JP2005513724A - Ｌｅｄベース発光体用色制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の赤、緑及び青色発光ダイオード（ＬＥＤ）により所望の色を発生させる制御システムであり、発生された光の第１の色空間における色座標を測定するために複数のＬＥＤにより発生された光色に感応するセンサを具える。第１の変換モジュールがセンサに結合され、前記発生光の座標を第２の色空間に変換する。第２の変換モジュールが第２の色空間で表される前記所望の光に対応する基準色座標を提供する。加算器が第１及び第２の変換モジュールに結合され、前記所望の光色座標と前記発生光の色座標との差に対応する誤差色座標を発生する。ドライバモジュールが加算器に結合され、ＬＥＤを駆動する駆動信号を発生する。

Description

本発明は、色混合システム、特に所望の色を提供するＲＧＢ発光ダイオードコントローラに関するものである。

慣例の色制御システムは、例えばＲＧＢ ＬＥＤ光源により発生された所望の色を維持する帰還制御装置を用いている。しかし、色制御システムの精度を決定する際の考慮すべき事項の一つとして小さな色差に対する視感度が知られている。

伝統的には、所望の光の色及び強度を制御し維持するためには、色空間図を使用し、赤、緑、青色のような種々の原色光源を色空間図で表される値に従って制御している。

代表的な色空間は、ＲＧＢ空間であり、この色空間は所定の色を構成する赤、緑及び青強度の３成分をそれらのスペクトルと一緒に示す３次元空間で表される。例えば、スキャナは画像から反射された赤、緑及び青色光の光量を読み取り、それらの光量をディジタル値に変換する。ディスプレイはこれらのディジタル値を受信し、スクリーン上で見られる赤、緑及び青色光に変換する。ＲＧＢベースの色空間は、多くのカラーディスプレイやスキャナによりサポートされているため、コンピュータグラフィックにおいて最も一般に使用されている。しかし、ＲＧＢ色空間の使用は、装置依存であるとともに加法混色である欠点がある。

いくつかの色空間は色を装置非依存に表すことができる。ＲＧＢカラーはディスプレイやスキャナ特性とともに変化するが、装置非依存カラーは人間の眼で知覚される色の真の表現を意味する。これらの色表現、いわゆる装置非依存色空間、は国際照明委員会（ＣＩＥ）で１９３１年に行われた作業の結果であり、そのためこれらの色空間はＣＩＥベース色空間とも呼ばれている。

ＣＩＥは色を人間の知覚の観点から特定する一組の色空間を生成した。ＣＩＥは、次いで、種々のレベルで合成することにより人間の目が知覚しうる全ての色を生成し得る３つの仮想原色成分Ｘ，Ｙ及びＺを導出するアルゴリズムを開発した。得られたカラーモデルＣＩＥ及び他のＣＩＥカラーモデルが全ての色監理システムの基礎を構成している。ＲＧＢ及びＣＭＹＫ値は装置ごとに異なるが、人間の色知覚は装置によらずに一貫性を維持する。色はＣＩＥベースの色空間で、個々のディスプレイや再生装置の特性と無関係に指定することができる。この標準の目的は、所定のＣＩＥベースの色指定に対して、種々の装置にて一致した結果を各装置の限界まで発生させるためである。

例えば、ｘｙＬ，ｕｖＬ，ｕ*ｖ*Ｌ，ａ*ｂ*Ｌ等の幾つかのＣＩＥベースの色空間があるが、これらは全て基本ＸＹＺ空間から導出されたものである。ＸＹＺ空間は色を３刺激値Ｘ，Ｙ及びＺの混合として表現する。３刺激値は、色知覚が３種類の刺激に応答する眼の網膜により生ずるという事実に由来する。実験後に、ＣＩＥは網膜の挙動に対応する原色の仮想セットＸＹＺを定めた。

ＣＩＥは、全ての可視光をＸ，Ｙ及びＺの正混合にマッピングするため及びＹを色の見かけの明るさに近似的に相関させるために３原色を定めた。一般に、色を記述するために使用するＸ、Ｙ及びＺ成分の混合は、０％から場合により１００％を丁度超える範囲のパーセンテージとして表現される。ＸＹＺ空間に基づく他の装置非依存色空間が色の特定のアスペクトまたはいくつかの知覚色差をＸＹＺ値に関連させるのに主として使用されている。

図１は、ＣＩＥ（国際照明委員会）により定められた色度図のプロットである。基本的には、図１のＣＩＥ色度図は標準セットの３原色刺激とそれらに対する標準セットの３刺激値に関する情報を示している。代表的には、３原色刺激は赤色刺激（Ｒ）が波長７００ｎｍの放射、緑色刺激（Ｇ）が５４６．１ｎｍの放射及び青色刺激（Ｂ）が４３５．８ｎｍの放射である。曲線６０に沿う種々の色点を合成して点６２に示す白色光を生成することができる。この色度図は３刺激値の割合を示すのみで，従って同じ割合を有する明るい色及び暗い色も同一の点に属する。

上述したように、ＸＹＺ空間をＲＧＢ光源を制御するのに使用する１つの欠点は、所望の色点、例えばＸ_Ｗ，Ｙ_Ｗ，Ｚ_Ｗを制御するよう構成されたシステムにおいて、この所望の色点からの偏差がその偏差の方向に依存して異なるビジュアルインパクトを有する点にある。即ち、色点位置の同一の誤差に対する知覚色差が、誤差を有する色点が所望の色点位置に対して色度図上のどこに位置するかに依存して相違する。

それゆえ、システムが極めて小さい誤差制御系を具えていたとしても、知覚色差は所定の誤差に対しては依然として大きく、他の色点誤差に対しては極端に小さくなる。帰還システムはそれだけでは色点誤差を過補償するか、不足補償することになる。

従って、すべての色点誤差を色の視覚の変化なしに補正する帰還制御装置を用いるＲＧＢ ＬＥＤ制御システムが必要とされている。

本発明の一実施例では、複数の赤、緑及び青色発光ダイオード（ＬＥＤ）により所望の色を発生させる制御システムは、ＬＥＤにより発生された光に感応してＸ,Ｙ,Ｚ色空間における該発生光の色座標を測定するセンサを具える。変換モジュールが該センサに結合され、前記発生光の座標をファルンスワース変換に従ってx’,y’色空間のような第２の色空間に変換する。基準モジュールが第２の色空間で表される所望の光に対応する基準色座標を提供するように構成される。誤差モジュールが変換モジュールと基準モジュールに結合され、該誤差モジュールは、所望の白色光の座標と発生白色光の座標との差に対応する誤差色座標を発生するように構成される。ドライバモジュールが誤差モジュールに結合され、該ドライバモジュールは前記ＬＥＤを駆動する駆動信号を発生するように構成される。

図２は、本発明の一実施例に基づく、ＲＧＢ ＬＥＤ発光体モジュール２２により発生される光を制御する制御システム１０を示す。特に、本発明の好適実施例では、制御システム１０はＬＥＤを制御して基準色座標値Ｘref、Ｙref及びＺrefを有する所望の色の光を発生させるために使用する。

図２は、Ｘ,Ｙ,Ｚ色空間における所望の光の所望の色座標値を蓄積するよう構成されたバッファ１４を含んでいる。

バッファ１４はｘ’Ｌ’ｙ’変換モジュール３０に結合される。変換モジュール３０は、最初にＸ,Ｙ,Ｚ色空間をＩＥＣ１９３１色度座標（ｘ,ｙ）に変換する。ＩＥＣ１９３１色度座標ｘ,ｙに従って定められた色空間は本発明の一実施例に従って図５に示されている。この図に示されているように、この色度図内の各所望の色点は対応する楕円で囲まれている。各楕円内の任意の色偏差は知覚し得る色変化をほとんど生じない点に注意されたい。

これらの楕円は、G. Wyszecki and W.S. Stiles 著、「Color Science: concepts and methods, quantitative data and formulae」(2^nd Ed. John Wiley & Sons, 1982), p. 308、に記載されているように、マッカダムの楕円として知られている。また、プロットされた楕円の軸はそれらの実際の長さの１０倍である点にも注意されたい。

ｘ,ｙ変換は次のように定義される。
ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） (1)
ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） (2)

図５に示すように、これらの所謂マッカダムの楕円は色度図内の種々の色点にプロットされる。これらの楕円は殆どまたは全く知覚し得ない色差を有する等色の標準偏差に対応する。殆ど全色空間に亘って均等色空間を得るために、本発明の一実施例に基づく変換モジュール３０は、これらの楕円を円に変換する他の非線形変換を提供する。

このような楕円−円非線形変換の一例は、図６に示すようなx’,y’座標を有するファルンスワース変換であり、この変換においては、D. Farnsworth著、「A temporal factor in colour discrimination, Visual Problems of Color, Vol. II」, p.434 (1957), Nat. Phys. Lab. Symposium No.8, Her majesty’s Stationery Office, London (1958) に詳述されているように、図５のすべての楕円がほぼ同一の半径を有する円に変換される。従って、変換モジュール３０の第２の変換ステップは次のように定義される。
ｘ’＝ｆ_ｘ（ｘ,ｙ） (3)
ｙ’＝ｆ_ｙ（ｘ,ｙ） (4)

式(3)及び(4)で定義される変換の一例は、本発明の一実施例では、次のように定義される。

ここに、係数ａ₁₁，ａ₁₂，ａ₁₃、ａ₂₁，ａ₂₂，ａ₂₃，ｂ₁，ｂ_２，ｂ₃はすべて（ｘ,ｙ）座標系の空間関数である。従って、これらの係数は所望の色点ｘ,ｙに応じて適応させる必要がある。

図２の変換モジュール３０はハードウエア構成またはソフトウエア構成または両者の組合せのいずれかを用いる点に注意されたい。更に、これと関連して、本発明は制御システム１０の各モジュールのためにハードウエア要素またはソフトウエア要素または両者の組合せのいずれかを用いることを意図している。

図２を参照して説明を続けると、バッファ１４に蓄積された座標はＸＹＺ空間で表された所望の色点に関する色を表す色空間に対応し、変換モジュール３０により、上述したようなｘ’_ref，Ｌ’_ref，及びｙ’_refという新座標に変換される。

バッファ１４は変換モジュール３０を経て帰還加算器１６に結合され、この加算器は、所望の色座標値と制御システム１０により発生される色座標値とに基づいて、誤差信号Δｘ’，ΔＬ’，Δｙ’を発生するよう構成されている。

帰還加算器１６の出力ポートはコントローラ１８に結合され、このコントローラは色空間誤差信号に対応する制御電圧信号を発生するよう構成されている。本発明の一実施例では、コントローラ18は、帰還加算器１６により発生された誤差信号に応答して、ＬＥＤを駆動する制御電圧源ｖ_Ｒ，ｖ_Ｇ，ｖ_Ｂを発生するよう構成する。

コントローラ１８の出力ポートは電源及びＲＧＢドライバ装置２０の入力ポートに結合される。電源装置２０はＲＧＢ ＬＥＤの各々に対して適切な順方向電流信号レベルｉ_Ｒ，ｉ_Ｇ，ｉ_Ｂを発生してＬＥＤにより対応する光を発生させて所望の白色光を発生させる。

電源装置２０の出力ポートはＲＧＢ白色ＬＥＤ発光体モジュール２２の入力ポートに結合される。発光体モジュール２２内の複数の赤，緑及び青色ＬＥＤは、それぞれ対応する順方向駆動電流信号を受信して所望の光色を発生する。発光モジュール２２はＬＥＤに供給される電流に応答して赤，緑及び青色の光（ルーメン単位）を発生する。

発光体モジュール２２により発生された光は３刺激値フィルタ２４により測定される。このフィルタ２４は発光体モジュール２２の前に配置され、発生された光の色座標ＲＧＢのような所定の特性を測定する。図３及び図４を参照して後に詳細に説明するように、本発明の一実施例では、フィルタ２４は、当該分野において既知の３刺激値フィルタとして動作する色フィルタ付きのフォトセンサを具える。

フィルタ２４は色点識別モジュール２６に結合され、このモジュールはフィルタ２４により測定されたＲＧＢ値をＸ_Ｗ，Ｙ_Ｗ，Ｚ_Ｗ座標に変換するよう構成されている。本発明の一実施例では、フィルタ２４と色点識別モジュール２６の動作は図３(a)−３(c)に示す１４０のような３刺激値フィルタにより組み合わせることができる。

３刺激値フィルタ１４０の動作と構造は公知である。図３(a)，３(b)及び３(c)は本発明の種々の実施例で使用される３つの代表的な３刺激値フィルタのブロック図を示す。基本的には，３刺激値フィルタは、フィルタのスペクトル応答関数がＣＩＥ標準測色観察者の等色関数に正比例するように構成される。

図３(a)は３刺激値フィルタ１４０の構成と動作を示す。図３(a)の３刺激値フィルタは３つのガラスフィルタ１４２，１４４及び１４６を含み、これらのフィルタの各々は光源１２２により発生されテスト物体１２４により反射された光に含まれる赤、緑及び青色光をそれぞれフィルタする。これらのガラスフィルタの背面に１つ以上のフォトセル１５４が配置され、赤、緑及び青色光成分の各々に対する光出力を測定する。レジスタ１４８，１５０及び１５２は、ＣＩＥ１９３１標準観察者に対応する光情報を蓄積するよう構成される。従って、レジスタ１４８はフィルタ１４２を通過した光に対応する情報を蓄積する。同様に、レジスタ１５０はフィルタ１４４を通過した光に対応する情報を蓄積し、レジスタ１５２はフィルタ１４６を通過した光に対応する情報を蓄積する。

この目的のために、図４(a)に、スペクトル応答関数を示すプロットと、３刺激値フィルタ１４０と組み合わされた５４のようなフォトセルがＣＩＥ１９３１標準観察者の等色関数を最適に再現できる程度を示す。実線曲線はＣＩＥ標準観察者データを示し、破線曲線は３刺激値フィルタ付きフォトセル装置のスペクトル応答を示す。

３刺激値フィルタの他の例を図３(b)及び３(c)に示す。これらの例ではフィルタガラス層がフィルタ基板上に配置される。即ち、図３(b)に示すように、基板１６８がガラス層１６６を支持し、その上にガラス層１６４が重畳され、更にその上にガラス層１６２が重畳されて。図３(c)はガラス層の他の変形例を示し、層１７２は層１７４を完全に覆わず、層１７４は層１７６を完全に覆わない。

この目的のために、図４(b)に、スペクトル応答関数を示すプロットと、３刺激値フィルタ１６０または１７０と組み合わされた１５４のようなフォトセルがＣＩＥ１９３１標準観察者の等色関数を最適に再現できる程度を示す。実線曲線はＣＩＥ標準観察者データを示し、破線曲線は３刺激値フィルタ付きフォトセルのスペクトル応答を示す。

色識別モジュール２６の出力ポートは変換モジュール２８の入力ポートに結合される。このモジュールはモジュール２６により測定された光のＸ_fdbk,Ｙ_fdbk,Ｚ_fdbkの帰還成分を図５及び図６に関して説明した等式により決定されるｘ’,Ｌ’,ｙ’空間に変換するよう構成されている。

変換モジュール２８の出力ポートは加算器１６の入力ポートに結合される。更に、変換モジュール３０の出力ポートが変換モジュール２８の入力ポートに結合される。この接続により、２つのモジュールはシステムが制御している所望の色に応じて適切な変換座標を供給することが可能となる。

本発明の一実施例では、等式(5)及び(6)に記載されている係数をバッファ１４のようなメモリに蓄積し、ｘ,ｙ座標の対応するセットと関連させることが容易にできる点に注意されたい。所望の色座標Ｘ,Ｙ,Ｚをマッカダム座標ｘ,ｙに変換し、関連する係数をメモリから取り出してファルンスワース座標ｘ’,ｙ’を計算することができる。

コントローラモジュール１８は、加算器１６から受信した誤差信号に基づいて、周波数領域における関数Ｃ(s)に従って制御信号を発生するように構成されている点に注意されたい。

更に、ＲＧＢ発光体モジュール２２は、駆動電流に応答して伝達関数行列Ｄ(s)に従って光束(ルーメン)を発生するように構成されている。同様に、Ｐ(s)はドライバモジュール２０の動作を規定する伝達関数行列であり、Ｎ(s)は変換モジュール２８の動作を規定する伝達関数行列であり、Ｔ(s)は色点識別変換モジュール２６の動作を規定する伝達関数行列であり、Ｌ(s)はフィルタモジュール２４の動作を規定する伝達関数行列である。

本発明の一実施例では、伝達関数Ｃ(s)で規定されるコントローラの関数は公知のように種々のコントローラ装置に基づくものとすることができる。例えば、コントローラ１８は、伝達関数
Ｃ(s)＝Ｋ_p＋Ｋ_I/Ｓ
ここに、Ｋ_p及びＫ_Iは３×３定値実行列
を有する比例積分（ＰＩ）コントローラとして既知のコントローラの動作に基づくものとすることができる。

本発明の一実施例では、ピーク波長λr＝６４３ｎｍ、λg＝５２３ｎｍ及びλb＝４６４ｎｍを有する所定のＲＧＢ ＬＥＤセット及びＨＡＭＡＭＡＴＳＵにより製造されているＳ６４３０（Ｒ）、Ｓ６４２９（Ｇ）及びＳ６４２８（Ｂ）（商品名）のようなカラーセンシングフィルタの選択セットに対するコントローラ１８の伝達関数Ｃ(s)の代表的な値は、

である。

動作中、制御システムは最初にバッファ１４により供給される所望の基準Ｘ,Ｙ,Ｚ座標を決定する。その後、変換モジュール３０が基準Ｘ,Ｙ,Ｚ座標に基づいて適切な変換係数を検索し、基準色空間を、等式(5)及び(6)を使って、ｘ’,Ｌ’,ｙ’基準座標を有する基準ファルンスワース色空間に変換する。

フィルタ２４が発光体モジュール２２により発生された所望の光色のＸ,Ｙ,Ｚ座標を測定し、変換モジュール２８がＸ,Ｙ,Ｚ座標で規定された識別光色をｘ’,Ｌ’,ｙ’色空間に変換する。制御システム１０は、

として測定される誤差を有するｘ’,ｙ’色空間における所望の光色の色点を制御する。ここに、（ｘ’₀,ｙ’₀）は目標または所望の色点座標、（ｘ’,ｙ）はｘ’,ｙ’ファルンスワース色空間における実際の色点座標である。

その結果として、制御システム１０は、すべての所望の色に対して色誤差を制御することができ、ここでは、色度図上の誤差の位置と関係なく、色の知覚が同一量の誤差に対して同一に維持される。このことは、この制御システムはほぼ均一の色誤差を発生することを意味する。従って、Δx’y’が小さくなるにつれて、色差もすべての方向に小さくなる。

変換モジュールの効果は、制御システムにおいて、Δx’y’値が複数の所望の色を取り囲む円を規定するエリア内のすべての方向において殆ど均一になる制御スキームを与える点にある。その結果として、制御システム１０は迅速に且つ安価に組み立てることができる。

従って、本発明の種々の特徴によれば、所望の色空間座標をファルンスワース色空間に変換することによって、制御システムを任意の所望の光色を発生し有効に制御される装置のために設計することができる。制御設計はそれ自体著しく簡単化することができ、しかも極めて精密に維持することができる。光を、任意の所望の光色からの偏差が色度プロット上の誤差の方向と関係なく知覚不能に維持されるように発生させることができる。

本発明の一実施例に従う色空間図を示す。 本発明の一実施例に基づく制御システムのブロック図である。 (a)−(c)は本発明の他の実施例で使用する種々の３刺激値フィルタを示す図である。 (a)−(b)は図３に示す３刺激値フィルタと関連するスペクトル応答を示す図である。 ほぼ色の変化なしと知覚される複数のマッカダムの楕円を示す色空間図である。 本発明の一実施例に基づく複数の円形誤差領域を示す色空間図である。

Claims (10)

1. 複数の赤，緑及び青色発光ダイオード（ＬＥＤ）により所望の光色を発生させるＬＥＤ色制御システムであって、
   前記複数のＬＥＤにより発生された光色に感応して第１の色空間における前記発生光の色座標を測定するセンサと、
   前記センサに結合され、前記発生光の前記座標を第２の色空間に変換する第１の変換モジュールと、
   前記第２の色空間で表された、前記所望の光に対応する基準色座標を供給するように構成された第２の変換モジュールと、
   前記第１及び第２の変換モジュールに結合され、前記所望の色座標と前記発生光色座標との差に対応する誤差座標を発生するよう構成された加算器と、
   前記加算器に結合され、前記ＬＥＤを駆動する駆動信号を発生するよう構成されたドライバモジュールと、
   を具えることを特徴とするＬＥＤ色制御システム。
2. 前記第１の色空間はＸ,Ｙ,Ｚ色空間であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ色制御システム。
3. 前記第２の色空間はx’L’y’色空間であることを特徴とする請求項2記載のＬＥＤ色制御システム。
4. 前記加算器に結合され、前記赤、緑及び青色ＬＥＤにそれぞれ対応する制御電圧信号を発生するコントローラを更に具えることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ色制御システム。
5. 前記センサは３刺激値フィルタであることを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ色制御システム。
6. 前記第１の変換モジュールは前記Ｘ,Ｙ,Ｚ色座標をマッカダム色座標に変換することを特徴とする請求項２、３または５記載のＬＥＤ色制御システム。
7. 前記第１の変換モジュールは前記マッカダム色座標をファルンスワース色座標に変換することを特徴とする請求項６記載のＬＥＤ色制御システム。
8. 前記第２の変換モジュールは前記第１の変換モジュールに結合され、前記第１の変換モジュールに変換係数を提供することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ色制御システム。
9. 前記変換係数は対応する所望の光色に従って変えることを特徴とする請求項８記載のＬＥＤ色制御システム。
10. 前記Ｘ,Ｙ,Ｚ色座標を変換する手段は、
    ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）
    ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ）)
    に従って値を割当てることによりマッカダム空間へ変換し、且つ
    前記ｘ,ｙ色座標を、
    

    

    
    

    

    
    ここに、係数ａ₁₁，ａ₁₂，ａ₁₃、ａ₂₁，ａ₂₂，ａ₂₃，ｂ₁，ｂ_２，ｂ₃はすべて(ｘ,
    ｙ) 座標系の空間関数
    に従って値を割当てることにより、ファルンスワース空間へ変換する手段を具えることを特徴とする請求項１−９の何れかに記載のＬＥＤ色制御システム。

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