KR20160103300A - 광속 비율 제어 조명 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR20160103300A
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박병훈
이홍규
이도형
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엘지전자 주식회사
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

본 발명은 조명 장치에 관한 것으로 특히, 발광 다이오드를 이용한 광속 비율 제어 조명 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원 및 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 목표 색 영역에 해당하는 값으로 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 설정하는 단계; 상기 광원의 온도를 측정하여, 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화를 보상하는 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계; 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계; 및 상기 보정된 구동 제어 값을 이용하여 상기 광원을 구동하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

광속 비율 제어 조명 장치 및 그 제어 방법{Lighting apparatus controlling light flux ratio and method for controlling same}
본 발명은 조명 장치에 관한 것으로 특히, 발광 다이오드를 이용한 광속 비율 제어 조명 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
조명 기기에 대한 광원, 발광 방식, 구동 방식 등에 대한 연구들이 진행되고 있으며, 최근에는 효율, 색 다양성, 디자인의 자율성 등에 장점이 있는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)가 조명의 광원으로 주목받고 있다.
이러한 LED는 순 방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 수명이 길고, 소비 전력이 낮으며, 대량 생산에 적합한 전기적, 광학적, 물리적 특성을 가지고 있다.
현재 LED를 이용한 조명 시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 고휘도의 백색 발광 다이오드를 이용한 조명은 상용화되어 있다.
종래의 조명은 단순히 빛을 내거나 어떤 주요 정보를 알려주기 위한 용도로만 사용되었지만 생활 수준이 높아짐에 따라 사람들의 편의, 욕구 등을 위하여 좀 더 복잡하고 다양한 기능을 가지는 조명 장치들이 개발되어가고 있다.
LED는 색재현율이 매우 높고, 색온도, 색상 또는 휘도를 세부적으로 조절할 수 있기 때문에 LED를 이용한 조명 제어 시스템은 이러한 사람들의 편의와 용구를 충족시켜줄 수 있다.
현재 개발된 LED 조명 제어 시스템은 원하는 색상을 입력으로 하여 적색, 녹색, 청색 발광 다이오드들의 듀티 비(duty ratio)를 조정하여 LED 조명의 색온도를 조정함으로써 다양한 색상을 연출하고 있다.
이와 같은 일반적인 LED 조명 제어 시스템에서 색상 제어는 흔히 CIE 1931 도표가 이용되며, 다양한 색을 표현하기 위해, 적색(Red), 녹색(Green) 및 청색(Blue) 광을 발광하는 삼원색 LED를 사용한다. 이러한 삼원색 LED를 사용하면 이들 세 가지 색상의 광을 발광하는 LED 각각의 밝기 비율을 적절히 조합함으로써 다양한 색의 표현이 가능하게 된다.
그러나, 실제로 이와 같이 LED에 의하여 구현되는 광의 광속은 여러 이유로 인하여 바뀔 수 있어 이에 따라 조명 장치에 따라 광의 밝기 등이 바뀔 수 있는 문제점이 있다.
특히, 각 LED의 광속이 온도에 따라 감소하는 경우에 이를 보정하여 일정한 색온도를 가지는 백색 광을 발광하도록 제어할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일정한 색 온도를 가지는 조명 광을 구현할 수 있는 광속 비율 제어 조명 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원 및 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 목표 색 영역에 해당하는 값으로 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 설정하는 단계; 상기 광원의 온도를 측정하여, 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화를 보상하는 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계; 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계; 및 상기 보정된 구동 제어 값을 이용하여 상기 광원을 구동하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 각 광원의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 이루어질 수 있다.
이때, 상기 광속 보정 계수는, 상기 온도를 검출하여 산출된 각 광원의 광속을 고려하여 상기 혼합 광을 발광하기 위한 값일 수 있다.
여기서, 상기 혼합 광은 백색 광일 수 있다.
이때, 상기 보정된 구동 제어 값은 상기 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값일 수 있다.
또한, 상기 백색 광의 색 온도는 색 좌표 상의 ANSI 표준을 만족하는 영역(ANSI 영역 또는 맥아담스 5단계(MacAdams 5 step) 타원 영역) 내에서 제어될 수 있다.
여기서, 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 온도에 따른 광원의 광속 값을 산출하는 단계, 상기 온도에서 상기 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 상기 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하는 단계, 및 상기 광속 에러 값을 상기 설정된 구동 제어 값에 곱하여 상기 구동 제어 값을 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광원의 구동 제어 변수 또는 구동 제어 값은, 펄스 폭 변조(PWM) 값일 수 있다.
여기서, 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계; 및 상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 산출될 수 있다.
또한, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계는, 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 색좌표의 변화를 1차 함수로 근사한 온도 회귀식에 의하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계는, 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색좌표 상의 오프셋 값이 보정될 수 있다.
여기서, 상기 제1스펙트럼은 적색에 해당하고, 상기 제2스펙트럼은 녹색에 해당하며, 상기 제3스펙트럼은 청색에 해당할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 전원부; 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원을 포함하는 광원부; 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원을 각각 상기 전원부와 선택적으로 접속시키는 스위칭부; 및 상기 스위칭부를 구동하여 광원부를 제어하고, 상기 광원의 온도를 측정하여 상기 광원의 온도에 따른 광의 변화를 보상하기 위한 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값을 산출하여, 상기 산출된 구동 제어 값으로 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 재설정하고, 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하며, 상기 보정된 구동 제어 값을 이용하여 상기 광원을 구동하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하고, 상기 연산된 삼자극치 값과 기 설정된 색 좌표 상의 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 각 광원의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 상기 보정된 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
이때, 상기 목표 색 영역 상의 값은, 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색 좌표를 특정하고, 상기 선택된 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 상의 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 오프셋 값을 연산하는 과정을 통하여 설정될 수 있다.
여기서, 상기 광원의 구동 제어 변수 또는 구동 제어 값은, 펄스 폭 변조(PWM) 값일 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 온도에 따른 광원의 광속 값을 산출하고, 상기 온도에서 상기 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 상기 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하며, 상기 광속 에러 값을 상기 설정된 구동 제어 값에 곱하여 상기 보정된 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 혼합 광은 백색 광이고, 상기 보정된 구동 제어 값은 상기 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값일 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, 사용되는 LED의 편차와 관계없이 조명 장치에서 동일한 색상의 광을 구현할 수 있다.
둘째, 본 발명은 LED를 비롯한 광원의 온도 변화에 의한 변화를 보상함으로써 조명 장치별 동작 편차가 발생하지 않고 모든 조명 장치에서 동일한 색상의 광을 생성하여 이용할 수 있다.
셋째, 조명 장치의 작동 초기와 이후 구동 시간이 경과하여 LED의 온도가 상승한 후에도 조명 색상이 변화하지 않고 동일한 색상의 조명 광을 제공할 수 있다.
넷째, 조명 장치를 제어함에 있어서, 목표 색 영역을 벗어나는 부분의 제어에 따른 오동작이 발생하지 않고, 조명 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다.
다섯째, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED을 이용하여 백색 광과 같은 혼합 광을 구현함에 있어서, 각각의 LED의 조건에 따른(예컨데, 온도에 따른) 광속 저하율이 서로 다르기 때문에 나타나는 색 좌표 상의 값이 목표 값으로부터 틀어지는 현상을 보정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 이용하는 CIE 1931 색 공간을 나타내는 도표이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 조명의 색 영역(color gamut area)을 색 좌표 내에 표현한 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 구동 제어 값이 재설정되는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 LED의 온도에 따른 색 좌표의 변화를 고려한 목표 색 영역을 나타내는 개략도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 각각 적색(RED), 녹색(GREEN) 및 청색(BLUE) LED에 대한 온도에 따른 변화를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 조명 장치에서 온도 변화에 따른 색 편차를 보상하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 조명 장치의 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 10은 온도에 따른 광속의 변화를 보정하지 않는 경우에 측정된 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 11은 온도에 따른 광속의 변화를 보정한 경우에 측정된 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 12 내지 도 17은 온도에 따른 광속의 변화를 보정한 경우에 측정된 각 색 온도에 따른 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 조명 장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 이용하는 CIE 1931 색 공간을 나타내는 도표이다.
적색(Red; R), 녹색(Green; G) 및 청색(Blue; B)으로 표현되는 RGB 색 공간은 디스플레이 상에 생성되는 색상공간으로서 많은 TV, 컴퓨터 모니터, 및 기타 디스플레이 장치에서 자주 사용되고 있다.
이러한 RGB 색 공간은 육면체의 xyz 축에 RGB 각각을 표시하는 세 개의 축을 대응시켜 시각화할 수 있다
도 1에서, 도면부호 1로 표시되는 곡선은 백색/흑체 곡선(white/black body curve)을 나타내며, x=y=1/3인 점을 포함하는 백색 광을 표시할 수 있는 곡선을 나타낸다. 이를 상관 색온도(CCT; correlated color temperature) 곡선이라고도 한다.
또한, 도면부호 2로 표시되는 곡선은 나타낼 수 있는 모든 컬러 스펙트럼을 표시하는 색 좌표 상의 상측 곡선으로서 각 색상의 파장은 나노미터(nanometer) 단위로 표시된다.
도면부호 3으로 표시되는 하측의 직선은 청색과 적색을 잊는 선이다.
여기서 RGB 각각의 값은 8비트 표현되는 16진수로 표현될 수 있으며, 각각 R:255 G:255 b:255일 때 백색(white)을 나타내고 R:0 G:0 b:0일 때 흑색(black)을 나타낸다.
이러한 CIE 1931 XYZ 색 공간(혹은　CIE 1931 색 공간)은 인간의　색채　인지에 대한 연구를 바탕으로 수학적으로 정의된 색 공간이다.　먼저 CIE RGB 색 공간이 만들어졌고, 그에 기반하여 다시 CIE XYZ 색 공간이 만들어졌다.
이와 같은 CIE 1931 XYZ 색 공간은 다음과 같은 특징을 가진다.
1. XYZ 색 공간은 RGB 색 공간으로부터　선형변환을 통해 얻을 수 있으며, 모든 값이 양수를 갖는다.
2. 흰색은 x = y = z = 1/3 지점에 존재해야 한다.
3. 인간이 볼 수 있는 모든 색은 [1,0], [0,0], [0,1]의 삼각형 내에 존재해야 한다.
이로부터 CIE XYZ 와 RGB를 대응시키기 위한 변환 하는 수식을 도출할 수 있는데, 이는 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, XYZ는 삼자극치 값(tristimulus value)이라 하며, 색상을 정량적으로 표시하는 기초적인 값으로 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 색상을 인식하는 인간의 빛 인식 특성과 유사한 특징을 가진다.
또한, RGB는 삼자극치에 해당하는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 색상의 코드 값이다. 행렬 내에서 Xr, Yr, Zr은 적색(R)의 삼자극치를 나타내고, Xg, Yg, Zg는 녹색(G)의 삼자극치를 나타내며, Xb, Yb, Zb는 청색(B)의 삼자극치를 나타낸다.
반대로 XYZ 값으로부터 RGB의 값을 얻고자 한다면 다음의 수학식 2로부터 얻을 수 있다.
Figure pat00002
수학식 1에서 3×3 행렬은 실측된 각 RGB의 삼자극치이므로 변환계수 (ar,ag,ab)를 곱해주어야 1대1 대응된 RGB 대 XYZ 및 XYZ 대 RGB 변환 매트릭스를 만들 수 있다.
이를 위해 각 R:XYZ(XrYrZr) G:XYZ(XgYgZg) B:XYZ(XbYbZb)를 정형화한 값 xyz의 형태로 변환하여 변환계수를 고려한 식을 만들면 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure pat00003
여기서 xn, yn, zn은 각각 RGB 합성된 xyz를 의미하고, xn/yn은 X를 의미하고, 1은 Y(밝기; 최대값을 의미)를, 그리고 zn/yn은 Z를 의미한다.
XYZ를 xyz로 정형화하는 식은 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
또한, 수학식 3을 수학식 1에 적용하면 다음의 수학식 5를 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5를 조명 장치에서 이용하면 RGB는 각각 구동 제어 변수(예를 들어, 펄스 폭 변조(pulse width modulation)의 듀티 값(duty cycle)에 대응되고 XYZ는 제어하고자 하는 색 좌표와 대응될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 조명의 색 영역(color gamut area)을 색 좌표 내에 표현한 도이다. 이러한 색 영역은 해당 조명에서 표현 가능한 색상의 영역인 색 재현 영역을 표시하며, 이하 이를 '색 영역'이라 일컫는다.
도 2를 참조하면, 색 좌표 내에서 도면부호 10R, 10G 및 10B 각각은 적색(Red; R), 녹색(Green; G) 및 청색(Blue; B) 광을 발광하는 광원들의 좌표 점(color bin)들을 표시하고, 20R, 20G, 20B 각각은 이들 광원들에 의한 색상 영역(color binning area)을 도시하고 있다.
이하, 광원은 발광 다이오드(light emitting diode; LED)인 것을 예로 설명하며, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)으로 구분된 광을 발광할 수 있는 광원이라면 어떤 광원이든 이용될 수 있다. 일례로서 LED 외에 유기 발광 다이오드, 레이저 다이오드 등이 이용될 수 있다.
도 2에서는 일례로서, 녹색 LED에 해당하는 녹색 색상 영역(20G)에는 6개의 좌표 점인 색상 빈(10G)이 주어지고, 청색 LED에 해당하는 청색 색상 영역(20B)에는 8개의 색상 빈(10B)가 주어지며, 적색 LED에 해당하는 적색 색상 영역(20R)에는 총 6개의 색상 빈(10R)가 주어질 수 있다.
이는, 조명에 사용되는 녹색 LED가 총 6개의 색상 등급(color rank)을 가짐을 의미할 수 있다. 따라서, 녹색 LED는 색 좌표에서 총 6개의 색상 빈(10G)을 가질 수 있다.
또한, 청색 LED는 8개의 색상 등급을 가짐을 의미할 수 있다. 따라서 청색 LED는 색 좌표에서 총 8개의 색상 빈(10B)을 가질 수 있다.
한편, 적색 LED는 6개의 색상 등급을 가짐을 의미할 수 있다. 따라서 적색 LED는 총 6개의 색상 빈(10R)을 가질 수 있다.
이러한 색상 빈(10R, 10G, 10B)은 한 조명 장치에서 이용될 수 있는 최대 수가 표현될 수 있다. 경우에 따라 이러한 색상 빈(10R, 10G, 10B)의 종류 및 수는 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는 총 6개의 색상 등급을 가지는 녹색 LED의 색상 빈(10G)이 나타나 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이와 같은 조명 장치에 사용되는 LED의 색상 등급은 조명 장치에 이용되는 LED에 따라 달라질 수 있다.
조명 장치에서 사용되는 LED의 색상 등급은 모두 동일한 것이 이상적이나, 현실적으로는 LED의 제작 공정, 제작 시간, 웨이퍼 내에서의 각 LED의 위치 등에 따라 색상 등급이 달라질 수 있으므로, 이에 따라 색 좌표에서 색상 빈 및 이에 따른 색상 영역이 달라질 수 있다. 이는 각 LED를 동일한 전력으로 구동하는 경우에 표현할 수 있는 색상이 달라질 수 있음을 의미할 수 있으며, 따라서, 이에 대한 보정 또는 보상이 필요할 수 있다.
이러한 각 LED의 색상 등급에 해당하는 색상 빈의 차이에 따라 색 영역(color gamut area)은 서로 달라질 수 있다. 이때, 이러한 색상 빈의 차이에 의하여 발생할 수 있는 차이를 보정한다면 색상 등급의 차이 및 기타 다른 조건의 차이에 따라 조명 장치에서 색상이 다르게 표현될 수 있는 현상을 방지할 수 있다.
이와 같은 보정은 도 2에서 도시하는 바와 같이, 각 LED의 색상 빈의 교점으로 만들어지는 최대 삼각형 영역을 색 영역(color gamut area)으로 설정함으로써 이루어질 수 있다.
도 2에서는 세 개의 삼각형이 도시되고 있다. 즉, 두 삼각형 41 및 42는 위에서 설명한 색상 영역의 차이에 따른 서로 가장 편차가 두 삼각형 영역을 표시한 것이며, 삼각형 43은 이 두 영역의 공통 영역을 나타내고 있다. 이러한 삼각형 43은 조명 장치의 색 영역으로 특정될 수 있다.
이러한 삼각형 43은 각 삼각형의 교점(30R, 30G, 30B)에 의하여 특정될 수 있다.
이와 같이 색 영역이 보정되어 특정되면 이에 따라 각 LED를 구동할 수 있는 구동 신호가 결정되고, 이에 따라 색상 및 밝기 등의 편차가 없는 조명의 구현이 가능할 수 있다.
이때, LED를 구동할 수 있는 구동 제어 신호는 예를 들어, 위에서 언급한 바 있는 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM) 신호가 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 예컨데, 펄스 진폭 변조(pulse amplitude modulation; PAM) 신호, 펄스 코드 변조(pulse code modulation; PCM) 신호, 아날로그 신호 등이 이용될 수도 있고, 이들의 조합이 이용될 수도 있다. 이하, 설명의 편의상 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 이용하는 경우를 예로 설명한다.
이러한 PWM 방식은 신호의 듀티 비(duty cycle)를 조절하여 LED의 밝기를 조절할 수 있는 제어 방식이다. 예를 들어, 듀티 비를 위에서 언급한 8비트의 16진수인 256(0 ~ 255)으로 구분하여 구동될 수 있다. 즉, 각 LED는 듀티 비가 0에서 255의 범위 사이에서 조절 가능한 제어 신호를 이용하여 구동될 수 있다. 여기서 255는 LED가 최대 밝기를 낼 때의 값일 수 있다. 이러한 8비트의 RGB 구동 제어 값은 추후 0에서 100% 사이의 실제 값으로 변환되어 이용될 수 있다.
이와 같이, PWM 방식을 이용하는 경우, 위에서 설명한 바와 같이, 색 영역이 적색, 녹색 및 청색 LED의 각각의 색상 영역에 의하여 이루어지는 삼각형의 공통 영역(교집합)으로 이루어지는 영역으로 보정되고, 이에 따라 PWM 제어 값(게인; gain)이 재설정(re-scaling) 될 수 있다. 이때, 위에서 보정된 색 영역을 목표 색 영역(target color gamut area)이라 칭할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 구동 제어 값이 재설정되는 과정을 나타내는 개략도이다. 이하, 색 좌표는 x 축 및 y 축을 생략하여 도시한다.
위에서 설명한 과정을 수식으로 나타내면 하기의 수학식 6과 같다.
Figure pat00006
여기서, PWMtarget(R, G, B)는 각각의 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) LED에 의해 목표 색 영역으로 보정된 PWM 제어 값을 의미하고, PWM(R, G, B)는 각각의 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) LED가 최대 발광하는 경우의 실제 측정 좌표를 의미하며, GPWM은 보정을 위하여 곱하여지는 게인(gain) 값을 의미한다.
이하, 이러한 색 영역을 보정하고 이에 따라 목표 색 영역을 설정하는 과정을 설명한다.
도 3에서 녹색 LED의 색상 빈(10G) 중에서 어느 하나의 색상 빈(11)은 녹색 LED를 최대 밝기로 구동한 경우, 즉, PWMGreen(0, 255, 0)일 때의 실제 측정 좌표이다.
이를 측정치 기준의 좌표, 즉, 색 영역(43)의 교점(30G)의 좌표, 예를 들어, (3, 247,10)를 목표 구동 제어 값, 즉, PWMtarget(0, 255, 0)으로 재설정하는 과정이 도 3에 도시되어 있다.
이와 같은 과정에 의하여, 서로 다른 색상 빈을 가지는, 즉, 서로 다른 색 좌표 상의 지점의 색상을 발광하는 LED를 이용하는 경우에도 동일한 색상으로 조명의 구동이 가능하다.
예를 들어, 하나의 조명에는 제1 색상 빈을 가지는 녹색 LED가 이용되고, 다른 하나의 조명에는 제2 색상 빈을 가지는 녹색 LED가 이용된 경우라도, 두 조명은 서로 동일한 색상의 빛을 발광할 수 있게 된다. 이는 적색 LED 및 청색 LED의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 이러한 각 LED의 색상 빈, 즉, 색 좌표 상의 발광 색상은 온도에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, LED는 구동 시간에 따라 온도가 변화할 수 있고, 이에 따라 색상이 변화할 수 있다. 즉, LED의 구동 초기부터 시간이 경과 할수록 LED의 온도가 증가할 수 있는데 이에 따라 색상이 변화할 수 있는 것이다. 대체로 이러한 온도에 따른 색상의 변화는 적색 LED가 상대적으로 더 클 수 있다.
따라서, 목표 색 영역을 설정함에 있어서, 온도에 따른 변화를 고려한다면 조명이 발광 시간 또는 온도에 따라 발광 편차를 보이는 현상을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 LED의 온도에 따른 색 좌표의 변화를 고려한 목표 색 영역을 나타내는 개략도이다.
위에서 언급한 바와 같이, LED는 온도에 따라 발광 색상이 변화할 수 있으며, 도 4에서는 이러한 LED의 온도에 따른 색 좌표의 변화를 보정하기 위한 목표 색 영역을 나타내고 있다.
일례로, 초기 구동 시의 녹색 LED의 색상 빈(10G)이 온도의 증가에 따라 색 좌표 상의 위치가 12G로 이동(shift)할 수 있다. 도 4를 참조하면 이러한 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) LED의 색 좌표 이동에 따른 삼각형(44)이 도시될 수 있다.
이러한 온도 변화에 따른 LED의 색 좌표 변화를 고려한 목표 색 영역(45)을 특정할 수 있다. 이때, LED의 발광 색상은 LED의 온도를 주기적으로 감지하여 목표 색 영역(45)으로 보정할 수 있다.
즉, 이러한 목표 색 영역(45)은 위에서 설명한 LED의 빈 분포에 따른 편차를 보정하기 위한 색 영역(43)과 LED의 온도에 따라 이동한 색 영역(44)의 공통 영역으로 특정될 수 있다.
이때, 목표 색 영역(45)은 각 색상별 교점(50R, 50G, 50B)을 가진다. 이러한 교점(50R, 50G, 50B)은 각 LED가 제어될 목표 색 좌표로 설정될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 녹색 LED의 경우를 다시 예를 들면, 녹색 LED를 최대 밝기로 구동한 경우, PWMGreen(0, 255, 0)일 때의 실제 측정 좌표를 목표 색 영역(45)의 교점(50G)의 좌표로 목표 구동 제어 값을 재설정할 수 있다.
이와 같은 과정에 의하여, 서로 다른 색상 빈을 가지는, 즉, 서로 다른 색 좌표 상의 지점의 색상을 발광하는 LED를 이용하는 경우, 그리고 이러한 LED들이 온도에 따라 발광 색상이 변화하는 경우에도 동일한 색상으로 조명의 구동이 가능하다.
이하, 이러한 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 설명한다.
위에서 설명한 바와 같이, 도 4를 참조하면, LED의 색상 빈(10R, 10G, 10B) 만을 고려한 색 영역은 삼각형 41 및 42로 나타낼 수 있다. 여기서 각 삼각형은 LED로 표현할 수 있는 CIE xy 좌표계에서의 색 영역을 말한다.
이러한 색상 빈을 고려한 목표 색 영역은 삼각형 41과 42의 공통 영역인 삼각형 43으로 나타낼 수 있다. 이때의 삼각형 43의 꼭지점은 조명에서 적색, 녹색 및 청색 LED를 이용하는 색 변환 제어 시 구현할 수 있는 색 영역의 끝점이 된다.
하지만 온도 변화시 LED의 파장이 변화(shift)되고 이에 따라 적색, 녹색 및 청색 LED로 표현할 수 있는 색 영역이 변화게 된다.
이때, 온도 변화에 의한 파장 변화를 고려한 색 영역으로서 삼각형 44를 나타낼 수 있는데, 이 삼각형 영역 44는 초기 구동 온도에서 삼각형 42가 온도에 따라 이동하여 만들어내는 삼각형임을 알 수 있다.
이로 인하여, 삼각형 43과 삼각형 44의 교점(공통 영역)을 벗어나는 영역(삼각형 43에서 삼각형 44를 제외한 영역)이 발생하는데 온도 변화에 의한 변화를 보상하지 않으면 온도 변화시 이러한 삼각형 43에서 삼각형 44를 제외한 영역의 색을 표현할 수 없다.
이러한 문제는 조명 장치별 동작 편차를 발생시키고 각 조명 장치에서 표현되는 색이 동일하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 삼각형 43과 44의 공통 영역인 삼각형 45를 최종 목표 색 영역으로 설정하여 온도 변화에 의한 변화를 보상할 수 있다.
또한, 이러한 온도 변화에 의한 보상이 적용되지 않은 조명 장치의 제어 방법으로 삼각형 43에서 삼각형 45를 제외한 색 영역을 제어하게 되면 이때의 RGB PWM 듀티 값(gain 값)이 음수로 계산되어 조명 장치가 오동작하는 문제가 발생할 수 있다(실제로 PWM 듀티 값은 음의 값으로 표현될 수 없다).
이러한 온도에 따른 발광 색상의 변화를 고려하여 조명을 제어하기 위하여, 즉, 온도 보상을 수행하기 위하여 온도 회귀식을 산출할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 각각 적색(RED), 녹색(GREEN) 및 청색(BLUE) LED에 대한 온도에 따른 변화를 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 적색 LED의 온도에 따른 측정값의 x 및 y 좌표값이 나타나 있다. 이러한 적색 LED는 일례로서 6개의 온도 값에 따른 색 좌표 상의 x 및 y 좌표값이 측정될 수 있다. 더 많거나 더 적은 측정값이 이용될 수도 있으나, 도 5에서 보는 바와 같이, 이러한 측정값의 개수는 LED의 온도 변화의 경향성에 크게 영향받지 않을 수 있다.
이때, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 이러한 적색 LED의 색 좌표의 변화는 1차 함수로 근사될 수 있다. 즉, 이러한 온도에 따른 각 LED의 색 좌표 이동 특성은 실험적으로 구할 수 있다.
또한, 마찬가지 방법으로 녹색 및 청색 LED의 경우에도 1차 함수로 근사될 수 있다. 도 6 및 도 7에서는 이러한 녹색 LED 및 청색 LED의 온도에 따른 측정값의 x 및 y 좌표값이 나타나 있다.
이와 같이, 1차 함수로 근사되는 경우, 아래 표 1에서 나타내는 바와 같이, 1차 함수의 기울기(a) 및 절편(b)으로 표시될 수 있으며, 이에 따라 해당 온도를 알면 해당 온도에서의 각 LED의 색 좌표 상의 위치를 알 수 있다.
이와 같이, 색 좌표 (x, y)를 알 수 있으므로, 수학식 2 내지 4에 따라, 각 온도별 삼자극치 값을 알 수 있다. 이러한 각 LED의 온도에 따른 삼자극치 값은 이러한 온도에 따른 광의 변화를 보상하여 조명을 제어할 경우에 이용될 수 있다.
Figure pat00007
이상과 같이, 온도의 변화에 따라서 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 x, y 좌표의 변화량을 측정할 수 있으며, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 각각의 변화량은 1차 함수로 근사하여 온도 회귀식을 통하여 얻을 수 있다.
이때, 해당 조명 장치에서 사용되는(선택된) 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 초기값을 측정하면 이 측정값을 바탕으로 오프셋을 계산할 수 있다.
그러면 수학식 2 또는 수학식 5를 통하여, 목표 좌표 값(X, Y, Z)과 온도 회귀식을 통하여 얻어지는 매트릭스 값을 이용하여 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 구동 제어 값, 예를 들어, R, G, B PWM 듀티 값을 구할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 온도 변화에 따른 색 편차를 보상하는 과정을 나타내는 개략도이고, 도 9는 본 발명의 조명 장치의 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 도 8 및 도 9를 참고하여 본 발명의 조명 장치의 제어 방법을 상세히 설명한다. 또한, 사항에 따라 위에서 설명한 도 1 내지 도 7을 함께 참조하여 설명한다.
도 9를 참조하면, 조명 장치의 제어 방법은 크게, 색 좌표 상의 목표 색 영역을 특정하는 단계(S100), 특정된 목표 색 영역에 해당하는 값으로 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 (재)설정하는 단계(S200), 온도에 따른 광의 색 좌표 상의 변화를 보상하는 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계(S300), 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계(S400), 그리고 이와 같이 보정된 구동 제어 값을 이용하여 광원을 구동하는 단계(S500)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 광원은 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원일 수 있다. 제1스펙트럼은 적색 파장 대역에 해당하는 스펙트럼일 수 있고, 제2스펙트럼은 녹색 파장 대역에 해당하는 스펙트럼일 수 있으며, 제3스펙트럼은 청색 파장 대역에 해당하는 스펙트럼일 수 있다.
이하, 위에서 설명한 바와 같이, 광원은 발광 다이오드(LED)이고, 구동 제어 값은 PWM 제어 값인 경우를 예로 설명한다.
여기서, 색 좌표 상의 목표 색 영역을 특정하는 단계(S100)는 LED의 온도에 따른 광의 변화에 의하여 특정될 수 있다.
목표 색 영역을 특정하는 단계(S100)는, 목표 색 영역을 계산하는 단계, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색 좌표를 특정하는 단계, 및 선택된 광원의 온도에 따른 광의 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 오프셋 값을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 목표 색 영역을 계산하는 단계는, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 다수의 광원(LED)에 의한 색 좌표를 특정하는 단계, 이와 같이 특정된 색 좌표에 의한 제1 색 영역(43; 도 8 참고)을 계산하는 단계, 광원의 온도에 따른 광의 변화를 고려한 제2 색 영역(44)을 계산하는 단계, 및 제1 색 영역과 제2 색 영역의 공통 영역(45) 및 교점(50R, 50G, 50B) 중 적어도 하나를 구하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색 좌표를 특정하는 단계는 주어진 광원 중에서 해당 조명 장치에서 사용되는 LED의 초기 색 좌표를 확인하는 과정으로서, 다수의 색상 빈 중에서 해당 조명 장치에서 사용되는 LED가 어느 빈에 해당하는지를 결정하는 과정이다.
이러한 결정된 LED의 값으로 R, G, B 구동 제어를 위한 최대값을 입력하게 된다.
선택된 광원의 온도에 따른 광의 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 오프셋 값을 연산하는 단계는, 위에서 결정된 LED의 색상 빈이 온도 회귀식에서 가지는 오프셋을 결정하는 것이다. 즉, LED의 온도에 따른 색 좌표 상에서의 변화는 1차 함수로 근사되나, 각 LED에 따라 오프셋 값이 다를 수 있다. 예를 들어, 구동을 위한 목표 좌표 점(교점; 50R, 50G, 50B)으로부터의 거리를 결정할 수 있다.
특정된 목표 색 영역에 해당하는 값으로 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 설정하는 단계는, 온도를 고려한 PWM 제어 변수를 목표 색 영역으로 재설정하는 과정일 수 있다. 즉, 온도에 따라 색 좌표가 변화한 LED를 최대 구동한 경우의 색 좌표를 원점(녹색 LED의 경우, (0, 255, 0))으로 재설정하는 과정이다. 이러한 과정은 온도를 측정하고, 이러한 온도에 따른 변화를 보상하는 과정에서 반복적으로 이루어질 수 있다.
또한, 위에서 언급한 바와 같이, 온도에 따른 광의 색 좌표 상의 변화를 보상하는 LED의 구동 제어 값을 산출하는 단계(S300)는, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 온도에 따른 색 좌표의 변화를 1차 함수로 근사한 온도 회귀식에 의하여 이루어질 수 있다.
이러한 온도에 따른 광의 색 좌표 상의 변화를 보상하는 LED의 구동 제어 값을 산출하는 단계(S300)는, 온도를 측정하는 단계, 측정된 온도에 따른 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 삼자극치 값을 연산하는 단계, 및 연산된 삼자극치 값과 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 광원의 구동 제어 값(PWM 제어 값)을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 연산된 삼자극치 값과 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 산출될 수 있다.
이러한 변환 매트릭스 연산은 수학식 2 또는 수학식 5를 통하여 이루어질 수 있다.
적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED가 설치된 광원 모듈에는 온도에 따라 출력 전압 값이 달라지는 NTC(도 18 참고)가 구비될 수 있고, 이러한 NTC의 출력 전압 값에 따라 해당 광원 모듈의 온도를 알 수 있다.
그러면 위에서 설명한 온도 회귀식 및 오프셋 값 연산에 따라 해당 온도에 따른 삼자극치 값을 연산할 수 있다. 이러한 삼자극치 값은 적색 광에 대한 삼자극치 값(Xr, Yr, Zr), 녹색 광에 대한 삼자극치 값(Xg, Yg, Zg) 및 청색 광에 대한 삼자극치 값(Xb, Yb, Zb)을 포함할 수 있다. 이러한 9개의 값은 수학식 2 또는 5에서 매트릭스 성분을 이루게 된다.
이에 따라, 목표 좌표 값(수학식 2에서의 X, Y, Z) 및 매트릭스 성분이 결정된 상태이므로, 이러한 변환 매트릭스 연산을 통하여 R, G, B 값을 구할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 이러한 R, G, B 값은 PWM 듀티 값에 대응될 수 있다.
이와 같은 과정에 의하여 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 최대 구동 시의 값(Red PWM, Green PWM, Blue PWM)을 구할 수 있다. 이러한 값을 RGB 게인(gain)이라고 칭할 수 있다. 이러한 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 최대 구동 시의 값이 결정되면, 이러한 값의 비율로서 혼합 광의 색상을 조절할 수 있다.
이때, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED을 포함하는 각각의 LED의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중 적어도 일부의 혼합 광의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계(S400)가 수행될 수 있다.
여기서, 이와 같은 보정된 구동 제어 값을 산출하는 과정(S400)은, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 구동 제어 값에 각 LED의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 이루어질 수 있다.
이러한, 광속 보정 계수는, 온도를 검출하여 산출된 각 LED의 광속을 고려하여 특정 혼합 광을 발광하기 위한 값일 수 있다. 이러한 혼합 광은 백색 광일 수 있다.
이때, 보정된 구동 제어 값은 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 구동 제어 값에 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값일 수 있다.
또한, 이러한 백색 광의 색 온도는 색 좌표 상의 ANSI 표준을 만족하는 영역(ANSI 영역 또는 맥아담스 5단계(MacAdams 5 step) 타원 영역) 내에서 제어될 수 있다.
여기서, 보정된 구동 제어 값을 산출하는 과정(S400)는, 온도에 따른 광원의 광속 값을 산출하는 단계(S410), 해당 온도에서 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 해당 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하는 단계(S420), 및 이러한 광속 에러 값을 위에서 설정된 구동 제어 값에 곱하여 구동 제어 값을 보정하는 단계(S430)를 포함할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 각 PWM 제어 값을 각 광원의 최대 구동 시의 값의 1/3로 조절하면 이 조절된 제어 값을 이용하여 백색(W) 광을 발광할 수 있다. 그러나 비율을 달리함으로써 백색 광 이외에도 다양한 색상의 광을 발광할 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명한 목표 색 영역 내에서 모든 컬러 색상의 광을 발광할 수 있다. 이하, 적색, 녹색 및 청색 광의 혼합 광으로서 백색 광을 발광하는 경우를 예로 설명한다.
위에서 언급한 바와 같이, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 최대 구동 시의 값(Red PWM, Green PWM, Blue PWM), 즉, RGB 게인을 일정 비율(예를 들어, 1/3)로 조절하면 백색 광을 발광할 수 있다. 이때, 백색 광을 발광하기 위한 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 구동 값을 화이트 게인(white gain)이라 칭할 수 있다. 이러한 화이트 게인 값은 상관 색 온도(correlated color temperature; CCT) 테이블에 기록되어 해당 색 온도(color temperature)에 따른 게인 값으로 조명이 구동될 수 있다.
즉, 이러한 CCT 테이블은 조명 장치의 롬에 수록될 수 있고, 이 CCT 테이블에는 각각의 색 온도 값에 대한 각 광원의 구동 비율(화이트 게인)이 초기 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 도시하는 바와 같은 색 좌표의 백색/흑체 곡선(white/black body curve; 1) 상에서, 2700K, 3000K, 4000K, 5000K, 5700K 및 6500K의 색 온도에 따른 각 광원의 구동 제어 값이 초기 설정되어 있을 수 있다. 이와 같이, 목표 색 온도에 해당하는 백색광이 발광하도록 조명 장치를 제어하는 과정을 CCT 제어라 칭할 수 있다.
이러한 초기 설정 값은 광원의 특정 온도, 예를 들어, 25 ℃에 따른 광속에 따라 설정된 값일 수 있다.
그러나, 각 광원은 위에서 설명한 바와 같이, 광원의 온도에 따라 각 광원의 색 좌표가 변경될 뿐 아니라 광속이 변화할 수 있다. 또한, 이러한 광속이 온도에 따라 변화하는 정도는 각 광원에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED 각각의 광속은 온도에 따라 서로 다른 경향성을 가지고 변화할 수 있다.
이와 같이, 통상적으로 이용되는 화이트 게인은 특정 온도(예를 들어, 25 ℃)에서의 스펙트럼을 통하여 얻어진 값으로서 온도에 따른 변화가 반영되지 않은 값일 수 있다.
더욱이, 화이트 게인은 적색, 녹색 및 청색 광의 비율을 1:1:1인 경우로 가정하여 계산한 값이기 때문에 온도 변화에 따라 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED 각각의 동작 상태가 변화하면, 즉, 광속이 변화하면 적정 색 온도에 해당하는 광이 발광하지 않을 수 있다.
도 10은 온도에 따른 광속의 변화를 보정하지 않는 경우에 측정된 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 10에서는 4000K의 색 온도로 백색광을 발광하는 경우를 나타내고 있으며, 백색/흑체 곡선(1) 상의 4000K 부근에서 목표 제어 영역(60)이 설정된 경우를 나타내고 있다. 여기서 목표 제어 영역(60)은 ANSI 표준을 만족하는 영역일 수 있다.
도 10에서 도시하는 바와 같이, 4000K 색 온도를 가지는 백색광을 발광하는 경우, 조명 광의 색 좌표 상의 데이터(X 점; 4000K_error)가 목표 제어 영역(60)을 벗어나 점차 색 좌표 상의 좌측으로 천이되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, CCT 제어 시에 색 좌표 상의 데이터가 목표 제어 영역(60)을 벗어나 이동하는 이유는 각 LED의 광속이 온도에 따라 변화하기 때문일 수 있다.
따라서, 광의 해당 색 온도가 동일하게 또는 규격(ANSI 표준)에서 허용하는 범위(예를 들어, 목표 제어 영역) 내에서 유지되도록 구동 제어 값(PWM 제어 값)을 보정할 필요가 있을 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 이와 같은 보정된 구동 제어 값을 산출하는 과정(S400)은, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED의 구동 제어 값에 각 LED의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 이루어질 수 있다.
즉, 구동 제어 값의 보정은 해당 색 온도에 대하여 설정된 화이트 게인(CCT 테이블에 수록)에 각 LED의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 광속 보정 계수는 온도에 따라 변화된 에러 값으로 볼 수 있고, 개념상 에러 값은 해당 온도에서의 실제 광속 값을 계산 값(시뮬레이션 값)으로 나눈 값일 수 있다.
이러한 시뮬레이션 값은 위에서 설명한 수학식 2에서 표현되는 변환 매트릭스를 통하여 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 비율로서 구할 수 있다. 즉, 수학식 2를 통하여 RGB 비율을 계산할 수 있는데, 백색 광을 발광하기 위한 동작은 RGB(255,255,255)를 의미하므로 아래의 표 2에서 나타내는 바와 같이 시뮬레이션 상의 백색 광의 광속 비는 1:1:1로 계산된다.
Figure pat00008
한편, 해당 온도에서의 실제 광속 값은 위에서 언급한 바와 같이, NTC를 통하여 현재 온도를 측정 또는 계산하여, 해당 온도에서의 각 LED의 광속 값을 얻을 수 있다.
일례로, 도 5 내지 도 7과 유사한 형태로, 각 LED의 광속이 미리 측정될 수 있고, 이러한 측정된 기울기 값이 조명 장치에 수록되어 있을 수 있다. 따라서, 현재 온도가 측정되면 이 기울기 값으로부터 해당 온도에서의 광속 값을 얻을 수 있다.
아래의 표 3은 특정 온도, 예를 들어, 25 ℃에서 계산된 각 LED의 실제 광속 값을 나타낸다.
Figure pat00009
이러한 실제 광속 값을 CCT 테이블에 수록된 해당 색 온도(예를 들어, 4000K)의 광속 값(아래 표 4에서는, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED이 각각이 0.22, 076, 0.28)에 곱하면 보정된 화이트 게인을 얻을 수 있다. 아래의 표 4에서 가장 우측의 값이 보정된 화이트 게인이다.
Figure pat00010
도 11은 온도에 따른 광속의 변화를 보정한 경우에 측정된 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
도 11에서는 도 10과 마찬가지로 4000K의 색 온도로 백색광을 발광하는 경우를 나타내고 있으며, 백색/흑체 곡선(1) 상의 4000K 부근에서 목표 제어 영역(60)이 설정된 경우를 나타내고 있다.
도 11에서 도시하는 바와 같이, 4000K 색 온도를 가지는 백색광을 발광하는 경우, 보정된 조명 광의 색 좌표 상의 데이터(X점; 4000K)는 목표 제어 영역(60) 내에서 제어되는 것을 알 수 있다.
도 12 내지 도 17은 온도에 따른 광속의 변화를 보정한 경우에 측정된 각 색 온도에 따른 광의 색 좌표를 나타내는 그래프이다.
이러한 도 12 내지 도 17은 각 LED의 색 좌표 상의 산포를 추가로 수정한 경우를 나타내며, 모두 조명 규격을 만족하는 것을 알 수 있다.
즉, 2700K의 광을 나타내는 도 12, 3000K의 광을 나타내는 도 13, 4000K의 광을 나타내는 도 14, 5000K의 광을 나타내는 도 15, 5700K의 광을 나타내는 도 16 및 6500K의 광을 나타내는 도 17의 경우 모두 ANSI 표준 상의 사각형 제어 영역(직선) 및 맥아담스 5스텝 타원 영역(점선) 내에 모든 측정 데이터가 위치하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED을 이용하여 백색 광과 같은 혼합 광을 구현함에 있어서, 각각의 LED의 조건에 따른(예컨데, 온도에 따른) 광속 저하율이 서로 다르기 때문에 나타나는 색 좌표 상의 값이 목표 값으로부터 틀어지는 현상을 보정할 수 있다.
한편, 위에서 설명한 목표 색 영역을 특정하는 단계(S100)는 조명 장치 구성 시에 최초로 수행되어 조명 장치의 메모리, 예를 들어, 롬(ROM; read only memory)에 수록될 수 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 각 LED의 온도에 따른 광속의 기울기값 및 백색 광을 구현하기 위한 CCT 테이블 중 적어도 하나는 롬에 수록될 수 있다.
이후, 조명 장치에서는 제어 칩과 같은 처리장치(processor)에 구현된 제어부에서 나머지 과정(S200, S300, S400, S500)이 반복적으로 이루어질 수 있다.
도 18은 본 발명의 조명 장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 18을 참조하면, 조명 장치는 전원부(100), 광원부(300), 스위칭부(200), 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
전원부(100)는 교류 전원(60)을 직류로 전환하여 광원부(300)에 공급할 수 있다. 이러한 전원부(100)는 2개의 단으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 교류(AC)-직류(DC) 변환부(110) 및 직류-직류 변환부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(400)를 구동하기 위한 보조 전원(130)이 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
광원부(300)는 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원을 포함할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 제1스펙트럼은 적색 대역, 제2스펙트럼은 녹색 대역, 제3스펙트럼은 청색 대역일 수 있고, 광원은 LED일 수 있다. 즉, 광원은 적색 LED(DR), 녹색 LED(DG) 및 청색 LED(DB)를 포함할 수 있다.
이러한 광원부(300)는 모듈화되어 구성될 수 있으며, 이러한 광원 모듈에는 온도 측정을 위한 NTC(310)가 구비될 수 있다. 이러한 NTC(310)는 제어부(400)로 연결되어 온도에 따른 전압 값을 피드백할 수 있다.
스위칭부(200)는 각각 적색 LED(DR), 녹색 LED(DG) 및 청색 LED(DB)와 연결되는 제1스위치(S1), 제2스위치(S2) 및 제3스위치(S3)가 포함되고, 이들 스위치(S1, S2, S3)는 제어부에 의하여 온오프(on/off) 상태가 제어될 수 있다. 예를 들어, 해당 스위치가 온(on) 되는 경우에 해당 LED가 발광할 수 있다.
제어부(400)는 통신 모듈(410)과 메모리(420)를 포함할 수 있다. 메모리(420)에는 위에서 언급한 바와 같이, 위에서 설명한 목표 색 영역을 특정하는 단계(S100)가 조명 장치 구성 시에 최초로 수행되어 저장될 수 있다.
통신 모듈(410)에서는 조명 제어 신호가 무선 통신 또는 유선 통신을 통하여 수신될 수 있다. 예를 들어, 조명의 밝기, 색 온도 및 색상 조절을 위한 제어 신호가 통신 모듈(410)을 통하여 수신될 수 있다. 그러나 조명 장치에 이러한 조명의 밝기, 색 온도 및 색상 조절을 위한 장치(예를 들어, 조그 스위치)가 구비될 수도 있음은 물론이다.
제어부(400)에서는 NTC(310)를 통하여 해당 온도에 따른 전압 값을 피드백 받아서 해당 온도에 따른 LED의 변화가 보상될 수 있도록 제어할 수 있다. 즉, 위에서 설명한 과정, LED의 온도를 측정하여 LED의 온도에 따른 광의 변화를 보상하기 위한 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 PWM 제어 값을 산출하여, 이와 같이 산출된 PWM 제어 값으로 LED의 PWM 제어 변수를 재설정함과 동시에, 산출된 PWM 제어 값을 이용하여 LED를 구동하는 과정을 수행할 수 있다.
즉, 제어부(400)는, 측정된 온도에 따른 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하고, 연산된 삼자극치 값과 기 설정된 색 좌표 상의 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 LED의 PWM 제어 값을 산출할 수 있다.
이때, 제어부(400)는, 연산된 삼자극치 값과 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 LED의 PWM 제어 값을 산출할 수 있다.
또한, 기 설정된 목표 색 영역 상의 값은, 색 좌표에 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 다수의 LED에 의한 색상 빈을 표시하고, 색상 빈에 의한 제1 색 영역을 계산하며, 광원의 온도에 따른 광의 변화를 고려한 제2 색 영역을 계산하고, 제1 색 영역과 제2 색 영역의 공통 영역을 구함으로써 설정될 수 있다.
이때, 목표 색 영역 상의 값은, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 다수의 LED 중 선택된 LED의 색상 빈을 특정하고, 선택된 LED의 온도에 따른 광의 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 오프셋 값을 얻는 과정을 통하여 설정될 수 있다.
또한, 제어부(400)는 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 혼합 광을 구현함에 있어서, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 적색 광, 녹색 광 및 청색 광의 혼합 광(예컨데, 백색 광)의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하며, 이와 같이 보정된 구동 제어 값을 이용하여 광원부(300)을 구동하도록 제어할 수 있다.
이를 위하여 제어부(400)는 위에서 언급한 바와 같은 동작을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 구동 제어 값에 각 LED의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 보정된 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
이때, 제어부(400)는, 온도에 따른 LED의 광속 값을 산출하고, 해당 온도에서 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 해당 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하며, 이 광속 에러 값을 위에서 설정된 구동 제어 값에 곱하여 보정된 구동 제어 값을 산출할 수 있다.
여기서, 혼합 광으로서 백색 광을 구현하는 경우, 보정된 구동 제어 값은 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 구동 제어 값에 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 발광하는 LED의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값일 수 있다.
이러한 제어부(400)의 동작은 조명을 구동 시에 반복적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 LED를 비롯한 광원의 온도 변화에 의한 변화를 보상함으로써 조명 장치별 동작 편차가 발생하지 않고 모든 조명 장치에서 동일한 색상의 광을 생성하여 이용할 수 있다.
또한, 조명 장치의 작동 초기와 이후 구동 시간이 경과하여 LED의 온도가 상승한 후에도 조명 색상이 변화하지 않고 동일한 색상의 조명 광을 제공할 수 있다.
한편, 조명 장치를 제어함에 있어서, 목표 색 영역을 벗어나는 부분의 제어에 따른 오동작이 발생하지 않고, 조명 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다.
더욱이, 적색 LED, 녹색 LED 및 청색 LED을 이용하여 백색 광과 같은 혼합 광을 구현함에 있어서, 각각의 LED의 조건에 따른(예컨데, 온도에 따른) 광속 저하율이 서로 다르기 때문에 나타나는 색 좌표 상의 값이 목표 값으로부터 틀어지는 현상을 보정할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10R, 10G, 10B: 색상 빈 20R, 20G, 20B: 색상 영역
45: 목표 색 영역 50R, 50G, 50B: 목표 색 영역의 교점
100: 전원부 200: 스위칭부
300: 광원부 310: NTC
400: 제어부 410: 통신 모듈
420: 메모리

Claims (20)

  1. 제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원 및 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 목표 색 영역에 해당하는 값으로 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 설정하는 단계;
    상기 광원의 온도를 측정하여, 상기 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 변화를 보상하는 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계;
    제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색 온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계; 및
    상기 보정된 구동 제어 값을 이용하여 상기 광원을 구동하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계는,
    해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 각 광원의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광속 보정 계수는, 상기 온도를 검출하여 산출된 각 광원의 광속을 고려하여 상기 혼합 광을 발광하기 위한 값인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합 광은 백색 광인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보정된 구동 제어 값은 상기 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 백색 광의 색 온도는 색 좌표 상의 ANSI 표준을 만족하는 영역(ANSI 영역 또는 맥아담스 5단계(MacAdams 5 step) 타원 영역) 내에서 제어되는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 단계는,
    온도에 따른 광원의 광속 값을 산출하는 단계;
    상기 온도에서 상기 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 상기 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하는 단계; 및
    상기 광속 에러 값을 상기 설정된 구동 제어 값에 곱하여 상기 구동 제어 값을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광원의 구동 제어 변수 또는 구동 제어 값은, 펄스 폭 변조(PWM) 값인 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계는,
    상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 단계는, 상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 산출되는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계는,
    상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 색 좌표의 변화를 1차 함수로 근사한 온도 회귀식에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하는 단계는,
    상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색 좌표 상의 오프셋 값이 보정된 것을 특징으로 하는 조명 장치의 제어 방법.
  13. 전원부;
    제1스펙트럼을 가지는 제1광, 제2스펙트럼을 가지는 제2광 및 제3스펙트럼을 가지는 제3광을 발광하는 광원을 포함하는 광원부;
    상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원을 각각 상기 전원부와 선택적으로 접속시키는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부를 구동하여 광원부를 제어하고, 상기 광원의 온도를 측정하여 상기 광원의 온도에 따른 광의 변화를 보상하기 위한 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값을 산출하여, 상기 산출된 구동 제어 값으로 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 변수를 재설정하고, 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 보정함으로써 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 혼합 광의 색온도가 일정하도록 보정된 구동 제어 값을 산출하며, 상기 보정된 구동 제어 값을 이용하여 상기 광원을 구동하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정된 온도에 따른 상기 제1광, 제2광 및 제3광의 색상에 대한 삼자극치 값을 연산하고, 상기 연산된 삼자극치 값과 기 설정된 색 좌표 상의 목표 색 영역 상의 좌표값을 이용하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연산된 삼자극치 값과 상기 목표 색 영역 상의 좌표값 사이의 변환 매트릭스 연산을 통하여 상기 광원의 구동 제어 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제어부는, 해당 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 각 광원의 온도에 따른 광속 보정 계수를 곱함으로써 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 목표 색 영역 상의 값은, 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 다수의 광원 중 선택된 광원의 색 좌표를 특정하고, 상기 선택된 광원의 온도에 따른 광의 색 좌표 상의 변화에 의하여 특정되는 색 좌표 상의 오프셋 값을 연산하는 과정을 통하여 설정되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  18. 제13항에 있어서, 상기 광원의 구동 제어 변수 또는 구동 제어 값은, 펄스 폭 변조(PWM) 값인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  19. 제13항에 있어서, 상기 제어부는, 온도에 따른 광원의 광속 값을 산출하고, 상기 온도에서 상기 혼합 광을 발광하기 위해 설정된 구동 제어 값에 대해 상기 온도에 따른 광속 값을 비율적으로 적용한 광속 에러 값을 계산하며, 상기 광속 에러 값을 상기 설정된 구동 제어 값에 곱하여 상기 보정된 구동 제어 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  20. 제13항에 있어서, 상기 혼합 광은 백색 광이고, 상기 보정된 구동 제어 값은 상기 백색 광의 해당 색 온도에 대해 설정된 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 구동 제어 값에 상기 제1광, 제2광 및 제3광을 발광하는 광원의 온도에 따른 광속 변화를 적용한 비율 값을 곱한 값인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
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CN113939058A (zh) * 2020-06-29 2022-01-14 漳州立达信光电子科技有限公司 一种色温可控的多路光源混色方法、装置及终端设备

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