CN101061753A - 一种用于控制led单元的光输出的反馈控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制发射单元(11)的光输出的控制系统(13)和方法，该发射单元(11)具有至少一个LED(15)并发射至少一个颜色的光。控制系统(13)包括基于检测发射单元(11)的光输出的检测单元(19)的反馈，检测脉冲发生器(27)，抑制在检测到的光中的环境光干扰的抑制单元(23)，以及用于基于表示发射单元的预期光输出的参考信号和抑制单元的输出信号之间的比较而控制发射单元的光输出的控制单元(21)。检测脉冲发生器(27)不定期地产生检测脉冲。因此，将不定周期引入了光输出的反馈处理中。这提供了一种可能性，即通过传统的抑制算法来消除或减少环境光特别是脉冲光的干扰。

Description

一种用于控制LED单元的光输出的反馈控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制LED(发光二极管)发射单元的光输出的控制系统，一种LED发射单元和一种用于控制LED发射单元的方法。

背景技术

具有多个有色LED阵列的白光发射单元或颜色可调发射单元，例如RGB LED发光体和LED显示器，由于多个原因被关注。例如，它们是低成本和高效的，并且它们的光输出的色度是可调的。

然而，LED的光输出在不同LED之间是变化的，还随着每个LED的寿命变化。加之，LED的光输出与温度反向变化，并且对于不同颜色该变化是不相同的。在单个LED发射单元中LED的变化的输出也是一个问题。已经尝试了许多从发射单元得到一个稳定的光输出的方法。在这些解决方案中已经引入了不同类型的反馈控制。因此，检测光输出并且将检测结果用于控制LED的激发。在US6,495,964中公开了一个现有技术的解决方案，其中通过关闭用于将要检测的颜色的LED，来对于不同颜色的组合检测发射单元的光输出。因此，当执行不同颜色的LED发射光的协同连续关闭时，在一个时间期间顺序产生几个检测脉冲。

这个和其他现有技术解决方案在充分黑暗的环境下将非常好地工作，其中发射单元是唯一光源。然而在许多实际环境中，这种假定是不成立的。并且环境光的一部分常常能够到达嵌入在发射单元中的检测器。在控制系统的反馈部分，这些成分必须从由LED本身发出的光区别开来以防止颜色或亮度误差。在对色度和色点(color point)及时稳定性要求很高的应用中这是非常重要的。例如通过减法来去除这个区别。根据使用了这种LED发射单元的应用和特殊情况，标准连续的背景减法不能给出足够好的结果。当所有LED都关闭时，通过连续背景减法装置来检测任何剩余光。尤其是相邻的脉冲光源，例如TL管，监控器或其他LED模块能够引起问题。例如，假设当测量红光成分时TL管总是意外地发光。那么检测器将看到一个失真的光，其将导致提供错误信息给控制电路，从而其将引起颜色混合的错误设置。

发明内容

本发明的目的是消除或减小现有技术的所述缺点，并且提供一种更加与环境光条件无关的发射单元控制。

通过根据权利要求1所述的本发明的用于控制LED发射单元的光输出的控制系统，通过如权利要求11所述的用于控制LED发射单元的方法，以及通过如权利要求10所述的LED发射单元来实现该目的。

本发明基于一个认识，通过不定期测量输出光，显著减少由周期性脉冲的外部光源引起的干扰的可能性是高的。

因此，在本发明的一个方面，提供了一种用于控制发射单元的光输出的控制系统，该发射单元包括至少一个LED并发射至少一种颜色光。控制系统包括检测发射单元的光输出并提供光输出信号的检测单元，提供检测脉冲给检测单元的检测脉冲发生器，以及抑制光输出信号中的环境光干扰并提供改进的光输出信号的抑制单元。

该控制系统进一步包括用于基于表示发射单元的预期光输出的参考信号和改进的光输出信号之间的比较而控制发射单元的光输出的控制单元，其中检测脉冲发生器不定期地产生检测脉冲。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种用于控制发射单元的方法，其中该发射单元包括至少一个LED并发射至少一种颜色光。该方法包括步骤：

-不定期检测发射单元的光输出并且因此产生光输出信号；

-抑制光输出信号中的环境干扰并且因此产生改进的光输出信号；

-将改进的光输出信号与表示发射单元的预期光输出的参考信号进行比较；以及

-基于所述比较控制发射单元的光输出。

因此，根据本发明，用于发射单元的光反馈相对于现有技术进行了重大改进。光输出的色度的控制和稳定性也显著提高。

需要注意的是，包含至少一个LED的发射单元意味着具有一个或多个各种类型的LED的任何单元。不同类型的发射单元和LED的一些实例是LED发光体，典型包括多个不同颜色的LED、单独的LED、LED灯、显示器和类显示器装置，例如像素化灯或光源、OLED(有机LED)显示器、聚合物LED显示器、发光织物、用于标志或照明的LED阵列等等。

也需要注意的是，发射单元的光输出意味着开和关两个状态，即当LED处于开和处于关的两种状态。当然，在后一种情况中，如果检测到的光输出大于零，则检测到的为环境干扰光，或者背景光。

根据本发明的控制系统的一个实施例，如权利要求2所述的，通过不规则(即，不定期)地产生检测脉冲来获得不定周期。需要注意的是，这个不定周期至少出现在一个相对较短的时间段内。因此，在几十个或几百个帧之后，也可能发生模式自身重复即变成周期性的。为了本申请的目的，将帧定义为与脉冲的起始时间相关的时间要素。因此，时间或者时间轴被分成相等的时间部分，其中每部分被称作帧。帧包括至少一个该/每个LED的发射周期。根据这个实施例，在该帧的相同时间部分期间，经常发生的脉冲环境光不可能干扰发射单元输出光的检测。

根据本发明的控制系统的一个实施例，如权利要求3所述的，在帧的一些时间间隔中，重复特定的检测脉冲，并且在同一帧的其他时间间隔中，其根本不产生。这给出了及时检测的进一步扩展，其加强了对周期性环境光的抑制。

根据本发明的控制系统的一个实施例，如权利要求4所述的，在一些帧中，重复特定的检测脉冲，并且在其他帧中，其根本不产生。这给出了及时检测的进一步扩展，其加强了对周期性环境光的抑制。

根据如权利要求5和6中所述的控制系统的实施例，提供了不同类型的不定期LED发射。因为存在LED光的特定颜色组合的时间周期从一个帧转移到另外一个，与特定颜色组合相关联的检测脉冲不定周期发生。因此，这些实施例也被认为是涉及不定期的检测脉冲发生，或者其等同，即使在每个帧中的相同时间产生完全相同的脉冲。

根据本发明的控制系统的一个实施例，如权利要求7所述的，抑制单元包括求平均值单元。从而不定期波动达到平均值而提供一个余数给与实际LED光相关联的增量部分。

根据本发明的控制系统的一个实施例，如权利要求7所述的，抑制单元包括减法单元。从而使得可以从光输出信号中减去背景光信号。在与实际LED光相关联的光输出信号部分获得一个增量。优选地减法单元与求平均值单元结合来获得将要被减去的好的背景光信号。

根据本发明的方法的相应实施例与相应的优点相关联。

参考下面所述的实施例来阐明和揭示本发明的这些和其他方面以及优点。

附图说明

下面将参考附图来更加具体地说明本发明，其中：

图1为根据本发明的实施例的发射单元和控制系统的示意性框图；以及

图2a-g示出了本发明的控制系统和方法的不同实施例的时序图。

具体实施方式

在图1中，示意性示出了发射单元11和其中控制系统13。发射单元11包括具有多个LED15的阵列和用于激发LED15的供电单元17。多个LED15发射不同颜色的光；主要是蓝、绿和红光。典型地，如本领域普通技术人员所知，控制系统13、供电单元17和多个LED15全部排列在PCB(印刷电路板)上。然而，图1中仅示出了用于描述一部分实施例的那些部分。

控制系统包括检测单元19，其用于检测从发射单元11发出的光，和控制单元21，其基于检测到的光来控制发射单元11的光输出。更具体地，控制系统包括抑制单元23，其具有连接到检测单元19的输出的输入和连接到控制单元21的输出，该输入用于从检测单元19接收光输出信号，该输出用于向该控制单元馈送改进的光输出信号。控制系统13进一步包括连接到控制单元21的参考发生单元25和连接到检测单元19的检测脉冲发生器27。控制单元21包括比较器29。

控制系统工作如下。参见图2a，时间被分成多个如上面所定义的帧，并且帧的长度，也就是持续时间被称作帧时间或者帧周期T_f。在每个帧的帧时间内，在不同宽度的时间窗期间发射不同颜色光的LED进行发射。参考图2a，假定例如所有发射红光的LED15在宽度(即持续时间)为w1的时间窗31内发射光；绿色LED15在宽度为w2的时间窗33内发光，其中w2大于w1，并且蓝色LED15在宽度为w3的时间窗35内发光，其中w3大于w2。因为三个时间窗31、33、35的每一个的开始都与它们交迭的帧的开始相一致。因此，在红光窗31中，下面也称作第一周期，绿光和蓝光也存在于发射单元11的输出光中。在第二周期中，在红光窗31的结束点和绿光窗33的结束点之间，绿光和蓝光是存在的。在第三周期中，在绿光窗的结束点和蓝光窗的结束点之间仅蓝光存在。最终，在第四周期，在蓝光窗的结束点和下一个帧的开始之间，没有LED15发光。

在这个实施例中，检测脉冲发生器27在第一到第四周期的每一个中都产生一个脉冲，也就是每个帧总共四个脉冲。该脉冲控制检测单元19的工作，因此在每个脉冲期间检测单元19检测，也就是测量，发射单元11的光输出。任何环境干扰光均被加入到LED光中，并且因此也被检测。在第四个脉冲期间也只有环境干扰光(如果有的话)能被检测到，例如恒定背景光。对于每一帧，在相对于前一帧的周期内，脉冲都发生了转移。虽然可应用任何适当的方法，该转移优选准随机地确定。本领域技术人员能够对这个问题做出决定。对于执行的每个检测检测单元10都产生光输出信号，其被馈送到抑制单元23。通过本领域人员所知道的一些抑制运算，抑制单元23抑制光输出信号中的干扰光信号部分。抑制单元包括求平均值单元，执行求平均操作。例如，使用标准求平均，其中加上预定数量光输出信号的测量，例如预定数量为10，并且然后再除以那个数。另一个方法是浮点平均。再一次对预定数量的值取平均。如果加入一个新的值，删除列表中最老的值并且再次得到一个平均值。这个方法允许调整每个帧中的设置。然而另一种可能是加权平均。需要注意的是，除了求平均方法的其他方法也能用于过滤掉干扰的周期性环境光成分。它的一个实例是傅立叶分析，也就是频率分析。

这样，由于检测脉冲是不定期产生的，至少抑制除了恒定环境背景光之外的周期性脉冲环境光。由于以脉冲转移形式的不定期检测，在上述第一到第四周期的同一周期中定期出现的外部光信号脉冲在每次出现时均检测不到，并且因此其在光输出信号的总的信号电平中的相对影响就减小了。因此，抑制单元2 3输出一个改进的光输出信号，该光输出信号被馈送到控制单元21。

通过比较器29，控制单元21将改进的光输出信号与关于信号的色度的参考信号进行比较，此色度即色平衡和光强度。如果不同，控制单元21将产生合适的调整信号，并将该调整信号馈送到供电单元17。由于求平均，这个调整也不是对每一个帧来进行的而是更少地进行，例如每10个帧，这取决于所使用的求平均值的方法和发射单元的当前应用。典型地，供电单元17将产生PWM(脉冲宽度调制)电压信号给LED15。正如本领域技术人员理解的，激励信号的其他调制类型也是可以的。其中一些实例是频率调制、振幅调制、位角(bit angle)或数字调制、相位角调制和位电压(bit voltage)调制。应该注意的是，在例如频率调制的情况下，帧时间T_f是变化的。那么检测脉冲发生器27根据变化按比例设置。在所有情况下，相应于50HZ的频率，帧时间均小于大约20ms，其是人类眼睛的典型延迟时间。每个LED的脉冲宽度由那种颜色的预期光强度来决定，也就是取决于所需要的色度和发射单元11的减亮能力。

关于不同颜色的LED光的强度，调整信号将触发电压脉冲的调整来得到LED15的光输出的变化。如图2a中示出的，在PWM情况下，强度的调整通过改变时间窗口w1-w3的宽度来获得。

图2b中示出了可替换实施例的时序图。这里在每个帧仅产生两个检测脉冲。第一个脉冲产生在w1期间，也就是在所有颜色都出现在发射单元输出光中的时候。第二个脉冲发生在当所有LED15关闭时。就像在前一实施例中，在不同的帧中相对于帧开始的不同时间产生脉冲。

图2c中也示出了可替换实施例的时序图，其是刚才所述实施例的变形。这里用于检测LED15的光输出的检测脉冲在一个帧内有时重复，有时省略。因此，在一些帧中存在两个这样的脉冲而在有些帧中没有这样的脉冲。在其他帧中具有一个这样的脉冲。

图2d中也示出了可替换实施例的时序图。通过LED发射窗口w1-w3的移动或LED发射窗口w1-w3的镜像来获得不定期的特性。因此，在图中从第一帧到第二帧，时间窗口w1-w3已经向右移动，即被延迟。其引起第一检测脉冲在黑暗周期内发生而不是在整个颜色周期内发生，等等。当执行用于处理光输出信号的运算时，控制单元分辨这些检测的移动特征。从第四到第五帧，时间窗口在帧之间的边界处被镜像。这些时间窗口工作的结果与如上所述这些检测脉冲产生在不同时间的结果相同。

在图2e中也示出了可替换实施例的时序图。这里LED发射窗口更加随机地移动，但是结果与前述实施例相同。

在图2f中也示出了可替换实施例的时序图。这里检测脉冲pw1-pw4的宽度对于不同的帧是变化的。相应的光输出信号除以该宽度即时间。通过这个检测脉冲宽度调制，其随意地与求平均结合，也能够消除/减轻周期环境光的干扰影响。由于检测脉冲的开始时间和/或终止时间不同，此实施例也定义为实现不定期检测。

在图2g中也示出了可替换实施例的时序图。这里LED顺序地开启，并且在一些周期期间，所有LED同时发光。如图2a中所示出的，应用了在发射窗口中及时移动检测脉冲的方法。

以上已经叙述了根据本发明的发射单元的实施例。这些应当被看作是非限制性示例。如本领域技术人员所理解的，在不脱离本发明的范围，多个修改和其他可替换实施例是可能的。

在图2c和2f中解释的原理也能够应用于图1中示出的四个脉冲的情况。为了清楚的原因而解释了两个脉冲的情况。

用于LED光发射的时间窗口可以以非重叠方式配置，这样在每个检测脉冲期间发射单色的LED光。

检测器更示意性地位于发射单元的出口端。实际上，检测器当然可以位于许多地方，例如在PCB上与LED并排，在发射单元的侧壁，等等。进一步，取决于位置和其他因素，能够使用从LED发射的直射光或者反射光来照射检测器。在已公开的专利申请WO 02/099333中已经示出了一个示例，其中检测器位于多个LED中。将输出光的一部分反射到检测器上的反射器被配置在发射单元的光输出中。

为了得到不定期的特性，可以根据需要组合上述大多数可替换的实施例。

因此，通过上述实施例所介绍的，将不定周期引入到光输出的反馈处理。从处理的角度来看，不定期地执行光输出的检测，例如通过不定期地产生检测脉冲给检测器或者通过不定期地产生LED发射，或者上述两者的组合。这提供了一种可能性，即通过传统的抑制算法来消除或减少环境光的干扰，特别是脉冲光。

需要注意的是，为了达到本申请的目的，并且尤其是对于附属的权利要求，单词“包括”和“包含”不排除其他元件或步骤，单词“一”或“一种”不排除多个，其本质上对于本领域技术人员是明显的。进一步，本领域技术人员可以理解的是，上述叙述的硬件至少一部分也是可以在软件中实现的。

Claims (18)

1.一种用于控制发射单元的光输出的控制系统，该发射单元包括至少一个LED并发射至少一种颜色的光，其中控制系统包括检测发射单元的光输出并提供光输出信号的检测单元，提供检测脉冲给检测单元的检测脉冲发生器，抑制光输出信号中的环境光干扰并提供改进的光输出信号的抑制单元，以及用来基于表示发射单元的预期光输出的参考信号和改进的光输出信号之间的比较来控制发射单元的光输出的控制单元，其中所述检测脉冲发生器不定期地产生检测脉冲。

2.根据权利要求1的控制系统，其中，将时间分成多个帧，并且其中在不同的帧中，检测脉冲在相对于帧的起始的不同时间开始。

3.根据权利要求2的控制系统，其中产生每个检测脉冲来检测LED光颜色的预定组合，该组合在每个帧的时间间隔中发生，并且其中，配置检测脉冲发生器以便在帧的一些时间间隔中重复用于这种组合的检测脉冲，并且在同一帧的一些其他时间间隔中省略那个检测脉冲。

4.根据权利要求2的控制系统，其中产生每个检测脉冲来检测LED光颜色的预定混合，该组合在每个帧的时间间隔中发生，并且其中，配置检测脉冲发生器以便在一些帧中重复用于这种组合的检测脉冲，并且在其他帧中省略那个检测脉冲。

5.根据前述权利要求任一个的控制系统，其中该控制单元进一步被配置来控制LED的激发，并且其中所述激发是不定期的。

6.根据权利要求5的控制系统，其中将时间分成多个帧，并且在多个帧中的每个时间窗口内，LED被激发以发射光，并且其中，根据从一个帧到另一个帧相对于帧的起始而移动时间窗口以及在一个帧和另一个帧之间的边界内镜像该时间窗口之一来执行所述激发。

7.根据前述权利要求任一个的控制系统，其中该抑制单元包括求平均值单元。

8.根据前述权利要求任一个的控制系统，其中该抑制单元包括配置来从光输出信号中减去背景光信号的减法单元。

9.根据前述权利要求任一个的控制系统，其中将时间分成多个帧，并且其中检测脉冲的宽度对于不同的帧是不同的。

10.一种发射单元，包括至少一个LED并发射至少一种颜色的光，其中该发射单元包括根据前述权利要求任一个的控制系统。

11.一种用于控制发射单元的方法，其中该发射单元包括至少一个LED并发射至少一种颜色的光，其中该方法包括步骤：

-不定期地检测发射单元的光输出并且因此产生光输出信号；

-抑制光输出信号中的环境干扰并且因此产生改进的光输出信号；

-将改进的光输出信号与表示发射单元的预期光输出的参考信号进行比较；以及

-基于所述比较来控制发射单元的光输出。

12.根据权利要求11的方法，其中将时间分成多个帧，并且其中所述不定期检测的步骤包括在不同的帧中，在相对于帧的起始的不同时间产生检测脉冲。

13.根据权利要求12的方法，其中产生每个检测脉冲来检测LED光颜色的预定组合，该组合在每个帧的时间间隔中发生，并且其中，所述不定期检测的步骤包括在那些时间间隔的一些中产生用于这种组合的检测脉冲，并且对于那些时间间隔的另外一些省略该脉冲的产生。

14.根据权利要求11、12或13的方法，其中将时间分成多个帧，并且其中所述不定期检测的步骤包括改变帧的长度的步骤。

15.根据权利要求11-14中的任一个的方法，进一步包括不定期激发LED的步骤。

16.根据权利要求11-15中的任一个的方法，其中将时间分成多个帧，并且在多个帧中的每个时间窗口中激发LED以发射光，并且其中，所述不定期激发的步骤包括从一个帧到另一个帧相对于帧的起始而移动时间窗口以及在一个帧和另一个帧之间的边界内镜像该时间窗口之一。

17.根据权利要求11-16中的任一个的方法，其中所述抑制步骤包括对输出光信号求平均值的步骤。

18.根据权利要求11-17中的任一个的方法，其中所述求抑制步骤包括从所述光输出信号中减去背景光信号的步骤。

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