CN102017472B - 将数据合并到所发射的光中的光模块、照明***和方法 - Google Patents

Abstract

提出一种光模块(110)，其包括至少两个原色光源(111，112，113)，该原色光源能够发射原色光，这允许光模块通过构成的原色的附加颜色混合发射具有强度(Y)和色坐标(x，y)的光。该光模块还包括调制器(115)，其能够调制原色光源从而使得数据能够嵌入所发射的光中。调制器(115)被设置为调制所发射的光的色坐标以便嵌入数据。这是特别有利的，因为人眼对颜色变化的敏感性比对强度变化的敏感性低。因此，本发明有利地允许将数据嵌入到从照明***(100)的光模块(110)发射的光中，而不削弱其作为人类视觉的辅助的主要功能的性能。

Description

将数据合并到所发射的光中的光模块、照明***和方法

技术领域

本发明涉及一种光模块，其包括至少两个原色光源，该原色光源能够发射原色光，从而使得光模块能够发射具有强度(Y)和色坐标(x，y)的光，该光模块还包括调制器，该调制器能够调制原色光源，从而使得数据能够嵌入所发射的光中。而且，本发明涉及一种包括这样的光模块的照明***。而且，本发明涉及一种将数据嵌入到由所述光模块发射的光中的方法。这样的设备特别关注于对照明***的先进的控制和在有限空间中数据的自由空间传输。

背景技术

从US2007/008258中了解所提出种类的照明***的实施例。该文献公开了一种基于照明的通信网络，其利用合并到由照明***的光模块发射的光中的数据的自由空间传输作为强度调制。所述光模块包括多个发光二极管(LED)，每个发光二极管发射不同波长(原色)的光，并且提供通常来自这样的***所请求的照明以用于辅助提高人眼对物体的可见性。而且，所述网络包括多个检测器，每个检测器包括多个对应于由LED发射的原色的波长选择性光接收元件(使用带通滤波器)。

所述光模块通过以下操作传输数据：(i)将一连串输入信号分成多个对应于LED的不同波长的信号；(ii)将每个信号提供给对应的LED；(iii)通过调制LED的发射强度执行码分多址通信。

接收这种调制的光允许检测器：(i)从每个波长选择性光接收元件产生信号；(ii)将所述信号与用于通过光模块进行数据广播的展开码(spread code)相关联；(iii)对所述信号进行解扰码并再生作为检测器的输出端口上的输出的数据。

US2007/0008258中描述的解决方案的缺点在于，人眼对于强度变化是非常敏感的，特别是在某些频率范围内。因此，通过将所发射的光中数据实现为强度变化，作为通信网络的一部分的照明***的次要用途可以削弱***作为人类视觉的辅助的主要功能，特别是当在人眼的高敏感性频率范围中使用时。因此，显然需要提供一种可替代的调制方案，其允许传输数据而不降低(或至少不以较高的速率降低)在宽调制频率范围上照明***的主要功能的感知的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种至少部分地解决上述需求的照明***和调制方法。根据第一方面，本发明通过提供一种照明***实现该目的，该照明***包括多个光模块，每个光模块包括至少两个原色光源，该原色光源能够发射原色光，从而使得该光模块能够发射具有强度和色坐标的(组合)光，该光模块还包括调制器，该调制器能够调制原色光源，从而使得数据能够嵌入到所发射的光中，其特征在于所述调制器被设置为调制所发射的光的色坐标。

基于人眼对颜色变化的敏感性低于对强度变化的敏感性的见识(insight)，本发明有利地允许将数据嵌入到从照明***发射的光中，而不削弱其作为人类视觉的辅助的主要功能的性能。

在本发明的实施例中，所述调制器被设置为根据扩频调制方案调制光。在实施例中，所述数据包括光模块识别码。有利地，这允许通过感测设备来识别各个光模块(并且因此识别它们的控制)，甚至当它同时被源自许多光模块的光照射时也是如此。

在实施例中，所述光模块进一步包括被设置为确定由该光模块发射的光的色坐标(x，y)以便校准所发射的光的检测器。有利地，这实现了反馈回路以便控制并稳定所发射的光的色点。

在实施例中，所述调制器被设置为利用调制字母表来调制色坐标，该调制字母表定义了表示至少逻辑“0”和逻辑“1”的至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)。在实施例中，调制字母表的至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)被设置到位于具有所发射光的目标色度坐标(x_T，y_T)的公共轴上。在又一个实施例中，所述公共轴形成围绕所发射光的目标色度坐标(x_T，y_T)的MacAdam椭圆的拉长轴。有利地，该设置使得对于观察者而言色坐标调制的可见性最小化，而同时它使得感测设备的检测能力最大化。

在实施例中，所述至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)分别表示预定的色移Δxy₀和Δxy₁。当使用调制将数据嵌入更均匀的非失真的参考色空间(比如CIE L＊a＊b＊和CIE Luv空间时，该实施例具有相当大的优点。

根据第二方面，本发明提供一种包括多个根据本发明的光模块的照明***。在实施例中，该照明***进一步包括远程感测设备，其被设置为确定由所述光模块发射的光的色坐标(x，y)以便检测嵌入在所发射的光中的数据。

根据第三方面，本发明提供一种将数据嵌入到由照明***的光模块发射的光中的方法，该方法包括以下步骤：(i)设置所述光模块使之包括至少两个原色光源，该原色光源能够发射原色光，从而使得光模块能够发射具有强度和色坐标的光；(ii)使用调制器调制原色光源；(iii)设置所述调制器以调制所发射光的色坐标。

本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例而清楚并且参照这些实施例被阐明。

附图说明

在下面的结合附图对示范性和优选实施例的描述中公开了本发明的其他细节、特征和优点。

图1示出根据本发明的照明***的实施例

图2示出CIE xy色度图

图3示出根据本发明的光模块中的调制器的实施例

图4示出根据本发明的照明***中所包含的感测设备的实施例

具体实施方式

图1示出根据本发明的照明***100。该***包括多个光模块110。每个模块包括至少两个原色光源111、112、113，其能够发射原色光，从而通过使用合适的混合光学元件114混合由该光源发射的原色光使得该光模块发射具有强度(Y)和色坐标(x，y)的组合光。所述光源原则上可以是任意类型，比如气体放电灯泡、无机发光二极管(LED)、有机LED和激光二极管。因此作为实例，光模块110可以包括分别发射红色、绿色和蓝色光的三个原色光源111、112、113。可替代地，所述光模块可以包括超过三个光源，比如第四琥珀色LED。又可替代地，光模块110甚至可以包括(第五)涂有磷光体的LED，其发射宽带预定义的光谱，比如白色光。光模块110进一步包括能够调制所述原色光源的调制器115，使得数据能够嵌入所发射的光中。在实施例中，光模块110进一步包括检测器116，该检测器116被设置为确定由所述光模块发射的光的色坐标(x，y)以便校准所发射的光。

在实施例中，所述数据(包括例如光模块识别码、与构成的原色光源111、112、113相关的数据、所发射的光的发光特性或与发光不相关的数据，比如对象的音乐或信息、图片或定位在光模块110附近的雕像)是使用扩频技术实现的。这种技术被称为“码分多路复用/码分多址”(CDM或CDMA)。每个光模块110被分配了唯一的ID码。这些ID码必须是正交的，即码的自相关值必须显著高于两个不同码的互相关值。于是，例如包括光电检测器的感测设备190能够区分同时传输的不同光模块110的调制光，使得所述感测设备能够识别它们中的每一个。而且，感测设备190可以测量从所识别的光模块110接收的调制的光的发光特性(强度，色点等等)。对于调制的光的每个感测的发射，感测设备190将包含光模块110的标识和测量的发光属性值的数据传送(优选地使用例如ZigBee协议无线传送)给主控制器200。获得这样的数据允许所述主控制器控制光模块110，从而改变所发射的光的强度或色点以满足感测设备190周围的区域中期望的光效应。所述光效应形成照明***100的主要功能，而嵌入并传输所述数据形成次要功能。

(组合的)光效应(假设它具有三色值XYZ)可以在CIE xyY色空间中使用众所周知的关系式表征：

x＝X/(X+Y+Z)或X＝(Y/y)·x

y＝Y/(X+Y+Z)                                  公式1

z＝Z/(X+Y+Z)或Z＝(Y/y)·z＝(Y/y)·(1-x-y)

图2示意性示出该色空间的xy平面，其被称为色度图。假设下面的解释：光模块110包括三个LED，其在可见光谱的红色、绿色和蓝色部分中发射分别具有强度Y_R、Y_G和Y_B以及分别具有色度坐标(x_R，y_R)、(x_G，y_G)和(x_B，y_B)的光。由这些原色光源的加色混合所创建的光效应可以依照构成成分被表征为：

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{X}_R& X_G& X_B\\ Y_R& Y_G& Y_B\\ Z_R& Z_G& Z_B\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right)$ 公式2

所述(组合的)光效应的xyY坐标于是可以使用公式1找到。

现有技术的调制方案通过调制每个原色光源111、112、113的光功率输出使用扩展频谱技术将所述数据实现为正交码。在每个原色光源基本对应于不同波长(或信道)的情况下，每个信道具有归因于它的特定数据。因此，R信道特定数据对应于X_R、Y_R、Z_R中的调制，并且类似地G&B信道特定数据分别对应于X_G、Y_G、Z_G和X_B、Y_B、Z_B中的调制。随后，公式2示出强度Y＝Y_R+Y_G+Y_B不保持恒定，而是展示调制本身，这(依赖于所使用的频率)可能明显削弱照明***100的主要功能。相反地，本发明的构思基于以下见识：所述数据可以可替代地通过调制光效应的色度坐标(x，y)来实现，同时保持其强度Y恒定。有利地，由于人眼显示出对光效应的色度坐标的调制比对其强度的调制更低的敏感性，所以本发明提供了用在照明***中的数据传送构思，而不削弱在宽调制频率范围上照明***的主要功能的感知的性能。

图3示出根据本发明的光模块110中所包含的调制器115的实施例。在该实例中，所述光模块包括三个原色光源111、112、113。再次，然而本发明的数据嵌入构思针对具有至少两个原色光源的任何光模块起作用。混合从原色光源111、112、113发射的光产生了光效应。由主控制器200(参见图1)提供的目标光效应122是通过色度坐标(x_T，y_T)(参见图2中的点T)和强度Y_T给出的。调制器115包括调制字母表生成器120、(可选的)编码器130、映射器140和(可选的)转换器(transformer)150。

调制字母表生成器120基于字母表尺寸121输入指示符产生调制表字母123。例如，如果所述字母表尺寸等于2，则逻辑“0”和逻辑“1”可以对应于分别具有色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)的调制字母表123。可替代地，等于4的字母表尺寸允许创建具有逻辑值“00”、“01”、“10”和“11”的2比特对(bit pairs)并且分别对应于色度坐标(x₀，y₀)、(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)。针对等于8、16等等的字母表尺寸121，可以创建类似的映射。因此，有利地，较大的字母表尺寸121能够增强调制字母表123，从而基本允许增加数据广播带宽。优选地，所述字母表色度坐标(x₀，y₀)、(x₁，y₁)等等被创建为使得它们的平均值对应于目标色度坐标(x_T，y_T)。有利地，这使得对于人眼而言色坐标调制的可见性最小化。

待嵌入在所发射的(组合的)光中的数据信号131可以被提供给可选的编码器130以创建编码的数据132。编码器130可以加入例如用于纠错的冗余比特。有利地，这使得数据传输和接收对由例如噪声造成的差错更有抵抗力。这样的冗余比特的实例可以是使用校验和、奇偶校验位或循环冗余校验的码。

随后将目标光效应122、调制字母表123和编码的数据132提供给映射器140允许将所述数据映射到目标(x_T，y_T)周围的色度坐标。这产生了符号流141，其定义了要被光模块110产生的光效应(x，y，Y)并且包括在Y保持恒定(即等于Y_T)的条件下要传输的嵌入的数据。转换器150将符号流141转换为LED驱动信号151以用于各个原色光源111、112、113。该转换操作依赖于光模块110中存在的实际的原色光源的色度坐标(x_R，y_R)、(x_G，y_G)和(x_B，y_B)。换言之，转换器150将CIE xyY空间与在该实施例中可通过原色光源得到的“RGB”色空间相关联。可替代地，调制字母表生成器120可以被配置为已经包括关于原色光源色度坐标的知识。这种配置减少了转换器150的恒等运算的转换操作。

图4示出根据本发明的照明***100中所包含的感测设备190的实施例。它包括颜色传感器160、(可选的)颜色转换器170、符号检测器180和(可选的)解码器135。而且，所述感测设备可以包括合适的收发器单元和用户接口(二者都未示出)，从而允许它与主控制器200以及操作者分别进行通信。

类似于转换器150，颜色转换器170将颜色传感器160的色空间与CIE xyY色空间相关联。在颜色传感器的光谱敏感性等价于CIE颜色匹配功能的情况下，该关联等价于恒等转换。因此，颜色转换器170允许重构符号流140，其定义了将由光模块110产生的(组合的)光效应(x，y，Y)并且包括在Y保持恒定(即等于Y_T)的条件下要传输的嵌入的数据。

随后，符号检测器180重构来自符号流141的(编码的)数据。调制字母表123的可用性构成该重构的先决条件。在实施例中，调制字母表123被预定，并且可在感测设备190所包含的存储介质上的查找表中获得。该查找表包括目标色度坐标(x_T，y_T)和调制字母表123的相应的色度坐标(x₀，y₀)、(x₁，y₁)等等的列表。可替代地，调制字母表123上的信息可以包含在由光模块110发射的光中作为实际数据的前导。这允许符号检测器180学习解释符号流141。在该实施例中，前导应该在每当由照明***100产生的光效应的目标色度坐标(x_T，y_T)发生变化时被传输。在又一实施例中，调制字母表123可以通过实现固定的色移而产生，而不管目标色点(x_T，y_T)。因此，在该实施例中，逻辑“0”对应于色移Δxy₀且逻辑“1”对应于色移Δxy₁。当使用调制将数据嵌入更均匀的非失真的参考色空间(比如CIE L＊a＊b＊和CIE Luv空间(参见下文))时，该实施例具有相当大的优点。

类似于调制器115中的可选的编码器130，感测设备190中的解码器135是可选的并且允许重构来自符号检测器180的输出132的数据。

上文依照CIE 1931 xyY色空间描述了色坐标。存在许多其他色空间，比如CIE 1960Luv、CIE 1964U＊V＊W＊、CIE 1976L＊a＊b＊和HSL色空间。可以使用众所周知的转换关系将所有这些空间彼此转换。将本发明描述为调制/解调所发射的光的色坐标并非将范围限制于XYZ或xyY空间。所述范围扩展到任意色空间。

在实施例中，调制字母表123的色度坐标(x₀，y₀)、(x₁，y₁)等等被设置为位于具有所发射的光的目标色度坐标(x_T，y_T)的公共轴124上(参见图2)。在实施例中，公共轴124形成围绕所发射光的目标色度坐标(x_T，y_T)的MacAdam椭圆125的拉长轴。有利地，该设置使得对于观察者而言色坐标调制的可见性最小化，同时它使得感测设备的检测能力最大化。尽管CIE xyY色空间显示了可认识到的颜色差异的显著失真(即，MacAdam椭圆125的尺寸和方位依赖于试验颜色而变化很大：针对浅绿色大、针对浅蓝色小以及针对浅红色居中)，但是其他色空间-比如CIE L＊a＊b＊和CIE Luv-被设计为显示小得多的失真。因此，在这些空间中相应的椭圆变得明显更圆，但是保持具有拉长的轴。

尽管已经参照上述实施例阐释了本发明，但是显然可替代的实施例可以用于实现相同的目标。因此本发明的范围不限于上述实施例。因此，本发明的精神和范围仅仅由权利要求及其等同物。

Claims (13)

1.一种光模块(110)，包括至少两个原色光源(111，112，113)，该原色光源能够发射原色光从而使得该光模块能够发射具有强度(Y)和色坐标(x，y)的光，该光模块还包括调制器(115)，该调制器能够调制原色光源从而使得数据能够嵌入到所发射的光中，

其特征在于，

调制器(115)被设置为调制所发射的光的色坐标以便嵌入所述数据同时保持强度(Y)恒定。

2.根据权利要求1的光模块(110)，其中所述数据包括光模块识别码。

3.根据权利要求1的光模块(110)，其中调制器(115)被设置为根据扩频调制方案调制光。

4.根据权利要求1的光模块(110)，还包括检测器(116)，该检测器被设置为确定由该光模块(110)发射的光的色坐标(x，y)以便校准所发射的光。

5.根据权利要求1的光模块(110)，其中调制器(115)被设置为利用调制字母表(123)来调制色坐标，该调制字母表定义了表示至少逻辑“0”和逻辑“1”的至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)。

6.根据权利要求5的光模块(110)，其中调制字母表(123)的至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)被设置为位于具有所发射光的目标色度坐标(x_T，y_T)的公共轴(124)上。

7.根据权利要求6的光模块(110)，其中公共轴(124)形成围绕所发射光的目标色度坐标(x_T，y_T)的MacAdam椭圆(125)的拉长轴。

8.根据权利要求5的光模块(110)，其中至少两个色度坐标(x₀，y₀)和(x₁，y₁)分别表示预定的色移Δxy₀和Δxy₁。

9.一种包括多个根据权利要求1-8中任一项的光模块(110)的照明***(100)。

10.根据权利要求9的照明***(100)，还包括远程感测设备(190)，其被设置为确定由所述光模块发射的光的色坐标(x，y)以便检测嵌入在所发射的光中的数据。

11.根据权利要求10的照明***(100)，其中远程感测设备(190)被进一步设置为基于嵌入光中的数据识别光模块(110)。

12.根据权利要求11的照明***(100)，其中远程感测设备(190)被进一步设置为测量光模块(110)的光属性。

13.一种将数据嵌入到由照明***(100)的光模块(110)发射的光中的方法，包括以下步骤：

-设置光模块(110)使之包括至少两个原色光源(111，112)，该原色光源能够发射原色光从而使得光模块能够发射具有强度(Y)和色坐标(x，y)的光，

-使用调制器(115)调制原色光源，

其特征为

设置调制器(115)以调制所发射光的色坐标(x，y)，同时保持强度(Y)恒定。