KR101921690B1 - 다중 엘이디 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어방법 및 장치 - Google Patents

다중 엘이디 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어방법 및 장치 Download PDF

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KR101921690B1
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illumination
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이찬수
천성용
김정훈
박신원
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영남대학교 산학협력단
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    • H05B33/0872—
    • H05B33/0815—

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 스펙트럼 제어장치와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈을 포함하는 조명제어장치가 스펙트럼에 따른 개별 엘이디들의 조명을 제어하는 조명제어방법에 있어서, 상기 조명제어장치에 조명조건이 입력되는 조명조건 설정 단계; 상기 조명제어장치가 상기 조명조건 설정에 따른 목표 스펙트럼의 분포값을 생성하는 단계; 상기 조명제어장치에서 상기 목표 스펙트럼을 위한 엘이디 조합군에 포함될 개별 엘이디 개수 및 개별 엘이디 PWM 듀티비 값이 포함된 조명 제어값을 산출하는 단계; 상기 조명제어장치에서 산출된 조명 제어값에 의하여 개별 엘이디들을 조합하고 산출된 듀티비에 따라 전력을 공급하여 조명을 제어하는 단계; 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부가 색상별 개별 엘이디에 대하여 순차적으로 조도를 측정하는 순차적 색상별 개별 엘이디 조도 측정 단계; 및 상기 조명제어장치가 초기 조명 제어값 및 측정된 개별 엘이디 조도값을 데이터베이스부에 저장하는 단계; 를 포함하되, 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정 단계에서 상기 조명 제어 연산부는 상기 엘이디 드라이버 모듈을 제어하여 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군은 OFF 된 상태에서, 나머지 색상을 구현하는 개별 엘이디 군들이 모두 ON 되었을 때 조도값을 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하거나, 또는 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하는 것을 특징으로 하는 조명제어방법이 제공된다.

Description

다중 엘이디 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어방법 및 장치 {Lighting control method and apparatus for controlling multiple LED spectrum combinations}
본 발명은 다중 엘이디 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
사람이 인식할 수 있는 가시광선(Visible Light)은 약 380 ~ 780nm의 범위에 있는 스펙트럼이며, 가시광선은 짧은 파장에서는 보라색, 파란색을 띠며 긴 파장에서는 빨간색을 나타내게 되며, RGB LED를 이용하여 이러한 색상을 구현하기도 한다. RGB LED로 색상은 구현할 수 있지만 그 스펙트럼은 단파장 스펙트럼의 조합이기 때문에 연색성이 매우 낮다. 이는 단파장의 경우 스펙트럼에 존재하지 않은 파장에 의해 가시광선의 색상을 완전히 표현하지 못 하기 때문이다.
인간이 느끼는 자연광(태양광)은 380-780nm 파장의 전 대역에 걸쳐서 고르게 방출되고 인간의 시각 활동이 이 자연광에 적응하여 왔기 때문에, 이러한 자연광을 실현할 수 있는 조명장치가 필요하며 또한, 자연광 아래에서의 색상과 동일하게 보이는 정도인 연색성을 개선하여, 자연광 아래에서의 색상과 동일하게 인식할 수 있도록 하는 것이 중요한 과제이다.
LED를 이용하는 조명장치에서는 자연광에 근접하도록 다양한 파장의 LED를 조합하여 연색성을 개선하려고 시도하고 있으며, 단파장과 장파장의 엘이디를 조합하여 주광 형태의 스팩트럼을 구현하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.
이러한 연구를 통하여 특정 스펙트럼을 실현시키는 LED 패키지의 조합이 제조될 수 있다.
여러 파장의 조합으로 이루어진 조명은 Aging, Forward voltage, 접합온도 등에 의한 특성의 변화로 발생되는 색 오차로 초기에 설계된 색도를 벗어나기 쉽다.
여러 파장의 조합으로 이루어진 조명모듈에 대하여 조도센서로 측정하면 전체 파장에 대해 적분된 조도값이 측정될 수 있다. 이러한 적분된 측정방법은 조도값으로는 사용이 가능하나, 조명모듈의 개별 led의 발광상태에 따른 제어방법으로 적용하기에는 부적합하다.
따라서, 파장이 다른 엘이디 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈로부터 설정된 조명환경에 따른 스펙트럼이 구현되고 있는지를 감지하고 다중 LED 스펙트럼 조합의 제어를 위한 조명제어방법 및 장치가 요구된다.
본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 특허공보 KR10-1306793호(스펙트럼 혼합 제어 장치 및 방법)에 게시되어 있다.
대한민국 특허공보 KR 10-1306793호(스펙트럼 혼합 제어 장치 및 방법)
본 발명은 최대 파장이 각각 다른 다수의 엘이디 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈로부터 설정된 조명환경에 의한 스펙트럼이 각 개별 엘이디별로 구현되고 있는지를 효율적으로 감지하고, 설정된 스펙트럼으로 조명이 구현될 수 있도록 제어하는 다중 LED 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 엘이디 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어장치에 있어서, 상기 조명제어장치는 스펙트럼 제어장치와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 개별 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈을 포함하며, 상기 스펙트럼 제어장치는, 조명조건 입력부; 상기 조명조건 입력부에서 입력된 조명조건에 따른 스펙트럼 분포 특성을 생성하는 스펙트럼 생성부; 상기 조명조건에 따른 스펙트럼 분포 특성 및 엘이디 조명 모듈에 장착된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포 특성이 축적된 정보를 포함하는 조명정보값이 저장된 조명정보 데이터베이스부; 상기 조명조건 입력부에서 입력된 조명조건에 따른 스펙트럼 분포에 해당하는 스펙트럼을 구현하기 위한 엘이디의 조합 및 개별 소자에 대한 조명 제어값을 산출하는 조명 제어 연산부; 및 상기 조명 제어 연산부에서 산출된 조명 제어값에 따라 엘이디 조명 모듈의 엘이디들을 조합하여 조명을 위한 조합군으로 접속시키고, 산출된 PWM 제어값으로 접속된 엘이디들을 구동시키는 엘이디 드라이버 모듈; 을 포함하며, 상기 엘이디 조명 모듈은, 상기 개별 엘이디의 조합으로 형성된 엘이디 조명등 및 상기 엘이디 조명등으로부터 발광된 조도를 측정하는 조도 측정부; 를 포함하며, 상기 스펙트럼 제어장치는 개별 엘이디 조도 측정 모드를 수행하여 상기 조명조건에 따라 조명이 실시되고 있는 지를 측정하는 것을 특징으로 하며, 상기 개별 엘이디 조도 측정 모드에서 상기 조명 제어 연산부는 상기 엘이디 드라이버 모듈을 제어하여 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군은 OFF 된 상태에서, 나머지 색상을 구현하는 개별 엘이디 군들이 모두 ON 되었을 때 조도값을 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하거나, 또는 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하는 것을 특징으로 하는 조명제어장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따르면, 스펙트럼 제어장치와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈을 포함하는 조명제어장치가 스펙트럼에 따른 개별 엘이디들의 조명을 제어하는 조명제어방법에 있어서, 상기 조명제어장치에 조명조건이 입력되는 조명조건 설정 단계; 상기 조명제어장치가 상기 조명조건 설정에 따른 목표 스펙트럼의 분포값을 생성하는 단계; 상기 조명제어장치에서 상기 목표 스펙트럼을 위한 엘이디 조합군에 포함될 개별 엘이디 개수 및 개별 엘이디 PWM 듀티비 값이 포함된 조명 제어값을 산출하는 단계; 상기 조명제어장치에서 산출된 조명 제어값에 의하여 개별 엘이디들을 조합하고 산출된 듀티비에 따라 전력을 공급하여 조명을 제어하는 단계; 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부가 색상별 개별 엘이디에 대하여 순차적으로 조도를 측정하는 순차적 색상별 개별 엘이디 조도 측정 단계; 및 상기 조명제어장치가 초기 조명 제어값 및 측정된 개별 엘이디 조도값을 데이터베이스부에 저장하는 단계; 를 포함하되, 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정 단계에서 상기 조명 제어 연산부는 상기 엘이디 드라이버 모듈을 제어하여 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군은 OFF 된 상태에서, 나머지 색상을 구현하는 개별 엘이디 군들이 모두 ON 되었을 때 조도값을 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하거나, 또는 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 방법을 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하는 것을 특징으로 하는 조명제어방법이 제공된다.
또한, 상기 조명제어장치가 일정한 스펙트럼 제어를 수행하는 방법은, 상기 조명제어장치가 일정 주기마다 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부에 의해 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계를 수행하는 단계; 측정된 개별 엘이디 조도값이 상기 데이터베이스에 저장된 이전 설정된 개별 엘이디 조명 제어값과 대비하여 일정 범위 이상 차이가 있을 경우에는 그 차이 값을 보상하는 보정된 조명제어값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 보정 제어값에 따라 조명제어를 수행하는 조명제어 단계; 를 포함하되, 상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는, 다음 식의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 상기 설정된 개별 엘이디 조명 제어값으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법이 제공된다.
Figure 112017048732893-pat00001
여기서, Iinit는 설정된 개별 엘이디 조도값, ??Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, αinit: 개별 엘이디의 설정된 PWM값, αc: 개별 엘이디의 현재 PWM 값, D: 개별 엘이디의 파장 벡터, β: 개별 엘이디 개수 S: 센서의 응답성을 의미함.
또한, 상기 조명제어장치가 맞춤형 제어를 수행하는 방법은, 상기 조명제어장치에 맞춤형 조명조건이 입력되는 단계; 상기 조명제어장치가 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부에 의해 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계를 수행하는 단계; 상기 입력된 맞춤형 조명 조건에 대해 보정된 조명제어값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 보정 제어값에 따라 조명제어를 수행하는 조명제어 단계; 를 포함하되, 상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는, 다음 식의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 상기 맞춤형 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법이 제공된다.
Figure 112017048732893-pat00002
여기서, ??Iinit는 맞춤형으로 입력된 개별 엘이디 조도값, ??Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, αinit: 맞춤형 조명조건으로 입력된 PWM값, αc: 개별 엘이디의 현재 PWM 값, D: 개별 엘이디의 파장 벡터, β: 개별 엘이디 개수, S: 센서의 응답성을 의미함.
또한, 상기 맞춤형 조명조건은 이전에 적용된 조명조건이 입력되는 것을 특징으로 하며, 상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는, 이전에 적용된 조도값과 상기 맞춤형 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최대 파장이 각각 다른 다수의 엘이디 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈로부터 설정된 조명환경에 의한 스펙트럼이 각 색상별 개별 엘이디 별로 구현되고 있는지를 효율적으로 측정할 수 있으며, 설정된 스펙트럼으로 각 개별 엘이디 별로 구현될 수 있도록 보정하여 제어할 수 있는 다중 LED 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어 방법 및 장치를 제공할 수 있다
본 발명의 일 실시 예에 따르면, Aging, Forward voltage, 접합온도 등에 의한 특성의 변화로 발생되는 색 오차로 초기에 설정된 색도를 벗어나더라도 주기적으로 보정을 하여 항상 일정한 스펙트럼 조명을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 스펙트럼에 따른 엘이디들의 조합을 산출하는 기능을 가진 조명제어장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 스펙트럼 조명에 따른 초기 조명제어방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에서 사용된 엘이디 조명 모듈의 개별 엘이디의 스펙트럼 분포를 측정한 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8개의 표준 광원(Standard Illuminant A, B, C, D50, D55 스펙트럼 분포에 대해 재구성된 스펙트럼 분포 예를 도시한 것이다.
도 5는 조도 측정부가 개별 엘이디의 조합으로 형성된 LED 조명등의 파장에 따른 조도의 응답성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조도 센서를 순차적으로 작동하여 측정된 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 개별 엘이디 군의 조도 값을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 사용 조건에 맞춘 맞춤형 스펙트럼 조명제어방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 사용 중 개별 엘이디의 이상으로 발생된 변화된 스펙트럼과 초기 설정된 목표 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 맞춤형 조명조건으로 보정된 조도 제어값의 예를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 산출된 조도 제어값에 의해 보정된 개별 엘이디 군의 조도를 측정한 예를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 보정된 조도 제어값에 의한 보정된 개별 엘이디 군의 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
이하 본 발명의 구현에 따른 최대 파장이 각각 다른 다수의 LED 소자의 조합에 의하여 조명의 스펙트럼을 조절하여 제어할 수 있는 조명제어방법 및 그 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 스펙트럼에 따른 엘이디들의 조합을 산출하는 기능을 가진 조명제어장치의 블럭도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 스펙트럼에 따른 엘이디들의 조합을 산출하는 기능을 가진 조명제어장치(1)는 스펙트럼 제어장치(10)와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명모듈(20)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스펙트럼 제어장치(10)는 조명조건 입력부(11), 입력된 조명조건에 따른 스펙트럼 분포 특성을 생성하는 스펙트럼 생성부(12), 조명조건에 따른 스펙트럼 분포 특성 및 엘이디 조명 모듈(20)에 장착된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포 특성이 축적된 정보를 포함하는 조명정보값이 저장된 조명정보 데이터베이스부(19), 조명조건 입력부(11)에서 입력된 조명조건에 따른 스펙트럼 분포에 해당하는 스펙트럼을 구현하기 위한 개별 엘이디에 대한 조합 형태와 엘이디 조합의 개별 엘이디에 대한 조명 제어값을 산출하는 조명 제어 연산부(14), 상기 조명 제어 연산부(14)에서 산출된 제어값에 따라 엘이디 조명 모듈(20)의 개별 엘이디들을 조합하여 조명을 위한 조합군으로 접속시키고, 산출된 PWM 제어값으로 접속된 엘이디 소자들을 구동시키는 엘이디 드라이버 모듈(15)을 포함한다.
또한, 입력조건 선택화면을 제공하고 상기 조명 제어 연산부(14)에서 산출된 출력 정보를 출력시키는 디스플레이부(16)를 더 포함할 수 있다.
엘이디 조명모듈(20)은 개별 엘이디의 조합으로 형성된 LED 조명등(21)과 LED 조명등(21)으로부터 발광된 조도를 측정하는 조도 측정부(22)를 포함한다.
목표 스펙트럼 분포의 광원을 구현하기 위해서는 다양한 파장의 LED가 필요하며, 각 파장에 대해서 서로 다른 LED 개수와 제어를 위한 PWM이 필요하다. 많은 LED 수와 높은 정밀도를 갖는 PWM을 사용한다면 더 정확하게 목표 광원을 구현하겠지만 실제 환경에서는 최소한의 LED 수와 구현 가능한 정밀도의 PWM을 사용해야 하기 때문에 장치를 설계할 때의 특성을 고려해야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 스펙트럼에 따른 엘이디들의 조합을 산출하는 기능을 가진 조명제어방법은, 요구되는 목표 스펙트럼에 만족하는 스펙트럼을 구현시키기 위한 서로 다른 파장을 가지는 엘이디들의 최적의 조합과 개별 엘이디의 최적의 듀티비를 산출하여 에너지 소비를 최소화할 수 있는 알고리즘 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 스펙트럼에 따른 엘이디들의 조합을 산출하는 기능을 가진 조명제어방법은, 요구되는 목표 스펙트럼에 만족하는 스펙트럼을 구현시키기 위한 서로 다른 파장을 가지는 엘이디들의 최적의 조합과 개별 엘이디의 최적의 듀티비를 산출하여 최소의 엘이디로 조명 조합군을 형성할 수 있는 알고리즘 방법이 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 스펙트럼 조명에 따른 초기 조명제어방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
도 2는 초기 조명 제작 및 조명 조건에 대한 조명 제어값 산출을 위한 초기 조명제어방법에 대한 과정을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 110단계에서 조명 조건 설정단계가 수행된다.
조명조건 설정단계(110)에서는 조명 위치에 따른 엘이디 조명 모듈 선택하여 목표 스펙트럼이 포함된 조명조건이 입력될 수 있다.
또한, 요구되는 조명 특성, 예를 들면, 주광 표준조명, 또는 아침 조명 등과 같은 조명 환경이 입력될 수 있다. 필요에 따라서는 목표 스펙트럼 분포값을 직접 입력할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 본 발명을 구현하기 위한 실험 예를 들어서 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 표준 조명(Standard Illuminant A, B, C, D50, D55, D65, D75)과 이상적인 스펙트럼이라고 불리는 E 광원(FULL SPECTRUM) 환경을 목표 조명 조건으로 설정하여 스펙트럼을 조절하여 제어할 수 있는 조명제어방법에 대하여 구현하여 보았다.
110단계에서 조명 조건 설정이 입력되면, 스펙트럼 생성부(12)에서는 조명정보 데이터베이스부(19)로부터 설정된 조명 조건을 만족하는 목표 스펙트럼 분포를 추출하여 조명제어 연산부(14)에 목표 스펙트럼 분포 값으로 입력된다.
이와 동시에 112단계에서는 선택된 엘이디 조명 모듈(20)에 설치된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포 및 최대 개수가 조명제어 연산부(14)에 입력된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈(20)은 2종류의 장파장 LED와 16 종류의 단파장 LED의 최대 개수 각 7개로 준비하여 실험하였다.
표 1은 본 발명의 일 실시 예에서 사용된 엘이디 조명 모듈(20)에 설치된 개별 엘이디의 특성을 나타낸 것이다.
Figure 112017048732893-pat00003
도 3은 본 발명의 일 실시 예에서 사용된 엘이디 조명 모듈의 개별 엘이디의 스펙트럼 분포를 측정한 예를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에서 개별 엘이디의 스펙트럼 분포는 Onwafertest 장비를 통하여 측정하였다.
도 3을 참조하면, 장파장에서 단파장에 이르는 18종류의 LED의 스펙트럼 분포값을 구할 수 있다.
다시 도 2로 돌아가서 110단계에서 조명조건 설정에 따른 조명제어값이 입력이 되면, 조명제어 연산부(14)에서 목표 스펙트럼을 만족하는 최적의 개별 엘이디 조합 및 개별 엘이디의 PWM 듀티비 값이 포함된 조명 제어값을 산출하는 조명 제어값 산출단계(120 단계)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에서 조명 제어값 산출단계(120단계)에서 조명 제어값을 산출하는 과정에 대한 알고리즘은 다음과 같이 제1 내지 3 실시 예에 의하여 구현될 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시 예는 목표 스펙트럼 분포에 대한 각 파장별 상대적 강도 세기 값의 분포 비율을 나타낸 행렬 값에서, 개별 엘이디의 스펙트럼 분포 집합에 대한 상대적 강도 세기값의 분포비율을 나타낸 행렬 값과 엘이디 조합을 이루는 개별 엘이디 각각의 개수 행렬 및 PWM 듀티비 행렬의 곱에 대한 차이를 최소화하는 L2-norm 함수의 반복적인 해를 풀어서 조합군을 이루는 개별 엘이디의 PWM 듀티비 및 개별 엘이디의 개수를 산출하는 방법을 채택한 것을 특징으로 한다.
[제1 실시 예]
목표 광원을 구현하기 위해서는 다양한 파장의 LED가 필요하며, 각 파장에 대해서 서로 다른 LED 개수와 제어를 위한 PWM이 필요하다. 많은 LED 수와 높은 정밀도를 갖는 PWM을 사용한다면 더 정확하게 목표 광원을 구현하겠지만 실제 환경에서는 최소한의 LED 수와 구현 가능한 정밀도의 PWM을 사용해야 하기 때문에 회로를 설계할 때의 특성을 고려해야 한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 LED 수와 듀티비를 이용한 최적화를 위해 sparse coding을 이용한 LED 광원 수와 재구성 에러를 줄이는 최적화 방법을 채택하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 제1 실시 예 및 제3 실시 예들은, 목표 스펙트럼을 각 파장별 상대적 방사강도 세기의 분포비율에 대한 행렬 값에서, 개별 엘이디 각각의 스펙트럼을 파장별 방사강도 세기의 분포비율에 대한 행렬 값과 개별 엘이디의 개수행렬 및 PWM 행렬의 차이 값을 상기 개별 엘이디의 개수 값이 최소로 되는 L2 norm 함수 해를 반복적으로 수행하여, 상기 목표 스펙트럼의 행렬 값에서 상기 개별 엘이디 조합을 위한 개별 엘이디 각각의 개수 및 PWM 듀티비를 산출하는 것을 특징으로 하는 조명제어방법으로 수행된다.
LED 회로를 구성할 때에는 LED의 개수는 0을 포함한 양의 정수가 되어야 하고 듀티비는 PWM의 비트 수에 의존적이기 때문에 이를 고려하였다.
본 발명의 일 실시 예에서는 듀티비를 constraint로 사용하여 다음 수학식 1을 산출하였다.
제1 실시 예는 듀티비에 희소성 제약(sparsity constraint)을 만족시키는 최적화 알고리즘을 통하여 α와 β를 구할 수 있다.
제1 실시 예에서 다음과 같은 알고리즘에 의해 조명 제어값인 개별 엘이디의 PWM 듀티비 및 개별 엘이디의 개수를 산출하는 과정을 수행하게 된다.
1단계; 먼저 개별 엘이디의 개수인 β는 초기화 단계에서 모두 1의 값으로 구하여 설정한다.
1. Initialize β = 1
2 단계; 개별 엘이디의 개수인 β 의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 1의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 PWM ratio α 값을 구한다.
Figure 112017048732893-pat00004
Figure 112017048732893-pat00005
α is solved with fixed β,
3 단계: 개별 엘이디의 PWM ratio α의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 2의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 개별 엘이디의 개수인 β값을 구한다.
β is solved with fixed α,
Figure 112017048732893-pat00006
Figure 112017048732893-pat00007
4 단계: 다음은 최소 오차가 설정된 임계값 범위가 될 때까지 상기 2, 3 단계를 계속한다.
여기서 X는 목표 스펙트럼 분포 데이터 행렬 함수, D는 측정된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포의 데이터행렬 함수, M은 각 엘이디의 최대 개수, α는 개별 엘이디의 PWM ratio 행렬, β는 개별 엘이디의 개수행렬을 나타낸다.
X, D, M가 입력되면 연산 알고리즘 경과로 PWM ratio α, 각 엘이디의 개수 β 를 출력으로 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 목표 스펙트럼 분포값인 X와 개별 엘이디의 스펙트럼 분포의 데이터행렬 함수 D는 각 파장별 분포비율에 대한 행렬로 입력될 수 있다.
[제2 실시 예]
제2 실시 예는 에너지 소모를 최소화하는 알고리즘을 채택한 것이다.
제2 실시 예는 듀티비와 상기 듀티비와 매칭되는 엘이디 개수의 곱에 희소성 제약(sparsity constraint)을 만족시키는 최적화 알고리즘을 통하여 α와 β를 구할 수 있다.
제2 실시 예는 에너지 소모의 최소화를 위한 엘이디 조합에 따른 개별 엘이디의 PWM ratio α와 개별 엘이디 개수 β를 구할 수 있다.
LED의 에너지 소모는 다음과 같이 구할 수 있다.
전력(W) = LED의 개수(β) × 전압(V) × 전류(A) × 듀티비(α)
여기서 전압은 LED의 순방향 전압 그리고 전류는 LED 구동을 위한 정전류로 사용하는 LED에 따라 정해져 있는 값이기 때문에 상수라고 볼 수 있고, 따라서 전력은 α와 β에 종속적이라고 할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에서는 목표 스펙트럼을 구현하는 조합군중 α와 β 곱이 최소로 되는 군을 산출할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에서 α와 β는 수학식 3, 4와 같이 L2-norm에 의해 구할 수 있다.
2-1 단계; 먼저 개별 엘이디의 개수인 β는 초기화 단계에서 모두 1의 값으로 구하여 설정한다.
1. Initialize β = 1
2-2 단계; 개별 엘이디의 개수인 β의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 3의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 PWM ratio α 값을 구한다.
Figure 112017048732893-pat00008
Figure 112017048732893-pat00009
α is solved with fixed β,
2-3 단계: 개별 엘이디의 PWM ratio α의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 2의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 개별 엘이디의 개수인 β 값을 구한다.
Figure 112017048732893-pat00010
Figure 112017048732893-pat00011
β is solved with fixed α,
2-4 단계: 다음은 최소 오차가 설정된 임계값 범위가 될 때까지 상기 2-1, 2-3 단계를 계속 수행한다.
여기서 X는 목표 스펙트럼 분포 데이터 행렬 함수, D는 측정된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포의 데이터행렬 함수, M은 각 엘이디의 최대 개수, α는 개별 엘이디의 PWM ratio 행렬, β는 개별 엘이디의 개수행렬을 나타낸다.
X, D, M가 입력되면 연산 알고리즘 경과로 PWM ratio α, 각 엘이디의 개수 β 를 출력으로 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 제1, 2 실시 예에 따라, 스펙트럼을 구현을 시뮬레이션을 하기 위해서 각 파장 특성별로 최대 7개의 LED를 사용할 수 있도록 설정을 하였으며, 12bit PWM을 사용하여 PWM값은 11비트 4096단계(0∼4095)를 [0, 1] 의 구간으로 설정하였다. 이를 8개의 광원(Standard Illuminant A, B, C, D50, D55, D65, D75 그리고 Illuminant E)에 대해 재구성 에러와 LED의 개수, 전력 소모를 평가해 보았다
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 8개의 표준 광원(Standard Illuminant A, B, C, D50, D55 스펙트럼 분포에 대해 재구성된 스펙트럼 분포 예를 도시한 것이다.
도 4에서 red 점선은 목표 스펙트럼이며, blue 선은 제1실시 예, green 선은 제2실시 예에 의하여 엘이디 조합군으로 구현된 스펙트럼 분포를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제1 실시 예 및 제2 실시 예 모두 목표 스펙트럼 분포를 만족하는 범위의 분포를 갖는 스펙트럼의 결과를 보여준다. 대체로 블루 파장에서 피크가 나오는 것은 LED의 수를 줄이기 위해서 장파장 LED의 개수를 늘려서 생기는 현상으로 분석된다.
표 2는 제1, 2 실시 예에 대한 재구성 오차를 나타낸 것이다.
스펙트럼
Figure 112017048732893-pat00012
Figure 112017048732893-pat00013
 스펙트럼
Figure 112017048732893-pat00014
Figure 112017048732893-pat00015
A 170.293 169.810 D55 97.003 92.896
B 105.014 90.734 D65 126.632 116.605
C 83.665 99.945 D75 93.122 103.821
D50 101.314 96.077 E 190.546 183.962
표 2를 참조하면, 전반적으로 제2 실시 예의 재구성 오차가 작은 것을 알 수 있다.
표 3은 제1 실시 예와 제2 실시 예에 따른 전력 소모 차이를 보여준다. 에너지 소모를 constraint로 사용한 제2 실시 예가 전반적으로 전력을 적게 쓰는 것을 알 수 있다
스펙트럼
Figure 112017048732893-pat00016
(W)
Figure 112017048732893-pat00017
(W)		 스펙트럼
Figure 112017048732893-pat00018
(W)
Figure 112017048732893-pat00019
(W)
A 0.559 0.548 D55 1.529 1.461
B 1.388 1.202 D65 1.361 1.357
C 1.207 1.102 D75 1.231 1.245
D50 1.515 1.147 E 1.592 1.260
표 4 ~ 8은 표준 광원 A, C, D55, E에 따라 사용하는 LED의 수와 PWM 값을 보여준다.
제1 실시 예에 경우 PWM 값(듀티비)에 sparsity constraint를 두었기 때문에 PWM 값에 sparsity가 높다.
반면에 제2 실시 예는 PWM 값과 LED의 개수에 희소성 제약(sparsity constraint)을 두었기 때문에 목표 스펙트럼을 구현할 수 있는 엘이디 조합군을 제1 실시 예 보다 적은 개수로 조합될 수 있다.
표 4는 A 스펙트럼에 대한 제1, 2 실시 예의 LED 수와 PWM 값을 나타낸다.
Index
Figure 112017048732893-pat00020
Figure 112017048732893-pat00021
 Index
Figure 112017048732893-pat00022
Figure 112017048732893-pat00023
LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값
1 0 837 0 1980 10 0 0 0 1980
2 5 4043 5 4095 11 3 0 0 1980
3 7 45 1 319 12 3 0 0 1980
4 3 0 3 0 13 0 837 0 1980
5 7 32 1 197 14 3 0 0 1980
6 3 0 3 0 15 3 0 0 1980
7 3 0 3 0 16 0 837 0 1980
8 3 0 0 1980 17 3 0 0 1980
9 0 0 0 1980 18 7 2484 4 4095
표 5는 C 스펙트럼에 대한 제1, 2 실시 예의 LED 수와 PWM 값을 나타낸다.
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Figure 112017048732893-pat00024
Figure 112017048732893-pat00025
 Index
Figure 112017048732893-pat00026
Figure 112017048732893-pat00027
LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값
1 3 3117 3 4095 10 4 4094 3 4095
2 5 4001 4 4095 11 3 0 0 2023
3 1 1525 1 2237 12 3 0 0 2023
4 0 730 0 0 13 0 730 0 2023
5 1 3215 1 3368 14 0 730 0 2023
6 0 730 0 2023 15 0 730 0 2023
7 7 2433 3 4095 16 0 730 0 2023
8 0 730 1 4095 17 3 0 0 2023
9 0 730 0 2023 18 7 2126 3 4095
표 6은 D55 스펙트럼에 대한 제1, 2 실시 예의 LED 수와 PWM 값을 나타낸다.
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Figure 112017048732893-pat00028
Figure 112017048732893-pat00029
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Figure 112017048732893-pat00030
Figure 112017048732893-pat00031
LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값
1 2 1870 1 4095 10 6 1812 4 4095
2 7 4089 7 4095 11 3 0 0 2002
3 7 436 1 2883 12 3 0 0 2002
4 0 459 0 2002 13 0 0 0 2002
5 2 1497 1 2657 14 0 0 0 2002
6 3 0 0 2002 15 3 0 0 2002
7 7 2658 4 4095 16 0 459 0 2002
8 5 4091 3 4095 17 3 0 0 2002
9 3 0 0 2001 18 7 2288 4 4095
표 7은 E 스펙트럼에 대한 제1, 2 실시 예의 LED 수와 PWM 값을 나타낸다.
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Figure 112017048732893-pat00032
Figure 112017048732893-pat00033
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Figure 112017048732893-pat00034
Figure 112017048732893-pat00035
LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값 LED수 PWM값
1 4 2016 3 4095 10 7 1055 1 4095
2 7 4095 7 4095 11 3 0 0 1520
3 3 2289 1 4095 12 3 0 0 1519
4 3 0 0 44 13 3 0 0 1518
5 2 1601 1 4095 14 3 0 0 1518
6 0 0 0 1518 15 3 0 0 1518
7 7 2121 2 4095 16 3 0 0 1519
8 7 2625 1 4095 17 3 0 1 4095
9 3 0 1 4095 18 7 3035 3 4095
또한, 목표 스펙트럼을 구현하기 위한 엘이디 조합군에 형성되는 개별 엘이디 개수의 최소화하기 위한 방안으로 다음 제3 실시 예에 의하여 구현될 수 있다.
제3 실시 예의 구현 예에 대한 시뮬레이션 결과, 제2 실시 예와 스펙트럼 파형 분포는 유사한 패턴을 보이면서 전체적으로 엘이디 개수가 일부 줄어드는 경향으로 나타난다.
[실시 예 3]
3-1 단계; 먼저 개별 엘이디의 개수인 β는 초기화 단계에서 모두 1의 값으로 구하여 설정한다.
1. Initialize β = 1
3-2 단계; 개별 엘이디의 개수인 β의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 5의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 PWM ratio α 값을 구한다.
2. α is solved with fixed β,
Figure 112017048732893-pat00036
Figure 112017048732893-pat00037
3-3 단계: 개별 엘이디의 PWM ratio α의 값을 전 단계에서 구한 값으로 설정한 상태에서 다음 수학식 6의 L2-norm 함수의 해를 풀어서 개별 엘이디의 개수인 β 값을 구한다.
β is solved with fixed α,
Figure 112017048732893-pat00038
Figure 112017048732893-pat00039
여기서 입력값인 X는 목표 스펙트럼 분포 데이터 행렬 함수이며, D는 측정된 개별 엘이디의 스펙트럼 분포의 데이터행렬 함수다. M은 각 엘이디의 최대 개수를 나타낸다.
X, D, M가 입력되면 연산 알고리즘 경과로 PWM ratio α, 각 엘이디의 개수 β 를 출력으로 얻을 수 있다.
3-4 단계: 최소 오차가 설정된 임계값 범위가 될 때까지 상기 2, 3단계를 계속한다.
실시 예 3 알고리즘은 목표 스펙트럼을 구현하는 데 있어서 최소 LED의 조합으로 광원의 스펙트럼을 구성하기 위한 최적의 해를 구하는 방법이다.
실시 예3 알고리즘은 X, D를 입력으로 하고, 3-2 단계와 3-3단계 과정을 통해서 각각 α와 β를 계산한다. 2번과 3번 과정을 반복해서 목적함수를 최소화하는 α와 β의 최적의 해를 구한다.
3-2 단계의 수식은 X, D, β를 입력으로 사용해서 수식을 만족시키는 α를 계산하는 목적함수이다. 목표 스펙트럼과 LED를 사용해 재구성된 스펙트럼의 차가 최소가 되도록 하는 α의 값을 찾는 과정이며, α의 값이 0 에서 1 사이에서 구해진다.
3-3 단계는 X, D, α를 입력으로 사용해서 수식을 만족시키는 β를 계산하는 목적함수이다. 원본 스펙트럼과 LED를 사용해 재구성된 스펙트럼의 차가 최소가 되도록 하는 β의 값을 찾는 과정이며, β의 값은 0 에서 M 사이에서 구해진다.
수식에서
Figure 112017048732893-pat00040
항에 의해 β의 값이 정당히 작아질수록 error가 작아지기 때문에 β의 값이 최소가 되면서 목적함수를 최소화할 수 있도록 최적화가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 최소 에러를 가지는 α, 최소 에러와 희소행렬을 가지는 β를 구하기 위해 최소 임계값 설정한다.
최소 임계값은 α값이 가질 수 있는 값들을 트리의 노드를 만들고, 각 노드에 대해 최소 에러를 계산하면서 현재까지 찾은 최소 에러 값과 그 하위 노드의 최소 에러 값의 변화율이 최소 에러 값인 ε보다 작으면 종료하고 결과치를 출력하게 된다.
다양한 시뮬레이션 결과, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 ε=1.2206×10^(-4) 를 적용하였다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 상기 임계값 범위를 정해진 횟수만큼 반복하는 과정으로 설정할 수 있다. 이때의 반복 횟수는 유사 스펙트럼에 대한 경험칙에 따라 설정될 수 있다.
제3 실시예는 엘이디 개수에 희소성 제약(sparsity constraint)을 만족시키는 최적화 알고리즘을 통하여 α와 β를 구할 수 있다.
제3 실시 예는 목표 스펙트럼 분포를 만족하는 범위의 스펙트럼 분포를 가지면서 엘이디 개수를 최소화할 수 있는 엘이디 조합군을 위한 개별 엘이디의 PWM ratio α와 개별 엘이디 개수 β를 구할 수 있다.
제3 실시 예는 LED의 개수를 줄이는 쪽으로 최적화가 된 것으로써, 목표 스펙트럼 분포를 만족하는 범위의 스펙트럼 분포를 가지면서 엘이디 개수를 최소화하는 조합군으로 조명을 실시할 수 있다.
엘이디 개수를 최소화하면 결과적으로 소비전력도 줄어들게 되므로, 제3 실시 예는 목표 스펙트럼을 구현하는 엘이디 조합군을 형성하는 엘이디 개수를 최소화함에 따라 전체 에너지 소비량도 줄일 수 있는 효과를 가질 수 있다.
실험결과 제3 실시 예는 제2 실시 예와 전력소비 면에서 유사한 결과를 나타낸다.
소비전력은 제2 실시 예 및 제3 실시 예 모두 유사한 결과를 나타내며, 제1 실시 예에 비하여 적은 소비전력으로 요구된 조명 형태를 구현할 수 있다.
다시 도 2로 돌아가서, 120단계에서 조명 제어값이 산출되면, 엘이디 드라이버 모듈(15)이 산출된 조명 제어값에 의하여 개별 엘이디들을 조합하고 산출된 듀티비에 따라 엘이디 전력을 공급하여 조명을 제어하는 엘이디 조명 제어 단계(140)를 수행하게 된다.
다음은 엘이디 조명 모듈(20)에 장착된 조도 측정부(22)가 엘이디 조합군의 각 개별 엘이디 및 전제 엘이디 조합군에 대하여 조도를 측정하는 단계(140)가 수행된다.
도 5는 조도 측정부가 개별 엘이디의 조합으로 형성된 LED 조명등의 파장에 따른 조도의 응답성을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 여러 파장의 조합으로 이루어진 조명모듈에 대하여 조도센서로 측정하면 전체 파장에 대해 적분 된 조도 값이 측정된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 개별 엘이디에 대하여 조도를 측정하는 단계(140)에서는 순차적 개별 엘이디 조도 측정모드가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 순차적 개별 엘이디 조도 측정모드에서 조명 제어 연산부(14)는 LED 드라이버 모듈(15)을 제어하여 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군은 OFF 된 상태에서, 나머지 색상을 구현하는 개별 엘이디 군들이 모두 ON 되었을 때 조도값을 측정하는 방법이 적용되며, 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 이 방법을 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정한다.
또는, 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 단계를 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하는 방법을 적용할 수 있다.
그리고 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군중에서 하나의 개별 엘이디를 ON 한 상태에서 나머지 개별 엘이디들을 모두 OFF 되었을 경우의 조도 값을 측정하는 단계를 전체 엘이디에 대하여 순차적으로 측정하는 방법을 더 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 위 3가지 개별 엘이디 측정 방법 중 어느 하나의 방법 또는 이들을 조합한 방법이 적용된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 조도센서는 TCS3200 모듈을 적용하였으며, 적용된 조도센서의 응답속도 100±5% μs, 오차율, 측정데이터의 해상도를 고려한 조도센서의 출력을 500±5% ms 단위로 적분한 값을 15색 군에 대해 반복 측정하는 방법을 적용하여 개별 엘이디의 조도 및 전체 엘이디 군의 조도를 측정하였다.
또한, 각 LED의 출력을 측정하기 위해 사용되는 조도센서(TCS3200 모듈)는 300～1100nm의 파장의 세기에 대하여 주파수로 출력하는 기능을 포함한다.
다음은 본 발명의 일 실시 예에 따라 색상별 개별 엘이디에 대한 조도값을 측정한 예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 붉은색 선(R)은 CIE D65 표준 광원을 도시한 것이며, 푸른 색 선은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 스펙트럼을 도시한 것이다.
표 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 조명 제어값을 나타낸다.
LED 종류 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
LED 개수 8 6 3 3 4 3 9 4 4 3 6 6 3 12 3
PWM 값 2 7 236 85 1052 449 3356 333 78 1412 37 0 182 1850 646
표 8의 조명 제어값으로부터 CIE D65를 모사하기 위해 사용된 LED 개수와 PWM 값을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 조도 센서를 순차적으로 작동하여 측정된 CIE D65 표준 광원을 모사한 광원의 개별 엘이디 군의 조도 값을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 CIE D65를 모사하기 위한 엘이디 조명모듈에서 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 단계를 엘이디 종류 1로부터 15까지 색상별 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 측정한 조도값을 나타낸다.
다음은 조명제어 연산부(140)는 초기 조명 제어값 및 측정된 개별 엘이디 조도값 및 전체 엘이디 군에 대한 조도값을 조명정보 데이터베이스부(19)에 저장하는 단계(150단계)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 에에 따른 개별 엘이디 조도 측정방법에 따르면, 개별 엘이디의 조합으로 형성된 LED 조명등(21)에 대해 하나의 조도 센서로 개별 파장을 가지는 개별 엘이디에 대한 조도값의 측정이 가능하고 그 측정값에 기초하여 개별 엘이디에 대한 제어를 효율적으로 수행할 수 있는 효과를 가진다.
따라서, 개별 엘이디에 제어가 가능하기 때문에 개별 엘이디 별로 조도값을 측정하고, 개별 엘이디에 대한 조도 변화를 통해 스펙트럼이 최초의 설정된 값으로부터 변화된 값을 산출할 수 있으며, 산출된 변화된 조도값을 이용하여 제어 값을 보정할 수 있게 된다.
이에 따라, 보정을 통해 개별 엘이디의 광속 저하 등에 따른 스펙트럼이 틀어지는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 주위 환경에 변화된 여건에 맞추어 초기 조명 제어값을 변화된 보정 조명 제어값에 맞추어 적정제어를 수행할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 사용 조건에 맞춘 맞춤형 스펙트럼 조명제어방법에 대한 과정을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 사용 조건에 맞춘 맞춤형 스펙트럼 조명제어방법에서는 먼저, 도 2에 의한 초기 조명제어에 의해 초기 조명조건 설정(Standard Illuminant A, B, C, D50, D55, D65, D75 그리고 Illuminant E의 조명 형태, 색상별 스펙트럼 구현에 대한 엘이디 개수, PWM 값 등) 또는 이전 조명조건에 조명이 수행된 후, 맞춤형 조명 출력을 위한 조명 조건이 조명조건 입력부(11)에 입력되는 조명조건 입력단계(210 단계)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 조명조건 입력단계(210)에서는 초기 설정값과 동일한 조명조건, 또는 이전 조명조건이 입력되거나, 주위 환경에 따라 변화된 조명조건이 입력될 수 있다.
조명조건 입력단계(210)에서 조명 제어 연산부(14)가 입력된 조명조건을 저장된 이전 조명 제어값과 대비하여 그 차이 값을 추출하는 과정이 더 포함될 수 있다.
다음은 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계(220)가 수행된다. 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계(220)에서는 앞서 140단계에서 수행된 다음과 같이 순차적으로 on, off가 수행되는 개별 엘이디 조도 측정 모드가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 순차적 개별 엘이디 조도 측정 모드에서 조명 제어 연산부(14)는 LED 드라이버 모듈(15)을 제어하여 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군은 OFF 된 상태에서, 나머지 색상을 구현하는 개별 엘이디 군들이 모두 ON 되었을 때 조도값을 측정하는 방법이 적용되며, 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 이 방법을 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정한다.
또는, 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군을 ON 한 상태에서 나머지 색상의 개별 엘이디 군들이 모두 OFF 되었을 때 조도 값 측정하는 단계를 모든 색상의 개별 엘이디 군에 대하여 순차적으로 적용하여 색상별 개별 엘이디 군에 대한 조도를 측정하는 방법을 적용할 수 있다.
그리고 하나의 색상을 구현하는 개별 엘이디 군중에서 하나의 개별 엘이디를 ON 한 상태에서 나머지 개별 엘이디들을 모두 OFF 되었을 경우의 조도 값을 측정하는 단계를 전체 엘이디에 대하여 순차적으로 측정하는 방법을 더 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 위 3가지 개별 엘이디 측정 방법 중 어느 하나의 방법 또는 이들을 조합한 방법이 적용된다.
또한, 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계(220)에서 조명조건 연산부(14)가 조명조건 데이터베이스부(19)로부터 최근에 측정되어 저장된 이전 조도값을 추출하는 단계(221)가 더 포함될 수 있다.
다음은 입력된 조명 조건에 대해 보정된 조명제어값 산출단계(230)가 수행된다.
예를 들면, 조명조건 입력단계(210)에서 요구되는 조명조건이 초기 설정된 조명조건으로 입력된 경우에는 보정된 조명제어값 산출단계(230)에서 상기 220단계에서 측정된 조도값과 초기 조도값의 차이를 최소화하여 보정할 수 있는 색상의 조명 제어값(PWMαc)을 산출하는 과정이 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 각 색상별 엘이디의 출력은 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017048732893-pat00041
여기서 I : 색상별 LED의 조도 값 벡터, D : 개별 LED의 파장 벡터, α : LED의 PWM 값, β : LED 개수 S : 센서의 응답성을 의미한다.
수학식 7과 같이 각 색상별 엘이디의 조도는 개별 엘이디의 파장 벡터와 개별 엘이디의 개수(β) 그리고 PWM 출력(α)의 곱의 적분형태로 나타낼 수 있으며, 조도 센서는 센서의 파장에 따른 응답성을 곱한 값을 적분하여 출력된다.
이에 따라 따라서 조도 센서가 출력하는 조도 값(I)은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 수학식 7을 이용하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 최소화하여 보정할 수 있는 조명 제어값(PWMac)을 산출하는 과정이 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 다음 수학식 8의 식의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 최소화하여 보정하는 조명 제어값(PWMαc)을 산출할 수 있다.
Figure 112017048732893-pat00042
여기서, ?Iinit는 맞춤형으로 입력된 개별 엘이디 조도값, ??Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, α init : 개별 LED의 설정된 PWM 값 또는 개별 LED의 이전 사용하던 PWM 값 또는 조명조건으로 입력된 PWM값, αc : 개별 엘이디의 현재 PWM 값이며, D : 개별 LED의 파장 벡터, β : LED 개수 S : 센서의 응답성을 의미한다.
목표로 입력된 조도 값과 현재 측정된 조도 값의 차이가 최소화될 수 있는 Ic의 해를 구한다. 여기서 I는 수학식 7과 같이 D, α, β, S로 구성되어 있으며 D, β, S는 H/W적으로 고정되어 있는 값이므로, α 값을 제어하여 엘이디의 조도세기를 조절할 수 있다.
다음은 230단계에서 산출된 보정 제어값에 따라 조명제어를 수행하는 조명제어 단계(240)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 초기 설정값과 측정된 조도값과 차이를 보정한 조명 제어값을 산출한 예를 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 조명모듈에서 사용 중 개별 엘이디의 이상으로 발생된 변화된 스펙트럼과 초기 설정된 목표 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 9는 앞서 실시 예인 표 8에서 10번 엘이디 중 하나의 엘이디에 이상이 발생하여 3개의 엘이디 중 2개의 엘이디만 동작한 경우의 예를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, T는 초기 설정된 목표 스펙트럼을 도시한 것이고 B는 이상이 발생된 스펙트럼을 도시한 것이다. 이상이 발생된 조명의 스펙트럼은 도 9와 같이 모사할 스펙트럼과 차이가 크게 발생된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 수학식 8을 적용하여 그 해로부터 목표스펙트럼과 이상이 발생된 스펙트럼의 차이를 최소화하기 위해 산출된 보정 조도 제어값은 표 9와 같다.
LED 종류 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
LED 개수 8 6 3 3 4 3 9 4 4 3 6 6 3 12 3
PWM 값 2 7 236 85 1052 449 3356 333 78 2118 37 0 182 1850 646
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 맞춤형 조명조건으로 보정된 조도 제어값의 예를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 산출된 조도 제어값에 의해 보정된 개별 엘이디 군의 조도를 측정한 예를 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 이상이 발생되었던 10번째 LED 종류의 조도(G)가 초기 설정된 조도와 동일한 조도(Y)로 보정된 것을 알 수 있다.
표 10은 도 11에 따른 조도값 테이블을 나타낸 것이다.
LED 종류 Initial LED broken Correction
1 0.067158421 0.067158421 0.067158421
2 0.081765427 0.081765427 0.081765427
3 0.444385785 0.444385785 0.444385785
4 0.06538833 0.06538833 0.06538833
5 57.4048727 57.4048727 57.4048727
6 15.69281593 15.69281593 15.69281593
7 4.365944534 4.365944534 4.365944534
8 0.806212171 0.806212171 0.806212171
9 2.034059517 2.034059517 2.034059517
10 13.79044424 9.193629495 13.79044424
11 0.207984877 0.207984877 0.207984877
12 0 0 0
13 0.061663167 0.061663167 0.061663167
14 2.14962514 2.14962514 2.14962514
15 6.381482656 6.381482656 6.381482656
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따라 보정된 조도 제어값에 의한 보정된 개별 엘이디 군의 스펙트럼의 예를 도시한 것이다.
도 10 내지 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 산출된 보정 제어값에 적용하여 효과적으로 조명제어를 수행할 수 있음을 알 수 있다.
다음은 적용된 조명제어값 및 보정된 개별 조도값 및 전체 조도값을 조명정보 데이터베이스부(19)에 저장하는 단계(250)가 수행된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서는 다음과 같이 항상 일정한 스펙트럼 제어가 수행될 수 있다.
일정 주기마다 순차적 색상별 개별 엘이디 조도 측정모드를 실시하고, 측정된 개별 엘이디 조도값이 상기 데이터베이스에 저장된 이전 설정된 개별 엘이디 조명 제어값과 일정 범위 이상 차이가 있을 경우에는 자동으로 그 차이를 최소화하여 보상하는 보정된 조명 제어값을 산출하는 단계가 수행된다.
보정된 조명제어값을 산출하는 단계는 앞서 일 실시 예의 수학식 8과 동일하게 수학식 9의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 최소화할 수 있는 조명 제어값(PWMαc)을 산출할 수 있다.
Figure 112017048732893-pat00043
여기서, ??Iinit는 설정된 개별 엘이디 조도값, ??Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, αinit : 개별 LED의 설정된 PWM 값, αc: 개별 엘이디의 현재 PWM 값이며, D: 개별 LED의 파장 벡터, β: LED 개수 S : 센서의 응답성을 의미한다.
보정된 조명 제어값이 산출되면, 보정된 조명 제어값에 따라 엘이디 드라이버 모듈(15)이 조명제어를 수행한다.
본 발명의 위와 같은 일정한 스펙트럼 제어를 위한 실시 예에 따르면, Aging, Forward voltage, 접합온도 등에 의한 특성의 변화로 발생되는 색 오차로 초기에 설정된 색도를 벗어나더라도 주기적으로 보정을 하여 항상 일정한 스펙트럼 조명을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최대 파장이 각각 다른 다수의 엘이디 소자들로부터 요구되는 스펙트럼을 구현할 수 있는 최적의 엘이디 조합군을 자동으로 산출하고 효율적이고 세밀한 조명 제어를 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최대 파장이 각각 다른 다수의 엘이디 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈로부터 설정된 조명환경에 의한 스펙트럼이 각 색상별 개별 엘이디 별로 구현되고 있는지를 효율적으로 측정할 수 있으며, 설정된 스펙트럼으로 각 개별 엘이디 별로 구현될 수 있도록 보정하여 제어할 수 있는 다중 LED 스펙트럼 조합을 제어하는 조명제어 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
1; 조명제어장치
10: 스펙트럼 제어장치
11: 조명조건 입력부
12: 생성부
14: 조명 제어 연산부
15: 엘이디 드라이버 모듈
16: 디스플레이부
19: 데이터베이스부
20: LED 조명 모듈
21: 엘이디 조명등
22: 조도 측정부

Claims (8)

  1. 삭제
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  5. 삭제
  6. 스펙트럼 제어장치와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈을 포함하는 조명제어장치가 스펙트럼에 따른 개별 엘이디들의 조명을 제어하는 조명제어방법에 있어서,
    상기 조명제어방법은,
    상기 조명제어장치에 조명조건이 입력되는 조명조건 설정 단계;
    상기 조명제어장치가 상기 조명조건 설정에 따른 목표 스펙트럼의 분포값을 생성하는 단계;
    상기 조명제어장치에서 상기 목표 스펙트럼을 위한 엘이디 조합군에 포함될 개별 엘이디 개수 및 개별 엘이디 PWM 듀티비 값이 포함된 조명 제어값을 산출하는 단계;
    상기 조명제어장치에서 산출된 조명 제어값에 의하여 개별 엘이디들을 조합하고 산출된 듀티비에 따라 전력을 공급하여 조명을 제어하는 단계;
    상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부가 색상별 개별 엘이디에 대하여 순차적으로 조도를 측정하는 순차적 색상별 개별 엘이디 조도 측정 단계; 및
    상기 조명제어장치가 초기 조명 제어값 및 측정된 개별 엘이디 조도값을 데이터베이스부에 저장하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 조명제어장치가 일정한 스펙트럼 제어를 수행하는 방법은,
    상기 조명제어장치가 일정 주기마다 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부에 의해 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계를 수행하는 단계;
    측정된 개별 엘이디 조도값이 상기 데이터베이스에 저장된 이전 설정된 개별 엘이디 조명 제어값과 대비하여 일정 범위 이상 차이가 있을 경우에는 그 차이 값을 보상하는 보정된 조명제어값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 보정 제어값에 따라 조명제어를 수행하는 조명제어 단계; 를 포함하되,
    상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는,
    다음 식의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 상기 설정된 개별 엘이디 조명 제어값으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법.
    Figure 112018093545368-pat00044

    여기서,?Iinit는 설정된 개별 엘이디 조도값, ?Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, αinit: 개별 엘이디의 설정된 PWM값, αc: 개별 엘이디의 현재 PWM 값, D: 개별 엘이디의 파장 벡터, β: 개별 엘이디 개수 S: 센서의 응답성을 의미함.
  7. 스펙트럼 제어장치와 단파장에서 장파장까지 최대 파장 특성이 다른 엘이디들의 조합으로 이루어진 엘이디 조명 모듈을 포함하는 조명제어장치가 스펙트럼에 따른 개별 엘이디들의 조명을 제어하는 조명제어방법에 있어서,
    상기 조명제어방법은,
    상기 조명제어장치에 조명조건이 입력되는 조명조건 설정 단계;
    상기 조명제어장치가 상기 조명조건 설정에 따른 목표 스펙트럼의 분포값을 생성하는 단계;
    상기 조명제어장치에서 상기 목표 스펙트럼을 위한 엘이디 조합군에 포함될 개별 엘이디 개수 및 개별 엘이디 PWM 듀티비 값이 포함된 조명 제어값을 산출하는 단계;
    상기 조명제어장치에서 산출된 조명 제어값에 의하여 개별 엘이디들을 조합하고 산출된 듀티비에 따라 전력을 공급하여 조명을 제어하는 단계;
    상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부가 색상별 개별 엘이디에 대하여 순차적으로 조도를 측정하는 순차적 색상별 개별 엘이디 조도 측정 단계; 및
    상기 조명제어장치가 초기 조명 제어값 및 측정된 개별 엘이디 조도값을 데이터베이스부에 저장하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 조명제어장치가 맞춤형 제어를 수행하는 방법은,
    상기 조명제어장치에 맞춤형 조명조건이 입력되는 단계;
    상기 조명제어장치가 상기 엘이디 조명 모듈에 장착된 조도 측정부에 의해 상기 순차적 개별 엘이디 조도 측정단계를 수행하는 단계;
    상기 입력된 맞춤형 조명 조건에 대해 보정된 조명제어값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 보정 제어값에 따라 조명제어를 수행하는 조명제어 단계; 를 포함하되,
    상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는,
    다음 식의 L2 norm 함수의 해를 구하여 측정된 색상별 엘이디 군에 대한 조도값과 상기 맞춤형 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법
    Figure 112018093545368-pat00045

    여기서, ?Iinit는 맞춤형으로 입력된 개별 엘이디 조도값, ?Ic: 측정된 개별 엘이디 조도값, αinit: 맞춤형 조명조건으로 입력된 PWM값, αc: 개별 엘이디의 현재 PWM 값, D: 개별 엘이디의 파장 벡터, β: 개별 엘이디 개수 S: 센서의 응답성을 의미함.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 맞춤형 조명조건은 이전에 적용된 조명조건이 입력되는 것을 특징으로 하며,
    상기 보정된 조명제어값을 산출하는 단계에서는,
    이전에 적용된 조도값과 상기 맞춤형 조명조건으로 입력된 색상별 조도값의 차이를 보정하는 조명 제어값을 산출하는 것을 포함하는 조명제어방법.
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