EP2223568B1

EP2223568B1 - Verfahren und anordnung zur einstellung eines farborts sowie leuchtsystem

Info

Publication number: EP2223568B1
Application number: EP08857812.5A
Authority: EP
Inventors: Nico Morgenbrod
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: CN101889478A; DE102007059130A1; US20100259198A1; US8593481B2; EP2223568A2; WO2009071314A2; WO2009071314A3; CN101889478B; CN103781214A; WO2009071314A9; CN103781214B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Einstellung eines Farborts sowie ein Leuchtsystem.
Zur Einstellung und Stabilisierung eines Farborts werden drei Farben benötigt. Jede dieser Einzelfarben ist durch drei Farbvalenzen XYZ beschrieben. Die Mischung dreier Farben ist durch ein Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten eindeutig bestimmt.
Für beleuchtungstechnische Anwendungen sind auf drei Einzelfarben basierende Leuchtsysteme im Hinblick auf deren Leuchtcharakteristik nicht zufriedenstellend, insbesondere wird von einem Betrachter eines solche Leuchtcharakteristik als nicht angenehm empfunden.
Daher können in Leuchtsystemen mehr als drei Einzelfarben eingesetzt werden. Bei einer Mischung von mehr als drei Einzelfarben für einen Farbort, ergibt sich ein überbestimmtes Gleichungssystem.
Als Leuchtquellen werden in einem Leuchtsystem unterschiedliche Lichtmittel, insbesondere Leuchtdioden und/oder Kombinationen von Leuchtdioden verschiedener Wellenlängen eingesetzt.
Temperatureffekte beeinflussen den Farbort von Leuchtquellen, insbesondere von LEDs. Dementsprechend ist es notwendig insbesondere im Hinblick auf einen gleichbleibenden Gesamteindruck der Leuchtquellen den Farbort iterativ oder kontinuierlich einzustellen bzw. zu justieren.
Hierzu werden optische Sensoren eingesetzt, die mindestens eine der Leuchtquellen überwachen und somit eine Abweichung des momentanen Farborts der Leuchtquellen von einem vorgegebenen Sollfarbort feststellen können.
Hierbei ist es von Nachteil, dass ein optischer Sensor aufwendig und insbesondere teuer ist.
WO 2006/126124 A2 offenbart ein LED-Beleuchtungssystem zum Erzeugen von weißem Licht. Das System umfasst Gruppen von LEDs, die angeordnet sind, um Licht mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu emittieren, und die mit verschiedenen Sätzen von Eigenschaften assoziiert sind, und eine Treiberschaltung zum Ansteuern der LEDs. Die Treiberschaltung umfasst einen Eingang für eine gewünschte Lichtintensität, einen Farbwiedergabeindex und eine Farbtemperatur, einen Eingang für Signale für eine LED-Temperatur, ein Modell zum Bestimmen von Ansteuerströmen für die genannten Sätze von LEDs aus den genannten Sätzen von Parametern, Signalen und Kennlinien von LEDs. Ein Verfahren zum Steuern der Gruppen von LEDs ist ebenfalls offenbart.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zur besonders effiziente Einstellung eines Farborts eines Leuchtsystems oder Leuchtmoduls umfassend mindestens eine Leuchtquelle anzugeben, das insbesondere ohne optische Sensoren zur Detektion des aktuellen Farborts auskommen kann.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts mindestens einer Leuchtquelle auf einen vorgegebenen Sollfarbort vorgeschlagen, bei dem die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle ermittelt wird und anhand der Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle eine Helligkeit und eine Wellenlänge der mindestens einen Leuchtquelle ermittelt werden, wobei die Helligkeit und die Wellenlänge abhängig von vorgegebenen Kalibrierdaten ermittelt werden, die Helligkeit und die Wellenlänge der mindestens einen Leuchtquelle in einen Ist-Farbort umgesetzt wird, der Ist-Farbort mit dem Sollfarbort verglichen wird und die mindestens eine Leuchtquelle iterativ so eingestellt wird, dass der Sollfarbort erreicht wird.
Dadurch können erfolgreich Schwankungen der mindestens einen Leuchtquelle und/oder des Leuchtmoduls umfassend die mindestens eine Leuchtquelle zumindest anteilig, insbesondere im Wesentlichen vollständig kompensiert werden, ohne hierfür gesondert teure optische Sensoren einzusetzen. Auch kann dadurch von einem Benutzer des Leuchtmoduls, das in einer Lampe oder Leuchte angeordnet sein kann, der Farbort entsprechend den individuellen Bedürfnissen (z.B. Farbton sowie Helligkeit) vorgegeben werden. Im Rahmen der hier vorgestellten Einstellung wird dieser Farbort dann im Wesentlichen konstant gehalten (bzw. Abweichungen z.B. aufgrund thermischer Effekte werden zumindest weitgehend kompensiert).
Insbesondere können die Helligkeiten und die Wellenlängen jeder Leuchtquelle des Leuchtmoduls ermittelt werden.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Leuchtquelle auf dem Leuchtmodul angeordnet ist und zusätzlich eine Temperatur des Leuchtmoduls ermittelt wird.
Somit kann die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle, insbesondere jeder Leuchtquelle, die auf einem Leuchtmodul vorgesehen ist, ermittelt werden. Auch kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ hierzu die Temperatur des Leuchtmoduls ermittelt werden, wobei vorzugsweise die mindestens eine Leuchtquelle mit dem Leuchtmodul thermisch gekoppelt ist.
Die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle und/oder die Temperatur des Leuchtmoduls kann insbesondere mindestens eine Temperatur ("Junction-Temperatur") eines LED-p-n-Übergangs umfassen, wodurch Eigenschaften (z.B. Helligkeit und Wellenlänge) der jeweiligen Leuchtquelle bestimmt sind.
Insbesondere kann abhängig von einer elektrischen Leistung, die von einer Leuchtquelle aufgenommen wird, einem Wirkungsgrad, einer (mittels einer Pulsweitenmodulation eingestellten) Helligkeit sowie einem Strom und einer Spannung die von der mindestens einen Leuchtquelle benötigte elektrische Leistung ermittelt werden. Weiterhin kann basierend auf dieser elektrischen Leistung pro Leuchtquelle deren jeweilige Temperatur bestimmt werden, indem mindestens eine gemessene Temperatur eines Temperatursensors sowie ein thermischer Widerstand der Anordnung umfassend die mindestens eine Leuchtquelle berücksichtigt wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Temperatur bestimmt wird anhand mindestens eines Temperatursensors, insbesondere anhand eines Heißleiters und/oder eines Kaltleiters.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Orten vorgesehen sind. Insbesondere können mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Orten des Leuchtmoduls vorgesehen sein, auf dem die mindestens eine Leuchtquelle angeordnet ist.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die Temperatur weiterhin bestimmt anhand einer abgegeben Leistung und/oder anhand eines thermischen Widerstands.
Beispielsweise werden Kalibrierdaten bereitgestellt, die einem Vergleichswert für die Helligkeit und die dominante Wellenlänge der Leuchtquelle bei einer bestimmten Temperatur entsprechen. Hierbei werden vorzugsweise die realen Leuchtquellen, insbesondere die realen LEDs berücksichtigt, um eventuelle Herstellungstoleranzen zumindest anteilig kompensieren zu können.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Helligkeit und die Wellenlänge abhängig von einer Alterungsinformation betreffend die mindestens eine Leuchtquelle ermittelt werden. Vorzugsweise kann die Alterungsinformation eine Alterungskennlinie der Leuchtquelle sein.
Die Iteration kann eine zu vorgegebenen Zeitpunkten angestoßene Regelung umfassen. Auch ist es möglich, dass die Regelung im wesentlichen kontinuierlich erfolgt.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass mehrere Leuchtquellen vorgesehen sind derart, dass die mehreren Leuchtquellen oder ein Teil der mehreren Leuchtquellen nur geringe bis keine Überlappungen in deren jeweiligen Spektren aufweisen.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Leuchtquelle mindestens ein Leuchtmittel, insbesondere mindestens eine LED umfasst.
Hierbei sei angemerkt, dass jede Leuchtquelle mehrere Leuchtmittel, z.B. LEDs, umfassen kann. Vorteilhaft kann jede Leuchtquelle mehrere LEDs mit jeweils im wesentlichen gleicher Wellenlänge umfassen. Auch ist es möglich, dass eine Leuchtquelle mehrere LEDs unterschiedlicher Wellenlängen aufweist.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass eine Helligkeit der Leuchtquelle mittels einer Pulsweitenmodulation eingestellt wird.
Auch ist es eine Möglichkeit, dass n Leuchtquellen vorgesehen sind, von denen n-3 Leuchtquellen voreingestellt werden oder voreingestellt sind. Ein Farbortunterschied der n Leuchtquellen von einem Sollfarbort wird bestimmt und die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen werden so eingestellt, dass der Sollfarbort erreicht wird.
Der Farbort ist insbesondere bestimmt in Form von Koordinaten eines Farbraums. Die Intensitäten der 3 Leuchtquellen können derart modifiziert werden, dass eine Koordinate in dem Farbraum, auch bezeichnet als Soll-Farbwert, eingestellt oder erreicht wird.
Die Voreinstellung der n-3 Leuchtquellen kann vorteilhaft offline vorgenommen werden, indem optische wie physikalische Parameter (Wellenlängen der Leuchtquellen, Abstrahlcharakteristika, physikalische Bauform) sowie das Leuchtsystem (Ausdehnung, Abstände der Leuchtquellen zueinander, etc.) umfassend die Leuchtquellen berücksichtigt werden. Hierdurch kann das überbestimmte Gleichungssystem (3 Leuchtquellen reichen aus um den Farbort einzustellen) derart reduziert werden, dass effizient eine Sollfarbort mittels der verbleibenden 3 Leuchtquellen eingestellt werden kann.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Einstellung des Farborts anhand der n Leuchtquellen derart erfolgt, dass mindestens eine der Zielgrößen

Color Rendering Index;
Color Quality Scale;

Entsprechend kann eine Zielwertoptimierung im Hinblick auf mindestens eine der genannten Zielgrößen erfolgen, wobei diese Optimierung zweckmäßig vorab durchgeführt und in einer oder für eine Steuer- und/oder Regeleinheit zur Einstellung der Leuchtquellen hinterlegt oder abgespeichert wird.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass eine Optimierung hinsichtlich der mindestens einen Zielgröße vorab durchgeführt wird und insbesondere als eine Ansteuerinformation für die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen bereitgestellt wird.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Einstellung der mindestens einen Zielgröße anhand der n Leuchtquellen mittels mindestens einer der folgenden Parameter erfolgt:

Lichtstrom;
Beleuchtungsstärke;
Lichtstärke;
Leuchtdichte.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung spannen die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen ein Dreieck in einem CIE x-y-Diagramm auf, wobei das Dreieck insbesondere eine möglichst große Fläche aufweist.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die n Leuchtquellen ein breites Leuchtspektrum abdecken.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die n Leuchtquellen oder ein Teil der n Leuchtquellen nur geringe bis keine Überlappungen in deren jeweiligen Spektren aufweisen.
Somit ist es vorteilhaft möglich, dass ein Teil der Leuchtquellen jeweils einen eigenen Beitrag zum Gesamtspektrum liefert, der sonst von zumindest einem Teil der übrigen Leuchtquellen nicht geliefert wird.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zur Einstellung eines Farborts umfassend

mindestens eine Leuchtquelle;
mindestens einen Temperatursensor;
eine Einheit zur Einstellung des Farborts der mindestens einen Leuchtquelle auf einen auf einen vorgegebenen Sollfarbort, wobei die Einheit zur Einstellung des Farborts zur Durchführung des Verfahrens wie oben beschrieben eingerichtet ist.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass anhand des Temperatursensors eine Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle bestimmbar ist und/oder dass anhand des Temperatursensors eine Temperatur eines Leuchtmoduls bestimmbar ist, wobei die mindestens eine Leuchtquelle mit dem Leuchtmodul thermisch gekoppelt ist.
Somit kann insbesondere mittelbar anhand des mindestens einen Temperatursensors die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle ermittelbar sein. Beispielsweise kann über die gemessene Temperatur des Leuchtmoduls auf die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle rückgeschlossen werden, insbesondere können mehrere Temperaturen mehrerer Leuchtquellen auf diesem Weg bestimmbar sein. Als Leuchtquellen sind bevorzugt LEDs unterschiedlicher Wellenlängen einsetzbar.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass mehrere Temperatursensoren vorgesehen sind, die an unterschiedlichen Orten des Leuchtmoduls umfassend die mindestens eine Leuchtquelle angeordnet sind.
Eine zusätzliche Weiterbildung besteht darin, dass mehr als drei Leuchtquellen vorgesehen sind, wobei eine erste Gruppe drei Leuchtquellen umfasst und eine zweite Gruppe die restlichen Leuchtquellen umfasst. Die Einheit zur Einstellung der mindestens einen Leuchtquelle stellt die erste Gruppe der Leuchtquellen derart ein, dass der Sollfarborts erreichbar ist.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass anhand der Einheit zur Einstellung der mindestens einen Leuchtquelle eine Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle ermittelbar ist und abhängig von der Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle eine Helligkeit und eine Wellenlänge der mindestens einen Leuchtquelle bestimmbar ist.
Die Anordnung kann als ein Leuchtmodul, eine Lampe, eine Leuchte oder als ein Scheinwerfer ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:

Fig.1: eine Skizze umfassend ein Color Management System zur Regelung bzw. Einstellung eines Sollfarborts anhand von gemessener Temperaturen eines Leuchtmoduls bzw. mindestens einer Leuchtquelle;
Fig.2: eine Detailskizze der Einheit zur Bestimmung der Helligkeit und Wellenlänge pro Leuchtquelle basierend auf den Temperaturen der einzelnen Leuchtquellen;
Fig.3: ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts;
Fig.4: eine funktionale Skizze von Komponenten eines Leuchtmoduls mit einem Temperatursensor;
Fig.5: Ansteuerkurven zur Erreichung einer optimierten Farbwiedergabe des Leuchtsystems umfassend mehrere (5) Leuchtquellen.

Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht eine besonders effiziente Kompensation von Temperatureffekten eines Leuchtmoduls umfassend mehrere Leuchtquellen, insbesondere LEDs, wobei eine Farbortstabilisierung der Leuchtquellen anhand einer zu ermittelnden Temperatur erfolgen kann. Somit können vorteilhaft teure und aufwändige optische Sensoren zur Feststellung des aktuellen Farborts der Leuchtquellen bzw. des Leuchtmoduls entfallen.
Der Farbort einer Leuchtquelle, insbesondere einer LED kann abhängig von der Wellenlänge variieren, wobei insbesondere bei der LED sich die Wellenlänge mit der Sperrschichttemperatur der LED ändert. Zudem sinkt ein Lichtstrom mit steigender Temperatur. Farbort und Lichtstrom zeigen über einen Temperaturverlauf insbesondere ein stark nichtlineares Verhalten. Einstellbare farbortstabile Lichtquellen (LEDs) kompensieren derartige Abhängigkeiten.
Gemäß der hier vorgeschlagenen Lösung können LEDs mathematisch beschrieben werden, so dass bei Kenntnis der Sperrschichttemperatur der jeweiligen LED ein aktueller Farbort und der emittierte Lichtstrom bzw. die Leuchtintensität bestimmt werden können. Demnach kann vorteilhaft anhand der Temperatur der LED auf deren Farbort und Lichtstrom rückgeschlossen werden. Entsprechend kann bei Kenntnis der Temperatur für die jeweilige LED eine entsprechende Kompensation insbesondere des Farborts des Leuchtmoduls umfassend mehrere LEDs durchgeführt werden. Somit kann vorteilhaft ein teurer optischer Sensor entfallen.
Je nach Technologie und/oder Aufbau einer LED ergeben sich unterschiedlich stark ausgeprägte thermische Effekten während des Betriebs der LED.
So verschiebt sich eine Dominantwellenlänge der LED mit zunehmender Temperatur in Richtung höherer Wellenlängen und/oder ein Lichtstrom nimmt mit steigender Temperatur ab.
Zur Bestimmung der jeweiligen Temperaturkurve wird bevorzugt eine große Anzahl von Messdaten für jeden LED-Typ ausgewertet.
Zur Berechnung des aktuellen (temperaturabhängigen) Farborts der einzelnen LED wird vorteilhaft von der jeweiligen Dominantwellenlänge sowie einer Sättigung ("Purity") ausgegangen. Diese Sättigung ist von der Temperatur unabhängig und wird kann als konstant angenommen werden.
Insbesondere anhand der vorhergehenden Evaluierungen können Polynome erstellt werden, die für jeden LED-Typ einen Zusammenhang zwischen der Dominantwellenlänge und den Farbkoordinaten cx bzw. cy beschreiben (die dritte Koordinate cz ergibt sich aus der Gleichung cx+cy+cz=1).
Ausgehend von der Dominantwellenlänge bei einer Referenztemperatur von z.B. 25°C (diese Dominantwellenlänge kann bspw. aus einer Kalibrierung bekannt sein) sowie von einer im Betrieb über eine Leistung und einen Sensor abgeschätzte aktuelle Sperrschichttemperatur kann mittels der auf den einen 25°C-Wert normierten Temperaturkennlinien die aktuelle Dominantwellenlänge berechnet und der Farbort der einzelnen LED bestimmt werden.
Auch der Lichtstroms kann anhand der auf den 25°C-Wert normierten Temperaturkennlinien bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Temperatur, insbesondere der Sperrschichttemperatur der LED kann mindestens ein Temperatursensor vorgesehen sein, der thermisch an die LED gekoppelt ist. Insbesondere können unterschiedliche thermische Sensoren, auch in Kombination miteinander, vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass mehrere Temperatursensoren an unterschiedlichen Position eines Leuchtmoduls angeordnet sind. Durch Kenntnis der Positionen in Relation zu der LED (oder entsprechend zu mehreren LEDs eines Leuchtmoduls) lässt sich entsprechend eine Temperaturverteilung zwischen den LEDs bzw. Temperaturgradienten entlang eines Leuchtmoduls bestimmen. Dadurch kann die Sperrschichttemperatur der LED mit höherer Genauigkeit ermittelt werden.
Beispiele für einen Temperatursensor sind: Heißleiter (NTC), Kaltleiter (PTC), Temperaturfühler, Thermoelement, Pyrometer, o.ä.
Bei einem bekanntem, der LED eingeprägten Strom und bei bekannten Vorwärtsspannungskennlinien der LED sowie bei bekannten thermischen Widerständen und Wirkungsgraden kann die Sperrschichttemperatur der LED bestimmt werden.
Somit kann abhängig von einer auf einem Leuchtmodul gemessenen Temperatur auf die Sperrschichttemperaturen mehrerer (beliebig vieler) LEDs rückgeschlossen werden. Entsprechend sind die erwähnten lichttechnischen Größen Wellenlänge (Farbort) und Leuchtintensität (Helligkeit) für jede LED und damit für das Leuchtmodul insgesamt bestimmbar.
Optional kann für eine (jede) LED eine Alterungskurve in der Lichtstromberechnung hinterlegt werden. Somit lässt sich bei der Regelung des Farborts eine natürliche Alterung der LED (bzw. der mehren Leuchtquellen oder LEDs des Leuchtmoduls) berücksichtigen und kompensieren.
Somit erlaubt es der hier beschriebene Ansatz, eine Farbortstabilität von LED-Leuchtmodulen oder LED-Leuchten ohne optisches Feedback, insbesondere ohne den Einsatz oder die Verwendung teurer optischer Sensoren zu gewährleisten.
Insbesondere kann eine Kalibrierung oder Regelung über mehreren Temperaturen entfallen. Statt dessen wird bei der Regelung der aktuelle Farbort der Leuchtquellen ermittelt und entsprechend auf einen Sollfarbort eingestellt (falls nötig). Aufwand und Kosten für LED-Leuchten lassen sich mit diesem Ansatz daher wirksam reduzieren.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht insbesondere eine Einstellung sowie eine fortwährende und/oder iterative Regelung eines Farborts mittels eines Color-Management-Systems, wobei vorzugsweise mehr als drei Leuchtdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden.
Das nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Leuchtsystem oder Leuchtmodul umfassend n Leuchtquellen, z.B. n LEDs, deren jede insbesondere eine andere Wellenlänge aufweist.
Alternativ ist es auch möglich, weniger als 3 Leuchtquellen einzusetzen.
Bei der Verwendung von 3 Leuchtquellen ergibt sich die Möglichkeit (sofern die 3 Leuchtquellen so gewählt sind, dass sie einen entsprechenden Farbraum aufspannen), dass jeder Farbort mittels vorgebbarer Ansteuerung der 3 Leuchtquellen einstellbar ist. Entsprechend kann bei einer Veränderung (z.B. durch thermische Effekte) des Farborts anhand der 3 Leuchtquellen der Sollfarbort nachgeführt werden. Hierbei ist eine Detektion einer Abweichung von dem Sollfarbort nötig.
Es sei ausdrücklich angemerkt, dass der vorliegende Ansatz nicht auf einen der Fälle 'weniger als 3 Leuchtquellen', 'genau 3 Leuchtquellen' oder 'mehr als 3 Leuchtquellen' beschränkt ist.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird beispielhaft von mehr als 3 Leuchtquellen, insbesondere von 5 LEDs als Lichtmittel, ausgegangen.
Es wird beispielhaft angenommen, dass ein Leuchtsystem n Leuchtquellen, die vorzugsweise als LEDs ausgestaltet sind, aufweist.
Zunächst können die n Leuchtquellen anhand mindestens einer der folgenden Parameter bestimmt werden:

Lichtstrom;
Beleuchtungsstärke;
Lichtstärke;
Leuchtdichte.

Dabei kann ein Verhältnis der vorstehend genannten Parameter für die n Leuchtquellen derart eingestellt werden, dass mindestens eine der folgenden vorgebbaren Zielgrößen

Color Rendering Index (CRI);
Color Quality Scale (CQS);
eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung möglichst gut erreicht wird.

Hierzu kann eine geeignete Optimierung eingesetzt werden.
Beispielhaft ist es möglich, die n Leuchtquellen so auszuwählen bzw. vorzugeben, dass diese eine entsprechend günstige und bei einem Leuchtsystem für einen Betrachter als angenehm empfundene spektrale Verteilung aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem Leuchtquellen eingesetzt werden, die jeweils einen gegenüber den anderen Leuchtquellen ergänzenden Beitrag im Leuchtspektrum des Leuchtsystem darstellen. Hat beispielsweise eine Leuchtquelle, z.B. eine LED, eine sehr begrenzte spektrale Ausdehnung innerhalb des gewünschten Spektrums des Leuchtsystems, so können weitere LEDs vorgesehen sein, deren Spektren ergänzend in einem anderen Frequenzbereich liegen. Das Gesamtspektrum ergibt sich somit aus der Überlagerung der Spektren der einzelnen Leuchtquellen.
Insbesondere kann eine (im wesentlichen) weiße Leuchtquelle mit entsprechend breitem Spektrum vorgesehen sein.
Somit kann bei der Einstellung des Farborts des Leuchtsystems erreicht werden, dass aufgrund des entsprechend optimierten Spektrums das Leuchtsystem die eingestellte oder vorgewählte Farbe auf für den Betrachter angenehme und gleichmäßige Art und Weise wiedergibt.
Vorzugsweise werden n-3 bestimmte Parameter als Farbvalenzen Y4...Yn vorgegeben.
Basierend auf den vorgegebenen n-3 Leuchtquellen, die jeweils bestimmte Farbvalenzen aufweisen, kann ein Farbortunterschied, z.B. eine Farbortdifferenz, vom zum einzustellenden Sollfarbort bestimmt werden. Hierzu besteht insbesondere die Möglichkeit, dass ein Sollfarbort sowie eine Helligkeit des Leuchtsystems z.B. von einem Benutzer eingestellt wird.
Zur Bestimmung der Farbortdifferenz wird eine Sollfarbvalenz Y-Gesamt vorzugsweise auf 100% bzw. auf den vom System zu erreichenden Wert (Helligkeitsvorgabe des Benutzers) gesetzt.
Die 3 Leuchtquellen mit ihren vorgegebenen Farben stehen nun zur Verfügung, um eine Einstellung auf den Sollfarbort zu erreichen. Hierzu sind diese 3 Leuchtquellen insbesondere so vorzugeben, dass durch sie eine möglichst große Fläche (z.B. ein möglichst großes Dreieck) in einem CIE-x-y-Diagramm aufgespannt wird.
Die Parameter zur Einstellung der 3 Leuchtquellen können wir folgt bestimmt werden: $(\begin{matrix} X_{Diff} \\ Y_{Diff} \\ Z_{Diff} \end{matrix}) = (\begin{matrix} \frac{x_{1}}{y_{1}} & \frac{x_{2}}{y_{2}} & \frac{x_{3}}{y_{3}} \\ 1 & 1 & 1 \\ \frac{z_{1}}{y_{1}} & \frac{z_{2}}{y_{2}} & \frac{z_{3}}{y_{3}} \end{matrix}) • (\begin{matrix} Y_{1} \\ Y_{2} \\ Y_{3} \end{matrix})$
Diese Gleichung ermöglicht die farbmetrische Berechnung der zu setzenden lichttechnischen Größen oder Parameter Y₁, Y₂ und Y₃ zur Einstellung des Differenzfarborts bzw. zur Erreichung des Sollfarborts.
Hierbei sei angemerkt, dass jede der 3 Leuchtquellen auch mehr als ein Lichtmittel bzw. mehr als eine LED umfassen kann. Es können beispielsweise mehrere LEDs mit im wesentlichen gleicher Farbvalenz zu einer Leuchtquelle zusammengefasst sein. Dementsprechend können auch mehrere LEDs verschiedener Farbvalenzen zu einer Leuchtquelle gemäß der vorliegenden Beschreibung zusammengefasst sein.
Basierend auf der gemessenen mindestens einen Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems können Farbvalenzen der einzelnen Farben der Leuchtquellen sowie eine notwendige Verschiebung (x, y) zur Erreichung des Sollfarborts bestimmt werden.
Weiterhin kann eine Regelung iterativ, kontinuierlich und/oder zu bestimmten Zeitpunkten dergestalt erfolgen, dass eine Steuereinheit (Color Management System) die zu setzenden Farbvalenzen Y neu ermittelt (anhand erneuter Messung der mindestens einen Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems) und somit beispielsweise auf eintretende Änderungen der Sperrschichttemperaturen der LEDs durch Nachregelung auf bzw. Stabilisierung des Sollfarborts reagiert.
Für den Fall, dass eine Leuchtquelle eine regelbare Weißlichtquelle umfasst, kann der Fall eintreten, dass zur Erreichung des Sollfarborts die Einzelfarben in Abhängigkeit von dem Sollfarbort nicht gesondert benötigt werden. Somit ist eine gemeinsame Nutzung eines Steuerkanals möglich.
Der hier beschriebene Ansatz erlaubt bei einer Verwendung von mehr als 3 Leuchtquellen (jede Leuchtquelle kann dabei insbesondere mindestens eine Leuchtdiode umfassen), wobei die 3 Leuchtquellen vorteilhaft unterschiedliche Farben aufweisen und einen möglichst großen Farbraum aufspannen, dass ein frei vorgegebener Farbort innerhalb des Farbraums mittels einer Regelung von drei Farben stabilisiert werden kann und ein auf eine oder mehr Zielgrößen optimiertes Spektrum ermittelbar ist.
Zudem kann eine Optimierung des Spektrums im Hinblick auf bestimmte Zielgrößen insbesondere einmalig vorab bestimmt werden. Eine derartige Optimierung kann beispielsweise aufwändig und zeitintensiv sein und kann vorteilhaft somit nicht auf dem Leuchtmodul selbst erfolgen. Die Optimierung dient als Input für die Regelung (Color Management System) zur Erreichung bzw. Einstellung des Sollfarborts anhand der frei einstellbaren Leuchtquellen. Die Lösung des Gleichungssystems zur Einstellung des Sollfarborts mittels dreier Leuchtquellen kann schnell und effizient auf dem Leuchtmodul durchgeführt werden.
Fig.1 zeigt eine Möglichkeit zur Regelung bzw. Einstellung eines Sollfarborts mittels eines Color Management Systems 101.
Als Eingangsgröße 102 dient hierbei eine Gesamtintensität eines Sollfarborts umfassend einen Sollfarbort mit zugehöriger Helligkeit. Eine weitere Eingangsgröße 103 für das Color Management System 101 stellt eine optimierte Intensität der Farben der n Leuchtquellen gemäß einer Ansteuerkurve wie in Fig.5 gezeigt dar.
Ausgehend von n Leuchtquellen werden beispielhaft die Intensitäten der Leuchtquellen 4 bis n anhand der Ansteuerkurven gemäß Fig.5 von dem Color Management System 101 ermittelt anhand einer vorab bestimmten Optimierung nach mindestens einer Zielgröße. Diese Vorgabe wird zur Einstellung der verbleibenden Leuchtquellen 1 bis 3 verwendet, um den Sollfarbort zu erreichen.
Das Color Management System 101 umfasst eine Einheit 104 zur Differenzfarbortbestimmung und eine Einheit 105 zur Berechnung der Intensitäten der Einzelfarben Y1, Y2, und Y3. Somit stellt das Color Management System 101 als Ausgangssignal die Intensitäten Y1 bis Yn der Leuchtquellen 1 bis n bereit, die von einem Treiber 106 zur Einstellung der Leuchtquellen, hier der LED Lichtquellen 107, eingesetzt werden.
Mindestens ein Temperatursensor 108 wird eingesetzt, um die Temperatur der LED Lichtquellen 107 zu ermitteln. Vorzugsweise wird hierzu mindestens ein Heißleiter NTC eingesetzt. Alternativ sind andere Temperatursensoren (siehe obige Ausführungen) einsetzbar. Auch sich Kombinationen von gleichen oder von verschiedenen Temperatursensoren (z.B. an unterschiedlichen Orten auf dem Leuchtmodul) einsetzbar.
Als Ausgangssignal liefert der Temperatursensor 108 eine Temperatur T_NTC an eine Einheit 110 zur Bestimmung der Temperatur T_j pro Leuchtquelle j (j=l...n) bzw. pro LED.
Eine Einheit 109 ermittelt eine von dem Leuchtmodul umfassend die Leuchtquellen benötigte bzw. aufgenommene elektrische Leistung $P_{CHIP} (η, PWM, U, I)$
abhängig von den folgenden Größen:

η: Wirkungsgrad,
PWM: Pulsweitenmodulation (entspricht der Leuchtintensität oder Helligkeit),
U: Spannung,
I: Strom.

Als ein Ausgangssignal liefert die Einheit 109 eine Leistung pro Leuchtquelle. Sind also beispielsweise fünf verschiedenfarbige Leuchtdioden vorgesehen (siehe Beispiel gemäß Fig.4 oder Fig.5), so wird für jede der 5 Leuchtdioden anhand der Einheit 109 eine eigene elektrische Leistung ermittelt und einer Einheit 110 bereit gestellt.
Die Einheit 110 erhält von der Einheit 109 die elektrischen Leistungen P_CHIP der einzelnen Leuchtquellen bzw. LEDs und von dem Temperatursensor 108 die aktuell gemessene Temperatur T_NTC. Die Einheit 110 ermöglicht eine Bestimmung der Temperatur T_j pro Leuchtquelle j (j=l...n) gemäß folgender Vorschrift: $T_{j} (P_{CHIP}, T_{NTC}, R_{TH}),$
wobei R_TH einen thermischen Widerstand der Anordnung bezeichnet. Gibt es beispielsweise 5 unterschiedliche LEDs, so stellt die Einheit 110 fünf Temperaturwerte T₁ bis T₅, einen pro LED, bereit.
Diese Temperaturwerte T_j pro Leuchtquelle j werden an eine Einheit 111 zur Bestimmung der Helligkeit und der Wellenlänge pro Leuchtquelle weitergeleitet. Diese Einheit 111 ermittelt basierend auf den Temperaturwerten T_j für jede LED j die zugehörigen Helligkeiten φ(T_j) 113 sowie Wellenlängen λ(T_j) bzw. die zu den Wellenlängen gehörigen Koordinaten bzw. Farborte (x,y)_j 112 in einem Farbraum.
Diese Werte 112 und 113 werden dem Color Management System 101 zugeführt, das mittels seiner Einheit 104 zur Differenzfarbortbestimmung (für das Signal 112) sowie mittels seiner Einheit 105 zur Berechnung der Helligkeiten (für das Signal 113) eine Abweichung von einem Sollfarbort feststellt und eine entsprechende Regelung bzw. Nachführung der einstellbaren Leuchtquellen 1 bis 3 veranlasst.
Eine detaillierte Darstellung der Einheit 111 ist in Fig.2 gezeigt. Von der Einheit 110 erhält die Einheit 111 die Temperaturen T_j pro Leuchtquelle, die einer Einheit 202 zur Ermittlung von Helligkeiten und Wellenlängen für die Leuchtquellen anhand der Temperatur T_j sowie weiterer Kalibrierdaten, die von einer Einheit 201 bereit gestellt werden, zugeführt werden. Die Bestimmung der Helligkeiten φ(T_j) sowie der Wellenlängen λ_DOM(T_j) für die jeweiligen Leuchtquellen j erfolgt gemäß der folgenden Abbildungen: $φ (T_{j}, φ_{25 ° C})$
$λ_{DOM} (T_{j}, λ_{DOM_25 ° C})$
abhängig von den folgenden Größen:

φ_25°C Vergleichswert für die Helligkeit der realen LED bei 25°C;

λ_{DOM_25°C} Vergleichswert für die dominante Wellenlänge der realen LED bei 25°C.
Die Werte φ(25°C) bzw. λ_DOM(25°C) werden für jede der Leuchtquellen oder LEDs von der Einheit 201 an die Einheit 202 übermittelt.
Die Einheit 202 stellt die Helligkeiten φ(T_j) pro Leuchtquelle oder LED j als Signal 113 dem Color Management System 101 zur Verfügung.
Weiterhin ist eine Einheit 203 vorgesehen, die anhand der von der Einheit 202 gelieferten Wellenlängen λ_DOM(T_j) pro Leuchtquelle j eine Konvertierung in Koordinaten des Farbraums gemäß der folgenden Abbildung vornimmt: $cx (λ_{DOM})$
und $cy (λ_{DOM}),$
wobei cx und cy die Farborte (x,y)-Koordinaten in dem Farbraum bezeichnen. Diese Koordinaten werden pro Leuchtquelle j als ein Signal 112 dem Color Management System 101 bereit gestellt.
Die im Zusammenhang mit Fig.1 und Fig.2 beschriebenen funktionalen Einheiten, insbesondere die Einheiten 109 bis 111 sowie die Einheiten 201 bis 203 sind der Übersicht halber als getrennte funktionale Blöcke gezeigt und beschrieben. Allerdings ist die Implementierung sämtlicher Funktionen oder eines Teils davon in einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen möglich. Auch sind einzelne der separat gezeigten funktionalen Einheiten zusammenfassbar oder einzelne Einheiten in weitere Untereinheiten aufteilbar. Grundsätzlich ist der Grad der Unterteilung der funktional greifbaren Einheiten wie hier beschrieben in keiner Weise einschränkend im Hinblick auf die tatsächliche Umsetzung in Hardware und/oder Software zu verstehen.
In Fig.5 sind Ansteuerkurven zur Erreichung einer optimierten (und vorteilhaft vorab bestimmten) Farbwiedergabe des Leuchtsystems dargestellt.
Entlang der Abszisse ist die Farbtemperatur in Kelvin und entlang der Ordinate ist die Helligkeit der jeweiligen Leuchtquelle, einzustellen per Pulsweitenmodulation PWM, in Prozent angegeben.
Beispielhaft sind in Fig.5 Ansteuerkurven für 5 Leuchtdioden gezeigt. Eine Ansteuerkurve 501 zeigt den Verlauf für eine weiße LED, eine Ansteuerkurve 502 zeigt den Verlauf für eine grüne LED, eine Ansteuerkurve 503 zeigt den Verlauf für eine rote LED, eine Ansteuerkurve 504 zeigt den Verlauf für eine gelbe LED, wobei ab ca. 4700K die Ansteuerkurve 504 eine Helligkeit von etwa 0% aufweist, und eine Ansteuerkurve 505 zeigt den Verlauf für eine blaue LED, wobei die Ansteuerkurve 505 bis ca. 4700K eine Helligkeit von etwa 0% aufweist.
Ab 4700K ist eine Kanalumschaltung von der gelben LED auf die blaue LED möglich.
Der Verlauf der Ansteuerkurven 501 bis 505 kann beispielsweise mittels einer Simulation des Leuchtsystems ermittelt werden.
Fig.3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts.
In einem Schritt 301 erfolgt vorteilhaft abhängig von dem jeweiligen Leuchtsystem eine Zielwertoptimierung dergestalt, das Parameter der n Leuchtquellen so ausgewählt oder bestimmt werden, dass ein vorgegebener Zielwert möglichst gut erreicht wird. Beispielsweise kann als Parameter mindestens eine der folgenden Größen dienen: Lichtstrom; Beleuchtungsstärke; Lichtstärke; und/oder Leuchtdichte. Beispielhaft kann mindestens eine der folgenden Zielgrößen zur Zielwertoptimierung eingesetzt werden: Color Rendering Index; Color Quality Scale; und/oder eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung.
In einem Schritt 302 werden anhand der Zielwertoptimierung Farbvalenzen Y4 bis Yn der n-3 Leuchtquellen vorgegeben.
In einem Schritt 303 erfolgt eine Messung der Temperatur des Leuchtmoduls anhand mindestens eines Temperatursensors und in einem Schritt 304 werden abhängig von der gemessenen Temperatur Helligkeiten sowie Farborte der in dem Leuchtmodul vorgesehenen Leuchtquellen, insbesondere LEDs, bestimmt.
In einem Schritt 305 wird ein Vergleich zwischen der gemessenen Steuer- und/oder Regelgröße und einer Sollvorgabe, insbesondere einem Soll-Farbwert, durchgeführt. Die ermittelte Abweichung wird dadurch überwunden und der Soll-Farbwert eingestellt, indem eine Einstellung der 3 nicht vorgegebenen Leuchtquellen erfolgt (Schritt 306). Optional kann nach Schritt 306 zu dem Schritt 303 verzweigt und somit eine iterative Regelung bzw. Einstellung des Sollfarborts erreicht werden.
Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere durchgeführt werden in einem Leuchtsystem, z.B. einer Leuchteinheit oder Leuchtmodul umfassend eine Prozessoreinheit bzw. einen Rechner oder eine Regeleinheit zur Bestimmung und Einstellung des Sollfarborts. Dabei kann das Leuchtsystem mehrere Leuchtquellen umfassen, deren jede insbesondere mindestens eine LED aufweist.
Das beschriebene Leuchtsystem bzw. Leuchtmodul ist insbesondere einsetzbar in einem Scheinwerfer und/oder in einer Lampe oder Leuchte. Die Helligkeit bzw. der Farbton kann vorzugsweise in gewissen Grenzen von dem Benutzer vorgegeben werden. So kann beispielsweise ein Farbton von bläulichem bis hin zu rötlichem Licht ermöglicht werden, wobei die Lampe anhand des hier vorgestellten Ansatz den jeweils gewählten Farbton und die zugehörige Helligkeit beibehält.
Fig.4 zeigt beispielhaft ein Leuchtmodul 401 umfassend einen Mikroprozessor 407, der allgemein als ein Rechner, eine Regeleinheit, eine programmierte und/oder programmierbare Logikeinheit ausgeführt sein kann. Entsprechend kann der Mikroprozessor 407 über Speicher, Ein-/Ausgabeschnittstellen und Berechnungsmöglichkeiten zum Zugriff auf und zur Bearbeitung von aktuellen oder im Vorfeld bestimmten und abgespeicherten Daten aufweisen.
Weiterhin ist ein Temperatursensor 408 vorgesehen, der als ein Heißleiter NTC ausgeführt sein kann. Der Temperatursensor 408 liefert Messwerte von dem Leuchtmodul an den Mikroprozessor 407.
Weiterhin umfasst das Leuchtmodul 401 fünf Leuchtdioden 402 bis 406 in den Farben rot, grün, blau, gelb und weiß.
Auf dem Mikroprozessor 407 ist insbesondere das hierin beschriebene Verfahren ablauffähig, d.h. der Mikroprozessor 407 bestimmt abhängig von der von dem Temperatursensor 408 bereitgestellten aktuellen Temperatur des Leuchtmoduls die Temperaturen der LEDs 402 bis 406 und basierend auf diesen Temperaturen deren jeweilige abgestrahlte Wellenlänge und Helligkeit. Darauf aufbauend bestimmt der Mikroprozessor 407 eine Abweichung von einem Sollwert (die Vorgabe eines Sollfarborts - z.B. Farbort und Helligkeit der Leuchteinheit - kann durch einen Benutzer anhand einer Eingabemöglichkeit 409 erfolgen) und stellt die LEDs 402 bis 406 so ein, dass dieser Sollfarbort (so gut wie möglich) erreicht wird.

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Farborts mindestens einer Leuchtquelle auf einen vorgegebenen Sollfarbort, bei dem
- die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle ermittelt wird und

- anhand der Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle eine Helligkeit und eine Wellenlänge der mindestens einen Leuchtquelle ermittelt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass

- die Helligkeit und die Wellenlänge abhängig von vorgegebenen Kalibrierdaten ermittelt werden,

- die Helligkeit und die Wellenlänge der mindestens einen Leuchtquelle in einen Ist-Farbort umgesetzt wird,

- der Ist-Farbort mit dem Sollfarbort verglichen wird und

- die mindestens eine Leuchtquelle iterativ so eingestellt wird, dass der Sollfarbort erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Leuchtquelle auf einem Leuchtmodul angeordnet ist und die Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle und/oder des Leuchtmoduls ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur bestimmt wird anhand mindestens eines Temperatursensors, insbesondere anhand eines Heißleiters und/oder eines Kaltleiters.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Orten vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die Temperatur weiterhin bestimmt wird anhand einer abgegeben Leistung und/oder anhand eines thermischen Widerstands.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Helligkeit und die Wellenlänge abhängig von einer Alterungsinformation betreffend die mindestens eine Leuchtquelle ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Alterungsinformation eine Alterungskennlinie der Leuchtquelle ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Leuchtquellen vorgesehen sind derart, dass die mehreren Leuchtquellen oder ein Teil der mehreren Leuchtquellen nur geringe bis keine Überlappungen in deren jeweiligen Spektren aufweisen.
Anordnung zur Einstellung eines Farborts umfassend
- mindestens eine Leuchtquelle;

- mindestens einen Temperatursensor;

- eine Einheit zur Einstellung des Farborts der mindestens einen Leuchtquelle auf einen auf einen vorgegebenen Sollfarbort, dadurch gekennzeichnet dass die Einheit zur Einstellung des Farborts zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, bei der anhand des Temperatursensors eine Temperatur der mindestens einen Leuchtquelle bestimmbar ist und/oder dass anhand des Temperatursensors eine Temperatur eines Leuchtmoduls bestimmbar ist, wobei die mindestens eine Leuchtquelle mit dem Leuchtmodul thermisch gekoppelt ist.