CN101940062A - 用于区分混合光系统中的调制光的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于为照射系统提供光学发射反馈控制的方法和设备，该照射系统包括包含来自第一光源(135)和第二光源(140)的光的混合光。每个光源由驱动电流进行驱动，该驱动电流使用与该光源相关联的控制和/或修改信号来配置。该控制信号进而可以使用与该光源相关联的修改信号来配置。指示混合光的光学信号例如使用光学传感器(150)来生成，并且该光学信号基于参考信号被处理以提供指示来自每个光源的光的测量，这些测量用于该照射系统的反馈控制。参考信号可以本地生成或者基于对应的控制或修改信号来生成。为了对光源提供测量，对该光学信号的处理(198)可包括基于与该光源相关联的控制和/或修改信号的混合(235)和补偿(255)操作。

Description

用于区分混合光系统中的调制光的方法和设备

技术领域

本发明总体上涉及照明系统(lighting system)。更具体地，此处公开的各种发明方法和设备涉及用于在混合光照射系统(mixed-lightillumination system)中区分调制光和不同光源从而例如有助于对其进行光学反馈控制的方法和设备。

背景技术

数字照明技术，即基于诸如发光二极管(LED)的半导体光源的照射，给传统的荧光灯、HID和白炽灯提供了可行的备选方案。LED的功能优点和益处包括高能量转换和光学效率、耐用性、较低的运行费用以及许多其他优点和益处。LED技术的最近进展已经提供了使得可以在许多应用中实现各种照明效果的高效和鲁棒的全光谱照明源。包含这些源的一些器材特征在于照明模块，该照明模块包括可以产生不同颜色例如红色、绿色和蓝色的一个或多个LED以及用于独立地控制LED的输出从而生成各种颜色和颜色变化的照明效果的处理器，例如在美国专利No.6,016,038和No.6,211,626中所详细讨论。

众所周知，通过混合具有不同光谱的光诸如红光、绿光和蓝光，可以生成不同颜色的光。因而，改变来自诸如一般可得到的红色、绿色和蓝色LED以及可选的琥珀色LED的不同颜色LED的辐射强度，可以给出对于包括白光的任何期望颜色的输出光的感觉。

所得到的输出光的各方面，诸如色度，与被组合以产生输出光的LED的强度和中心波长的组合有关。这些光学参数即使在LED驱动电流恒定时也可由于诸如热沉热常数、环境温度变化以及器件老化之类的因素而波动。

减轻这个问题的一种方法是采用光学反馈以连续地监视不同颜色LED的辐射通量输出，从而调节LED的驱动电流以使得输出光的光通量和色度保持基本恒定。这种监视要求某种测量每个LED颜色的辐射通量输出的装置。

迄今为止，已经提出若干光学反馈解决方案来检测和评价输出光的光通量和色度以便在这些值偏离期望的颜色点的情况下提供校正。例如，许多方法依赖于光电传感器阵列，每个光电传感器均具有响应于选定颜色光的选定滤色器。然而，这些光电传感器易于发生光学串扰并且由于不同颜色LED发射的光的光谱辐射功率分布的重叠而遭受输出光特性测量的不准确。

针对这个串扰问题的部分解决方案是选择具有窄带宽和陡峭截止特性的带通滤波器。尽管这类滤波器的令人满意的性能水平可以使用多层干涉滤波器来获得，但是这些滤波器可能很昂贵并且典型地要求另外的用于准直输出光的光学器件，原因在于带通波长与输出光在滤波器上的入射角有关。

与干涉滤波器相关联的另一个问题在于高通量LED的中心波长与LED结温有关。另外，干涉滤波器的带通透射光谱也与温度有关。光电传感器的输出信号与LED的光谱辐射功率分布与滤波器的带通特性的卷积有关。因而，即使LED光谱辐射功率分布保持恒定，光电传感器的输出信号也可能随环境温度而变化，这会进一步限制光学反馈系统的性能。

在另一个方法中，基于多色LED的照明系统中的每个LED都由电子控制电路来控制，该电子控制电路使用单个宽带光学传感器来选择性地断开对于在时间脉冲序列中不被测量的颜色的LED。测量周期期间的平均光输出可以基本等于正常工作期间的标称连续光输出以避免可见的闪动。与这个方法相关联的困难在于每当LED被去激励时周期性地且可能急剧地改变颜色平衡，造成可察觉的闪动。由于光学传感器需要有限的时间量来以足够的准确度和可接受的信噪比测量被激励LED的辐射通量，所以采样频率可能受光学传感器的响应时间的限制。受限制的采样频率会导致光学反馈环路的较低采样分辨率和较长的响应时间。此外，由于LED颜色要被顺序地测量，因此用于光学数据采集的这个方法对于具有红色、绿色和蓝色LED簇的系统而言还会使反馈环路响应时间进一步增加三倍而对于具有红色、绿色、蓝色和琥珀色LED簇的系统而言进一步增加四倍。

类似的方法寻求通过在时间脉冲序列中选择性地测量LED的光输出由此使得用于被测量颜色的电流被断开来减轻闪动。然而，所提出的这些解决方案没有一个解决颜色平衡的周期性且可能急剧的变化或者反馈环路响应时间的减小。

在又一个方法中，LED的光输出由宽带光学传感器在PWM驱动脉冲的该脉冲达到了满幅度的持续时间期间进行采样，以便避免PWM脉冲的上升和下降时间的影响。平均驱动电流随后由低通滤波来确定。与这个方法相关联的困难可能在于PWM脉冲必须被同步以使得至少一个LED颜色在PWM周期期间的有限时间段内被去激励。这一要求可能防止所有不同颜色的LED以满功率且以100％占空因数工作。与这种平均光感测相关联的另一个缺点在于采样周期必须给光学传感器提供足够的时间以可靠地测量被激励LED的辐射通量，并且要求LED颜色必须被顺序地测量，这会限制反馈环路响应时间。

另一个方法是提供一种用于控制光源的设备，其中该光源包括用离散频率的叠加的光学信号和离散频率的电参考信号来发射光的至少一个光源。该设备包括被光学耦合到光源并被设计成接收光信号的光电探测器。该设备包括被耦合到光电探测器和每个光源的至少一个锁定(lock-in)系统，其从光电探测器接收光信号并从光源接收参考信号。每个锁定系统基于光信号和参考信号来产生光源的强度值。该锁定系统可以包括信号乘法器以及耦合到信号乘法器的滤波器，其中强度值是光信号与参考信号的乘积，其经过信号乘法器处理并且滤波以去除非DC部分。虽然这个设备可以提供光分布的检测，但可能存在进入这种形式的系统的固有误差，从而限制其用于控制设备的光输出的有效性。而且，该设备不提供使用复杂的驱动技术、诸如具有可控占空比的脉宽调制来驱动LED。

因此，本领域需要一种可以使用宽带光学传感器为混合光系统中的多个光源提供辐射通量输出数据的新光学反馈方法和设备。

发明内容

本公开针对用于在照射系统中提供光学发射反馈的发明方法和设备。例如，公开了方法和设备，其中生成包括来自第一光源和第二光源的光的混合光。每个光源由驱动电流进行驱动，该驱动电流使用与该光源相关联的控制信号来配置。该控制信号进而可以使用与该光源相关联的修改信号来配置。指示混合光的光学信号例如使用光学传感器来生成，并且该光学信号基于参考信号被处理以提供指示来自每个光源的光的测量。参考信号可以本地生成或者基于对应的控制或修改信号来生成。这些测量可以用于该照射系统的反馈控制。为了对给定的光源提供测量，对该光学信号的处理包括基于该光的时变方面进行滤波，该滤波可以包括基于与该光源相关联的控制和/或修改信号的混合和补偿操作。

大体上，在一个方面中，提供了一种用于生成具有期望光通量和色度的光的照射装置。该照射装置包括：一个或多个第一光源，适于生成具有第一光谱功率分布的第一光；和一个或多个第二光源，适于生成具有与第一光谱功率分布不同的第二光谱功率分布的第二光。该照射装置还包括：第一电流驱动器，操作性地耦合到该一个或多个第一光源；和第二电流驱动器，操作性地耦合到该一个或多个第二光源。该第一和第二电流驱动器配置成分别基于第一和第二控制信号选择性地供应电驱动电流到该光源。该照射装置还包括用于感测包括第一光和第二光的组合的输出光的一部分的光学传感器，该光学传感器配置成生成指示该输出光的辐射通量的光学信号。还提供操作性地与该光学传感器耦合并且从该光学传感器接收该光学信号的处理模块。该处理模块包括第一滤波模块，第一滤波模块包括第一混合模块。该第一混合模块配置成使用第一参考信号来执行指示光学信号的第一部分的第一滤波信号的混合。第一滤波模块提供指示第一光的一部分的特性的第一输出信号。该处理模块还包括第二滤波模块，第二滤波模块包括第二混合模块。该第二混合模块配置成使用第二参考信号来执行指示光学信号的第二部分的第二滤波信号的混合。第二滤波模块提供指示第二光的一部分的特性的第二输出信号。该照射装置还包括操作性地与第一电流驱动器、第二电流驱动器和处理模块耦合的控制器。该控制器配置成至少部分地基于相应的第一输出信号和第二输出信号来生成第一控制信号和第二控制信号。第一控制信号和第二控制信号分别使用第一修改信号和第二修改信号被至少部分地配置。

在一个实施例中，该第一滤波模块还包括第一补偿模块，该第一补偿模块配置成至少基于第一混合模块的输出和第一修改信号来提供第一输出信号。

在另一个方面中，该发明总体上关注于一种用于生成期望光通量和色度的输出光的方法。该方法包括至少部分地使用第一修改信号为一个或多个第一光源生成第一驱动电流的步骤。该方法还包括至少部分地使用第二修改信号为一个或多个第二光源生成第二驱动电流的步骤。该方法还包括如下步骤：生成指示输出光特性的光学信号，该输出光是由该一个或多个第一光源和一个或多个第二光源发射的光的混合。该方法还包括如下步骤：处理光学信号的第一部分，包括基于第一参考信号执行第一混合操作，从而提供指示由该一个或多个第一光源发射的光的辐射通量的第一测量。该方法还包括如下步骤：处理光学信号的第二部分，包括基于第二参考信号执行第二混合操作，从而提供指示由该一个或多个第二光源发射的光的辐射通量的第二测量。该方法还包括如果需要的话调节第一驱动电流和第二驱动电流的步骤。

在发明的上述方面的一个实施例中，处理光学信号的第一部分还包括基于第一修改信号执行第一补偿操作。

在另一个方面中，该发明考虑一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，在计算机可读介质上记录了语句和指令以供处理器执行以实施一种用于生成期望光通量和色度的输出光的方法，该方法包括以下步骤：

至少部分地使用第一修改信号为一个或多个第一光源生成第一驱动电流；

至少部分地使用第二修改信号为一个或多个第二光源生成第二驱动电流；以及

生成指示输出光特性的光学信号，该输出光是由该一个或多个第一光源和一个或多个第二光源发射的光的混合。

该方法还包括如下步骤：处理该光学信号的第一部分，包括基于第一参考信号执行第一混合操作，从而提供指示由该一个或多个第一光源发射的光的辐射通量的第一测量。该方法还包括如下步骤：处理光学信号的第二部分，包括基于第二参考信号执行第二混合操作，从而提供指示由该一个或多个第二光源发射的光的辐射通量的第二测量。该方法还可以包括调节第一驱动电流和第二驱动电流的步骤。

如本文所用的，对本公开来说，术语“LED”应当理解为包括任何电致发光二极管或者其他类型的能够响应于电信号生成辐射的基于载流子注入/结的系统。因此，术语LED包括但不限于各种响应于电流而发射光的基于半导体的结构、发光聚合物、有机发光二极管(OLED)、电致发光带等等。具体而言，术语LED指代所有类型(包括半导体和有机发光二极管)的发光二极管，其可以配置成生成处于红外光谱、紫外光谱和可见光光谱(通常包括从大约400纳米到大约700纳米的辐射波长)的各部分中的一个或多个中的辐射。LED的一些示例包括但不限于各种类型的红外LED、紫外LED、红色LED、蓝色LED、绿色LED、黄色LED、琥珀色LED、橙色LED以及白色LED(下面进一步讨论)。还应当明白，LED可被配置和/或控制以生成对于给定光谱具有各种带宽(例如，半高全宽或FWHM)(例如窄带宽、宽带宽)和给定一般颜色分类内的各种主波长的辐射。

例如，配置成生成大致上白光的LED(例如白色LED)的一种实施方式可以包括分别发射电致发光的不同光谱的多个管芯，该不同光谱共同混合以形成大致上白光。在另一种实施方式中，白光LED可以与将具有第一光谱的电致发光转换为不同的第二光谱的磷光体材料相关联。在这种实施方式的一个示例中，具有相对较短波长和窄带宽光谱的电致发光“泵浦”磷光体材料，该磷光体材料进而辐射具有稍微更宽光谱的较长波长辐射。

还应当理解，术语LED不限制LED的物理和/或电封装类型。例如，如上面所讨论的，LED可以指代具有多个管芯的单个发光器件，该多个管芯配置成分别发射不同的辐射光谱(例如，其可以是或可以不是单独可控的)。而且，LED可以与被视为LED(例如某些类型的白色LED)的组成部分的磷光体相关联。一般而言，术语LED可以指代封装的LED、未封装的LED、表面安装LED、板上芯片LED、T封装安装LED、径向封装LED、功率封装LED、包括某种类型的外壳和/或光学元件(例如，漫射透镜)的LED等等。

术语“光源”应当理解为指代各种辐射源中的任一种或更多，包括但不限于基于LED的源(包括如上面定义的一个或多个LED)、白炽光源(例如，白炽灯、卤素灯)、荧光源、磷光源、高强度放电源(例如，钠汽灯、汞汽灯、金属卤化物灯)、激光、其他类型的电致发光源、热发光源(例如，火焰)、蜡烛发光源(例如，气灯罩、碳弧辐射源)、光致发光源(例如，气体放电源)、使用电子饱和的阴极发光源、电流发光源、结晶发光源、显像管发光源、热致发光源、摩擦发光源、声致发光源、辐射发光源以及发光聚合物。

给定光源可以配置成生成可见光光谱内的、可见光光谱外的或者两者组合的电磁辐射。因此，术语“光”和“辐射”在本文中可交换地使用。另外，光源可以包括作为组成部件的一个或多个滤波器(滤色器)、透镜或其他光学部件。而且，应当理解，光源可以配置用于各种应用，包括但不限于指示、显示和/或照射。“照射源”是被具体配置成生成具有足够强度的辐射以有效地照射内部或外部空间的光源。关于这点，“足够强度”指代在空间或环境中生成的可见光光谱内的足够辐射功率(就辐射功率或“光通量”而言，往往采用单位“流明”以表示所有方向上来自光源的总光输出)以提供环境照射(即，光可以被间接察觉并且例如可以在被全部或部分地察觉之前从各种中间表面中的一个或多个表面反射)。

术语“光谱”应当理解为指代由一个或多个光源产生的辐射的任一或更多频率(或波长)。因而，术语“光谱”指代不仅在可见光范围内的频率(或波长)而且在红外、紫外以及总电磁频谱的其他区域内的频率(或波长)。而且，给定的光谱可以具有相对窄的带宽(例如，具有大致上很少频率或波长分量的FWHM)或者相对宽的带宽(具有各种相对强度的若干频率或波长分量)。还应当明白，给定的光谱可以是混合两个或更多其他光谱的结果(例如，混合分别从多个光源发射的辐射)。

对本公开来说，术语“颜色”与术语“光谱”可互换地使用。然而，术语“颜色”通常用来主要指代可由观察者察觉的辐射的属性(尽管这种使用不旨在限制这个术语的范围)。因而，术语“不同颜色”隐含地指代具有不同波长分量和/或带宽的多个光谱。还应当明白，术语“颜色”可以与白光和非白光两者一起结合使用。

术语“色温”在本文中通常与白光一起结合使用，尽管这种使用不旨在限制这个术语的范围。色温大致上指代特定颜色内容或阴影(例如，泛红的、泛蓝的)。给定辐射样本的色温常规地根据辐射与所讨论的辐射样本大致上相同光谱的黑体辐射体的以开氏度(K)为单位的温度来表征。黑体辐射体色温通常落入从大约700开氏度(一般被认为是对人眼可见的第一色温)到大于10,000开氏度的范围内；白光通常在大于1500-2000开氏度的色温被察觉。

较低色温通常指示具有更多的红色分量或“较暖感觉”的白光，而较高色温通常指示具有更多的蓝色分量或“较冷感觉”的白光。通过示例的方式，火具有大约1,800开氏度的色温，常规白炽灯具有大约2848开氏度的色温，早晨日光具有大约3,000开氏度的色温，而多云的正午天空具有大约10,000开氏度的色温。在具有大约3,000开氏度的色温的白光下查看的彩色图像具有相对泛红的色调，而在具有大约10,000开氏度的色温的白光下查看的相同彩色图像具有相对泛蓝的色调。

术语“照明器材”在本文中用来指代特定形状因数、组装或封装中的一个或多个照明单元的实施或布置。术语“照明单元”在本文中用来指代包括相同或不同类型的一个或多个光源的设备。给定的照明单元可以具有各种用于光源的安装布置、外壳/外罩布置及形状、和/或电气和机械连接配置的任一种。另外，给定的照明单元可选地可以与涉及光源操作的各种其他部件(例如，控制电路)相关联(例如包括耦合到各种其他部件和/或与其一起封装)。“基于LED的照明单元”指代单独地或与其他非基于LED的光源组合而包括如上所讨论的一个或多个基于LED的光源的照明单元。“多通道”照明单元指代基于LED的或非基于LED的照明单元，其包括至少两个配置成分别生成不同辐射光谱的光源，其中每个不同源光谱可以被称为多通道照明单元的“通道”。

术语“控制器”在本文中通常用来描述涉及一个或多个光源的操作的各种设备。控制器可以以众多方式(例如，诸如用专用硬件)来实施以执行本文所讨论的各种功能。“处理器”是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，该微处理器可以使用软件(例如微代码)进行编程以执行本文所讨论的各种功能。控制器可以采用或不采用处理器来实施，并且还可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件与用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程微处理器和相关联电路)的组合。在本公开的各个实施例中可以采用的控制器部件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各个实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(在本文中通称为“存储器”，例如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM，软盘，高密度磁盘，光盘，磁带等等)相关联。在一些实施方式中，存储介质可以用一个或多个程序进行编码，该程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行本文所讨论的功能中的至少一些功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内或者可以是可传送的，以使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中以便实施本文所讨论的本发明的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在本文中在一般意义上用来指代可以被采用来对一个或多个处理器或控制器进行编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。

术语“可寻址的”在本文中用来指代配置成接收旨在用于包括自身的多个装置的信息(例如数据)和选择性地对旨在用于其的特定信息做出响应的装置(例如，一般的光源、照明单元或器材、与一个或多个光源或照明单元相关联的控制器或处理器、其他非照明相关装置等等)。术语“可寻址的”往往与联网环境(例如下面进一步讨论的“网络”)结合使用，其中多个装置经由某一个或多个通信介质被耦合在一起。

在一个网络实施方式中，耦合到网络的一个或多个装置可以用作用于耦合到网络的一个或多个其他装置的控制器(例如，以主/从关系)。在另一种实施方式中，联网环境可以包括配置成控制耦合到网络的一个或多个装置的一个或多个专用控制器。通常，耦合到网络的多个装置每个均可以访问存在于该一个或多个通信介质上的数据；然而，给定的装置可以是“可寻址的”，原因在于其配置成例如基于分配给它的一个或多个特定标识符(例如“地址”)而选择性地与网络交换数据(即接收来自网络的数据和/或发送数据到网络)。

如本文所用的术语“网络”指代两个或更多装置(包括控制器或处理器)的任何互连，其便于在耦合到网络的任何两个或更多装置之间和/或多个装置之间传送信息(例如进行装置控制、数据存储、数据交换等等)。如应当容易明白的，适合于互连多个装置的各种网络实施方式可以包括各种网络拓扑中的任一种并且采用各种通信协议中的任一种。另外，在根据本公开的各种网络中，两个装置之间的任何一种连接可以代表两个系统之间的专用连接，或者可替换地代表非专用连接。除了携带旨在用于两个装置的信息之外，这样的非专用连接可以携带不必旨在用于两个装置的任一者的信息(例如开放网络连接)。而且，应当容易明白，如本文所讨论的装置的各种网络可以采用一种或多种无线、有线/电缆、和/或光纤链路以便于在整个网络中的信息传送。

如本文所用的术语“用户接口”指代人用户或操作员与一个或多个装置之间的接口，该接口使得用户和装置之间能够通信。在本公开的各种实施方式中可以采用的用户接口的示例包括但不限于开关、电位计、按钮、刻度盘、滑块、鼠标、键盘、键区、各种类型的游戏控制器(例如游戏杆)、跟踪球、显示屏、各种类型的图像用户界面(GUI)、触摸屏、麦克风以及其他类型的可以接收某种人生成的刺激并响应于此刺激而生成信号的传感器。

术语“光学传感器”用来定义具有响应于入射光的特性(诸如其光通量输出或辐射通量输出)的可测量传感器参数的光学装置。

术语“宽带光学传感器”用来定义响应于在宽波长范围、诸如可见光光谱内的所有光波长的光学传感器。

术语“窄带光学传感器”用来定义响应于在窄波长范围、诸如可见光光谱的红色区内的所有光波长的光学传感器。

术语“色度”用来定义根据北美照明工程协会的标准的所察觉的光颜色感觉。

术语“光通量”用来定义根据北美照明工程协会的标准的由光源发射的可见光的瞬时量。

术语“光谱辐射通量”用来定义根据北美照明工程协会的标准的在指定波长由光源发射的电磁功率的瞬时量。

术语“光谱功率分布”用来定义由光源发射的光谱辐射通量在一波长范围、例如诸如可见光光谱上的分布。在一些实施例中，光谱功率分布的属性还可与光源的光谱和颜色相关联。

术语“辐射通量”用来定义由光源发射的光谱辐射通量在指定波长范围上的总和。

术语“滤波器”在本文中用来指代信号处理器装置，其中信号被操纵以去除、增强或以其他方式改变信号分量的至少一部分。滤波器的示例包括无源、有源、数字、模拟、低通、高通、带通、巴特沃思(Butterworth)、梳状和如本领域技术人员将理解的其他滤波器设计。

术语“混合”在本文中用来指代信号处理或滤波方法，其中使用一个或多个参考信号来操纵时变信号以产生时变信号的至少一部分的改变的表示。例如，混合可以用来转变或转换周期或准周期信号的频率，提供指示时变信号的各方面的输出、诸如DC信号，或者以其他方式操纵信号以便于从中提取信息。术语“混合器”在本文中用来指代执行混合的装置，诸如包括信号乘法器并且可选地包括本地振荡器、相位检测器和/或一个或多个附加滤波器的装置。零差接收器、外差接收器、锁定滤波器或放大器等等是包括混合器的装置的示例。

应当明白，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设这样的概念不相互矛盾)都被预期作为本文公开的发明主题的一部分。具体而言，在本公开结尾出现的所要求保护主题的所有组合都被预期作为本文公开的发明主题的一部分。还应当明白，本文所明确采用的也可能出现在通过引用并入的任何公开中的术语应当给予最符合本文公开的特定概念的意义。

附图说明

在附图中，相似的附图标记通常在不同视图中总是指代相同部件。而且，附图不一定按比例绘制，相反，重点通常在于说明发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的照射系统的框图。

图2A是根据本发明的一个实施例的滤波模块的框图。

图2B是根据本发明的一个实施例的补偿模块的框图。

图3说明了由绿色、蓝色和白色LED形成的样本光学光谱以及宽带光学传感器的响应曲线的样本。

图4A说明了根据本发明的一个实施例的用于多个光源的脉冲群以及来自光学传感器的接收信号。

图4B说明了图4A所示的接收信号的快速傅立叶变换。

图5说明了根据本发明的一个实施例的在频域中来自4A的接收信号以及为滤波模块所选择的带通滤波器。

图6说明了根据本发明的一个实施例的在使用带通滤波器滤波后的来自图5的接收信号。

图7说明了根据本发明的一个实施例的滤波后的接收信号与滤波后的参考信号的卷积。

图8说明了图7的信号的DC频率分量。

图9说明了根据本发明的一个实施例的PWM波的一次谐波的振幅变化。

图10说明了根据本发明的一个实施例的PWM占空比补偿因数。

图11说明了根据本发明的一个实施例的改变绿色光源强度同时将蓝色光源发射保持恒定的影响。

图12说明了根据本发明的一个实施例的光源的实际强度和检测强度之间的比较。

图13说明了根据本发明的一个实施例的外差信号的低频分量。

图14说明了根据本发明的一个实施例的用于生成期望输出光的方法。

具体实施方式

本发明源于以下实现：来自具有不同颜色的光源的组合的输出光的光通量输出和色度可以通过光学反馈以调节这些光源的驱动电流而维持在期望的水平。然而，使用光学反馈控制来维持一致的输出光由于诸如窄带光学传感器之间的串扰和测量来自光源的光所用的低采样频率之类的限制而很难实现。这些不期望的影响进而会减小反馈控制系统的响应时间并且会在来自所检测和评价的不同颜色光源的辐射通量的数量中引入误差。

本发明试图克服这些对光学反馈控制系统的不期望影响，由此与特定颜色对应的一个或多个光源的每个阵列的控制信号被独立地配置成提供具有彼此不同的频率的驱动电流。信号处理模块配置成从由宽带光学传感器收集的混合辐射通量输出的样本中区分与光源的每个不同颜色对应的辐射通量。信号处理模块包括一个或多个滤波模块，每个滤波模块的输出与相关联颜色的光源的辐射通量输出基本成正比。这个信息可以随后连同输出光的期望光通量和色度一起被控制器使用，以便为每种颜色的光源阵列生成随后的控制信号。

更一般地，申请人已经意识到并且明白，基于观测和区分由提供混合光的一个或多个组成(component)光源的光输出的可识别时变方面来区分混合光的不同颜色光源的属性将是有益的。通过区分组成光源的属性，可以便于光学反馈。

鉴于前述，本发明的各个实施例和实施方式针对：提供来自在照明单元中提供混合光的两个或更多光源的时变光输出，该时变光输出在光源之间不同；以及基于这些时间变化来感测和滤波混合光以便测量来自每个光源的光的方面。例如，来自每个光源的光可以以不同的预定频率进行调制或受脉冲作用，并且滤波可以包括诸如带通滤波的时间滤波，诸如零差、外差或锁定滤波的混合/解调技术，以及补偿操作。不同的滤波操作可以应用于指示所感测光的光学信号以区分来自不同光源的光的至少一部分的辐射通量或强度。这些滤波操作的输出可以用来确定由于用预定信号驱动一个或多个组成光源而从该光源发射的光的强度，这对于光源以及延伸到照明单元或照明器材的反馈控制而言是有用的。

在本发明的一些实施例中，诸如滤波和/或混合的某些操作可以导致关于来自光源的光的信息的损失。为了补偿这样的损失，本发明的实施例通过将滤波和混合的结果与指示来自光源的光或其驱动电流的其它属性组合来提供关于光源的信息的恢复。例如，指示来自PWM驱动光源的光的占空比和/或振幅的信号可以从光源驱动电流或光学传感器输出中获取，并且这些信号与部分地指示来自光源的光的强度的滤波信号组合以导出更能代表来自光源的光的强度的补偿信号。

光源的控制

本发明提供用于使用时变驱动信号来驱动对混合光有贡献的光源的控制构件。这些驱动信号是使用控制信号配置成产生期望的照明效果并且还可以配置成具有可识别的时变分量。修改信号可以用来至少部分地配置控制信号，该修改信号例如指示控制信号的选定调制频率和/或占空比。参照图1，在一个实施例中，用于激励光源的控制信号对应于诸如具有特定脉冲频率的脉宽调制(PWM)信号的切换波形，其中脉宽调制信号的频率可以由从控制系统199接收的信号进行修改或选择以使得该频率对于每种颜色的光源都是不同的。例如，频率f₁可以被选择用于红色光源135，频率f₂可以被选择用于绿色光源140，且脉冲频率f_n可以被选择用于蓝色光源145。

例如，控制系统199经由多频率发生器100可以生成独立不同的PWM控制信号用以传输到光源调制器105、110和115，其中这些光源调制器将预定信号传输到光源电流驱动器120、125和130，该光源电流驱动器120、125和130能够通过向光源135、140和145供应驱动电流而激励光源135、140和145。电流驱动器可以是电流调整器、开关或其他为本领域技术人员所熟知的类似装置。用于控制和驱动光源的功率可以由电源104提供。

在一个实施例中，PWM控制信号是使用模拟或数字修改信号来配置的，该模拟或数字修改信号指示时变方面、诸如驱动电流或PWM控制信号的频率和/或占空比。例如，修改信号自身可以是与PWM控制信号或驱动电流基本类似的波形，或者是携带与如何生成这种驱动电流或指示其的控制信号有关的信息的另一信号。

在一个实施例中，PWM或其他脉冲信号的频率是以赫兹(Hz)测量的，即每秒该信号循环或重复的次数。例如，对于切换开值(on-value)和关值(off-value)的PWM信号，PWM信号从开值的开始到随后的关值的末尾的部分可以被视为一个循环。PWM信号显示开值的时间与PWM信号的循环时间之比可以被视为PWM信号的占空因数或占空比。占空因数或占空比可以可替换地被视为零和一之间的值，与PWM信号的平均值成比例。具有多于两个级别或具有其他时间切换行为的切换波形可以例如使用叠加原理或本领域技术人员所理解的其他技术进行类似的分析。

在本发明的各个实施例中，PWM信号的脉冲频率可以在固件中生成。例如，控制系统的高频时钟可以被使用，其中来自时钟的输出可以被分成所需数量的较低频率信号。这个所需数量可以基于照射系统内不同颜色的发光元件的数量、独立控制的光源阵列的数量或者其他本领域技术人员容易理解的准则来确定。可替换地，脉冲编码调制(PCM)或技术人员容易知晓的其它脉冲调制方法可以代替脉冲宽度调制而被使用。

在本发明的一些实施例中，在光源的操作控制中所使用的脉冲频率被选择成使得没有一个脉冲频率是彼此的整倍数。例如，这可以通过避免存在来自不同光源的相同频率谐波而便于区分滤波模块中来自不同光源的光。用于光源的操作控制的脉冲频率可以是彼此的整倍数。在这种情况下，由滤波模块区分来自不同光源的光可能要求进一步的处理，例如以补偿在滤波和/或解调期间来自不同光源的谐波贡献。

在一个实施例中，用户接口(未示出)被操作性地耦合到控制器以从系统的用户获得输出光的光通量输出和色度的期望值。在另一个实施例中，照射系统可以将输出光的期望光通量输出和色度存储在其存储器中。

本领域技术人员将意识到，由控制器生成的PWM控制信号或PCM控制信号可以作为计算机软件或固件而实施在计算机可读介质上，该计算机可读介质具有用于确定PWM控制信号序列的指令。

如本领域所知的，诸如PWM、PCM或其他信号的时变信号可以通过傅立叶分析而表示为正弦信号的叠加，此正弦信号一般称为谐波。在一个实施例中，对于两级PWM矩形波信号，该叠加可以包括DC信号、基本谐波分量和高阶谐波。基本谐波分量可以由具有与PWM信号相同频率的正弦信号表示，且高阶谐波可以由具有为基频整倍数的频率的正弦信号表示。PWM信号的时变谐波的基本谐波分量往往具有最高振幅。另外，DC、基本谐波分量和高阶谐波分量的相对振幅可以随占空比以基本可预测的方式变化。

例如，具有振幅A、周期T₀和占空比τ的适当时移的PWM信号或不对称的脉冲群可以由如下的时变等式表示：

$x\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{A\&Pi;}\left(\frac{t}{T_0\mathrm{\&tau;}}\right),-T_0/2<t<T_0/2\\ x(t+T_0),\&ForAll;t\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中∏(t)是单位脉冲函数，该单位脉冲函数对于|t|＜1/2具有值1而在其他地方具有值零。(1)的傅立叶级数展开得到如下的可替换表示：

$x\left(t\right)=\mathrm{A\&tau;}+\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_n\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;nt}}{T_0}\right),$ 其中 $A_n=\frac{2A}{\mathrm{n\&pi;}}\sin \left(\mathrm{n\&pi;\&tau;}\right).---\left(2\right)$

即，PWM信号可以由与占空比成比例的DC信号和在为PWM信号频率的整倍数的频率处振幅降低的一系列正弦变化谐波的叠加来表示。表示(2)的意义在本文中将关于指示由切换PWM波形驱动的光源所发射的光的信号的滤波、混合和补偿而变得显而易见。

光源

这些光源适于分别生成在可见光光谱的红色、绿色和蓝色区中的辐射或者可以发射如本领域技术人员容易理解的其他颜色的光。在本发明的另一个实施例中，其他颜色、诸如琥珀色的光源也可以单独地或与红色光源、绿色光源和蓝色光源组合使用。可选地，这些光源可以被安装在单独的热沉(未示出)上以改进在工作中光源所生成的热量的热管理。

如本领域技术人员将理解的，对于由诸如PWM驱动电流的切换波形驱动的光源，预期光源发射的光可能根据基本类似的切换波形进行改变，或者光可能例如由于诸如电容和电感之类的因素而展现出对切换驱动电流的诸如非零切换时间的延迟或歪曲响应。光源的非理想响应可以在本发明的实施例中被考虑和补偿。例如，指示来自光源的光的光学信号的电子处理可以被执行以应用与电流驱动器、光源和光学传感器的组合传递函数相反的信号转换。可替换地，本文所公开的滤波和补偿可以如本领域技术人员所理解地那样调节以便按照光源、电流驱动器和/或光学传感器的非理想响应是直接可应用的。

注意，由红色光源、绿色光源和蓝色光源中的每个所发射的有色光的组合或者可替换地由其他颜色组合可以产生特定光通量和色度的输出光，例如白光或者由不同颜色的光源定义的色域的任何其他颜色的光。

在一个实施例中，照射系统包括混合光学器件(未示出)以使得通过混合来自红色光源、绿色光源和蓝色光源以及可选的其他颜色光源的光生成的输出光在空间均匀。

一般如本领域所理解的，脉冲调制方法、诸如PWM或PCM可以用来控制由光源发射的光的察觉强度，原因在于光源发射的光的快速变化基本上不能察觉。相反，一般察觉到平均强度。因此，通过提高或降低脉冲调制光源的占空因数或占空比，光源的察觉强度可以被相应地提高或降低。

光学传感器

本发明提供一个或多个光学传感器以用于提供指示入射到其上的混合光的光学信号而用于照射系统的反馈控制。光学传感器150可以是光电晶体管、光电传感器集成电路(IC)、未激励的LED、带有光学滤波器的硅光电二极管等等。在本发明的一个实施例中，光学传感器150是带有光学滤波器的硅光电二极管，其具有对可见光光谱内的光谱辐射通量基本恒定的响应度。使用光学滤波的硅光电二极管的优点在于，这种配置不需要任何多层干涉滤波器。结果，这种形式的光学传感器不需要基本准直的光。在本发明的另一个实施例中，指示入射在光学传感器150上的辐射通量的光学信号可以使用与光学传感器相关联的放大器电路进行电预处理或者可以由控制器199中的模拟或数字构件处理。

滤波模块

本发明提供一个或多个滤波模块，该滤波模块配置成区分和/或测量由光学信号所表示的组成光源发射的光方面。例如，滤波模块可以配置成通过处理指示混合光的光学信号来测量混合光中的每种不同颜色光源的辐射通量。滤波和区分每种颜色光源可以是基于利用由每个光源发射的光的预定时变标记(signature)，例如由于其被在预定频率的PWM信号所驱动的原因。

再次参照图1，在一个实施例中，宽带光学传感器150的输出耦合到信号处理模块198，该信号处理模块配置成处理光学信号并且包括用于为每个滤波模块180、185和190生成输入的信号分配器模块160。滤波模块180、185和190还接受在驱动电流的配置中使用的控制的形式或者例如由控制器195提供的相关联修改信号的形式作为输入。滤波模块180、185和190的输出耦合到控制器195，并且表示来自电子滤波器165、170和175的每种颜色的光源的辐射通量输出的值。基于这些值，控制器195可以调节用于红色光源135、绿色光源140和蓝色光源145的驱动电流的量以便将输出光的光通量和色度维持在期望水平。

在一些实施例中，滤波模块180、185和190还包括混合模块235和/或补偿模块255，如图2A和2B所示。混合模块235可以配置成例如使用频率转换来转换所接收的光学信号或其他输入200的至少一部分以便于分析。补偿模块255可以配置成对指示所测量的光方面的信号230提供校正，例如以补偿在滤波和/或混合期间损失的信息，从而改进由滤波模块提供的测量。在这些实施例的一些方面中，混合模块235和/或补偿模块255配置成使用控制器提供的信号来支持它们的操作，该信号诸如为基于控制或修改信号的全部或部分信号。这种全部或部分信号可以配置为参考信号205。

在本发明的一个实施例中，滤波模块或混合模块235的至少一部分配置为零差接收器、外差接收器、锁定滤波器等等，其中例如为被监视的每种颜色的光源提供适当接收器的实施方式。零差接收器和外差接收器的示例示于图2A中。如本领域技术人员所知晓，这两种接收器配置之间的差别在于用于参考信号的选定频率。外差接收器具有与所接收信号频率的频率不同的参考信号，而零差接收器具有与所接收信号频率相同的频率的参考信号。锁定滤波器或接收器可以被视为零差接收器，其中参考信号是诸如方波信号而不是正弦参考信号的切换波形。锁定滤波器可以简单地以数字方式来实施，如本领域技术人员会理解的。

在本发明的一个实施例中，如图2A所示，滤波和混合可以包括下列各项。指示混合光的所接收信号200由带通滤波器210滤波，该带通滤波器210具有以被监视的颜色的光源的脉冲频率为中心或其附近为中心的中心频率。因而，带通滤波器210的输出可以是指示脉冲频率附近的输入信号的谐波的滤波信号。滤波以选择其他谐波也是可能的。另外，如果需要的话，参考信号205可以由滤波器215滤波。参考信号205的滤波可能与滤波模块类型的实施方式有关，例如对于零差接收器而言可能需要滤波，然而对于外差接收器或锁定滤波器系统而言可能不需要对参考信号205的滤波。例如，可以提供对所接收信号200和参考信号205的滤波以便衰减谐波和其他干扰信号。所得到的滤波信号被混合，这可能基本上包括由乘法器220对这些信号相乘。在本实施例的一个方面中，所得到的信号随后由低通滤波器225滤波，产生经滤波且经转换的信号230，其基本上指示被评价的特定一个或多个光源的光通量输出。

例如，图3说明了包括绿色光源310、蓝色光源320和白色光源330的照射系统的样本光学光谱。这个图还说明了宽带光学传感器340的样本响应曲线和混合的绿色、蓝色及白色光的净光谱350。滤波模块配置成从绿色、蓝色及白色光源的混合和感测的光恢复指示绿色、蓝色及白色光源的光谱的信号。

在一个实施例中，来自由PWM、PCM或其他信号驱动的光源的光的方面可以通过测量驱动信号的基本谐波分量和/或可选地一个或多个高阶谐波分量的方面或者指示光源的光输出的相关信号来测量。测量可以通过诸如例如本文所描述的在驱动信号频率量级或其整倍数的频率处的时间滤波、混合/解调、以及补偿操作的滤波动作的组合来完成。所测量分量与感兴趣信号之间的关系可以用来恢复对反馈目的有用的信息。此外，通过仅测量选定的基本谐波和/或高阶谐波分量，可以显著地减小来自未被测量的光源的干扰。

混合

诸如光学信号或基于光学信号的滤波信号的所接收信号的混合涉及使用参考信号来处理所接收信号，例如通过将两个信号相乘或者通过等效的数字或模拟处理，如本领域技术人员会理解的。混合可以由零差、外差或其他接收器或滤波器的操作来表示，如本领域技术人员会理解的。在一个实施例中，用于每个滤波或混合模块的参考信号是从施加到光源的驱动信号获取的或者可替换地从诸如光源调制器或控制器的另一源获取的。例如，这样获取的参考信号可以是施加到光源的PWM驱动信号的大致的复制品。在一些实施例中，通过滤波这些参考信号，可以获取具有与驱动信号相同频率的适合于解调的基本正弦信号。例如，PWM驱动信号可以使用带通滤波器与所接收PWM信号类似地进行滤波以在PWM频率处获取具有预定振幅的基本正弦信号。在另一个实施例中，参考信号被独立地生成，具有与光源的频率匹配的频率，例如由控制器或光源调制器所指示的频率。本地振荡器和/或锁相环或者其他振荡电路可以用来生成参考信号。

零差接收器

以下是根据本发明的一个实施例配置为零差接收器的滤波或混合模块的使用的示例，该模块已应用到图3所示的样本光谱。在这个配置中，照射系统包括发射绿光、蓝光和白光的光源。

本发明的一个实施例示于图4A和4B。图4A说明了绿色光源的PWM脉冲群410、蓝色光源的PWM脉冲群420和所接收信号440。在本发明的这个实施例中，所接收信号包括噪声以及由每个光源生成的响应，即由宽带光学传感器接收的所检测辐射或光通量输出。而且，图4B说明了图4A所示的所接收信号的快速傅立叶变换450。

在本发明的一些实施例中，使所接收信号通过以该特定颜色的光源的脉冲频率为中心的带通滤波器。图5说明了所接收信号的光谱500和用于对这个所接收信号进行滤波的两个带通滤波器的光谱，即具有等于f₁的中心频率的第一带通滤波器光谱510和具有等于f₂的中心频率的第二带通滤波器光谱520，其中频率f₁和频率f₂可以基于为相应颜色的光源所选择的驱动频率来选择。在一些实施例中，这些带通滤波器可以具有相对低的Q或者滤波器中心频率与滤波器半高全宽带宽之比，例如Q＝5。图6说明了在其已经被图5所示的带通滤波器滤波后的所接收信号。示出了第一滤波器的输出的光谱610和第二滤波器的输出的光谱620。

在本发明的一个实施例中，当这是零差接收器实施方式时，乘上滤波后的所接收信号的参考信号是基于用于控制不同颜色的光源的控制或修改信号。例如，参考信号可以指示PWM驱动电流。参考信号每个均与上面的滤波后的所接收信号之一相关联，并且可以同样通过具有中心频率f₁和f₂的带通滤波器。

例如，如果由表达式(1)和(2)中的x(t)所表示的且具有基本接近f₁的PWM频率1/T₀的PWM信号被在中心频率f₁具有单位增益的滤波器接收和滤波，则滤波器的输出将包括可以由y(t)＝(2A/π)sin(πτ)cos(2πf₀t)表示的基本未衰减的分量以及可能包括其他衰减的信号分量。对应于y(t)的输出则是在PWM频率的基本正弦信号，其携带关于光源发射的光强度的信息并且编码在振幅A和占空比τ中。

对于零差探测，每种颜色光的每个滤波后的所接收信号乘以对应的且可选地滤波后的参考信号。在本发明的一个实施例中，这些信号在时域中进行相乘。图7说明了第一和第二滤波后的参考信号与对应的第一和第二滤波后的所接收信号610和620的乘积的光谱，以分别得到输出信号710和720。为清楚起见，两个输出信号710、720已经相对于彼此按比例绘制。例如，图7说明了所得到乘积信号的卷积，因为这是在频域中示出的。

所接收信号与具有相同频率的参考信号的相乘导致具有基本DC分量的输出，该DC分量的值与两个信号的振幅乘积成比例并且受两个信号之间的相位影响。这可以通过具有相同频率的两个任意正弦曲线乘积的以下表示来说明：

$A_1\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{1}t\right)A_2\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&phi;})=\frac{A_1{A}_2}{2}\cos \left(\mathrm{\&phi;}\right)+\frac{A_1{A}_2}{2}\cos (2{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\mathrm{\&phi;}).---\left(3\right)$

在本发明的一个实施例中，通过监视所处理信号的DC分量，其可以是滤波后的所接收信号与滤波后的参考信号的乘积，人们可以识别信号的变化。因而例如在表达式(3)中，如果A₁表示滤波后的所接收信号的振幅，并且A₂和φ表示滤波后的参考信号的预定或测量振幅和相对相位，则表达式(3)的右手侧的第一项可以通过对所处理信号应用低通滤波器来恢复，并且已知A₂和φ就可以恢复A₁。例如图8所示，人们可以监视绿色光源和蓝色光源的所处理信号的DC分量，其中图8分别说明了图7所示的信号710和720的低频分量810和820。这些分量的值可以与所接收信号的基本谐波分量的振幅成比例，且因此与光源发射的光强度成比例。

外差接收器

根据本发明的另一个实施例，混合或滤波模块配置为外差接收器，其中用于这种滤波技术的参考信号不同于其所相乘的PWM信号的频率。如此，参考信号可以使用振荡器或如本领域技术人员容易理解的其他信号发生装置来生成。在一个实施例中，当生成这种形式的参考信号时，在与滤波后的所接收信号相乘之前可能不需要任何滤波器。所接收信号与参考信号的相乘可能是一种形式的混合或信号频率转换，并且预期可应用其他混合转换的方法，如本领域技术人员会理解的。

在一个实施例中，所接收信号与具有不同频率的参考信号的相乘导致具有DC分量的输出，该DC分量的值与两个信号的振幅A₁和A₂乘积成比例并且受两个信号之间的相位影响。这可以通过具有不同频率ω₁和ω₂以及相移φ的两个任意正弦曲线乘积的以下表示来说明：

$A_1\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{1}t\right)A_2\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{2}t+\mathrm{\&phi;})=\frac{A_1{A}_2}{2}(\cos (({\mathrm{\&omega;}}_1+{\mathrm{\&omega;}}_2)t+\mathrm{\&phi;})+\cos (({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_2)t+\mathrm{\&phi;})).---\left(4\right)$

在本发明的一个实施例中，所接收信号被滤波并且与正弦参考信号相乘，并且该结果使用低通或带通滤波器被滤波以去除不期望的分量。这类似于去除表达式(4)的右手侧的第一项。在本实施例的方面中，最后滤波器的输出一般在比所接收信号更低的频率振荡。例如，在表达式(4)中，输出频率(ω₁-ω₂)在一些实施方式中低于所接收信号频率ω₁。这个中间频率信号可以更易于分析，并且含有关于光源强度的例如编码在振幅A₁中的信息。

应用于如上面所定义的零差接收器的技术的其余部分可以用于被配置为外差接收器的滤波或混合模块。例如，DC或时变信号可以被监视以检测光源发射的光方面的变化。对于上面关于零差接收器给出的示例，图13说明了根据本发明的一个实施例从外差接收器确定的、绿色光1310和蓝色光1320的相乘的参考信号和所接收信号的频率分量。

接收器或滤波器的其他实施例

虽然本文描述的零差和外差接收器以及相关联技术被引用作为滤波和区分来自不同光源的光的示例性构件，但是预期这些技术的其他变型、添加和改进是有用的。例如，用于混合或转换数字或模拟信号的许多技术在无线电工程和信号处理中是已知的。

在一个实施例中，本发明包括用于区分来自不同光源的光的超外差接收器。典型地，如本领域所知晓，超外差接收器可包括至少两级，其中所接收信号可以首先被滤波并下转换到中间频率，其然后可以被进一步滤波并转换到基带频率。基于上面描述的零差和外差接收器的操作，本领域技术人员会理解如何使用超外差接收器来实施本发明。

在一个实施例中，本发明包括用于区分来自光源的光的锁定滤波器或接收器。锁定滤波器或接收器与零差或外差接收器类似，其中参考信号一般是矩形波或切换波形信号，例如指示与被监视的光源相关联的控制或修改信号。另外，如果锁定滤波器被设计成容纳PWM或PCM信号，则该锁定滤波器可以不需要对所接收信号的显著滤波。相反，参考信号可以数字地起作用，例如以在参考信号的切换时间接通和断开信号变换器。

光学信号补偿

在本发明的各种实施例中，应用于光学信号的滤波和/或混合操作可能潜在地去除与滤波器所监视的光源对应的光学信号的部分。例如，除了去除光学信号的不期望分量(诸如，指示与滤波模块配置为所要区分的颜色不同颜色的光的分量)之外，也可能发生这样的滤波，并且这样的滤波实际上可能是这个过程的副作用。作为示例，在混合期间所应用的带通滤波器可以去除与PWM驱动光源对应的光学信号的一些谐波。在光学信号的部分的去除可能导致关于来自被监视光源的光的信息的损失时，本发明可以提供诸如经由补偿模块执行的光学信号补偿，该补偿模块可配置成补偿信息损失以便恢复被监视的光源的方面的更有用的表示，从而用于反馈目的。

在一个实施例中，滤波和混合可配置成提供基本仅指示波形的基本谐波分量的振幅的输出，该波形指示来自选定光源的输出光。因此，补偿操作可配置成经过预定关系将所提供的输出关联到来自感兴趣光源的光强度，例如使用基本谐波的振幅和关于光源输出波形的占空比的信息来重构与来自光源的光强度成比例的值。这种重构可以基于这三个变量之间的建模关系，诸如由基本谐波分量的傅立叶级数振幅系数所表示的建模关系。

在另一个实施例中，滤波和混合可配置成提供指示基本谐波分量和一个或多个高阶谐波分量的振幅的输出。补偿操作然后可将这个输出关联到来自感兴趣光源的光强度。例如，若干谐波的振幅可被分析以通过将这些振幅与预定模型关联来导出与光强度成比例的值，该预定模型代表指示光源的输出光的一类波形，诸如具有不同占空比的一类PWM波形。作为示例，两个或更多谐波的绝对和/或相对振幅可以关联到PWM信号的谐波的参数化傅立叶级数振幅系数以便确定指示来自光源的光强度的值。

在示例性实施例中，当PWM或其他切换波形的占空比从50％变化时，PWM信号中的谐波的相对振幅增加。然而同时，包括基频的这些谐波的绝对值下降。这两种现象都可以在表达式(2)中A_n与τ的相关性中看出，即：

$\left|A_n\right|=\left|\frac{2A}{\mathrm{n\&pi;}}\sin \left(\mathrm{n\&pi;\&tau;}\right)\right|.---\left(5\right)$

其中A_n是n阶谐波的振幅，τ是占空比并且A是PWM信号的振幅。例如，随着占空比被改变，PWM信号的基本谐波关于PWM信号的振幅的相对振幅900示于图9中。

因此，在本发明的一个实施例中，为了补偿基本谐波和高阶谐波的振幅随占空比的变化，补偿模块可以将例如指示基本谐波振幅的输入乘上与占空比τ有关的因数，从而导出指示例如来自由PWM信号驱动的光源的光强度的信号。例如，可以通过分析从参考信号或者未经滤波或经部分滤波的光学信号获取的基本PWM信号或者通过分析这样的信号的谐波的傅立叶系数而直接从控制器获取占空比。用于从基本PWM信号辨别占空比的设备可包括比较器、边沿触发器或者如本领域会理解的其他数字和/或模拟电子装置。

在一个实施例中，如上面描述的占空比补偿包括将解调器输出乘上表达式(5)中给出的振幅的倒数。例如，对于基本谐波，倒数振幅可以基本如下表示：

$A_1^{-1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2A\sin \left(\mathrm{\&pi;\&tau;}\right)}.---\left(6\right)$

在本发明的一个实施例中，占空比补偿因数1000示于图10中，并且已经在5％到95％占空比的范围上绘出。在某些实施例中，占空比未被扩展到这个范围之外，以避免潜在的处理问题，因为所接收信号振幅变得日益更小。

在本发明的一个实施例中，补偿可包括使用校准曲线、函数、查找表或等效方法将所观测的光强度关联到真实的光强度。例如，图11说明了例如指示绿色光源强度的信号1的观测和实际强度之间的基本线性相关性，同时将例如指示蓝色光源的信号2保持恒定。如所示，这个变化的强度可由拟合到观察数据点1115的基本直线1110表示，该基本直线1110定义校准曲线。在本发明的其他实施例中，校准曲线可以使用二次或其他多项式、指数、渐近线、正弦、或其他解析或非解析函数来定义。作为另一个示例，图12说明了由照射系统实施例发射的绿光1210和蓝光1220的实际和检测强度之间的相关曲线，例如对于绿光被拟合到观测数据1215以及对于蓝光被拟合到观测数据1225。

在一个实施例中，针对第一光源导出的信息可以在应用于第二光源的补偿操作中使用。例如，可以通过分析如上面描述的一个或多个谐波来预测由于第一光源的PWM波形引起的光学信号的谐波，并且例如通过从指示第二光源的信号中减去任何干扰谐波，来自这些预测的谐波的贡献可以在第二光源的分析中被去除。也可以以此方式执行多个光源的并行相互依赖的补偿。

用于提供驱动电流的方法

在本发明的实施例中，使用用于为每种颜色的光源提供驱动电流或相关联的控制或修改信号的替代技术，其可以使用宽带传感器而使得可以区分来自每种颜色的光源的光通量输出。

在本发明的一个实施例中，共同的切换波形信号、诸如PWM或PCM信号可以被调制以为不同光源生成不同电流驱动信号。例如，共同的PWM或PCM信号可被生成，其占空比或脉冲密度因数对于每个光源被不同地调制，导致以可以经由滤波进行区分的不同频率来驱动每个光源。在这个实施例的一种形式中，具有例如在30kHz和100kHz之间的脉冲频率n的共同PWM信号的占空因数在例如大约100Hz的更低频率m被调制以避免可察觉的闪动，其中m对于每个光源是不同的。该调制可包括使PWM信号的占空因数每1/m秒就增加预定量。例如，该预定量可由二进制值规定。然后具有中心频率m的带通滤波器可以在处理模块中被使用以区分根据所调制的PWM信号所生成的光。也可以对如本文所描述的调制信号执行混合和补偿。

在上面示例中描述的频率调制方案导致用方波调制的共同PWM信号。在这个实施例的另一个示例中，可以通过生成一系列调制波形以及在该一系列波形的每一个的选定切换点处周期性地提高占空比来执行共同PWM信号的调制。此外，为了减少调制信号的谐波内容，调制波形可以被选择成使得其叠加近似正弦波。

正弦波的适合近似可以通过利用两个或更多沃尔什(Walsh)函数来完成，例如在Photodection and Measurement：Maximizing Performancein Optical Systems by Mark Johnson，Section 5.6，Walsh Demodulators中所描述的。如本领域技术人员所知晓，Walsh函数是形成正交级数的双参数函数。这些函数可以与用于傅立叶分析和合成的正弦和余弦级数类似地使用来构造其他函数的近似。另外，因为Walsh函数本来就是数字的，所以它们在近似含有台阶的函数方面可以是高效的。这种解决方案的可能优点在于多个驱动器通道可以使用共同的时钟来提供PWM或PCM驱动信号，从而减小部件成本。

在本发明的另一个实施例中，PWM或PCM驱动信号可以使用其他已知的调制技术进行进一步的调制，包括但不限于幅度调制(AM)、频率调制(FM)、单边带调制(SSB)、相位调制(PM)、正交振幅调制(QAM)、振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、连续相位调制(CPM)、格码调制(TCM)、正交频分调制(OFDM)、时分复用(TDM)、码分多址(CDMA)、载波侦听多路访问(CSMA)、跳频扩频(FHSS)以及直接序列扩频(DSSS)技术。

在本发明的另一个实施例中，人们可以减小混合器、诸如锁定放大器对输入信号和参考信号之间的相位差的已知灵敏度，例如作为补偿的一部分。灵敏度减小可以包括例如借助于锁相环使参考信号与所接收信号或光学信号同步。如果所接收信号是PWM或PCM信号，灵敏度减小可以通过使参考信号与所接收信号的上升沿同步来实施。前述的频率调制则变为差分脉冲位置调制。例如，这个方法的潜在优点在于，来自光源的光可以由一个或多个信号处理模块区分而不需要电连接以从驱动控制器修改信号中导出参考信号。通过锁定到不同的预定频率上，单个锁定放大器因此可以用来监视联网照明系统中的多个光源或照明器材(例如照明器)的输出。

用于生成和区分混合光的示例方法

图14说明了根据本发明的示例性实施例的用于生成和区分混合光的方法。如所示，在步骤1410中为一个或多个光源的每个阵列生成用于生成和/或配置驱动电流控制信号的修改信号，并且随后在步骤1420中生成驱动电流。例如，修改信号可以指定具有特定振幅、频率和/或占空比的PWM驱动电流。光源由其相应的驱动电流驱动，并且所发射的光在步骤1430中混合。上面的步骤可以被表示为用于生成混合光的总步骤1400。

继续参照图14，在步骤1440中例如通过使用光学传感器来生成指示混合光的光学信号。该光学信号被用作到处理步骤的输入，该处理步骤通常描述为步骤1450并且可包括以下步骤。在可选的步骤1460中，光学信号被复制并且例如使用一个或多个带通滤波器进行滤波，每个滤波器以配置为有助于使指示来自选定光源的光的光学信号分量通过的频率为中心。另外，在步骤1465中，可以生成或导出参考信号，所述参考信号对应于要区分其光的一个或多个光源的每个阵列。例如，参考信号可以是修改信号、控制信号或基于此的信号的经滤波或未经滤波形式，或者可以本地生成，这取决于将使用的混合方法。在步骤1470中，经滤波或未经滤波的光学信号例如使用零差、外差或锁定滤波器技术与参考信号混合。混合是在经滤波的光学信号和参考信号之间执行的，这两个信号都对应于一个或多个光源的选定阵列。在可选的步骤1480中，可以对混合操作的结果执行补偿操作，以补偿在滤波和/或混合期间的任何信息损失。例如，如果混合操作生成由于来自光源的光的限带部分引起的光强度的指示，则补偿操作可以将这个指示与诸如驱动电流占空比的其他信息组合，以生成基本没有带宽限制的光强度的指示。最后，在步骤1490中，基于指示光的经处理且可选经补偿的信号来执行反馈控制，例如将光的指示与期望的光质量比较以及如果需要则调节修改信号和/或驱动电流。

上述方法或类似方法的至少部分可以可选地使用计算机程序产品来提供，诸如可以存储在计算机可读介质(例如磁盘或光盘)、RAM、ROM、信号或其他介质上。如本领域技术人员所理解，处理器可以读取计算机程序产品的语句并且依据这些语句来操作用于执行该方法的装置。

尽管本发明的方面已经给出基于傅立叶分析技术的信号处理，但预期诸如基于余弦变换、小波变换和其他分析方法的类似信号处理技术也可以被应用以获得与根据本发明实施例相似的结果。基于本公开内容，本领域技术人员将理解如何实施这种信号处理。

尽管本文已经描述和示出了若干发明实施例，但是本领域技术人员将容易想到用于执行该功能和/或获得该结果和/或本文该优点中的一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被视为在本文所描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易明白，本文所描述的所有参数、尺寸、材料和配置意指是示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本发明教导被用于的特定一个或多个应用。本领域技术人员将意识到或仅仅利用常规的实验能够确定本文所描述特定发明实施例的许多等价物。因此要理解，前面的实施例仅仅通过示例的方式提出，并且在所附权利要求及其等效表述的范围内，发明实施例可以以与所具体描述和要求保护以外的方式来实践。本公开的发明实施例涉及此处描述的每个单独特征、系统、物件、材料、套件和/或方法。另外，如果两个或更多这样的特征、系统、物件、材料、套件和/或方法不是相互矛盾的，则这些特征、系统、物件、材料、套件和/或方法的任意组合包含在本公开的发明范围内。

如本文定义和使用的所有定义应当理解为控制字典定义、通过引用合并的文档中的定义和/或所定义术语的普通意义。

如本文在说明书和权利要求中所用的不定冠词“一”或“一个”应当理解为意指“至少一个”，除非相反地明确指出。

如本文在说明书和权利要求中所用的短语“和/或”应当理解为意指如此结合的元件，即在一些情况下结合地出现而在其他情况下分离地出现的元件中的“任一个或两者”。用“和/或”列举的多个元件应当以相同的方式进行解释，即如此结合的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”分句具体标识的元件之外，其他元件可以可选地出现，不管与具体标识的那些元件相关还是不相关。因而，作为非限制的示例，对“A和/或B”的引用当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时在一个实施例中可以仅指代A(可选地包括除B之外的元件)；在另一个实施例中仅指代B(可选地包括除A之外的元件)；在又一个实施例中指代A和B两者(可选地包括其他元件)；等等。

如本文在说明书和权利要求中所用的“或”应当理解为具有与如上面定义的“和/或”相同的意义。例如，当在列表中分隔项时，“或”或者“和/或”应当解释为包括性的，即包括多个元件或元件列表和可选的附加的未列举项中的至少一个而且包括不止一个。仅相反清楚指出的术语诸如“...中的仅一个”或“...中的正好一个”，或者用在权利要求中的“由...组成”将指代包括多个元件或元件列表中的正好一个元件。一般而言，如本文所用的术语“或”当放在诸如“任一”、“...中的一个”、“...中的仅一个”或“...中的正好一个”的排他性术语之后时应当仅解释为指示排他的备选方案(即“一个或另一个但不是两者”)。

如本文在说明书和权利要求中所用的关于一个或多个元件列表的短语“至少一个”应当理解为意指从该元件列表中的任一或更多元件中选择的至少一个元件，但不必包括该元件列表内具体列举的每一个元件中的至少一个并且不排除元件列表中的元件的任何组合。这个定义还允许除了在短语“至少一个”所涉及的元件列表中具体标识的元件之外的元件可以可选地出现，不管与那些具体标识的元件相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等价地“A或B中的至少一个”或者等价地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以指代至少一个(可选地包括不止一个)A，其中不出现B(并且可选地包括除B之外的元件)；在另一个实施例中指代至少一个(可选地包括不止一个)B，其中不出现A(并且可选地包括除A之外的元件)；在又一个实施例中指代至少一个(可选地包括不止一个)A和至少一个(可选地包括不止一个)B(以及可选地包括其他元件)；等等。

还应当理解，除非相反清楚指出，在本文要求保护的包括不止一个步骤或动作的任何方法中，该方法的步骤或动作的顺序不必限于该方法的步骤或动作所叙述的顺序。

在权利要求以及上面的说明书中，所有过渡短语诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由...组成”等等被理解为开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡短语“由...构成”和“基本由...构成”分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (27)

1.一种用于生成具有期望光通量和色度的光的照射装置，该照射装置包括：

(a)一个或多个第一光源(135)，适于生成具有第一光谱功率分布的第一光；和一个或多个第二光源(140)，适于生成具有与所述第一光谱功率分布不同的第二光谱功率分布的第二光；

(b)第一电流驱动器(120)，操作性地耦合到所述一个或多个第一光源，所述第一电流驱动器配置成基于第一控制信号选择性地供应电驱动电流到所述一个或多个第一光源；和第二电流驱动器(125)，操作性地耦合到所述一个或多个第二光源，所述第二电流驱动器配置成基于第二控制信号选择性地供应电驱动电流到所述一个或多个第二光源；

(c)光学传感器(150)，用于感测包括第一光和第二光的组合的输出光的一部分，所述光学传感器配置成生成指示所述输出光的辐射通量的光学信号；

(d)处理模块(198)，操作性地与所述光学传感器耦合并且从所述光学传感器接收所述光学信号，所述处理模块包括：

(i)包括第一混合模块(235)的第一滤波模块(180)，所述第一混合模块配置成使用第一参考信号来执行指示所述光学信号的第一部分的第一滤波信号的混合，所述第一滤波模块由此提供指示所述第一光的一部分的特性的第一输出信号；

(ii)包括第二混合模块的第二滤波模块(185)，所述第二混合模块配置成使用第二参考信号来执行指示所述光学信号的第二部分的第二滤波信号的混合，所述第二滤波模块由此提供指示所述第二光的一部分的特性的第二输出信号；以及

(e)控制器(195)，操作性地与所述第一电流驱动器、第二电流驱动器和处理模块耦合，所述控制器配置成至少部分地基于相应的第一输出信号和第二输出信号来生成所述第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号和第二控制信号分别使用第一修改信号和第二修改信号被至少部分地配置。

2.权利要求1的照射装置，其中所述第一滤波模块还包括第一补偿模块(255)，所述第一补偿模块配置成至少基于所述第一混合模块的输出和所述第一修改信号来提供所述第一输出信号。

3.权利要求1的照射装置，其中所述第一参考信号是基于所述第一修改信号。

4.权利要求1的照射装置，其中所述第一控制信号指示具有第一频率和第一占空比的PWM信号。

5.权利要求4的照射装置，其中所述第一修改信号指示至少所述第一频率和第一占空比，所述第一滤波信号指示与所述PWM信号的谐波对应的所述第一光的一部分，并且所述第一补偿模块配置成基于至少所述PWM占空比来提供所述第一输出信号。

6.权利要求4的照射装置，其中所述第二控制信号是具有与所述第一频率不同的第二频率的第二PWM信号。

7.权利要求6的照射装置，其中所述第一频率和第二频率中的较高者与所述第一频率和第二频率中的较低者之比基本在两个整数之间。

8.权利要求1的照射装置，还包括用于混合来自至少所述一个或多个第一光源和所述一个或多个第二光源的光的混合光学器件。

9.权利要求1的照射装置，其中所述第一混合模块被配置为零差接收器。

10.权利要求9的照射装置，其中所述参考信号是至少部分地基于所述第一修改信号的滤波切换波形信号。

11.权利要求1的照射装置，其中所述第一混合模块被配置为外差接收器。

12.权利要求1的照射装置，其中所述第一混合模块被配置为锁定滤波器。

13.权利要求12的照射装置，其中所述参考信号是基于所述第一修改信号的切换波形信号。

14.权利要求1的照射装置，还包括带通滤波器，其中指示所述光学信号的第一部分的所述第一滤波信号是通过使所述光学信号经过所述带通滤波器而获得的。

15.权利要求1的照射装置，其中所述第一控制信号是具有第一频率和第一占空比的PCM信号。

16.权利要求1的照射装置，还包括具有时钟信号的时钟，其中所述第一控制信号从所述时钟信号中得出。

17.一种用于生成期望光通量和色度的输出光的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)至少部分地使用第一修改信号(1410)为一个或多个第一光源生成第一驱动电流(1420)；

(b)至少部分地使用第二修改信号为一个或多个第二光源生成第二驱动电流；

(c)生成指示输出光特性的光学信号(1440)，所述输出光是由所述一个或多个第一光源和一个或多个第二光源发射的光的混合；

(d)处理(1450)所述光学信号的第一部分，包括基于第一参考信号执行第一混合操作(1470)，从而提供指示由所述一个或多个第一光源发射的光的辐射通量的第一测量；以及

(e)处理所述光学信号的第二部分，包括基于第二参考信号执行第二混合操作，从而提供指示由所述一个或多个第二光源发射的光的辐射通量的第二测量。

18.权利要求17的方法，还包括调节所述第一驱动电流和/或所述第二驱动电流。

19.权利要求17的方法，其中处理所述光学信号的第一部分还包括基于所述第一修改信号执行第一补偿操作(1480)。

20.权利要求17的方法，其中所述第一参考信号至少部分地基于所述第一修改信号。

21.权利要求17的方法，其中所述第一驱动电流是具有第一频率和第一占空比的PWM信号。

22.权利要求21的方法，其中所述第一修改信号指示至少所述第一频率和第一占空比，所述光学信号的第一部分依据所述PWM信号的谐波指示由所述一个或多个第一光源发射的光的辐射通量。

23.权利要求22的方法，其中所述第一补偿操作是依据所述PWM信号的谐波的傅立叶系数基于至少所述PWM占空比来执行的。

24.权利要求23的方法，其中所述傅立叶系数是依据表达式(5)。

25.权利要求17的方法，其中所述第二驱动电流是具有与所述第一频率不同的第二频率的PWM信号。

26.权利要求25的方法，其中所述第一频率和第二频率中的较高者与所述第一频率和第二频率中的较低者之比基本在两个整数之间。

27.一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，在计算机可读介质上记录了语句和指令以供处理器执行从而实施一种用于生成期望光通量和色度的输出光的方法，该方法包括以下步骤：

(a)至少部分地使用第一修改信号(1410)为一个或多个第一光源生成第一驱动电流(1420)；

(b)至少部分地使用第二修改信号为一个或多个第二光源生成第二驱动电流；

(c)生成指示输出光特性的光学信号(1440)，所述输出光是由所述一个或多个第一光源和一个或多个第二光源发射的光的混合；

(d)处理(1450)所述光学信号的第一部分，包括基于第一参考信号执行第一混合操作(1470)，从而提供指示由所述一个或多个第一光源发射的光的辐射通量的第一测量；以及

(e)处理所述光学信号的第二部分，包括基于第二参考信号执行第二混合操作，从而提供指示由所述一个或多个第二光源发射的光的辐射通量的第二测量。

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