CN101288341B - 发出混色光的光源以及控制这种光源的色度坐标的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发出混色光的光源(10)，该混色光包含至少两种不同颜色的光，该混色光由多个基色光源(1)发出，其中：所述基色光源(1)被划分成组，并且在一个组内的基色光源(1)的亮度值按照颜色独立地被确定并被控制，使得该混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中。此外，还给出了用于控制这种光源(10)的方法以及例如用于显示器的背光照明的、具有这种光源(10)的照明装置。

Description

发出混色光的光源以及控制这种光源的色度坐标的方法
技术领域
本发明涉及一种发出混色光的光源和一种用于控制其色度坐标的方法，以及一种用于对显示器进行背光照明的、具有发出混色光的光源的照明装置。
例如由于基色光源的老化过程或外部影响如温度波动，从基色光源(如发光二极管)发出不同颜色的混色光的光源的色度坐标经常会波动。然而对于一些应用、例如用于显示器的背光照明，值得期望的是，光源的色度坐标基本上保持恒定，与基色光源的光的变化无关。
本发明的任务是提供一种用于显示器的背光照明的光源和照明装置，其发出混色光，该混色光的色度坐标可以以简单的方式被控制。本发明的另一任务在于提供一种用于控制发出混色光的光源的色度坐标的方法。
该任务通过一种用于控制发出混色光的光源的色度坐标的方法来解决，所述混色光包含至少两种不同颜色，所述混色光由多个基色光源发出，其中：将所述基色光源分成组，并且按照颜色独立地确定并控制在一个组内的基色光源的亮度值，使得混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中；其中在一个组内的一种颜色的基色光源借助相应的脉宽调制信号来控制，所述脉宽调制信号具有修改后的基本周期，使得在基本周期的第一时间间隔期间仅仅接通一种颜色的基色光源，并且在第一时间间隔期间确定该颜色的亮度值，其中在第二时间间隔中所有基色光源的接通时间至少部分地重叠。
此外，该任务通过一种发出混色光的光源来解决，该混色光包含至少两种不同颜色的光，该混色光由多个基色光源发出，其中：所述基色光源被分成组，并且在一个组内的基色光源的亮度值按照颜色分别地被确定并被控制，使得混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中，其中在一个组内的一种颜色的基色光源借助相应的脉宽调制信号来控制，所述脉宽调制信号具有修改后的基本周期，使得在基本周期的第一时间间隔期间仅仅接通一种颜色的基色光源，并且在第一时间间隔期间确定该颜色的亮度值，其中在第二时间间隔中所有基色光源的接通时间至少部分地重叠。
此外，该任务还通过一种用于显示器的背光照明的照明装置来解决，该照明装置具有上述的光源。
所述光源和所述方法的有利的实施形式和改进方案分别在从属权利要求中给出。
在发出混色光的光源中，该混色光包含至少两种不同颜色的光，该混色光由多个基色光源发出，所述多个基色光源被分成组，按照颜色独立地确定并控制在一个组内的基色光源的亮度值，使得该混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中。
将基色光源分成组在此可以如下进行：一个组仅包含一个单一颜色的基色光源；或者替代地，一个组包含不同颜色的基色光源。
优选的是，一个组的基色光源相对彼此分别被选择为使得它们的光的亮度值在预先给定的范围中。
因为基色光源被划分成其亮度在预先给定的范围中的一些组，所以为了控制混色光的色度坐标，仅需确定和控制在一个组内的基色光源。相比于控制每个单个的基色光源，这样可以减小用于控制的开销。相比于仅使用相对彼此选择的基色光源的这种可能性，使用相对彼此选择的基色光源的组具有的优点在于，每次必须相对彼此选择的基色光源的数量较少，由此可以有利地降低成本。后者尤其是在光源具有大量基色光源的情况中具有积极作用。
特别优选的是，组的基色光源的光的亮度值在下述范围中(其中分别包括边界)：24000mlm至28000mlm之间，28000mlm至33000mlm之间，33000mlm至39000mlm之间，39000mlm至45000mlm之间，45000mlm至52000mlm之间，52000mlm至61000mlm之间，61000mlm至71000mlm之间。
优选的是，组的亮度值的预先给定的范围从其最小值到其最大值包括4000mlm、5000mlm、6000mlm、7000mlm、8000mlm、9000mlm或10000mlm。
在一个优选的实施形式中，此外在一个组内的一种颜色的基色光源还相对彼此被如下选择：使得其光的主波长同样处于预先给定的范围中。对于主波长的预先给定的范围优选从其最小值到其最大值包括4nm、5nm或10nm。
在本发明的框架内，在人眼中引起与基色光源的光相同色觉的单色辐射的波长理解为基色光源的主波长。
代替或补充根据主波长来进行选择，一个组的基色光源也可以按照峰值波长来进行选择，使得在一个组内的基色光源的峰值波长处于预先给定的范围内。
此外有利的是，使用在一个组内的、具有被选择的主波长和/或被选择的峰值波长的基色光源有助于能够简单地控制混色光的色度坐标。
在一个优选的实施形式中，光源发出包含红、绿和蓝光的混色光。因为这三种颜色占据CIE标准色表内的大的区域，因此可以通过这些颜色的亮度的变换在宽的范围中调节混色光的色度坐标。
在该实施形式中，一个组的发出红光的基色光源的主波长优选处于下列范围之一内(其中分别包括边界)：612nm至615nm之间、616nm至620nm之间、620nm至624nm之间。此外在该实施形式中，一个组的发出绿光的基色光源的主波长优选处于下列范围之一内(其中仍然包括边界)：519nm至525nm之间、525nm至531nm之间、531nm至537nm之间。此外在该实施形式中，发出蓝光的基色光源的主波长优选处于下列范围之一内(其中仍然包括边界)：449nm至453nm之间、453nm至457nm之间、457nm至461nm之间、464nm至468nm之间、468nm至472nm之间、472nm至476nm之间。
特别优选的是，混色光的色度坐标预先给定的范围处于CIE标准色表的白色区域。一方面，白光特别是近似太阳光的光对于很多应用是必要的；另一方面，人眼在白光的情况下对于色彩变化特别敏感，这特别经常地使得色度坐标的控制是必要的。
优选的是，所述光源具有半导体发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光器尤其是半导体激光器或者电子荧光膜来作为基色光源。
这些基色光源具有的优点是，与其他光源例如白炽灯相比，这些基色光源的亮度可以通过控制基色光源的电信号的变化以较小的时间延迟来改变。此外有利的是，这些基色光源适于以脉宽调制的信号进行控制。
脉宽调制的信号(PWM-信号)是电信号、优选为矩形信号，它在固定的基本周期T内，在确定的时间tein中是接通的，在基本周期的其余的持续时间taus上是关断的。接通时间和基本周期的比tein/T＝tein/(tein+taus)被称为占空比dc。占空比是对于按百分比的如下时间份额的度量：在基本周期T内在该时间份额期间，PWM信号是接通的。
为了控制在一个组内的一种颜色的基色光源，优选各使用一个修改后的PWM信号，它具有修改后的基本周期，该基本周期除了时间间隔tein和taus还具有第一时间间隔t1，其中t1可以完全地由时间间隔tein或taus之一包含或者与这些时间间隔之一重叠。此外，为了控制在一个组内的一种颜色的基色光源，这些修改后的PWM信号的基本周期具有固定的相对彼此的相位关系，特别优选的是，这些修改后的基本周期之间的相位的值为零。时间间隔t1此外优选处于修改后的基本周期的开始。此外，时间间隔t1可以被设置为用于确定单个颜色或背景的光的亮度值的测量时间段。为了确定一个组内的一种颜色的光的亮度值，相应的修改后的PWM信号的时间间隔tein被移相，使得其与时间间隔t1同时开始，而为了控制一个组的、其亮度值不应被确定的颜色的基色光源，修改后的PWM信号的时间间隔tein处于时间间隔tein之外。这样在时间间隔tein内可以确定组内的一种颜色的基色光源的亮度。特别地，为此可以有利地使用不根据颜色而区分的传感器，例如光电二极管。
在一种优选的实施形式中，时间间隔tein至时间间隔t1中的相移并不跳跃式地发生在两个直接彼此相继的修改后的基本周期之间，而是缓慢地进行，使得只有经过多个修改后的基本周期后，时间间隔tein的开始才与时间间隔t1的开始一致。
此外，时间间隔tein至时间间隔t1中的相移优选在恒定的占空比的情况下进行，因为这样有利地不发生混色光的色度坐标由于占空比变化的变化。
修改后的PWM信号允许顺序地、也就是说在(不一定是直接地)相继的修改后的基本周期中，在时间间隔t1期间确定在一个组内的一种颜色的基色光源的亮度值。为此，上述的修改后的、用于控制不同颜色的基色光源的PWM信号彼此相继。
下面，不同的修改后的基本周期的序列被称为PWM信号的总周期，这些基本周期概括用于控制一个组的基色光源的PWM信号的修改后的基本周期，使得该总周期统一地周期性重复。
PWM信号的总周期同样优选地包含了在其中一个组的基色光源未被接通的时间间隔。在该时间间隔内可以确定背景的亮度值。对此优选地，同样使用时间间隔t1，其中没有时间间隔tein相移至时间间隔t1中。
如果确定背景亮度的值，则可以有利地以背景亮度校正基色光源的亮度值，使得例如由环境光或器件偏差引起的干扰可以至少部分地被补偿。以背景亮度的亮度值校正例如可以通过从在一个组内的一种颜色的基色光源的光的亮度值中减去背景的亮度值来实现。
在一种实施形式中，用于控制光源的基色光源的修改后的PWM信号被构建为：使得每次总是仅仅唯一一个组的一种颜色的基色光源被接通。
在另一种优选的实施形式中，利用传感器来确定亮度值，其中该传感器的敏感性适配于人眼的敏感性。
在一种实施形式中，光源包括通信元件，该通信元件适于在各个组之间交换信息、例如传感器的信号。此外，通信元件还可用于确定顺序，按该顺序确定不同组的亮度值。
所述光源尤其适于用于显示器(例如LCD显示器)的背光照明的照明装置。
在用于显示器的照明装置的一种优选的实施形式中，与修改后的PWM信号的基本周期T相应的频率1/T与目标频率或目标频率的多倍同步。
本发明的其他优点和优选的实施形式由在下面结合附图1A、1B、2至3和4A至4C详细阐述的实施例得到。其中：
图1A示出了根据一个实施例的光源的示意性俯视图；
图1B示出了具有根据一个实施例的基色光源的模块的示意性俯视图；
图2示出了根据一个实施例的照明装置的示意性剖面图；
图3示出了根据一个实施例的用于控制光源的方框图的示意性视图；
图4A示出了根据一个实施例的PWM电信号的修改后的基本周期的示意性示图；
图4B示出了根据一个实施例的用于控制光源的PWM电信号的修改后的基本周期的另一个示意性视图；
图4C示出了根据一个实施例的用于控制光源的PWM电信号的基本周期序列。
在实施例和附图中，相同的和作用相同的部件分别被设置相同的参考标号。附图的所示的元件原则上不应被视为合乎比例。更确切地说，为了更好的理解可将它们例如部分地夸大地示出。
在根据图1A的实施例的光源10中，使用多个半导体发光二极管1(LED)作为基色光源，它们发出各种不同颜色的光。在此，在模块2中例如分别包括两个发出绿色光的LED 1(下面简称“绿色的LED”G)、一个发出蓝色光的LED(下面简称“蓝色的LED”B)以及一个发出红色光的LED(下面简称“红色的LED”R)。在图1B中，示出了这种模块2的示意性俯视图。在根据图1A的实施例中，每十个这种模块2等距地设置成一行，其中一行的LED1构成一个组。这意味着，一行的LED1按照其亮度被选择，使得它们的亮度值在预先给定的范围内。此外，一个组和一种颜色R、G、B的LED1也可以分别按照其主波长来选择，也就是说，一个组的绿色的LED G的主波长、一个组的红色的LED R的主波长和一个组的蓝色的LED B的主波长处于预先给定的范围中。
根据图1A的光源10具有多行模块2，它们被相互地布置并安装在支承体3上。在分别离每行的开始和末尾的第二和第三模块2之间，在模块2的行之间存在传感器4(例如光电二极管)，它们检测在一个组内的基色光源的亮度值以及背景亮度。代替光电二极管，也可以使用其敏感性与人眼的敏感性相适配的传感器。
图2示出了照明装置的示意性剖面图，该照明装置包括例如图1A中所示的光源10。此外，照明装置还包括侧壁5以及散射光的板6，例如毛玻璃片或漫散射的塑料板，其形成照明装置的正面，由该正面发出照明装置的混色光。
例如可以借助电路来控制根据图1A的光源10，其框图示意性地在图3中被示出。该框图示例性地示出了组1和组2的两个组的电路，该电路对于较大数量N的组可以同样地被扩展。一个组的发出一种颜色的光的LED分别被串联地连接。在此，一个组的红色的LED R、一个组的绿色的LED G和一个组的蓝色的LED B串联地被连接。一种颜色的LED的串联电路分别由恒流源7(线性的或者定时地)供给电流。此外，根据图3的框图的电路每个组包括一个控制组件8，该控制组件8包括：两个用于与另一组中的控制组件8通信的子单元81、82；一个用于内部同步的子单元83；以及对于混色光的每种颜色包括一个(在此于是为3个)用于产生PWM信号的子单元84。此外，控制组件8具有用于传感器4的信号的输入端。
每个恒流源7借助用于产生PWM信号的子单元84来控制，而一个组的用于内部通信的子单元81分别与另一组的用于内部通信的子单元82相连接。此外，两个所示出的组的用于内部同步的子单元83彼此相连接。
图4A分别示意性地示出了用于控制一个组的红色、绿色和蓝色的LEDR、G、B的修改后的PWM信号IR、IG、IB的基本周期T以及在该基本周期T期间传感器的信号ID。修改后的PWM信号IR、IG、IB的基本周期T被划分成时间间隔t1和时间间隔t2。时间间隔t1被设计用于以传感器4实施测量或者对传感器进行读取。时间间隔t2代表在此期间每个组的一种颜色R、G、B的LED可以被接通，而时间间隔tein说明它们被接通的实际持续时间。根据图4A，用于控制红、绿和蓝色的LED R、G、B的三个修改后的PWM信号的基本周期不具有相对于彼此的相移。此外，在时间间隔t1内没有接通PWM信号。传感器在该时间间隔期间的信号ID是对于背景亮度值的度量。
在图4B中同样分别示出了用于控制一个组的红色、绿色和蓝色的LEDR、G、B的修改后的PWM信号IR、IG、IB的基本周期T，其中与图4A的不同之处在于，用于控制一个组的绿色的LED的PWM信号IG的时间间隔tein被移相，使得时间间隔tein(G)的开始与时间间隔t1的开始重合。因此，传感器在该时间间隔t1期间的信号ID是对该组的绿色的LED G的亮度的度量。在此，时间间隔tein的相移优选不是完全发生在两个彼此直接相继的基本周期T之间，而是缓慢地进行。与基本周期T相应的频率1/T例如为260Hz并且相移例如大约为10°/s。
如上面示例性地借助图4B针对一个组的绿色的LED G的光所描述的一样，也可以确定一个组的红色和蓝色的LED R、B的亮度，其方式是，各个相应的PWM信号IR、IG、IB的时间间隔tein被移相，使得其开始与时间间隔t1的开始重合。
图4C示出了用于控制一个组的红、绿和蓝色的LED R、G、B的修改后的PWM信号IR、IG、IB的另一实施例，其中与图4A和4B不同的是示出了多个修改后的基本周期T，它们构成总周期T2。在图4C中，修改后的PWM信号IR、IG、IB的总周期T2由六个彼此相继的基本周期T组成。在第一个基本周期T期间，没有时间间隔tein移相至时间间隔t1中，使得可以确定背景亮度(在图中用H标记)。在第二个基本周期T中，用于控制一个组的红色的LED R的修改后的PWM信号IR的时间间隔tein(R)被移相，使得时间间隔tein(R)的开始与时间间隔t1的开始重合，这样传感器在时间间隔t1期间的信号ID(在图4C中未示出)是对一个组的红色的LED R的亮度的度量。第三个基本周期T与第一个基本周期相同，而在第四个基本周期T中，用于控制一个组的绿色的LED G的修改后的PWM信号IG的时间间隔tein(G)被移相，使得时间间隔tein(G)的开始与时间间隔t1的开始重合，这样传感器在时间间隔t1期间的信号ID是对一个组的绿色的LED G的亮度值的度量。第五个基本周期T又与第一和第三个基本周期T相同并且例如可以用来确定背景亮度。在第六个基本周期T中，用于控制一个组的蓝色的LED B的修改后的PWM信号IB的时间间隔tein(B)被移相，使得时间间隔tein(B)的开始与时间间隔t1的开始重合，这样传感器在时间间隔t1期间的信号ID是对一个组的蓝色的LED B的亮度值的度量。
在图4C中出于简单起见仅示出了基本周期T，其中可以确定背景的或者LED R、G、B的亮度值，使得时间间隔tein至时间间隔t1中的相移分别跳跃式地表现在两个直接彼此相继的基本周期T之间。然而如果时间间隔t1的相移缓慢地进行，则在图4C中所示的两个基本周期T之间存在另外的基本周期T，在所述另外的基本周期中相应的时间间隔tein朝着时间间隔t1的方向移动。
总周期T2具有由各个基本周期T的持续时间组成的持续时间。
为了控制混色光的色度坐标，优选的是，参照表形成对于修改后的PWM信号IR、IG、IB的占空比的计算基础，其中借助这些信号来控制一个组的红色的、绿色的和蓝色的LED R、G、B。参照表包含对于所希望的色度坐标所需要的不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的LED R、G、B的亮度值。对于相应的修改后的PWM信号IR、IG、IB，占空比dc借助相应的表值根据下面的公式来计算：
dc＝表值/(颜色的测量值-k*背景亮度)，
其中，借助因数k的选择来加权背景亮度对于光源的控制的影响。如果k为零，则颜色的测量值提供照明特性。如果k具有大于1的绝对值，则LED的亮度可以随着环境光的变化而变化(mitgefuehrt)，使得例如具有这种光源的显示器使其亮度适配于环境光的亮度。因数k的代数符号决定光源随背景光的变亮而变亮还是变暗。
此外，当LED 1的亮度例如由于在运行中形成的热而不具有恒定的亮度时，该LED 1的亮度可以借助与占空比相关的校正因数被适配。
例如可以借助参照表的值的线性标度(Skalierung)实现光源10的亮度的降低或升高，必要时借助眼睛的颜色感受体的非线性特性来实现。
本发明不受借助实施例的描述的局限。相反，本发明包括这些特征的任意新的特征以及特征的任意组合，这尤其包括权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或组合本身没有在权利要求或实施例中明确说明。
特别是，本发明不局限于使用LED作为基色光源或者局限于发出红色、绿色或者蓝色光的光源，而是按照本发明也可以使用其他的光源作为基色光源，以及可以使用其他颜色的基色光源。

Claims (20)

1.一种用于控制发出混色光的光源(10)的色度坐标的方法，所述混色光包含至少两种不同颜色，所述混色光由多个基色光源(1)发出，其中：
-将所述基色光源(1)分成组，并且
-按照颜色独立地确定并控制在一个组内的基色光源(1)的亮度值，使得混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中；
其中在一个组内的一种颜色的基色光源(1)借助相应的脉宽调制信号(IR、IG、IB)来控制，所述脉宽调制信号具有修改后的基本周期(T)，使得在基本周期(T)的第一时间间隔(t1)期间仅仅接通一种颜色的基色光源(1)，并且在第一时间间隔(t1)期间确定该颜色的亮度值，
其中在第二时间间隔(t2)中所有基色光源的接通时间至少部分地重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，一个组的基色光源(1)分别相对彼此被选择，使得它们的光的亮度值处于预先给定的范围中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在一个组内的一种颜色的基色光源(1)相对彼此被选择，使得其光的主波长处于预先给定的范围中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用半导体发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光器或者电子荧光膜作为基色光源(1)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉宽调制信号(IR、IG、IB)的总周期(T2)包含至少一个基本周期(T)，该基本周期(T)被修改，使得在基本周期(T)的一个时间间隔内组中没有基色光源(1)被接通，并且在第二时间间隔中确定背景光的亮度值。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中借助传感器(4)来确定亮度值，该传感器的敏感性被适配于人眼的敏感性。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中使用光电二极管(4)来确定亮度值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中顺序地借助光电二极管(4)来确定一个组内的一种颜色的基色光源(2)的亮度值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中以背景亮度校正一个组内一种颜色的基色光源(2)的亮度值。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中光源(10)发出包含红色、绿色和蓝色的混色光。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中混色光具有在CIE标准色表的白色区域中的色度坐标。
12.一种发出混色光的光源(10)，该混色光包含至少两种不同颜色的光，该混色光由多个基色光源(1)发出，其中：
-所述基色光源(1)被分成组，并且
-在一个组内的基色光源(1)的亮度值按照颜色分别地被确定并被控制，使得混色光的色度坐标处于CIE标准色表的预先给定的范围中，
其中在一个组内的一种颜色的基色光源(1)借助相应的脉宽调制信号(IR、IG、IB)来控制，所述脉宽调制信号具有修改后的基本周期(T)，使得在基本周期(T)的第一时间间隔(t1)期间仅仅接通一种颜色的基色光源(1)，并且在第一时间间隔(t1)期间确定该颜色的亮度值，
其中在第二时间间隔(t2)中所有基色光源的接通时间至少部分地重叠。
13.根据权利要求12所述的光源(10)，其中一个组内的一种颜色的基色光源(1)相对彼此被选择，使得它们的光的亮度值处于预先给定的范围中。
14.根据权利要求12或13所述的光源(10)，其中在一个组内的一种颜色的基色光源(1)相对彼此被选择，使得其光的主波长处于预先给定的范围中。
15.根据权利要求12或13所述的光源(10)，具有半导体发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光器或者电子荧光膜作为基色光源(1)。
16.根据权利要求12或13所述的光源(10)，其中所述光源包括传感器(4)用于确定亮度值，所述传感器的敏感性被适配于人眼的敏感性。
17.根据权利要求12或13所述的光源(10)，其中所述光源包括光电二极管(4)用于确定亮度值。
18.根据权利要求12或13所述的光源(10)，其中所述光源(10)发出包含红色、绿色和蓝色光的混色光。
19.根据权利要求12或13所述的光源(10)，其中所述光源发出具有在CIE标准色表的白色区域中的色度坐标的混色光。
20.一种用于显示器的背光照明的照明装置，具有根据权利要求12至19中任一项所述的光源(10)。
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