CN101292574A - 数字控制的照明器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种能够在环境工作温度不断变化的连续操作期间生成具有期望色品和光通量输出的光的照明器系统。照明器系统可以此外还能够在照明器暗淡期间保持期望的相关色温。该照明器系统包括一个或多个用于生成光的发光元件阵列，电流驱动器系统与这些阵列相接，用来有选择地为各个阵列供应电驱动电流，其中电流驱动器系统能够对从控制器接收到的驱动信号做出响应。该照明器系统此外还包括光学传感系统，用于生成代表该光的色品和光通量输出的光信号。热感测系统在操作上与所述一个或多个阵列相接，用于生成代表发光元件阵列在操作期间的结区温度的信号。照明器系统此外还包括控制器，该控制器在操作上与电流驱动器系统、光学传感器系统和热感测系统相连接，用于接收由这些系统中的各个系统生成的信号，并且构成为用来响应于分别从光学系统和热感测系统接收到的光信号和热信号生成一个或多个传送到电流驱动器系统的驱动信号，从而能够实现期望程度的输出光控制。
Description
技术领域
本发明涉及照明器，具体地涉及能够在操作期间维持期望的照明条件(例如，恒定色温)的照明器系统。
背景技术
近期在发光二极管(LED)设计方面的技术进步已经惠及照明行业。由于它们具有很高的总体发光效率并且具有实现各种不同的光图案的灵活性，因此基于LED的照明器正在越来越多地用在标牌、广告、展示照明和背光照明应用当中。基于LED的照明器还正在取代传统的白炽或荧光照明设备，成为了主流照明构建风格。
由于具有自然光照特性，因此白光是照明的优选。用于环境照明的基于LED的照明器的一项重要考虑因素是需要产生自然的白光。白光可以通过混合从不同颜色的LED发出的光来产生。
已经提出了各种不同的标准来表征光的光谱含量。表征由测试光源发出的光的一种方式是将其与黑体辐射出的光进行比较并且认定出黑体的知觉色(perceived colour)与测试光源的知觉色最佳匹配时黑体的温度。这一温度称为相关色温(CCT)并且通常以开氏温度(K)计量。CCT越高，光就显得越蓝，或者越冷。CCT越低，光就显得越红，或者越暖。白炽灯泡的CCT接近2854K，而日光灯的CCT可以处于接近3200K到6500K的范围之内。
而且光的属性也可以用光通量和色品来表征。光通量用于定义光的可计量量，色品用于定义光的知觉色感觉，而与它的感知明亮度无关。色品和光通量是以遵照国际照明委员会(CommissionInternationale de l’Eclairage)(CIE)的标准的单位计量的。CIE色品标准定义了基于色度座标(指定色度图中的位置)的光的色调和饱和度。光的色度座标是由三色激励值得出的并且是由三色激励值与它们总和的比值来表达的；即，x＝X/(X+Y+Z)，y＝Y/(X+Y+Z)，z＝Z/(X+Y+Z)，其中x、y和z是色度座标，X、Y和Z是三色激励值。因为x+y+z＝1，所以仅仅需要指定两个色度坐标，例如比如是x和y。任何CCT值都可以转换成相应的色度座标。
尽管成果卓著，基于LED的照明器依然可能会以复杂的方式受到多种参数的影响。LED的色品和光通量输出在很大程度上取决于结区温度和驱动电流以及导致效能随时间降低的器件老化效应，它们对CCT可能会有不希望有的影响，并且更加一般地讲，会对发射光的色品有不希望有的影响。
忽略对温度的依赖性，由LED发出的光的量与它的瞬时正向电流成正比。如果以大于大约300Hz的速率对LED施加脉冲，人的视觉系统就会感觉到不同于单个脉冲的按时间平均的光量。结果，通过改变按时间平均的正向电流的量，能够实现照明器暗淡，正是使用这样的技术来实现脉冲宽度调制(PWM)或脉冲编码调制(PCM)。不过，平均正向电流的变化会影响LED的结区温度，这能够改变谱功率分布并且结果会影响由LED发出的光的CCT或色品以及光通量。在使用各种不同颜色的LED来产生期望色品的混合光时，对这一影响的补偿会变得很复杂。正如M.Dyble在《Impact of Dimming White LEDs：Chromaticity Shifts Due to Different Dimming Methods》(FifthInternational Conference on Solid State Lighting，贝灵汉，WA；SPIE第5941卷，2005)中所讨论的那样，结果得到的混合光的颜色观感可能会在变暗淡时发生不可接受的偏离，因为单个LED的谱功率分布可能会发生改变。
LED结区温度变化还可能对结果得到的输出光的谱功率分布造成不希望有的影响。结区温度的变化不仅可能减小光通量输出，而且还可能造成混合光的CCT发生不希望有的变化。过热还可能会减少LED的寿命。
为了克服这些限制，已经提出了各种不同的生成自然白光的方法。授权给Nishimura的美国专利US6448550讲授了一种使用光反馈的具有多个不同颜色的LED的固态照明装置。由安装在LED附近的光敏传感器测量从LED发出的光，并且将其与对以前测量的谱功率分布的响应的参考集合进行比较。使用传感器对从LED发出的光的响应与以前测量的谱功率分布之间的变化量作为调整送入LED的电流的基准，以便将LED发出的光保持得尽可能接近预先确定的谱功率分布。虽然Nishimura的参考文献给出了一种实现具有任何期望颜色属性的输出光的谱功率分布的控制的有效方式，但是它并没有顾及到保持LED整个寿命期间以及不同工作条件下(包括暗淡时)的颜色稳定性。
授权给Muthu的美国专利US6507159公开了一种针对具有多个红色、绿色和蓝色LED的用于通过颜色混合产生期望的光的基于LED的照明器的控制方法和系统。Muthu通过提供具有反馈系统的控制系统来设法减轻期望光的光通量输出和CCT的不希望有的变化，该反馈系统包括已滤波光电二极管、用于确定LED的三色激励值的数学变换和用于求出反馈三色激励值与期望参考三色激励值之间的差以便调节LED的正向电流的参考跟踪控制器，从而将三色激励值的差异减小为零。Muthu的参考文献并没有提供减轻由LED的峰值波长随时间发生偏移造成的期望光色温偏差的解决方案。此外，数学变换所需要的计算使得实现响应时间快得足以避免例如在暗淡操作期间产生看得出来的闪烁的反馈控制系统非常困难。
授权给Muthu等人的美国专利US6576881公开了控制由红色、绿色和蓝色LED产生的输出光的方法和系统。位于LED附近的传感器检测输出光的第一组近似三色激励值。将第一组三色激励值传送给控制器，控制器将这些值转换成代表标准比色体系的第二组三色激励值。根据第二组三色激励值和一组用户指定的三色激励值之间的差异，调节LED的相对光通量输出。Muthu等人的参考文献并没有顾及LED的峰值波长因温度、暗淡或者部件的使用时间造成的偏移。此外，两组三色激励值之间的数学变换所需要的计算使得实现响应时间快得足以避免例如在暗淡操作期间产生看得出来的闪烁的反馈控制系统非常困难。
授权给Schuurmans的美国专利US6630801给出了感测通过混合从多个具有RGB颜色的LED发出的有色光产生的结果光的色点的方法和系统。该系统包括反馈单元以及控制器，反馈单元用于基于从可对来自于LED的光做出响应的经过滤色和未经滤色的光电二极管获得的值生成与结果光的色品相应的反馈值，控制器根据反馈值与代表期望结果光色品的值之间的差异调节结果光。不过，Schuurmans公开的方法并没有顾及LED的峰值波长因温度、暗淡或者部件的使用时间造成的偏移。
授权给muthu等人的美国专利出版物No.2003/0230991公开了一种用于电子显示器的基于LED的白色背光照明系统针对电子显示。Muthu等人的背光照明包括安排成使得光颜色的组合产生白光的多个不同光颜色的LED和微处理器，该微处理器监测白光的光通量、辐射通量或三色电平并且通过反馈控制来控制白光的光通量和色品。Muthu等人的背光照明使用带有滤光器的光电二极管来确定LED的近似三色激励值并且调节白光的光通量和色品。还测量贴合在LED上的散热器的温度变化并且使用这个温度变化来顾及LED的光通量和色品的变化。不过，Muthu等人没有考虑LED暗淡期间的结区温度。Muthu等人也没有考虑峰值波长偏移和光电二极管不精密对所产生的白光造成的影响。
同样授权给Muthu等人的美国专利US6441558公开了用于在不同色温下产生各种不同的期望光的基于多色LED的照明器。各个有色LED阵列对应的期望光通量输出是由基于期望光的色品和LED的结区温度来调节供应给LED的电流的控制器系统来取得的。与Muthu等人的基于LED的照明器相关的缺点之一是，为了测量LED阵列的光通量，要使用光反馈传感器来获得来自于LED的光通量，通过轮询序列将这个光通量传送给控制器。按照Muthu等人的方法，测量程序从测量操作中的所有LED阵列的光通量输出开始。短暂地交替“关闭”各个LED阵列，并且取得进一步的测量结果。初始测量结果与下一个测量结果之间的差异给出了关闭了的LED阵列的光输出。对剩下的LED阵列重复进行光输出的测量。由Muthu等人公开的这一过程的缺点是，在以较低频率实现的接通和关闭循环期间，对LED施加的热应力的量过大。
因此，存在着对能够在减轻器件老化和结区温度变化对LED的影响的同时有效保持基于多色LED的照明器的色品、色温和光通量的系统和方法的需求。
提供这一背景信息是为了揭示申请人认为有可能与本发明相关的信息，而决不意味着，或者不应理解为，任何前述信息构成了与本发明抵触的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字控制的照明器系统。按照本发明的一个方面，给出了一种用于产生具有期望色品和光通量输出的光的照明器系统，该照明器系统包括：一个或多个阵列，各个阵列包括一个或多个用于产生光的发光元件；在操作上与所述一个或多个阵列相接的电流驱动器系统，该电流驱动器系统用于有选择地向所述一个或多个阵列中的各个阵列供应电驱动电流，该电流驱动器系统能够对一个或多个驱动信号做出响应；在操作上与所述一个或多个发光元件相接的一个或多个光学传感器系统，各个光学传感器系统包括一个或多个用于感测由发光元件产生的光的预定部分的光学传感器，各个光学传感器系统构成为用来产生代表所述光的预定部分的色品和光通量输出的光信号；在操作上与所述一个或多个阵列相接的热感测系统，该热感测系统包括一个或多个用于产生代表所述一个或多个阵列中的各个阵列的结区温度的第一信号的热传感器；和在操作上与电流驱动器系统、所述一个或多个光学传感器系统和热感测系统相连接的控制器；该控制器构成为用来针对期望色品和光通量输出响应于光信号生成一个或多个驱动信号，该控制器此外还构成为用来响应于所述第一信号更改所述一个或多个驱动信号，从而补偿所述阵列的温度变化；其中照明器系统适合于与电源连接。
按照本发明的另一个方面，给出了一种用在照明器系统中的、控制发光元件的操作来产生具有期望色品和光通量输出的光的方法，该方法包括步骤：为发光元件提供用于产生光的驱动电流；测量代表由光学感测系统产生的光的光信号；测量代表发光元件的结区温度的温度信号；求出由发光元件的结区温度和发光特性之间的关系所定义的第一修改系数；基于所测得的光信号和第一修改系数确定新的驱动电流；将新的驱动电流提供给发光元件；从而控制发光元件的操作，以产生具有期望色品和光通量输出的光。
附图说明
参照附图，将会得到对本发明实施方式的更加透彻的理解，这些附图以举例的方式示出了本发明的实施方式，其中：
图1是按照本发明的一种实施方式的发光元件照明器的框图。
图2是表示完全光输出期间和光输出减少期间与红色传感器的光谱射线通量响应相对应的红色LED光谱的图形表达。
图3是表示按照本发明的实施方式的控制器的控制处理中包含的步骤序列的流程图。
具体实施方式
定义
术语″发光元件″用于定义在通过例如在器件两端施加电势差或使电流通过器件来激活器件的时候发射电子波谱的任何区域或区域组合(例如，可见光区域、红外和/或紫外区域)中的射线的任何器件。因此发光元件能够具有单色的、准单色的、多色的或宽频带光谱发射特性。发光元件的例子包括半导体、有机物或聚合物/聚合发光二极管，蓝色或紫外线泵浦磷光体涂覆的发光二极管，光学泵浦纳米晶体发光二极管或本领域技术人员容易想到的任何其它类似的发光器件。而且，术语发光元件用于定义发射射线的专用器件，例如LED管芯，并且同样能够用于定义发射射线的专用器件与其中放置有专用器件的外壳或包装的组合。
术语″输出光″用于定义由一个或多个发光元件产生的电磁波谱的任何区域(例如，可见、红外和紫外区域)或者电磁波谱区域的任何组合中的特定频率或频率范围的电磁射线。
术语″光通量″用于按照国际照明委员会(CIE)的标准定义由光源发射的光量。在所涉及波长范围包括红外和/或紫外波长的情况下，术语″光通量″用于涵盖由CIE标准定义的射线通量。
术语″光谱射线通量″用于按照CIE的标准定义在由光源发射的各个波长下每单位波长的射线通量的量。
术语″谱功率分布″用于指，在所涉及的电磁波谱区域内，每差额波长的射线通量差额量的波长依从关系。
术语″光色品″用于按照CIE的标准定义光的知觉色观感。
术语″传感器″用于定义具有响应于包括温度、色品或光通量的物理量来产生可测量传感器参数的装置。
术语″控制器″用于定义具有用来监测来自于操作上与控制器连接的外围设备的参数的中央处理单元(CPU)和外围输入/输出装置(比如A/D或D/A转换器)的计算装置或微控制器。这些输入/输出装置还可以使得CPU能够与操作上与控制器相接的外围设备进行通信或控制外围设备。控制器能够根据情况包括一个或多个存储介质，本文统称为″存储器″。存储器可以是易失性的和非易失性的计算机存储器，比如RAM、PROM、EPROM和EEPROM、软盘、小型盘、光盘、磁带等等，其中存储着用来监测或控制与控制器相接的装置的控制程序(比如软件、微代码或固件)，并且这些控制程序由CPU执行。根据情况，控制器还提供用于将用户规定的操作条件转换成对与控制器相接的外围设备进行控制的控制信号的构件。控制器能够利用用户接口接收用户规定的命令，例如，本领域技术人员公知的键盘、触垫、触摸屏、控制台、视觉或声音输入装置。
术语″基板″用于定义与发光元件发生热接触并且能够将发光元件产生的热量传导到其上的导热材料。
如本文所用，术语″大约″指的是偏离标称值的+/-10％的变化。应该理解，这一变化总是包含在本文给出的任何给定值之内的，不管是否专门指出。
除非另有说明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常理解的含义相同的意思。
本发明给出了针对基于多色发光元件的照明器的、与光通量输出无关地补偿色品或CCT漂移的方法和设备。照明器的光通量输出可能会受到照明器中各发光元件因温度变化造成的输出光的谱功率分布变化的影响，例如因改变工作条件、时间平均或瞬时电流、和器件老化造成的温度变化。这一影响可能会在反馈控制的基于发光元件的照明器中变成严重问题，因为输出光的谱功率分布的变化可能会影响来自反馈传感器的传感器读数，这接着又会促使反馈控制器增强不希望有的漂移的影响。本发明能够通过考虑下列之一或其中多个来减轻这些问题：散热器温度、基板温度、瞬时正向电流和按时间平均的正向电流。基于这些参数，以及传感器和发光元件的经验特性，反馈控制器能够对驱动电流进行调节，以便将照明器的输出光基本上保持在期望的色品或CCT上。
本发明给出了一种能够在环境工作温度不断变化的连续操作期间生成具有期望色品和光通量输出的光的照明器系统。照明器系统可以此外还能够在照明器暗淡器件保持期望的相关色温。该照明器系统包括一个或多个用于生成光的发光元件阵列。电流驱动器系统与这些阵列相接并且能够有选择地为各个阵列供应电驱动电流，其中电流驱动器系统能够对从控制器接收到的驱动信号做出响应。该照明器系统此外还包括光学传感器系统，这个光学传感器系统采集所生成的光的预定部分并且生成代表该光的预定部分的色品和光通量输出的光信号。热感测系统在操作上与所述一个或多个阵列相接并且提供用于生成代表发光元件阵列在操作期间的结区温度的信号的构件。照明器系统此外还包括控制器，该控制器在操作上与电流驱动器系统、光学传感器系统和热感测系统连接，以便接收由各个这些系统生成的信号。该控制器构成为用来分别响应于从光学系统和热感测系统接收到的光信号和热信号来生成用来传送给电流驱动器系统的一个或多个驱动信号。从而使得该控制器能够基于发光元件的结区温度针对发光元件阵列的当前光输出、期望光输出和光输出变化来更改由发光元件阵列发出的光。
图1图解说明按照本发明的实施方式的发光元件照明器的框图。照明器10包括各自具有多个发光元件的阵列20、30、40，这些阵列与一个或多个散热器(未示出)热接触。在本发明的实施方式中，阵列20、30、40中的红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42可以安装在单独的散热器上。由各个红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42产生的有色光的组合能够产生特定色品的光，例如白光。在一种实施方式中，照明器10包括混合光学器件(未示出)，用来把通过混合来自红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的光所产生的输出光在空间上均匀化。
电流驱动器28、38、48分别与阵列20、30、40相接，并且构成为用来向阵列20、30、40中的红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42供应电流。电流驱动器28、38、48通过调节流经红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的电流流量来控制红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的光通量输出。电流驱动器28、38、48构成为用来独立地调整对阵列20、30、40的电流供应，以便如下文介绍的那样控制组合光的色品。
在本发明的实施方式中，电流驱动器28、38、48可以使用脉冲宽度调制(PWM)技术来控制红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的光通量输出。由于输出到红色发光元件22、绿色发光元件32或蓝色发光元件42的平均输出电流与PWM控制信号的占空系数成比例，因此能够通过分别调节各个阵列20、30、40对应的占空系数来使由红色发光元件22、绿色发光元件32或蓝色发光元件42产生的输出光暗淡。可以将针对红色发光元件22、绿色发光元件32或蓝色发光元件42的PWM控制信号的频率选择成这样：使人眼感觉光输出是恒定不变的，而不是一系列光脉冲，例如选择大于大约60Hz的频率。在一种可供选用的实施方式中，电流驱动器28、38、48是利用脉冲编码调制(PCM)或者本领域公知的任何其它数字格式来控制的。
电流传感器29、39、49与电流驱动器28、38、48的输出端相接并且测量供应给发光元件阵列20、30、40的瞬时正向电流。电流传感器29，39，49根据情况可以是固定电阻器、可变电阻器、电感器、霍耳效应电流传感器或者具有已知电压-电流关系并且能够基于测得电压信号提供流经负载(例如一个或多个发光元件的阵列)的电流的测量结果的其它元件。在一种可供选用的实施方式中，可以将各个阵列20、30或40对应的峰值正向电流固定为预设值，以避免在给定时刻同时测量供应给阵列20、30、40的正向和瞬时电流。
控制器50与电流驱动器28、38、48相接。控制器50构成为用来通过调节电流驱动器28、38、48的占空比来独立地调节平均正向电流的量，从而提供光通量输出的控制。控制器50还可以与电流传感器29、39、49相接，并且可以构成为用来监测供应给阵列20、30、40的由电流驱动器28、38、48提供的瞬时正向电流。
在一种实施方式中，电压传感器27、37、47与电流驱动器28、38、48的输出端相接并且测量发光元件阵列20、30、40的瞬时正向电压。控制器50与电压传感器27、37、47相接并且构成为用来监测发光元件阵列20、30、40的瞬时正向电压。因为发光元件的结区温度非线性地取决于驱动电流，所以能够通过例如测量发光元件的正向电压来确定发光元件的结区温度。
照明器10此外还包括光学传感器系统60、70、80，这些光学传感器系统在操作上与具有PID控制器90的比例-积分-微分(PID)反馈环结构相接，PID控制器90可以以固件形式嵌入在控制器50中。按照另外一种可选方案，PID控制器90可以是在操作上与控制器50连接的单独零部件。这种结构的具体优点是，与现有技术不同，不必进行在三色激励值组之间进行转换的数学运算。结果，可以将该反馈环实现成具有快速响应时间，防止了例如暗淡操作期间出现看得出来的闪烁。
各个光学传感器系统60、70、80生成代表来自于阵列20、30、40的平均光谱射线通量的信号。各个光学传感器系统60、70、80包括，例如，能够对由阵列20、30、40发射的光谱射线通量做出响应的光学传感器62、72、82，这些光学传感器可以是例如光电二极管。在一种实施方式中，各个光学传感器62、72、82可以构成为对窄波长区域的光敏感。有益地，可以使用红色、绿色和蓝色光学传感器62、72、82来分别测量红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42做出的贡献。
由于通常希望以类似于由人眼感觉到的方式检测从照明器输出的光通量，因此在一种实施方式中，光学传感器系统60、70、80可以构成为用来提供由阵列20、30、40发射出的光的总光通量的指标，而不是平均光谱射线通量输出。由此，各个光学传感器62、72、82可以配备有滤光器64、74、84，这些滤光器可以逼近例如人眼对输出光的谱功率分布的CIE V-拉姆达响应。可以利用滤光器64、74、84对代表输出光的谱功率分布的光信号进行光学上的预处理，或者利用光学传感器系统中的前置放大器电路对其进行电学上的预处理，或者可以由控制器50中的模拟或数字构件对其进行处理。滤光器64、74和84可以是薄膜干涉片、染色塑料、染色玻璃等等。应当理解，可以使用多种类型的光学传感器，例如光电二极管、光敏晶体管、光电传感器集成电路(IC)、无供电LED等等。
环境工作温度的变化能够影响光学传感器系统60、70、80的输出信号。例如，当光学传感器62、72、82的工作温度偏离了它们的标称值时，它们各自的传感器信号可能会发生变化，即使在测量到相同的光通量和谱功率分布时。在一种实施方式中，照明器包括用于感测光学传感器系统60、70和80的工作温度的温度传感器86。在本发明的一种实施方式中，用使用适合于线性近似的系数的一阶多项式方程逼近各个光学传感器62、72、82的灵敏度与温度的关系，所述线性近似可以用于修正光学传感器读数与温度的关系的影响，并且用于获得阵列20、30、40的输出光的更为精确的示数。可以在控制器50中实现基于多项式的修正，可以为控制器50配置用来针对光学传感器62、72、82的变化温度工作条件处理光信号和补偿它们各自的驱动电流的多项式系数。多项式方程的求值可以通过例如浮点或定点运算或者查找查询表来进行。
在一种实施方式中，可以使用高阶多项式方程来对光学传感器与参数化温度的关系建模，这是本领域技术人员很容易想到的。这些多项式方程的求值可以由控制器50进行。为了对照明器控制系统(例如控制器)进行校准，可以通过模型照明器的计算机仿真或者通过采用实验手段获取照明器的经验数据并且随后将其存储在控制器50的存储器中来确定方程式系数。按照另外一种可选方案，可以预先计算所述方程式并且将结果存储在控制器50的存储器中的查询表内。对于各个光学传感器系统60、70、80，这些系数可以是不同的。此外，光学传感器62、72、82与温度的关系对于所有波长可能是不同的。这些温度关系可以取决于光学传感器62、72、82和根据情况选用的滤光器64、74、84的材料属性。例如，带有红色滤光器的光电二极管与带有绿色滤光器的光电二极管具有不同的温度关系。例如，硅光电二极管对温度变化的灵敏度在可见光谱的红色区域内通常要比在绿色区域内更为显著。因此，对于经过红色滤光的光电二极管和经过绿色滤光的光电二极管，表示温度关系的方程式系数可以是不同的。这些系数可以与光学传感器62、72、82的固有特性有关，并且在不同类型的传感器之间可以是不同的。
理想滤光器可以完全抑制特定波长区域之外的光的透射，同时还不会衰减波长处于这一区域内的透射光。不过，物理实现的滤光器64、74、84不可能对光进行完美过滤。结果，如果没有得到补偿，滤光器64、74、84的非理想滤光器特性会造成照明器控制系统(例如控制器)中的系统误差。图2图解说明具有滤光器的红色LED光电二极管的光响应。如图所示，由红色LED产生的红色光的谱功率分布会在暗淡期间发生变化。由于红色滤光器具有取决于波长的透射率，因此光学传感器的输出将会发生变化，即使红色光的综合光谱射线通量保持恒定不变。此外，光学传感器62、72、82可以具有取决于波长的光谱响应度，并且人眼的响应度按照由CIE V-拉姆达响应确定的那样随波长变化。因此在一种实施方式中，前面介绍的方程式系数可以由于物理滤光器64、74、84的非理想的特性而作为由红色发光元件产生的光通量的函数来进行变化。应当理解，这一影响也可能存在于其它颜色的发光元件中，并且可能造成方程式系数的改变。
在维持恒定不变的输出光光通量和色品方面，另一个关心的问题是，由红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度的变化造成的峰值波长偏移。图2中解释说明了这一影响，图2图解说明了由红色LED产生的红色光的谱功率分布在全亮度和暗淡操作之间存在偏移，这对应于光通量输出的变化。随着结区温度的升高，由发光元件发出的光通量的峰值波长会发生偏移。结果，由结区温度变化造成的峰值波长偏移对于红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42中的各发发光元件可能是不同的。例如，已经知道，由红色LED产生的光会以每摄氏度大约0.15nm的偏移率经历最大的取决于温度的峰值波长偏移，而由绿色LED或蓝色LED发出的光在相同的热工作条件下发生的偏移明显小得多。此外，基于AlInGaP技术的红色LED的光通量输出非线性地取决于结区温度，而基于InGaN技术的绿色和蓝色LED的光通量输出线性地取决于结区温度。结果，可以连续不断地或者以预定的或变化的时间间隔监测红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度，并且通过调节目标光学传感器响应值来维持组合光的期望色品或CCT，可以顾及发射光的峰值波长偏移，而与光通量输出恒定不变还是因暗淡而改变无关。在一种实施方式中，各个方程式系数能够顾及到前述影响，并且例如可以表达为测得输入变量(比如温度、光谱射线通量和光通量输出)的函数。
可以提供与一个或多个散热器热接触并且与控制器50相接的一个或多个温度传感器26、36、46来测量阵列20、30、40的温度。可以将阵列20、30、40的温度与红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度关联起来。在目前介绍的实施方式中，红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度是通过基于发光元件的热模型进行的内插来估算的。发光元件的热性能可以取决于所采用的特定发光元件的固有特性，比如所使用的材料、尺寸、封装等等。结果，在一种实施方式中，方程式系数可以以函数形式取决于红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42对应的结区温度。可以在控制器50中实现基于多项式的修正，以顾及结区温度。方程式系数与温度的关系可以是基于红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度的数学内插来确定的，或者是通过本领域中公知的其它类似方法来确定的。
在一种实施方式中，红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42可以安装在独立的具有与其热连接的独立温度传感器的散热器上。应当理解，红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42也可以安装在单独一个散热器上，从而需要至少一个温度传感器来确定红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度。在本发明的另一种实施方式中，将温度传感器26、36、46放置在各个发光元件阵列20、30、40附近，以分别提供红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的更为精确的结区温度值。应当注意，红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42很有可能是以比一个或多个散热器的热时间常数高得多的速率施加脉冲的，并且因此温度传感器26、36、46将有可能观测到平均的热负荷。
在一种实施方式中，温度传感器26、36、46可以是使用热敏电阻器、热电偶、发光元件正向电压测量、集成温度感测电路或者本领域技术人员能够想到的能够对温度变化做出响应的任何其它装置或方法来实现的。
在本发明的一种实施方式中，电压传感器27、37、47与控制器50相接，以测量阵列20、30、40的正向电压。可以将阵列20、30、40的正向电压与红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度关联起来。方程式系数可以在函数上取决于红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42对应的正向电压或结区温度的估算值并且在控制器50中实现，以监测结区温度变化。
已经注意到，供应给阵列20、30、40的正向电流的量能够造成超出可以在一个或多个散热器处测量到的结区温度变化，并且继而能够造成由红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42产生的光的峰值波长的偏移。正向电流的影响会变成使用PWM或PCM来控制光通量输出的照明器中的重要考虑问题。例如，为了减小正向电流所引发的波长变化的影响，可以在ON循环期间使红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的瞬时正向电流保持在恒定不变的水平上。不过，随着占空比和平均正向电流的变化，红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度与一个或多个散热器处的温度之间的差会随着占空比增大而增大。结果，由温度传感器26、36、46测量的一个或多个散热器的温度可能不能再反映红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度。一个或多个散热器处的温度可能由于散热器的热时间常数较长而保持相对恒定，而红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的结区温度将会典型地与正向电流的变化相关地变化。更加一般地说，任何正向电流的突然变化都会造成发光元件结区温度的突然变化，这个温度的突然变化会由于例如发光元件基板、封装和散热器趋近热平衡而按指数规律达到新的稳态温度的平衡。
红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的这一结区温度变化会造成由红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42各自产生的光的峰值波长的光谱偏移，这一光谱偏移在测量一个或多个散热器的温度时可能没有由温度传感器26、36、46顾及到。在一种实施方式中，要补偿因平均正向电流造成的不希望有的偏移，可以在校准照明器10期间得出与因平均正向电流的变化造成的峰值波长偏移相关的另一个基于多项式的修正。可以由控制器50使用这一基于多项式的修正来补偿在占空比发生变化并且随后供应给电流驱动器28、38、48的平均正向电流发生变化时的波长偏差。
在一种实施方式中，可以通过在全光通量输出的情况下测量照明器10处的光谱射线通量输出并且随后测量照明器10暗淡到一种或多种程度的情况下的光谱射线通量输出，来确定与因平均正向电流的变化造成的峰值波长偏移相关的基于多项式的修正。可以针对来自红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的各种颜色，利用基于多项式的修正来调节目标光学传感器响应电平，以确保组合光输出具有相同的期望色品。按照另外一种可选方案，可以根据情况由经验数据得出方程式系数。
在另一种实施方式中，可以由所测得的散热器温度与所求得的在散热器温度与结区温度之间的差的总和来确定各个阵列20、30、40对应的结区温度。如果热阻(℃/W)和基于交付给各个阵列的电功率量的常数已知，就可以计算所述差。发光元件阵列20、30、40将电功率转换为两个部分：所发出的光通量和热量。由这些阵列发散出的热量称为″热负荷″并且以瓦特为单位计量。可以使用下列公式计算结区温度差：
ΔT＝θR*Q (1)
其中：ΔT是散热器和结区之间的温度差，以℃为单位；θR是热阻(℃/W)；并且Q是热负荷(W)。于是可以由控制器50计算这一系数来补偿因结区温度造成的峰值波长偏移，而不是基于散热器温度和正向电流计算两个独立的系数。在另一种实施方式中，可以由散热器温度和由平均正向电流导出的热负荷来确定各个阵列20、30、40对应的结区温度。如果结区与散热器之间的热阻(℃/W)已知并且与温度无关，则可以确定散热器温度与各个结区温度之间的差。基于这一信息以及发光元件阵列20、30、40的功率消耗，可以确定出红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42对应的结区温度。于是可以由控制器50确定相应的基于多项式的修正，以补偿因结区温度造成的峰值波长偏移，而不是确定两个独立的基于多项式的温度修正，一个与散热器温度有关，而另一个与正向电流有关。在本发明的一种实施方式中，可以由电压传感器27、37、47测得的正向电压来确定各个阵列20、30、40对应的结区温度。可以由控制器50实现相应的基于多项式的修正，以补偿因结区温度造成的峰值波长偏移。现在参照图3，图3表示按照本发明的一种实施方式的由控制器50进行的控制处理对应的步骤序列。一旦在步骤S1中开启了照明器10，就分别在步骤S2和S3中将用户对色温(或者更加一般地，对色品的偏好)和光通量输出或暗淡等级的偏好输入到控制器50中。在步骤S4中，在启动时或校准期间，将与红色发光元件22、绿色发光元件32和蓝色发光元件42的特性以及温度传感器26、36、46和光学传感器62、72、82的特性有关的信息存储在控制器50中。在步骤S5中，控制器50获得用户在步骤S2和S3中输入的色温和暗淡等级。
在步骤S6期间，控制器50监测并获得由带有滤光器64、74、84的光学传感器62、72、82测得的光谱射线通量、由温度传感器26、36、46或电压传感器27、37、47测得的结区温度以及由电流传感器29、39、49感测到的由电流驱动器28、38、48供应给阵列20、30、40的瞬时和平均正向电流，并且确定基于多项式的修正。根据这一信息和来自步骤S4的校准数据、基于多项式的修正以及用户输入，在步骤S7中，控制器确定光学传感器62、72、82对应的目标响应。
一旦确定了光学传感器62、72、82对应的目标响应，则在步骤S8中，将目标光学传感器响应电平传达给具有控制器50的PID环路结构中的PID控制器90。输入给PID环路的误差输入基于目标和测得的光学传感器响应。在步骤S9中，控制器50基于来自PID控制器50的值来调节电流驱动器28、38、48对应的PWM控制信号的占空比。在步骤S9中，控制器50等待预定的时间，以便使得反馈环能够进行适当的调节，然后返回到步骤S5。
显然，本发明的前述实施方式是示范性的并且可以很多方式加以改变。这些目前的或未来的变化不应认为是对本发明的思想和范围的脱离，并且对本领域技术人员显而易见的所有这些改造都应包含在所附权利要求的范围之内。
Claims (14)
1.一种用于产生具有期望色品和光通量输出的光的照明器系统，该照明器系统包括：
(a)一个或多个阵列，各个阵列包括一个或多个用于产生光的发光元件；
(b)在操作上与所述一个或多个阵列相接的电流驱动器系统，该电流驱动器系统用于有选择地向所述一个或多个阵列中的各个阵列供应电驱动电流，该电流驱动器系统能够对一个或多个驱动信号做出响应；
(c)在操作上与所述一个或多个发光元件相接的一个或多个光学传感器系统，各个光学传感器系统包括一个或多个用于感测由发光元件产生的光的预定部分的光学传感器，各个光学传感器系统构成为用来产生代表所述光的预定部分的色品和光通量输出的光信号；
(d)在操作上与所述一个或多个阵列相接的热感测系统，该热感测系统包括一个或多个热传感器，所述热传感器用于产生代表所述一个或多个阵列中的各个阵列的结区温度的第一信号；和
(e)在操作上与电流驱动器系统、所述一个或多个光学传感器系统和热感测系统相接的控制器；该控制器构成为用来响应于与期望色品和光通量输出相关的光信号生成一个或多个驱动信号，该控制器还进一步构成为用来响应于所述第一信号更改所述一个或多个驱动信号，从而补偿各个阵列的温度变化；
其中照明器系统适合于与电源连接。
2.按照权利要求1所述的照明器系统，还包括在操作上与所述电流驱动器系统相接的电流传感器系统，该电流传感器系统用于生成代表供应给所述一个或多个阵列中的各个阵列的电驱动电流的第二信号，并且所述控制器还构成为用来响应于所述第二信号更改一个或多个驱动信号。
3.按照权利要求1所述的照明器系统，其中热感测系统还在操作上与所述一个或多个光学传感器系统相接，该热感测系统还生成代表所述一个或多个光学传感器系统的工作温度的第三信号，并且所述控制器还构成为用来响应于所述第三信号更改一个或多个驱动信号。
4.按照权利要求1所述的照明器系统，其中一个或多个光学传感器系统还包括采用光学方式与光学传感器之一连接的滤光器。
5.按照权利要求4所述的照明器系统，其中所述滤光器具有预定的滤光器特性。
6.按照权利要求4所述的照明器系统，其中所述滤光器具有可控的滤光器特性。
7.按照权利要求1所述的照明器系统，其中所述热感测系统还包括电压感测系统，该电压感测系统包括一个或多个电压传感器，该电压传感器用来生成代表供应给所述阵列之一或其中多个阵列的正向电压的第四信号，并且所述控制器还构成为用来响应于所述第四信号更改一个或多个驱动信号。
8.按照权利要求1所述的照明器系统，其中所述控制器构成为用来对定义了一个或多个发光元件的结区温度与发光特性之间关系的一个或多个多项式方程进行求值，以确定一个或多个驱动信号。
9.按照权利要求3所述的照明器系统，其中所述控制器构成为用来对定义了来自一个或多个光学传感器系统的温度与光信号之间关系的一个或多个多项式方程进行求值，以确定一个或多个驱动信号。
10.按照权利要求7所述的照明器系统，其中所述控制器还构成为用来将正向电压与所述一个或多个发光元件的结区温度关联起来，并且所述控制器对定义了一个或多个发光元件的结区温度与发光特性之间关系的一个或多个多项式方程进行求值以确定所述一个或多个驱动信号的。
11.一种用在照明器系统中的、控制发光元件的操作以产生具有期望色品和光通量输出的光的方法，该方法包括步骤：
(a)为发光元件提供用于产生光的驱动电流；
(b)测量由光学感测系统产生的代表光的光信号；
(c)测量代表发光元件的结区温度的温度信号；
(d)求出由发光元件的结区温度和发光特性之间的关系所定义的第一修改系数；
(e)基于所测得的光信号和第一修改系数确定新的驱动电流；
(f)将新的驱动电流提供给发光元件；
从而控制发光元件的操作，以产生具有期望色品和光通量输出的光。
12.按照权利要求11所述的方法，其中在步骤c)之后执行如下步骤：
(a)测量代表光学感测系统的工作温度的温度信号；和
(b)求出由工作温度与来自光学传感器系统的光信号之间的关系所定义的第二修改系数；
其中确定新的驱动电流的步骤还基于第二修改系数。
13.按照权利要求11所述的方法，其中在步骤c)之后执行如下步骤：
(a)测量代表供应给发光元件的驱动电流的正向电压信号；
(b)基于正向电压信号求出发光元件的第二结区温度；
(c)求出由发光元件的第二结区温度与发光特性之间的关系所定义的第三修改系数；
其中确定新的驱动电流的步骤还基于第三修改系数。
14.按照权利要求11所述的方法，其中在步骤a)之后执行步骤：测量代表供应给发光元件的电流的电流信号，其中确定新的驱动电流的步骤还基于所测得的电流信号。
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