CN101926220A - 基于led的照明基础设施中一致的颜色校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内或室外照明设备中颜色的生成，更具体地涉及一种提供对设计用于例如空间扩展房屋或包含障碍物的环境中的照明设备(并且因此包含多个光传感器以实现高效控制)进行空间一致颜色控制的控制方法。颜色一致性通过其中一个或多个光源的光撞击在不止一个光传感器上的布置实现。如果构造的检测器特征(比如滤波器特性)一致，则这些传感器原则上应当在适当处理之后报告所考虑的光源的相同色点。事实上，颜色是光的路径无关属性，并且这是根据本发明的检测器相互校准方案的基础。该校准方案是控制算法的一部分并且旨在用于间歇地或永久地代替常规的控制算法。

Description

基于LED的照明基础设施中一致的颜色校准

技术领域

本发明涉及室内或室外照明设备中颜色的生成，更具体地涉及一种提供对这样的照明设备进行空间一致的颜色控制的控制方法。

背景技术

为了实现一种光源，其提供颜色不是构成该光源的发光元件的原色(primary colour)的光，需要一种用于组合可用的光分量的控制方法。如果利用传统照明器材(比如白炽灯或荧光灯)，则该控制方法可以十分简单或者甚至是确定性的。当使用固态照明装置(比如发光二极管)时情况会更复杂，因为这些固态照明装置将展示处非恒定的颜色输出。实际上，所发射的颜色可能会受到结温(junctiontemperature)和电流的变化的影响，结温和电流的变化是由于老化和污染。而且，来自相同类型的两个LED的输出也将由于制造缺陷和它们的安装而不同。当由于所述因素使得光输出从预定的色点开始减少时，光源的光输出的色点将出现偏离。因此，必须经由控制回路(control loop)使光源的色点稳定。

为了监测一个或多个光源的光输出，常规做法是使用光电探测器，比如RGB传感器或真色传感器，其具有与标准观察者相同的灵敏度或与这些特性近似。可替代地，可能地结合一个或多个温度传感器使用通量传感器(flux sensor)。基于光电探测器的输出信号，确定光源的光输出的所得色点并将之与目标色点比较，以便如果需要则调节到光源的驱动信号。

当光电探测器感测光输出时，可能存在来自其他光的干扰，其他光例如环境日光或来自人造源的光。必要的是，从检测器信号中移除这样的成分(element)，从而使得每次只有一个光源的光输出被馈送到控制回路中。如果通过以唯一方式调制各个光源中的每一个而使得各个光源可区别，本领域中已知如何克服这个困难。

然而，光电探测器经受与光源所经受的相似的不一致性。上面讨论的效应，特别是各个分量之间的变化，将导致不同探测器的测量之间的差异(discrepancy)。为此，当两个根据所描述技术的标称相同的照明设备被设置为产生相同的目标色点时，很可能发生的是，对于人眼而言，相应的光颜色将明显不同。只要照明设备单独安装该缺点就不太重要，但是当为了照明较大房间(比如大厅或门厅)而安装多个相似的光源并期望统一的色温时，该缺点将成为令人烦恼的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制由一个或多个光源形式的照明器材发射的光的颜色的空间一致的方法，为此需要多个光电探测器。例如，如果该照明器材旨在用于空间扩展的房屋或如果被照明的环境包含障碍物，则多个探测器是必需的。

该目的通过提供其中一个或多个光源的光撞击在不止一个光电探测器上的布置而实现。如果构造的探测器特征(比如滤波器特性)一致，则这些探测器在适当处理之后原则上应当报告所考虑的光源的相同色点。事实上，颜色是光的路径无光的属性，并且这是根据本发明的探测器的相互校准的基础。

因此，根据本发明的一个方面，提供一种用于控制由至少一个光源发射的光的颜色的方法。该方法包括以下步骤

-在不止一个光电探测器处接收由所述至少一个光源发射的调制光，该调制允许区分由每个光源发射的光，由此从每个探测器产生探测信号；

-基于来自测量来自处于预定目标色点的预定光源的光的光电探测器的探测信号的组(group)的比较生成对每个探测信号的校正；

-将所述校正应用到每个探测信号；

-基于校正的探测信号确定每个光源的实际色点；以及

-基于光源的实际色点和目标色点生成这些光源的驱动信号。

上述执行校准和控制的算法可以在照明器材打开时以预定义的时间间隔或连续地执行。

根据该方法，由具有标称相同特性的不同探测器执行的对一个特定光波的不同测量被采集和比较。调制使得由光电探测器接收的不同光分量能够被分离，因为来自每个光源的光是可唯一区别的。从属权利要求限定了本发明的优选实施例。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制光的颜色的设备，该设备包括

-至少两个光电探测器，被设置为接收由至少一个光源发射的光，每个光电探测器都产生探测信号；

-用于基于来自测量来自处于预定目标色点的预定光源的光的光电探测器的探测信号的组(group)的比较确定与每个探测信号相关联的校正的装置；

-用于将所述校正应用到每个探测信号的装置；

-用于基于校正的探测信号确定每个光源的实际色点的装置；以及

-用于基于光源的实际色点和目标色点生成这些光源的驱动信号的装置。

优选实施例，尤其是包含特别合适的光源的实施例，由从属权利要求限定。

当研究所附权利要求和下面的描述时，本发明的其他特征和优点将变得清楚明白。本领域技术人员明白本发明的不同特征可以组合以创建后文中没有描述的其他实施例。

附图说明

现在将参照附图并更详细地描述本发明，附图是根据本发明的颜色受控的照明设备的实施例的框图。

具体实施方式

将参照图1描述本发明的实施例。根据本发明的优选实施例的颜色控制设备包括N≥2个光电探测器107，其生成相应的探测信号109。探测信号109被馈送到校正装置115，该校正装置施加校正(这是由单元111确定的)并且随后将校正的信号119提供给一个部分117，其适于计算由每个光源101发射的光的实际色点121。所述设备通过调节M≥1个光源101的相应的驱动信号103来控制从这些光源发射的光颜色，驱动信号是基于所发射的光105的实际色点121和期望的目标色点T由控制单元123生成的。为了简化起见，附图公开了具有相对较少的部件的实施例，即M＝2个光源和N＝3个光电探测器。在实践中，使用更多的光源(和至少一些更多的探测器)。例如，在典型的陈列室中，可以使用好几百个光源。

用111、115、117和123表示的装置典型地通过执行适当的软件代码以用于实现所描述的控制和校准功能的处理单元(比如计算机)而实现。中央计算机可以被用于接收探测信号、执行所描述的处理、生成所需的驱动信号并且将驱动信号发送给光源。因此，根据本发明的优选实施例的颜色控制部分(portion)可以利用多个光电探测器和执行合适的软件代码的计算机来实现。

如图1所示，每个光电探测器107接收来自若干个可控光源101的光105，以及日光和来自人造源的光形式的扰动。为了确定给定光源的实际色点121，必需的是从入射到光电探测器上的各种其他光分量中区分出它的贡献。本领域中已知可以如何实现该区分，例如可以如专利申请WO2006/111930 A2中所述通过在每个光源处并置调制的光源使得两个辐射图案(pattern)一致来实现，或通过调制单个光源的光来实现。如果例如光源是脉冲的，则通过调节占空比来执行功率控制。于是，调制可以是(consist in)脉宽或脉幅调制、开-关调制、双相调制，或者可以是来自CDMA技术的更复杂的编码方案，例如通过Gold码的调制。光源和用于解调探测信号的装置之间的同步在大多数调制技术中是期望的或甚至是必需的，并且因此光电探测器优选地是联网类型的。

以此方式，可以测量如被光电探测器看到的特定光源的光的颜色和强度。测量的强度对于不同定位的光电探测器将发生变化，但是颜色是在清洁的空气中行进的光的路径无关属性。因此，通过比较从每个光源输出的光的色点与期望的目标色点T，所述设备可以调节驱动信号103以便减少可能的差异。

根据本发明的一个实施例，色点的确定包括通过用于非对称函数建模的算法来近似每个光源的输出。例如，双反曲函数可以适合于所发射的光的光谱密度函数的已知点。

根据本发明，所描述的控制过程通过对光电探测器107进行校准来补充以确保一致的颜色测量。校准方案的执行将产生N个可能颜色相关的校正113，其随后将被校正装置115应用于相应的探测信号109。为了描述现在所遵从的不同校准方法，将引入一些数学符号。应当理解，将连同其校正一起讨论的探测信号不必是来自光电探测器的总输出，而仅仅是颜色分量。该常识(convention)是非限制性的，这是由于以下事实：被光电探测器看到的光波可以详尽地由三分量信号表示，例如RGB或XYZ信号。将这样的信号转换为一个强度分量(在视频技术中使用的普遍模型中被称为亮度(luminance))和两个颜色分量(色度)是简单的。我们进一步假设比较将仅仅相对于可通过构造比较的探测器而发生。在过滤的光电探测器的特定情况下，如果可靠的校准将发生，则它们的滤波器特性应当基本一致，至少在参考光的波长附近。

让我们用s_i，k(p)表示当第i个探测器在目标色点p处接收来自第k个光源的光时提供的探测信号，其中1≤i≤N且1≤k≤M，并用c_i(p)表示与第i个光电探测器相关联的附加校正。而且，让G_k作为接收来自第k个光源的超过某个预定最小强度的光的探测器的指标集，其中1≤k≤M。例如，如果第一光源被探测器1、2和4看到，则G₁＝{1，2，4}。根据这些定义，我们引入相对误差

这是在接收来自处于目标色点p的第k个光源的光时第i个和第j个探测器之间的偏差。如果x是具有d分量的矢量，则我们可以理解

但是也可以使用其他模(norm)。注意到e_i，j，k(p)＝e_j，i，k(p)且e_i，i，k(p)＝0。

根据简单途径，校正c_i(p)(其中1≤i≤N)是通过线性遍历(traverse)探测器集来确定的。一种典型的校准方案具有下列结构：设c₁(p)＝0。

找到k₂使得

选择c₂(p)使得

找到k₃使得

选择c₃(p)使得

…

找到k_N使得

选择c_N(p)使得

当使用许多探测器时，这个有点“短视(near-sighted)”的算法可能导致对于位于远离起点一定距离处的光电探测器的校准的振荡表现。因此，为了校准成行(实践中通常是这种情况)布置的许多探测器，起点的更好选择是在该行的中心附近，并且为了校准安装在例如走廊(corridor)中的光源，所述算法应当在最接近它们的主交叉点的光电探测器处开始。

在更加细化的实施例中，通过全局最优化过程同时确定所述校正。将误差q-模定义为：

对于给定的p和q，校正c_i(p)(其中1≤i≤N)是所述最优化问题的解

$\underset{c_1\left(p\right),...,c_N\left(p\right)}{\min }{E}_q\left(p\right)$

数字q可以根据应用的要求、信号编码系统、审美考虑等自由选择。然而三个特定q-模是常用的：对于q＝2，所述校正在最小二乘意义下将是最优的；对于q＝1，它们最小化了总的绝对误差；以及对于q＝∞，它们最小化了最大误差。

所得的校正c_i(p)(其中1≤i≤N)被存储在校正装置中或其他地方，并且被应用于探测信号，直到新校准已被执行为止。上述校准方法基于对一个目标色点p的测量。对于本领域技术人员而言，显然：首先，所述算法可以针对若干种颜色重复执行(通过将测量的信号存储在存储器中或通过当可见颜色变化是可接受的时以特定校准模式执行它们)，并且其次，可以在已知的校正之间插值(interpolate)。

即使已经参照其特定示范性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言许多不同的变化、修改等等将变得清楚。因此，所描述的实施例的意图不是限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于控制由至少一个光源发射的光的颜色的方法，所述方法包括以下步骤

-在不止一个光电探测器处接收由所述至少一个光源发射的调制光，该调制允许区分由每个光源发射的光，由此从每个探测器产生探测信号；

-基于来自测量来自处于预定目标色点的预定光源的光的光电探测器的探测信号的组的比较生成对每个探测信号的校正；

-将所述校正应用到每个探测信号；

-基于校正的探测信号确定每个光源的实际色点；以及

-基于光源的实际色点和目标色点生成这些光源的驱动信号。

2.根据权利要求1的方法，其中所述一个或多个光源借助至少一个固态光元件发射光。

3.根据权利要求2的方法，其中所述固态光元件是发光二极管。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中借助至少一个过滤的光电探测器接收光。

5.根据权利要求4的方法，其中所述至少一个过滤的光电探测器是RGB传感器、XYZ传感器和通量传感器之一。

6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述调制是根据由以下构成的组中的一种方法执行的：

驱动信号的扩谱调制、驱动信号的CDMA调制、脉宽调制、开关键控(keying)、双相调制、通过Gold码的调制。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述校正根据适于减小最小二乘意义下的来自不同光电探测器的数据之间的误差的算法确定。

8.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述校正根据适于减小来自不同光电探测器的数据之间的最大误差的算法确定。

9.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中所述校正根据适于减小来自不同光电探测器的数据之间的总绝对误差的算法确定。

10.根据前述权利要求中任一项的方法，其中确定光源的实际色点包括借助用于非对称函数建模的算法来近似其光谱输出。

11.一种用于控制光的颜色的设备，该设备包括

-至少两个光电探测器(107)，其被设置为接收由至少一个光源发射的光(105)，每个光电探测器都产生探测信号(109)；

-用于基于来自测量来自处于预定目标色点的预定光源的光的光电探测器(107)的探测信号(109)的组的比较确定与每个探测信号相关联的校正(113)的装置(111)；

-用于将所述校正(113)应用到每个探测信号(109)的装置(115)；

-用于基于校正的探测信号(119)确定每个光源的实际色点(121)的装置(117)；以及

-用于基于光源的实际色点(121)和目标色点(T)生成这些光源的驱动信号(103)的装置(123)。

12.根据权利要求11的设备，进一步包括一个或多个可由驱动信号(103)控制的光源(101)，每个光源被设置为发射调制光(105)，该调制允许区分光。

13.根据权利要求12的设备，其中所述一个或多个光源借助于至少一个固态光元件发射光。

14.根据权利要求13的设备，其中所述固态光元件是发光二极管。

15.根据权利要求11-14中任一项的设备，其中由至少一个过滤的光电探测器接收光。

16.根据权利要求15的设备，其中所述至少一个过滤的光电探测器是RGB传感器、XYZ传感器和通量传感器之一。

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