JP5384355B2 - 色が制御される光源、及び光源における色生成を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソリッドステートライティング(Solid State Lighting)に関し、とりわけ、請求項１のプリアンブルに記載の色が制御される光源、及び請求項５のプリアンブルに記載の光源における色生成を制御する方法に関する。

マルチカラー、例えば、異なる色温度の光源を実現するため、ソリッドステートライティングにおいては、異なる色の光を放つＬＥＤが１つの装置内で用いられる。これらのＬＥＤは、全てのとり得る線形結合(linear combination)によって実現され得る色域を示す色空間におけるサブエリアを規定する。斯くして、色空間の色スペクトル内の所望の輝度のカラー光は、個々のＬＥＤの信号入力によって制御され得る。なお、白色光は、カラー光の言葉に含まれることに注意されたい。

伝統的な光源とは異なり、カラーＬＥＤは、ＬＥＤの接合部温度の変化、電流、エイジング効果及びビニング(binning)に起因して"色ずれ(color shift)"するであろう。光出力が、温度及びエイジングに起因して予め規定されたカラーポイントから弱まり始めるにつれ、光源の光出力のターゲットカラーポイント(target color point)は歪むであろう。したがって、光源のカラーポイントは、制御ループによって安定させなければならない。

光源からの光出力を監視する目的のため、標準観測者と同じ感度を持つ又はそれらのカーブを近似するＲＧＢセンサ又はトゥルーカラーセンサ(true-color-sensor)を用いることがよくある。代替的に、１つ以上の光束センサ(flux sensor)が、場合によっては１つ以上の温度センサと組み合わせて用いられる。

しかしながら、光検出器が光源からの光出力を検出する際、該光検出器は、他の光源、例えば、周囲太陽光及び／又は他のカラーＬＥＤによって影響を受けるかもしれない。結果として、測定された色の強さはしばしば欠陥があり、当該光源自身におけるＬＥＤからの光出力のみを表さない。したがって、制御ループの制御装置へのフィードバック信号は正しくない。

本発明の目的は、色制御における上述した干渉問題を改善する光源、及び光源における色生成を制御する方法を提供することにある。

この目的は、請求項１に規定される本発明による色が制御される光源によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施例を規定する。

斯くして、本発明の一態様によれば、複数のカラー光素子(colored light element)、当該光源の光出力を検出し、検出信号を生成する検出器、並びに前記検出信号及び当該光源の光出力の所定のターゲットカラーポイントに基づいて前記光素子への駆動信号を生成する色制御ユニットを有する色が制御される光源が提供される。

当該光源はさらに、前記光素子各々への前記駆動信号の個別シグネチャ変調(individual signature modulation)を行なう変調器、及び前記検出信号を復調し、各々の個別シグネチャを識別することにより前記光素子各々の光出力の実際の値を抽出する復調器を有する。さらに、前記色制御ユニットは、前記ターゲットカラーポイントを得るため前記光素子各々の光出力の公称値を決定する手段、及び抽出された前記実際の値と前記公称値とを比較し、差がある場合、該差を最小にするために前記駆動信号を調整する手段を有する。

光素子各々のシグネチャ変調は、本質的に、個々の光素子から真に／実際に寄与した光出力が、光出力全体から識別され、抽出されることを可能にする。斯くして、太陽又は他の光源からのいかなる周囲光も、単一の光素子の測定輝度を歪ませないであろう。ゆえに、カラー光素子各々の光出力のより正確な表現(representation)が、色制御ユニットに提供される。そして、これは、正確に所望の出力カラーポイントに対応させるため前記光素子の各々に供給される所要の駆動信号を調整するのに用いられる。

斯くして、本発明は、光源の各個別の色の寄与の堅牢且つ連続的な決定を提供し、決定された寄与は、他の明るい光源からの干渉によって悪影響を受けない。本発明は、任意の量の原色に対しスケーラブルである。

光素子の個別シグネチャ変調を用いること自体は、Perkins等への米国特許第6,542,270号から知られている。しかしながら、ビルディング内の光受信機の位置の決定を可能にするためにしか用いられず、ここでは、部屋を照らすための通常のランプの出力光が個別に符号化される。斯くしては、これは、異なる技術分野である。

請求項２に規定される色が制御される光源の実施例によれば、上述したシグネチャ変調が、光素子各々の光出力の識別及び／又は抽出のための特定の符号化スキームを用いたＣＤＭＡ(code division multiple access)によってなされる。ＣＤＭＡは、スペクトルの共有部分上で同時に信号を送信するとともに、全ての信号が識別のためそれら自身の特定の符号化スキームを持つことを可能にする方法である。さらに、ＬＥＤの普通の照明駆動関数は、本発明において利用される個別シグネチャ変調と同時に設けられ得るので、ＣＤＭＡ符号化は、大変有利である。

請求項３に規定される色が制御される光源の実施例によれば、特定の符号化スキームが、オンオフキーイング(On-Off Keying)又はバイフェーズ(BiPhase)変調に基づくことが有利である

請求項４に規定される色が制御される光源の実施例によれば、前記検出が、ＲＧＢセンサ、ＸＹＺセンサ及び光束センサのうちのいずれかによってなされることが有利である。シグネチャ変調のフィーチャは、これらセンサのいずれのタイプも、光源の光出力を検出するのに適しているという利点をもたらす。なぜなら、個々のＬＥＤは、これらセンサのいずれの出力信号からも追跡され、抽出され得るからである。

本発明の他の態様によれば、複数のカラー光素子を有する光源における色生成を制御する方法が提供される。当該方法は、前記光源の光出力を検出するステップ、及び検出信号を生成するステップ、並びに前記検出信号及び前記光源の光出力の所定のターゲットカラーポイントに基づいて前記光素子への駆動信号を生成するステップを有する。

当該方法はさらに、前記光素子各々への前記駆動信号を個別シグネチャ変調するステップを有する。前記光出力の検出は、前記検出信号を復調し、各々の個別シグネチャを識別することにより前記光素子各々の光出力の実際の値を抽出するステップを有する。さらに、当該方法は、前記ターゲットカラーポイントを得るための前記光素子各々の光出力の公称値を決定するステップ、及び抽出された前記実際の値と前記公称値とを比較し、差がある場合、該差を最小にするために前記駆動信号を調整するステップを有する。

各光素子の光出力の公称値は、用いられる光素子の（ビン情報等の）特性に依存する。これらの公称値を決定する手段は、当業者に知られているように、例えば、ターゲットとされたカラーポイントと光素子のビン情報とを対にした逆行列の問題を解くことに基づく。

本発明の方法の実施例によれば、上述したシグネチャ変調がＣＤＭＡ変調によってなされ、特定の符号化スキームが任意にオンオフキーイング又はバイフェーズ変調に基づくことができ、前記検出が、ＲＧＢセンサ、ＸＹＺセンサ及び光束センサのうちのいずれかによってなされる。

当該方法は、上述した本発明の光源によって達成される利点及び効果と同様の利点及び効果を提供する。

本発明のこれらの及びその他の態様は、下記の実施例を参照して明らかになり、また詳述されるであろう。本発明の好ましい実施例を示す詳細な説明及び特定の例は、例示を目的としたものにすぎず、本発明の範囲を制限するものではないことを理解されたい。

本発明は、添付図面を参照してより詳細に述べられるであろう。

図１は、本発明による光源(SSL LAMP)の一実施例の概略図である。 図２は、光源の他の実施例によるパルス幅変調(PWM)及びパルス振幅変調(PAM)を用いたＣＤＭＡオンオフキーイング変調の使用を示す。 図３は、光源のさらに他の実施例によるデューティサイクル変調及び振幅変調を用いたＣＤＭＡバイフェーズ(DC-BP)変調の使用を示す。 図４は、本発明による光源における色生成を制御する方法の一実施例のステップを示すフローチャートである。

本発明の色が制御される光源の第１実施例によれば、図１に示されるように、色が制御される光源１０１が、ｎ個のカラー光素子１０２ａ−ｄ（ここでは、例としてｎ＝４）、光素子１０２ａ−ｄからの出力光を検出する検出器１０３、検出器１０３の出力部に接続される増幅器１０５、増幅器１０５を介して検出器１０３に接続される復調器１０６（ここでは、ＣＤＭＡ復調器）、復調器１０６に接続される色制御ユニット１０７、色制御ユニット１０７に接続される変調器１０８（ここでは、ＣＤＭＡ変調器）、並びに変調器１０８及びＬＥＤ１０２ａ−ｄに接続される光素子ドライバ１０９ａ−ｄを有する。光素子１０２ａ−ｄは、基板１０４上に配列され、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ及び（Ｏ）ＬＥＤストリングの任意のものとすることができる。以下、ＬＥＤが共通用語として用いられる。図１において、ＬＥＤ１０２ａ−ｄの色は、緑、赤、青及びアンバーであるが、無論、色の選択は任意であり、装置の要求に依存する。各ＬＥＤ１０２ａ−ｄはＬＥＤドライバ１０９ａ−ｄを介して給電される。ＬＥＤドライバ１０９ａ−ｄの入力部はＣＤＭＡ変調器１０８に接続されている。ＣＤＭＡ変調器は、ドライバ１０９ａ−ｄ各々の駆動信号、すなわち、入力（例えば、電圧）を矩形パルス列(train of rectangular pulses)でもって変調する。これにより、カラー光素子１０２ａ−ｄ各々を識別するシグネチャ変調スキームを実現する。矩形パルスのフィーチャは、所要の輝度にしたがって定義される一方、輝度値は、色制御ユニット１０７から受ける。色制御ユニット１０７は、所定のターゲットカラーポイント１１０を生み出すために光素子１０２ａ−ｄごとに発せられる光量を制御する。所定のターゲットカラーポイント１１０は、ユーザによって与えられることができ、またはユニットに予めプログラムされ得る。光素子１０２ａ−ｄの輝度調整は、パルスの振幅若しくはデューティサイクル、又は両方を変調することによりなされ得る。色制御ユニット１０７へのフィードバックは、復調信号である。復調信号は、ＣＤＭＡ復調器１０６から受ける。ＣＤＭＡ復調器１０６は、検出器１０３によって検出され、ＣＤＭＡ復調器１０６に検出信号として供給される、光源１０１の光出力を表す測定光束信号を処理する。とりわけ、ＣＤＭＡ復調器は、検出信号を測定光束信号に復調し、前述したシグネチャ変調スキームにしたがって、異なるＬＥＤ１０２ａ−ｄからの寄与を、それら個々のシグネチャと該測定光束信号との相関を取ることにより抽出し、次いで、その結果を復調信号として色制御ユニット１０７に提供する。

ＣＤＭＡ変調は、ウォルシュ−アダマールコード(Walsh-Hadamard code)が利用される同期システムを用いるＣＤＭＡ変調として例示される。ウォルシュ−アダマールは、暗号化及びセルラ通信で用いる統計的に一意的な数の組を生成するアルゴリズムであり、ＱＵＡＬＣＯＭＭのＣＤＭＡ等の直接スペクトラム拡散(Direct Sequence Spread Spectrum: DSSS)方式、及び次のホップのためターゲット周波数を選択する周波数ホッピングスペクトラム拡散(Frequency Hopping Spread Spectrum: FHSS)方式でよく用いられる"擬似ランダムノイズコード"としても知られている。このアルゴリズムによって生成されるコードは、"直交"する数学的コードである。これは、２つのウォルシュコードの相関が取られる場合、これら２つのコードが同じ場合にのみ結果が理解できることを意味する。結果として、ＣＤＭＡ復調器が、到来してくる信号を変調するのに用いられたものと同じシグネチャコードを用いない場合、ウォルシュ−アダマール符号化信号は、当該ＣＤＭＡ復調器にとってランダムノイズに見える。ウォルシュ−アダマールコードの組のいわゆるＤＣコード、すなわち、平均ＤＣ信号成分に関するコードを避けることにより、システムは、絶え間ない周囲光に対して堅牢になる。

色が制御される光源１０１の一実施例においては、ＣＤＭＡ変調器の特定の符号化スキームが、オンオフキーイングに基づく。オンオフキーイング(OOK)変調は、デジタルデータが搬送波の有無として表されるタイプの変調である。最も単純な形態においては、特定の継続期間の搬送波の存在がバイナリ１を表し、同一継続期間の搬送波の欠如がバイナリ０を表す。しかしながら、原則的に、任意のデジタル符号化スキームが用いられてもよい。

各光素子に割り当てられるシグネチャ変調コードは、各パルスの第１部分を変調するオンオフキーイングによって信号で搬送される。これが、図２に示されている。ここでは、所要の照明を保証するためのＬＥＤへの駆動信号に対する２つの例が示されている。すなわち、１．パルスの第２部分にパルス幅変調(PWM)を適用すること、２．パルスにパルス振幅変調(PAM)を適用することである。図２において、"チップ０"及び"チップ１"は異なる幅を持つことになる。原則的に、これは、ＬＥＤの光出力に変化を招くこととなる。それにも拘らず、このことは、バランスを取ったコード(balanced codes)を用いることにより修復され得る。これは、同数のチップ０及び１が設けられることを意味する。それゆえ、コードワードで平均化されるパルスの幅は、"チップ０"の幅及び"チップ１"の幅の間の平均値に丁度なるであろう。

本発明のさらに他の実施例においては、図３に示されるように、変調方法は、任意のデューティサイクルを可能にするバイフェーズ(BP)変調の一般化である。デューティサイクルが５０％に等しい場合、デューティサイクルバイフェーズ(DC-BP)は、ＢＰ変調に退化する。この場合、各光素子に割り当てられる個別シグネチャを具現化するコードは、それに応じて"チップ０"及び"チップ１"を送信することにより信号で搬送される。所要の照明、すなわち。ＬＥＤの光出力レベルを保証するため、２つのオプションがある。すなわち、１．パルスのデューティサイクルを修正すること、２．パルスの振幅を修正することである。

上述した光検出器１０３については、ＲＧＢセンサ又はＸＹＺセンサ等の異なるタイプのものとすることができる。ＲＧＢセンサは、光の色情報及び輝度の両方を検出することができるが、色情報は３つの別個のセンサ素子から到来し、これらは典型的には極めて狭い帯域幅を持つ。ＸＹＺセンサは、人間の目と同じ伝達関数を持つように構成され、斯くして、ＲＧＢセンサより高いレベルの精度を持つが、測定光における個々のＬＥＤからの寄与を自動的には分離しないであろう。

図４のフローチャートを参照すると、本発明による光源における色生成を制御する方法の一実施例は、以下のステップ、すなわち、
− 所定のターゲットカラーポイントに基づいて各個別のＬＥＤ１０２ａ−ｄの光出力の公称値を決定するステップ（ボックス４０１）、
− これら光出力の公称値にしたがってＬＥＤドライバ１０９ａ−ｄへの駆動信号を設定／調整し、同時に、各個別のＬＥＤ１０２ａ−ｄのために指定されたＣＤＭＡシグネチャ変調を適用するステップ(ボックス４０２)、
− 光源１０１の光出力を検出し、検出信号を生成するステップ(ボックス４０３)、
− 検出信号をＣＤＭＡ復調し、各個別のシグネチャを識別することにより各個別のＬＥＤ１０２ａ−ｄの光出力の実際の値を抽出するステップ（ボックス４０４）、
− 各個別のＬＥＤ１０２ａ−ｄの光出力の公称値と各個別のＬＥＤ１０２ａ−ｄの光出力の実際の値とを比較するステップ（ボックス４０５）、及び
− 実際の値が公称値と合致する場合、ボックス４０３における検出ステップに戻るステップ、または
− １つ以上の光出力値が合致しない場合、個々の駆動信号のさらなる調整のためボックス４０２に戻るステップ、
を有する。

本発明による光源及び方法の実施例が述べられた。これらは、単に非制限的な例と見なされるべきである。当業者に理解されるように、多くの修正例及び代替的な実施例が、請求項に規定される発明の範囲内で可能である。

本願の目的のため、とりわけ請求項に関し、当業者自体にとっては明らかであるように、"有する"の用語は他の要素やステップを除外せず、単数表記の用語は、複数のものを排除しないことに留意されたい。

Claims (8)

1. 色が制御される光源であって、
   −複数のカラー光素子、
   −当該光源の光出力を検出し、検出信号を生成する検出器、及び
   −前記検出信号及び当該光源の光出力の所定のターゲットカラーポイントに基づいて前記光素子への駆動信号を生成する色制御ユニット、
   を有する光源において、
   当該光源はさらに、
   −前記光素子各々への前記駆動信号の個別シグネチャ変調を行なう変調器、及び
   −前記検出信号を復調し、各々の個別シグネチャを識別することにより前記光素子各々の光出力の実際の値を抽出する復調器、
   を有し、
   前記色制御ユニットは、前記ターゲットカラーポイントを得るための前記光素子各々の光出力の公称値を決定する手段、及び抽出された前記実際の値と前記公称値とを比較し、差がある場合、該差を最小にするために前記駆動信号を調整する手段を有し、
   前記駆動信号は、パルス幅変調され、前記変調器は、バランスを取ったコードを用いた矩形パルス列でもって前記駆動信号を変調することを特徴とする光源。
2. 前記変調器は、前記駆動信号の個別符号化変調を行うＣＤＭＡ変調器であることを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記個別シグネチャ変調は、オンオフキーイング及びバイフェーズ変調のうちのいずれかに基づくことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源。
4. 前記検出器は、ＲＧＢセンサ、ＸＹＺセンサ及び光束センサのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光源。
5. 複数のカラー光素子を有する光源における色生成を制御する方法であって、
   −前記光源の光出力を検出するステップ、及び検出信号を生成するステップ、並びに
   −前記検出信号及び前記光源の光出力の所定のターゲットカラーポイントに基づいて前記光素子への駆動信号を生成するステップ、
   を有する方法において、
   当該方法はさらに、
   −前記光素子各々への前記駆動信号を個別シグネチャ変調するステップ、
   を有し、
   前記検出するステップは、前記検出信号を復調し、各々の個別シグネチャを識別することにより前記光素子各々の光出力の実際の値を抽出するステップを有し、
   当該方法はさらに、
   −前記ターゲットカラーポイントを得るための前記光素子各々の光出力の公称値を決定するステップ、及び抽出された前記実際の値と前記公称値とを比較し、差がある場合、該差を最小にするために前記駆動信号を調整するステップ、並びに
   パルス幅変調を用いて前記駆動信号を形成するステップ、及びバランスを取ったコードを用いた矩形パルス列でもって前記駆動信号を変調するステップを有することを特徴とする方法。
6. 前記光素子各々への前記駆動信号を個別シグネチャ変調する前記ステップは、前記駆動信号の個別符号化ＣＤＭＡ変調からなることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記個別シグネチャ変調は、オンオフキーイング及びバイフェーズ変調のうちのいずれかに基づくことを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記光源の光出力は、ＲＧＢセンサ、ＸＹＺセンサ及び光束センサのいずれかによって検出されることを特徴とする請求項５、６又は７に記載の方法。

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