CN101568952A - 具有多种基色的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有不同基色的至少四个光发射器(11R，11G，11B，11W)的照明设备(10)，所述光发射器应当依照给定初级目标值来进行控制，所述目标值例如对应色点(x，y)和通量(Φ)的目标值。这个目的是通过确定次级目标值来实现的，所述次级目标值例如光发射器的总功耗(P)，其依照初级目标值以及可能的控制命令(r，g，b，w)(例如0％与100％之间的占空比)。在优选的实施例中，通过固定次级目标值，可以由简单的矩阵乘法唯一地确定用于光发射器的控制命令。

Description

具有多种基色的照明设备
本发明涉及包括具有不同基色的至少四个光发射器的照明设备，并且涉及用于控制这种照明设备的方法。
US2005/008331A1公开了一种将三颜色坐标映射到具有四个或更多分量(包括白色)的颜色坐标矢量上的方法。该方法基于二维(CIE)色度坐标到三角形区域的特定细分并且没有关注相关光发射器的最优化控制。
基于这种情况，本发明的目的是提供用于控制具有不同颜色的至少四个光发射器的可替换装置，其中希望该控制是快速的和/或可以满足特定的最优化准则。
这个目的是通过依照权利要求1的照明设备和依照权利要求10的方法来实现的。从属权利要求中记载了优选的实施例。
依照本发明的照明设备包括以下部件：
a)同等工作条件(温度、驱动电流等等)下具有不同基色(即具有不同发射光谱)的数量N为至少四个的光发射器。每个光发射器可以是单个灯或者多个相同或不同灯的组合。而且，应当理解的是，整个照明设备的光输出是其所有N个光发射器的光输出的叠加。
b)目标确定单元，其用于确定功能上与用于光发射器的驱动命令有关的数量为1≤s＜N的次级目标值，其中措词“次级”用来区分这些导出的目标值与数量为1≤p＜N的“初级”目标值，所述初级目标值用于照明设备的光输出，例如由用户或者某个更高级别的管理员(controller)提供给设备。
关于(初级和次级)目标值的总数(p+s)以及光发射器的数量N，可以区分三种情况：如果(p+s)＞N，那么通常不存在足够的独立控制变量(即基色)匹配所有的目标值；于是可以改为尝试目标值的最佳近似。如果(p+s)＝N，那么通常存在光发射器的唯一驱动命令集合，通过所述驱动命令可以复现(reproduce)目标值。所提出的照明设备特别适于处理这种情况。最后，如果(p+s)＜N，那么可用的基色数量提供了过多的自由度。因此，通常可以复现目标值，但是控制问题变得非平凡。
c)驱动单元，其用于基于上述次级和初级目标值确定用于光发射器的各驱动命令。“驱动命令”可以例如表示在特定电压下施加到发光二极管(LED)的正向电流。驱动命令的另一个重要的实例是在脉宽调制(PWM)方案中利用其驱动光发射器的占空比，即电信号(例如电压或电流)在所述信号的交替二元开/关供应中打开所用的时间分数(fractionof time)。
所述照明设备具有的优点在于，它允许相对简单而快速地确定用于光发射器的N个单独的驱动命令，因为它引入了除了数量为p个的预定初级目标值之外所使用的数量为s个的次级目标值。这些次级目标值因而降低了驱动命令的选择中的自由度，允许在(p+s)＝N的理想情况下得到唯一解。
通常，所述驱动单元可以实现(p+s)个初级和次级目标值到光发射器所需的N个单独的驱动命令的任何适当的(例如非线性的映射)。在优选的情况下，这种映射是线性的，这意味着该驱动单元可以包括用于计算驱动命令矢量与从初级和次级目标值中导出的(p+s)维“目标矢量”之间的线性关系的“矩阵乘法模块”。在最简单的情况下，上述目标矢量可以简单地包括作为分量的初级和次级目标值。然而，也可能存在这些初级和/或次级目标值到目标矢量的分量的非平凡映射。因此，可以在目标矢量中例如将作为初级目标值而给出的色点x、y和通量转换成XYZ颜色坐标***。矩阵乘法具有的优点在于，它可能易于实现以及实时计算。而且，关联的矩阵通常可以通过直接的校准过程(包括一次只打开一个所述光发射器并且测量得到的工作参数和光输出)和矩阵转换而获得。应当指出的是，在这种情况下，唯一矩阵求逆的可能性典型地要求(p+s)＝N。
在本发明的优选实施例中，所述目标确定单元被设计成使得它根据给定的初级目标值来确定次级目标值。因此，可以保证次级目标值不会与初级目标值冲突，即确立不能满足的边界条件。
所述次级目标值原则上可以包括能够表示成驱动命令的函数的任何量。优选地，这些次级目标值将线性依赖于驱动命令，因为这显著地简化了关联的计算。可能的次级目标值的一个特定实例是一些或所有光发射器的功耗，即单位时间内由所考虑的光发射器为了激励其照明发射而吸收的能量。由于光发射器典型地由电功率驱动，因而功耗相应于施加的电压和电流的乘积。
可能的初级目标值的实际重要的实例是照明设备的色点和通量。
通常，将存在多个(或者甚至连续的)可能的次级目标值，其与可能的驱动命令兼容，即可以由驱动命令的适当组合产生。所述目标确定单元因而优选地包括“范围估计器”，该范围估计器可以确定根据定义与所述可能的驱动命令以及依照初级目标值的至少子集的可允许次级目标值的范围。这些可允许次级目标值可以例如考虑到施加给光发射器的电流必须处于0和某个上限的范围内。
在本发明的优选实施例中，用于光发射器的驱动命令是PWM的占空比。因此，这些驱动命令可以仅采取0和1之间的值，其相应于0％(光发射器关闭)和100％(光发射器连续打开)的占空比。这提供了用于驱动命令的唯一和已知的范围，其在前述实施例中简化了可允许次级目标值的范围的确定。
在其中所述目标确定单元包括范围估计器的实施例的特定实现中，该目标确定单元依照以下关系从可允许范围(由范围估计器确定)中选择次级目标值的矢量V：
V＝(Φt/Φx)·Vx
其中Vx是来自可允许范围的与最大关联初级目标值Φx相应的次级目标值的矢量，并且其中Φt是给定初级目标值。如它的符号Φ所示，初级目标值特别地可以是所有光发射器的公共光输出的通量。一旦确定了可允许次级目标值的范围，就可以容易地通过给定公式针对所考虑初级目标值Φt的任何值计算次级目标值的适当集合。
在包括范围估计器的实施例的另一种变型中，依照某种最优化准则针对给定初级目标值选择可允许次级目标值的范围。这种最优化准则的典型实例是(所有或一些光发射器的)功耗的最小化或者所有驱动命令的最高占空比的最小化(在PWM控制中)。
虽然所述光发射器原则上可以是任何种类的灯(或灯组)，但是优选的是它们包括LED、磷光体转换的LED、有机LED(OLED)、激光器、磷光体转换的激光器、彩色荧光灯、滤波(彩色)卤素灯、滤波(彩色)高强度放电(HID)灯和/或滤波(彩色)超高性能(UHP)灯。
本发明还涉及用于控制照明设备的方法，所述照明设备包括具有不同基色的数量N为至少四个的光发射器，所述方法包括以下步骤：
a)确定功能上与用于光发射器的驱动命令有关的s＜N个次级目标值。
b)基于上述次级目标值以及用于所述照明设备的光输出的数量为p＜N个的给定初级目标值，确定用于光发射器的各驱动命令。
所述方法总体上包括可以利用上述类型的照明设备执行的步骤。因此，参照前面的描述以获得有关该方法的细节、优点和改进的更多信息。
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。这些实施例将借助于附图通过举例的方式来进行描述，在附图中：
图1示意性地示出了依照本发明的照明设备；
图2包括与本发明的控制方法有关的公式；
图3示出了针对给定通量值由依照本发明的第一种控制方法确定的可允许功耗值的示例性范围；
图4示出了得到的占空比和颜色再现(render)指数与依照图3的可允许范围内的选定功耗目标值的函数关系；
图5示出了针对50lm(上)、75lm(中)和100lm(下)的通量值的与图4类似的图表；
图6示出了针对任意通量值由依照本发明的第二种方法确定的可允许功耗值范围的示例性组成。
在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
普通的照明光源需要足够高的颜色再现特性。三基色足以形成能够产生黑体轨迹(locus)上的几乎所有颜色(包括白色)的光的光源。不幸的是，这样的三色光源的颜色再现特性不是非常好。为了改善颜色再现特性，可以向红色/绿色/蓝色(RGB)颜色***添加第四种颜色，例如琥珀色(A)。如果黑体轨迹上的颜色更加重要，那么也可以选择添加白色源(W)而不是琥珀色。利用白色源，最大流明输出通常将高于利用琥珀色源的情况，且仍然处于相同或者甚至更佳的颜色再现。
照明设备的典型用户输入是提供颜色***(比如CIE 1931xyY或者任何其他的颜色***)中的颜色或通量坐标。照明设备的颜色控制***因而应当能够在维持高的颜色再现指数(CRI)的同时非常精确地复现颜色和光通量。
由于颜色和通量总是伴随有三参数(即xyY、uvY、XYZ、RGB、Lab等等)，因而只有三色***具有一个唯一解。四色***的问题在于：不存在唯一解；解的线性子集都满足颜色和通量要求。下面的实例描述了使用具有四种或更多颜色的颜色***以产生一定颜色和光通量的光的方法，其具有以下优点：
-可以利用基色的整个色域；
-其可以用于这样的具有基色的颜色***，其中至少一种基色位于其他颜色的色域内并且几乎处于该色域的中间，例如RGBW***；
-对于色域内的每种颜色可以达到理论的绝对最大光通量；
-可选地可以针对最低的总的电功率或色觉与需要的光通量和最佳寿命无关地对其进行优化；
-实际的颜色再现特性主要由基色的波长的选择决定。对于商业上可获得的RGBW LED，可以实现最小值为85的颜色再现指数Ra8，而不过多地牺牲光通量。
图1示出了依照本发明的示例性实施例的照明设备10。照明设备10包括不同颜色的四个光发射器，例如红色LED 11R、绿色LED 11G、蓝色LED 11B以及白色LED 11W。然而，应当指出的是，也可以使用其他的颜色(例如琥珀色而不是白色)和/或附加的颜色。使用脉宽调制(PWM)单独地驱动LED 11R-11W，其中控制命令分别是用于LED11R、11G、11B和11W的占空比r、g、b和w。输送给这些LED的总的电功率由字母P表示。当激活时，这四个LED产生公共的光输出，该光输出可以例如由分光计20测量以确定照明设备的光通量Φm和色点xm、ym的实际值。
照明设备10的一个重要方面是用于基于例如由用户或某个更高级别的管理员提供的给定“初级”目标值而确定驱动命令的矢量(r，g，b，w)的控制方案。在下文中，希望的色点x、y和希望的通量Φ将作为初级目标值的实际重要的实例来加以考虑，但是也可以选择其他的变量。
可选地，首先在“坐标变换单元”12中将初级目标值的矢量(x，y，Φ)变换成其他的坐标。在所描述的实例中，外部提供的初级目标值基于xyYCIE 1931颜色坐标***并且由坐标变换单元12变换成XYZ坐标***。图2的方程(1)中给出了相应的关系(在下文中，方程的任何引用都参照图2)。
然后，并行地将转换的初级目标值提供给目标确定单元13和驱动单元14。如下面将要更详细地描述的，目标确定单元13确定依照提供的初级目标值和可能的控制命令r、g、b、w的“次级目标值”。在下文中，LED 11R-11W的总功耗P将作为次级目标值的实例来加以考虑，但是也可以使用其他的量。然而，为了简化计算，优选的是次级目标值线性依赖于驱动命令r、g、b、w，这是针对示例性总功耗P的情况。
当计算功耗目标值P时，目标确定单元13可以利用存储在驱动单元14中的信息。然而，驱动单元14的主要任务是基于外部提供(转换)的初级目标值X、Y、Z以及目标确定单元13提供的功耗目标值P来确定驱动命令r、g、b、w。如下面将要参照图2的表达式来解释的，驱动单元13的操作可以简单地等同于与预定矩阵M-1相乘。
在具有N种基色的每个照明设备中，存在从所述N个控制命令到包括该设备的通量Φ和色点坐标x、y的目标矢量的唯一映射。在线性情况下，该映射由“校准矩阵”表示，所述校准矩阵可以在校准过程中确定，在所述校准过程中，一次只激活一种颜色并且观察得到的色点和通量。为了控制的目的，必须对校准矩阵求逆。因此，N色***需要N×N校准矩阵，因为否则所述逆就不唯一并且不能求解。因此，依照方程(2)，利用100％占空比下的总的电功率P的值对所考虑的RGBW***中的校准矩阵M进行扩展。于是，可以借助于校准矩阵的逆M-1由给定目标三刺激值XYZ和总的电功率P计算出控制命令(占空比r、g、b、w)的矢量，如方程(3)所示。
现在，存在一个困难：只有目标值X、Y、Z是固定的并且根据给定初级目标值x、y、Y＝Φ是已知的。然而，总的电功率P的次级目标值未知，并且必须以不同的方式来提供。因此，如方程(4)和(5)所示重写该矩阵乘积，即写成分别与目标功耗P和目标通量Φ成比例的两个矢量的和，其中后一矢量的分量由校准矩阵和目标颜色值x、y依照方程(5)给出。
应当指出的是，将方程(4)中的项除以功耗P表明，在效率的特定值下，Φ/P＝常数，占空比r、g、b、w之间的相对比值随着通量Φ的变化而保持恒定。
现在，必须遵守占空比r、g、b、w不能低于0％或者高于100％的条件。这导致不方程(6)，其确定依赖于目标通量Φ的可允许目标功耗值P的范围。
在下文中，将首先针对认为目标通量Φ固定到其给定值的情况考察不方程(6)。对于四种颜色c＝R、G、B和W中的每一种，于是由不方程Pmin，c≤P≤Pmax，c确定可允许目标功耗P的区间。图3示出了可允许目标功耗P的示例性范围(对于颜色R、G、B、W的另外的参数是：主波长λd：R＝604.8nm，G＝537.9nm，B＝452.6nm；各个通量：R＝32lm，G＝42lm，B＝9lm，W＝44lm；CCT：W＝5100K；目标颜色处于4000K并且总的光通量Φ处于50lm)。
由于对于每种颜色都必须满足所述占空比要求，因而目标功耗的实际可允许范围(在图2中用标号“All”表示)是对应颜色R、G、B、W的所有区间的交集，即从大约Pmin＝1.392W到Pmax＝1.592W的区间。
对于来自上述区间的每个允许的功耗P，存在给出匹配目标三刺激值X、Y、Z的光输出的占空比r、g、b、w的解。图4以图表示出了占空比r、g、b、w的这些解(左边竖直轴上的“DTC”)以及关联的颜色再现指数(右边竖直轴上的CRI Ra8)。下限Pmin和上限Pmax由竖直点线表示。竖直中心线(在大约1.51W处)标记了所有四个占空比r、g、b、w的最高占空比最低所在的总的电功率。
在图5中，绘出了50lm(上图)、75lm(中图)和100lm(下图)下占空比r、g、b、w与发光效率(即单位总功耗P的总通量Φ)的关系。所有数据都涉及相同的颜色设置(忽略了温度效应)，并且竖直轴与前面的图具有相同的含义。这些图表表明，左和右极限Pmin和Pmax随着总通量Φ的变化而移向停留在相同效率值(约为33.1lm/W)处的中心竖直线。在最大的可能的通量下，左和右极限Pmin和Pmax将与所述竖直线重合。因此，即使对于所考虑的四色***，对于最大的可能的光输出也只有一个占空比解。
上面的考虑导致对于仍然开放的自由度(即变量P)的三种潜在的有益选择，所述选择可以如下做出：
1.最低的总的电功率
最低的总的电功率相应于图4左极限Pmin和图5的右极限。其益处在于，总的热耗是最低的，因而热沉(heat sink)温度将是最低的。然而，四种染料(dye)之一(典型地是白色染料)将在100％的最大占空比下被驱动。因此，该染料具有相对较高的温度并且将比其他染料老化得更快。另一个方面在于，颜色再现特性将依赖于需要的光通量；毕竟，当需要的光通量增加时，白色停留在100％处，并且其他颜色RGB成比例出现，这将改变颜色再现特性。而且，当校准矩阵不十分精确时，混合色将随着光通量的变化而变化。
2.色觉随着通量的变化而保持恒定
在图4和图5的中间竖直线处，最大占空比是最低的。这是其中所述占空比之间的相对比值将随着通量的变化而保持恒定直到最大的可能的通量的设置。当通量变化时，所有颜色的占空比r、g、b、w都以相同的比值变化，即当通量加倍时，r加倍，g加倍，b加倍并且w加倍。四种颜色的相对贡献保持相同，结果，颜色再现特性也保持相同。当目标光通量变化时，校准矩阵的不精确性不会导致颜色的改变。由于最大占空比是最低的，因而对于白目标颜色，不存在工作于比其他颜色更高级别的基色。由于***的寿命由最快退化的颜色的寿命决定，因而这提高了整个***的寿命。
3.最佳的颜色再现特性
颜色再现特性与基色的相对贡献有关。不幸的是，不容易计算出颜色再现指数CRI以及找出该CRI最高所在的总的电功率的设置，因为对于这种计算而言，需要所有颜色的光谱。尤其对于小的微控制器而言，计算时间将相对较长。然而，基色的(主)波长的巧妙选择可以迫使CRI最佳值大约处于与前一选项相同的功率设置下。通过波长的选择，针对图4的实例实现了这点。
对于大多数应用而言，优选的选择是选项2，其与基色的(主)波长的巧妙选择相结合，使得颜色再现特性充分好。
在下文中，将以第二种方法针对认为目标通量Φ具有可变的值的情况考察不方程***(6)。这种方法的优点之一是，在其中给定目标光通量高于最大光通量的情况下，它可以将目标光通量调节到最大的可能的光通量，同时保持相同的颜色坐标。
当功耗P和总通量Φ可变时，必须如图6所示在(P，Φ)空间表示不方程***(6)。在这种表示中，***(6)的每个不方程相应于该图的左侧的四个图表中的倾斜带R、G、B、W之一，并且包含依照一种颜色的可能的占空比的(P，Φ)多元组。每个带具有两条平行边；一条边通过(0，0)并且属于占空比0％，另一条边属于占空比100％。在该带内，占空比介于0％与100％之间。带的宽度、角度和位置由校准矩阵M和目标颜色坐标x、y依照方程(1)-(6)限定，而不是由目标光通量Φ限定。
四个带的重叠是图6的右侧的图表中所绘的区域A，其中所有的颜色满足占空比条件(6)。因此，目标颜色和通量的解必定在该区域A中的某处。
在上面参照图3-5讨论的方法中，通过仅针对给定通量目标值Φ＝Φt考虑图6的图表将(P，Φ)空间简化成一维P空间(图3相应于例如在高度Φt处通过图6的带的水平截面)。在现在考虑的改进的策略中，首先确定与最大的可能的光通量Φx相应的占空比r、g、b、w之间的相对比值。如前面已经提到的，对于恒定的效率Φ/P而言，占空比的比值与通量Φ无关；所需要的解因此将在(0，0)与区域A的角点(Px，Φx)之间的直线L上的某处(因为效率在该直线L上是恒定的)。与角点(Px，Φx)相应的占空比可以根据方程(4)来确定。在最后的步骤中，依照方程(7)对它们进行缩放，直到光通量等于目标值Φt。
方程(8)表明，占空比之间的相对比值将与目标光通量Φt无关(这保证了色觉将与光通量无关)，其中下标x表示最大的可能的光通量Φx下的设置，t表示目标光通量Φt下的设置。
该方程还表明，当目标光通量低于或等于最大光通量时，针对占空比的条件自动满足。
具有最高光通量的点(Px，Φx)可以通过首先计算图6的带的交集的所有点并且然后识别仍然位于所有带上的具有最高光通量Φx的点来寻找。例如，与红色和绿色相应的带之间的交集的四个点可以根据方程(9)来计算，其中cr和cg是可以为分别与占空比0％和100％相应的0或1的常数。
可以通过计算交点(P，Φ)到受测试的带的两条边的“距离”来检查交点是否位于其他带上。对于与蓝色相应的带的实例，这表示在方程(10)中。这里，cb确定受测试的边(对于相应于0％占空比的边，cb＝0，并且cb＝1相应于100％)。如果距离v0和v1的符号不等，那么受测试的交点位于受测试的带内。
上面描述的技术可以通过使用四种颜色(包括白色)的任意组合来应用到LED器具(fixture)上。它尤其适用于普通的照明，但是也可以应用到其中流明输出和颜色再现非常重要的其他应用领域中。而且，已经指出，所述算法需要一个独立变量来搜索具有最高光通量的最佳工作点。尽管在上面的实例中这是功耗P，但是它也可以是与占空比成线性关系的任何其他变量。
此外，所述方法可以通过在多维空间中寻找最佳工作点来扩展到5、6、......、N种基本颜色(＝占空比)。五种颜色需要例如两个独立变量P1、P2；于是，上面针对四种颜色使用的二维(P，Φ)空间中的带的图形表示必须用一种三维(P1，P2，Φ)空间中的立体带代替。类似地，每种额外的颜色向(P1，P2，P3，...，Φ)空间添加一个维度。
最后，应当指出的是，在本申请中，措词“包括”或“包含”并没有排除其他的元件或步骤，“一”或“一个”并没有排除复数，并且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明存在于每一种新颖的特有特征以及特有特征的每一种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应当被视为对权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种照明设备(10)，包括：
a)具有不同基色的数量为N≥4的光发射器(11R，11G，11B，11W)；
b)目标确定单元(13)，其用于确定功能上与用于所述光发射器的驱动命令(r，g，b，w)有关的数量为s＜N的次级目标值(P)；
c)驱动单元(14)，其用于基于次级目标值(P)以及用于所述照明设备的光输出的数量为p＜N的给定初级目标值(x，y，Φ)确定用于所述光发射器的各驱动命令(r，g，b，w)。
2.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述驱动单元包括用于计算驱动命令矢量(r，g，b，w)与从所述初级和次级目标值中导出的目标矢量(X，Y，Z，P)之间的线性关系的矩阵乘法模块(14)。
3.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述目标确定单元(13)根据给定初级目标值(x，y，Φ)来确定次级目标值(P)。
4.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述次级目标值包括光发射器(11R，11G，11B，11W)的子集的功耗(P)和/或所述初级目标值包括所述照明设备的色点(x，y)和通量(Φ)。
5.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述目标确定单元(13)包括范围估计器，该范围估计器用于确定依照所述可允许驱动命令(r，g，b，w)以及所述给定初级目标值(x，y，Φ)的至少子集的可允许初级目标值(P)的范围。
6.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述驱动命令是脉宽调制的占空比(r，g，b，w)。
7.依照权利要求5的照明设备，
其特征在于，所述目标确定单元(13)依照以下关系从所述可允许范围中选择次级目标值的矢量V：
V＝(Φt/Φx)·Vx
Vx是来自所述可允许范围的与最大初级目标值Φx相应的次级目标值的矢量，并且Φt是给定初级目标值。
8.依照权利要求5的照明设备，
其特征在于，所述目标确定单元(13)依照某种最优化准则针对给定初级目标值(x，y，Φ)从所述可允许范围中选择次级目标值(P)，特别是依照功耗的最小化或者最高占空比驱动命令的最小化来进行选择。
9.依照权利要求1的照明设备，
其特征在于，所述光发射器(11R，11G，11B，11W)包括LED、磷光体转换的LED、有机LED(OLED)、激光器、磷光体转换的激光器、彩色荧光灯、滤波(彩色)卤素灯、滤波(彩色)高强度放电(HID)灯和/或滤波(彩色)UHP灯。
10.一种用于控制照明设备(10)的方法，所述照明设备包括具有不同基色的数量为N≥4的光发射器(11R，11G，11B，11W)，所述方法包括以下步骤：
a)确定功能上与用于所述光发射器的驱动命令(r，g，b，w)有关的s＜N个次级目标值(P)，
b)基于所述次级目标值(P)以及用于所述照明设备的光输出的数量为p＜N的给定初级目标值(x，y，Φ)，确定用于所述光发射器的各驱动命令(r，g，b，w)。
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