制信号，所述以太网帧在数据字段中包括指示LED组件之一的目的地地址和CIE色坐标信息。

14、按照权利要求13所述的***，其中在数据字段中，所述以太网帧还包括指示的LED组件之一的至少一个配置信息、左右转动信息和俯仰转动信息。

15、按照权利要求12所述的***，其中在以太网帧中提供所述光控制信号，所述以太网帧在数据字段中包括指示LED组件之一的目的地地址和CIE色坐标信息。

16、按照权利要求15所述的***，其中在数据字段中，所述以太网帧还包括指示的LED组件之一的至少一个配置信息、左右转动信息和俯仰转动信息。

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