CN101326860A - 用于确定照明单元特性的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定照明单元特性的一种设备，所说的设备包括：至少两个通量传感器，每个通量传感器具有不同的波长特性，并将所述通量传感器安排成测量照明单元发出的光，产生两个测量结果；和用于根据所说的测量结果以及传感器的波长特性计算所说照明单元的主波长和实际通量的装置。本发明提供主波长和实际通量的直接计算，不需要有关所说光源的预定的数据，或者不需要进行例如使用温度测量结果的附加测量。本发明还涉及使用这种设备的系统和用于确定照明单元特性的相应方法。

Description

用于确定照明单元特性的设备

技术领域

本发明涉及用于确定照明单元特性的设备和方法。本发明还涉及包括这样一种设备的照明系统。

背景技术

混合多种颜色的发光二极管以便获得混合的颜色是在照明设备中产生白光或彩色光的常用方法。所产生的光由所用的发光二极管的类型以及混合比确定。然而，在发光二极管部件的寿命周期期间，发光二极管的光学特性是变化的，并且当在操作期间发光二极管的温度升高时，通量输出减小，并且峰值波长移动。结果，发光设备发出的光的强度和波长根据温度和部件的老化是要变化的。

为了克服或解决这个问题，已经提出了各种不同的颜色控制系统，以便补偿发光二极管在使用中光学特性的这些变化。例如，在US6617795中公开了一种系统，其用于测量来自光源(多芯片发光二极管封装)的定量(quantitative)(光的强度)信息和光谱(波长)信息。这些信息又提供给外部控制器，外部控制器使用这些信息来校正光源的定量变化和光谱变化。所说的系统使用了光传感器和热传感器这两者来实现可靠的测量结果。这样就对所公开的系统产生了限制，因为这些传感器必须热耦合到导热的支撑部件上，所说的光源耦合到这个支撑部件上。进而，为了对光源中的定量和光谱变化实现合理的校正，光源的初始质量必须是已知的(装箱(binning))，光源对于温度的变化是如何发生作用的，以及光源是如何随时间的变化而变化的(老化)。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于确定光源特性的设备，所说的设备基本上克服了现有技术设备和系统的缺点，同时在成本、空间和制造方便性方面提供了进一步的改进。

上述目的是通过如在所附的权利要求1和权利要求15中分别限定的用于确定照明单元特性的设备和方法来实现的。而且，在权利要求8中限定了使用这样一种设备的有益的照明系统。所附的从属权利要求限定了按照本发明的有益的实施例。

按照本发明的一个方面，提供了用于确定照明单元特性的设备，所说的设备包括至少两个通量传感器，每个通量传感器具有不同的波长特性，并被安排成测量照明单元发出的光，产生两个测量结果；和用于根据所说的测量结果以及传感器的波长特性计算所说照明单元的主波长和实际通量的装置。

本发明基于如下的理解：通过利用具有不同波长特性的(至少)两个通量传感器来测量来自照明单元的光，可以使用这些测量结果以及有关传感器的波长特性的数据，来直接计算照明单元的主波以及实际通量，不需要有关所说光源的预定的数据，或者不进行例如使用温度测量结果的附加测量。在本文中，不同的波长特性应该理解成意指每个通量传感器具有不同的光谱响应(波长灵敏度)。

在本发明的一个优选实施例中，至少两个所述通量传感器具有不同的波长依赖性，对于每个传感器产生与波长有关的通量测量结果。不同的波长依赖性在本文中应该理解成意指每个通量传感器具有不同的光谱响应(波长灵敏度)。由于对于通量传感器具有这种不同的光谱响应，测量结果对于每个通量传感器将是不同的，因此允许根据所述至少两个通量传感器的波长依赖性测量结果以及通量传感器的波长依赖性，对于照明单元的主波长和实际通量进行简单的计算。因此，本发明的这一方面提供了主波长和实际通量的直接计算，而不需要有关所说光源的预定的数据，或者不执行例如使用温度测量结果的附加测量。最好借助滤波传感器来提供波长依赖性通量测量结果，其中使用不同的滤波窗口来修整通量传感器的光谱响应以适应应用场合。这样的滤波传感器是廉价的标准部件，由此可以成本有效地实施所说的设备。

在另一个优选实施例中，至少一个所述通量传感器是与波长有关的，产生与波长有关的通量测量结果，如上所述，并且至少一个所述通量传感器是与波长无关的，或者基本上是与波长无关的，产生与波长无关的通量测量结果。基本上与波长无关的通量测量结果优选借助具有基本上平的光谱响应的传感器来提供，即借助在感兴趣的波长范围具有基本上与波长无关的灵敏度的传感器来提供。在典型的照明单元中，这个令人感兴趣的波长范围约为380纳米到750纳米。在这个实施例中，具有基本上平的光谱响应的传感器对于由照明单元发出的光提供总的通量，滤波传感器与具有基本上平的光谱响应的传感器一起将给出相对于校准值的波长移动。

优选的是，为了计算波长和通量，计算装置适合于求解由至少两个方程组成一组方程，其中每个方程都包括针对不同传感器的测量结果和波长依赖性，主波长和实际通量是未知的。例如，在其中使用两个传感器的一种情况下，通过线性组合求解两个方程的方程组，从而提供了给出主波长和实际通量这两者的简单计算。

优选的是，传感器i的波长灵敏度可以用公式描述。这个公式的最简单形式大体上是：

φ_i＝φ_s(c_i+α_iλ_s)

在这里，φ_i代表与波长有关的通量测量结果，φ_s代表实际通量，c_i和α_i是描述传感器波长依赖性的常数，λ_s代表主波长。然而，在本发明中使用的传感器可能具有不同的表现。例如，一个或两个所述常数可能是φ_s的指数形式的或2次方形式的关系。在通量传感器之一是与波长基本无关的通量传感器的实施例中，描述传感器波长依赖性的常数α_i对于与波长无关的传感器来说是0。

进而，每个方程优选包括另一个常数K_i，常数K_i描述传感器的光学损耗，于是，φ_i进一步还取决于K_i。常数K_i优选在单个的校准步骤中确定。光学损耗通常涉及传感器相对于所述至少一个光源的位置的布置。

所说的设备进一步还可包括温度传感器，该温度传感器用于补偿所说通量传感器中的温度依赖性。这提供了改进的测量精度，并且进一步补偿了在某些情况下将影响通量传感器的光谱响应的温度变化。

按照本发明的另一方面，提供了一种照明系统，所说的照明系统包括：照明单元、以上所述的用于确定照明单元特性的设备和用于按照由所说设备确定的波长和与波长无关的通量中的至少一个来调节照明单元的输出，以补偿所说照明单元的特性变化的装置。

用于调节照明单元的输出的装置例如可以安排成比较期望的色点和/或色温与实际的测量结果，并且，根据差值针对与例如照明单元的老化和周围温度有关的强度和波长变化来调节照明单元的输出。由此有可能维持期望的设定值，与老化或周围温度无关。

照明单元例如可以是颜色可变的照明单元，并且照明单元可以是基于发光二极管的照明单元。进而，照明单元可以包括至少两个不同颜色的光源，每个光源例如包至少一个发光二极管，因此能产生在不同色温的白光或彩色光。为了对于包括不同颜色光源的照明单元提供更加精确的控制和调节，一次只对一种颜色进行确定，优选是按照顺序进行。这就能确定每种所述颜色的主波长和实际通量。如果对于每种所述颜色给定新的主波长和实际通量，就能计算新的色点，从而维持初始的(或期望的)整个色点。换言之，有可能对于主波长λ_s以及对于实际通量φ_s独立地施加所需的校正。而且，通过缩放每种颜色的通量，能计算照明系统的总通量。

取决于实施方案的类型，能连续地进行所述确定和调节。这在例如周围温度发生快速变化的情况下提供直接调节。

进一步地，针对强度和波长变化对照明单元输出进行的调节可以根据所用的颜色校正调节算法直接地进行或间接地进行。直接调节例如可以是与设定点值的比较，所说设定点值代表的是照明单元的期望输出，其中差值应该接近0；而间接调节可以是设定点值的补偿或重新计算，所说设定点值代表的是照明单元的期望输出。

按照本发明的又一个方面，提供了用于确定光源特性的方法，所说方法包括如下步骤：借助至少两个通量传感器测量照明单元发出的光，每个通量传感器具有不同的波长特性，从而产生两个通量测量结果；根据所说的测量结果和传感器的波长特性，计算照明单元的主波长和实际通量。这种方法的优点与以上所述的先前讨论过的本发明的各个方面类似。

附图说明

现在参照表示本发明的当前优选的实施例的附图，更加详细地描述本发明的这些方面和其它方面。

图1是按照本发明当前优选的实施例的照明系统的方块图；

图2是表示按照本发明当前优选的实施例的两个滤波通量传感器的与波长有关的相对响应的曲线；

图3是表示按照本发明另一个优选实施例的一个滤波通量传感器和一个具有基本上平的光谱响应的通量传感器的与波长有关的相对响应的曲线；

图4表示测量循环，其中照明单元包括3个不同颜色的光源。

具体实施方式

在图1中，表示了按照本发明当前优选的实施例的照明系统100。照明系统100包括照明单元101、用于确定照明单元101的特性的设备102和用于调节照明单元101发出的光的调节装置103，所说照明单元101包括3个不同颜色的光源，如3个发光二极管L₁-L₃。调节装置103耦合到设备102和照明单元101这两者上。

而且，设备102还包括：两个与波长有关的通量传感器S₁、S₂，用于产生对应每个传感器S₁、S₂的与波长有关的通量测量结果；与传感器S₁、S₂耦合的计算装置104，用于根据所说的测量结果和传感器的波长依赖性计算每个发光二极管的主波长和实际通量。

在照明系统100操作时，在一开始时输入与期望的颜色对应的用户输入。期望的颜色是通过调节照明单元101的输出(通过调谐3个发光二极管L₁-L₃的输出量，例如调谐一个红色、一个绿色和一个蓝色发光二极管的输出量)来实现的。当然，还可以使用3个以上的发光二极管和/或至少两个发光二极管。

然而，如上所述，发光二极管的输出在操作期间取决于温度和部件老化在强度和波长方面都有变化的趋势。所以，在照明系统操作时，使用所述两个与波长有关的通量传感器S₁、S₂来逐个地测量来自每个所述发光二极管的光，例如通过每个所述发光二极管的输出随时间的移动来进行这样的测量。在此之后，计算装置104计算每个所述发光二极管的主波长和实际通量。

现在详细描述该设备的操作。每个所述传感器的方程如上所述基本上是：

φ_i＝φ_sK_i(c_i+α_iλ_s)

在这里，φ_i代表与波长有关的通量测量结果，φ_s代表实际通量，K_i代表传感器的光学损耗，c_i和α_i是描述传感器波长依赖性的常数，λ_s代表主波长。

然而，还可能代替所述两个与波长有关的通量传感器S₁、S₂，让设备102包括：一个与波长有关的通量传感器S₁，产生如上所述的与波长有关的通量测量结果；和一个与波长无关的通量传感器S₂，产生与波长无关的通量测量结果。借助这两个传感器S1、S2，还可以如下所述根据这些测量结果和传感器的波长特性计算每个所述发光二极管的主波长和实际通量。

图2用曲线图表示了两个示例性通量传感器S₁、S₂的与波长有关的相对响应。为了表征包括3个例如红、绿、蓝色的发光二极管光源的照明单元的特征，这两个通量传感器都测量对应每种所述颜色的通量(例如通过分时复用，在这里一个光源在一个时间段发射光，下面参照图4对此作进一步的描述)。在其中设备102包括两个传感器S₁、S₂的一种情况下，通过使用线性组合来组合如以上所述的两个通量传感器的方程(i＝1和i＝2)，计算每个所述发光二极管的主波长λ_s和实际通量φ_s，从而得到：

${\mathrm{\φ}}_s=\frac{K_2{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\φ}}_1-K_1{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\φ}}_2}{K_1{K}_2({\mathrm{\α}}_2{c}_1-{\mathrm{\α}}_1{c}_2)}$ ${\mathrm{\λ}}_S=\frac{{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{\φ}}_S{K}_1{\mathrm{\α}}_1}-\frac{c_1}{{\mathrm{\α}}_1}$

由于这两个通量传感器S₁、S₂具有不同的波长依赖性(即所述传感器的波长依赖性常数c_i和α_i中的至少一个是不同的)，所以线性组合是可能的。有关传感器波长依赖性常数的知识当然是需要的。

然而，如上所述，还能包括一个与波长有关的通量传感器S₁和一个基本上与波长无关的通量传感器S₂，即在令人感兴趣的波长范围内具有基本上平的灵敏度响应(响应性)的传感器。图3表示了这样一种情况，其中曲线表示相对于一个滤波通量传感器S₁和一个具有基本上平的光谱响应的通量传感器S₂的响应的波长依赖性。在这种情况下，相对于波长具有基本上平的响应的通量传感器S₂对于所有所述颜色提供通量；而相对于波长具有有关响应的通量传感器，即通量传感器S₁，与通量传感器S₂一起，产生相对于校准值的波长移动。这是以上讨论的方程的一种特殊情况，其中传感器S₂的波长依赖性是0，即α₂＝0。

回到照明系统100，其中在精确计算主波长和实际通量之后，通过连续计算每个所述发光二极管的主波长和实际通量、比较这些新值与早些时候的值并且根据差值针对与照明单元的温度和老化有关的强度和波长变化来调节照明单元的输出，就可以进行正确的调节了。由此，可以维持初始的颜色设定值，而与老化和周围温度无关，而且不需要知道所述发光二极管的装箱、老化和/或温度灵敏度数据。已经使用3个光源描述了当前优选的实施例，但是本领域技术人员认识到，这个方法对于使用2个或更多光源(发光二极管)也是行得通的。而且，有可能增加传感器的数目以提高测量的精度。

在另一个实施例中，其中设备102包括一个与波长有关的通量传感器S₁和一个与波长无关的通量传感器S₂，可以在开始时校准照明系统，产生参考波长值λ和参考绝对通量值。可以将这些参考值存储在计算装置104中。所有未来的测量结果都将参照这些值，从这些值可以计算校准因子。在这种情况下，通量传感器S₂测量绝对通量，并且将这个值与初始校准期间测量的校准值进行比较。这将允许计算装置104与调节装置103一起补偿例如由于例如温度或由于发光二极管L₁-L₃寿命减少引起的绝对通量的增加或减小。当通过利用通量传感器S₂的测量知道了绝对通量值时，就能计算相对于参考波长值λ的波长移动，参考波长值是在初始校准时计算出来的。利用这两个值，就有可能维持照明系统100在温度和寿命上的基本上不变的颜色输出。当如上所述利用两个与波长有关的通量传感器时，可以使用这些参考值。

现在回到图4，其中表示了时分测量开关模式的一个例子，所说模式可以在图1的照明系统中使用。如图4所示的开关模式是一个顺序开关模式，其中所有的发光二极管L₁-L₃在t₁时刻是断开的。在t₁和t₂之间的某个时刻计算装置104将采样所说的通量传感器S₁、S₂，由此获得与环境照明有关的通量信息。如果期望的话，可以使用这个环境通量信息来调节环境照明的后续测量结果。正如熟练的收信人或被寻地址(addressee)所理解的那样，有可能对于每个所述测量结果进行多次采样以实现较高的精度。在时刻t₂，红色发光二极管L₁导通，计算装置104将采样通量传感器S₁、S₂。随后在t₃，红色发光二极管L₁截止，绿色发光二极管L₂导通。计算装置104再一次采样通量传感器S₁、S₂，以获得绿色发光二极管L₂的测量结果。对于蓝色发光二极管L₃，重复相同的测量步骤。在此之后，计算装置104将计算每个所述发光二极管的色点，使它们与期望的色点进行比较，并且对于每个所述发光二极管调节这些驱动信号，以获得期望的颜色。

应该理解，有可能使用任何其它类型的预先确定的开关模式。例如，与图4所示的开关模式相比，有可能使用倒置类型的开关模式，其中不是断开所有所述发光二极管L₁-L₃，而是在某一时刻只断开一个所述发光二极管。借助方程组，有可能对于每个所述不同颜色的发光二极管计算出各个色点。然而，这需要更加复杂的去卷积过程，同时还要求计算装置104适合于进行更加复杂的信号处理。对于成本而言，这可能是不希望的，但却有可能让设计和实施方法确定应该使用什么类型的开关模式。而且，在脉冲宽度调制系统(PWM)中，有可能在不止一个脉冲宽度调制循环上“伸长”开关模式，以获得尽可能高的接近100％的脉冲宽度调制。该序列在激活之前还可以跳过某些脉冲宽度调制循环。

本领域技术人员应该认识到，本发明决不限于以上所述的优选实施例。相反，在所附的权利要求书的范围内，许多修改和变化都是可能的。例如，可以使用温度传感器补偿与周围温度变化有关的通量传感器的光谱响应变化。而且，本发明还可以有益地与其它类型的光源一起使用，这些光源例如OLED(有机发光二极管)、PLED(聚合物发光二极管)、无机发光二极管、激光器、CCFL、HCFL、等离子体灯及其组合。

Claims (15)

1、用于确定照明单元特性的一种设备，所说的设备包括：

至少两个通量传感器，每个通量传感器具有不同的波长特性，并将所述通量传感器安排成测量所说的照明单元发出的光，产生两个测量结果；和

用于根据所说的测量结果以及所说的传感器的波长特性计算所说照明单元的主波长和实际通量的装置。

2、根据权利要求1所述的设备，其中：至少两个所说通量传感器具有不同的波长依赖性，对于每个传感器产生与波长有关的通量测量结果。

3、根据权利要求1所述的设备，其中：至少一个所说的通量传感器是与波长有关的，产生与波长有关的通量测量结果，并且至少一个所说通量传感器是与波长无关的，产生与波长无关的通量测量结果。

4、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：计算装置还适合于求解由至少两个方程组成的一组方程，其中：

每个方程都包括对于不同传感器的测量结果和波长特性，

所说主波长和所说实际通量是未知的。

5、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所说传感器中的传感器i的方程大体上是：

φ_i＝φ_s(c_i+α_iλ_s)

在这里，φ_i代表通量测量结果，φ_s代表实际通量，c_i和α_i是描述传感器波长特性的常数，λ_s代表主波长。

6、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所说的设备进一步还包括温度传感器，该温度传感器用于补偿所说通量传感器中的温度依赖性。

7、根据权利要求4或5所述的设备，其中：每个方程进一步还包括常数K_i，该常数描述传感器的光学损耗，这个常数最好在单个校准步骤中确定。

8、一种照明系统，包括：

照明单元；

根据权利要求1-7中任何一个所述的用于确定所说照明单元的特性的设备；和

用于按照由所说设备确定的主波长和实际通量中的至少一个来调节所说照明单元的输出以补偿所说照明单元的特性变化的装置。

9、根据权利要求8所述的照明系统，其中：所说的照明单元是颜色可变的照明单元。

10、根据权利要求8或9所述的照明系统，其中：所说的照明单元是基于发光二极管(LED)的照明单元。

11、根据权利要求8-10中任何一个所述的照明系统，其中：所说照明单元包括不同颜色的至少两个光源。

12、根据权利要求8-11中任何一个所述的照明系统，其中：所说的确定是在一个时间针对一种颜色进行的，最好是依次进行的。

13、根据权利要求8-12中任何一个所述的照明系统，其中：所说的确定和调节是连续进行的。

14、根据权利要求8-13中任何一个所述的照明系统，其中：所说的调节是直接的或间接的。

15、用于确定光源特性的方法，所说方法包括如下步骤：

借助至少两个通量传感器测量照明单元发出的光，每个通量传感器具有不同的波长特性，产生两个测量结果；

根据所说的测量结果和所说的传感器波长特性，计算所说照明单元的主波长和实际通量。

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