CN101558686B - 照明设备控制***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于控制一个或多个发光单元的***和方法，所述单元通过正向电流驱动以产生例如由照明设备使用的混合光。所述***具有用于获取反馈光学传感器数据的一个或多个光传感器以及提供表示期望的混合光的参考数据的用户接口。所述***还具有控制器，该控制器将传感器数据或参考数据变换成其它的坐标空间和确定在所述坐标空间中传感器和参考数据之间的差值。该控制器被配置用于在工作条件期间调节正向电流以便传感器数据匹配调整点数据。本发明还提供当变换光学传感器或参考数据时能够至少部分地补偿某温度所引起的效果的***和方法。
Description
技术领域
本发明涉及照明领域并且更具体而言涉及光源所发射光的色彩和强度控制。
背景技术
在诸如固体半导体和有机发光二极管(LED)的发光设备的光通量的开发和改善中的进步已经使得这些设备适于在普通的照明应用中使用，这些应用包括建筑、娱乐、和公路照明。发光二极管正在逐步地变得与诸如白炽灯、荧光灯、和高强度放电灯的光源具有竞争性。
固体照明的其中一个挑战是设计能够设置和保持由多种色彩，例如蓝色和黄色或红色、绿色和蓝色LED所发射的混合光的强度和色度的***和/或方法。当LED发射的光可以根据不同于提供给LED的电流的工作条件发生变化时这将能够成为挑战。传统上，能够校正这种依赖性的***应用基于由一个或多个光学传感器所提供信号的光学反馈。这些传感器能够检测发射光的一部分并且能够被用于确定被检测光的色度和强度。依次地，相应地能够使用有关所述色度和强度的信息调节LED的驱动电流。但是，必须解决大量的影响以使得能够产生有效的反馈控制。例如，首先，为了实际的目的，已知的成本划算的RGB色彩传感器的频谱响应并不足够精密地模拟人眼的频谱响应。其次，LED的频谱功率分布(SPD)能够随LED工作温度而改变。
例如，图1一起图示通过CIE色彩匹配函数
表示的标准人类观察者的归一化频谱响应和典型在商业上可获得的RGB色彩传感器的响应。清楚可见传感器特征并不精密地匹配标准人类观察者的特征。频谱失配，甚至小于图示的频谱失配，能够在基于反馈控制的多色彩LED的***中产生不期望的光效果。
正如在本领域中所熟知，通过Ф(λ)描述的SPD能够通过确定利用相应色彩匹配函数加权的SPD的平均值被变换成相应的CIE三色激励值。在用于上述CIE色彩匹配函数的以下方程中能够表示这种变换： 
和
这样，根据具有不足够精确响应的RGB色彩传感器提供的信号确定的三色激励值不可能提供CIE三色激励值的实际有用的指示。正如所熟知的，可以使用其他色彩匹配函数确定各自色彩空间中的各自激励。
诸如第6507159号美国专利示例的已知解决方案公开了一种用于根据以特定方式跟踪反馈和参考两者的三色激励值的RGB LED控制照明设备的方法和***。根据反馈三色激励值和参考三色激励值之间的比较调节驱动LED照明设备的正向电流，直到比较在两个激励值之间不产生差别。所述三色激励值被使用一定的滤波传感器组合进行确定。但是，甚至在温度被控制的实验室条件下，匹配滤波器和传感器以精确地产生CIE色彩匹配函数也是复杂的。所以，有用的滤波传感器组合是昂贵的，如GP.Eppeldauer在“A Reference TristimulusColorimeter”，Proceedings of the Ninth Congress of the InternationalColor Association of the Optical Engineering Society，SPIE 4421，第749-752页(2002)，Bellingham，WA，USA中所讨论的。而且，仅仅基于CIE三色激励值的反馈控制并不从强度中分离出色度(即色彩)，所以在抑制大量的不期望色度波动方面可能不是有效的。
B.T.Barnes在“A Four-Filter Photoelectric Colorimeter，”Journal of the Optical Society of America 29，(10)，第448-452页，(1939)中描述了，如何根据波长范围将色彩匹配函数
分离成和
以及这如何简化对于RGB传感器的频谱响应要求。Barnes定义：
其中l和s代表长和短波长区域。对于与实验室质量工具不同的情况，在现有技术中通常的实践是使用蓝色滤波器-检测器对响应的适当定标版本来表示
和
频谱响应。但是，这种方法通常并不解决如何减轻在工作期间不期望的RGB传感器频谱响应失配的效果。
B.A.Wandell和J.E.Farrell在“Water into Wine：ConvertingScanner RGB to Tristimulus XYZ”Device-Independent Color Imaging andImaging Systems Integration，Proc.SPIE 1909，第92-101页，(1993)中描述了如何通过使用能够在校准步骤期间根据最小平方解决方案预先确定的变换矩阵将RGB传感器数据转换成XYZ三色激励值。所述校准步骤使用来自理想CIE色彩匹配传感器的数据以及从每个传感器的一组SPD的测量获得来自非理想RGB传感器的校准数据。但是，Wandell没有教导使用具有实时反馈设备的最小平方解决方案，或者将其应用于光源控制。所述变换仅仅被应用于图像每个像素的测量的RGB色彩传感器数据。
G.D.Finlayson和M.S.Drew在“Constrained Least-SquaresRegression in Color Spaces，”Journal of Electronic Imaging 6，(4)，第484-493页，(1997)中描述了类似于以上Wandell等人提出的遭受相同限制的解决方案的方法。
图2图示RGB LED模块在两个不同工作温度但是相同静态工作条件下所发射光的SPD的实例。周围环境温度一次在25摄氏度和一次在70摄氏度。进一步对于不同工作温度的影响，在不同色彩LED中的不同LED驱动电流能够导致不同等级的功率消耗并因此导致不同的LED结温度。当比较在不同峰值波长位移中的SPD和不同地加宽的不同SPD时这种情况能够出现，并且因而能够使得混合光的色度根据每个LED的驱动电流和工作温度以非线性的方式进行改变。另外，不同色彩LED之间的热耦合能够在LED结温度之间产生相互依赖性。因此，熟知的Grassman色彩叠加律可以不提供混合光色彩的精确描述同时不考虑LED的自加热和交叉加热效果以及被应用检测所产生的光的任何光学传感器。
所以照明设备反馈控制***能够经受大量的影响，包括具有不同灵敏度的RGB传感器将提供对于相同SPD的光的不同唯一响应的问题。以上描述的色彩LED的SPD变化还将在RGB传感器的响应中产生变化。所以，响应于SPD变化的RGB传感器信号的变化也将是唯一的。进一步，近似理想传感器的RGB传感器将响应于相同的SPD，提供与理想传感器相比较而言不同的信号。而且，RGB传感器的响应还可以随其温度发生变化。
所以需要一种能够有效地控制照明设备所产生光的照明设备控制***和方法。
这种背景信息被提供以揭示本申请人相信的可能与本发明有关的信息。并不一定意味着承认，或者应该被解释为，任何之前的信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供照明设备控制***和方法。根据本发明的一个方面，提供一种控制由正向电流驱动的一个或多个发光单元(LEE)以产生混合光的方法。所述方法包括以下步骤：获取表示混合光的传感器数据；提供表示期望混合光的调整点(setpoint)数据；将传感器数据变换成在预定色彩坐标系的坐标中表示的第一数据；将调整点数据变换成在所述预定色彩坐标系的坐标中表示的第二数据；比较第一和第二数据以及确定第一和第二数据之间的差值；响应于第一和第二数据之间的差值调节所述正向电流以便减小所述第一数据和所述第二数据之间的差值。
根据本发明的另一个方面，提供一种控制由正向电流驱动的一个或多个发光单元(LEE)以产生混合光的***。所述***包括获取表示混合光的传感器数据的一个或多个光学传感器；提供表示期望混合光的调整点数据的用户接口；控制器，该控制器将传感器数据变换成在预定色彩坐标系的坐标中表示的第一数据，所述控制器还将调整点数据变换成在所述预定色彩坐标系的坐标中表示的第二数据，所述控制器还比较第一和第二数据以及确定第一和第二数据之间的差值，所述控制器进一步响应于第一和第二数据之间的差值调节所述正向电流；其中所述控制器被配置用于减小所述第一数据和所述第二数据之间的差值直到所述差值的绝对值降低到低于预定的门限。
附图说明
图1图示通过CIE色彩匹配函数表示的标准人类观察者的归一化频谱响应和典型在商业上可获得的一组RGB色彩传感器的响应。
图2图示在25摄氏度和70摄氏度环境温度工作的RGBLED模块的两个SPD的实例。
图3图示根据本发明的一个实施例用于基于LEE照明设备的反馈和控制***的体系结构。
图4图示根据本发明一个实施例的RGB色彩空间的递归三角形划分的实例。
图5图示根据本发明一个实施例的LEE工作温度补偿方法实例的方框图。
图6图示根据本发明一个实施例的白色模式转换的处理实例的方框图。
图7图示根据本发明一个实施例的用于色度模式转换的示意性色彩范围映射处理的方框图。
图8图示根据本发明一个实施例的示意性通用转换方法的方框图。
图9示意性图示根据本发明一个实施例的应用PI控制方案的反馈和控制***。
具体实施方式
定义
术语“LEE”用于定义当例如通过在其两端应用电势差或使电流通过它进行激励时，在例如可见区域，红外和/或紫外区域的电磁频谱的区域或区域组合中发出辐射的设备。所以发光单元能够具有单色、准单色、多色或宽带频谱发射特征。发光单元的实例包括半导体、有机体、聚合物/聚合体发光二极管、光学泵浦荧光体涂层发光二极管、光学泵浦纳-晶体发光二极管或如本领域普通技术人员容易理解的其他类似设备。而且，术语发光单元被用于定义发出辐射的，例如LED晶片(die)的具体设备，并且能够同样被用于定义发出辐射的具体设备与外壳或封装在一起的组合，所述具体设备被放置在外壳或封装内部。
如这里所使用，术语“大约”指从标称值的+/-10％变化。应该明白这种变化总是被包括在这里提供的任何给定值中，无论它是否被特别提及。
除非以其他方式定义，这里使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域的普通技术人员通常的理解具有相同的含义。
本发明提供用于控制被提供给照明设备中一个或多个LEE的电流的反馈和控制***。所述反馈和控制***能够与用于检测LEE所发射光的一部分的光学传感器、用于与用户信息交换的用户接口和温度传感器***进行交互操作。所述温度传感器***能够包括用于监控LEE温度的LEE结温度传感器***以及还可选地包括用于监控光学传感器温度的传感器温度***。
根据本发明，所述反馈和控制***能够被如此配置以便这里使用的一定信号与选择的预定期望色彩空间坐标中光的色彩或强度相关。相关度能够是直接线性成比例的。这些信号能够包括***的输入和输出信号或通过将其变换到预定的期望色彩空间中而推导的信号。这些信号能够包括指示***调整点的信号。***的调整点描述***的期望输出以及可以在触发两个期望状态之间转换的操作期间通过用户进行改变。所述***可以被配置用于以大量典型预定的方式执行所述转换。
对于反馈控制，为了确定输出和调整点信号之间的差值能够比较这两个信号。差值典型被认为是输出与调整点的偏差。然后使用每个差值确定对每LEE组各自电子驱动电流的改变，其中所述对驱动电流的改变是减小照明设备的各自瞬时输出和期望输出之间的差值所需要的。所以在调整点信号或传感器信号或二者中被编码的信息需要在公共色彩空间中在它们能够被比较之前是可获得的。所以，任何一个信号或两个信号可能需要被变换到选择的公共色彩空间中。根据本发明，所述公共色彩空间是以上讨论的预定的期望色彩空间。通常，控制器被配置用于响应于瞬时和期望输出的比较，调节发光单元的驱动电流。根据本发明的实施例，调节驱动电流以减小表示瞬时输出的反馈RGB传感器数据和描述期望输出的调整点RGB数据之间的差值，直到所述差值的绝对值小于预定的门限。
根据本发明的一个实施例，可以通过光学传感器在光学传感器的某预定工作条件的响应定义公共色彩空间。特别是，每个响应可以被用作坐标系的基准函数，所述坐标系被应用于定义预定的期望色彩空间。
应该注意到上述瞬时输出表示照明设备的LEE所发射光与各自传感器交互作用时的输出。瞬时输出将典型在以后被处理以及延迟将取决于反馈***的特性。正如所知，在它实际上被处理时的反馈信号的瞬时值典型对应于之前输出，该之前输出取决于它传播输出信号通过反馈***部分直到其通过反馈和控制***被处理为止所花费的时间。在数字控制***中，由于可能仅以间隔或在某时间取反馈回来的输出信号的采样，所以附加延迟可以出现。反馈和控制***中的延迟还可以因为在存储器中保持来自被采样信号的数据直到该数据被处理而出现。
根据本发明的一个实施例，所述反馈和控制***被配置用于将RGB传感器数据变换成参考数据的坐标并且比较二者。根据另一个实施例，所述反馈和控制***被配置用于将参考数据变换成RGB传感器数据的坐标并且比较二者。根据再一个实施例，所述反馈和控制***被配置用于将参考和RGB传感器数据变换成预定色彩空间的坐标，该色彩空间不同于参考和RGB传感器数据的色彩空间。通常所述反馈和控制***被配置用于响应于输出或被采样信号和调整点信号的比较，调节发光单元的正向驱动电流以减小所述RGB传感器数据和参考RGB数据之间的差值，直到所述差值的绝对值不再超出期望的预定门限为止。
反馈和控制***的控制方法和动态特性
根据本发明，无论何时反馈和控制***处理输入或调整点值，或输出值，例如以便确定输出与调整点的偏差，都可能需要考虑一定的工作条件和有关***工作模式的信息。所述***可以处于静态工作模式中，在该模式中对于用户明显的是***的输入和输出参数并不改变或所述***可以在转换模式中工作，在该转换模式中输出参数随输入参数的改变而改变。尽管输入和输出参数可以不改变，但是描述***或其组件的状态的内部***参数和变量可以变化。转换模式包括例如，当照明设备所发射光的色彩或强度从初始值转换到期望的目标值时。因此，反馈和控制***需要也在转换模式为有效时检测和充分地处理***状态。
根据本发明，例如，数字反馈和控制***可以以步进迭代的方式实施转换，每次以预定的或动态确定大小的递增步长修改色彩或色度或二者直到获得期望的输出。如果转换正在进行中以及接收到需要新转换的命令，所述反馈和控制***可以在它启动新转换之前等待初始转换的完成。可替换地，当初始转换正在进行中时，所述***可以更新转换参数，以及如果需要，调节转换的定时以便能够根据预定的或以其它方式期望的时间表来实现该转换。不同的实施例可以按各种不同的组合使用这些不同的方法。
控制***还可以以时间多路复用的方式执行叠加转换以及可以被配置用于完成、更新或甚至以预定的方式中断一个或多个正在进行的转换。所述控制***还可以被配置用于同步叠加时间多路复用的转换以便获得期望的照明效果。不同实施例可以被配置用于以不同的速率或频率执行步进转换。例如，可以以50Hz执行步进强度调节。
当反馈和控制***确定用于照明设备的LEE的新驱动电流时，它还能够根据当时包括照明设备的整个***的设计和工作条件验证驱动电流不超出允许的最大驱动电流。根据本发明的一个实施例，所述反馈和控制***可以将驱动电流从初始确定的值往回定标以便防止可能不期望的或对于包括照明设备的***组件有害的一个或多个影响。这些影响可以包括由于例如强度增加引起的过热，闪烁和不期望的色彩偏差。驱动电流可以以大量不同预定的方式被往回定标，所述方式根据被需求减轻的特定原因或影响可以是不同的。这可以包括一个或多个LEE的变暗，所述LEE本身不可以甚至是过热的但是需要变暗以便例如保持期望的色度，因为需要减小一个或多个其他LEE的驱动电流以防止它们过热。
应该注意到可以以包括例如模拟或脉冲格式的大量不同格式提供驱动电流。脉冲格式可以包括脉冲宽度调制的、脉冲编码调制的或脉冲密度调制的驱动电流。还应该注意到脉冲方案可以另外通过频率、幅度或脉冲持续时间进行调制以便提高时间平均的驱动电流分辨率，抑制在低平均驱动电流不期望的闪烁或编码例如响应于驱动电流所产生光中的附加信息。所以驱动电流控制和定标可以是调节例如驱动电流的脉冲宽度、脉冲幅度或脉冲密度的事情。应该注意到不同实施例可以应用这些或其他熟知数字以及模拟驱动电流控制方案中的一个或其它们的组合。
所述***可以以可感知线性的方式包括例如平方律或对数变暗执行强度转换，或者可以使用其他替换的期望的预定变暗曲线。
对于改善的稳定性和响应时间，所述反馈和控制***可以被配置用于根据驱动电流的幅度或反馈或传感器信号的强度以预定的方式改变大量的内部控制参数。内部控制参数可以是确定各自的比例积分微分(PID)差信号的校准因子或其他已知参数，所述参数可以被调节以便实现反馈和控制***的动态特性。为此，反馈和控制***可以获取和保持有关特征工作条件的数据和使用该数据用于自校准目的和改善的控制。不同的实施例可以在非易失性存储器中存储该数据和参与基于预定方案的自校准温度评估，例如当例如在工作条件的预定范围内或在预定的间隔或频率进行工作时。
采用反馈和控制***的基于照明设备的***的体系结构
图3图示根据本发明的采用反馈和控制***的照明设备组合的体系结构实例。所述照明设备包括用于产生光的一个或多个LEE40。LEE40经由电流驱动器35被电气连接到电源30。电源30能够基于例如AC/DC或DC/DC转换器。具有多个彩色LEE的照明设备能够包括用于每种色彩的单独的电流驱动器。单独的电流驱动器能够被用于每次提供不同的正向电流给不同的彩色LEE40。
提供一个或多个RGB传感器50，该传感器能够被校准以检测照明设备所产生光的光通量输出。在一个实施例中，为每种色彩的LEE40提供单独的光传感器50。另外，能够将色彩滤波器与一个或多个光传感器50相关联。每个RGB传感器40被电气连接到能够将检测的信号转换成通过控制***60处理的电信号的放大器和信号转换器55。
如图所示，控制***60能够控制放大器和信号转换器55的放大和积分控制信号。应该明白，每个RGB传感器50能够检测足以提供稳定的光电流和给信号提供足够的信噪比的光通量的数量。RGB传感器50可以被屏蔽以抑制散落的(stray)或周围环境光被它们检测到。但是，替换的实施例可以被配置用于例如检测周围环境光。
用户接口65被耦合到控制***60和提供用于从用户或其他控制设备获得照明设备的与期望的色温、色度和/或期望的光通量输出有关的信息的装置，所述控制设备诸如例如是可编程24小时定时器、剧场照明控制台或本领域普通技术人员将会容易明白的其他适当的设备。包括用户接口的整个***可以以大量不同的方式进行配置以允许不同的方式控制一个或多个照明设备所发射的光。可能的***配置可以给用户提供范围从直接修改所发射的光到输入信息以预编程照明程序的能力，所述程序可以通过***在期望的时间、间隔等等被自动地执行。
用户接口提供的信息被转换成适当的用于控制***60使用的电参考信号。控制***60另外从光传感器50接收与来自照明设备的光通量输出有关的反馈数据。控制***60因此确定用于发送到电流驱动器35的适当控制信号以便获得照明设备所产生光的期望光通量和色度。控制***60能够是微控制器、微处理器或本领域普通技术人员将会容易明白的其他数字信号处理***。
在一个实施例中，如在图3中图示，控制***60能够可选地被可操作地耦合到一个或多个LEE温度传感器45。LEE温度传感器45提供有关在工作条件下LEE40的温度的信息。有关LEE40温度的信息然后能够被用于补偿温度诱发的光通量变化和特征LEE特定温度诱发的峰值-中心波长位移。
例如，通过测量LEE的正向电压，测量与LEE热接触的热敏电阻的电阻，或热电偶的电压能够确定LEE40的温度。因此，控制***60能够控制电流驱动器35从而以前馈的方式适配所述组LEE40的驱动电流。
类似地，一个或多个温度传感器单元45能够提供有关光学RGB传感器50的工作温度的信息。该信息能够用于解决光学传感器的频谱响应的温度相关的改变和补偿不期望的相应效果。
在一个实施例中，控制***60响应于来自RGB传感器50和温度传感器45的信号，因为仅仅响应于光传感器50的数字反馈控制***60能够在维持恒定光通量输出和色度中表现出较低的长期稳定性。
根据本发明的实施例，温度传感器单元能够是正向电压传感器***或用于确定照明设备的LEE的工作温度的其他温度传感器单元。如在图3中图示，控制***的实施例能够被配置用于处理一个或多个电压传感器单元70提供的信号。电压传感器单元被可操作地连接到照明设备的LEE以便检测LEE40的正向电压。如在本领域中所已知的，能够基于各个LEE的瞬时驱动电流处理电压传感器信号以便确定LEE的结温度。例如，能够利用具有中心频率等于大约AC线路频率两倍的带通滤波器滤波电压传感器信号。控制***60能够可选地持续地采样电压传感器信号以测量由不完全电源滤波引起的剩余波纹电流和调节电流驱动器35的PWM驱动信号的占空比周期以便减轻对于来自LEE40的光通量输出的不期望效果。电压传感器信号的采样频率能够被配置成典型大于大约300Hz以便最小化可视的闪烁。
现在将参考具体实例描述本发明。将会明白以下实例意图用于描述本发明的实施例并且无意图以任何方式限制本发明。
实例
实例1
在第一实例中，所述控制***能够被配置用于读取RGB传感器数据[R G B]和应用预定的变换以便推导LEE所发射光的CIE三色激励值X、Y和Z的近似值。这能够通过例如利用线性代数关系
对控制***编程来执行，其中使用3×3变换矩阵
NT是转置以及N+是N的伪逆。M是理想三色激励值Mij的n×3矩阵以及N是用于n个SPD的相同集合的RGB色彩传感器数据的相应n×3矩阵。M和N能够在校准步骤期间被确定，所述步骤使用n个SPD和利用RGB色彩传感器表征它们以确定N以及，例如，利用精确校准的分光计确定M。接下来能够例如通过使误差函数
最小化来通过最小平方解决方案确定T。这种方法能够提供减轻在用于SPD训练集合的测量的RGB传感器数据和测量的理想传感器数据之间的三色激励空间中的平均RMS误差的方式。应该注意到使用在校准处理期间获得的T从SPD的[R G B]获得的[X Y Z]是线性内插的近似值。
正如在本领域中所熟知
以及
其中通过CIE三色激励值Y表示强度。在一个实施例中，控制器被利用不同的预定矩阵TxyY配置以直接利用色度坐标x，y和强度Y将[R G B]值转换成坐标空间[x y Y]，在本例中
应该注意到每组RGB值被与特定色度和强度相关联。为了实际目的，如果RGB传感器的增益对强度而言充分线性地定标，则因此由控制***通过足够地定标所有RGB值能够实现强度中期望的改变。
另外，能够使用除方程5的误差函数之外的误差函数，例如，绝对差值的求和。进一步，对[X Y Z]和/或[R G B]矩阵中的每个值在误差函数中可以被赋予不同加权以便获得不同的期望的控制效果。
最小化过程能够使用除[X Y Z]之外的坐标空间。应该注意到，CIE1931色度坐标x和y是感知非线性的以及，如果色彩反馈***控制光源，能够有利的是以某种感知的意义线性化x和y。例如，CIE1976等色差表色系(UCS：Uniform Chromaticity Scale)色彩空间坐标提供线性化的这种形式和通过(CIE 2004)如下给出
和
所以在本发明的实施例中能够使用坐标[u’v’Y]。应该注意到还有可能变换成其他的诸如CIELAB的感知统一色彩空间，其中度量是色彩差值。这样要求可能需要更为复杂处理的三色激励值的非线性变换。
使用xyY或u’v’Y坐标用于色彩反馈控制的优点是色彩和强度被单独地表示。所以能够通过定标Y而不需要对xy或u’v’的附加计算实现强度中期望的改变。分离成实际上能独立改变且基本上没有相互影响的不耦合的色彩和强度参数，能够帮助减小在数字处理期间由浮点计算量化误差引起的不期望的色度漂移。
实例2
在另一个实施例中，就计算效率来说可以有利的是直接使用反馈未加工RGB传感器数据操作控制***。在这种实施例中，控制***不再必须在每当该数据被反馈时变换RGB传感器数据。相反，用户指定的输入数据被从诸如例如XYZ三色激励或xyY色度和强度的坐标变换成RGB传感器坐标，以便控制***比较调整点与RGB色彩反馈数据。在这种实施例中，变换需要仅当用户指定输入数据改变时发生。在本实施例中所述控制***在RGB传感器坐标中进行操作以设置和保持期望的色度和强度。
对于预定的变换T，能够从以下方程确定目标RGB值：
应该注意到在方程11中使用的变换T可以被如上确定。可替换地，可以直接以除利用在XYZ色彩空间坐标中定义的各自误差函数而不是在方程5中使用的RGB色彩空间坐标中的RGB值之外与上述相同的方式确定T-1。
如果0≤RT≤Rmax，0≤GT≤Gmax，和0≤BT≤Bmax，以及其中Rmax，Gmax和Bmax是当LEE以全功率工作时各个RGB色彩传感器输出的最大可达到值，那么用户指定XYZ或其它，例如，xyY值位于LEE的色彩和强度整个范围内。如果不满足任何这些条件，那么LEE不能够获得指定的色彩和/或强度。
实例3
在本实施例中所述控制器被配置用于将一个或多个预定RGB传感器数据中的每个数据变换成各自预定的期望色彩空间，例如XYZ数据同时如上所述变换剩余的RGB传感器数据的训练集合，即使剩余数据的平均最小平方误差被增加。可以使用该实施例保证控制***能够执行保持白光RGB传感器数据的校准处理。
校准方法的附加约束能够被表示为Mw＝NwT，其中Nw是预定“白色”SPD的RGB传感器数据，以及Mw是相应的XYZ三色激励值。所述变换矩阵能够通过以下方程确定：其中Tj是T的第j列，Mj是M的第j列，以及Mw＝[1 1 1]。
在一个实施例中利用有利于CIE三色激励值XYZ的CIE1976 UCS色彩空间坐标u’和v’以及强度Y配置所述控制器。
实例4
在本发明的一个实施例中，最小平方方法的形式能够被用于在色彩坐标系之间进行变换。最小平方和受约束的最小平方解决方案都是在RGB坐标和XYZ三色激励坐标之间的线性仿射变换。这隐含地假设LED驱动器和RGB色彩传感器的非线性足够的小从而最大误差如下：
以及对于所有实际目的和本实施例的RGB传感器数据是可接受的小。
如果例如ΔEmax超出预定的门限，那么RGB色彩空间坐标中的RGB LEE的色彩范围能够被细分。通过增加用于内插的采样点数量和应用更精确的色彩空间的采样光栅能够使得容易实行这种细分。例如，如在图4中图示，这能够被使得容易实行。图4图示RGB色彩空间的递归三角形划分的实例。然后能够使用每个三角形t的顶的相应目标坐标，例如u’v’和u’v’Y，为每个三角形t计算一个变换矩阵Tt。位于LEE整个范围内的一组RGB色彩空间坐标然后能够适合位于一个特定三角形内以及然后被使用用于该三角形的变换矩阵Tt进行变换。
当确定变换矩阵{Tt}时考虑一个方面是相邻的一对这些矩阵沿公共边缘和顶部将数据变换成相同的目标坐标而不考虑两个矩阵中的哪一个在RGB向量的变换中被使用。当确定三角形网格的最小平方解时通过应用适当的边界条件于误差函数，这能够被使得容易。
例如，如果给定测量的RGB向量，必须确定它占据哪个三角形以及因此应该应用哪个变换矩阵。方法实例包括以下：
其中n＝2s，s是递归划分的等级，以及M是具有存储的三角形下标的三维数组。大约数组元素的四分之三将是无效的，因为它们不能够被通过xyz索引。如果需要节省存储器，M能够使用已知的计算科学技术被存储作为稀疏数组，或者使用判定树可编程地实现所述数组。在第7140752号美国专利中也描述了递归三角形解决方案，其中定义表示恒定发光强度和色度的超平面的多元函数通过分段线性函数而不是径向基函数表示。
实例5
在上述实施例中控制***能够可选地与温度补偿方法进行组合。正如所述，LEE的SPD以及RGB色彩传感器的信道增益可以表现出显著的温度依赖性。因此，RGB色彩传感器数据能够取决于LEE的工作温度以及有可能取决于RGB传感器的工作温度，其中在如上定义的一个或多个变换矩阵T中标识这些依赖性。
在一个实施例中SPD和RGB信道增益的温度依赖性可以在其工作温度的整个范围上被线性地内插以及能够使用用于预定的一个或多个低工作温度的变换矩阵以及用于预定的一个或多个高工作温度的另外的一个或多个变换矩阵配置所述控制***。在测量的一个或多个温度，将RGB传感器数据变换成例如u’v’Y或xyY然后是线性内插高和低温度变换的被变换RGB传感器数据的问题。在本实施例中反馈***能够被配备用于获得LEE和/或RGB传感器的温度的装置。对于在这些极限值之间的工作温度，能够使用两个矩阵确定两组色彩反馈***参数，以及期望的参数能够在用于每个色彩信道的这些值之间被线性地内插。
在另一个实施例中，所述控制***能够被配置用于在一组预定连续工作温度间隔的每个间隔内分段地线性内插。所述工作温度间隔能够覆盖工作温度的整个期望的范围。这可以帮助抑制使用仅仅一个间隔在工作温度的整个范围上由线性内插引起的可感知发光假象的产生。
图5图示根据本发明一个实施例的LEE工作温度补偿方法实例的方框图。在第一步骤中，例如基于从温度传感器或正向电压传感器获得的信号，确定LEE工作温度。应该注意到为了数字处理可以将所述传感器信号从模拟格式转换成数字格式。可以根据以下表格确定基于RGB的具有相应数量传感器的LEE照明设备的LEE工作温度。含义
对于白光，能够计算其他温度校正因子。该校正因子可以由在黑体轨迹(black body locus)上两个点的温度校准构成。这些常量然后能够在所述轨迹上基于当前目标CCT的mirek输入被线性地变化。这种计算的实现实例在以下表格中图示。含义
通常为给定CCT或mirek值计算的用于白光的上述校正因子，然后能够被应用于根据本发明的一个实施例，使用以下表格中的公式计算适当的发光单元温度校正。含义
如对于本领域普通技术人员将会明显的是，对于彩色光可以实现类似的计算。
类似地，可以在本发明的实施例中采用传感器信号的温度补偿。信号可以从大量的不同温度传感器获得，其中可以使用A/D转换器将所述信号进行模数转换。以下表格提供根据本发明的一个实施例，使用被温度校正的传感器信号的一个实现。含义
在本发明的另一个实施例中，可以基于调整点S(R，G，B)而不是实际的瞬时传感器信号来近似传感器信号的温度补偿，在本实施例中，传感器温度校正能够被如下定义：
在本实施例中，由于它基于调整点而不是瞬时信号，所以能够更快速地更新PTC(R，G，B)常量。
实例6
众所周知，人眼对于光强度改变的敏感度是非线性的。换言之，强度中的相对改变不会被感知为亮度中相同的相对改变。Rea，M.，Ed.2000在“The IESNA Lighting Handbook”，Ninth Edition.NewYork，NY：Illuinating Engineering Society of North America，p.27-4中描述了如何使用平方律变暗来近似线性亮度变暗。正如已知的，能够通过归一化和然后平方期望的强度实现可感知的线性变暗。为了利用多色彩光源诸如例如基于RGB LED的照明设备实现可感知的线性变暗，必须首先确定色彩强度的初始比率以及然后在变暗期间保持这些比率以便也能够在期望的新强度保持相同的色度。在一个实施例中所述控制***能够被配置用于使用以下程序平方律变暗：
实例7
正如所熟知的在诸如例如CIE1931色度，CIE1976 UCS或照明设备特定RGB等等的任何线性色彩空间中满足Grassman色彩叠加律。为了在两个用户指定色彩之间平滑地逐渐转换，所以沿两个指定色彩之间的直线线性内插色度就是足够的。但是，当其在微控制器或类似处理***中被实施时这可能需要浮点指令以及可能减慢控制***的性能。所以，对于在初始和期望目标色彩和强度之间的实时渐弱，使用差分数字分析算法沿直线内插是有用的，所述算法例如Ashdown在“Radiosity：A Programmer’s Perspective”，New York，NY：JohnWiley&Sons，pp.200-202，(1994)中描述的算法。
实例8
在例如适合用于需要产生白光的应用的另一个实施例中，能够利用黑体轨迹的一组连续的分段线性间隔配置所述控制***，所述轨迹覆盖色温的期望的范围。然后通过沿两个用户指定CT之间的分段线性黑体轨迹线性地内插色度执行在两个用户指定色温(CT)之间平滑的白光渐弱。在一个实施例中，沿黑体轨迹的CT间隔在互逆的(reciprocal)色温中被均匀地间隔。在本领域中使用的典型单位是10-6K-1，也被称为微倒度(microreciprocal)Kelvin或mirek单位。然后在CIE 1976 UCS色彩空间中的线性内插近似地等效于在逆CT空间中的线性内插以及所述***能够被校准以使用实际相关的分辨率，例如在mirek中被方便量化的分辨率。
实例9
对于需要来自照明设备的基本上最大光通量输出的应用，可以使用以下的方法：
其中Rt，Gt和Bt是在被应用强度变暗之前的目标RGB值。这种算法能够保证在缺少强度变暗中，红色、绿色和蓝色LED在基本上最大的强度和用户指定色彩进行工作。
目标RGB值需要被转换成如上所述LEE驱动器或等效地，用于模拟LEE驱动器的电流乘法器的脉冲宽度调制占空比因子D。这能够通过以下计算实现：
其中：
其中当红色、绿色和蓝色LEE以全强度进行工作时，每个矩阵元素对应于所产生的相应RGB传感器值。
根据本发明的一个实施例，由于工作温度，输入强度定标可能因为两个不同的原因而被需要。通常，所述强度将被限制于获得的两个极限中较低的一个。第一强度定标从限制的LEE工作温度产生。根据一个实施例，当LEE温度超出预定的最大LEE工作温度，例如大约90摄氏度时，最大可允许强度被根据预定的温度额定值下降(temperature de-rating)表格往回定标。以下给出一个表格实例。这将保证LEE温度不超出最大的LEE温度而不管色度或强度调整点。应该注意到为了实际目的LEE结温度不可以超出从附近放置的专用温度传感器所推断的温度大于某偏移温度的幅度，例如大约10摄氏度。所以，温度额定值下降表格可以被限制于大约80摄氏度。但是，LEE的结温度可以直接地从其正向电压推断，所述电压可以使得不需要在反馈控制***的配置中考虑温度偏移。
在PWM控制的实施例中，第二强度定标算法能够在PWM信道之一达到其最大值的情况下保证恒定的色度。在一个实施例中，当PWM电平达到第一门限值时递减最大可允许强度。如果和当最大PWM值下降到低于第二门限值时所述最大强度将递增。
通常，如上所述，***将典型使用上述两个可允许强度值中的较小强度。以下表格概述根据本发明一个实施例的强度额定值下降实例，和提供门限和定标值实例。
实例10
如上所述，由反馈和控制***操作各种数据和参数。图6、7和8提供有关本发明的数据转换、表示和变换实施例方面的进一步细节。所使用方法的示意性示例实施例包括三种不同类型的数据，包括本地参数，持久属性和全局变量。本地参数被图示为实线箭头并且表示在给定函数中传递用于唯一用途的函数调用参数。持久属性被图示为虚线箭头，并且由单独的控制管理固件模块进行管理，和保存在非易失性存储器中。全局变量被图示为黑体箭头和包括在各个固件模块上需要的全局范围的临时变量。这些实施例可以在固件中实现。
图6图示用作被应用于产生白光的方法一部分的白色模式转换的处理实例的方框图。所述方法包括CCT(相关色温)范围减小处理和CCT内插处理。这些处理能够被用于将超出照明设备整个范围的输入CCT或色度映射回到相应可获得的CCT和色度上。
CCT范围减小处理保证被请求的CCT位于照明设备能够支持的范围内。所述数据可以以mirek被校准和如在以下表格中所描述那样被实现。含义
根据一个实施例，使用CCT内插处理将输入CCT值映射到用于一个或多个光学传感器的调整点值中。因此为每个色彩信道运行在以下表格中概述的内插处理，例如为基于RGB的照明设备运行三次，以计算目标色彩空间中的目标传感器信号。含义
图7图示用作被应用于在期望色彩空间中产生期望色度彩色光的方法一部分的色度模式转换的色彩范围映射处理实例的方框图。色度模式转换类似于在图6中图示的CCT转换。使用范围映射处理映射/减小在照明设备范围外部的输入色度回到该范围内的近似色度上。在以下表格中图示使用u’v’色度坐标的实施例。含义
在图7中图示的色彩内插模块被用来输出目标色彩点，例如RtGtBt，以及在一个实施例中，能够如在以下表格中所描述被实现。含义
图8图示如在上述色彩和白色模式转换方法中都使用的通用转换方法实例的方框图。以下表格提供通用转换方法的每个子模块的实现实例。
能够如在以下表格中所描述执行和实现强度转换。含义
能够如在以下表格中所描述执行和实现色度转换。含义
能够如下以下表格中所描述执行和实现RtGtBt定标。含义
实例11
在图9中示意性图示了采用比例积分(PI)反馈控制方案的反馈和控制***的实例实施例。使用在以下表格中提供的方程能够实现所述实例。如图所示，实施例并不从调整点和瞬时输出之间的差值信号推导导数(D)信号。将会容易地明白存在多个替换的P、I或D控制元素组合。
显然，本发明的上述实施例是实例并且能够以许多方式对其进行改变。这些当前或未来变型不应该被认为是背离本发明的精神和范围，对于本领域普通技术人员将会明显的所有这些修改被意图包括在随后权利要求书的范围内。
Claims (22)
1.一种控制由正向电流驱动的一个或多个发光单元(LEE)以产生混合光的方法，所述方法包括以下步骤：
a)由光学传感器获取表示混合光的传感器数据；
b)提供表示期望混合光的调整点数据；
c)将传感器数据变换成在预定色彩坐标系的坐标中表示的第一数据；
d)将调整点数据变换成在所述预定色彩坐标系的坐标中表示的第二数据；
e)比较第一和第二数据以及确定第一和第二数据之间的差值；
f)响应于第一和第二数据之间的差值调节所述正向电流以便减小所述第一数据和所述第二数据之间的差值；以及
重复步骤a)到f)直到所述差值的绝对值降低到低于预定的门限为止；
其中所述方法还包括获取所述光学传感器的温度的步骤，以解决光学传感器的频谱响应的温度相关的改变和补偿不期望的相应效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中预定的色彩坐标系对应于ICE xyY色度坐标系。
3.根据权利要求1所述的方法，其中预定的色彩坐标系对应于CIE u’v’Y色度坐标系。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由一个或多个光学传感器提供所述传感器数据，每个传感器提供在相应传感器的预定工作条件的响应，每个响应定义所述预定的色彩坐标系的一个基准函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器数据包括表示一个或多个响应函数的加权平均的信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中经由用户接口提供所述调整点数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其中光强度的线性变化当在预定的色彩坐标系中被表示时对应于所发射光的基本上线性感知的强度变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过预定数量的传感器提供传感器数据以及预定的数量对应于一个或多个LEE的不同标称色彩的数量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器的预定数量对应于正向电流的数量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中变换传感器数据包括执行第一线性变换。
11.根据权利要求1所述的方法，其中变换调整点数据包括执行第二线性变换。
12.根据权利要求1-11的任何之一所述的方法，用于在反馈控制***中使用。
13.一种控制由正向电流驱动的一个或多个发光单元(LEE)以产生混合光的***，所述***包括：
a)获取表示混合光的传感器数据的一个或多个光学传感器；
b)提供表示期望混合光的调整点数据的用户接口；
c)控制器，所述控制器将传感器数据变换成在预定色彩坐标系的坐标中表示的第一数据，所述控制器还将调整点数据变换成在所述预定色彩坐标系的坐标中表示的第二数据，所述控制器还比较第一和第二数据以及确定第一和第二数据之间的差值，所述控制器进一步响应于第一和第二数据之间的差值调节所述正向电流；
其中所述控制器被配置用于减小所述第一数据和所述第二数据之间的差值直到所述差值的绝对值降低到低于预定的门限为止；
其中所述***还包括一个或多个温度传感器，用于获取所述光学传感器的温度，以解决光学传感器的频谱响应的温度相关的改变和补偿不期望的相应效果。
14.根据权利要求13所述的***，其中预定的色彩坐标系对应于ICE xyY色度坐标系。
15.根据权利要求13所述的***，其中预定的色彩坐标系对应于CIE u’v’Y色度坐标系。
16.根据权利要求13所述的***，其中所述一个或多个光学传感器中的每个传感器提供在预定工作条件的响应，以及每个响应定义所述预定的色彩坐标系的一个基准函数。
17.根据权利要求13所述的***，其中所述传感器数据包括表示一个或多个响应函数的加权平均的信息。
18.根据权利要求13所述的***，其中光强度的线性变化当在预定的色彩坐标系中被表示时对应于所发射光的基本上线性感知的强度变化。
19.根据权利要求13所述的***，其中传感器数据通过预定数量的传感器被提供以及所述预定的数量对应于一个或多个LEE的不同标称色彩的数量。
20.根据权利要求13所述的***，其中所述传感器的预定数量对应于正向电流的数量。
21.根据权利要求13所述的***，其中变换传感器数据包括执行第一线性变换。
22.根据权利要求13所述的***，其中变换调整点数据包括执行第二线性变换。
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