CN102596302A - 具有唤醒功能的照明设备 - Google Patents

Abstract

一种具有唤醒和/或入睡功能的照明设备(100)包括：至少一个可控制的光源(110)；用于控制光源(110)的控制设备(120)。在稳定模式下，输出光的颜色和强度被维持恒定在稳定颜色值和稳定强度值。在唤醒模式下，输出光的强度逐渐地从零增加到稳定强度值；在入睡模式下，输出光的强度逐渐地从稳定强度值减少到零。控制设备(120)包括用于接收定义稳定强度值的用户输入信号的用户输入(UI)。控制设备(120)产生用于可控制的光源(110)的控制信号以使得输出光的颜色独立于稳定强度值而行经颜色空间中的预定路径。

Description

具有唤醒功能的照明设备

技术领域

本发明大体上涉及能够产生不同强度的光的照明设备。特别地，本发明涉及一种所谓的唤醒灯，或相反地，所谓的入睡灯。

背景技术

唤醒灯是这样一种灯，其包括一个或多个光源，光源的功率(对应于光强度)在一定时间段，例如30分钟之内缓慢地并逐渐地从零(或接近零的起始值)增加到最大值，并在此之后维持功率。这样的灯用于模拟在日出的时候增加日光级的自然过程，这对唤醒人有着积极影响。该过程也可以反过来运行，从而使得功率(对应于光强度)缓慢地并逐渐地从最大值减少到零(或者接近零的最终值)，以模拟在日落的时候减少日光级的自然过程，这对于人入睡有着积极影响。

唤醒灯和入睡灯是公知的，因此在此略去更为详细的解释。此外，为了简便，以下的解释将集中于唤醒灯，但是加以必要的变更则同样的解释适用于入睡灯，这一点对于本领域技术人员而言应是清楚的。

唤醒灯可以采用不同类型的光源而实现。例如，使用的光源可以是白炽灯、放电灯、LED等。改变光源的输出功率通常通过改变灯电流而实现。

发明内容

光源所产生的光的一个重要特性是其颜色。典型地，光色可以取决于灯电流。例如，在白炽灯的情况下，在低灯电流时灯色是炽热的红色到橙色(对应于相对低的灯丝温度)，而在高灯电流时灯色是黄色到白色(对应于相对高的灯丝温度)。如此，这是积极的影响，因为它大概地对应于日出时日光的颜色的变化(以及，相反地，日落)。在另一方面，也存在颜色恒定、与灯电流无关的光源。

在下文中，光强度在其期间缓慢增加或减少的所述时间段将被分别指明为唤醒周期或入睡周期。此外，在完成唤醒周期之后输出的光强度将被指明为稳定状态强度，对应于稳定状态电流。通常，稳定状态电流等于为所关注的光源设计的最大或额定电流，并因此稳定状态强度等于最大或额定光强度。本发明的目的在于为用户提供设定稳定状态强度的级别的可能性。

这一目的可以通过仅仅将灯电流限制于一定级别而容易地实现。然而，随之而来的问题是对应于这样减少的稳定状态电流的光色不同于通常与全部完成唤醒周期相关联的亮白色。这示于图1中。

在左边的图表中，曲线1示出了作为时间(横轴，分钟)的函数的灯电流或光强度(纵轴，任意单位)，其在30分钟的唤醒周期内从零上升到300的最大值。相应的颜色变化由曲线2所指示。诚然，难于在该图表中将颜色形象化，但假定，对于颜色，纵轴代表在颜色图表中一条从红到白的线。此外，为了说明，假定沿着这样一条颜色线的位置直接地正比于光强度。

右边的图表示出了这样一个位置，用户在这里将稳定状态强度设为100，或者最大值(曲线1′)的33％，而唤醒周期维持在30分钟(虽然这并非必要的)。曲线2′示出了光强度被仅仅限制为额定100％的33％的简单实现的相应的颜色变化。应能容易地理解，在唤醒周期结束时实现的光色即是对应于色线的33％的光色。换言之，在稳定状态期间的光色(曲线2′的水平部分)不同于在100％状况下稳定状态期间的光色(曲线2的水平部分)。

本发明的目的在于提供对于该问题的解决方案。

根据本发明的一个重要方面，在唤醒周期期间，输出光的颜色独立于瞬时光强度而受控，以模拟日出的颜色变化，并且在唤醒周期结束时所得到的光色是固定的，独立于稳定状态强度。在一个优选的实施例中，用户也可以设定该稳定状态颜色。

另外的有利的阐述在独立权利要求中提及。

本发明的效果形象化于图2的右边图表中，左边和中间的图与图1相同以方便比较。曲线1″与曲线1′相同：光强度逐渐地上升到额定100％的33％。曲线2″与曲线2相同：在颜色空间中的色点所行经的颜色路径与在额定100％状况下所行经的颜色路径是相同的。

注意到US7280439揭示了一种影响颜色变化以模拟日出的照明系统。然而，该文件没有揭示在稳定状态期间的光强度的用户可调节的最大值，也没有揭示颜色周期的结果。

US2004/0264193大体上揭示LED的控制，以使得控制色温。

US-5327331揭示了这样一种唤醒灯，其中色温维持恒定，而光输出强度增加。

附图说明

以下将参考附图，通过下面的一个或多个优选实施例的描述进一步解释本发明的这些以及其他方面、特性和优点，附图中相同的附图标记指示相同或类似的部分，以及其中：

图1示出了对于不同状况的光强度和光色作为时间的函数的图表；

图2示出了光强度和光色作为时间的函数以说明本发明的图表；

图3是示意性地图示根据本发明的照明设备的示例性实施例的框图；

图4示意性地图示了颜色图表。

具体实施方式

图3是示意性地图示根据本发明的照明设备100的可能实施例的框图。照明设备100包括至少一个可控制的光源110，用于控制光源110的控制设备120，与控制设备120相关联的第一存储器130，以及与控制设备120相关联的第二存储器140。控制设备120可以例如被实现为合适地编程的微控制器，其为光源110产生控制信号，从而引起光源110产生具有一定期望颜色以及一定期望强度的光。

通过非限定性示例的方式，光源110包括三个(或更多)LED(或其他类型的光产生元件)111、112、113，每一个产生具有可区别的理想单色的颜色的光，并且这些颜色彼此不同。例如，这些颜色可以是红(R)、绿(G)、蓝(B)。如本领域技术人员所应知道的，光源110的整体光输出是这三个光输出的混合，人眼感知该整体的光输出混合为具有混合颜色，该混合颜色取决于三种光贡献的相互比率。

尽管本领域技术人员应当知道，颜色理论的简要概述仍将在下面给出。

颜色能够由三个彼此独立的参数所表示；可以参考CIE1931(XYZ)系统，其中X、Y、Z表示为了得到特定颜色所需要的具有特别定义的颜色的强度，特别定义的颜色例如分别为红700nm、绿546.1nm和蓝435.8nm。这里，“颜色”意味着色度和明度的组合。在CIE1931(XYZ)系统中，X、Y或Z值之一的变化将引起色度和明度的组合的变化。可以对坐标系统进行变形，其中色度和明度彼此独立。这样一个系统例如为具有坐标x、y、Y的CIE(xyY)系统，其中x和y是色度坐标而大写Y指示亮度。关于颜色坐标的变形由下式所定义：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}---\left(1a\right)$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(1b\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}---\left(1c\right)$

这些公式仍然显示三个变量x、y、z，但是z是冗余变量(即非独立变量)，因为z能够根据下式由x和y计算出来：

z＝1-x-y      (1d)

因此，所有颜色的色度能够表示于二维的xy平面，如图4所示，其示意性地显示了CIE(xy)色度图。该图是公知的，因此仅作最简要的解释。点(1，0)、(0，0)、和(0，1)分别指示理想的红、蓝和绿，它们是虚拟颜色。曲线41表示纯光谱颜色。波长以纳米(nm)为单位示出。虚线42连接曲线41的端点。由曲线41和虚线42所围起来的区域43包含所有的可视颜色；相比于曲线41的纯光谱颜色，区域43的颜色是混合颜色，其能够通过混合两个或更多纯光谱颜色而得到。反过来，每一个可视颜色能够由色度图中的坐标来表示；色度图中的点将被指示为“色点”。

代替例如表示为流明的指示光的绝对值的“亮度Y”，在光源领域习惯上使用“明度B”，其是相对参数。对于每一个色点(x，y)，存在最大可获得亮度Y_MAX(x，y)，当实际亮度Y具有值L，明度定义为

B＝L/Y_MAX  (2)

这样，明度是在0到1之间的值。

另外，代替颜色坐标x、y，也可能使用色调和饱和度。参考图4，色调、饱和度和明度的基本概念在CIE1931(x，y)颜色空间中得到最容易地解释，尽管在其他颜色空间能够得到其他的定义。为了简单，下文中使用CIE1931(x，y)颜色空间。

当两个纯光谱颜色混合，最终混合颜色的色点位于连接两个纯颜色的色点的线上，最终色点的确切位置取决于混合比率(强度比率)。例如，当紫色和红色混合，最终混合颜色紫红色的色点位于虚线42上。如果两个颜色能够混合产生白光，它们称为“互补颜色”。例如，图4示出了连接蓝(480nm)和黄(580nm)的线44，该线穿过白点，指示蓝光和黄光的正确强度比率将被感知为白光。同样的情况适用于任何其他组合的互补颜色：在相应的正确强度比率的情况下，光混合将被感知为白光。注意到光混合实际上仍包含两个不同波长的光谱贡献。

注意到许多可视颜色能够通过混合两种互补颜色而得到，但这并不适用于所有颜色，如从图4中能够容易看到的。假设三个产生不同颜色的分别具有对应于各自的色点C1(近于红色)、C2(近于绿色)、C3(近于蓝色)的灯的组件：具有这样的组件，能够产生在由这三个相应色点C1、C2、C3所定义的三角形之内的任何期望的颜色。

在增加了具有色点C4(近于白色)的第四灯情况下，颜色不再作为三种光输出的独特组合而得到，而能够作为四种光输出的组合以几种不同方式得到。在希望增强一定颜色例如黄色的贡献时，这可能尤其有用。

当太阳升起，其颜色从红色经橙色和黄色变到白色；在日落时，发生相反的颜色变化。曲线45是仅为了讨论而给出的示例性的路径，其模拟日光的色点所行经的路径。尽管日光的色点可能因为天气环境而变化，但由日光的色点所行经的实际路径能被认为是固定事实，而从业者能够如期望的选择模拟或近似真实路径的实用路径。根据本发明，实用路径的确切坐标是不相关的。根据本发明，有关的是定义了这样一个实用路径的信息被保存在第一存储器130中。该实用路径将在下文中被指示为“日出近似路径”。

控制设备120被设计用于工作于如下所述的四种可能的模式。

在关闭模式，光源110关闭。

在稳定模式下，保持用于光源110的控制信号恒定，从而使得输出光颜色和输出光强度为恒定。

在唤醒模式下，控制设备120为光源110依照时间的函数改变其控制信号，从而使得输出光色点行经从红色端到白色端的日出近似路径，并且使得输出光强度缓慢增加。

在入睡模式下，控制设备120为光源110依照时间的函数改变其控制信号，从而使得输出光色点沿着反方向行经日落近似路径，即从白色端到红色端，并且使得输出光强度缓慢减少。在一个变化例中，第一存储器130可以存储两个不同的路径，一个日出近似路径和一个日落近似路径，在该例中控制设备120使得输出光色点在入睡模式下行经日落近似路径。“色速”可以是恒定的或者可以依照时间的函数而变化。

照明设备100的正常使用将典型地涉及到在早晨经历关闭/唤醒/稳定/关闭的顺序，在晚上经历关闭/稳定/入睡/关闭的顺序。从关闭模式到唤醒模式的转变可以在唤醒定时器的基础上自动地完成，但为了简单这并没有示于附图中。

控制设备120具有用户输入UI，用户可以经由其输入用户设置。用户设置之一可以是唤醒模式和入睡模式的持续时间(这两种模式不必具有相同的持续时间)。一旦设置，唤醒模式的持续时间(或者唤醒周期)可以被视为固定值；为了说明的目的，将假设该值等于30分钟；同样的值适用于入睡模式的持续时间。

在本发明的上下文中的另一个用户设置是在稳定模式期间的输出光强度，其将被指示为稳定状态强度I_STEADY。优选地，稳定状态强度的设置也能够在例如唤醒模式期间被改变，但在下文中稳定状态强度将被视为固定值。光源110在稳定模式下可能的最大强度将被指示为I_MAX。比率I_STEADY/I_MAX将被指示为稳定明度β。

在唤醒模式期间的所有时间，控制设备120将在第一存储器130和第二存储器140中的信息的基础上产生其用于光源110的控制信号；同样的情况适用于入睡模式。用于光源110的控制信号事实上由用于各个LED 111、112、113以及可能的附加白色或黄色或琥珀色LED的各个控制信号所组成。如前面提到的，第一存储器130包含用于将整体输出颜色定义为时间的函数的信息。该信息可以例如是查询表的形式，包含对于每一个光产生元件的每时间单位的输出电流的固定设置，或者例如是公式的形式，允许对于每一个光产生元件的输出电流依照时间的函数来计算。同样地，第二存储器140包含将强度的发展定义为时间的函数的信息；该强度可以随着时间线性地变化，或者抛物线地变化(如图2中所示)，或者任何其他期望的函数。

为了提供时间信号，装置100包括时钟设备150。假定唤醒模式的额定持续时间等于30分钟(1800秒)，并且控制设备120采用100级：这意味着控制设备120将额定地每18秒钟查阅存储器130、140一次并调整其输出信号。假定用户设定了α·30分钟的持续时间(a小于或大于1)：这意味着控制设备120将实际上每α·18秒钟查阅存储器130、140一次并调整其输出信号。即使没有给出更为详细的解释，本领域技术人员清楚怎样能够根据用户设置的持续时间来调整时间尺度。另外，应清楚控制设备120可以被设计为在离散的级中改变其控制信号，每很多秒一次，但也可能控制设备120被设计为连续地改变其控制信号。

在所有的时间t，控制设备120根据以下的公式计算每一个光产生光元件111、112、113的个别强度Ie(t)：

Ie(t)＝IM(t)·R(t)·β

这里，IM(t)指示仅在第一存储器130中的信息的基础上计算出来的强度。如果R＝1并且β＝1，这些强度以最大强度组合成准确的混合输出颜色。应注意到IM是时间的函数，因此依照时间的函数实施颜色的改变，或者换言之，沿着颜色路径45的行程。

R(t)指示由第二存储器140中推导出的作为时间的函数的强度比率(在0到1之间)：这实施强度的增加/减少的期望的时间轮廓。

β指示如前面所定义的稳定明度：这实施用户所指令的最大设置。

应注意到，因为所有光产生元件的强度都和同一个因子β·R(t)相乘，混合输出光的色点仍然是相同的。还应注意到，改变强度同时维持个别光产生元件的颜色能够通过占空比控制得以实现，如本领域技术人员所清楚的。

总之，本发明提供了具有唤醒和/或入睡功能的照明设备100，包括：

至少一个可控制的光源110；

用于控制光源110的控制设备120。

在稳定模式下，输出光的颜色和强度被维持恒定在稳定的颜色值和稳定的强度值。

在唤醒模式下，输出光的强度从零逐渐地增加到稳定强度值；在入睡模式下，输出光的强度从稳定强度值逐渐地减少到零。

控制设备120包括用于接收定义稳定强度值的用户输入信号的用户输入UI。控制设备120产生用于可控制光源110的控制信号从而引起输出光的颜色行经颜色空间中的预定路径，而独立于稳定强度值。

尽管本发明已经在附图和前面的说明书中得到详细的说明和描述，本领域技术人员应能理解这样的说明和描述应被视为说明性的或示例性的而非限制性的。本发明不限于所揭示的实施例；相反，在后附的权利要求书所定义的本发明的保护范围之内，可能有多种变形和修改。

例如，如前面所描述的实施例，提供了两个单独的存储器，一个将沿着颜色路径的行程定义为时间的函数，另一个将额定强度发展定义为时间的函数。而一个单独的存储器包含将颜色和额定强度发展定义为时间的函数的组合信息IM(t)·R(t)也是可能的。

另外，在前面所描述的实施例中，光源110包括多个光产生元件，每一个具有固定的颜色；在这样的情况下，本发明可以通过改变这些元件的光输出贡献的相对权重而得以实现。然而，也可能使用一个(或多个)产生光元件，每一个能够产生可变颜色的光，其颜色值可由控制设备调节。无论仅包含一个光产生元件或两个或更多，基本的相关问题只是光源110的颜色输出和强度能够独立地受控。

在上述实施例中，控制设备120被描述为特别地控制输出光的色点以特别地模拟日光效果。然而，也有实施例无需这么复杂。例如，可能光源110仅包括两个光产生元件，一个元件产生白光而另一个元件产生更暖的光，其中两个光产生元件均由控制设备120独立地控制以独立于稳定强度而影响颜色变化。第一光产生元件可以例如是CFL灯并且第二发光元件可以例如是氖灯(诸如用于夜灯或冰箱)。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时能够理解并实现所揭示的实施例的其他变化。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。一个单独的处理器或其他单元可以完成权利要求书中提到的几项的功能。某些手段出现在不同的独立权利要求中并不表示这些手段的组合不能被有利使用。计算机程序可以被存储/分布在合适的媒介上，诸如光存储媒介或与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分而提供的固态媒介，但也可以分布于其他形式，诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求书中的任何附图标记不应被理解为限制保护范围。

在上文中，已经参考框图解释了本发明，框图示出了根据本发明的功能模块。需要理解的是，一个或多个这些功能模块可以被实施为硬件，其中这样一个功能模块的功能由单独的硬件元件所执行，但也可能一个或多个这些功能模块可以被实施为软件，从而这样一个功能模块的功能由计算机程序的一个或多个程序行或者诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等的可编程设备所执行。

Claims (8)

1.一种具有唤醒和/或入睡功能的照明设备(100)，能够输出具有逐渐地增加或减少强度的光，该设备包括：

至少一个可控制的光源(110)；

用于控制所述光源(110)的控制设备(120)；

其中所述控制设备(120)能够工作于稳定模式，在稳定模式期间，输出光的颜色和强度分别维持恒定在稳定颜色值和稳定强度值；

其中所述控制设备(120)能够工作于唤醒模式，在唤醒模式期间，输出光的强度逐渐地从零增加到稳定强度值，和/或能够工作于入睡模式，在入睡模式期间，输出光的强度逐渐地从稳定强度值减少到零；

其中所述控制设备(120)包括用于接收定义所述稳定强度值的用户输入信号的用户输入(UI)；

其中所述光源(110)能够产生颜色值独立于输出光强度可变的输出光；

其中所述用户设备(120)被设计为依照第一时间函数来改变所述光源(110)的整体强度以使得在唤醒模式结束时达到所述稳定强度值或者以使得在入睡模式开始时以所述稳定强度值开始；

以及其中所述控制设备(120)被设计为依照独立于所述第一函数的第二时间函数来改变所述光源(110)的颜色值。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光源(110)包括至少两个具有彼此不同颜色的光产生元件(111、112)；其中所述控制设备(120)被设计为按照所述第一时间函数来改变组合的所有光产生元件的整体强度；并且其中所述控制设备(120)被设计为按照所述第二时间函数来改变所述光产生元件的强度比率。

3.根据权利要求1所述的照明设备，其中唤醒模式的持续时间和/或入睡模式的持续时间是恒定的。

4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述控制设备(120)能够接收定义唤醒模式的持续时间和/或入睡模式的持续时间的用户输入信号。

5.根据权利要求1所述的照明设备，还包括存储装置(130)，其包含将所要行经的颜色路径定义为时间的函数的信息。

6.根据权利要求5所述的照明设备，其中所述控制设备(120)被设计为依照时间的函数、在所述存储装置(130)中的信息的基础上来计算色点，并依照时间的函数独立地计算强度。

7.根据权利要求1所述的照明设备，还包括存储装置(140)，其包含将强度定义为时间的函数的信息。

8.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述控制设备(120)被设计为产生用于所述可控制的光源(110)的控制信号以使得输出光的颜色独立于所述稳定强度值而行经颜色空间中的预定路径。

Images