CN101662861B - 适应性自动调光的光电装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种能进行适应性自动调光的光电装置。该装置由以下主要模块组成：电源，波段选择单元，光电传感单元，电信号转换单元，光源亮度控制单元，域值调节单元和发光单元。基于光源的特征波谱，该装置能简单地判别探知的光强度和色彩信号来自于何种来源，从而可以简单地依据自然光的亮度和色谱特性来对发光器件是否发光，或发光强度，或颜色特性等进行控制。本发明的光电装置结构简单，配置灵活，适应范围广。该系统既可以用于小面积单灯照明，也可以用于大面积办公，工厂，路灯，公共场所等照明，还可以用于颜色气氛装饰，背光照明等特殊照明场所，以充分地利用自然光，节约能源。

Description

适应性自动调光的光电装置

技术领域

本发明涉及光电控制技术，具体涉及发光亮度的自动控制技术，特别是自动根据环境中自然光的亮度对发光器件的发光强度进行自适应调节，适用于固体发光，气体发光的日常照明，背光照明，装饰照明，汽车照明，信息显示，标识显示，光通信和各种特殊照明及显示领域。

背景技术

在能源愈来愈为人们所关注的今天，除了寻找低成本可再生的新能源以外，对现有能源利用的节能技术开发也是各国政府和民间所关注的。前者开源，很容易吸引人们的眼球；而后者节流，往往被注视不够。照明用电就占到全球总能源消耗20％以上，如果能有效地提高现有能源使用效率，如采用新的固体发光技术如LED等；节约用电，充分利用太阳光等自然光(以下统称自然光，包括直射的太阳光，漫射的室内和室内的天然光)。路灯可以做成随周围自然光的强度而调整自身的亮度；工厂里照明灯也可以做成随室内光线大小可调整；楼道灯等需要常亮的地方，其亮度也可以调节；装饰照明和背光照明在环境光亮时调亮，暗时调暗，保证一定的对比度。在这些场合，如果能充分利用自然光，就能大大降低点灯时间，从而降低照明能源消耗，而且潜力相当大。

现在的照明方面的节能技术主要有以下几种。1)手动调光：人们根据主观需要，如自己判断亮暗成都，调节加载在发光器件的电流，电压或相位脚等电学参数，可以调节发光器件的亮度。因为是手工调节，比较麻烦，主要用于调节气氛，起不到多大的节能作用。2)声光控制技术：这主要用在不需要常亮的楼道里，在有人时通过感知人的脚步声，同时光电传感器感知是否环境光线足够暗，以便确定受否需要打开照明灯具。通常这里光的亮度是不需要调节的。3)自动调光技术：使用通用光电传感器，探知环境光的亮度，转换为电信号，再通过开关电源调节发光器件发光强度。最后一种是目前最智能化的调光技术，目前主要用于背光照明和室外信息显示的控制中。在这些应用中，发光器件和光电传感器处于不同的光环境中，光电传感器受到来自发光器件本身发光干扰比较小或几乎不存在，其调光控制技术较为实用。但是在其它照明应用中，如路灯，家用照明，工厂照明中，由于存在发光器件自身发光和环境中自然光的相互作用，使得系统控制不精确，甚至导致系统不稳定，影响使用。为了消除自然光和发光器件之间的相互干扰，需要作复杂的算法系统，成本高，通常只能用于能承受得其此系统成本的办公场所，工厂等大范围的照明。因此，迫切需要一种更为简单宜用，精确可靠，低成本的能自适应环境光的调光技术和方法。

本发明在研究各种光源，包括自然光的发光特性，特别是光谱特性的基础上，发明了一种波长选择性的光电传感的自适应调光方法和光电装置。

发明内容

本发明的目的是设计一种光电装置，使得装置能简单地判别探知的光强度和色彩信号来自于单一来源：发光器件或者自然光，而不是两者的混合，从而可以使装置简单地依据自然光的亮度和色谱特性来对发光器件是否发光，或发光强度，甚至颜色特性等进行控制，从而充分地利用自然光，节约能源，实现装置的自适应调光。

光源一个最重要特种就是其光谱分布，即发光波长和发光强度的关系。自然光最大的来源就是太阳，经过大气层的吸收和粉尘颗粒的散射之后，透过常规建筑玻璃的光谱分布见图1。可以看出，自然光的最重要特种就是连续从到波长的蓝光到长波长的红外光波谱分布，紫外光大部分被大气层所吸收，尤其是在室内经过建筑玻璃后，进一步被吸收。图1同时列出了目前几种主要的人工照明光源，白炽灯，荧光灯，以及刚开始进入照明领域的白光LED。每种人工光源总是对应一定的光谱特征曲线，都有比较固定的特征峰，是光源的固有特征。而且人工点光源的发光强度是可以通过加载在光源上一些电学参数来控制，如电压，电流，频率，相位角等来控制，其强度和电学参数之间的比例关系都是可以通过试验测定的。那么，如果能探测到光源在其特征波长或比较窄的波长范围内的强度，也就知道该光源整个光谱的强度分布，从而能简单地区分来自不同光源的强度贡献。这样比较以上几种光源的特征光谱的强度，就能找到在自然光和人工光源同时存在的情况下，准确探知到一种光源如自然光的强度，从而决定是否开启人工光源以及人工光源的强度。具体说来，对一些单色性较强的光源，如同时存在白光LED和自然光时，430nm以下的蓝光就可以用来确定自然光的强度，因为在此波段以下，现在通用的蓝光激发荧光物质的白光LED发光强度可以忽略不计。对于一些连续背景的人工光源，如荧光灯和其它气体发光装置，如要对强度进行精确控制，可以通过检测较窄波长范围内背景(700nm)和特征光谱(如430nm，550nm，600nm任选一个)之间发光强度的关系；在这些波长范围内自然光的强度基本是保持不变的，而荧光灯则是倍数关系，从而确定人工光源和自然光强度的比例关系。在知道自然光的强度之后，通过控制系统，就可以决定是否开启人工照明光源以及开启后流过人工光源的电流大小，电压的高低，频率的快慢，相位角的大小或其它相关电参数的值，从而使总的光强度保持在一个人眼比较舒适的状态。

本发明设计的自适应调光光电装置技术方案见图2。该装置由以下主要模块组成：电源，波段选择单元，光电传感单元，电信号转换单元，光源亮度控制单元，域值调节单元和发光单元。

电源为装置中各单元件提供工作所需的交流和/或直流电。它包括AC电源，DC电源，AC/DC，DC/DC所设计的各种线性电源和开关电源，还包括电感，电容，电池等储能元件。

波段选择单元是将需要检测的光波波长范围选择出来的单元件。比较图1中各种光源的光谱分布，基于上述方法，可以知道对不同人工光源的照明时，所需要检测的光谱波长范围。在使用波长范围较窄的光源时，如白光LED，白光0LED和白炽灯照明，选择波长400nm左右窄的波带。在使用波长分布较宽的光源时如荧光灯用于照明时，即可以选择700nm左右的波带进行简单测定，也可以如上所述同时测定特征波段和背景强度进行精确测定。该单元件可以采用但不限于以下几种形式：滤色片，晶体单色器和光栅单色器。

光电传感单元是利用光电效应将光信号转换为电信号。可供选择的光电传感单元有以下但不限于以下几种：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池等。光电传感单元的响应曲线应和波长选择单元所选择的波长相匹配，即在波长选择单元所选择的波长范围里有尽可能大的响应。如在短波长范围应选用Ge基，GaN基光电传感器，而在长波长范围应选择使用Si基光电传感器。如果光电传感单元自身的波长响应曲线足够窄，或者本身就集成了波段选择单元，波段选择单元可以不使用。

电信号转换单元的作用是将由光电转换单元出来的电信号通过电路进一步转换成能被光源亮度控制单元所能使用或识别的电信号或变化方向。一般地，光电二极管或晶体管出来的信号较弱，需要进一步放大；其输出信号通常是随着光线强度的增强而增大，因此需要将其信号反相，以利于形成稳定的负反馈。如用PWM控制器进行调光，还需将电路电压信号转化为脉宽调制信号。还有如光敏电阻等光电传感器其响应曲线是非线性的信号，也需要进一步转换成线性或其它易于被系统识别的信号。电信号转换单元包括但不限于以下几种：反相器，模数转换器，比较器等。

光源亮度控制单元的作用是耦合电信号转换单元的信号，以决定是否加载发光单元件电源的关断，以及加载在发光单元件电信号的大小，从而保证环境一定的照度。亮度控制单元包括但不限于以下几种：PWM控制器，PFM控制器，电流控制器，电压控制器，微控制器，可调功率电阻，可控硅等。

域值调节单元的作用是调节来自电信号转换单元的信号，结合光源亮度控制单元决定发光单元件的开启或关闭，调节探测的光强度和发光单元件发光强度的对应关系。它可以是单独的电子器件，也可以作为电信号转换单元或/和光源亮度控制单元的一部分来实现其功能。域值调节也可以做成一个复杂的逻辑控制器，接受来自各种传感器的信号，以决定是否开启光源亮度控制单元和加载在发光单元件上的电源，如接受声音传感器或动作传感器的信号，从而使装置更为智能地工作。

发光单元是在加载电信号后能发出光的器件，如LED，OLED，白炽灯，荧光灯，各种气体灯等。其发光强度随加载在其上电信号的大小而呈现规律性地变化。

该装置可选择性加上其它传感器，如探知是否有人的红外传感器，或者运动传感器，使得装置开启发光单元件多一个判据条件，即光源亮度控制单元多一个耦合开关，使装置工作更加智能，更加节能。因此，即使环境中自然光足够暗，需要开启发光单元件，但是因为被照明区域没有人或车的存在，不需要用光，发光单元仍然不开启。

该装置中的各单元件数量可以根据需要进行灵活配置。如对单个发光器件的控制，只需要以上单元各一组即可完成。而满足大面积照明的需求，可以将以上单元件模块进行不同组合，以完成复杂系统的自适应调光。

如果对于不同特征波长的光源，也可以通过此方法控制不同波长光强度比例，从而使得合成的光源重现不同的色温，营造不同的光环境气氛。现在LED光源其单色性都比较好，如红光LED其中心波长为：，蓝光的中心波长为，绿光的中心波长为，在其中心范围外10-20nm波长范围是没有发光强度的。因此，探测到红光强度就是来自红光LED，蓝光就是来自蓝光LED，绿光就是来自绿光LED。如果要达到设定的颜色效果，只需将探测到的红绿蓝波长的强度值和设定的光强比，再通过反馈系统调节通过各个LED等的电流就可以啦。

由以上说明可以知道，本发明设计的适应性自动调光照明装置有如下特征：

1)利用不同光源的特征波谱，在有不同光源时，通过测定特征波谱的强度，可以比较简单确定单一光源的亮度。

2)通过波段选择单元来选择特征波谱，配以该波段响应好的光电传感单元，可以大大地提高特征波谱光强检出的灵敏度和可靠度。如果选用响应波长比较窄的光电传感单元，或者集成了波段选择单元的光电传感单元，可以进一步简化装置。

3)在人工光源和自然光同时存在时，利用人工光源非连续和自然光的连续分布特征，采用波段选择单元测定所需要波段的强度，可以区分来自人工光源和自然光对总亮度的各自贡献。在充分利用自然光的基础上，可以通过调节人工光源的强度来保证一定照度，

4)本发明的光电装置既可以保证被照明场所一定的照度，又可以充分利用自然光，达到节约能源。这为适应性自动调光照明装置提供了一个简单适用的方法。

5)本发明的光电装置还可以选择性加上不同传感器，如侦测人存在的红外传感器，捕捉运动物体的动作传感器，可以使装置进一步智能化，真正做到按需供光。

6)本发明的光电装置结构简单，配置灵活，适应范围广。该装置既可以用于小面积单灯照明，也可以用于大面积办公，工厂，路灯，公共场所等照明，还可以用于颜色气氛装饰，背光照明等特殊照明场所。

附图说明

图1a：自然光的光谱强度分布图

图1b：白炽灯的光谱强度分布图

图1c：荧光灯的光谱强度分布图

图1d：白光LED的光谱强度分布图

图2：本发明的适应性自调光光电装置结构方框图

图3：以PWM方式调光的LED照明电路原理图

图4：滤光片构成的波长选择单元和光电传感单元的结构图

图5：经过滤光片后光谱

图中符号说明：1带滤色片的光电晶体管，10滤色片，11是光电晶体管芯片，12是引出电极，13是承载芯片的载体，14是密封材料；2电信号转换单元，21模数转换器；3白色LED发光器件；4PWM控制器；5电源，51电感；6反馈电阻。

具体实施方式

本发明就LED照明详细说明本发明的实施方式

实施例一

图3是适应性自调光方法在以PWM调光LED照明的实现方式。图3中1是带滤色片的光电晶体管，这里的滤色片起着波长选择单元的作用，光电二极管起着光电传感单元的作用。虚线框所表示的器件2起着电信号转换单元的作用，包括放大器和21。在数字型控制中，21可以是模数(A/D)转换器或MCU，在模拟控制中，它可以是一个简单的反相器。3是LED发光器件。4是PWM控制器，和6反馈电阻(起着域值调节单元的作用)共同起着光源亮度控制单元的作用。5是电源，它可以是单一的电池或者直流电源，或者交流电源，经过变换后，按需要给图中的各个器件的需要进行供电；对于PWM调光的LED的供电，还需要一个辅助的储能元件51如电感来一起完成。

图4显示了本发明的核心单元1带滤色片的光电二极管的结构。10为滤色片，11是光电晶体管芯片，12是引出电极，13是承载芯片的载体，14是密封材料。1既可以通过通常的光电二极管封装工艺实现：先封好光电二极管，再通过安装所需要滤色片的方法实现；也可以通过改进的工艺，直接将所需要的滤色片作为光电二极管的光接收窗口。

滤色片10和光电晶体管11的选择对本发明的实施起着至关重要的作用。结合图1a和图1d，可以看到，相对于自然光比较连续的波形，LED发出的光比较集中在窄的波长范围内。太阳光本身在从300nm的紫外波段到1000nm的红外波长范围内，其强度的分布都较为均匀，但经过大气层后，因为水气，氧气，氮气有不同的吸收带，还要受窗玻璃的吸收等，实际上在室内的自然光其强度分布如图1a所示。而LED发出的白光是一种合成光，通常有两种方式实现，蓝绿红(RGB)三原色LED合成和蓝光LED激发黄色荧光物质，而以后者最为通用。图1d所示的是通常使用的蓝光激发黄色荧光的白光LED光谱图。从图1d可以看出，白光LED的光谱强度分布在波长为430nm到760nm范围之间，而这在范围外，其光谱强度为0。选取合适的滤色片，使其430nm到760nm的波长不透过，在这之外的自然光波长能透过，那么通过光电检测单元检测到的光强就只有自然光的强度，而没有LED光的强度。这样LED所发出的光对光电检测单元所产生的电信号贡献为0。因此，此时通过光电检测单元检测到的信号就是自然光的信号。图5显示通过选择合适的滤光器件，300-450nm波长范围和700-1000nm波长范围内的光能够通过，而白光LED的波长范围和这些波长范围的重叠几乎可以忽略不计。加上考虑过滤光强度因素，可以认为透过此滤色片的光强度几乎全部是来自自然光，而不包含来自白色LED的贡献。因此，来自于白色LED和自然光通过这样一个波长选择装置就很容易分开，而不需要复杂的算法，或者复杂的系统装置。这时的光电晶体管11既可用广光谱相应范围的Si基光电晶体管，也可以选用短波长敏感的Ge基，GaN基光电晶体管。

光线的亮度(强度)经滤光片后和光电晶体管1后，其电信号反应的没有人工光源LED干扰的自然光的强度。经过2中的放大器放大和21模数转换器(A/D转换器)处理后，变成PWM输入的控制信号。自然光越强，光电晶体管的输出电压越高，A/D转换器所输出的脉冲信号高电位信号越密，经过一个低电位使能的PWM控制器之后其输出PWM信号的占空比越低，流经LED上平均电流就降低，因此其发光亮度变弱。相反地，如果自然光越弱，光电晶体管的输出电压越低，A/D转换器所输出的脉冲信号高电位信号越疏，PWM信号的占空比越高，流经LED上平均电流就增大，因此其发光亮度变强。流经LED上脉冲电流绝对值的大小，可以通过调节反馈电阻41的大小来调节，该绝对值对应的是某一自然光强度下，白光LED所应发出的光强度，起着域值调节的作用。

实施例二

适应性自调光方法在LED模拟调光照明中的实现同样参见图3。信号采集方式一样，只是在控制方式略有不同。在模拟控制中，21可变为一个简单的反相器。采用21反相器的目的是为了给系统提供一个稳定的负反馈，即自然光越强时，其输出的电压越低。将其输出电压作为PWM控制器反馈电阻的的参考电压源，其电压越低，加在反馈电阻上的电流就越小，LED就越暗。这样实现了一个稳定的自适应调光系统。

从本发明的原理和装置以及实例的说明可以看出，本发明提供了一种基于发光器件特征波谱的适应性自动调光照明的方法和装置，本方法和装置具有简单，灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。

Claims (4)

1.一种光电装置，由电源，波段选择单元，光电传感单元，电信号转换单元，光源亮度控制单元，域值调节单元和发光单元模块组成，其特征在于：

电源包括各种AC，DC电源及相应的储能原件和转换单元；

波段选择单元包括各种滤色片，晶体单色器和光栅单色器，能将需要检测的光波波长范围选择出来，在人工光源和自然光同时存在时，利用人工光源非连续和自然光的连续分布特征，采用波段选择单元测定所需要波段的强度；

光电传感单元将波段选择单元所选择出的光信号转换为电信号；

电信号转换单元将由光电传感单元出来的电信号通过电路进一步转换成能为后续器件使用或识别的电信号或变化方向；

光源亮度控制单元耦合电信号转换单元的电信号，以及来自其它传感器的信号，决定发光单元电源的关断，以及加载在发光单元电信号的大小；

域值调节单元分别与光源亮度控制单元、发光单元连接，该域值调节单元的作用是调节来自电信号转换单元的信号，结合光源亮度控制单元决定发光单元件的开启或关闭，调节探测的光强度和发光单元件发光强度的对应关系；

发光单元是在加载电信号后能发出光的器件，包括LED，OLED，白炽灯，各种气体灯。

2.如权利要求1所描述的光电装置，其光电传感单元自身的波长响应曲线足够窄，或者本身就集成了波段选择单元。

3.如权利要求1所描述的光电装置，其特征在于域值调节单元将光源亮度控制单元，电信号转换单元集成在一起。

4.如权利要求1所描述的光电装置，其特征在于所述波段选择单元对于不同特征波长的单色光源，通过探测其中心波长附近波段的强度，再通过反馈系统调节各个单色光源的亮度，达到设定的颜色效果。

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