DE102008033544A1

DE102008033544A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Kalibrierdaten, Kalibriereinheit und Leuchtquelle

Info

Publication number: DE102008033544A1
Application number: DE102008033544A
Authority: DE
Inventors: Nico Morgenbrod
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-01-21
Also published as: US20110115404A1; WO2010006918A1

Abstract

Es wird ein Verfahren angegeben zum Bestimmen von Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle, bei dem eine photometrische Größe und/oder eine farbmetrische Größe der Leuchtquelle ermittelt wird, bei dem anhand der photometrischen Größe und/oder der farbmetrischen Größe eine Farbvalenz, insbesondere ein Farbort, ermittelt wird und bei dem die Kalibrierdaten abhängig von der Farbvalenz und von einer Temperatur, insbesondere von einer Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle bestimmt werden. Weiterhin werden eine entsprechende Vorrichtung sowie eine Kalibriereinheit vorgeschlagen und eine Leuchtquelle zur Interaktion mit der Anordnung bzw. der Kalibriereinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Kalibrierdaten, eine Kalibriereinheit und eine Leuchtquelle.
Leuchtquellen, z. B. Leuchtmodule, LED-Module, die hinsichtlich ihres Farbortes und einer Farbortstabilität hohen Anforderungen genügen sollen, müssen geeignet kalibriert werden. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise vor deren Auslieferung an den Kunden oder bei bereits aktivierten Leuchtquellen vor Ort erfolgen.
Ein bekannter Ansatz zur Kalibrierung ist es, eine LED bei bekannter Umgebungstemperatur gepulst zu betreiben. Bei diesem sog. ”Blitzen” werden Pulse von 25 ms erzeugt und mittels eines Spektralradiometers die photometrische Größe gemessen.
Hierbei ist es von Nachteil, dass oftmals keine derartigen Pulse auslösbar sind. Beispielsweise gibt es bei LED-Modulen keine Möglichkeit, dass das Spektralradiometer vorgenannte Pulse initiiert. Ein weiterer Nachteil beim ”Blitzen” besteht in der aufwändigen Abstimmung der verwendeten Einheiten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere einen effizienten und vielseitig einsetzbaren Ansatz zur Bestimmung von Kalibrierdaten zu schaffen, wobei besagte Kalibrierdaten beispielsweise zur Einstellung bzw. Kalibrierung einer Leuchtquelle, insbesondere eines LED-Moduls, einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren angegeben zum Bestimmen von Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle,

– bei dem eine photometrische Größe und/oder eine farbmetrische Größe der Leuchtquelle ermittelt wird;
– bei dem anhand der photometrischen Größe und/oder der farbmetrischen Größe eine Farbvalenz, insbesondere ein Farbort, ermittelt wird;
– bei dem die Kalibrierdaten abhängig von der Farbvalenz und von einer Temperatur, insbesondere von einer Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle, bestimmt werden.

Bei der Leuchtquelle kann es sich um mindestens ein Leuchtmodul handeln, wobei insbesondere jedes Leuchtmodul mindestens eine Leuchtdiode (LED) umfasst.
Vorteilhaft werden die photometrische und/oder die farbmetrische Größe(n) gemessen mittels einer geeigneten Messvorrichtung.
Anhand der Sperrschichttemperatur und der ermittelten photometrischen Größe kann eine Kalibrierung der Leuchtquelle durchgeführt werden. Insbesondere können anhand einer Kalibriereinheit mehrere Leuchtquellen kalibriert werden. Damit ist z. B. gewährleistet, dass die mehreren Leuchtquellen zueinander weitgehend identische Leuchteigenschaften aufweisen.
Hierbei sei angemerkt, dass insbesondere mehrere photometrische Größen bzw. mehrere unterschiedliche photometrische Größen der Leuchtquelle gemessen werden können. Auch können mehrere Farborte bestimmt und basierend auf mehreren Temperaturen, insbesondere auf mehreren Sperrschichttemperaturen von bspw. LEDs der Leuchtquelle die Kalibrierdaten bestimmt werden.
Vorzugsweise werden die Kalibrierdaten zum Kalibrieren bzw. Einstellen der Leuchtquelle eingesetzt. Hierzu werden die Kalibrierdaten vorzugsweise über ein geeignetes Interface an die Leuchtquelle übertragen oder dieser zur Verfügung gestellt.
Eine Weiterbildung ist es, dass die Temperatur von der Leuchtquelle bereitgestellt und/oder von dieser abgefragt wird.
Insbesondere kann die Leuchtquelle ein Interface aufweisen zum Bereitstellen der Temperaturinformation, insbesondere der Sperrschichttemperatur(en) der Leuchtquelle.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Temperatur jeder LED der Leuchtquelle von der Leuchtquelle bereitgestellt und/oder von dieser abgefragt wird.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Temperatur der Leuchtquelle im wesentlichen zum Zeitpunkt der ermittelten photometrischen Größe und/oder farbmetrischen Größe berücksichtigt wird.
Insofern wird vorteilhaft berücksichtigt, dass die Kalibrierdaten auf weitgehend zeitgleich auftretenden photometrischen und/oder farbmetrischen Größen bzw. Temperaturen beruhen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Kalibrierdaten eine Helligkeit, einen Farbort und/oder eine Dominantwellenlänge umfassen.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die photometrische Größe mindestens eine der folgenden Größen umfasst:

– ein Spektrum;
– einen Lichtstrom;
– einen Hellbezugswert, insbesondere eine Leuchtdichte und/oder Beleuchtungsstärke;
– eine Dominantwellenlänge, insbesondere eine Farbsättigung.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird die photometrische und/oder farbmetrische Größe mittels mindestens einer der folgenden Komponenten oder Geometrien gemessen:

– ein Spektralradiometer;
– eine Ulbrichtkugel;
– einen Helligkeitssensor;
– ein Farbsensor.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Kalibrierdaten eine Dominantwellenlänge, eine Helligkeit und/oder Farbkoordinaten umfassen.
Hierbei sei angemerkt, dass die Farbvalenz durch die Bestimmung von Dominantwellenlänge, Sättigung, Farbkoordinaten und/oder Helligkeitsbezugswert (insbesondere eindeutig) bestimmt ist. Hierbei kann die Sättigung als Funktion von der Dominantwellenlänge und/oder als Funktion der jeweiligen LED spezifiziert sein. Diese kann gemessen werden, sie kann aber auch, z. B. in einem Speicher, hinterlegt sein.
Eine Ausgestaltung ist es, dass das Verfahren für mehrere Farbkanäle durchgeführt wird.
Insbesondere kann das Verfahren für einen oder für mehrere Farbkanäle iterativ durchgeführt werden.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Kalibrierdaten zur Einstellung der Leuchtquelle verwendet werden, wobei insbesondere die Kalibrierdaten der Leuchtquelle bereitgestellt werden.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Leuchtquelle ein Leuchtmodul mit mindestens einer LED, insbesondere mit mehreren LEDs, umfasst.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Anordnung zum Bestimmen von Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle umfassend eine Prozessoreinheit oder einen Rechner, der derart eingerichtet ist, dass das hierin beschriebene Verfahren damit durchführbar ist.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels einer Kalibriereinheit für eine Leuchtquelle umfassend

– eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer photometrischen und/oder einer farbmetrischen Größe der Leuchtquelle;
– eine Einheit zur Ermittlung von Kalibrierdaten abhängig von der photometrischen Größe und/oder der farbmetrischen Größe und von einer Temperatur, insbesondere von einer Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle.

Hierbei ist es eine Weiterbildung, dass die Kalibriereinheit eine Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung mit der Leuchtquelle aufweist.
Auch wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe eine Leuchtquelle angegeben zur Interaktion mit der hierin beschriebenen Anordnung, z. B. der Kalibriereinheit, wobei die Leuchtquelle mindestens einen Temperatursensor, insbesondere mindestens einen Heißleiter und/oder mindestens einen Kaltleiter zur Bestimmung der Temperatur aufweist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Orten der Leuchtquelle angeordnet sind.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Temperatur bestimmbar ist anhand bzw. unter Berücksichtigung einer abgegeben Leistung und/oder eines thermischen Widerstands.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.
Es zeigt:
1 ein beispielhaftes Szenario umfassend eine Leuchtquelle (oder Leuchtmodul) sowie eine Kalibriereinheit, wobei die Kalibriereinheit zur Bestimmung von Kalibrierdaten und zur Einstellung der Leuchtquelle einsetzbar ist.
Anhand des hierin vorgestellten Ansatzes werden insbesondere Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle bestimmt. Diese Kalibrierdaten sind einsetzbar, um die Leuchtquelle, insbesondere ein Leuchtmodul bzw. ein LED-Modul, einzustellen bzw. zu kalibrieren.
Die Ermittlung der Kalibrierdaten erfolgt insbesondere mittels einer Temperatur, insbesondere eine Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle. Hierbei werden bevorzugt mittels einer Modulcharakterisierung und/oder mittels eines Temperatursensors der Leuchtquelle die Sperrschichttemperatur jeder einzelnen LED der Leuchtquelle in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und in Abhängigkeit von der eingeprägten Leistung bestimmt.
Bestimmung der Sperrschichttemperatur:
Der Farbort einer LED kann abhängig von der Wellenlänge variieren, wobei sich die Wellenlänge mit der Sperrschichttemperatur der LED ändern kann. Zudem sinkt im allgemeinen ein Lichtstrom mit steigender Temperatur. Farbort und Lichtstrom zeigen über einen Temperaturverlauf insbesondere ein stark nichtlineares Verhalten. Einstellbare farbortstabile Leuchtquellen, z. B. auf LED-Basis, kompensieren derartige Abhängigkeiten.
Gemäß der hier vorgeschlagenen Lösung können LEDs mathematisch beschrieben werden, so dass bei Kenntnis der Sperrschichttemperatur Kalibrierdaten bestimmt werden können.
Je nach Technologie und/oder Aufbau einer LED ergeben sich unterschiedlich stark ausgeprägte thermische Effekte während des Betriebs der LED.
So verschiebt sich eine Dominantwellenlänge der LED mit zunehmender Temperatur in Richtung höherer Wellenlängen und/oder ein Lichtstrom nimmt mit steigender Temperatur ab.
Zur Bestimmung der jeweiligen Temperaturkurve wird bevorzugt eine große Anzahl von Messdaten für jeden LED-Typ ausgewertet.
Zur Bestimmung der Temperatur, insbesondere der Sperrschichttemperatur der LED kann mindestens ein Temperatursensor vorgesehen sein, der thermisch an die LED gekoppelt ist. Insbesondere können unterschiedliche thermische Sensoren, auch in Kombination miteinander, vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass mehrere Temperatursensoren an unterschiedlichen Position eines Leuchtmoduls angeordnet sind. Durch Kenntnis der Positionen in Relation zu der LED (oder entsprechend zu mehreren LEDs eines Leuchtmoduls) lässt sich entsprechend eine Temperaturverteilung zwischen den LEDs bzw. Temperaturgradienten entlang der die LEDs umfassenden Leuchtquelle bestimmen. Dadurch kann die Sperrschichttemperatur der LED mit höherer Genauigkeit ermittelt werden.
Beispiele für einen Temperatursensor sind: Heißleiter (NTC), Kaltleiter (PTC), Temperaturfühler, Thermoelement, Pyrometer, o. ä.
Bei einem bekanntem, der LED eingeprägten Strom und bei bekannten Vorwärtsspannungskennlinien bzw. Leistungen der LED sowie bei bekannten thermischen Widerständen und Wirkungsgraden kann die Sperrschichttemperatur der LED bestimmt werden.
Somit kann abhängig von einer auf einem Leuchtmodul gemessenen Temperatur auf die Sperrschichttemperaturen mehrerer (beliebig vieler) LEDs rückgeschlossen werden.
Somit kann die Sperrschichttemperatur der LED(s) der Leuchtquelle effizient auch während des Betriebs bestimmt werden. Die aufwändige Messmethodik des sogenannten ”Blitzens” zum Ausschluss von Temperatureffekten kann somit entfallen.
Kalibrierung:
Die hierin vorgeschlagene Kalibrierung der Leuchtquelle umfasst einen Ansatz zur Bestimmung der notwendigen Kalibrierdaten, die dann zur Kalibrierung z. B. mittels einer Kalibriereinheit einsetzbar sind.
Die Kalibrierung der Leuchtquelle umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

(1) Messung mindestens einer photometrischen Größe, z. B.
eines Lichtstroms, der Leuchtquelle. Dies erfolgt zweckmäßig durch mindestens eine Messvorrichtung, z. B. mittels eines Spektralradiometers, einer Ulbrichtkugel, mindestens eines Farbsensors, etc.
(2) Bestimmung eines Farborts anhand der mindestens einen ermittelten photometrischen Größe, z. B. anhand des vermessenen Spektrums. Beispielsweise kann einen Dominantwellenlänge und/oder ein Farbort in Form von Farbkoordinaten (x, y) ermittelt werden.
(3) Auslesen oder Abfragen der Sperrschichttemperatur(en) der Leuchtquelle. Insbesondere kann die Leuchtquelle über ein Interface Sperrschichttemperaturen abfragbar bereithalten oder diese zu vorgegebenen Zeitpunkten versenden. Vorzugsweise wird die Sperrschichttemperatur mit dem Zeitpunkt für die Ermittlung der mindestens einen photometrischen und/oder farbmetrischen Größe synchronisiert.
(4) Bestimmung von Kalibrierdaten, z. B. Hellbezugswert, Dominantwellenlänge (Farbsättigung), Farbort, abhängig von der Sperrschichttemperatur der Leuchtquelle. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kalibrierdaten für eine bestimmte bspw. geforderte Bezugstemperatur nach für die LEDs der Leuchtquelle charakteristischen (und ggf. hinterlegten bzw. abgespeicherten) Kennlinien.
(5) Die Schritte (1) bis (4) werden vorzugsweise für jeden Farbkanal der zu kalibrierenden Leuchtquelle durchgeführt.
(6) Die Kalibrierdaten werden an die Leuchtquelle übermittelt. Die Leuchtquelle wird somit anhand der Kalibrierdaten (neu) eingestellt.

Die vorstehenden Schritte können zumindest teilweise auf einer Kalibriereinheit durchgeführt werden.
Ein beispielhaftes Szenario zum Einsatz des vorgestellten Ansatzes umfassend eine Leuchtquelle (oder Leuchtmodul) 101 sowie eine Kalibriereinheit 104 ist in 1 dargestellt.
Die Leuchtquelle 101 umfasst ein LED-Modul 102 und eine Modulsteuerung 103, wobei das LED-Modul 102 vorzugsweise mehrere LEDs aufweist. Das LED-Modul 102 stellt der Modulsteuerung 103 eine Temperatur T_Board des LED-Moduls 102 zur Verfügung, die Modulsteuerung 103 übermittelt Helligkeitswerte Y_Kanal pro (Farb-)Kanal an das LED-Modul 102.
Das LED-Modul 102 emittiert Licht, das von einem Spektrometer 105 der Kalibriereinheit 104 aufgenommen wird. Bei dem Spektrometer 105 handelt es sich um ein Beispiel für eine photometrische bzw. colormetrische Messeinrichtung. Entsprechend können andere Messeinrichtungen in der Kalibriereinheit 104 eingesetzt werden. Das von dem Spektrometer 105 erfasste Licht wird in Form von Messdaten 109, z. B. als Farbort, Helligkeit Y und/oder Dominantwellenlänge einer Recheneinheit 106 der Kalibriereinheit 104 zur Verfügung gestellt.
Die Recheneinheit 106 erhält oder erfragt eine Sperrschichttemperatur 107 von der Modulsteuerung 103 vorzugsweise zu einer Zeit, zu der das Spektrometer 104 die Messdaten aufnimmt. Anhand der Messdaten und der Sperrschichttemperatur 107 bestimmt die Recheneinheit 106, vorzugsweise mittels vorgegebener LED-Charakteristika, z. B. für die jeweiligen LEDs hinterlegte Temperaturkennlinien, Kalibrierdaten 108 zur geforderten Bezugstemperatur und übermittelt diese an die Leuchtquelle 101.
Die Kalibrierdaten 108 sind insbesondere auf die Temperatur genormt und umfassen einen Farbort z. B. in Form eines Hellbezugswertes Y₀ sowie Farbkoordinaten (x₀, y₀).
Weitere Vorteile:
Bei ausreichend exakter (mathematischer) Beschreibung des Verhaltens der Leuchtdioden (oder generell von Lichtquellen) über die Temperatur kann eine genaue Kalibrierung bei jeder beliebigen Umgebungstemperatur erfolgen.
Die Kalibrierung kann in jedem Temperaturzustand der Lichtquelle erfolgen. Eine mehrfache Kalibrierung der Lichtquelle bei mehreren Temperaturzuständen ist nicht notwendig. Hierdurch wird der Aufwand für die Kalibrierung deutlich reduziert. Insbesondere wird ein zeitaufwändiges Einschwingen von definierten Temperaturzuständen vermieden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle, – bei dem eine photometrische Größe und/oder eine farbmetrische Größe der Leuchtquelle ermittelt wird; – bei dem anhand der photometrischen Größe und/oder der farbmetrischen Größe eine Farbvalenz, insbesondere ein Farbort, ermittelt wird; – bei dem die Kalibrierdaten abhängig von der Farbvalenz und von einer Temperatur, insbesondere von einer Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle, bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur der Leuchtquelle von der Leuchtquelle bereitgestellt und/oder von dieser abgefragt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Temperatur jeder LED der Leuchtquelle von der Leuchtquelle bereitgestellt und/oder von dieser abgefragt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur der Leuchtquelle im wesentlichen zum Zeitpunkt der ermittelten photometrischen Größe und/oder farbmetrischen Größe berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kalibrierdaten eine Helligkeit, einen Farbort und/oder eine Dominantwellenlänge umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die photometrische Größe mindestens eine der folgenden Größen umfasst: – ein Spektrum; – einen Lichtstrom; – einen Hellbezugswert, insbesondere eine Leuchtdichte und/oder Beleuchtungsstärke; – eine Dominantwellenlänge, insbesondere eine Farbsättigung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die photometrische und/oder farbmetrische Größe gemessen wird mittels mindestens einer der folgenden Komponenten oder Geometrien: – ein Spektralradiometer; – eine Ulbrichtkugel; – einen Helligkeitssensor; – ein Farbsensor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kalibrierdaten eine Dominantwellenlänge, eine Helligkeit und/oder Farbkoordinaten umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren für mehrere Farbkanäle durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kalibrierdaten zur Einstellung der Leuchtquelle verwendet werden, wobei insbesondere die Kalibrierdaten der Leuchtquelle bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leuchtquelle ein Leuchtmodul mit mindestens einer LED, insbesondere mit mehreren LEDs, umfasst.
Anordnung zum Bestimmen von Kalibrierdaten für eine Leuchtquelle umfassend eine Prozessoreinheit oder einen Rechner, der derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführbar ist.
Kalibriereinheit für eine Leuchtquelle umfassend – eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer photometrischen und/oder einer farbmetrischen Größe der Leuchtquelle; – eine Einheit zur Ermittlung von Kalibrierdaten abhängig von der photometrischen Größe und/oder der farbmetrischen Größe und von einer Temperatur, insbesondere von einer Sperrschichttemperatur, der Leuchtquelle.
Leuchtquelle zur Interaktion mit der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Leuchtquelle mindestens einen Temperatursensor, insbesondere mindestens einen Heißleiter und/oder mindestens einen Kaltleiter zur Bestimmung der Temperatur aufweist.
Leuchtquelle nach Anspruch 14, bei der mehrere Temperatursensoren an verschiedenen Orten der Leuchtquelle angeordnet sind, wobei insbesondere die Temperatur bestimmbar ist anhand einer abgegeben Leistung und/oder anhand eines thermischen Widerstands.