KR20190090938A - Led 조명의 최적화 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20190090938A KR1020180009742A KR20180009742A KR20190090938A KR 20190090938 A KR20190090938 A KR 20190090938A KR 1020180009742 A KR1020180009742 A KR 1020180009742A KR 20180009742 A KR20180009742 A KR 20180009742A KR 20190090938 A KR20190090938 A KR 20190090938A
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

LED 최적화 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치는 목표 색온도와 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성하는 목표 스펙트럼 생성부, LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼을 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 이용하여 정규화하는 정규화부, 상기 목표 스펙트럼과 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 LED 광 스펙트럼을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각에 대한 LED 제어값을 생성하는 제어값 생성부 및 상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

LED 조명의 최적화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPTIMIZING LED LIGHTING}
본 발명의 실시예들은 LED 조명 제어 기술과 관련된다.
LED는 전등, 형광등, 자동차 전조등, LED tv 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 그 수요가 증가하고 있다.
이러한 LED와 관련하여, 최근 여러 파장대역의 LED 조합으로 색을 표현하는 방법들이 제안되고 있다. 예를 들어, 짧은 파장대역의 LED 와 긴 파장대역의 형광체(phosphor)를 조합하거나 자외선 영역의 LED 와 하나 이상의 형광체(phosphor)를 조합하는 방법들이 있다.
그러나, 종래의 기술들은 최적화를 위해 필요한 파라미터들이 많고 복잡한 연산이 필요하며, 연색성(CRI)을 전혀 고려하지 않는 등 여러 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2017-0040451호 (2017. 04. 13)
본 발명의 실시예들은 색온도 및 연색성을 고려하여 LED 조명을 최적화하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치는 목표 색온도와 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성하는 목표 스펙트럼 생성부, LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼을 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 이용하여 정규화하는 정규화부, 상기 목표 스펙트럼과 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 LED 광 스펙트럼을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각에 대한 LED 제어값을 생성하는 제어값 생성부 및 상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 하나 이상의 LED는, 각각의 광 스펙트럼의 파장대역이 상이할 수 있다.
상기 목표 스펙트럼 생성부는, 상기 목표 색온도를 통해 기준 백색광원 스펙트럼을 생성하고, 상기 기준 백색광원 스펙트럼을 상기 목표 광속을 기준으로 정규화하여 상기 목표 스펙트럼을 생성할 수 있다.
상기 정규화부는, 상기 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화하고, 상기 1차 정규화된 광 스펙트럼에 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 곱하여 2차 정규화할 수 있다.
상기 제어값 생성부는, 상기 목표 스펙트럼과 상기 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 하는 상기 LED 제어값을 생성하되, 상기 최적화 스펙트럼은 아래의 수학식
Figure pat00001
,
Figure pat00002
(이때,
Figure pat00003
는 상기 최적화 스펙트럼,
Figure pat00004
는 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 광 스펙트럼,
Figure pat00005
는 상기 LED 제어값)을 이용하여 산출할 수 있다.
상기 LED 조명 최적화 장치는, 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 LED 제어값에 따른 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 측정된 색온도 및 연색성이 상기 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, 상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 방법은, 목표 색온도와 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성하는 단계, LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼을 상기 하나 이상의 LED 각각의 LED 광속을 이용하여 정규화하는 단계, 상기 목표 스펙트럼과 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 LED 광 스펙트럼을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각에 대한 LED 제어값을 생성하는 단계 및 상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 하나 이상의 LED는, 각각의 광 스펙트럼의 파장대역이 상이할 수 있다.
상기 목표 스펙트럼을 생성하는 단계는, 상기 목표 색온도를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성하고, 상기 기준 백색광원 스펙트럼을 상기 목표 광속을 기준으로 정규화하여 상기 목표 스펙트럼을 생성할 수 있다.
상기 정규화하는 단계는, 상기 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화하고, 상기 1차 정규화된 광 스펙트럼에 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 곱하여 2차 정규화할 수 있다.
상기 LED 제어값을 생성하는 단계는, 상기 목표 스펙트럼과 상기 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 하는 상기 LED 제어값을 생성하되, 상기 최적화 스펙트럼은 아래의 수학식
Figure pat00006
,
Figure pat00007
을 이용하여 산출할 수 있다.
상기 LED 조명 최적화 방법은, 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 LED 조명 최적화 방법은, 상기 LED 제어값에 따른 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출할 수 있다.
상기 제어하는 단계는, 상기 측정된 색온도 및 연색성이 상기 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, 상기 생성된 LED 제어값에 따라 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자가 원하는 색온도를 만족함과 동시에 높은 연색지수를 가지도록 하는 LED 제어값을 생성하고 상기 생성된 LED 제어값에 따라 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하여 LED 조명을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치의 구성도
도 2는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치의 구성도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 방법의 순서도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 목표 스펙트럼 생성 방법의 순서도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 스펙트럼 정규화 방법의 순서도
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LED 조명 최적화 방법의 순서도
도 7a 내지 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 실험 결과를 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, LED 조명 최적화 장치(100)는 목표 스펙트럼 생성부(110), 정규화부(120), 제어값 생성부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.
LED 조명 최적화 장치(100)는 LED 조명의 색온도 및 연색성을 제어하기 위한 장치이다. 이때, LED 조명은 하나 이상의 LED를 광원으로 이용하는 장치를 의미하며, LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼은 파장대역이 상이할 수 있다.
목표 스펙트럼 생성부(110)는 목표 색온도 및 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 산출한다.
이때, 목표 색온도 및 목표 광속은 사용자에 의해 입력받을 수 있다.
예를 들어, 사용자는 사용자 디바이스를 통해 목표 색온도 및 목표 광속을 입력할 수 있고 입력된 정보는 LED 조명 최적화 장치(100)로 전송될 수 있다.
구체적으로, LED 조명 최적화 장치(100)는 사용자 디바이스로부터 사용자에 의해 입력된 목표 색온도 및 목표 광속을 수신할 수 있다. 이때, 목표 색온도 및 목표 광속을 수신하기 위해 예를 들어, 와이파이(wi-fi), 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등과 같은 근거리 무선 통신 방식이 이용될 수 있으나, 근거리 무선 통신 방식 외에도 다양한 형태의 유/무선 통신 방식이 이용될 수 있다.
한편, 사용자 디바이스는 데스크탑 PC, 테블릿 PC, 노트북, 스마트폰 등 다양한 형태의 장치를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 디스플레이 수단, 정보처리 수단 및 유/무선 네트워크를 통한 통신 수단을 구비한 다양한 형태의 장치들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 목표 스펙트럼 생성부(110)는 목표 색온도를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성한 후, 생성된 기준 백색 광원 스펙트럼을 목표 광속을 기준으로 정규화함으로써 목표 스펙트럼을 생성할 수 있다.
이때, 기준 백색광원 스펙트럼 생성 방법은 목표 색온도에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 목표 스펙트럼 생성부(110)는 목표 색온도가 5000K 미만인 경우, 아래 수학식 1을 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성할 수 있다.
Figure pat00008
수학식 1에서,
Figure pat00009
는 기준 백색광원 스펙트럼,
Figure pat00010
는 스펙트럼의 파장(380 ~ 780nm),
Figure pat00011
는 목표 색온도를 의미한다.
다른 예로, 목표 스펙트럼 생성부(110)는 목표 색온도가 5000K 이상인 경우 아래 수학식 2를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성할 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
수학식 2에서
Figure pat00015
는 기준 백색광 스펙트럼을 생성하기 위한 파라미터를 의미한다. 예를 들어,
Figure pat00016
는 고유벡터(eigenvector)일 수 있다.
한편, 상술한 예에서는 수학식 1 및 2 중에서 기준 백색광원 스펙트럼 생성 방식을 결정하기 위한 목표 색온도에 대한 기준 값이 5000K인 것으로 예시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 기준 값은 실시예에 따라 변동 가능하다. 또한, 기준 백색광원 스펙트럼을 생성하는 방식은 반드시 상술한 수학식 1 및 2에 한정되는 것은 아니며 목표 색온도를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성할 수 있는 다양한 방식들을 포함한다.
한편, 목표 스펙트럼 생성부(110)는 기준 백색광원 스펙트럼이 생성된 경우, 목표 광속을 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 정규화함으로써 목표 스펙트럼을 생성할 수 있다.
예를 들어, 목표 스펙트럼 생성부(110)는 아래 수학식 3을 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 정규화함으로써 목표 스펙트럼을 생성할 수 있다.
Figure pat00017
수학식 3에서
Figure pat00018
는 시감도,
Figure pat00019
는 광속변환상수,
Figure pat00020
는 목표 광속 이다. 이때,
Figure pat00021
는 예를 들어, 683.002lm/W 일 수 있다.
한편, 목표 광속을 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 정규화하는 방법은 반드시 상술한 수학식 3에 한정되는 것은 아니며, 목표 광속을 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 정규화할 수 있는 다양한 방식들을 포함한다.
정규화부(120)는 LED 조명에 포함된 각 LED의 광 스펙트럼을 각 LED의 광속을 이용하여 정규화한다.
이때, 각 LED의 광 스펙트럼 및 광속은 각 LED를 제조할 때 각 LED의 제조사에 의해 설정 된 값일 수 있다.
구체적으로, 정규화부(120)는 각 LED의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화할 수 있다. 예를 들어, 정규화부(120)는 각 LED의 광 스펙트럼이 0 ~ 1lm 내의 값을 가지도록 1차 정규화할 수 있다. 이때, 기 설정된 범위는 0 ~ 1lm에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 변동 가능하다.
이후, 정규화부(120)는 1차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼에 각 LED의 광속을 곱하여 2차 정규화할 수 있다. 예를 들어, 2차 정규화는 아래의 수학식 4를 이용하여 수행될 수 있다.
Figure pat00022
수학식 4에서
Figure pat00023
는 2차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼,
Figure pat00024
는 1차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼,
Figure pat00025
는 각 LED의 광속을 의미한다.
한편, 상술한 예에서는 수학식 4를 이용하여 1차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼에 각 LED의 광속을 곱하여 2차 정규화한 것으로 예시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 각 LED의 광속을 이용하여 1차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼을 정규화할 수 있는 다양한 방식들을 포함한다.
제어값 생성부(130)는 목표 스펙트럼과 정규화부(120)에 의해 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼을 이용하여 각 LED에 대한 LED 제어값을 생성한다.
구체적으로, 제어값 생성부(130)는, 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 하는 LED 제어값을 생성할 수 있다. 이때, LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼은 아래의 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00026
수학식에서
Figure pat00027
는 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼,
Figure pat00028
는 각 LED에 대한 LED 제어값을 의미한다.
한편, 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리는 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 삼색 자극치(stimulus value of color) 차이를 이용하여 구할 수 있고, 삼색 자극치는 아래 수학식 6을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure pat00029
Figure pat00030
수학식 6에서
Figure pat00031
는 CIE(국제 조명 위원회)에서 제공한 삼색 대응함수,
Figure pat00032
는 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼의 삼색 자극치,
Figure pat00033
는 목표 스펙트럼의 삼색 자극치이다.
한편, 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리는 아래 수학식 7을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00034
수학식 7에서
Figure pat00035
는 목표 스펙트럼의
Figure pat00036
값,
Figure pat00037
는 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼의
Figure pat00038
값을 의미한다.
한편, 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 스펙트럼 거리는 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 벡터 거리일 수 있고, 아래 수학식 8을 이용하여 나타낼 수 있다.
Figure pat00039
한편, 제어값 생성부(130)는 스펙트럼 거리에 가중치를 곱한 값과 색좌표 거리의 합이 최소가 되도록 하는 LED 제어값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어값 생성부(130)는 아래의 수학식 9의 결과 값이 최소가 되도록 각 LED에 대한 LED 제어값
Figure pat00040
를 생성할 수 있다.
Figure pat00041
Figure pat00042
수학식 9에서
Figure pat00043
는 연색성 최적화를 위한 가중치,
Figure pat00044
는 삼색 자극값
Figure pat00045
중
Figure pat00046
값을 의미한다.
이때, 가중치는 연색성을 최적화하기 위해 사용자에 의해 설정되는 값으로 예를 들어,
Figure pat00047
일 수 있으나, 반드시 이에 한정 되는 것은 아니며, 광속에 강인한 적절한 값으로 설정될 수 있다. 또한,
Figure pat00048
값은 목표 광속으로부터 계산된
Figure pat00049
값으로 제한할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 광속에 비례하는 값으로 설정될 수도 있다.
한편, 제어값 생성부(130)에 의해 생성되는 LED 제어값은 각 LED마다 상이할 수 있다. 예를 들어, LED 조명이 4개의 LED로 구성된 경우, 제어값 생성부(130)는 1번 LED의 제어값
Figure pat00050
은 0.1, 2번 LED의 제어값
Figure pat00051
은 0.5, 3번 LED의 제어값
Figure pat00052
은 0.2, 4번 LED의 제어값
Figure pat00053
은 0.15 로 생성할 수 있다.
제어부(140)는 LED 제어값을 이용하여 각 LED의 출력을 제어한다.
예를 들어, LED 조명이 4개의 LED로 구성되었을 때, 제어부(140)는 1번 LED의 제어값(
Figure pat00054
)이 0.1인 경우, 1번 LED의 출력이 10%가 되도록 제어할 수 있고, 2번 LED의 제어값(
Figure pat00055
)이 0.5인 경우, 2번 LED의 출력이 50%가 되도록 제어할 수 있고, 3번 LED의 제어값(
Figure pat00056
)이 0.2인 경우, 3번 LED의 출력이 20%가 되도록 제어할 수 있고, 4번 LED의 제어값(
Figure pat00057
)이 0.15인 경우, 4번 LED의 출력이 15%가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, LED 조명에 포함된 각 LED의 출력을 개별적으로 제어할 수 있고, 결과적으로 사용자가 원하는 색온도를 만족하고 높은 연색성을 가지도록 LED 조명을 최적화할 수 있다.
도 2은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LED 조명 최적화 장치(200)의 구성도이다.
도 2를 참조하면, LED 최적화 장치(200)는 측정부(210)를 더 포함한다. 도 2에 도시된 예에서, 목표 스펙트럼 생성부(110), 정규화부(120), 제어값 생성부(130) 및 제어부(140)는 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성이므로 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.
측정부(210)는 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정부(210)는 LED 조명에서 발생하는 빛으로부터 색온도 및 연색성을 측정할 수 있으며, 이를 위해 측정부(210)는 예를 들어, 조도계와 같이 빛의 색온도 및 연색성을 측정할 수 있는 다양한 형태의 하드웨어 및 소프트웨어들을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(140)는 각 LED에 대한 LED 제어값에 따른 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 CIE에서 제공한
Figure pat00058
색공간(예를 들어, CIE 1931 xy 좌표계)을 이용하여 색온도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 예를 들어, 아래의 수학식 10과 같이 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼의 삼색 자극치를 이용하여
Figure pat00059
색공간에서 치환된 색도좌표(chromaticity coordinate)
Figure pat00060
를 구할 수 있고,
Figure pat00061
색공간에서 색도좌표
Figure pat00062
에 해당하는 색온도를 산출할 수 있다.
Figure pat00063
Figure pat00064
Figure pat00065
한편, 제어부(140)는 예를 들어, CIE에서 제공한 연색성(CRI) 연산 방식을 이용하여 LED 조명의 연색성을 산출할 수 있다. 구체적으로, CIE에서 제공한 연색성(CRI) 연산 방식에 따라 연색성을 산출하기 위해서는 목표 광원과 테스트 광원 간에 색자극(color stimulus)을 비교해야 한다. 이때, 목표 광원은 목표 색온도 및 목표 광속을 만족하는 광원을 의미하고, 테스트 광원은 제어값 생성부(130)에서 생성된 LED 제어값을 이용하여 각 LED를 제어했을 경우의 LED 조명을 의미한다. 한편, 목표 광원과 LED 조명의 색자극은 각각 아래 수학식 11 및 12에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00066
수학식 11에서
Figure pat00067
는 목표 광원의 색자극 스펙트럼,
Figure pat00068
는 TCS(test color sample)의 스펙트럼을 의미한다. 이때, TCS는 CIE에서 제공한 14개의 시험 색견본을 의미하며 연색성을 평가하기 위해 사용된다.
Figure pat00069
수학식 12에서
Figure pat00070
는 LED 조명의 색자극 스펙트럼을 의미한다.
이후, 제어부(140)는 산출된 목표 광원 및 LED 조명의 색자극 스펙트럼을 CIE에서 제공한
Figure pat00071
색공간(color space)에서 좌표로 치환할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 LED 조명의 색도를 목표 광원의 색도로 변경하고(Von Kries transformation), 치환된
Figure pat00072
색공간(color space) 상의 좌표를 이용하여 색차(color difference)를 산출할 수 있다. 이때, 색차(color difference)는 예를 들어, 아래 수학식 13을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure pat00073
수학식 13에서
Figure pat00074
는 목표 광원과 LED 조명 사이의 색차(color difference),
Figure pat00075
,
Figure pat00076
,
Figure pat00077
는
Figure pat00078
색공간(color space)에서 치환된 좌표간의 차이를 의미한다.
이후, 제어부(140)는 목표 광원과 LED 조명 사이의 색차를 이용하여 연색성을 산출할 수 있다. 예를 들어, 연색성은 아래 수학식 14를 이용하여 산출될 수 있다.
Figure pat00079
Figure pat00080
수학식 14에서
Figure pat00081
는 특정 연색성(special CRI),
Figure pat00082
는 일반 연색성(general CRI)을 의미한다. 이때 특정 연색성은 목표 광원과 LED 조명을 14개의 시험 색견본 각각에 비출 때의 연색성을 의미하고, 일반 연색성은 처음 8개의 시험 색 견본을 이용하여 계산된 연색성을 의미한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(140)는 측정된 색온도 및 연색성이 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, 제어값 생성부(130)에 의해 생성된 LED 제어값을 이용하여 LED 조명에 포함된 각 LED의 출력을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교할 수 있고, 비교 결과에 따라 LED 조명에 포함된 각 LED의 출력을 유지하거나 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교한 결과 동일한 경우, 각 LED의 출력을 유지함으로써 LED 조명의 색온도 및 연색성을 유지할 수 있다.
다른 예로, 제어부(140)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교한 결과 상이한 경우, LED 제어값을 이용하여 각 LED의 출력을 제어함으로써 사용자가 원하는 색온도를 만족하고 높은 연색성을 가지도록 LED 조명을 최적화할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 도 1 및 2에 도시된 목표 스펙트럼 생성부(110), 정규화부(120), 제어값 생성부(130), 제어부(140) 및 측정부(210)는 하나 이상의 프로세서 및 그 프로세서와 연결된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체를 포함하는 하나 이상의 컴퓨팅 장치 상에서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 프로세서의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 컴퓨팅 장치 내의 프로세서는 각 컴퓨팅 장치로 하여금 본 명세서에서 기술되는 예시적인 실시예에 따라 동작하도록 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 명령어를 실행할 수 있고, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 명령어는 프로세서에 의해 실행되는 경우 컴퓨팅 장치로 하여금 본 명세서에 기술되는 예시적인 실시예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 방법의 순서도이다.
도 3에 도시된 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 LED 조명 최적화 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, LED 조명 최적화 장치(100)는 목표 색온도 및 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성한다(310).
이때, 목표 색온도 및 목표 광속은 사용자에 의해 입력받을 수 있다.
예를 들어, 사용자는 사용자 디바이스를 통해 목표 색온도 및 목표 광속을 입력할 수 있고 입력된 정보는 LED 조명 최적화 장치로 전송될 수 있다.
이후, LED 조명 최적화 장치(100)는 LED 조명에 포함된 각 LED의 광 스펙트럼을 각 LED의 광속을 이용하여 정규화한다(320).
이후, LED 조명 최적화 장치(100)는 목표 스펙트럼과 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼을 이용하여 각 LED에 대한 LED 제어값을 생성한다(330).
이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, LED 조명 최적화 장치(100)는 목표 스펙트럼과 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 하는 LED 제어값을 생성하되, 최적화 스펙트럼은 상술한 수학식 5를 이용하여 산출할 수 있다.
이후, LED 조명 최적화 장치(100)는 LED 제어값을 이용하여 각 LED의 출력을 제어한다(340).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 목표 스펙트럼 생성 방법의 순서도이다.
도 4에 도시된 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 LED 조명 최적화 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, LED 조명 최적화 장치(100)는 목표 색온도를 통해 기준 백색광원 스펙트럼을 생성한다(410).
이후, LED 조명 최적화 장치(100)는 연산된 기준 백색광원 스펙트럼을 목표 광속으로 정규화하여 목표 스펙트럼을 생성한다(420).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 스펙트럼 정규화 방법의 순서도이다.
도 5에 도시된 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 LED 조명 최적화 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 5를 참조하면, LED 조명 최적화 장치(100)는 각 LED의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화한다(510).
이후, LED 조명 최적화 장치(100)는, 1차 정규화된 각 LED의 광 스펙트럼에 각 LED의 광속을 곱하여 2차 정규화한다(520).
도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LED 조명 최적화 방법(600)의 순서도이다.
도 6에 도시된 방법은 예를 들어, 도 2에 도시된 LED 조명 최적화 장치(200)에 의해 수행될 수 있다.
도 6에 도시된 예에서, 610 단계 내지 640 단계는 도 3에 도시된 310 단계 내지 340 단계와 동일하므로 이에 대한 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.
LED 조명 최적화 장치(200)는 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정할 수 있다(650).
이후, LED 조명 최적화 장치(200)는 LED 제어값에 따른 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출할 수 있다(660).
이후, LED 조명 최적화 장치(200)는 측정된 색온도 및 연색성이 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, LED 제어값에 따라 각 LED의 출력을 제어할 수 있다(640).
이때, LED 조명 최적화 장치(200)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교할 수 있고, 비교 결과에 따라 각 LED의 출력을 유지하거나 제어할 수 있다(670).
예를 들면, LED 조명 최적화 장치(200)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교한 결과 동일한 경우, 각 LED의 출력을 유지할 수 있다.
다른 예로, LED 조명 최적화 장치(200)는 측정된 색온도 및 연색성을 산출된 색온도 및 연색성과 비교한 결과 상이한 경우, LED 제어값을 적용하여 각 LED의 출력을 제어함으로써 사용자가 원하는 색온도를 만족하고 높은 연색성을 가지도록 LED 조명을 최적화할 수 있다.
한편, 도 3 내지 6에 도시된 순서도에서는 상기 방법을 복수 개의 단계로 나누어 기재하였으나, 적어도 일부의 단계들은 순서를 바꾸어 수행되거나, 다른 단계와 결합되어 함께 수행되거나, 생략되거나, 세부 단계들로 나뉘어 수행되거나, 또는 도시되지 않은 하나 이상의 단계가 부가되어 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 기술한 방법들을 컴퓨터상에서 수행하기 위한 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 기록매체를 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 기록매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나, 또는 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상적으로 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체, 플로피 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
도 7a 내지 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 최적화 실험 결과를 나타낸 도면이다. 이때, 실험은 4종의 LED를 이용하였으며 목표 광속을 50lm으로 하고 목표 색온도는 3500K 부터 6500K까지 500K 단위로 증가시키면서 실험하였다.
한편, 도 7a 내지 7g에서 3개의 그래프 중 맨 위 그래프는 각 LED마다 필요한 개수를 의미한다. 구체적으로, 그래프의 가로축은 4종의 LED를 숫자로 번호를 나타낸 것 이며, 그래프의 세로축은 각 LED마다 필요한 개수 수치로 나타낸 것이다. 예를 들어, 도 7a를 참조하면 4종의 LED 모두 그래프에서 세로축의 수치가 1을 나타내고 있으므로 LED 조명을 최적화 하기 위해 4종의 LED 모두 하나씩 필요하다는 것을 의미한다.
또한, 도 7a 내지 7g에서 가운데 그래프는 각 LED마다 생성된 제어값을 의미한다. 구체적으로, 그래프의 가로축은 4종의 LED를 숫자로 번호를 나타낸 것 이며, 그래프의 세로축은 각 LED마다 생성된 제어값을 수치로 나타낸 것이다.
또한, 도 7a 내지 7g에서 맨 아래 그래프는 제어값으로 각 LED를 제어한 LED 조명의 스펙트럼과 목표 스펙트럼을 비교한 그래프를 의미한다. 이때, 그래프의 가로축은 스펙트럼의 파장대역을 의미하며, 그래프의 세로축은 방사전력(radiation power)를 의미한다. 또한, 그래프에서 주황색 선은 LED 조명의 스펙트럼을 의미하고 파란색 선은 목표 스펙트럼을 의미한다.
이때, 도 7a 내지 7g를 참조하면, 도 7a에서는 목표 색온도를 3500K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 95.1929로 산출됐다. 또한, 도 7b에서는 목표 색온도를 4000K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 84.8358로 산출됐다. 또한, 도 7c에서는 목표 색온도를 4500K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 85.2024로 산출됐다. 또한, 도 7d에서는 목표 색온도를 5000K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 85.5685로 산출됐다. 또한, 도 7e에서는 목표 색온도를 5500K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 87.4466로 산출됐다. 또한, 도 7f에서는 목표 색온도를 6000K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 87.8726로 산출됐다. 또한, 도 7g에서는 목표 색온도를 6500K로 설정하였으며, 이에 따른 연색성(Ra)은 88.7525로 산출됐다. 결과적으로, 연색성은 대부분 85이상으로 높은 값이 나왔고 최대 95.1929까지 나왔다. 또한, 목표 스펙트럼과 LED 조명의 스펙트럼을 비교한 그래프에서 LED 조명의 스펙트럼이 목표 스펙트럼과 유사한 형태를 나타내고 있는 것에 비추어, 본 발명의 실시예에 따라 LED 조명을 사용자가 원하는 색온도를 만족하고 높은 연색성을 가질 수 있도록 최적화할 수 있음을 알 수 있다.
한편, LED 조명 최적화 실험을 위해 설정한 LED 종류의 개수, 광속 및 색온도는 반드시 도 7a 내지 7g에 도시된 예에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 다양한 값으로 변형 가능함을 유의하여야 한다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 300: LED 조명 최적화 장치
110: 목표 스펙트럼 생성부
120: 정규화부
130: 제어값 생성부
140: 제어부
210: 측정부

Claims (16)

  1. 목표 색온도와 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성하는 목표 스펙트럼 생성부;
    LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼을 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 이용하여 정규화하는 정규화부;
    상기 목표 스펙트럼과 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 광 스펙트럼을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각에 대한 LED 제어값을 생성하는 제어값 생성부; 및
    상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는, LED 조명 최적화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 LED는, 각각의 광 스펙트럼의 파장대역이 상이한, LED 조명 최적화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 목표 스펙트럼 생성부는, 상기 목표 색온도를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성하고, 상기 기준 백색광원 스펙트럼을 상기 목표 광속을 기준으로 정규화하여 상기 목표 스펙트럼을 생성하는, LED 조명 최적화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 정규화부는, 상기 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화하고, 상기 1차 정규화된 광 스펙트럼에 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 곱하여 2차 정규화하는, LED 조명 최적화 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어값 생성부는, 상기 목표 스펙트럼과 상기 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 상기 LED 제어값을 생성하되, 상기 최적화 스펙트럼은 아래의 수학식
    Figure pat00083
    ,
    Figure pat00084

    (이때,
    Figure pat00085
    는 상기 최적화 스펙트럼,
    Figure pat00086
    는 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 광 스펙트럼,
    Figure pat00087
    는 상기 LED 제어값)을 이용하여 산출되는, LED 조명 최적화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정하는 측정부를 더 포함하는, LED 조명 최적화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 LED 제어값에 따른 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출하는, LED 조명 최적화 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 측정된 색온도 및 연색성이 상기 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, 상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는, LED 조명 최적화 장치.
  9. 목표 색온도와 목표 광속에 기초하여 목표 스펙트럼을 생성하는 단계;
    LED 조명에 포함된 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼을 상기 하나 이상의 LED 각각의 LED 광속을 이용하여 정규화하는 단계;
    상기 목표 스펙트럼과 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 LED 광 스펙트럼을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각에 대한 LED 제어값을 생성하는 단계; 및
    상기 LED 제어값을 이용하여 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는 단계를 포함하는, LED 조명 최적화 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 LED는, 각각의 광 스펙트럼의 파장대역이 상이한, LED 조명 최적화 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 목표 스펙트럼을 생성하는 단계는, 상기 목표 색온도를 이용하여 기준 백색광원 스펙트럼을 생성하고, 상기 기준 백색광원 스펙트럼을 상기 목표 광속을 기준으로 정규화하여 상기 목표 스펙트럼을 생성하는, LED 조명 최적화 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 정규화하는 단계는, 상기 하나 이상의 LED 각각의 광 스펙트럼이 기 설정된 범위내의 값을 가지도록 1차 정규화하고, 상기 1차 정규화된 광 스펙트럼에 상기 하나 이상의 LED 각각의 광속을 곱하여 2차 정규화하는, LED 조명 최적화 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 LED 제어값을 생성하는 단계는, 상기 목표 스펙트럼과 상기 LED 조명에 대한 최적화 스펙트럼 사이의 색좌표 거리 및 스펙트럼 거리의 가중치 합이 최소가 되도록 상기 LED 제어값을 생성하되, 상기 최적화 스펙트럼은 아래의 수학식
    Figure pat00088
    ,
    Figure pat00089

    (이때,
    Figure pat00090
    는 상기 최적화 스펙트럼,
    Figure pat00091
    는 상기 하나 이상의 LED 각각의 정규화된 광 스펙트럼,
    Figure pat00092
    는 상기 LED 제어값)을 이용하여 산출되는, LED 조명 최적화 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 측정하는 단계를 더 포함하는, LED 조명 최적화 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 LED 제어값에 따른 상기 LED 조명의 색온도 및 연색성을 산출하는 단계를 더 포함하는, LED 조명 최적화 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어하는 단계는, 상기 측정된 색온도 및 연색성이 상기 산출된 색온도 및 연색성과 상이한 경우, 상기 생성된 LED 제어값에 따라 상기 하나 이상의 LED 각각의 출력을 제어하는, LED 조명 최적화 방법.

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