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颜色受控光源和用于控制光源中颜色生成的方法

摘要

本发明涉及一种颜色受控光源,其包括:-多个彩色光元件;多个(滤波的)光电探测器,所述光电探测器具有不同的光谱特性,其覆盖光元件整个光谱的全部或者大部分。(滤波的)光电探测器探测光源的光输出,且产生相应的探测信号;光源进一步地具有颜色控制单元,其用于基于探测信号和光源光输出的预定目标色点产生给光元件的驱动信号,以及调制器,其用于单独特性调制给光元件中每一个的驱动信号。相应的解调器设置用于单独特性解调所述探测信号,且从每个探测信号中提取光元件中光输出的实际值。颜色控制单元具有:用于基于实际值确定每个光元件光谱输出的装置,用于确定来自所有光元件所述光谱输出的实际色点的装置,以及用于将所述目标色点与所述实际色点进行比较,且如果存在差调整所述驱动信号以便于使差最小化的装置。

著录项

  • 公开/公告号CN101529981A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2009-09-09

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 皇家飞利浦电子股份有限公司;

    申请/专利号CN200780040126.X

  • 发明设计人 E·J·梅杰;J·B·米尔斯;

    申请日2007-10-23

  • 分类号H05B33/08(20060101);

  • 代理机构72001 中国专利代理(香港)有限公司;

  • 代理人周红力;刘红

  • 地址 荷兰艾恩德霍芬

  • 入库时间 2023-12-17 22:36:00

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2022-10-11

    未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H05B33/08 专利号:ZL200780040126X 申请日:20071023 授权公告日:20120627

    专利权的终止

  • 2017-04-12

    专利权人的姓名或者名称、地址的变更 IPC(主分类):H05B33/08 变更前: 变更后: 申请日:20071023

    专利权人的姓名或者名称、地址的变更

  • 2017-04-12

    专利权的转移 IPC(主分类):H05B33/08 登记生效日:20170323 变更前: 变更后: 申请日:20071023

    专利申请权、专利权的转移

  • 2012-06-27

    授权

    授权

  • 2010-08-04

    著录事项变更 IPC(主分类):H05B33/08 变更前: 变更后: 申请日:20071023

    著录事项变更

  • 2009-12-30

    实质审查的生效

    实质审查的生效

  • 2009-09-09

    公开

    公开

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说明书

技术领域

本发明涉及固态照明,更特别地涉及根据权利要求1前序的颜色受控光源,以及涉及根据权利要求12前序的用于控制光源中颜色生成的方法。

背景技术

为了在固态照明中实现多色(例如不同的色温)光源,发出不同颜色的光的发光二极管被用于一个设备中。这些LED在颜色空间中定义子区域,以指示能够通过所有可能的线性组合来实现的色域。因此,可以通过各个LED的信号输入对颜色空间的色谱中所期望强度的彩色光进行控制。应该注意到,术语彩色光中也包括白光。

与传统的光源不同,由于结温的变化、电流、老化效应和LED的装箱的原因,彩色LED将“色移”。随着由于温度和老化的原因,光输出从预定义的色点(color point)开始变弱,光源的光输出的目标色点将变得失真(distorted)。因此,光源的色点必须通过控制回路来稳定。

为了监测来自光源的光输出,普遍使用RGB传感器,或者具有与标准观察器相同的灵敏度或逼近这些曲线的真色度传感器。可选地,可能与一个或多个温度传感器一起使用一个或多个通量传感器(fluxsensor)。为了能够确定来自单独LED或者颜色(也可以是一组LED)的贡献,已经使用了滤波技术。因此,例如,分别探测原色(例如,红色、绿色、和蓝色光)的三个不同“滤波的”光电探测器可以用来与一个非滤波的光电探测器相结合。基于光电探测器的输出信号,光源的光输出的被测色点已经被确定且与目标色点相比较,以便于调节LED的驱动电流,如果必要的话。

然而,当光探测器探测到光输出时,可能存在来自例如周围的日光和/或其他彩色LED的其他光源的干扰。因此,测量的颜色强度经常是有缺陷的,并且不能单独代表来自光源本身中的LED的光输出。因此,到控制回路的控制设备的反馈信号是不适当的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光源和用于控制光源中颜色生成的方法,其光减轻了颜色控制中以上提及的干扰问题。

该目的是通过根据权利要求1和12中所限定的根据本发明的颜色受控光源来实现。所附的从属权利要求限定本发明的优选实施例。

因而,根据本发明的方面,提供一种颜色受控光源,其包括:

-多个彩色光元件;

-多个光电探测器,所述光电探测器的光谱特征是不同的,且一起至少基本上覆盖所述光元件的整个光谱,所述光电探测器探测光源的光输出,并产生相应的探测信号;以及

-颜色控制单元,其用于基于所述探测信号和光源的光输出的预定目标色点产生所述光元件的驱动信号。

光源进一步包括:

-调制器,其用于对所述光元件中的每一个的驱动信号进行单独特性调制(signature modulation);以及

-解调器,其用于对所述探测信号进行单独特性解调,且从每个探测信号中提取所述光元件中的每一个的光输出的每一个实际值。

颜色控制单元包括:

-用于基于所述实际值确定每个光元件的光谱输出的装置;

-用于确定来自所有光元件所述光谱输出的实际色点的装置;

-用于将所述目标色点与所述实际色点进行比较,且如果存在差则调节所述驱动信号以便于使差最小化的装置。

因而,根据本发明,借助于用于确定光谱输出的装置来实现的对每个光元件的实际光谱输出的精确确定与对来自每个单独光元件的对所探测的输出光的贡献的精确识别相结合,这为光谱输出确定装置提供了很好的测量方法。其他的优点是:所有的光元件可以同时接通,且对环境光的敏感性非常低。附加地,需要指出的是,不需要LED的装箱信息和制造商信息。

根据颜色受控光源的实施例,如权利要求2中所限定,调制器是扩频调制器。扩频调制或者编码是发送多个共有信号的有效方法,且能够以很低的错误率在接收器处探测到信号,这通常用在无线电发射中,且已经示出了在当前光源中十分有用。

根据颜色受控光源的实施例,如权利要求3中所限定,调制器是CDMA调制器,CDMA(即码分多址)有益地用于码调制驱动信号,这提供了完全不同的单独码。如权利要求4中所限定的有益实施例应用开-关键控(On-Off keying)或者双相调制。

根据颜色受控光源的实施例,如权利要求8中所限定,用于确定光谱输出的装置布置成借助于对光元件的光谱输出进行非对称函数建模的算法来确定光谱输出。例如,LED的光谱典型地是非对称的,且由这样的函数很好的描述。如权利要求9中所限定的上述函数的有益选择是非对称双S形函数。

根据颜色受控光源的实施例,如权利要求10中所限定,用于确定光谱输出的装置采用使用光谱输出的预定和所测量值的最小化算法,以便于确定所探测的LED光谱的最佳拟合。

根据颜色受控光源的实施例,如权利要求11中所限定,Gold码用于单独特性编码调制。Gold码对于本领域技术人员同样是已知的,且可以大量产生,并具有低互相关性。它们有益地用来分隔两个不同光源的编码,否则会引起一个光源的控制设备错误地识别出干扰光源的光谱输出。

根据本发明的另一方面,提供一种用于控制光源中颜色生成的方法,如权利要求12中所限定。

利用该方法和在进一步权利要求中所限定的其他实施例得到与利用根据上述方面和实施例的光源所得到的相同或相应的目的和优点。

参考在下文中所描述的实施例,本发明的这些和其他方面将是显而易见的,且被阐述。需要理解的是,虽然简述了本发明的优选实施例,但是详细的描述和特定的实例仅仅在于描述的目的,且不会限制本发明的范围。

附图说明

现在将参考附图且更详细地描述本发明,其中:

图1是根据本发明的光源实施例的示意图;

图2示出了用作根据本发明光源实施例中探测器的硅光电二极管中的pn结的结构;

图3示出了对于在根据本发明的光源实施例中使用的硅光电二极管的不同结深的光谱响应率;

图4是示出了用于控制根据本发明的光源中颜色生成的方法实施例的步骤流程图;

图5示出了在光源实施例中使用的光谱建模函数;

图6示出了根据光源的另一个实施例,利用脉宽调制(PWM)和脉幅调制(PAM)来使用CDMA开-关键控调制;以及

图7示出了根据光源的另一个实施例,利用占空比调制和幅度调制来使用CDMA双相(DC-BP)调制。

图8示出了使用与伪随机二进制序列(PRBS)码结合的模拟驱动信号。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明的颜色受控光源101的实施例。颜色受控光源101具有光产生路径,所述光产生路径包括:颜色控制单元103、CDMA调制器105、以及包括驱动器109a-c的N个彩色光元件107a-c,其中,在该实施例中,N=3。典型地,光元件是LED,且更特别的是RGBLED,即,红色LED 107a、绿色LED 107b、以及蓝色LED 107c。然而,根据光源101的目标用途,原色光元件的许多其他组合也是可以适用的。颜色控制单元103与CDMA调制器105连接,用于向其提供驱动信号。CDMA调制器105具有经由驱动器109a-c与光元件107a-c连接的三个输出端,用于借助于驱动信号的扩频编码,更特别地借助于驱动信号的CDMA编码,来进行单独的特性调制。典型地,馈送至LED 107a-c的驱动信号是例如借助于PWM受到脉冲作用的最大等级电流。可替代的,针对光元件的模拟驱动信号(DC或者任意的模拟波形)可以由驱动器109a-c来提供。

进一步地,光源101具有光探测路径,所述光探测路径包括M(其中,在该实施例中M=3)个“滤波的”光电探测器(此处为光电二极管)111a-c、未滤波的光电探测器111d、CDMA解调器113、以及颜色控制单元103。光电探测器111a-d与CDMA解调器113连接,其提供代表所探测的连接到其上的光源101的光输出的探测信号,且CDMA解调器与颜色控制单元103连接,其为控制单元103提供每个分离光单元107a-c的光输出的实际值。另外,CDMA调制器105与CDMA解调器113连接,其向所述CDMA解调器113提供CDMA码的拷贝。“滤波的”光电探测器111a-c可以设置有覆盖至少大部分可见光谱,或者LED107a-c的整个光谱,以及横贯那个范围而分布的滤波器。例如,滤波器是带通滤波器,其中,第一滤波器在红色波长处光谱居中,第二滤波器在绿色波长处光谱居中,且第三滤波器在蓝色波长处光谱居中。

对于滤波的光电探测器111a-c,可替换的,可以使用彼此邻近的几个硅光电二极管111a-c(见图2),每个硅光电二极管在不同的结深210(位置复用)处设置有pn-结。众所周知的是,硅中的光子吸收取决于光子能量。换句话说,硅内部的光子通量遵循比尔定律(Beer’s Law),吸收系数取决于波长:蓝色光被强烈吸收,而红色光能够深深地渗入硅中。可替代的,还可以使用在彼此顶上具有三个pn-结的单个光电二极管。这种结构可以利用使用选择性外延生长而对限定结深210的硅中的施主(donor)和接收体(accepter)的掺杂分布进行大量控制来实现。对于多结的方法,可替换地,还可以使用具有单个pn-结的单个硅光电二极管,并结合取决于时间的可变偏置电压来控制结的空间电荷区域的宽度(时间复用)。因为pn-结深210和耗尽区220的宽度限定了光谱响应,所以这样的硅光电二极管形成了特定种类的RGB-传感器。这些硅光电二极管具有避免使用(通常是昂贵的且在光谱上退化的)滤波器的好处。

作为结深210和耗尽区宽度220的函数的硅pn-结光谱响应率可以如下计算(见图2)。光电流由两个部分组成:归因于耗尽区中空穴和电子的漂移的漂移电流,以及归因于耗尽区外部的载流子扩散的扩散电流。

Jopt=Jdrift+Jdiff     等式1

漂移电流表示如下:

Jdrift=qΦ0e-α(λ)(xj-xp)(1-e-α(λ)W)      等式2

其中,q是基本电荷,xj是(冶金学的)结深210,W是耗尽区220的宽度,且xn221和xp222(W=xp+xn)是结的n和p侧中耗尽范围的深度。这些表示如下:

xn=2ϵ0ϵr(V0+Vr)q(NdNa(Na+Nd))      等式3

xp=2ϵ0ϵr(V0+Vr)q(NaNd(Na+Nd))      等式4

其中,Vr是施加到结上的反向偏置,且V0是结的内置电位:

V0=kBTqln(NaNdni2)      等式5

而kB是玻尔兹曼(Boltzmann)常数,T是绝对温度,且ni是本征载流子密度。扩散电流表示如下:

Jdiff(λ,xj)=

q·DpLp·pn0·1-cosh(xepi-xj-xnLp)sinh(xepi-xj-xnLp)+q·DpLp·ConstantC(λ)·e-α(λ)·xepisinh(xepi-xj-xnLp)

+q·ConstantC(λ)·Cp·e-α(λ)·(xj+xn)·(α(λ)-cosh(xepi-xj-xnLp)Lp·sinh(xepi-xj-xnLp))

+q·DnLn·np0·1-cosh(xj-xpLn)sinh(xj-xpLn)+q·DnLn·ConstantF(λ)·1sinh(xj-xpLn)

-q·ConstantF(λ)·Dn·e-α(λ)(xj-xp)·(α(λ)+cosh(xj-xpLn)Ln·sinh(xj-xpLn))    等式6

其中,Dp和Dn分别是空穴和电子的扩散常数,Lp和Ln是过剩载流子的扩散长度,Xepi是epi层厚度230,np0=ni2/Na且pn0=ni2/Nd,平衡少数载流子密度和常量是:

ConstantC(λ):=Φ0·α(λ)·Lp2Dp·(1-α(λ)2·Lp2)       等式7

ConstantF(λ):=Φ0·α(λ)·Ln2Dn·(1-α(λ)2·Ln2)       等式8

根据这些等式,pn-结的光谱响应可以作为结深210的函数来计算。在图3中,对于作为光波长函数的不同结深(310=0.5μm,320=1μmm,330=2μm,340=3μm及350=10μm),绘出了Jopt/qФ0。所用的参数是:Xepi=15μm,Nd=1026m-3,Na=4.37*1021m-3,Ln=447μm,Lp=0.289μm,而通过以下计算Dp和Dn

Dp:=Vt·(370+3701+1.156310-18·Nd)       等式9

Dn:=Vt·(23211801+1.12510-17·Na)       等式10

参考图4的流程图,光源和特别地其颜色控制系统运行如下。控制单元103接收来自使用者的关于期望的光输出的输入,或者具有其预编程信息。期望的光输出给出为或者转化为光源101的目标色点。控制单元103布置成用于基于目标色点计算LED 107a-c的额定驱动信号,正如方块401所示。在方块402中,然后驱动信号在馈送至LED 107a-c之前,借助于CDMA调制器105单独地进行CDMA编码,由此LED 107a-c的光输出在光探测路径中变得可以单独识别。由于LED 107a-c的非理想性,如以上所述,不能获得所期望的光输出,所以利用包括反馈的控制系统。因此,光电探测器111a-d探测LED 107a-c的实际光输出,方块403。每个(滤波的)光电探测器111a-d探测光源101的一部分光输出,且产生对应的探测信号,方块403。M+1个探测信号然后馈送至CDMA解调器113,所述CDMA解调探测信号,方块404。更特别地,解调器113使每个探测信号与已被调制器105使用的每一个CDMA码的正确时间同步拷贝(copy)相互关联。因此,对于每个“滤波的”探测信号,调制器输出N个经解调的信号,所述解调信号与N个LED 107a-c的光输出的被探测到的实际值相关。解调器113附加地输出背景(background)信号和由解调未滤波的光电探测器信号111d所产生的N个未滤波的探测器响应,方块403和404。因此,总之,N*(M+1)+1个信号(即,本实施例中的13个信号)由解调器113馈送至控制单元103。

控制单元103包括用于基于经解调的信号中固有的实际值确定每个LED 107a-c的光谱输出的工具,例如,软件代码。因而,提取经解调的信号的实际值,方块405。确定每个LED 107a-c的光谱输出利用对光谱输出进行非对称函数建模的算法。根据本实施例,如图5中以及以下等式11中所示,非对称双S形函数用于对LED光谱,更特别地对光谱密度建模,方块406。

S(λ)=A01+e-(λ-λpeak)w1[1+11+e-(λ-λpeak)w2]+A1      等式11

在该函数中,A0是前因子,A1是背景偏移,λpeak是LED光谱的峰值波长,且w1和w2是描述光谱宽度和非对称性的参数。优选的,选择光电探测器光谱特征,以便它们全部覆盖每个LED 107a-c光谱的至少可探测部分,即,来自不同光电探测器的实际值(例如,光电流信号)大于零。最初,对于每个LED 107a-c,对实际值进行相互比较,以便于确定哪个光电探测器给出最高响应。光电探测器的光谱特征的峰值用作λpeak的假想起始值。需要指出的是,光电探测器的光谱特征是完全已知的。未滤波的光电探测器111d用于在LED的断路状态期间测量背景偏移A1,以及用于在LED的接通状态期间测量给出前因子A0的总的LED光输出。而且,在拟合算法中,宽度和非对称性参数w1和w2限制在大于5nm的值,所述值从LED运行的观点看是实际边界条件。为了具有鲁棒性,使用w1和w2的至少两种组合,其中一种w1<w2,另一种w1>w2。使用所有的实际值,于是LED光谱的最佳拟合利用最小化算法SSE(误差平方和法)来计算,等式12,其中,确定了所计算探测信号值(为了预期的LED光谱而得到的)和那个LED的实际值之间的差。

SSE=Σ1M(calculatedvalue-actualvalue)2      等式12

需要指出的是,可能存在对上述建模函数的可替代选择,存在替代的方法,例如,用于等式12的最小化算法的牛顿-拉弗森法(Newton-Raphson)。

更特别地,对于每个LED,执行迭代,其中,峰值λpeak和两个宽度值w1和w2系统地变化以便对不同的LED光谱进行建模。进一步地,对于每个不同建模的LED光谱,其与光电探测器111a-c的公知响应特征相结合。因此而得到的计算的探测信号在等式12的最小化算法中与来自CDMA解调器113的、在颜色控制单元103处接收到的实际值(即,所测量值)相比较。导致最低的SSE、或导致低于预设极限值的SSE的峰值和宽度值假定代表LED光谱,其根据等式11的建模函数利用这些输入值来得到。然后,LED 107a-c的色点通过用标准观察器的颜色匹配函数卷积经建模的LED光谱来计算,方块407。

控制单元因而包括用于将目标色点与实际色点进行比较的工具(例如,软件代码)。这适合于单独LED的色点以及总的色点,其通过将LED光谱加起来,且用标准观察器的颜色匹配函数来卷积和得到,见方块408。如果存在差,则调节驱动信号,(其中,方法返回到方块402),便于减少(理想的为删除,但是实际上很难)差。如果不存在差,方法返回至在其中再次探测光输出的方块403。实际上,根据此实施例,方法使用差的上限,即,如果差小于预定的上限,那么不执行任何调节。

CDMA调制示例为使用在其中利用沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)码的同步系统的CDMA调制。Walsh-Hadamard码是在加密和蜂窝式通信中使用的用于产生统计上唯一的数字组的算法,其也称为“伪随机噪声码”。由所述算法产生的码是正交数学码。这意味着,如果两个Walsh码相关,仅仅如果这两个码相同,那么结果是可理解的。由此,Walsh-Hadamard-编码信号看起来是CDMA解调器的随机噪声,除非解调器使用与用来调制引入信号的一个码相同的特性编码。通过避免使用所谓的DC(直流)码(该码是与平均DC信号分量相关的Walsh-Hadamard码组的一部分),系统对于恒定的环境光具有鲁棒性。

在颜色受控的光源101的一个实施例中,CDMA调制器105的特定编码方案基于开-关键控。开-关键控(OOK)调制是其中将数字数据表示为存在或者不存在载波的调制类型。虽然原则上可以使用任何数字编码方案,但是在其最简单的形式中,载波存在特定的持续时间代表二进制1,在相同的持续时间里,不存在载波则代表二进制0。

通过开-关键控调制每个脉冲的第一部分,分配给每个光元件107a-c的特性调制码被载于信号中,这在图6中示出。这里示出驱动信号至LED以保证所需要的照明的两个例子:1.对脉冲的第二部分应用脉冲宽度调制(PWM),以及2.对脉冲应用脉冲幅度调制(PAM)。在图6中,“码元(chip)0”和“码元1”将具有不同的宽度。原则上,这将导致LED的光输出的变化。不过可以使用平衡码来对此进行修补,这意味着这里提供相同数目的码元0和1。因此脉冲宽度(在一个码字上进行平均)将确切地为“码元0”和“码元1”宽度之间的平均值。

在本发明的另一个实施例中,如图7所示,调制方法是双相(BP)调制的概括,使得可以具有任意的占空比。当占空比等于50%时,占空比双相(DC-BP)退化为BP调制。在这种情况下,通过相应地传送“码元0”和“码元1”,体现每个光元件被分配的单独特性的码被载于信号中。为了保证所需要的照明,这里有两种选择:1.修改脉冲的占空比,以及2.修改脉冲的幅度。

对于在其中多个光源运行的环境,光源之间的同步性可以不假定,且甚至可以是不期望的。在上述情况下,重要的是,在用于遍及光源的光元件的CDMA码之间,互相关联的程度很低且有限制。这提供了光源之间的抗干扰性,所述干扰否则可能引起一个光源错误地探测到来自邻近光源的光谱输出,并当作其自身的光谱输出。上述抗干扰性可以通过使用Gold码来实现。这些借助于最大长度伪随机二进制序列(PRBS)的以2为模的附加性质来形成。两个最大长度PRBS通过同步时钟和在以2为模的加法器中逐位加在一起来驱动,以形成Gold码。两个m-长度(2m-1个状态)的最大长度PRBS码的相加导致产生m-长度的Gold码的生成。对于在加在一起的两个PRBS码之间的每一个移位,将产生全新的Gold码,即,以所有可能的组合加在一起的两个10-长度(1023bit长)的PRBS码可以用来产生1023个唯一的Gold码。这意味着利用非常便宜和简单的逻辑电路(例如,与反馈路径连接的移位寄存器),可以非常快且容易地产生大量唯一的Gold码。通过适当地选择由一对PRBS序列所产生的Gold码子集,选定的Gold码之间的互相关性将很低,且具有可以数学上预计算的上限。这使得解调器电路可以容易地在其已经正确地“锁定”到其自身的光元件的光谱输出时识别来自外部干扰(即,其他光源)的鲁棒性地忽略的干扰(即,互相关)。因此,此处所描述的基于Gold码的系统是异步的CDMA设计(例如,Walsh-Hadamard编码),而不是同步的方法,这可以更具鲁棒性且更易于实现。

在本发明的又一个实施例中,光元件107a-c的额定输出强度由每个驱动器109a-c的驱动信号的电平(以DC或者任意模拟波形的形式来供给)来设定。正如图8所示,根据光元件107a-c(仅示出一个元件)所要求的光学输出电平(高输出电平801或低/弱的输出电平802)选定驱动信号电平,以产生使用者特定的色点。每个驱动信号的幅度受唯一的PBRSGold码803来调制,所述唯一的PBRS Gold码由CDMA调制器105提供给每个驱动器109a-c。在以上描述的探测和解调方法之后,用于对与参考色点的色偏差进行校正的反馈控制通过改变要求调节的特定光元件107a-c的模拟驱动信号来实现。同样,减弱颜色受控光源101的总的光输出可以通过改变模拟驱动信号来实现。

以上已经描述了根据由权利要求所限定的本发明的光源和方法的实施例。这些应该视为非限定性实例。正如本领域技术人员所理解的,许多修改和替代的实施例可以在本发明的范围内。

例如,颜色探测技术不限于LED光。原则上,假如描述那些光源的一般光谱输出的有益的函数是可以利用的,那么其他光源也是可用的。上述其他的函数可以正好是其他的、而不是非对称双S形的函数。

需要指出的是,为了该应用,且特别地关于所附权利要求,单词“包括”不排除其他元件或者步骤,单词“一”不排除多个,这对于本领域技术人员本身是清楚明白的。

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