KR101460002B1 - 다수의 원색을 구비한 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주어진 1차 타겟 값들, 예를 들어 칼라 포인트(x,y) 및 광속(Φ)에 대한 타겟 값들에 따라 제어되는 상이한 원색들의 적어도 4개의 발광기(11R, 11G, 11B, 11W)를 구비하는 조명 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 목적은 예를 들어 1차 타겟 값들 및 가능한 제어 명령들(r, g, b, w)(예를 들어, 0%와 100% 사이의 듀티 사이클들)에 따르는 발광기들의 전체 전력 소비(P)에 대한 2차 타겟 값들을 결정함으로써 달성된다. 바람직한 실시예들에서, 2차 타겟 값들을 결정함으로써, 발광기들에 대한 제어 명령들이 간단한 행렬 곱셈에 의해 고유하게 결정될 수 있다.
Figure R1020097015043
조명 장치, 타겟 값, 칼라 포인트, 광속, 발광기, 제어 명령, 듀티 사이클

Description

다수의 원색을 구비한 조명 장치{LIGHTING DEVICE WITH MULTIPLE PRIMARY COLORS}
본 발명은 상이한 원색들을 갖는 적어도 4개의 발광기를 포함하는 조명 장치 및 그러한 조명 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
US 2005/008331 A1은 3개의 칼라 좌표를, 백색을 포함하는 4개 이상의 성분을 갖는 칼라 좌표들의 벡터에 맵핑하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 2차원 (CIE) 색도 다이어그램의 삼각형 영역들로의 특정 세부 분할에 기초하며, 관련 발광기들의 최적 제어는 고려하지 않고 있다.
US 2003/128174 A1은 상이한 원색들의 4개의 LED들을 포함하는 픽셀들을 갖는 매트릭스 디스플레이를 개시한다. 관련된 제어 알고리즘에서, LED들은 그들의 광출력이 3개의 주어진 타겟 값들을 만족시키는 한편 부가적으로 구동 명령들의 함수가 최소화되도록 구동된다. 최소화된 함수에 대한 예들로는 하나의 LED의 소모된 전력, 전류 또는 동작 시간이 있다.
WO 2006/109237 A는 적어도 4개의 주광원들에 대한 제어 명령들을 결정하기 위한 방법을 개시한다. 칼라 공간 내의 타겟 포인트에 대한 명령들은 광원들에 의해 발생될 수 있는 알려진 특성의 칼라 공간 내의 추가적인 포인트를 고려하여 획득될 수 있다.
US-A-6014457은 서로 다른 칼라 공간들간의 좌표 변환들이 실행되는 장치를 개시한다.
이러한 상황에 기초하여, 본 발명의 목적은 상이한 칼라들을 갖는 적어도 4개의 발광기를 제어하기 위한 대안 수단을 제공하는 것이며, 그러한 제어는 빠르고, 그리고/또는 소정의 최적화 기준들이 충족될 수 있는 것이 바람직하다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 조명 장치 및 청구항 8에 따른 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속항들에 개시된다.
본 발명에 따른 조명 장치는 아래의 컴포넌트들을 포함한다.
a) 비교되는 동작 조건들(온도, 구동 전류 등) 하에서 상이한 원색들, 즉 상이한 방출 스펙트럼들을 갖는 적어도 4개인 N개의 발광기. 각각의 발광기는 단일 램프이거나, 여러 개의 동일하거나 상이한 램프들의 조합일 수 있다. 더욱이, 전체 조명 장치의 광 출력은 모든 그의 N개의 발광기들의 광 출력의 중첩인 것으로 이해된다.
b) 발광기들에 대한 구동 명령들과 기능적으로 관련된 1≤s≤N개의 2차 타겟 값들을 결정하기 위한 타겟 결정 유닛으로서, 여기서 "2차"라는 용어는 이러한 도출된 타겟 값들과, 예를 들어 사용자 또는 소정의 상위 제어기에 의해 장치로 바로 제공되는 조명 장치의 광 출력에 대한 1≤p≤N개의 "1차" 타겟 값들을 구별하는 데 사용된다.
(1차 및 2차) 타겟 값들의 전체 개수 (p+s) 및 발광기들의 개수 N과 관련하여, 3가지 사례가 구별될 수 있는데, (p+s)>N인 경우, 일반적으로, 모든 타겟 값들에 매칭되는 충분한 독립 제어 변수들(즉, 원색들)이 존재하지 않으며, 그때는 타겟 값들의 최적 근사화가 대신 시도될 수 있다. (p+s)=N인 경우, 일반적으로, 타겟 값들을 재생성할 수 있는 발광기들의 구동 명령들의 고유 세트가 존재한다. 제안되는 조명 장치는 이 사례를 관리하는 데 특히 적합하다. 마지막으로, (p+s)<N인 경우, 이용 가능한 원색들의 수가 자유도를 초과한다. 따라서, 일반적으로 타겟 값들은 재생성될 수 있지만, 제어 문제가 어려워진다.
c) 전술한 2차 및 1차 타겟 값들에 기초하여 발광기들에 대한 개별 구동 명령들을 결정하기 위한 구동 유닛. "구동 명령"은 예를 들어 특정 전압에서 발광 다이오드(LED)에 인가되는 순방향 전류를 나타낼 수 있다. 구동 명령들의 또 하나의 중요한 예는 발광기들이 펄스폭 변조(PWM) 방식에서 구동되는 듀티 사이클, 즉 전기 신호(예컨대, 전압 또는 전류)가 상기 신호의 교대 2치 온/오프 공급에서 스위치 온되는 시간 분율이다.
조명 장치는 p개의 소정의 1차 타겟 값들에 추가하여 사용되는 다수의 2차 타겟 값들을 도입함에 따라 발광기들에 대한 N개의 개별 구동 명령의 비교적 간단하고 빠른 결정을 가능하게 하는 이익을 갖는다. 따라서, 2차 타겟 값들은 구동 명령들의 선택에서의 자유도를 줄여서, (p+s)=N의 이상적인 사례의 유일한 해를 제공한다.
일반적으로, 구동 유닛은 (p+s)개의 1차 및 2차 타겟 값들의, 발광기들에 필요한 N개의 개별 구동 명령들에 대한 임의의 적절한(예를 들어, 비선형) 맵핑을 구현할 수 있다. 바람직한 사례에서, 이러한 맵핑은 선형이며, 이는 구동 유닛이 구동 명령들의 벡터와, 1차 및 2차 타겟 값들로부터 도출되는 (p+s)차원의 "타겟 벡터" 사이의 선형 관계를 평가하기 위한 "행렬 곱셈 모듈"을 포함할 수 있음을 의미한다. 가장 간단한 사례에서, 전술한 타겟 벡터는 단순히 1차 및 2차 타겟 값들을 성분들로서 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 1차 및 2차 타겟 값들의 타겟 벡터의 성분들로의 소정의 간단하지 않은 맵핑이 존재할 수도 있다. 따라서, 1차 타겟 값들로서 주어지는 칼라 포인트 x, y 및 광속(flux)은 예를 들어 타겟 벡터에서 XYZ 칼라 좌표계로 변환될 수 있다. 행렬 곱셈은 실시간으로 쉽게 구현되고 평가될 수 있는 이점을 갖는다. 더욱이, 관련 행렬은 일반적으로 간단한 교정 절차(한 번에 발광기들 중 하나만의 스위칭 온 및 결과적인 동작 파라미터들 및 광 출력의 측정을 포함함) 및 행렬 변환에 의해 얻어질 수 있다. 이와 관련하여, 통상적으로 고 유 행렬 반전의 가능성은 (p+s)=N일 것을 필요로 한다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 타겟 결정 유닛은 주어진 1차 타겟 값들에 따라 2차 타겟 값들을 결정하도록 설계된다. 따라서, 2차 타겟 값들은 1차 타겟 값들과 충돌하지 않으며, 즉 충족되지 못할 경계 조건들을 설정하지 않는 것이 보장될 수 있다.
2차 타겟 값들은 원칙적으로는 구동 명령들의 함수로서 표현될 수 있는 임의의 양을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 2차 타겟 값들은 구동 명령들에 선형으로 의존하게 되는데, 이는 관련 계산들을 크게 단순화하기 때문이다. 가능한 2차 타겟 값의 하나의 특정 예는 일부 또는 모든 발광기의 전력 소비, 즉 고려되는 발광기들의 발광의 자극을 위해 이들에 의해 단위 시간당 소비되는 에너지이다. 발광기들은 통상적으로 전력에 의해 구동되므로, 전력 소비는 인가 전압과 전류의 곱에 대응한다.
가능한 1차 타겟 값들의 실제로 중요한 예들은 조명 장치의 칼라 포인트 및 광속이다.
일반적으로는, 가능한 구동 명령들과 양립하는, 즉 구동 명령들의 적절한 조합에 의해 생성될 수 있는 복수의 (또는 심지어 연속하는) 가능한 타겟 값들이 존재할 것이다. 따라서, 타겟 결정 유닛은 자명하게도 가능한 구동 명령들 및 적어도 1차 타겟 값들의 서브세트에 따르는 허용 가능한 2차 타겟 값들의 범위를 결정할 수 있는 "범위 추정기"를 포함한다. 허용 가능한 2차 타겟 값들은 예를 들어 발광기들에 제공되는 전류들이 0과 소정의 상한 사이의 범위에 있어야 한다는 것을 고려할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 발광기들에 대한 구동 명령들은 PWM의 듀티 사이클들이다. 따라서, 구동 명령들은 0%(발광기 오프)와 100%(발광기 계속 온)의 듀티 사이클들에 대응하는 0과 1 사이의 값들만을 취할 수 있다. 이것은 전술한 실시예에서 허용 가능한 2차 타겟 값들의 범위의 결정을 단순화하는 구동 명령들에 대한 고유하고 공지된 범위를 제공한다.
타겟 결정 유닛이 범위 추정기를 포함하는 실시예의 또 다른 구현에 있어서, 타겟 결정 유닛은 다음 관계에 따라 허용 가능 범위(범위 추정기에 의해 결정됨)로부터 2차 타겟 값들의 벡터(V)를 선택한다.
V = (Φt/Φx)·Vx
여기서, Vx는 최대의 관련 1차 타겟 값(Φx)에 대응하는 허용 가능 범위로부터의 2차 타겟 값들의 벡터이고, Φt는 주어진 1차 타겟 값이다. 그의 심벌 Φ이 지시하듯이, 1차 타겟 값은 특히 모든 발광기의 일반 광 출력의 광속일 수 있다. 허용 가능한 2차 타겟 값들의 범위가 결정되면, 고려되는 1차 타겟 값(Φt)의 임의 값에 대해 2차 타겟 값들의 적절한 세트가 주어진 식에 의해 쉽게 계산될 수 있다.
범위 추정기를 포함하는 실시예의 다른 변형에 있어서, 허용 가능한 2차 타겟 값들의 범위는 소정의 최적화 기준에 따라 주어진 1차 타겟 값들에 대해 선택된다. 그러한 최적화 기준의 대표적인 예들은 (모든 또는 일부 발광기들의) 전력 소비의 최소화 또는 (PWM 제어에서) 모든 구동 명령의 최고 듀티 사이클의 최소화이 다.
발광기들은 원칙적으로는 임의 종류의 램프(또는 램프들의 그룹)일 수 있지만, 이들은 LED, 인광체 변환 LED, 유기 LED(OLED), 레이저, 인광체 변환 레이저, 칼라 형광 램프, 필터(칼라) 할로겐 램프, 필터(칼라) 고강도 방전(HID) 램프 및/또는 필터(칼라) 초고성능(UHP) 램프를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상이한 원색들을 갖는 적어도 4개인 N개의 발광기를 포함하는 조명 장치를 제어하기 위한 방법에 더 관련되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다.
a) 발광기들에 대한 구동 명령들과 기능적으로 관련된 s<N개의 2차 타겟 값들을 결정하는 단계.
b) 상기 2차 타겟 값들, 및 조명 장치의 광 출력에 대한 p<N개의 주어진 1차 타겟 값들에 기초하여 발광기들에 대한 개별 구동 명령들을 결정하는 단계.
이 방법은 일반적으로 전술한 종류의 조명 장치에서 실행될 수 있는 단계들을 포함한다. 따라서, 이 방법의 상세, 이익 및 개량에 관한 더 많은 정보를 위해 앞의 설명을 참조한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 후술하는 실시예(들)로부터 명백할 것이며, 그를 참조하여 설명될 것이다. 이들 실시예는 첨부 도면들의 도움으로 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 조명 장치를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 제어 방법과 관련된 공식들을 포함하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 제1 제어 방법에 의해 주어진 광속 값에 대해 결정된 허용 가능 전력 소비 값들의 예시적인 범위를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에 따른 허용 가능 범위 내에서 선택된 전력 소비 타겟 값의 함수로서의 결과적인 듀티 사이클들 및 칼라 렌더링 인덱스를 나타내는 도면.
도 5는 50 lm(상), 75 lm(중) 및 100 lm(하)의 광속 값들에 대한 도 4와 유사한 도면들.
도 6은 본 발명에 따른 제2 제어 방법에 의해 임의의 광속 값들에 대해 결정된 허용 가능 전력 소비 값들의 범위의 예시적인 합성을 나타내는 도면.
도면들 내의 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 컴포넌트들을 지시한다.
일반적인 조명 광원들은 충분히 높은 칼라 렌더링 특성들 필요로 한다. 3개의 원색은 흑체 궤적 상의 백색을 포함하는 거의 모든 칼라의 광을 생성할 수 있는 광원을 만들기에 충분하다. 불행하게도, 그러한 3색 광원들의 칼라 렌더링 특성들은 매우 양호하지는 않다. 칼라 렌더링 특성을 개선하기 위해, 제4 칼라, 예를 들어 황갈색(A)이 적/녹/청(RGB) 칼라 시스템에 추가될 수 있다. 흑체 궤적 상의 칼라들이 더 중요한 경우에는, 황갈색 대신에 백색 소스(W)를 추가하도록 선택할 수도 있다. 백색 소스를 이용하는 경우, 일반적으로 최대 루멘 출력은 동일하거나 심지어 보다 나은 칼라 렌더링에서도 황갈색 소스를 이용하는 것보다 높을 것이다.
조명 장치에 대한 통상적인 사용자 입력은 CIE1931 xyY와 같은 칼라 시스템 또는 임의의 다른 칼라 시스템의 칼라 및 광속 좌표들을 제공하는 것이다. 이어서, 조명 장치의 칼라 제어 시스템은 높은 칼라 렌더링 인덱스(CRI)를 유지하면서 칼라 및 광속을 매우 정확하게 재생할 수 있어야 한다.
칼라 및 광속은 항상 3개의 파라미터(즉, xyY, uvY, XYZ, RGB, Lab 등)에 부속되므로, 3색 시스템들만이 하나의 유일한 해를 갖는다. 4색 시스템의 어려움은, 유일한 해가 존재하지 않고, 해들의 선형 서브세트 모두가 칼라 및 광속 요구를 만족시킨다는 점이다. 아래의 예들은 다음의 이익을 갖는, 소정의 칼라 및 광속의 광을 생성하기 위해 4개 이상의 칼라를 갖는 칼라 시스템들을 이용하기 위한 방법을 설명한다.
- 원색들의 전체 칼라 범위가 이용될 수 있다.
- 적어도 하나의 칼라가 다른 칼라들의 칼라 범위 내에 그리고 거의 그 중간에 있는 원색들을 갖는 칼라 시스템들, 예컨대 RGBW 시스템들에 대해 사용될 수 있다.
- 이론적인 절대 최대 광속이 칼라 범위 내의 모든 칼라에 대해 도달될 수 있다.
- 옵션으로서, 필요한 광속 및 최상의 수명과 별개로, 가장 낮은 전체 전력 또는 칼라 인식을 위해 최적화될 수 있다.
- 실제 칼라 렌더링 특성들이 원색들의 파장들의 선택에 의해 주로 결정된다. 구매 가능한 RGBW LED들을 이용하여, 광속의 너무 큰 희생 없이, 최소 85의 칼라 렌더링 인덱스 Ra8이 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치(10)를 나타낸다. 조명 장치(10)는 4개의 상이한 칼라의 발광기, 예컨대, 적색 LED(11R), 녹색 LED(11G), 청색 LED(11B) 및 백색 LED(11W)를 포함한다. 그러나, 다른 칼라들(예를 들어, 백색 대신에 황갈색) 및/또는 추가 칼라들도 사용될 수 있다는 점에 유의한다. LED들(11R-11W)은 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 개별적으로 구동되며, 제어 명령들은 LED들(11R, 11G, 11B, 11W) 각각에 대한 듀티 사이클들(r, g, b, w)이다. LED들에 전달되는 전체 전력은 문자 P로 표시된다. 구동시, 4개의 LED들은 예를 들어 조명 장치의 칼라 포인트(xm, ym) 및 광속(Φm)의 실제 값들을 결정하기 위해 스펙트로미터(20)에 의해 측정될 수 있는 일반 광 출력을 생성한다.
조명 장치(10)의 중요한 양태는 예를 들어 사용자 또는 소정의 상위 제어기에 의해 제공되는 주어진 "1차" 타겟 값들에 기초하여 구동 명령들의 벡터(r, g, b, w)를 결정하기 위한 제어 방식이다. 이하에서는, 다른 변수들도 선택될 수 있지만, 원하는 칼라 포인트(x, y) 및 원하는 광속(Φ)이 1차 타겟 값들의 실제로 중요한 예들로서 고려될 것이다.
1차 타겟 값들의 벡터(x, y, Φ)는 옵션으로서 먼저 "좌표 변환 유닛"(12)에서 다른 좌표들로 변환된다. 설명되는 예에서, 외부적으로 제공되는 1차 타겟 값들은 xyY CIE1931 칼라 좌표계에 기초하며, 좌표 변환 유닛(12)에 의해 XYZ 좌표계로 변환된다. 대응 관계들이 도 2의 식 (1)로 주어진다(이하에서, 식들에 대한 임의의 인용은 도 2를 참조할 것이다).
이어서, 변환된 1차 타겟 값들은 타겟 결정 유닛(13) 및 구동 유닛(14)에 병렬로 제공된다. 후술하는 바와 같이, 타겟 결정 유닛(13)은 제공된 1차 타겟 값들 및 가능한 제어 명령들(r, g, b, w)에 따르는 "2차 타겟 값"을 결정한다. 이하에서는, 다른 양들도 사용될 수 있지만, LED들(11R-11W)의 전체 전력 소비가 2차 타겟 값의 일례로서 고려될 것이다. 그러나, 계산들을 단순화하기 위해, 2차 타겟 값들은 예시적인 전체 전력 소비(P)에 대해 그렇듯이 구동 명령들(r, g, b, w)에 선형으로 의존하는 것이 바람직하다.
전력 소비 타겟 값(P)을 계산할 때, 타겟 결정 유닛(13)은 구동 유닛(14)에 저장된 정보를 이용할 수 있다. 그러나, 구동 유닛(14)의 주요 작업은 외부에서 제공되는 (변환된) 1차 타겟 값들(X, Y, Z) 및 타겟 결정 유닛(13)에 의해 제공되는 전력 소비 타겟 값(P)의 벡터(X, Y, Z, P)에 기초하여 구동 명령들(r, g, b, w)을 결정하는 것이다. 도 2의 식들과 관련하여 후술하는 바와 같이, 구동 유닛(13)의 동작은 단순히 소정 행렬(M-1)과의 곱셈이 될 수 있다.
N개의 원색을 갖는 각각의 조명 장치에서는, N개의 제어 명령들로부터 장치의 칼라 포인트 좌표들(x, y) 및 광속(Φ)을 포함하는 타겟 벡터로의 고유한 맵핑이 존재한다. 선형 사례에서, 이러한 맵핑은 예를 들어, 한 번에 하나의 칼라만이 활성화되고, 결과적인 칼라 포인트 및 광속이 감시되는 교정 절차에서 결정될 수 있는 "교정 행렬"에 의해 표현된다. 제어 목적을 위해, 교정 행렬은 반전되어야 한다. 따라서, N 칼라 시스템은 N×N 교정 행렬을 필요로 하는데, 그렇지 않은 경우에는 반전이 유일하지 않고, 해를 가질 수 없기 때문이다. 따라서, 식 (2)에 따르면, 고려되는 RGBW 시스템에서의 교정 행렬(M)은 100% 듀티 사이클에서의 전체 전력(P)에 대한 값들을 이용하여 확장된다. 이어서, 제어 명령들(듀티 사이클들 r, g, b, w)의 벡터는 식 (3)에 표시된 바와 같이, 반전된 교정 행렬(M-1)의 도움으로, 주어진 타겟 삼자극 값(XYZ) 및 전체 전력(P)로부터 계산될 수 있다.
이제, 하나의 어려움이 존재하는데, 즉 타겟 값들(X, Y, Z)만이 주어진 1차 타겟 값들 x,y,Y=Φ로부터 정해지고 알려진다. 그러나, 전체 전력(P)의 2차 타겟 값은 알지 못하며, 다른 방법으로 제공되어야 한다. 따라서, 행렬 곱은 식 (4) 및 (5)에 표시된 바와 같이, 즉 타겟 전력 소비(P) 및 타겟 광속(Φ)에 각각 비례하는 2개의 벡터의 합으로서 다시 쓰이게 되는데, 여기서 후자 벡터의 성분들은 교정 행렬 및 타겟 칼라 값들(x,y)에 의해 식 (5)에 따라 주어진다.
식 (4)의 항들을 전력 소비(P)로 나누면, 효율에 대한 소정 값 Φ/P=상수에서, 듀티 사이클들(r, g, b, w) 간의 상대적 비율들은 광속 Φ에 대해 일정하다는 것을 보여준다는 점에 유의한다.
이제, 듀티 사이클들(r, g, b, w)이 0%보다 낮거나 100%보다 클 수 없다는 조건이 지켜져야 한다. 이것은 타겟 광속(Φ)에 따라 허용 가능 타겟 전력 소비 값들(P)의 범위를 결정하는 부등식 (6)으로 이어진다.
부등식 (6)은 이하에서 먼저, 타겟 광속(Φ)이 그의 주어진 값으로 고정되는 것으로 간주되는 사례에 대해 고찰될 것이다. 이어서, 4개의 칼라 c=R, G, B, W의 각각에 대해, 허용 가능 타겟 전력 소비들(P)의 간격이 부등식 Pmin,c≤P≤Pmax,c에 의해 결정된다. 도 3은 허용 가능한 타겟 전력 소비들(P)의 예시적인 범위들을 나타낸다(칼라들(R, G, B, W)에 대한 추가 파라미터들은 주 파장 λd: R=604.8nm, G=537.9nm, B=452.6nm; 개별 광속들:R=32lm, G=42lm, B=9lm, W=44lm; CCT: W=5100K이고, 타겟 칼라는 4000K이며, 전체 광속(Φ)은 50lm이다).
듀티 사이클 요구가 모든 칼라에 대해 만족되어야 함에 따라, 실제로 허용 가능한 타겟 전력 소비들의 범위(도 2에서 인덱스 "All"로 지시됨)는 칼라들(R, G, B, W)에 대한 모든 간격들의 공통 부분, 즉 약 Pmin=1.392 W에서 Pmax=1.592 W까지의 간격이다.
전술한 간격으로부터의 모든 허가되는 전력 소비(P)에 대해, 타겟 삼자극 값(X, Y, Z)에 매칭되는 광 출력을 산출하는 듀티 사이클들(r, g, b, w)에 대한 해가 존재한다. 도 4는 그러한 듀티 사이클들(r, g, b, w)에 대한 해들(좌측 수직 축 상의 "DTC") 및 관련 칼라 렌더링 인덱스(우측 수직 축 상의 CRI Ra8)를 다이어그램으로 나타내고 있다. 하한(Pmin) 및 상한(Pmax)은 수직 점선들로 표시된다. 수직 중앙선(약 1.51W)은 4개의 듀티 사이클들(r, g, b, w) 모두의 최고 듀티 사이클이 최저인 전체 전력을 표시한다.
도 5에서는, 듀티 사이클들(r, g, b, w)을 광 효율에 대해, 즉 50lm(상부 다이어그램), 75lm(중간 다이어그램) 및 100lm(하부 다이어그램)에서의 전체 전력 소비(P)에 대한 전체 광속(Φ)을 나타내고 있다. 모든 데이터는 동일한 칼라 설정을 참조하며(온도 효과들은 무시함), 수직 축들은 이전 도면에서와 동일한 의미를 갖는다. 다이어그램들은 좌측 및 우측 한계(Pmin 및 Pmax)가 전체 광속(Φ)과 함께 (약 33.1 lm/W의) 동일 효율 값에 유지되는 중앙 수직선을 향해 이동하는 것을 보여준다. 최대 가능 광속에서, 좌측 및 우측 한계(Pmin 및 Pmax)는 상기 수직선과 일치할 것이다. 따라서, 고려되는 4개의 칼라 시스템에서도, 최대 가능 광 출력에 대해 하나의 듀티 사이클 해만이 존재하게 된다.
위의 고려들은 여전히 열린 자유도, 즉 변수 P에 대한 3개의 잠재적인 이로운 선택으로 이어지는데, 이들은 다음과 같이 될 수 있다.
1. 최저 전체 전력
최저 전체 전력은 도 4의 좌측 한계(Pmin) 및 도 5의 우측 한계들에 대응한다. 이것은 전체 열 낭비가 최저이고, 따라서 히트 싱크 온도가 최저가 되는 이익을 갖는다. 그러나, 4개의 색 중 하나, 통상적으로 백색은 100%의 듀티 사이클로 구동될 것이다. 따라서, 이 색은 비교적 높은 온도를 가지며, 다른 색보다 빠르게 노화될 것이다. 또 하나의 양태는 칼라 렌더링 특성들이 필요한 광속에 의존한다는 것인데, 결국 필요한 광속이 증가하는 경우, 백색은 100%로 유지되고, 다른 칼라들(RGB)은 비례하여 생성되며, 이는 칼라 렌더링 특성들을 변화시킬 것이다. 더욱이, 교정 행렬이 매우 정확하지 않을 경우, 혼합 칼라는 광속에 따라 변할 것이다.
2. 광속과 함께 일정한 칼라 인식
도 4 및 5의 중앙 수직선에서, 최대 듀티 사이클은 최저이다. 이것은 듀티 사이클들 간의 상대적 비율들이 최대 가능한 광속까지의 광속과 함께 일정하게 되는 설정이다. 광속이 변할 때, 모든 칼라의 듀티 사이클들(r, g, b, w)은 동일한 비율로 변하는데, 즉 광속이 2배가 되면, r이 2배, g가 두배, b가 두배, 그리고 w가 두배가 된다. 4개의 칼라의 상대적인 기여는 동일하게 유지되며, 결과적으로 칼라 렌더링 특성들도 동일하게 유지된다. 교정 행렬의 부정확성은 타겟 광속이 변할 때 칼라 변화로 이어지지 않을 것이다. 최대 듀티 사이클이 최하이므로, 백색 타겟 칼라들에 대해, 다른 칼라들보다 훨씬 높은 레벨로 동작하는 원색이 존재하지 않게 된다. 시스템의 수명은 가장 빠르게 열화되는 칼라의 수명에 의해 결정되므로, 이것은 전체 시스템의 수명을 향상시킨다.
3. 최상의 칼라 렌더링 특성
칼라 렌더링 특성들은 원색들의 상대적 기여들과 관련된다. 불행하게도, 칼라 렌더링 인덱스(CRI)를 계산하고, 이러한 CRI가 최고인 전체 전력 설정을 찾는 것은 쉽지가 않은데, 이는 이러한 계산을 위해 모든 칼라의 스펙트럼들이 필요하기 때문이다. 특히 소형 마이크로컨트롤러에 대해, 계산 시간은 비교적 길 것이다. 그러나, 원색들의 (주) 파장들의 스마트한 선택은 이전 옵션에서와 대략 동일한 전력 설정에서 CRI 최적 조건을 강제할 수 있다. 이것은 파장들의 선택에 의해 도 4의 예에 대해 달성된다.
대부분의 응용에 대해, 선호되는 선택은, 칼라 렌더링 특성들이 충분히 양호하도록 원색들의 (주) 파장들에 대한 스마트한 선택과 결합되는 옵션 2이다.
이하에서, 부등식 (6)은 타겟 광속(Φ)이 변수 값을 갖는 것으로 간주되는 사례에 대한 제2 방법에서 고찰될 것이다. 이러한 방법의 이익들 중 하나는 주어진 타겟 광속이 최대 광속보다 높은 사례들에서 동일 칼라 좌표들을 유지하면서 타겟 광속을 최대 가능 광속으로 조정할 수 있다는 것이다.
전력 소비(P) 및 전체 광속(Φ) 양자가 가변적일 때, 부등식 시스템(6)은 도 6에 도시된 바와 같이 (P,Φ) 공간에 표현되어야 한다. 이러한 표현에서, 시스템의 각각의 부등식 (6)은 도면 좌측의 4개의 다이어그램 내의 경사진 대역들(R, G, B, W) 중 하나에 대응하며, 하나의 칼라에 대한 가능한 듀티 사이클들에 따르는 (P, Φ) 튜플(tuple)들을 포함한다. 각각의 대역은 2개의 평행한 에지를 갖는데, 그 중 하나는 (0,0)을 통과하고, 듀티 사이클 0%에 속하며, 다른 하나는 듀티 사이클 100%에 속한다. 대역 내에서, 듀티 사이클은 0%와 100% 사이이다. 대역들의 폭, 각도 및 위치는 타겟 광속(Φ)에 의해서가 아니라, 식들 (1) 내지 (6)에 따라 교정 행렬(M) 및 타겟 칼라 좌표들(x,y)에 의해 정의된다.
4개 대역의 오버랩은 도 6의 우측 다이어그램에 표시된 영역 A이며, 여기서는 모든 칼라가 듀티 사이클 조건 (6)을 만족시킨다. 따라서, 타겟 칼라 및 광속에 대한 해는 이 영역 A 내의 어딘가에 있어야 한다.
도 3 내지 5와 관련하여 전술한 방법에서, (P,Φ) 공간은 주어진 광속 타겟 값 Φ=Φt에 대해서만 도 6의 다이어그램들을 고려하여 1차원 P 공간으로 축소되었다(도 3은 예를 들어 높이 Φt에서 도 6의 대역들을 통과하는 수평 섹션들에 대응한다). 이제 고려되는 개선된 전략에서는, 최대 가능 광속(Φt)에 대응하는 듀티 사이클들(r, g, b, w) 사이의 상대적 비율들이 먼저 결정된다. 전술한 바와 같이, 듀티 사이클들의 비율들은 일정한 효율 Φ/P에 대해 광속 Φ에 무관하며, 따라서 필요한 해는 (0,0)과 영역 A의 코너 포인트 (Px,Φx) 사이의 직선(L) 상의 어딘가에 있을 것이다(효율은 이 직선(L) 상에서 상수이므로). 코너 포인트 (Px,Φx)에 대응하는 듀티 사이클들은 식 (4)로부터 결정될 수 있다. 이들은 광속이 타겟 값(Φt)과 동일할 때까지 식 (7)에 따라 최종 단계에서 스케일링된다.
식 (8)은 듀티 사이클들의 상대적 비율들이 타겟 광속(Φt)과 무관하다는 것을 보여주는데(이는 칼라 인식이 광속과 무관함을 보장한다), 여기서 아래 첨자 x는 최대 가능 광속(Φx)에서의 설정을 나타내고, t는 타겟 광속(Φt)에서의 설정을 나타낸다.
이 식은 또한, 타겟 광속이 최대 광속 미만일 때 듀티 사이클들에 대한 조건이 자동으로 충족된다는 것을 보여준다.
최대 광속을 갖는 포인트(Px,Φx)는 도 6의 대역들 사이의 공통 부분의 모든 포인트를 먼저 계산한 후에 모든 대역 상에 여전히 위치하는 최대 광속(Φx)을 갖는 포인트를 식별함으로써 발견될 수 있다. 예를 들어, 적색 및 녹색에 대응하는 대역들 사이의 공통 부분의 4개 포인트가 식 (90)로부터 계산될 수 있으며, 여기서 cr 및 cg는 듀티 사이클 0% 및 100%에 각각 대응하는 0 또는 1일 수 있는 상수들이다.
공통 포인트 (P,Φ)에서 테스트 중인 대역의 양 에지까지의 "거리"를 계산함으로써 다른 대역들 상에 공통 포인트가 존재하는지를 검사할 수 있다. 이것은 청색에 대응하는 대역의 예에 대해 식 (10)으로 표현된다. 여기서, cb는 테스트 중인 에지를 결정한다(0% 듀티 사이클에 대응하는 에지에 대해 cb=0이고, 100% 듀티 사이클에 대응하는 에지에 대해 cb=1이다). 거리들(v0, v1)의 부호가 동일하지 않은 경우, 테스트 중인 공통 포인트는 테스트 중인 대역 내에 위치한다.
전술한 기술은 백색을 포함하는 4개 칼라의 임의 조합을 이용하는 LED 설비들에 적용될 수 있다. 이 기술은 일반 조명을 위해 특히 적합하지만, 루멘 출력 및 칼라 렌더링이 매우 중요한 다른 응용 분야들에도 적용될 수 있다. 더욱이, 알고리즘은 최대 광속을 갖는 최상의 작동 포인트를 검색하기 위한 하나의 독립 변수를 필요로 한다는 것이 이미 지적되었다. 이것은 위의 예들에서 전력 소비(P)이었지만, 듀티 사이클에 대해 선형인 임의의 다른 변수일 수도 있다.
더욱이, 본 방법은 다차원 공간 내의 최상의 작동 포인트를 발견함으로써 5, 6, ..., N개의 기본 칼라(=듀티 사이클들)에 대해 확장될 수 있다. 5개 칼라는 예를 들어 2개의 독립 변수(P1, P2)를 필요로 하며, 이어서 4개 칼라에 대해 위에서 사용된 2차원 (P,Φ) 공간의 대역들의 그래픽 표현은 3차원 (P1,P2,Φ) 공간의 일종의 입체 대역들로 대체되어야 한다. 마찬가지로, 모든 추가 칼라는 (P1,P2,P3,...,Φ) 공간에 한 차원을 추가한다.
마지막으로, 본 출원에서 "포함한다"라는 용어는 다른 요소들을 배제하지 않으며, "a" 및 "an"은 복수를 배제하지 않고, 단일 프로세서 또는 다른 유닛이 여러 수단의 기능들을 이행할 수 있다는 것을 지적한다. 본 발명은 각각의 그리고 모든 새로운 특징 및 각각의 그리고 모든 특징들의 조합 내에 존재한다. 더욱이, 청구항들 내의 참조 부호들은 그들의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (10)

  1. 조명 장치(10)로서,
    a) 상이한 원색들을 갖는 N≥4개의 발광기(11R, 11G, 11B, 11W);
    b) 상기 발광기들에 대한 구동 명령들(r, g, b, w)의 함수로서 표현될 수 있는 s<N개의 2차 타겟 값(P)을 결정하기 위한 타겟 결정 유닛(13);
    c) 상기 2차 타겟 값들(P), 및 상기 조명 장치의 광 출력에 대한 p<N개의 주어진 1차 타겟 값(x, y, Φ)에 기초하여 상기 발광기들에 대한 개별 구동 명령들(r, g, b, w)을 결정하기 위한 구동 유닛(14)을 포함하며,
    상기 타겟 결정 유닛(13)은,
    허용 가능한 구동 명령들(r, g, b, w) 및 상기 주어진 1차 타겟 값들(x,y,Φ)의 서브세트에 따르는 허용 가능한 2차 타겟 값들(P)의 범위를 결정하기 위한 범위 추정기를 포함하고,
    관계식 V = (Φt/Φx)·Vx에 따라 상기 허용 가능한 범위로부터 2차 타겟 값들의 벡터(V)를 선택하며,
    여기서, Vx는 최대 1차 타겟 값(Φx)에 대응하는 상기 허용 가능 범위로부터의 2차 타겟 값들의 벡터이고, Φt는 주어진 1차 타겟 값인 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 유닛은 상기 구동 명령들(r, g, b, w)의 벡터와 상기 1차 및 2차 타겟 값들로부터 도출되는 타겟 벡터(X, Y, Z, P) 사이의 선형 관계를 평가하기 위한 행렬 곱셈 모듈(14)을 포함하는 조명 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 타겟 결정 유닛(13)은 상기 주어진 1차 타겟 값들(x, y, Φ)에 따라 상기 2차 타겟 값들(P)을 결정하는 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2차 타겟 값들은 상기 발광기들(11R, 11G, 11B, 11W)의 서브세트의 전력 소비(P)를 포함하고, 그리고/또는 상기 1차 타겟 값들은 상기 조명 장치의 칼라 포인트(x,y) 및 광속(Φ)을 포함하는 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구동 명령들은 펄스폭 변조의 듀티 사이클들(r, g, b, w)인 조명 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 타겟 결정 유닛(13)은 주어진 1차 타겟 값들(x, y, Φ)에 대해, 소정의 최적화 기준에 따라 상기 허용 가능 범위로부터 상기 2차 타겟 값들(P)을 선택하며, 상기 최적화 기준은 전력 소비의 최소화 또는 최고 듀티 사이클의 최소화 구동 명령을 포함하는 조명 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발광기들(11R, 11G, 11B, 11W)은 LED, 인광체 변환(phosphor converted) LED, 유기 LED(OLED), 레이저, 인광체 변환 레이저, 칼라(colored) 형광 램프, 필터링된(filtered)(칼라) 할로겐 램프, 필터링된(칼라) 고강도 방전(HID) 램프 및/또는 필터링된(칼라) UHP 램프를 포함하는 조명 장치.
  8. 상이한 원색들을 갖는 N≥4개의 발광기(11R, 11G, 11B, 11W)를 포함하는 조명 장치(10)를 제어하기 위한 방법으로서,
    a) 상기 발광기들에 대한 구동 명령들(r, g, b, w)의 함수로서 표현될 수 있는 s<N개의 2차 타겟 값들(P)을 결정하는 단계;
    b) 상기 2차 타겟 값들(P), 및 상기 조명 장치의 광 출력에 대한 p<N개의 주어진 1차 타겟 값들(x,y,Φ)에 기초하여 상기 발광기들에 대한 개별 구동 명령들(r, g, b, w)을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    허용 가능한 구동 명령들(r, g, b, w) 및 상기 주어진 1차 타겟 값들(x,y,Φ)의 서브세트에 따르는 허용 가능한 2차 타겟 값들(P)의 범위를 결정하는 하위 단계,
    관계식 V = (Φt/Φx)·Vx에 따라 상기 허용 가능한 범위로부터 2차 타겟 값들의 벡터(V)를 선택하는 하위 단계를 더 포함하며,
    여기서, Vx는 최대 1차 타겟 값(Φx)에 대응하는 상기 허용 가능 범위로부터의 2차 타겟 값들의 벡터이고, Φt는 주어진 1차 타겟 값인 방법.
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