JP2008536281A - 白色ｌｅｄランプの色の制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくはＣＩＥの尺度で与えられる３値色空間信号を、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号に変換する方法及びシステムに関する。このようにして、有色発光ダイオードのアレイを有する白色光源の、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関する色制御が供給される。２次元空間で表わされる色度図を用いて、３値色空間信号を変換する前記方法であって、前記２次元が、前記３値色空間の第１の値及び第２の値を表わし、前記色度図が、各々が前記原色のうちの１つに対応するｎ個の点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを含む前記方法は、前記色度図に少なくとも１つの点Ｐ_０をマッピングするステップであって、前記点Ｐ_０が、色を表わし、端点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ多角形の内部にあるステップと、前記色度図にｎ個の三角形領域をマッピングするステップであって、各三角形領域が、前記各三角形領域の端点として、前記点Ｐ_０と、点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎから選ばれる２つの隣接点とを持つステップと、前記３値色空間信号を前記色度図に点Ｐ_ｘとしてマッピングするステップと、前記点Ｐ_ｘがどの三角形の中に位置するかを決定するステップであって、前記三角形が、前記点Ｐ_０と、Ｐ_１乃至Ｐ_ｎからの２つの点とによって形成されるステップと、前記三角形を形成する３つの色を用いて、加法的な一次結合を作成するステップと、前記ｎ原色空間信号に対する前記色Ｐ_０の寄与を表わし、且つ前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与を表わすことによって、前記加法的な一次結合を解明するステップと、記憶されたデータにおいて、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関して、Ｐ_０のための最適な一次結合を選択するステップと、Ｐ_０のための最適な一次結合に対する全ての寄与、及び前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与に、一定の係数を乗算して、前記３値色空間の第３の値を表わす或る明るさを生成するステップと、前記点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎの色の乗算された寄与を表わすことによって、このようにして導き出される、Ｐ_ｘのための最適な一次結合を表示するステップとを有する。

Description

本発明は、好ましくはＣＩＥの尺度(CIE scale)で与えられる３値色空間信号(three value color space signal)を、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号(n primary color space signal)に変換する方法及びシステムに関する。このようにして、有色発光ダイオード(colored light emitting diodes)のアレイを有する白色光源の色の制御が提供される。

ＬＥＤ（発光ダイオード）の白色光源は、一般照明市場に大きな影響を与えると期待されている。加法混色をベースにした白色ＬＥＤランプは、蛍光体変換(phosphor-conversion)をベースにした白色ＬＥＤランプと比べて、より高い光源効率(luminous efficacy)及びより高い発光効率(luminous efficiency)、通常、より高いＣＲＩ（演色評価数）として定量化されるより良好な演色性、調節可能な色温度、可変色光を生成する可能性といった際立った利点を持つ。

これらのＬＥＤランプは、通常、高い光源効率又は高い発光効率として定量化される高いシステム効率と、通常、高いＣＲＩとして定量化される良好な演色性との間の可能な限り最良のトレードオフを見つけるよう最適化されなければならない。この意味における高品質白色光を生成する可能性は、加法混色をベースにしたあらゆる白色ＬＥＤランプにとって最も重要である。ルーメン／ワットで表わされる光源効率は、ランプによって放射される全光束と、ランプによって放射される全光出力との間の比率である。同じくルーメン／ワットで表わされる発光効率は、ランプによって放射される全光束と、ランプに入力される全電力との間の比率である。発光効率は、電力が光出力に変換される効率を乗算した光源効率と等しい。本発明によるランプの高い発光効率とは、特定の量の光がより少ない電力消費で得られることを意味する。最終的には、高い発光効率を目的としている。しかしながら、電力が光出力に変換される効率の定量化は、冗長であり、光源効率は、発光効率を近似の方法で説明するのに必要且つ十分である。ＣＲＩは、同じ色温度の基準光源と比べての光源の演色精度を示すのに用いられるＣＩＥ(Commission Internationale de l'Eclairage)の尺度であり、８つの基準色の平均、Ｒａ_８である。１乃至１００の尺度で表わすと、１００という値は歪曲(distortion)がないことを示す。低いＣＲＩ評価は、その特定の光源の下では対象の色が歪曲されて見えるであろうことを示す。約８０より大きい演色評価数を達成するには４つ以上の色を混合することが必要とされるであろう。特に、白色ＬＥＤランプのためには、良好な演色性の他の定量的特性が、考えられ、同様に適切に用いられ得る。

既知の色制御アルゴリズムは、２つ若しくは３つの色の混合に限られている、又は発光効率及び／若しくはＣＲＩを最適化しない。米国特許番号第5,851,063号公報には、少なくともＲａ_８＞８５のＣＲＩを達成するために各ＬＥＤの波長を適切に選択することによって４つのＬＥＤの光を混合する方法が開示されている。このような方法は、例えば、対象の適切な照明に有用である。しかしながら、それらは、実際には、ＬＥＤの波長の大きな製造幅(large manufacturing spread)のために、ほとんど役に立たない。米国特許出願公開番号第2002/0097000号公報には、ＬＥＤ光源に電力を供給して所望の色を生成するための、３つの原色を用いる人工照明システムが開示されている。生成されるべき所望の光の色度座標及びルーメン出力の評価が、メモリテーブルを利用して供給される。少なくとも４つの原色を用いる、色の全範囲が拡張されたディスプレイは、国際特許出願公開番号第01/95544号公報から既知である。ディスプレイにおいて用いられる原色を含み、更に、３値色空間信号の、原色空間信号への変換を可能にする１つ以上の中間点を含むグラフ又はプロットが作成される。

しかしながら、これは、照明には適切ではない。なぜなら、所望の色座標及び明るさを持つ光を作成することに加えて、同時に、良好な演色及び高い発光効率を持つことが等しく重要であるからである。

それ故、本発明の目的は、良好な演色性及び高い発光効率を持つ光を生成するための、４つ以上の色を混合するアルゴリズムを提供することにある。

好ましくはＣＩＥの尺度で与えられる３値色空間信号を、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号に変換する本発明による方法は、２次元空間で表わされる色度図であって、前記２次元が、前記３値色空間の第１の値及び第２の値を表わし、前記色度図が、各々が前記原色のうちの１つに対応するｎ個の点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを含む色度図を用いる。前記方法は、前記色度図に少なくとも１つの点Ｐ_０をマッピングするステップであって、前記点Ｐ_０が、色を表わし、端点(corner points) Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ多角形の内部にあるステップと、前記色度図にｎ個の三角形領域をマッピングするステップであって、各三角形領域が、前記各三角形領域の端点として、前記点Ｐ_０と、点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎから選ばれる２つの隣接点とを持つステップと、前記３値色空間信号を前記色度図に点Ｐ_ｘとしてマッピングするステップと、前記点Ｐ_ｘがどの三角形の中に位置するかを決定するステップであって、前記三角形が、前記点Ｐ_０と、Ｐ_１乃至Ｐ_ｎからの２つの点とによって形成されるステップと、前記三角形を形成する３つの色を用いて加法的な一次結合(additive linear combination)を作成するステップと、前記ｎ原色空間信号に対する前記色Ｐ_０の寄与(contribution)を表わし、且つ前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与を表わすことによって、前記加法的な一次結合を解明する(solve)ステップと、記憶されたデータにおいて、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関して、Ｐ_０のための最適な一次結合を選択するステップと、Ｐ_０のための最適な一次結合に対する全ての寄与、及び前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与に、一定の係数を乗算して、前記３値色空間の第３の値を表わす或る明るさを生成するステップと、前記点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎの色の乗算された寄与を表わすことによって、このようにして導き出される、Ｐ_ｘのための最適な一次結合を表示するステップとを有する。

３つの色を混合する場合、８９までのＣＲＩが実現可能であるが、一般照明のほとんどのニーズを満たすであろう、８５と９８との間のＣＲＩ値のためには、４つの色を混合するのが最も効率的である。５つの色の混合は、わずかに大きいＣＲＩ値しかもたらさない。それ故、白色光を生成するには、４つの色の混合、即ち、ｎ＝４が、最も適しているであろう。

本発明の好ましい実施例によれば、高い発光効率及び高いＣＲＩを持つ黒体線(black body line)上又は黒体線の近くの色度座標を持つ白色光をもたらす様々な有色ＬＥＤの強度の設定が、予め計算され、ルックアップテーブルに記憶される。これは、例えば補間によって、任意の色温度又は相関色温度について、これらの強度が検索され得るようにして、なされる。これらの計算はオフラインで行われることから、このようにして混合され得る色の数には事実上限りがない。他の色度座標を持つ光を生成するためには、ＣＩＥ色度図において所望の色を含む三角形を形成する、黒体線上又は黒体線の近くの補助色(auxiliary color)を表わす１つの点と、２つの原色とが、選ばれる。次いで、３つの色を混合するためのよく知られているアルゴリズムが、この三角形に適用される。３値色空間信号をｎ原色空間信号に変換する前記方法は、１つの補助色及び２つの原色の代わりに、２つの補助色及び１つの原色、又は３つの補助色を用いることによって、変更され得る。

白色ＬＥＤランプのために、生成される光の明るさ、並びにＣＩＥ色度座標における色座標ｘ及びｙが、規定されるであろう。３つの色が混合され、それらの波長（又は色座標）が固定される場合には、それらの強度は、生成される光の明るさ並びに座標ｘ及びｙから、明白に決定され、すぐに計算され得る。

４つ以上の色を混合するアルゴリズムでは、色制御アルゴリズムを構築するためのパラメータとして少なくとも１つの補助色の強度が用いられる。原色ＬＥＤの光を混合することによって所定の色点(color point)を持つ補助色が得られる。前記ＬＥＤの色点は、前記補助色の色点を含む多角形を形成する。前記ＬＥＤの色点を持つ色の相対強度は、良好な演色性及び高い発光効率を持つ光を生成する要件と、補助色点の色座標とによって明白に決定される。それらの絶対強度は、前記補助色点の色の強度に比例する。前記補助色点の選択は、最終的に生成しようとする光の色点に依存する。利用可能な原色の光を混合して生成され得る各色は、前記補助色及び２つの原色によって形成される１つの三角形の内部の色度座標を持つ。次いで、３つの色を混合するためのよく知られているアルゴリズムが、この三角形に適用される。

リアルタイムアルゴリズムの実行は、幾らかの計算量を必要とする。これは、デジタルシグナルプロセッサ及びマイクロコントローラで実施可能である。しかしながら、実施上の理由によっては、その代わりに、より低い計算能力及びより多くのメモリを持つプロセッサを用いることが好ましい場合がある。これは、前記計算の一部をオフラインで行なって、それらの結果をルックアップテーブルに記憶することを含む。これまでに知られているアルゴリズムは、このようなプロシージャにあまり適していない。４つ以上の色が混合される場合には、前記アルゴリズムに起因する計算量は非現実的なものとなり得る。

好ましくはＣＩＥの尺度で与えられる３値色空間信号を、２次元空間で表わされる色度図を用いて、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号に変換する本発明によるシステムであって、前記２次元が、前記３値色空間の第１の値及び第２の値を表わし、前記色度図が、各々が前記原色のうちの１つに対応するｎ個の点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを含むシステムは、前記色度図上の少なくとも１つの点Ｐ_０のための色点Ｐ_０を持つ光をもたらす色点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ前記原色の光の少なくとも１つの加法的な一次結合のためのＣＲＩ及び発光効率のデータを記憶するためのデータ記憶装置であって、前記点Ｐ_０が、色を表わし、端点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ多角形の内部にあるデータ記憶装置と、前記３値色空間信号を表わす点Ｐ_ｘがどの三角形の中に位置するかを決定するためのコントローラであって、前記三角形が、前記点Ｐ_０と、Ｐ_１乃至Ｐ_ｎからの２つの点とによって形成され、前記ｎ原色空間信号に対する前記色Ｐ_０の寄与、及び前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与の加法的な一次結合を作成するコントローラと、前記データ記憶装置からの記憶された前記データを用いて、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関して、Ｐ_０のための最適な一次結合を選択するためのコントローラとを有する。

本発明の実施例を、一例として記述し、添付図面に図示する。

図１は、本発明の実施例による、原始データを変換して、原色の寄与レベルを計算するための色度マッピング(chromaticity mapping)を図示している。好ましくは色温度を指定することによって、黒体線上又は黒体線の近くの点Ｐ_０が選ばれる。予め計算され、ルックアップテーブルに記憶されている、この色と、高い光源効率と、高いＣＲＩとを持つ光をもたらす純色Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４及びＰ_５の強度が、検索され、必要な場合には、補間される。Ｐ_１は、緑色のＬＥＤを表わし、Ｐ_２は、黄色のＬＥＤを表わし、Ｐ_３は、赤色のＬＥＤを表わし、Ｐ_４は、青色のＬＥＤを表わし、Ｐ_５は、シアンのＬＥＤを表わす。例えば熱的な理由又は電流制限のために、１つのＬＥＤが、所望の光を生成するための出力を持たない場合には、同じ色の幾つかのＬＥＤが用いられ得る。ここで、適用アルゴリズムの目的は、良好な発光効率及びＣＲＩを備える色点Ｐ_ｘ及び明るさＹ_ｘを持つ光を生成するためにＬＥＤのＰ_１、…、Ｐ_５の明るさの値Ｙ_１、…、Ｙ_５を決定することにあり、ここで、Ｙ_ｘ＝Ｙ_１＋Ｙ_２＋Ｙ_３＋Ｙ_４＋Ｙ_５である。ＬＥＤの明るさの値Ｙ_１、…、Ｙ_５と一定係数の乗算は、同じ係数を乗算された、混合された光の明るさＹ_ｘをもたらし、これは、色点Ｐ_ｘには影響を及ぼさず、ＣＲＩには影響を及ぼさず、発光効率には、ＬＥＤの明るさを調節するのに用いられる方法に依存して、全く又はわずかにしか影響を及ぼさない。

例えば温度変化のために、純色Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４及びＰ_５の色度座標が動く場合には、これらの予め計算された値も用いられるであろう。これは、黒体線上ではなく、黒体線の近くに色度座標を持つ色をもたらす。このずれによりもたらされる誤差は小さいであろう。前記アルゴリズムは、どんな所望の光の色度座標も正確であることを確実にする。演色評価数及び発光効率には小さな差異しかない。利用可能な純色の光を混合して生成され得る各色は、補助色及び２つの純色によって形成される１つの三角形の内部に色度座標を持つ。この三角形に、３つの色を混合するためのよく知られているアルゴリズムが適用される。

図２は、図１と同じ色度マッピングであるが、黒体線上又は黒体線の近くの点Ｐ_ｘ又は点Ｐ_０の代わりに、黒体線自体が破線として示されている色度マッピングを図示している。

図３は、全てが色座標及び明るさによって特徴付けられる同じ色をもたらす原色の或る一次結合Ｑによって達成されるＣＲＩ及び光源効率（[lm/W]）の値を持つ図を示してる。より興味深い一次結合は、黒い点に対応するものである。黒い点は、全ての点の領域の境界線上にあり、即ち、より高いＣＲＩと、より高い光源効率との両方を備える結合が他にないという意味において最適なものに対応する。それらの値のいずれが最大であることの重要性に依存して、黒い点の中のＱ_０、Ｑ_１及びＱ_２が、適切な選択の例であり、最大ＣＲＩがより重要である場合にはＱ_０が、最大光源効率がより重要である場合にはＱ_２が、それらの間の妥協点が求められる場合にはＱ_１が、適切な選択の例である。

図４は、１つの点Ｐ_０より多くの点から始まる本発明の実施例を示す図１と同じ色度マッピングを図示している。

色点Ｐ_ｘを持つ光のマーキングを制御するのに必要とされる、図１に示されている点Ｐ_０は、Ｓ_１とＳ_２とを接続する線上に配置されるであろう。点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４は、黒体線上又は黒体線の近くにある。Ｐ_０のためのＬＥＤの強度は、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３及びＳ_４について予め計算され、記憶されたものから補間によって導き出されるであろう。

図５は、１つの点Ｐ_０の代わりに幾つかの点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、…、Ｓ_５を用いる本発明の実施例を示す図１と同じ色度マッピングを図示している。

作成され得るどの色もみな、１つの三角形の中にある。例えば、Ｐ_ｘは、三角形Ｓ_２Ｐ_２Ｐ_３の中にある。色Ｐ_ｘ及び所望の強度を持つ光を得るためには、これらの３つの色を持つ光が上記のように混合される。Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、…、Ｓ_５のためのＬＥＤの強度は、予め計算され、記憶されている。

本発明の実施例による、原始データを変換して、原色の寄与レベルを計算するための色度マッピングを図示する。 図１と同じ色度マッピングであるが、黒体線上又は黒体線の近くの点Ｐ_ｘ又は点Ｐ_０の代わりに、黒体線自体が破線として示されている色度マッピングを図示する。 全てが色座標及び明るさによって特徴付けられる同じ色をもたらす原色の或る一次結合Ｑによって達成されるＣＲＩ及び光源効率（[lm/W]）の値を持つ図を示す。 １つの点Ｐ_０より多くの点から始まる本発明の実施例を示す図１と同じ色度マッピングを図示する。 １つの点Ｐ_０の代わりに幾つかの点Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、…、Ｓ_５を用いる本発明の実施例を示す図１と同じ色度マッピングを図示する。

Claims (3)

1. 好ましくはＣＩＥの尺度で与えられる３値色空間信号を、２次元空間で表わされる色度図を用いて、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号に変換する方法であり、前記２次元が、前記３値色空間の第１の値及び第２の値を表わし、前記色度図が、各々が前記原色のうちの１つに対応するｎ個の点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを含む方法であって、
   − 前記色度図に少なくとも１つの点Ｐ_０をマッピングするステップであって、前記点Ｐ_０が、色を表わし、端点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ多角形の内部にあるステップと、
   − 前記色度図にｎ個の三角形領域をマッピングするステップであって、各三角形領域が、前記各三角形領域の端点として、前記点Ｐ_０と、点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎから選ばれる２つの隣接点とを持つステップと、
   − 前記３値色空間信号を前記色度図に点Ｐ_ｘとしてマッピングするステップと、
   − 前記点Ｐ_ｘがどの三角形の中に位置するかを決定するステップであって、前記三角形が、前記点Ｐ_０と、Ｐ_１乃至Ｐ_ｎからの２つの点とによって形成されるステップと、
   − 前記三角形を形成する３つの色を用いて、加法的な一次結合を作成するステップと、
   − 前記ｎ原色空間信号に対する前記色Ｐ_０の寄与を表わし、且つ前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与を表わすことによって、前記加法的な一次結合を解明するステップと、
   − 記憶されたデータにおいて、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関して、Ｐ_０のための最適な一次結合を選択するステップと、
   − Ｐ_０のための最適な一次結合に対する全ての寄与、及び前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与に、一定の係数を乗算して、前記３値色空間の第３の値を表わす或る明るさを生成するステップと、
   − 前記点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎの色の乗算された寄与を表わすことによって、このようにして導き出される、Ｐ_ｘのための最適な一次結合を表示するステップとを有する方法。
2. 前記少なくとも１つの点Ｐ_０が、黒体線から又は黒体線近傍から選ばれる請求項１に記載の方法。
3. 好ましくはＣＩＥの尺度で与えられる３値色空間信号を、２次元空間で表わされる色度図を用いて、ｎがｎ≧４の整数であるｎ原色空間信号に変換する本発明によるシステムであり、前記２次元が、前記３値色空間の第１の値及び第２の値を表わし、前記色度図が、各々が前記原色のうちの１つに対応するｎ個の点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを含むシステムであって、前記システムが、
   − 前記色度図上の少なくとも１つの点Ｐ_０のための色点Ｐ_０を持つ光をもたらす色点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ前記原色の光の少なくとも１つの加法的な一次結合のためのＣＲＩ及び発光効率のデータを記憶するためのデータ記憶装置であって、前記点Ｐ_０が、色を表わし、端点Ｐ_１乃至Ｐ_ｎを持つ多角形の内部にあるデータ記憶装置と、
   − 前記３値色空間信号を表わす点Ｐ_ｘがどの三角形の中に位置するかを決定するためのコントローラであって、前記三角形が、前記点Ｐ_０と、Ｐ_１乃至Ｐ_ｎからの２つの点とによって形成され、前記ｎ原色空間信号に対する前記色Ｐ_０の寄与、及び前記ｎ原色空間信号に対する前記他の２つの点の色の寄与の加法的な一次結合を作成するコントローラと、
   − 前記データ記憶装置からの記憶された前記データを用いて、最大ＣＲＩ及び最大発光効率に関して、Ｐ_０のための最適な一次結合を選択するためのコントローラとを有するシステム。

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