CN1630444B - 发光体控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源和用于控制这种光源的方法。光源利用光发生器，该光发生器生成由控制信号设置的强度处的某一波长的光信号。控制信号由伺服系统控制，该伺服系统监视光发生器的光输出，并将监视值与目标值比较。当目标值改变时，控制信号最初被预测的控制信号代替，该预测的控制信号是基于新的目标值而不是基于伺服系统中所生成的误差信号。这给伺服系统提供了时间来调节到新的目标值。在一个实施例中，控制信号包括周期信号，该周期信号在某一值和第二值之间切换，其中某一值使得光发生器生成所述波长的光，在第二值处光发生器不生成所述波长的光。

Description

发光体控制系统

技术领域

本发明涉及光源。

背景技术

发光二极管(LED)是替代诸如白炽灯和荧光光源之类的传统光源的有力候选者。LED具有更高的光转换效率和更长的寿命。不幸的是，LED在相对窄的光谱带中产生光。因此，为了产生具有任意颜色的光源，通常利用具有多个LED的混合光源。例如，可以通过组合来自发红、绿、蓝光LED的光来构建基于LED的光源，该光源提供感觉上与特定颜色相符的发射。各种颜色的强度比例设定了人类观察者所感觉的光的颜色。

改变LED强度的一种方法是改变LED被开启的时间量。在这样的方案中，LED在太快的时间尺度被脉冲式开启以致不能被人类观察者看到。在每个循环期间，在循环时间的某一片断上打开LED。因为观察者的眼睛累计了与循环时间相比而言长的一个时间段上接收到的光，所以观察者“看到”光源，该光源的强度正比于占空因子，即LED被开启的时间相对于LED被关闭的时间的比例。强度是占空因子的线性函数，因此，控制系统相对简单。或者，可以通过改变经过LED的电流大小来改变LED的强度。

为了提供非常准确的颜色再现，LED光源经常使用传感器和反馈系统。光源由发射红、绿、蓝光的三个LED和三个光探测器的组合构成，这三个光探测器观察由LED生成的光并调节每个LED的占空因子，以提供期望的准确颜色。反馈电路必须生成在每种颜色处生成的平均光的测量，其中每种颜色来自通过每个LED产生的脉冲光信号。通常通过利用低通滤波器对每个光探测器的输出滤波来生成该平均光信号。低通滤波器在反馈系统中引入延迟，该延迟足以导致当光源在一个或多个占空因子大量变化的不同颜色间切换时，反馈系统变得不稳定。虽然可以通过利用复杂有源滤波器减少这种不稳定，但是这种解决方法增加了成本以及光源的复杂度。

发明内容

本发明包括一种光源和用于控制这种光源的方法。光源利用光发生器，该光发生器生成由第一控制信号设置的第一强度处的第一波长的第一光信号。光监视器生成具有由第一强度决定的幅度的第一监视信号。目标信号发生器生成具有指示第一目标值的幅度的第一目标信号。差分电路生成具有与第一监视信号幅度和第一目标信号幅度的差相关的大小的第一误差信号。反馈控制器响应于第一误差信号生成第一控制信号。初始控制信号发生器使得反馈控制器生成代替第一控制信号的初步第一控制信号，初步第一控制信号与第一误差信号无关，并且在第一目标值变为新的第一目标值之后的第一时间段生成并存在。在一个实施例中，初步第一控制信号依赖于新的第一目标值。在另一个实施例中，第一控制信号包括周期信号，该周期信号在第一值和第二值之间切换，其中第一值使得光发生器生成第一波长的光，在第二值处光发生器不生成第一波长的光。反馈控制器改变第一控制信号处于第一值的时间片断。在另一个实施例中，光监视器包括光探测器和由延迟时间表征的低通滤波器，第一时间段被设置为大于该延迟时间的值。也可以构建包括多个生成不同光谱段的光的光发生器的实施例，以提供具有可以被控制并可迅速改变的输出颜色的彩色光源。

附图说明

图1是利用反馈系统控制各个LED的占空因子以产生准确的输出颜色的现有技术LED光源的框图。

图2是根据本发明一个实施例的光源的框图。

图3是反馈控制器和占空因子预测器的更详细的框图。

图4是用于生成模拟误差信号以调节占空因子的电路的框图。

具体实施方式

参考图1可以更容易地理解本发明提供其优点的方式。图1是现有技术LED光源的框图，该光源利用反馈系统来控制各个LED的占空因子以产生准确的输出颜色。光源10利用红、绿、蓝LED 11来生成任意颜色的光。LED由驱动器12驱动，该驱动器在LED“开”时设置经过每个LED的电流。在“开”状态，每个LED以预定电流驱动，该电流与由光源10生成的颜色无关。以脉冲方式驱动LED，其中循环时间具有周期T。在每个周期期间，LED中的每一个被开启时间t，该时间t取决于将要由光源10生成的光的颜色。

为了简化下面的讨论，比例t/T被称为占空因子。原则上，假设周期T足够小，如人类观察者所看到的，来自每个LED的光的强度正比于该LED的t。不幸的是，LED不是瞬时开启和关闭的，从任何LED输出的光还可能是占空因子的函数，因为LED的工作温度会随着占空因子的增加而上升。但是，在期望的输出颜色与应用于三个LED的占空因子之间存在固定的关系。通过测量实际生成的光并使用伺服环路调节占空因子来连续确定该关系。

再次参考图1，光源10包括三个光探测器16～18，它们接收离开LED的光的一部分。理想地，每个光探测器被配置为分别以与CIE(国际照明协会)颜色匹配函数X(λ)、Y(λ)和Z(λ)相同的方式进行响应。理想光探测器的输出将产生与CIE标准颜色方案相对应的测量。也可以使用可替代的标准颜色方案。实际上，可以利用不与标准颜色方案对应的光探测器，只要在由光源10产生的光与光探测器输出之间存在特定关系。

每个光探测器拥有相应的接口电路，该接口电路与从相应的光探测器到低通滤波器的信号匹配。在13～15分别示出了与光探测器16～18相对应的接口电路。在19示出了示例的低通滤波器。每个低通滤波器由电阻器20和电容器21组成。选择电阻器和电容器的值以均衡开和关循环，使得低通滤波器的输出是代表着三个波长带的每个中的光的强度的直流电平。使用ADC 22将低通滤波器的输出数字化，并在减法电路23中将其与寄存器栈24中所存储的目标值相比较，该减法电路23生成与低通滤波器的输出和目标值的差异相关的信号。目标值代表与期望的输出颜色相对应的三个强度。测得强度和目标强度之间的差异提供三个误差信号，这三个信号被反馈控制器25使用来调节三个相应的占空因子，直至测得输出与目标值一致。

当通过向寄存器栈24提供新的目标值而改变输出颜色时，原则上，反馈环路运行以将占空因子调节到新的值，这些新的值将提供新的颜色。在30示出了这种理想的颜色变化。不幸的是，低通滤波器有相当大的时间延迟。当新的一组颜色值被引入寄存器栈24时，因为由低通滤波器生成的与旧的值一致的直流值此刻将不同于新的值，所以误差信号立刻增大。反馈控制器立刻改变占空度。但是，占空度的改变不会立刻改变低通滤波器的输出。因此，即使反馈控制器准确地推测到了正确的占空度，误差信号也将在一段时间保持非零状态，这段时间由低通滤波器的RC时间常数确定。因为低通滤波器必须使驱动信号中的脉冲平滑以生成直流值，所以这些时间常数相比于T是长的。因此，在低通滤波器的输出端看到第一次调节的结果之前，若干个T时间段都已经过去了。在该过渡时间段期间，反馈控制器将继续基于现在的不正确误差信号改变占空度。结果，反馈环路可能变得不稳定。

通过在更稀疏的间隔更新占空度，或者通过使用更复杂的增加了成本和反馈系统复杂度的有源滤波器设计，可以避免这些不稳定性。一般地，反馈控制器在某一周期的基础上对误差信号采样。如果采样之间的时间大大长于低通滤波器的RC时间常数，则反馈系统将是稳定的。但是，如果旧占空度和正确的新占空度之间的差异过分大的话，则稳定到正确的新占空度所需的时间将是过长的。在许多应用中，这样长的稳定时间是不可接受的。

本发明通过使用二相系统来在引入新颜色值时改变占空度，避免了这些问题。在第一相中，使用对最终占空因子的接近近似来立即改变占空度。在这一相期间，反馈环路被禁止。因此，LED的输出立即变到最终占空度的合理近似的输出。在低通滤波器有时间来稳定之后，系统进入第二相，其中反馈环路被使能，并接管占空度的调节，以提供最终的输出颜色。因为在第一相中引入的近似值接近最终值，所以在第二相开始时的误差信号将是较小的。因此，即使在更新循环时间大大长于低通滤波器的RC时间常数的情况下，稳定到最终值所需的时间也被减少了。

现在参考图2，图2是根据本发明一个实施例的光源100的框图。为了简化下面的讨论，光源100的那些与上面参考图1所讨论的元件起相同作用的元件被分配了相同的参考标号，并且这里将不再讨论。光源100包括占空因子预测器126，该占空因子预测器126当新的颜色设置被送入颜色寄存器124时被激活。当占空因子预测器126被激活时，它禁止反馈控制器125。然后占空因子预测器126基于新的颜色值向LED驱动器12提供脉冲序列。在过去了足够的一段时间后，占空因子预测器126释放反馈控制器125，反馈控制器125接管脉冲序列的生成，并使用传统的反馈策略设置占空因子。

如上面指出的，每种颜色LED的占空因子正比于将要由该LED生成的光强度。被输入颜色寄存器124的颜色用颜色三元组(color triplet)(R，G，B)表示，其中R是红色区域中的光强度，G是绿色区域中的光强度，B是蓝色区域中的光强度。相应的占空因子估计用(D_r，D_g，D_b)表示。可以从将光源运用到应用中之前收集的实验数据，获得将与任何具体颜色值一起利用的占空因子估计。一般，在光探测器校准过程期间获得该数据。这样的过程包括使用光谱仪测量光源，光谱仪输出对如下三种条件中的每一种条件的标准化颜色方案的三个值：(D_r，D_g，D_b)＝(1，0，0)、(D_r，D_g，D_b)＝(0，1，0)以及(D_r，D_g，D_b)＝(0，0，1)，其中1对应于LED在整个周期T期间为“开”，0对应于LED在整个周期T期间为“关”。用三元组(X，Y，Z)表示光谱仪的输出。三种测量条件中的每一种条件产生一个光谱仪输出三元组，分别为：(Xr，Yr，Zr)、(Xg，Yg，Zg)和(Zb，Yb，Zb)。这三个三元组可以被组合形成矩阵S：

$S=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Xr}& \mathrm{Xg}& \mathrm{Zb}\\ \mathrm{Yr}& \mathrm{Tg}& \mathrm{Yb}\\ \mathrm{Zr}& \mathrm{Zg}& \mathrm{Zb}\end{array}\right]$

现在，光谱仪的输出和占空因子之间可以形成关系。

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=S\·\left[\begin{array}{c}{D}_r\\ D_g\\ D_b\end{array}\right]$

或者，

$\left[\begin{array}{c}{D}_r\\ D_g\\ D_b\end{array}\right]=\stackrel{\‾}{S}\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

这样，可以生成对给定的颜色要求(颜色要求必须对应于与光谱仪相同的颜色方案)的占空因子三元组。理想地，光谱仪和输入到颜色寄存器124的(R，G，B)三元组对应于相同的标准颜色方案。在这样的情况中，任何(R，G，B)三元组将拥有由上面的等式生成的相应的占空因子估计。在光谱仪和颜色寄存器124对应于不同颜色方案的非理想情况中，需要翻译过程来将一种颜色方案变换到另一种方案。

由S矩阵给出的(X，Y，Z)和(D_r，D_g，D_b)之间的关系在光源10的寿命期间会变得越来越不准确。该关系也会随着工作条件而变化。但是，该关系的作用是生成一个占空因子估计，该估计只是最终占空因子的接近的、合理的近似。老化和工作条件引起的变化对该功能没有重大影响。但是，如果需要，可以在光源的整个寿命过程中周期性地更新S矩阵。

参考图3可以更容易地理解根据本发明一个实施例的光源的工作方式，图3是反馈控制器330和占空因子预测器340的更详细的框图。驱动LED的脉冲序列由在311～313处示出的红、绿、蓝脉冲发生器生成。每个脉冲序列发生器具有相应的占空因子寄存器，该寄存器包含代表要被该脉冲序列发生器使用的占空因子的数字值。在321～323处分别示出了与脉冲发生器311～313相对应的占空因子寄存器。脉冲序列发生器利用时钟329来定义图1所示的脉冲周期T。在图3所示的实施例中，在每个脉冲周期的开始，占空因子值被输入到脉冲发生器中的递减计数寄存器，脉冲发生器的输出被设置为第一值。在每个时钟脉冲，递减计数寄存器被递减。当该寄存器中的计数达到0时，脉冲发生器的输出被设置为第二值。

周期性地更新控制器325使得图2所示的ADC在低通滤波器的输出间循环，并读取当每个数字化的低通滤波器输出与来自图2所示的寄存器栈124的相应的RGB值相比较时生成的误差信号。然后使用该误差信号计算更新，这些更新进入到占空因子寄存器321～323中。更新控制器325所使用的更新周期优选地与脉冲发生器所使用的脉冲周期同步。为了简化图示，从图中省略了定义脉冲周期的寄存器与时钟329之间的连接。

在该实施例中，占空因子预测器340被连接到占空因子寄存器321～323和寄存器栈124。当寄存器124的内容改变时，占空因子预测器340计算与寄存器栈124中新的值相对应的占空因子估计，并使这些值被载入到占空因子寄存器321～323中。然后占空因子控制器340向更新控制器325发送信号，使得更新控制器325停止更新占空因子寄存器321～323的内容。例如，该控制功能可以通过在占空因子寄存器输入和更新控制器325之间插入一系列门来实现，这些门由占空因子控制器340控制。在误差信号稳定后，占空因子预测器340使更新控制器325返回一种模式，在该模式中其向占空因子寄存器321～323提供周期性的更新。

如上面所指出的，在寄存器栈124接收到新的值后，占空因子预测器340在某段时间阻止更新控制器325更新占空因子寄存器321～323。这一段时间的长度可以由许多准则中的任何一个来设置。最简单的方法是等待固定的一段时间，这一段时间足以保证误差信号值有时间来建立新的值，该新的值反映由占空因子预测器340送入占空因子寄存器321～323的占空因子。因为低通滤波器的RC时间常数是已知的，所以可以确定误差信号在最坏情况下足够稳定所需的时间。但是，如果占空因子寄存器321～323的内容的变化大大小于这种最坏情况，则颜色变化协议的第一相会比所需的更长。

或者，占空因子预测器340可以直接检查误差信号以判断何时误差信号已经足够稳定以使得更新控制器325能继续其正常工作。这样的实施例假设在更新过程的第一相期间，更新控制器325继续以如下方式工作：为误差信号的生成和读取做准备。

本发明的上述实施例利用基于数字化的误差信号生成方案。也可以构建在其中更新控制器使用的误差信号是模拟信号的实施例。现在参考图4，图4是用于生成模拟误差信号以调节占空因子的电路的框图。在该实施例中，将低通滤波器425～427的输出与由目标寄存器栈440中的DAC445～447生成的相应的模拟目标信号相比较。对应于堆栈中的每个寄存器，存在一个这样的DAC。在441～443处分别示出了与DAC 445～447相对应的寄存器。在减法电路451～453中，低通滤波器的输出与模拟目标信号相比较。将得到的三个误差信号然后被发送到反馈控制器。

上述占空因子预测器的实施例利用了目标RGB值与占空因子之间的特定函数关系。或者，可以使用查找表来映射目标RGB值与占空因子之间的关系。

应该指出，本发明可以适应相对长的反馈环路更新时间周期。当目标颜色变化时，本发明立即切换到与规定的最终颜色接近的颜色。当反馈环路被释放以微调占空因子时，预测值与最终值之间的差异相对小，因此需要很少的更新来达到最终值。

本发明的上述实施例利用了3个LED作为光发生器。但是，也可以构建利用不同数目LED的本发明实施例。只要在LED光输出与光探测器输出之间存在特定关系，就可以使用任何数目的LED。LED的最少数目是1。

另外，本发明不限于将LED作光发生器。可以使用任何提供可以被单独监视的输出光谱的光发生器。例如，可以用激光器来代替上面所讨论的LED。

本发明的上述实施例利用强度控制方案，其中改变LED的占空度以改变光源生成的光的强度。但是，本发明也可以应用于这样的光源，其中改变由每个LED生成的光的强度来改变光源的强度。在这样的实施例中，上述占空因子预测器将被这样的电路代替，该电路当目标颜色值被改变时设置初始强度值。这样的实施例将比没有利用初始值的实施例更迅速地稳定到新的强度值，其中初始值依赖于目标值被改变时的新的目标值。

从前面的描述和附图，本发明的各种修改对本领域的技术人员来说将变得清楚。因此，本发明只是由权利要求的范围所限定。

Claims (12)

1.一种光源，包括：

光发生器，所述光发生器生成由第一控制信号设置的第一强度处的第一波长的第一光信号；

光监视器，所述光监视器生成第一监视信号，所述第一监视信号具有由所述第一强度决定的幅度；

目标信号发生器，所述目标信号发生器生成第一目标信号，所述第一目标信号具有指示第一目标值的幅度；

差分电路，所述差分电路生成第一误差信号，所述第一误差信号具有与所述第一监视信号的所述幅度和所述第一目标信号的所述幅度的差相关的大小；

反馈控制器，所述反馈控制器响应于所述第一误差信号生成所述第一控制信号；和

初始控制信号发生器，所述初始控制信号发生器使得所述反馈控制器生成代替所述第一控制信号的初步第一控制信号，所述初步第一控制信号与所述第一误差信号无关，并且在所述第一目标值变为新的第一目标值之后的第一时间段生成并存在。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述初步第一控制信号依赖于所述新的第一目标值。

3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光发生器包括发光二极管。

4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光发生器包括激光器。

5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述第一控制信号包括周期信号，所述周期信号在第一值和第二值之间切换，所述第一值使得所述光发生器生成所述第一波长的光，在所述第二值处所述光发生器不生成所述第一波长的光。

6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述反馈控制器改变所述第一控制信号处于所述第一值的时间片断。

7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述光监视器包括光探测器和低通滤波器。

8.根据权利要求7所述的光源，其中，所述低通滤波器由延迟时间来表征，并且其中所述第一时间段大于所述延迟时间。

9.根据权利要求1所述的光源，其中

所述光发生器生成由第二控制信号设置的第二强度处的第二波长的第二光信号，

所述光监视器生成第二监视信号，所述第二监视信号具有由所述第二强度决定的幅度，

所述目标信号发生器生成第二目标信号，所述第二目标信号具有指示第二目标值的幅度，

所述差分电路生成第二误差信号，所述第二误差信号具有与所述第二监视信号的所述幅度和所述第二目标信号的所述幅度的差相关的大小；

所述反馈控制器响应于所述第二误差信号生成所述第二控制信号；以及

所述初始控制信号发生器使得所述反馈控制器生成代替所述第二控制信号的初步第二控制信号，所述初步第二控制信号与所述第一误差信号和第二误差信号无关，并且在所述第一目标值或所述第二目标值改变之后的第二时间段生成并存在。

10.一种用于控制光源的方法，所述光源生成由控制信号设置的强度处的一个波长的光信号，所述方法包括：

从监视信号和目标信号形成误差信号，所述监视信号具有由所述强度决定的幅度，所述目标信号具有指示目标值的幅度，所述误差信号具有与所述监视信号的所述幅度和所述目标信号的所述幅度的差相关的大小；

响应于所述误差信号生成所述控制信号，并生成代替所述控制信号的初步控制信号，所述初步控制信号与所述误差信号无关，并且在所述目标值变为新的目标值之后的一段时间生成并存在。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述初步控制信号依赖于所述新的目标值。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号包括周期信号，所述周期信号在一个值和第二值之间切换，所述一个值使得所述光源生成所述波长的光，在所述第二值处所述光源不生成所述波长的光。

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