JP2010512614A - 照明器具制御システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
によって表わされる標準的な人である観察者の正規化されたスペクトル応答性を、一般的に商業的に入手可能なRGB色センサの応答性とともに例証する。センサ特性が標準的な人である観察者の特性に厳密に一致しないことは明らかに確認され得る。スペクトルの不一致は、例示されるものよりも小さいものでも、フィードバック制御の多色LED型システムにおいて不所望な光効果を生じさせ得る。
を波長範囲によって
及び
へ分割する方法、及び、このことがいかにRGBセンサに関するスペクトル応答性要件を簡素化するかを説明している。Barnesは、
及び
スペクトル応答性の両方を表わすために青色フィルタ検出器対応答の適切なスケールのものを使用することが通常の慣行である。しかし、この対処法は、動作時において、RGBセンサスペクトル応答性の不一致の不所望な効果を軽減させる方法を対処していない。
「発光要素」(発光要素)という用語は、両端に電位差を印加する又は電流を通すことなどによって活性化される場合に、例えば可視光領域、赤外線及び/又は紫外線領域などの電気磁気的スペクトルの領域又は領域の組み合わせにおいて放射物を発する装置である。したがって、発光要素は、単色、疑似単色、多色、又は広帯域スペクトル放射の特性を有し得る。発光要素の例は、当業者によって直ちに理解され得るように、半導体、有機若しくはポリマ/重合体発光ダイオード、光学的励起蛍光体被膜の発光ダイオード、光学的励起ナノ結晶発光ダイオード、又は他の類似の装置を含む。更に、発光要素という用語は、例えばLEDダイなどの放射物を発する特定の装置を規定するように使用され、且つ、放射を発する特定の装置及び1つ又は複数の当該特定の装置が配置される筐体又はパッケージとの組み合わせを規定するようにも等しく使用され得る。
上述の瞬間的な出力は、照明器具の発光要素によって放射される光が対応するセンサと相互作用していた時の出力を参照することを特記される。瞬間的な出力は、通常、後に処理され、遅延はフィードバックシステムの性質に依存する。知られるように、実際に処理される時のフィードバック信号の瞬間値は、通常、フィードバック及び制御システムによって処理されるまで、フィードバックシステムの一部分を通じて出力信号を伝播するのに掛かる時間に依存して、以前の出力に対応する。デジタル制御システムにおいて、追加的な遅延は、供給戻される出力信号のサンプルが間隔毎に又は特定の時間においてのみ取得され得るので、生じ得る。フィードバック及び制御システムにおける遅延は、処理されるまで記憶装置におけるサンプルされる信号からのデータを保持することからも生じ得る。
本発明に従うと、例えば、フィードバック及び制御システムが、設定点からの出力の偏差を決定するなどのために、入力若しくは設定点、又は出力信号を処理する場合はいつでも、特定の動作条件及びシステムの動作モードに関する情報が、考慮される必要があり得る。システムは、ユーザに対して明らかであるシステムの入力及び出力パラメータは変化しない静的動作モードであり得る、又は、システムは、出力パラメータが入力パラメータへの変更の結果として変化するトランジションモードで動作し得る。入力及び出力パラメータは変化しないものの、システム又はそのコンポーネントの状態を記述する内部システムパラメータ及び変数は、変化し得る。トランジションモードは、例えば、照明器具によって発される光の色又は強度が初期値から所望のターゲット値へトランジションする場合等を含む。結果として、フィードバック及び制御システムは、トランジションモードが有効である場合にも、システム状態を検出し且つ適切に処理する必要がある。
例1
第1の例において、制御システムは、RGBセンサデータ[R G B]を読み取り、そして、発光要素によって発される光のCIE三刺激値X、Y及びZの適切な値を導出するために、所定の変換を適用するように構成され得る。このことは、例えば、線形代数関係
であるCIELABなどの、他の知覚UCSへ変換することも可能であることを特記される。このことは、より複雑な処理を必要とし得る、三刺激値の非線形な変換を伴う。
別の実施例において、フィードバック生RGBセンサデータを用いて直接制御システムを動作させることが、計算効率に関して、有利であり得る。このような実施例においては、制御システムが、RGBセンサデータを、それが共有される毎に、変換する必要はもはや無い。代わりに、ユーザ特定入力データが、例えば、制御システムがRGB色フィードバックデータと設定点を比較するなどのために、XYZ三刺激値又はxyY色度及び強度などの座標からRGBセンサ座標へ変換される。このような実施例において、変換は、ユーザ特定入力データが変化する場合にのみ、発生する必要がある。この実施例において、制御システムは、所望な色度及び強度を設定及び維持するために、RGBセンサ座標において動作する。
この実施例において、制御器は、1つ以上の所定のRGBセンサデータのうちのそれぞれを、例えばXYZデータなどの対応する所定の所望な色空間へ変換する一方で、RGBセンサデータのトレーニングセットの残りのものは、データの残りのものに関する平均最小二乗エラーが増加される場合であっても、上述されるように変換される。この実施例は、制御システムがこのような白色RGBセンサデータを維持する較正処理を実行し得ることを保証するために用いられ得る。
本発明の実施例において、最小二乗法の形式が、色座標系間における変換に関して使用され得る。最小二乗法及び制限された最小二乗法は、両方とも、RGB座標及びXYZ三刺激値座標間における線形アフィン変換である。このことは、黙示的に、LED駆動装置及びRGB色センサの非線形性が十分に小さいことを保証し、これにより、最大エラーが、
Input: R, G, B
const n = 4
Array: M[n][n][n]
//RGBセンサ値を正規化する
Rnorm = R / Rmax
Gnorm = G / Gmax
Bnorm = B / Bmax
//アレイインデックスを決定する
x = R * n / (R + G + B)
y = G * n / (R + G + B)
z = B * n / (R + G + B)
//変換行列インデックスを決定する
t = M[x][y][z]
を含み、ここで、n=2s且つsは再帰的細分のレベルであり、Mは記憶された三角形インデックスを有する3次元アレイである。アレイ要素の約4分の3は無効であり得るが、その理由は、それらが、xyzによってインデックス化され得ないからである。メモリを節約する必要がある場合、Mは既知の計算機科学技術を用いてスパースアレイとして記憶され得る、又はアレイは、決定ツリーを用いてプログラム的に実施され得る。再帰的三角形対処法は、米国特許第7,140,752号においても記載され、一定輝度強度及び色度を表わす超平面を規定する多変数関数は、動径型の(radial)関数よりむしろ、区分的線形関数によって表わされる。
上述の実施例において、制御システムは、温度補償方法を用いて任意選択的に組み合わせられ得る。特記されるように、発光要素のSPD、及びRGB色センサのチャネルゲインは、重大な温度依存性を呈し得る。結果的に、RGB色センサデータは、発光要素の動作温度、及び場合によってはRGBセンサの動作温度、に依存し得、この場合、これらの依存性は、上述の1つ以上の変換行列において識別され得る。
PTC(R,G,B)=TPHD×S(R,G,B)×TPK(R,G,B)-Dk(R,G,B)
のように規定され得る。
光強度における変化に対する人間の目の感応性は非線形であることはよく知られている。言い換えると、強度における相対的変化は、明るさにおける同一の相対変化として知覚されない。Rea,M.,Ed.2000は、「"The IESNA Lighting Handbook", Ninth Edition. New York, NY: Illuminating Engineering Society of North America, p. 27-4」において、線形明るさ減光に対して二乗法の減光を用いる方法を記載している。知られるように、知覚的線形減光は、正規化しそして所望な強度を二乗することによって達成され得る。知覚的線形減光を、例えばRGBのLEDベース照明器具などの多色光源を用いて達成するために、初めに色強度の初期比率を決定し、そして、所望な新しい強度における同一の色度を維持することも可能にするために、これらの比率を減光の間において維持する必要がある。一つの実施例において、制御システムは、以下の処理を用いて二乗法の減光に関して構成され得る。
Input: Rt, Gt, Bt
//RGBターゲット値を正規化する
Rnorm = Rt / Rmax
Gnorm = Gt / Gmax
Bnorm = Bt / Bmax
//最大値を見つける
max = Rnorm
IF Gnorm > max
max = Gnorm
ENDIF
IF Bnorm > max
max = Bnorm
ENDIF
//RGB正規化値を二乗する
Rnorm = Rnorm * max
Gnorm = Gnorm * max
Bnorm = Bnorm * max
//二乗RGB値を出力する
R = Rnorm * Rmax
G = Gnorm * Gmax
B = Bnorm * Bmax
良く知られるように、色の加法性のグラスマンの法則は、例えば、CIE1913色度、CIE1976UCS、又は照明器具特有のRGB等の、いかなる線形色空間においても満たされる。したがって、2つのユーザ特定色間においてスムースにフェードするために、2つの特定される色の間における直線に沿って線形的に色度を補間することで十分である。しかし、このことは、マイクロコントローラ又は同様の処理システムにおいて実行される場合に浮動点命令を必要とし得、制御システムの性能を遅くさせ得る。初期及び所望なターゲット色及び強度の間でフェードする実時間に関して、したがって、例えば、Ashdownによる「"Radiosity: A Programmer's Perspective", New York, NY: John Wiley & Sons, pp. 200-202, (1994)」などに記載される差分デジタルアナライザアルゴリズムを用いて、直線に沿って補間することが有用である。
白色光の生成を必要とする応用例などに適した別の実施例において、制御システムは、所望な色温度の範囲を覆う黒体軌跡の区分毎線形化された間隔の隣接する一群を用いて構成され得る。この場合、2つのユーザ特定色温度(CT)間においてフェードするスムースな白色光は、2つのユーザ特定色温度CT間における区分的に線形化された黒体軌跡に沿って色度を線形補間することによって、実行される。一つの実施例において、黒体軌跡に沿ったCT間隔は、逆数色温度で均一に間隔を開けられる。当業分野において通常使用される単位は10-6K-1であり、(microreciprocal Kelvin)又はミレック(mirek)単位とも称される。この場合、CIE1976UCS色空間における線形補間は、逆CTにおける線形補間と近似的に等価であり、システムは、例えば、便宜的にミレックで定量化されるなど、実用的な関連対処法を使用するために較正され得る。
照明器具からのほぼ最大の輝度光束出力を必要とする応用例に関して、以下の方法が使用され得る。
Input: Rt, Gt and Bt
const Rmax, Gmax, Bmax
var Rnorm, Gnorm, Bnorm
var scale
var max
//最大ターゲットRGB値を決定する
max = Rt
IF max < Gt
max = Gt
ENDIF
IF max < Bt
max = Bt
ENDIF
//RGB値を正規化する
Rnorm = Rt / max
Gnorm = Gt / max
Bnorm = Bt / max
//スケーリング因数を決定する
scale = Rnorm / Rmax
IF scale < Gnorm / Gmax
scale = Gnorm / Gmax
ENDIF
IF scale < Bnorm / Bmax
scale = Bnorm / Bmax
ENDIF
//RGBターゲット値を最大化する
Rt = Rnorm / scale
Gt = Gnorm / scale
Bt = Bnorm / scale
ここで、Rt、Gt及びBtは、強度減光が適用される前のターゲットRGB値である。このアルゴリズムは、強度減光がない場合に、赤、緑及び青色LEDがほぼ最大の強度及びユーザ特定色で動作されることを保証し得る。
上述されるように、様々なデータ及びパラメータが、フィードバック制御システムによって扱われる。図6、7及び8は、本発明のデータ変換、表現及び変形の実施例の一つの態様に関して更なる詳細を提供する。使用される方法の概略的に示される実施例は、ローカルパラメータ、持続属性及びグローバル変数を含む3つの異なる種類のデータを含む。ローカルパラメータは、実線矢印で示され、所与の関数においてのみ使用するために渡される関数呼び出しパラメータを表わす。持続属性は、点線矢印で示され、個別の制御管理ファームウェアモジュールによって管理され、そして不揮発性記憶装置に維持される。グローバル変数は、太線矢印で示され、様々なファームウェアモジュールにおいて必要とされるグローバル範囲の一時的変数を含む。これらの実施例は、ファームウェアで実施化され得る。
PI(proportional-integral)フィードバック制御スキームを用いるフィードバック及び制御システムの例示的な実施例が図9に示される。例は、以下のテーブルにおいて提供される数式を用いて実施化され得る。例示されるように、この実施例は、設定点及び瞬間的な出力間における差信号から導関数(D)を導出しない。複数の代替P、I又はD制御要素の組み合わせが存在することは直ちに理解され得る。
Claims (23)
- 混合光を生成するためにフォワード電流によって駆動される1つ以上の発光要素を制御する方法であって、
a)前記混合光を表わすセンサデータを取得するステップと、
b)所望な混合光を表わす設定点データを供給するステップと、
c)前記センサデータを所定の色座標系の座標で表わされる第1データへ変換するステップと、
d)前記設定点データを前記所定の色座標系の座標で表わされる第2データへ変換するステップと、
e)前記第1及び第2データを比較して、前記第1及び第2データ間の差を決定するステップと、
f)前記第1及び第2データ間の差を減少させるために、前記第1及び第2データ間の差に応答して前記フォワード電流を調整するステップと、
を有する方法。 - 請求項1に記載の方法であって、更に、前記差の絶対値が所定のしきい値より下に下がるまで、ステップa)からf)を繰り返すステップを有する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記所定の色座標系が、CIExyY色度座標系に対応する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記所定の色座標系が、CIEu'v'Y色度座標系に対応する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記センサデータが1つ以上の光学センサによって提供され、各光学センサは、対応するセンサの所定の動作条件での応答性を提供し、各応答性は、前記所定の色座標系の1つの基礎関数を規定する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記センサデータが、1つ以上の応答関数の重み付け平均を表わす情報を含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記設定点データが、ユーザインターフェイスを介して提供される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記光の強度の線形的変化が、前記所定の色座標系で表わされる場合に、前記放射光のほぼ線形の知覚される強度変化に対応する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記センサデータが、所定の数のセンサによって提供され、前記所定の数が、前記1つ以上の発光要素の異なる名目の色の数に対応する、方法。
- 請求項9に記載の方法であって、前記所定の数のセンサが、フォワード電流の数に対応する、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記センサデータを変換するステップが、第1の線形変換を実行するステップを含む、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、前記設定点データを変換するステップが、第2の線形変換を実行するステップを含む、方法。
- 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の方法であって、フィードバック制御システムにおいて使用する、方法。
- 混合光を生成するためにフォワード電流によって駆動される1つ以上の発光要素(発光要素)を制御するシステムであって、
a)前記混合光を表わすセンサデータを取得する1つ以上の光学センサと、
b)所望な混合光を表わす設定点データを供給するユーザインターフェイスと、
c)前記センサデータを所定の色座標系の座標で表わされる第1データへ変換し、更に、前記設定点データを前記所定の色座標系の座標で表わされる第2データへ変換し、更に、前記第1及び第2データを比較して、前記第1及び第2データ間の差を決定し、更に、前記第1及び第2データ間の差に応答して前記フォワード電流を調整する、制御器と、
を含み、
前記制御器が、前記差の絶対値が所定のしきい値より下に下がるまで、前記第1及び第2データ間の差を減少させるように構成される、
システム。 - 請求項14に記載のシステムであって、前記所定の色座標系が、CIExyY色度座標系に対応する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記所定の色座標系が、CIEu'v'Y色度座標系に対応する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記1つ以上の光学センサのそれぞれが、所定の動作条件での応答性を提供し、各応答性は、前記所定の色座標系の1つの基礎関数を規定する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記センサデータが、1つ以上の応答関数の重み付け平均を表わす情報を含む、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記光の強度の線形的変化が、前記所定の色座標系で表わされる場合に、前記放射光のほぼ線形の知覚される強度変化に対応する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記センサデータが、所定の数のセンサによって提供され、前記所定の数が、前記1つ以上の発光要素の異なる名目の色の数に対応する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記所定の数のセンサが、フォワード電流の数に対応する、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記センサデータを変換するステップが、第1の線形変換を実行するステップを含む、システム。
- 請求項14に記載のシステムであって、前記設定点データを変換するステップが、第2の線形変換を実行するステップを含む、システム。
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