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Allgemeiner Stand der Technik
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Leuchtdioden
(LEDs) sind interessante Kandidaten, um herkömmliche Lichtquellen zu ersetzen, die
auf Glühlampen
und Leuchtstoffröhren
basieren. Die LEDs haben einen höheren
Energieumwandlungswirkungsgrad als Glühlampen und wesentlich längere Lebensdauern
als sowohl Glühlampen-
als auch Leuchtstoff-Beleuchtungskörper. Zudem benötigen auf
LEDs basierende Beleuchtungskörper
nicht die Hochspannungen, die mit Leuchtstofflampen verbunden sind.
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Leider
haben LEDs eine Anzahl von Nachteilen, die ihre weit verbreitete
Annahme als Ersatz für die
oben beschriebenen herkömmlichen
Lichtquellen verhindert. Zunächst
sind LEDs mit Ausgangsleistungen, die denen einer großen herkömmlichen
Lichtquelle entsprechen, nicht im Handel erhältlich; daher müssen für Hochleistungs-LED-Quellen
eine große Anzahl
einzelner LEDs kombiniert werden, um die erwünschte Ausgangsleistung bereitzustellen.
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Zweitens
strahlen LEDs Licht in schmalen optischen Bändern aus. Um daher eine Lichtquelle bereitzustellen,
die ein menschlicher Beobachter als eine bestimmte Farbe aufweisend
wahrnimmt, müssen
LEDs mit unterschiedlichen Emissionsspektren zu ein- und derselben
Lichtquelle kombiniert werden, oder es müssen Leuchtstoffumwandlungsschichten verwendet
werden, um einen Teil des von der LED erzeugten Lichts in Licht
eines anderen Spektrums umzuwandeln. So kann man z.B. eine LED,
die als weißes
Licht ausstrahlend wahrgenommen wird, aufbauen, indem man die Ausgabe
von LEDs mit Emissionsspektren im roten, blauen und grünen Bereich des
Spektrums kombiniert, oder indem man eine blau ausstrahlende LED
und eine Schicht aus Leuchtstoff verwendet, die einen Teil des Ausgangslichts
in Licht des gelben Bereichs des Spektrums umwandelt.
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Der
erste Lösungsansatz
benötigt
drei Arten von LEDs, die Licht im Wesentlichen mit der gleichen maximalen
Intensität
erzeugen, wenn das Ausgangslicht als eine beliebige Farbe innerhalb
eines breiten Farbbereichs aufweisend wahrgenommen werden soll.
Die Kosten, um LEDs in bestimmten Farbbändern bereitzustellen, sind
wesentlich höher
als diejenigen, die mit LEDs in anderen Farbbändern verbunden sind. Daraus
ergibt sich, dass die Kosten der Lichtquelle von den Kosten der
teuersten LED-Art dominiert werden.
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Die
Leuchtstoffumwandlung kann eine Lösung für dieses Problem sein, wenn
die Lichtquelle eine einzige Lichtfarbe bereitstellen soll. Wie
oben bemerkt kann z.B. eine weiße
Lichtquelle bereitgestellt werden, indem man eine blaue LED mit
einer Schicht von Leuchtstoff überzieht,
die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Wenn
der Bruchteil des umgewandelten Lichts richtig gewählt wird,
nimmt ein menschlicher Beobachter das Licht als weiß wahr.
Die Kosten einer solchen Lichtquelle werden von den Kosten der blauen
LED dominiert. Derartige kostengünstige
weiße
Lichtquellen sind jetzt käuflich
erhältlich;
allerdings erzeugen diese Quellen nur weißes Licht mit einer einzigen "Farbtemperatur".
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Für viele
Anwendungen ist die Fähigkeit
erforderlich, die Farbtemperatur der Lichtquelle zu steuern, bzw.
anderweitig die Ausgangsfarbe in einem schmalen Bereich um denjenigen,
der von der weißen
Lichtquelle bereitgestellt wird, zu verändern. Z.B. betrachten Ärzte oft
Röntgenbilder
anhand eines Bildschirms mit Hintergrundbeleuchtung, der aus einem
Leuchtkasten aufgebaut ist, der eine Weißlichtquelle enthält, die
eine Oberfläche
des Kastens, auf die das Röntgenbild
gelegt wird, einheitlich beleuchtet. Es werden zwei verschiedene
Farblichtquellen im Zusammenhang mit diesen Bildschirmen verwenden, wobei
die spezielle Farbe durch die spezielle Art des angezeigten Röntgenbilds
bestimmt wird.
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Leuchtkästen nach
dem Stand der Technik verwenden Leuchtstoffröhren als Lichtquelle. Da Leuchtstofflampen
keine veränderbaren
Farbpunkte bereitstellen, muss der Benutzer zwei verschiedene Leuchtkästen zur
Betrachtung unterhalten. Diese Anordnung erhöht wesentlich die Kosten der
Betrachtungskästen,
die sich typischerweise in mehreren verschiedenen Untersuchungsräumen am
Arbeitsplatz des Arztes befinden. Zudem nimmt der zweite Kasten
viel Platz an der Wand im Untersuchungsraum ein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle, die erste und zweite
Teillichtquellen (component light sources), eine Mischvorrichtung
und eine Steuereinrichtung aufweist. Die erste Teillichtquelle erzeugt
Licht, das eine wahrgenommene Farbe aufweist, die innerhalb eines
vorgegebenen zweidimensionalen Bereichs des CIE-1976-Farbraums als
Antwort auf einen Satz von Farbsteuersignalen geändert werden kann. Die zweite
Teillichtquelle erzeugt weißes
Licht. Die Mischvorrichtung kombiniert Licht aus den ersten und
zweiten Teillichtquellen, um ein Ausgangslichtsignal zu erzeugen,
das eine wahrgenommene Ausgangsfarbe aufweist. Die Steuereinrichtung
erzeugt den Satz von Farbsteuersignalen als Antwort auf ein Eingangssignal
von einer externen Quelle in die Lichtquelle, wobei die Steuereinrichtung den
wahrgenommenen Farbausgang an einem Punkt im CIE-1976-Farbraum beibehält, der
von dem Eingangssignal bestimmt wird. Die zweite Teillichtquelle
kann aus einer LED aufgebaut sein, die Licht in den blauen und gelben
Spektralbereichen ausstrahlt. Die erste Teillichtquelle könnte erste,
zweite und dritte LED-Gruppen umfassen, wobei jede Gruppe eine Mehrzahl
von LEDs aufweist, die Licht in einem entsprechenden Spektralbereich
ausstrahlen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht einer Betrachtungsstation 20.
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2 ist
eine Draufsicht der Betrachtungsstation 20.
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3 bildet
eine Kurve 11 im CIE-1976-Farbraum ab, die einer weißen Glühlichtquelle
bei verschiedenen Farbtemperaturen entspricht.
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4 stellt
den Bereich des Farbraums dar, den man mit einer Lichtquelle erhalten
kann, die aus weißen
LEDs und einer herkömmlichen
RGB-Lichtquelle, die eine Ausgangsintensität aufweist, die ungefähr derjenigen
der weißen
LED-Quelle entspricht, aufgebaut
ist.
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5 stellt
eine Ausführungsform
einer Lichtquelle dar, die eine konventionelle RGB-Steuereinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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6 stellt
eine andere Ausführungsform
einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist leichter zu verstehen mit Bezug auf eine
Lichtquelle, die ausgelegt ist, um Röntgenbilder bei einer von zwei
verschiedenen Farbeinstellungen anzuzeigen. Es wird nun Bezug genommen
auf 1 und 2, die eine Betrachtungsstation 20 abbilden,
um Röntgenfilme 25 mit
einer von zwei Lichteinstellungen zu betrachten. 1 ist
eine Seitenansicht der Betrachtungsstation 20, und 2 ist
eine Draufsicht der Betrachtungsstation 20. Die Betrachtungsstation 20 umfasst
einen Leuchtkasten 24, der mittels Licht von einer Mehrzahl von
LEDs 21 beleuchtet wird. Der Satz von LEDs kann als eine
Mehrzahl von LED-Gruppen angesehen werden, wobei jede Gruppe Licht
ausstrahlt, das ein anderes Ausgangsspektrum oder Ausgabespektrum
als die übrigen
Gruppen aufweist. Zudem weist der Satz von LEDs eine Mehrzahl von
LEDs auf, die Licht in dem Spektrum ausstrahlen, das für jede Gruppe
kennzeichnend ist. Das Licht aus den LEDs wird in den Leuchtkasten 24 in
einem Winkel eingegeben, so dass das Licht durch interne Reflexion
eingefangen wird. Die Oberseite des Leuchtkastens 24 ist
durchsichtig.
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Die
Unterseite 27 ist reflektierend und weist Streustellen 28 auf,
die einen Teil des Lichts in Winkeln reflektieren, so dass das Licht
in Winkeln, die kleiner als der kritische Winkel sind, auf die Oberseite 26 trifft.
Das Licht verlässt
den Leuchtkasten 24 durch die Oberseite und beleuchtet
den Röntgenfilm. Die
Streustellen sind derart verteilt, dass die Oberseite des Leuchtkastens 24 gleichmäßig beleuchtet
ist. Es ist zu beachten, dass die Oberseite des Leuchtkastens 24 ebenfalls
Streustellen aufweisen kann.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der Leuchtkasten 24 eine
feste Platte aus durchsichtigem oder klarem Plastik. Die Streustellen
auf der Unterseite werden durch Ätzen
oder anderweitiges Aufrauen der Plastikoberfläche gebildet. Es ist zu beachten,
dass es ebenfalls möglich
ist, Ausführungsformen
aufzubauen, bei denen die Oberseite des Leuchtkastens 24 aufgeraut
ist. Bei derartigen Ausführungsformen
kann die Unterseite glatt bleiben und mit einer reflektierenden
Beschichtung überzogen
werden.
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Die
Farbe des Lichts im Leuchtkasten wird von einem Detektor 23 abgetastet,
der die Stärke
des Lichts in dem Leuchtkasten 24 in jedem der Spektren misst.
Der Detektor 23 kann aus einer Mehrzahl von Photodetektoren
aufgebaut sein. Jeder Photodetektor kann ein anderes Bandpassfilter
aufweisen. Die Steuereinrichtung 22 verarbeitet die Signale
aus den verschiedenen Photodetektoren, um die Lichtstärke oder
Lichtintensität
zu bestimmen, die in dem Leuchtkasten in jedem der Spektralbereiche
vorliegt. Bei einer Ausführungsform
misst der Detektor 23 das Licht in dem Leuchtkasten in
den roten, blauen und grünen Bereichen
des Spektrums.
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Die
Steuereinrichtung 22 passt die Ansteuersignale für jede der
LEDs an, um sicherzustellen, dass das Licht im Leuchtkasten sich
an einem vorgegebenen Farbpunkt im CIE-1976-Raum befindet. Insbesondere
passt die Steuereinrichtung 22 das Licht an, damit es einer
Mehrzahl von vorgegebenen Farben entspricht oder damit übereinstimmt.
Die spezielle Farbe wird vom Benutzer über Eingangssignale der Steuereinrichtung 22 angegeben.
Die Steuereinrichtung 22 kann z.B. einen Handschalter aufweisen, der
eine Mehrzahl von Positionen aufweist, wobei jede Position einer
der vorgegebenen Farben entspricht. Der Schalter wird von dem Datenprozessor
in der Steuereinrichtung 22 gelesen.
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Bei
einer Ausführungsform
stellt die Steuereinrichtung 22 eine Beleuchtung bereit,
die einem der beiden Standardfarbpunkte entspricht, die verwendet werden,
um Röntgenfilme
zu betrachten. Es wird nun Bezug genommen auf 3,
die eine Kurve 11 im CIE-1976-Farbraum abbildet, die einer
weißen
Glühlichtquelle
mit verschiedenen Farbtemperaturen entspricht. Die bei 13 und 14 gezeigten
Punkte entsprechen den Farben, die verwendet werden, um Röntgenbilder
anzuzeigen, nämlich
P45 (x = 0,255, y = 0,3100) und P104 (x = 0,280 und y = 0,304).
Die bei 12 gezeigte Fläche
ist die Fläche,
die man erhalten kann, indem man die Verhältnisse der Stärken von drei
handelsüblichen
roten, grünen
und blauen LEDs anpasst.
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Es
ist zu beachten, dass die Fläche 12 über welche
die Farbe geändert
werden kann, viel größer als
notwendig ist, um eine Lichtquelle bereitzustellen, die zwischen
den Punkten 13 und 14 umschaltet. Wie oben angemerkt,
hat diese zusätzliche
Veränderlichkeit
einen erheblichen Preis, da sie es nötig macht, dass alle LEDs relativ
starkes Licht erzeugen. LEDs, die Licht in verschiedenen Spektralbereichen
bereitstellen, haben sehr unterschiedliche Leistungsumwandlungswirksamkeitsgrade
und Kosten. Z.B. sind LEDs im grünen
Bereich des Spektrums erheblich teurer als LEDs im roten Bereich
des Spektrums. Zudem haben die rot emittierenden LEDs höhere Lichtumwandlungswirksamkeitsgrade.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass eine
Verbundlichtquelle, die aus einer weißen LED-Lichtquelle und einer RGB-Lichtquelle
mit wesentlich geringerer Ausgabeleistung aufgebaut ist, eine Lichtquelle bereitstellen
kann, die eine veränderliche
Farbe in einem eingeschränkten
Bereich des Farbraums aufweist, die ausreicht, um die erwünschten
Farbpunkte zu umfangen, zu einem Preis, der wesentlich geringer
ist als derjenige, der notwendig ist, um eine Quelle bereitzustellen,
die nur eine RGB LED Lichtquelle der erwünschten Ausgangsleistung verwendet.
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Weiße LED-Quellen
sind in dieser Hinsicht besonders interessant, da diese LEDs jetzt
in großen Mengen
als Ersatz für
Glühbirnen
in Taschenlampen und dergleichen hergestellt werden. Bei einer Art
von weißen
LEDs wird eine blaue LED mit einer Leuchtstoffschicht überzogen,
die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Die
Kombination des restlichen blauen Lichts und es gelben Lichts des Leuchtstoffs
erscheint weiß.
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Es
ist ebenfalls zu bemerken, dass diese weißen LEDs einen höheren Lichtumwandlungswirksamkeitsgrad
pro Watt aufweisen als Leuchtstofflichtquellen. Eine typische Leuchtstofflichtquelle,
die verwendet wird, um LCD-Anzeigen zu beleuchten, weist einen Umwandlungswirksamkeitsgrad
von ungefähr 167
Nits/W entsprechend etwa 167 Candela pro Quadratmeter und Watt auf.
Eine herkömmliche RGB-LED-Anzeige weist einen
Umwandlungswirksamkeitsgrad von 110 Nits/W entsprechend etwa 110 Candela
pro Quadratmeter und Watt auf. Die oben angesprochenen weißen LEDs
haben einen Lichtumwandlungswirksamkeitsgrad von 200 Nits/W entsprechend
200 Candela pro Quadratmeter und Watt. Daher kann die Kombination
einer weißen
LED-Quelle und einer herkömmlichen
RGB-Quelle eine Lichtquelle mit einem Umwandlungswirksamkeitsgrad
bereitstellen, der demjenigen einer Leuchtstoffquelle sehr nahe
ist und trotzdem noch eine erhebliche Farbvariation bereitstellt.
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Es
wird nun Bezug genommen auf 4, die den
Bereich des Farbraums abbildet, den man mit einer Lichtquelle erhalten
kann, die aus weißen
LEDs und einer herkömmlichen
RGB-Lichtquelle aufgebaut ist, die eine Ausgangsintensität oder Ausgabestärke aufweist,
die ungefähr
derjenigen der weißen LED-Quelle
entspricht. Der Bereich, über
den die wahrgenommene Farbe der Quelle durch Verändern der Intensitäten der
RGB-LEDs verändert
werden kann, wird bei 31 gezeigt. Dieser Bereich reicht
immer noch aus, um die beiden Röntgenbildbetrachtungsfarben
einzubeziehen, und dabei erheblich weniger Energie in den RGB-LEDs
zu benötigen,
da RGB-LEDs höchstens
nur die Hälfte
des gesamten Lichts der Quelle bereitstellen.
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Steuereinrichtungen
zum Variieren der Intensitäten
oder Stärken
der LEDs in RGB-Lichtquellen als Antwort auf Detektorsignale, die
von einem Detektor erzeugt werden, der die relative Stärke der Lichtquelle
in den roten, blauen und grünen
Spektralbereichen misst, werden massenweise gefertigt, und sind
daher zu attraktiven Preisen erhältlich.
Es wäre daher
von Vorteil, eine derartige handelsübliche Steuereinrichtung beim
Aufbau einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwenden.
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Es
wird Bezug genommen auf 5, die eine Ausführungsform
einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung abbildet, die eine herkömmliche RGB-Steuereinrichtung
verwendet. Die Lichtquelle 40 weist vier Sätze von
LEDs auf. Der weiße LED-Satz,
der bei 45 gezeigt wird, funktioniert bei einem voreingestellten
Strom. Die roten, blauen und grünen
LED-Sätze,
die jeweils bei 42 bis 44 gezeigt werden, werden
von einer Farbsteuereinrichtung 41 gesteuert. Die Farbsteuereinrichtung 41 weist
einen Farbsensor 46 auf, der das Licht misst, das von allen vier
LED-Sätzen
erzeugt wird. Der Farbsensor 46 wird an einer Stelle angebracht,
an der das Licht aus den verschiedenen LEDs eine Möglichkeit
gehabt hat, sich zu vermischen.
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Der
Farbsensor 46 erzeugt Signale, welche die Stärke des
Lichts angeben, das von dem Farbsensor 46 in den optischen
Bändern
um Rot, Blau und Grün
empfangen wird. Der Farbsensor 46 könnte aus einem Satz von drei
Photodioden aufgebaut sein, wobei jede Photodiode ein entsprechendes
Bandpassfilter aufweist, welches das Licht, das die Photodiode erreicht,
auf Licht in einem der betreffenden optischen Bänder begrenzt. Es könnten jedoch
zahlreiche andere Formen von Farbsensoren, die in der Technik bekannt
sind, verwendet werden.
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Die
Ausgänge
des Farbsensors 46 werden mit Zielfarbwerten verglichen,
die außerhalb
des Chips erzeugt werden, der die Farbsteuereinrichtung 41 enthält. Bei
der Lichtquelle 40 werden diese Signale in einer Lichtquellensteuereinrichtung 48 gespeichert
und durch eine Eingabe vom Benutzer ausgewählt. Die Benutzereingabe kann
sowohl einen Farbpunkt als auch einen Intensitätswert aufweisen. Den Farbpunkt
kann man wählen,
indem man einen Farbpunkt aus einem vorgegebenen Satz von vorprogrammierten
Farbpunkten angibt.
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Der
Vergleicher 47 gibt Fehlersignale aus, die verwendet werden,
um den Durchschnittsstrom durch die LED-Sätze 42 bis 44 hindurch
anzupassen, die einen Pulsbreitenmodulations-Generator 49 verwenden.
Die LEDs werden mit einer Frequenz ein- und ausgeschaltet, die zu
schnell ist, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden. Der Betrachter
sieht nur das Durchschnittslicht, das von den LEDs erzeugt wird.
Der Durchschnittsstrom durch die LEDs wird eingestellt, indem der
Zeitanteil in jedem Zyklus, während
dem die LEDs eingeschaltet sind, eingestellt wird. Der Pulsbreitenmodulations-Generator 49 passt
die Arbeitsphase (duty factor) für
jeden LED-Satz an, um die Fehlersignale zu minimieren. Ein Satz
von Stromtreibern 51 bis 53 stellt den Strom für jeden
LED-Satz bereit.
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Obwohl
die Lichtquelle 40 von der herkömmlichen LED-Farbsteuereinrichtung 41 effizient
Gebrauch macht, benötigt
sie dennoch eine getrennte Stromquelle, um die weißen LEDs
anzusteuern. Diese Stromquelle ist nicht veränderlich, und daher ist die
Lichtintensität
bei jeder speziellen Farbeinstellung nicht veränderlich. Alternativ könnte die
Stromquelle 54 eine veränderliche
Stromquelle mit einer getrennten Intensitätsreglung sein, die von der
Lichtquellensteuereinrichtung 48 betrieben wird. Eine derartige
Anordnung ist jedoch kostspieliger.
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Es
wird nun Bezug auf 6 genommen, die eine andere
Ausführungsform
einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung abbildet. Die Lichtquelle 70 ist ähnlich wie
die Lichtquelle 40, die in 5 gezeigt
wird, und um die nachstehende Erörterung
zu vereinfachen werden deshalb diejenigen Elemente der Lichtquelle 70,
die analoge Aufgaben erfüllen,
wie die der Elemente der Lichtquelle 40, mit den gleichen
Bezugsziffern versehen und hier nicht weiter besprochen. Die Lichtquelle 70 unterscheidet sich
von der Lichtquelle 40 dadurch, dass die weißen LEDs
in eine der farbigen LED-Gruppierungen integriert wurden. Bei dieser
Ausführungsform
werden die weißen
LEDs aus blauen LEDs aufgebaut, die einen Leuchtstoff umfassen,
der einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Daher
wurden die weißen
LEDs in den Satz von blauen LEDs eingefügt. D.h. dass die LEDs in der
LED-Kette 61 eine Mischung aus weißen LEDs 62 und blauen
LEDs 63 sind. Die weißen
LEDs sind bevorzugt gleichmäßig innerhalb
der Kette 61 verteilt.
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Diese
Anordnung beseitigt die Notwendigkeit einer getrennten Stromquelle
und eines getrennten Stärkeregelungsmechanismus.
Die Farbsteuereinrichtung 41 kann die drei LED-Sätze genau
so behandeln, wie sie es bei der in 5 gezeigten
Ausführungsform
tat. Der Benutzer stellt der Lichtquellensteuereinrichtung 68 die
Identität
des Farbpunkts und die gewünschte
Lichtintensität
oder Lichtstärke in
Form von roten, blauen und grünen
Zielwerten bereit. Die Intensität
wird jeweils durch Erhöhen
bzw. Erniedrigen aller Zielwerte erhöht bzw. erniedrigt, wobei die
relativen Werte der Zielwerte konstant bleiben.
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Verschiedene Änderungen
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der vorhergehenden
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor gehen. Entsprechend
ist die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der nachstehenden
Ansprüche
zu begrenzen.