CN101371114A - 颜色受控的照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颜色受控的照明设备(1)，该照明设备具有不同原色的多个光发射器(例如LED)(L1、L2、L3、L4)。光电传感器(D1、D2、D3)包括覆盖了不同介质滤波层(21)的光电二极管(20)，其利用在整个相关光谱范围上延展的不同振荡灵敏度曲线来测量这些光发射器(L1、L2、L3、L4)的光输出。在控制单元(14)中，计算照明设备(1)的实际色点并且单独地调节所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的发射，以便匹配以例如CIE三色刺激值给出的目标色点((X，Y，Z)_目标)。

Description

颜色受控的照明设备

本发明涉及包括光发射器和光电传感器的照明设备。而且，本发明涉及适合于这种照明设备的光电传感器以及用于监视这种照明设备的方法。

为了设计能够产生宽范围颜色的照明设备(灯)，可以使用具有不同颜色的发光二极管(LED)。这些LED在颜色空间中定义了子区域，表示可以通过所有可能的线性组合加以实现的色域。然而在高功率LED中，消耗的功率将导致有效区域的温度升高到接近185℃。随着温度的升高，LED的强度下降并且光谱峰值位置以人眼可察觉且不希望的方式移动。因此，在所述灯的操作期间，确定该灯发出的实际色点，要求LED原色的最新的光谱信息。

US 2003/111533 A1中记载了一种照明设备，其中在反馈环中基于红、绿和蓝LED的光输出单独地控制这些LED。光输出的测量是用设置在不同颜色滤波器之后的光敏元件来实现的，所述不同颜色滤波器只允许通过一定的有限谱带的光。如果LED发射的光谱位于这种谱带之外，那么相应的传感器实际上不对该测量产生贡献。

根据这种情况，本发明的目的是提供对于照明设备的颜色进行简单而可靠的监视和控制的装置。

这个目的是通过依照权利要求1的照明设备、依照权利要求10的光电传感器和依照权利要求15的方法来实现的。在从属权利要求中公开了优选的实施例。

依照本发明的第一方面，本发明涉及包括下列部件的照明设备:

a)至少一个光发射器。该光发射器可以是单个灯或若干相同或不同的灯的组合。而且应当理解的是，如果存在不止一个光发射器，那么整个照明设备的光输出是其所有光发射器的光输出的叠加。

b)至少一个光电传感器，其用于测量上述光发射器的光输出，其中该光电传感器的灵敏度曲线以振荡(准周期)的方式在光发射器所覆盖的整个光谱范围上延展。光发射器的“光输出”一般由其光谱来定义，即每单位波长的波长相关发射光强(单位:W/m³)。在测量期间，将该光谱与该测量设备的光谱灵敏度曲线进行卷积。

c)耦合到上述光电传感器的处理单元，其用于接收来自所述光电传感器的测量信号(其表示测得的光输出)并且适于确定所述光发射器的光输出的至少一个特征值。该特征值可以例如包括所述光发射器的色点或者显色指数(Color Rendering Index)。

所描述的这种照明设备利用了光电传感器，该光电传感器的灵敏度曲线在所述光发射器的整个光谱范围上延展。因此，对于可以由光发射器产生的每一种发射光谱而言，光电传感器都将对该照明设备的光输出的测量产生贡献。这保证了最大的信息量可于表征实际的光输出。

依照本发明的另一种改进，所述照明设备包括具有不同发射光谱的至少两个光发射器。这允许通过改变这些光发射器的相对强度来产生不同的色点。在所述照明设备中，具有不同发射光谱的光发射器的实际数量可以任意大。优选地，该照明设备包括具有不同发射光谱(例如在红色、绿色和蓝色处具有最大值)的三个(或者更多)光发射器。在这种情况下，可用的三原色覆盖整个颜色空间的一个大的子空间。

如果存在至少两个光发射器，那么所述处理单元特别地可适于在闭环中单独地驱动这些光发射器，使得它们的共同光输出最佳地匹配所述光输出的给定特征值，特别是匹配给定色点。在这个方面，“最佳匹配”指的是所述照明设备的光输出(i)准确地符合预定特征值，或者(ii)尽可能接近所述特征值(例如以与所用的光发射器尽可能近的预定颜色距离度量来接近预定颜色空间中的给定色点)。本领域技术人员可以容易地设计出实现对于照明设备的光发射的反馈控制的处理单元的适当设计。适当的控制器的实例还可以从文献(参见例如US2005/122065A1、US2003/111533A1、US2005/062446A1)中获悉。

在本发明的另一个实施例中，所述照明设备优选地包括至少两个具有不同光谱灵敏度曲线的光电传感器，用于测量光发射器的光输出，其中所述灵敏度曲线中的每一个以振荡的方式在所述光发射器覆盖的整个光谱范围上延展。光电传感器响应的不同振荡(准周期)灵敏度曲线保证了各个光电传感器的测量相互独立并且彼此足够不同，从而能够区分不同的光谱。

具有不同光谱灵敏度曲线的光电传感器的数量越多，那么利用其共同测量能够实现的光谱分辨率就越好。优选地，所述照明设备包括具有不同灵敏度曲线的三个光电传感器，因为这个数量在精度和成本之间提供了良好的折衷。当然，也可以使用更多数量的光电传感器。

尽管原则上所述光发射器可以是任何类型的灯(或者灯组)，但是优选地这些光发射器包括LED、磷光转换LED、激光器、磷光转换激光器、有色荧光灯、滤波的(有色)卤素灯和/或滤波的(有色)超高性能(UHP)灯。

照明设备的光电传感器特别地可以实现为覆盖了介质层的光电二极管。这个实施例将在下面更详细地单独加以描述。

如果光电传感器包括光电二极管，那么优选地该光电二极管集成到其上安装了光发射器的基底上。该基底可以例如是硅(Si)。

原则上，光发射器和光电传感器的任何几何设置都是可能的。在一个优选实施例中，光电传感器以分布式方式设置在光发射器之间。如果这些光发射器例如是以矩阵排列设置在平面中的LED，那么可以在每两个相邻的光发射器之间设置一个光电传感器。

在一个优选实施例中，处理单元包括存储器(例如RAM、ROM、EPROM、硬盘等等)，所述存储器包括各种操作条件下每个光发射器的至少一个特征值与光电传感器的相应测量的信号之间的校准关系。如果需要的话，那么在特定光发射器打开同时所有其他光发射器关闭的情况下，该处理单元就可以容易地确定该特定光发射器的实际色点。

依照本发明的第二方面，本发明涉及光电传感器，该光电传感器特征在于以振荡的方式在给定光谱范围上延展的灵敏度曲线，所述给定光谱范围例如可见光范围或者从至少500nm到700nm的波长范围。这种光电传感器尤其可以有利地用于上述类型的照明设备中。

如果所述灵敏度曲线(在相关的光谱范围中)在每两个相邻的局部极大值之间以至少10％的量振荡，优选地以所述两个局部极大值中的较小值的至少20％的量振荡，那么特别地可以利用上述类型的光电传感器来实现光谱的区分。换言之，灵敏度曲线的极小值应当小于所述最小相邻局部极大值的90％，优选地小于该极大值的80％。

在一个优选实施例中，光电传感器包括覆盖了介质层的光电二极管。通过适当地选择该介质层的介电常数和/或特定厚度，可以实现不同的准周期滤波性能，使得介质层和光电二极管的组合显示出希望的振荡灵敏度曲线。

上述介质层优选地包括二氧化硅(SiO₂)和/或二氧化钛(TiO₂)。氮化硅(Si₃N₄)也是可能的。

介质层的厚度优选地在50nm-2.5μm的范围内，最优选地在100nm-800nm的范围内。介质层可以在整个光电二极管上具有均匀厚度。可替换地，例如如果介质层具有楔形，那么其厚度可以变化。所述介质材料对于待检测的光应当是透明的。

本发明还涉及用于监视具有至少一个光发射器(例如LED)的照明设备的方法。依照该方法，光发射器的光输出是利用以振荡方式在该光发射器的整个光谱范围上延展的灵敏度曲线来测量的。

在该方法的另一种改进中，以所述方式对至少两个光发射器进行测量，并且然后基于测得的光输出单独地控制这些光发射器，使得其共同光发射最佳地匹配给定的特征值，特别是匹配给定的色点。

所述方法在总体形式上包括可以利用上述类型的照明设备来执行的步骤。因此，关于该方法的细节、优点和改进的更多信息，可以参照前面的描述。

本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例将是显然的，并且将参照这些实施例来进行阐述。这些实施例将通过举例的方式并借助于附图来加以描述，其中:

图1示出了依照本发明的照明设备的示意图；

图2示意性地示出了集成到Si基底上、具有单层介质滤波器的光电二极管；

图3示出了具有厚度不同的单层介质滤波器的光电二极管的三个示例性滤波响应曲线；

图4图解说明了测量矢量到颜色空间中的相应点的映射。

在这些图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部件。

图1示意性地示出了依照本发明的照明设备1的一个实施例。该设备包括具有不同颜色(例如绿色、红色、蓝色和琥珀色)、设置在基底12上并且集成到光学装置11中的四个LED(或者成串的LED)L1、L2、L3和L4。在这四个LED之间设置了用于测量这些LEDL1-L4的光输出的三个光电传感器D1、D2和D3。光电传感器D1、D2和D3通过覆盖了介质滤波层21的光电二极管20来实现。通常，所述照明设备可以包括k个传感器和n个原色的光发射器，即该图示出的特例为k＝3以及n＝4。

图3示出了对应光电传感器D1、D2和D3的三个介质滤波层21的任意单位的光谱滤波响应S(即在具有给定强度的波长λ的单色照明下通过这些滤波器的信号)。可以看出，这些响应曲线C1、C2和C3准周期地振荡并且在整个相关光谱范围(即从小于400nm的波长到大于800nm的波长)上延展。特别地，所示出的这些响应曲线C1、C2、C3对应于具有厚度为1μm-2.5μm的单层SiO2的单层介质滤波光电二极管。应当指出的是，全部光电传感器D1、D2和D3的光谱灵敏度由其滤波层21的所示出的滤波响应曲线C1、C2、C3和关联的光电二极管20的光谱灵敏度的乘积来决定。

图1示意性地示出了基底12的表面上的光电传感器D1、D2、D3。这样的具有单层介质滤波器(SDF)的传感器由于其低复杂度而可以容易地集成到基底12中。图2中更详细地示出了这一点。该衬底(submount)或基底12可以例如包括Si。n型掺杂区23和p型掺杂区22构成光电二极管20，该光电二极管20由可以例如包括SiO₂的单一介质层21覆盖。通过适当地选择介质材料(以及从而介电常数)及其厚度，可以按照所希望的来调节整个光电传感器的光谱灵敏度曲线。

图1还示出了光电传感器D1、D2和D3的信号由放大器13放大并且然后被发送到“色点计算单元”15，该色点计算单元15是控制单元14的一部分。控制单元14还包括“颜色控制单元”16和LED驱动器17。颜色控制单元16将由色点计算单元15根据所测得的信号(S₁，S₂，S₃)_测量而确定的色点与由外部输入18提供的目标色点(X，Y，Z)_目标进行比较，其中所述色点可以例如由CIE三色刺激值(tri-stimulus)来表示。基于这种比较的结果，颜色控制单元16将经过调节的驱动信号发送到LED驱动器17，这些LED驱动器17耦合到LED L1、L2、L3和L4并且通过调节到达这些LED的电流(DC、PWM等)的平均幅度来调节这些LED的平均光。

对于所描述的这种照明设备1，可以使用时分复用(TDM)技术以便表征所述原色中的任何一种的光谱，即LED L1、L2、L3和L4中任何一个的光谱。依照这种技术，通过只接通一种颜色并且关闭其他颜色来顺序地执行对于所述四原色的不同色点的测量。如果例如只有绿色LED L1接通，那么测量来自所述光电传感器D1、D2和D3的以下三种不同的信号(例如光电流):

$S_{11}=g_1\·\underset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{low}}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{upper}}}{\∫}}{F}_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_S\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_{L1}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}$

$S_{12}=g_2\·\underset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{low}}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{upper}}}{\∫}}{F}_2\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_S\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_{L1}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}$

$S_{13}=g_3\·\underset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{low}}}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{1,\mathrm{upper}}}{\∫}}{F}_3\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_S\left(\mathrm{\λ}\right)\·p_{L1}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{d\λ}$

在这些公式中，因数F₁、F₂和F₃分别对应于传感器单元D1、D2和D3的实际滤波函数。因子g₁、g₂和g₃为常数，并且因数ps(λ)对应于光电二极管的光谱灵敏度，其被假设为对于三个光电传感器D1、D2和D3是相同的。应当指出的是，F_i(i＝1；2；3)对应于所述光电传感器的光谱滤波响应曲线C1、C2和C3(参见图3)。最后，因数P_L1是有效LED L1的发射光谱。

信号S₁₁-S₁₃彼此不同，这是因为使用了不同的光学滤波器F₁、F₂、F₃。因此，当发射的光中峰值波长、峰值高度或者脉冲宽度变化时，这些信号将不同地变化。

在校准过程中，可以(通过单独的分光计)测量所考虑的LED的光谱数据并且将其用于将该LED的色点与所获得的传感器信号S₁₁-S₁₃关联。图4示出了传感器信号矢量(S₁₁，S₁₂，S₁₃)到独立确定的关联的三色刺激值(X，Y，Z)的所得映射。这种映射可以通过由所述校准获得并且存储于控制器14中的3D表来计算。

为了使得所存储的数据尽可能少，可以考虑划分成立方体的3D颜色空间，其中每个立方体代表某个色点(X，Y，Z)。然后，利用某种算法来计算三元组(S^＊ ₁₁，S^＊ ₁₂，S^＊ ₁₃)，该三元组(i)描述了这种立方体的中心以及(ii)例如按照最小二次距离与实际传感器值(S₁₁，S₁₂，S₁₃)最匹配(图4)。

本发明的原理可以应用到多原色灯中，优选地应用到基于LED或者磷光转换LED的多原色灯中。本发明克服的问题中的一些是:

-测量并且校正了由于温度变化、电流变化、LED的老化而引起的色点的变化，得到稳定化的色点。

-不需要脉宽调制(PWM)驱动。

-传感器的数量不是由原色的数量决定，而是由所希望的测量精度来决定。因此，传感器的数量可以少于所述灯中的LED的数量。

-避免了对于匹配的滤波器(通常是对于小频带的匹配的滤波器系统)的重新设计，这种重新设计在LED箱体(bin)或者类型发生变化的情况下是需要的。

本发明实现的优点包括:

-易于对所述LED进行表征(characterization)；

-传感器使用单层介质滤波器，具有低复杂度；

-传感器可以容易地集成到硅衬底中；

-在时分复用(TDM)颜色表征(关闭n-1种原色)中，只有k＝3个滤波的传感器将确定设备的n>3原色中的每一种的峰值位置、高度和半宽度；

-可伸缩:使用超过k>3个滤波的传感器将得到更高的每LED的光谱分辨率；

-由于准周期滤波特性，滤波的传感器与所用的原色无关；

-如果关闭所有的LED，那么对于环境光的补偿是可能的。

因此，本发明提供了用于基于LED的光源中的高精度色点稳定化的非常简单的解决方案。每种原色的光谱信息是通过使用具有单层介质滤波器(SDF)的传感器来获得的。这些滤波器具有作为波长的函数的准周期宽频带响应，并且从而可以用于感测这些不同的原色。本发明的可能的应用尤其是:

-有效的颜色反馈控制，以便允许使用具有不止一种原色的照明设备来实现高质量和长期稳定的光产生；

-作为外部反馈照明系统，用于高质量和长期稳定的光产生。

最后，需要指出的是，在本发明中措词“包括”并不排除其他的元件或者步骤，“一”或“一个”并不排除复数，并且单个处理器或者其他单元可以实现若干装置的功能。本发明存在于每一个新颖特征以及这些特征的每一种组合之中。而且，权利要求中的附图标记不应当被视为对其范围的限制。

Claims (16)

1.一种照明设备(1)，包括：

a)至少一个光发射器(L1、L2、L3、L4)；

b)至少一个光电传感器(D1、D2、D3)，其用于测量所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的光输出，其中光电传感器的灵敏度曲线以振荡的方式在所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的整个光谱范围上延展；

c)耦合到所述光电传感器(D1、D2、D3)的处理单元(14)，其用于接收来自所述光电传感器的测量信号并且适于确定所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的光输出的特征值。

2.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：该照明设备包括具有不同发射光谱的至少两个光发射器(L1、L2、L3、L4)。

3.依照权利要求2的照明设备(1)，

其特征在于：所述处理单元(14)适于在闭控制环中单独地驱动所述光发射器(L1、L2、L3、L4)，使得它们的共同光输出最佳地匹配所述光输出的给定特征值，特别是匹配给定色点(X，Y，Z)。

4.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：该照明设备包括至少两个具有不同光谱灵敏度曲线的光电传感器(D1、D2、D3)。

5.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：所述光发射器(L1、L2、L3、L4)选自包括LED、磷光转换LED、激光器、磷光转换激光器、有色荧光灯、滤波的(有色)卤素灯和滤波的(有色)UHP灯的组。

6.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：该照明设备包括依照权利要求10的光电传感器(D1、D2、D3)。

7.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：所述光电传感器包括集成到其上安装了光发射器(L1、L2、L3、L4)的基底(12)上的光电二极管(20)。

8.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：所述处理单元(14)包括存储器，该存储器包括所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的光输出的至少一个特征值与所述光电传感器(D1、D2、D3)的相应信号(S₁₁、S₁₂、S₁₃)之间的校准关系。

9.依照权利要求1的照明设备(1)，

其特征在于：所述特征值包括所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的可能的色点(X，Y，Z)或者显色指数。

10.一种光电传感器(D1、D2、D3)，具有以振荡的方式在给定光谱范围上延展的灵敏度曲线。

11.依照权利要求10的光电传感器(D1、D2、D3)，

其特征在于：所述灵敏度曲线在每两个相邻的局部极大值之间以至少10％的量振荡，优选地以所述两个局部极大值中的较小值的至少20％的量振荡。

12.依照权利要求10的光电传感器(D1、D2、D3)，

其特征在于：该光电传感器包括覆盖了介质层(21)的光电二极管(20)。

13.依照权利要求12的光电传感器(D1、D2、D3)，

其特征在于：所述介质层(21)包括二氧化硅SiO₂和/或二氧化钛TiO₂。

14.依照权利要求12的光电传感器(D1、D2、D3)，

其特征在于：所述介质层(21)具有范围为50nm-2.5μm，优选地为100nm-800nm的厚度。

15.用于监视具有至少一个光发射器(L1、L2、L3、L4)的照明设备(1)的方法，其中所述光发射器(L1、L2、L3、L4)的光输出是利用以振荡方式在该光发射器(L1、L2、L3、L4)的整个光谱范围上延展的灵敏度曲线(C1、C2、C3)来测量的。

16.依照权利要求15的方法，

其特征在于：对至少两个光发射器(L1、L2、L3、L4)进行测量，并且基于测得的光输出单独地控制这些光发射器，使得其共同光发射最佳地匹配给定的特征值，特别是匹配给定的色点(X，Y，Z)。

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