CN1629711A - 适于再现已知光源颜色的光控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源，以及一种用于对光源进行编程以提供接近目标光源颜色的颜色的方法。光源产生第一波长和第二波长的光，该光具有由第一控制信号和第二控制信号确定的强度，第一控制信号和第二控制信号由将监视电路的输出与目标信号相匹配的反馈控制器设定。目标信号由目标值产生，而目标值是通过将光源暴露于目标光源并观察光源中一组光电检测器的输出而被输入到反馈控制器中的。在一个实施例中，监视电路中的光电检测器用于该编程功能。

Description

适于再现已知光源颜色的光控制系统

技术领域

本发明涉及光源，更具体而言，涉及被设计来替代现有光源的光源。

背景技术

发光二极管(LED)是一种具有吸引力的替代传统光源的备选光源，这些传统光源比如是白炽灯和日光灯光源。LED具有更高的光转换效率和更长的寿命。不幸的是，LED产生光谱带相对较窄的光。因此，为了产生具有任意色彩的光源，通常要使用具有多个LED的复合光源。例如，通过组合发自红光、蓝光和绿光发射LED的光可以构建基于LED的光源，该基于LED的光源发射被感知为与特定颜色匹配的光。各种颜色的强度比率设定了观察者所感知的光的颜色。

不幸的是，单个LED的输出随着温度、驱动电流和老化而变化。此外，LED的特性随着生产过程中的生产批量而变化，并且对于不同颜色的LED也是不同的。因此，当条件改变或设备老化时，在一定条件下提供所希望颜色的光源将呈现出颜色漂移。为了避免这种漂移，必须在光源中结合某种形式的反馈系统来改变单个LED的驱动条件，使得输出光谱保持在设计值，而不管光源中所使用的LED元件的变动性。

通常，现有技术中具有反馈系统的光源是由多个发射不同波长光的LED组成的，所述反馈系统将观察者所感知的颜色维持在预定色调。包括合适滤波器的光电检测器用来测量每个LED产生的光。将光电检测器的输出与目标值进行比较以产生误差信号，该误差信号用来调节相应LED的光输出。

每个目标值都是相应光谱带中所想要的光强度以及产生光强信号的光电二极管的特定光转换特性的函数。因此，即使电路设计人员了解光源中所想要颜色的比率，设计人员仍然必须校准反馈系统以考虑光电二极管的特性。为了在这方面对设计人员有所帮助，现有技术已经提出了这样一种提供三色光源的系统，该三色光源具有已经根据比如国际照明委员会(CIE)标准的某种标准色系(colorometric system)而经预先校准的输入。

尽管这样的反馈方案显著地减少了上述变动性的问题，但是它们需要电路设计人员确定将产生所想要光谱的目标值。设想这样的电路设计人员，他们面临着要设计基于三色LED的光源以替代特定白炽灯光源的问题。该设计人员必须确定将提供匹配如观察者所感知的目标光谱颜色的红光、绿光和蓝光目标值。如果设计人员使用比如上面所讨论的、经校准的三色光源，那么设计人员仍然必须测量标准光谱仪中特定白炽光源，以确定用于这些目标值的标准值。这样的测量需要具体的专门技术，增加了成本和产品设计循环时间。

发明内容

本发明包括一种光源，以及用于对光源进行编程以提供接近目标光源颜色的光谱的方法。光源具有光发生器，该光发生器产生第一波长和由第一控制信号设定的第一强度的第一光信号，以及第二波长和由第二控制信号设定的第二强度的第二光信号。光源使用光监视器，该光监视器产生具有由第一强度所确定的幅度的第一监视信号，以及具有由第二强度所确定的幅度的第二监视信号。具有用于接收目标光信号的端口的目标信号发生器用来从目标光信号产生具有指示第一目标值的幅度的第一目标信号和具有指示第二目标值的幅度的第二目标信号。反馈控制器产生第一控制信号和第二控制信号，使得第一监视信号和第二监视信号与第一目标信号和第二目标信号分别具有固定关系。在一个实施例中，光发生器使用LED。在另一个实施例中，光发生器使用激光器。在另一个实施例中，光监视器包括第一监视光电检测器，该第一监视光电检测器产生与第一监视光电检测器在第一波长所接收的光强具有第一函数关系的信号，并且目标信号发生器包括第一目标光电检测器，该第一目标光电检测器产生与第一目标光电检测器在第一波长所接收的光强具有第一函数关系的信号。在另一个实施例中，第一监视光电检测器和第一目标光电检测器包括相同的光滤波器，用于阻止第二波长的光的至少一部分到达第一监视光电检测器和第一目标光电检测器。在另一个实施例中，反馈控制器包括用于存储第一目标值和第二目标值的存储器，反馈控制器使第一目标值和第二目标值由目标光信号产生，并且响应反馈控制器正接收的校准控制信号而被存储在存储器中。在另一个实施例中，目标信号发生器端口处在使目标光信号照亮光监视器的位置。在这个实施例中，在光反生器未产生光的时间段，目标信号发生器使反馈控制器从第一监视信号和第二监视信号产生第一目标值和第二目标值，并且在存储器中存储第一目标值和第二目标值。

附图说明

图1是现有技术中LED光源的框图，该LED光源使用反馈系统来控制单个LED的占空系数以产生精确的输出颜色。

图2是根据本发明一个实施例的光源的框图。

图3是本发明另一个实施例的示意图，其中反馈光电二极管还被用来产生用于反馈控制器的目标值。

具体实施方式

参考图1，可以更加容易地理解本发明展现其优点的方式。图1是现有技术中LED光源的框图，该LED光源使用反馈系统来控制单个LED的占空系数以产生精确的输出颜色。光源10使用红光、绿光和蓝光LED11来产生任意颜色的光。这些LED由驱动器12驱动，在LED被“打开”时，驱动器12使电流通过各个LED。在“打开”状态，以与光源10所产生的颜色无关的预定电流来驱动每个LED。以周期为T的循环时间的脉冲方式来驱动LED。在每个周期中，每个LED被开启时间t，该时间t取决于将要由光源10所产生的光的颜色。

为了简化下面的讨论，将比率t/T称为占空系数。原则上，假设周期T足够小，观察者所看到的、来自每个LED的光强正比于该LED的时间t。不幸的是，LED并不是瞬时开启或关闭的，并且由于LED的操作温度将随着占空系数的增加而增加，任何LED的光输出也可能是占空系数的函数。但是，所想要的输出颜色与施加到这三个LED的占空系数之间存在着固定的关系。通过测量实际产生的光和使用伺服环路调节占空系数来连续地确定该关系。

还是参考图1，光源10包括三个对离开LED的光的部分进行接收的光电检测器16-18。每个光电检测器理论上如CIE 1931三色函数所述地测量波长带中的光强。

每个光电检测器具有匹配从相应的光电检测器到低通滤波器的信号的相应接口电路。对应于光电检测器16-18的接口电路分别以13-15示出。19示出了示例性的低通滤波器。每个低通滤波器由电阻器20和电容器21组成。选择电阻值和电容值来平均开循环和关循环，使得低通滤波器的输出是表示三个波长带中每个波长带的光强的DC水平。使用模数转换器(ADC)22，低通滤波器的输出被数字化，并且与存储在减法电路23的寄存器堆栈24中的目标值进行比较。这些目标值表示对应于所想要的输出颜色的三个强度。测量强度与目标强度之间的差提供了三个误差信号，这些误差信号被反馈控制器25用来调节三个相应的占空系数，直到测量输出与目标值相匹配。

现在参考图2，图2是根据本发明一个实施例的光源50的框图。为了简化下面的讨论，对于提供那些在上面参考图1所讨论的类似功能的元件，已经给出了如图1中使用的相同数字标号，在这里就不详细地讨论了。光源50使用接受一组红光、绿光、蓝光(RGB)目标值的反馈控制器40，这组目标值与光电二极管16-18及其相关驱动电路所提供的红、绿、蓝值进行比较。这些值可以被认为是新的任意色系中的三色值。

为了简化下面的讨论，已经在反馈控制器40中包括了用于根据目标值和所测量的光电二极管输出来产生误差信号的电路。由于反馈控制器在现有技术中是公知的，所以这里就不对该电路的细节进行详细的讨论了。为了讨论的目的，所需要足够注意的是，反馈控制器40调节到LED11的驱动信号，使得在端口41输入到反馈控制器40的测量RGB值与在端口42输入的目标RGB值分别匹配。为了讨论的目的，假设测量RGB值和目标RGB值都是模拟信号。

如上所提及的，在设计LED光源来匹配特定的现有目标光源中所遇到的一个问题是确定目标RGB值的正确值。这些正确的目标RGB值是所想要的红光、绿光、蓝光LED光强以及用来监视这些LED输出的光电二极管的函数。原则上，反馈控制器能够被校准，使得用户能够根据对现有光源的RGB值的了解来确定正确的目标RGB值。这要求用户根据用来校准反馈控制器的标准来校准现有的光源。该方法对于电路设计人员而言是一大负担。此外，必须对每个光源进行校准以考虑LED间的差异。

本发明通过提供目标RGB值的输入系统而避免了这些问题，该输入系统使用LED光源正匹配的现有目标光源。在本发明中，目标RGB输入由一组与光电二极管16-18及其接口电路相符的光电二极管和接口电路产生。用来提供目标RGB值的光电二极管以51-53示出，相应的接口电路以55-57示出。在下面的讨论中，将这些光电二极管称为目标光电二极管，光电二极管16-18将被称为反馈光电二极管。每个反馈光电二极管存在一个对应的目标光电二极管。例如，测量光谱红色区域中的光的目标光电二极管具有与用来测量红光LED产生的光的反馈光电二极管相同的光谱滤波器以及光转换效率。

为了匹配光源58，该光源用来照亮目标光电二极管51-53。由于每个目标光电二极管都已被选来与相应的反馈光电二极管相匹配，所以目标光电二极管所产生的信号是正确的、再现光源58颜色的目标RGB目标值。因此，电路设计人员不需要校准目标光源，或使用已经根据比如CIE标准的某种标准系统而被校准的LED光源。

一旦已经产生了目标值，假设反馈控制器40包括其中存储有目标值的非易失存储器，那么就可以移走光源58。在这样的实施例中，反馈控制器40包括外部可访问的端口43，用于接收使反馈控制器40存储由那些在端口42的输入所确定的一组目标值的信号。所存储的目标值可以被存储为由模拟目标值所得到的数字值，或存储为模拟值。在这方面，应该注意的是用于存储模拟值的非易失存储器在本领域是公知的。本发明也可以连续地再现远距离的目标光源，使得该光源能够实时模拟目标光源的所有变化。

本发明的上述实施例存储了提供与一个目标光源相匹配颜色的一组目标值。但是，对于这样的实施例，其中反馈控制器存储对应于多个光源的多组目标值，也可以通过将目标光电二极管暴露于每个光源并且存储所得的目标值来进行构建。然后，通过选择所希望的一组目标值，光源可用来提供与任意目标光源相匹配的颜色。在这样的实施例中，反馈控制器将包括用于指定要使用哪组目标值的输入。该输入可以由用户提供，或由连接到光源的编程设备来提供。而且，目标值序列可用来提供随时间函数改变的颜色图案。通过上述端口43可以输入各种控制信号。

应当注意的是，本发明也可以用来实时、连续地再现远离LED的目标光源的颜色。在这样的实施例中，目标光电二极管将被置于目标光源处，并且这些光电二极管的输出值将被传输到反馈控制器。

上述实施例使用相匹配的监视光电二极管和目标光电二极管。如果该条件没有得到满足，那么可以使用校准过程。例如，假设测量红色区域中的光的目标光电二极管具有与相应的反馈光电二极管不同的光谱滤波器和光转换效率。通过将目标光电二极管和反馈光电二极管暴露于各种强度下的同一光源，并且记录它们的输出，可以校准这些光电二极管。这些校准值可以被存储在反馈控制器的非易失存储器中，使得反馈控制器能够在反馈循环期间，通过计算目标信号来修正目标光电二极管和监视光电二极管之间的差，所述目标信号是在目标光电二极管和监视光电二极管相匹配时产生的。

上述实施例使用单独的一组光电二极管来产生光源的目标值，其光谱用来设定光源中LED的输出。但是，应该注意的是，也可以构建其中反馈二极管用于这两种功能的实施例。现在参考图3，图3是本发明另一个实施例的示意图，其中反馈光电二极管还用来产生用于反馈控制器的目标值。为了简化讨论，对于光源70中进行与那些图2中所述的类似功能的元件，已经给出了如图2使用的相同数字标号，并且在此处将不作进一步讨论。光源70包括孔77，孔77被设置在校准期间接收来自目标光源的光处。光学成像系统76可以包括在内，以确保来自目标光源58的光均匀地照亮反馈光电二极管16-18。

当预定的信号被施加给端口73时，反馈控制器75读取端口71上的值，并且在反馈控制器75内的目标RGB存储器中存储指定这些值的信息。在反馈控制器被适当地编程后，目标光源58被移走，并且孔77被关闭以防止光在正常操作期间从光源70外部的光源到达反馈光电二极管。

本发明的上述实施例使用3个LED作为光发生器。但是，也可以构建使用不同数目LED的本发明实施例。只要光电检测器能够检测不同波长的光，以使单个LED能够被单独地控制，就可以使用任意数量的LED。LED的最小数量是2个。在这方面，应该注意的是，在印刷领域，使用4种颜色的颜色方案是公知的。

此外，本发明不限于LED作为光发生器。提供可被监视的输出光谱的任何光发生器都可以使用。例如，激光器可以替代上述LED。

上述实施例使用反馈控制器，该反馈控制器调节LED的控制信号，直到来自反馈LED的监视信号与目标信号相匹配。但是，反馈控制器可以使用其它算法，其中调节控制信号，直到来自反馈LED的监视信号与目标信号存在某种其它的固定关系。例如，一般来说，目标光源将具有与LED正产生的光的强度相不同的强度。在这样的情形中，反馈控制器的目的通常是将目标光源与LED光源的颜色相匹配。因此，反馈控制器可以调节LED控制信号，直到目标值与每个其它的或整个目标光强的比率与来自反馈LED的信号的相应比率相同。

本发明的上述实施例使用这样的强度控制方案，其中LED的占空系数被改变以改变光源所产生的光强。但是，本发明也可以用于这样的光源，其中每个LED所产生的光强被改变以改变光源的强度。

从前面的说明以及附图中，对本发明的各种修改对于本领域的普通技术人员将变得清楚起来。因此，本发明仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (15)

1.一种光源，包括：

光发生器，所述光发生器产生第一波长和由第一控制信号设定的第一强度的第一光信号，以及第二波长和由第二控制信号设定的第二强度的第二光信号；

光监视器，所述光监视器产生具有由所述第一强度所确定的幅度的第一监视信号，以及具有由所述第二强度所确定的幅度的第二监视信号；

目标信号发生器，所述目标信号发生器具有用于接收目标光信号的端口，并由所述目标光信号产生具有指示第一目标值的幅度的第一目标信号和具有指示第二目标值的幅度的第二目标信号；

反馈控制器，所述反馈控制器产生所述第一控制信号和第二控制信号，使得所述第一监视信号和第二监视信号与所述第一目标信号和第二目标信号分别具有固定关系。

2.如权利要求1的光源，其中所述反馈控制器包括用于存储多个第一目标条目和第二目标条目的存储器，并且所述第一目标值和第二目标值是响应目标值选择信号而从所述多个第一目标条目和第二目标条目中选择的。

3.如权利要求1的光源，其中所述目标值选择信号导致所述反馈控制器使用作为时间函数而变化的第一目标值和第二目标值的序列。

4.如权利要求1的光源，其中所述第一目标值和第二目标值是根据所述目标光信号而周期性确定的。

5.如权利要求1的光源，其中所述光发生器包括用于分别产生所述第一光信号和第二光信号的第一发光二极管和第二发光二极管。

6.如权利要求1的光源，其中所述光发生器包括用于分别产生所述第一光信号和第二光信号的第一激光器和第二激光器。

7.如权利要求1的光源，其中所述光监视器包括第一监视光电检测器，所述第一监视光电检测器产生与所述第一监视光电检测器在所述第一波长所接收的光强具有第一函数关系的信号，并且其中所述目标信号发生器包括第一目标光电检测器，所述第一目标光电检测器产生与所述第一目标光电检测器在所述第一波长所接收的光强具有所述第一函数关系的信号。

8.如权利要求7的光源，其中所述光监视器还包括第二监视光电检测器，所述第二监视光电检测器产生与所述第二监视光电检测器在所述第二波长所接收的光强具有第二函数关系的信号，并且其中所述目标信号发生器还包括第二目标光电检测器，所述第二目标光电检测器产生与所述第二目标光电检测器在所述第二波长所接收的光强具有所述第二函数关系的信号。

9.如权利要求7的光源，其中所述第一监视光电检测器和所述第一目标光电检测器包括相同的光滤波器，用于阻止所述第二波长的光的至少一部分到达所述第一监视光电检测器和所述第一目标光电检测器。

10.如权利要求1的光源，其中所述反馈控制器包括在所述第一监视光电检测器和所述第一目标光电检测器暴露于校准光源时，将所述第一监视信号与所述第一目标信号相关联的校准值。

11.如权利要求1的光源，其中所述反馈控制器包括用于存储所述第一目标值和第二目标值的存储器，响应由所述反馈控制器正接收的校准控制信号，所述反馈控制器使所述第一目标值和第二目标值由所述目标光信号产生，并且被存储在所述存储器中。

12.如权利要求1的光源，其中所述目标信号发生器端口的放置使得所述目标光信号照亮所述光监视器，所述反馈控制器包括用于存储所述第一目标值和第二目标值的存储器，在所述光发生器未产生光的时间段，所述目标信号发生器使所述反馈控制器从所述第一监视信号和第二监视信号产生所述第一目标值和第二目标值，并且在所述存储器中存储所述第一目标值和第二目标值。

13.一种用于控制光源的方法，所述光源产生第一波长和由第一控制信号设定的第一强度的第一光信号，以及第二波长和由第二控制信号设定的第二强度的第二光信号，所述方法包括：

监视所述第一光信号和第二光信号，以产生分别具有由所述第一强度和第二强度确定的幅度的第一监视光信号和第二监视光信号；

调节所述第一控制信号和第二控制信号，使得所述第一监视光信号和第二监视光信号与所述第一目标信号和第二目标信号分别具有固定关系；

其中所述第一目标信号和第二目标信号是由所述第一目标值和第二目标值产生的，而所述第一目标值和第二目标值是所述光源暴露于所述目标光信号而产生的。

14.如权利要求13的方法，其中所述光源包括用于监视所述第一光信号和第二光信号的监视电路，并且所述监视电路暴露于所述目标光信号以产生所述第一目标值和第二目标值。

15.如权利要求13的方法，其中所述第一目标值和第二目标值在所述光源暴露于所述目标光信号之后而被存储在所述光源中。

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