TWI482533B - 用以維持螢光燈恆定色溫之方法與裝置 - Google Patents

Description

用以維持螢光燈恆定色溫之方法與裝置

本案係根據於2008年9月9日提出申請序號61/095,595的美國臨時申請案所請求的非臨時優先權。

發明領域

本案尤指一種具有亮度調節的螢光燈系統。

發明背景

螢光燈在過去20年已引領風騷作為一個用於動畫生產及其他彩色關鍵影像應用的光源。諸多低耗電量、低發熱、重量輕的固定設計、靜音點燈器以及高顯色性燈泡的優點均為該科技廣為業界所接受的主因。

近期穩定亮度調節科技的導入已帶給影像工業中照明專業人員一個不曾預見的問題。那就是當螢光燈亮度被調節時，燈在色溫上會偏差。這種色溫偏差與調節一白熾燈泡時卻極為不同。此差別最好是視為或理解為當比較此二種光源在一CIE色域中的色彩追蹤點。CIE(1931)色域具有一黑體色溫曲線或普朗克軌跡。該曲線定義一黑體發光體的色溫，舉例而言，一燈絲當其從自黑暗點亮直到最終亮度或工作電壓。以照相術語來言，底片上將看到一個燈從一深橘色光變成在最亮調暗器設定時的白光。另一方面，螢光燈並不遵循普朗克曲線。當被調暗時，螢光燈會偏離該曲線並落於其下方。這是一個定義在光譜中紫紅色量的CIE色域區域。當調節一螢光燈時，在光譜中的唯一色差即落在綠色/紫紅色範圍內。既然相關色溫係一數學計算，螢光燈不像白熾燈，當事實上其色溫在低於普朗克曲線下僅沿著一縱軸偏移時，其可表達成溫度的下降。

白熾燈的色溫差遠大於螢光燈。舉例而言，以照相術語而言，在白熾燈下一個四倍光圈係數的調暗範圍會導致色溫自絕對溫度3200度降到2164度，共下降1036度。在綠色/紫紅色光譜中並無色差。在螢光燈下，相同的調暗範圍會導致色溫自絕對溫度3200度降到2735度，共下降465度，然而在綠色光譜中卻有顯著的減少。

這種在綠色的光譜偏移導致數位相機或底片科技不正確的顯色，這現象在膚色上尤其顯著。舉例而言，一個較多紫紅色的光源使一白膚色顯得不似其在一調暗的白熾燈下般地溫暖而呈現不自然的紫紅色。如果膚色在後製作中被電子化修改，被一未調暗螢光燈照亮的背景影像將呈現綠色，這種現象的確是不能被接受。

為了理解色差，了解一螢光燈如何被點亮的技術將是重要的。一個螢光燈係由施加多種不同磷光劑於一管狀光源的內壁所製成。當曝露於紫外光下，螢光劑會發亮。此種螢光燈可透過水銀蒸氣在一管狀燈中建立一電漿弧流來製成。電漿弧係一建立於在燈兩相對端處的兩電極間的電子流。如果僅是該電漿弧流可被看見，其將顯現出一藍綠光。在一光譜分佈表上，電漿弧將顯現出大約在550nm範圍的一極高能量尖峰。

一螢光燈的正確顯色性被定義及特別設為在其最大光輸出時。這也是螢光燈經歷最高水銀蒸氣壓之處，同時也是當電漿弧在其最藍/綠及螢光燈在其最亮的時候。

如同白熾燈，當一螢光燈被調暗時，光輸出及絕對溫度均下降。與白熾燈不同的是當螢光燈降溫時，燈內水銀蒸氣壓降會導致綠色光譜及整體色溫的降低。綠色的降低使螢光燈顯得更紫紅色。攝影師會使用一攝影用色溫計，例如一手執式Minolta色溫計或一Sekonic色溫計，來量測色溫降。這些色溫計會計算把光線帶回至調暗前光譜所需要添加綠光過濾的數量。

螢光燈有一段很長的歷史使用修色膠來吸收部份在底片上不準確顯色的光譜。直接應用於一燈具的修色膠或過濾器的缺點則是光顯現於修色膠或過濾器上的色澤。亦即是，人眼較現今可正確顯示或看見光線的影像科技更能感受到有色的修色膠。這將妨礙藝術從業人士，例如藝術指導或電影攝影師，準確評估或理解究竟色彩及色調範圍如何會在底片上再生或數位化。

已知由習知技藝(例如，美國第7,014,336號專利)提供一批表現可見光範圍的發光二極體，可被個別地衰減以模擬現有不同光源及其不同的光譜曲線。此專利也顯示一充滿多個發光二極體的管狀光源以模擬及被用在一個螢光燈管之處。此專利也揭露一光譜上監控一已知光源的系統並接著利用一陣列表示可見光範圍的發光二極體外推以得到一相符的光譜。然而，此專利似乎並不包含相關於改進一調暗螢光燈色溫表現的任何教示，使在該燈被調暗時其色彩光譜及色溫可被維持，或在其他情形用來修正來自一螢光燈的光輸出。

在加州柏本的金像獎獲獎公司-Kino Flo照明系統為了多種不同影像應用所發展出準確顯色的全光譜螢光燈。這些螢光燈消除多數用於具有缺陷光譜的建築燈上的色彩修正過濾。業界已注意到當螢光燈調暗時，其在色溫上會變動且光線輸出會下降。因為各燈具可被調暗至一不同的等級，色彩變動程度會依燈具而顯著不同。對一燈光指導要加修色膠或濾色器至所有調暗的燈具將需要相當多的時間及費用方可判斷所需的濾色程度。由於膠化所致的光變色使得藝術從業人士更不想調暗螢光燈。因此，調暗螢光燈具亮度在大多數影片及電視燈光專業人士中眼中接收度不高。

發明概要

本發明闡明消除用修色膠來修正因調整螢光燈變動光譜的需求，其允許螢光燈被調暗但可維持一固定光譜分佈及色溫。本發明也利用螢光燈管壁作為散光器以掩藏多餘的光源。當直視燈具時，本發明防止眼睛看見如同使用局部施加的濾光器且當所需光譜部分被維持時的多餘不同光源或感覺到一變色偏移。

本發明利用位在一反射體一側具有綠色波長550nm的一光源以及位於反射體另一側的一螢光燈或複數個螢光燈。在反射體中的洞允許來自綠色波長550nm光源的光線穿過該單一螢光燈或複數個螢光燈。本發明更包括一調整相關於螢光燈調暗程度的綠光源光強度的照明控制機制。

該反射體具有多個位於沿著燈軸線的小縫隙或小孔使綠光可穿透反射體。該等反射體孔作為一導光體且將光線集中在中心線或燈軸線上使該螢光燈可吸收綠光。綠光並非直接從燈具照射出而會被看燈具的人所看見。螢光燈的白色螢光塗層作為一散光器。

該陣列可利用複數個綠光發光二極體或顯示一個具有對齊於該螢光燈光譜峰值的一光譜峰值的小而窄螢光燈。此光譜峰值通常落在或大約545至550nm。當螢光燈被調暗時，燈內的水銀壓降會影響到光譜的綠光部份。當綠光譜被減少時，一個控制迴路加入該綠光源以補償在調暗螢光燈時光譜減弱的部份。

圖式簡單說明

第1圖：係一顯示一螢光燈完全點亮時光譜峰值之一圖表；第2圖：係顯示安排在一金屬基板上附加於一用於一螢光燈系統之反射體之一陣列或矩陣式綠光發光二極體；第3圖：係顯示導光體偏光板或小孔的細部；第3A圖：係顯示在第3圖顯示發光二極體之橢圓形孔中A的細部；第4A圖：係顯示一反射體的側視圖及位於該反射體下之發光二極體；第4B圖：係顯示一反射體的端視圖及位於該反射體下之發光二極體；第5圖：係顯示一透明反射體的一頂視圖及位於該反射體下之發光二極體陣列；第6圖：係根據本發明一利用一或更多感應器及一微處理器之一實施例顯示一用於一調暗螢光燈之一發光二極體驅動器電路之一示意圖；第7圖：係根據本發明一利用一手調分壓器之一實施例顯示一用於一調暗螢光燈之一發光二極體驅動器電路之一示意圖。

較佳實施例之詳細說明

請參閱第1圖，一用於動畫工業型態的螢光燈被施與其被設計的全電壓具有接近在波長550nm對人眼看似綠色的光度峰值。當該燈被調暗時，波長550nm光譜線的光度會減弱。此及所導致的水銀壓降會造成該螢光燈色溫從較綠變至較紫紅。

於是，為補償此種偏移，需要加入光線至該綠光譜。

由於該螢光燈必須作為一散光器，故該綠光源的位置相當重要。該綠光源必須敏銳地混合及吸納螢光燈的光。如果直射綠光自燈具射出，其對人眼顯得較攝影機所錄製的更綠。人眼感受綠色優於錄製科技，且會阻礙可見色感覺及色彩關係評量。

雖然此敘述強調使用一用於補償當一螢光燈被調暗時的色溫偏移的綠光源，經由一螢光燈混合有色光的本發明亦可修改部分螢光燈光譜使其被應用於其他狀況。舉例而言，一些有顯示上光譜缺陷的較低價燈具當用於影像應用時可添加或補償其缺乏部份而得以改善。這部份可使用本發明整合紅、綠及/或藍光源以及調整其光強度以近似於當使用相關於在此所敘述燈具所缺的光譜。舉例而言，一個具有紅、藍及綠色成分且其色彩可被施加的控制信號所控制的多色光源而非一綠色光源可被使用。這種多色發光二極體及程式控制這類發光二極體為熟習該技藝人士所清楚明瞭。

調暗螢光燈可引來閃爍的燈光或錄製移動影像時感受到的閃爍燈光。一共同的調暗技術係運用相移調暗原理以衰減光強度，但必須小心確保一調暗操作上夠高的頻率以避免攝影時的光閃爍。然而，此螢光燈調暗技術為眾所週知，故不在此贅述。

為便利起見，在下列敘述中，雖發光二極體作為一例，但其他可產生在一所需波長的有色光光源亦可採用。下列敘述關於一綠光發光二極體，被用來當做補償當一螢光燈被調暗時綠色偏移的實施例。然而，運用其他色彩的發光二極體或多色發光二極體在該螢光燈輸出的光可被根據採用特定發光二極體及其所產生的色彩修改的情況下亦為可能。

請參閱第2圖，一陣列的綠光源，譬如發光二極體(21)，被安排在一基板(23)上。該基板的長度應接近需要補償的螢光燈長度，且發光二極體大體上等距間隔。該等發光二極體應選自可產生在波長大約550nm對人眼顯現為綠色光的 發光二極體。

請參閱第3圖，其係顯示一被使用於與螢光燈相關種類的反射體(31)。然而，該反射體(31)被修改成包括在第3a圖中細部圖可清楚看見的小孔(33)。該等小孔應被間隔使其對應基板(23)上該等發光二極體(21)的間距。一小孔(35)亦可供作為與相關於下述第4a、4b及5圖的一感應器。

第4a圖顯示一具有發光二極體21設於其上以與小孔(33)對齊的反射體(31)的一側視圖。雖然在第4a圖不可能看見小孔(33)，該等小孔(33)及發光二極體(21)必須對齊，使自發光二極體發出的光可穿過該等小孔(33)。另第4a及4b圖所示為螢光燈(41)及感應器(45)。第4a圖自側面顯示該螢光燈(41)及該反射體(31)的安排，第4b圖除其由一端顯示螢光燈(41)外與第4a圖相似。其相關之處為，應注意的是雖以一對燈管顯示，各螢光燈(41)構成一稱為小型螢光燈的單一燈具。因為此原因，小孔及發光二極體僅需沿著形成一單一小型螢光燈的該對螢光管之一對齊即可。然而，既然任何類的螢光燈可被使用，本發明並非僅限於小型螢光燈的使用。此外，雖未顯示，熟悉該技藝人士將認出電源係經由自螢光燈兩端延伸出的管腳被提供，並且一調暗控制器用來控制供給該燈的電量。

在另一實施例中，發光二極體及感應器不必設於一反射體的一邊上，在發光二極體及感應器可被直接附加在燈上狀況下，本發明不需使用一反射體而可被實施。唯一的要求則是發光二極體須被安排使其所放出的光係由該螢光 燈所發散。

請參閱第6圖，交流電壓被用在一供應全體直流電壓給該電路子元件的電源供應器(63)。一微處理器(65)被用來產生一施加於一發光二極體驅動線路(71)的脈波寬度調變控制信號。該微處理器根據接收自一色彩感應器(67)及/或一亮度感應器(69)的輸入提供該功能。該調變信號經由變動該發光二極體亮度的該發光二極體驅動線路(71)來控制施加於基板(23)上之該等發光二極體的電量，而其中基板23為一發光二極體印刷佈線板(PWB)。

該亮度感應器用作正回饋至該微處理器以確保當一調暗控制器(未顯示)被操控時，該等發光二極體產生螢光燈在一適宜亮度的光。

在一實施例中，該色彩感應器(67)及亮度感應器(69)運用一單一元件，例如Avago Technologies提供的一AV02-0191EN ADJD感應器，來實施。或者，一由Photonic Dectectors所提供偵測波長在550nm±10nm的的光二極體感應器可被使用。雖然有四個燈管而僅有單一感應器被顯示，一個燈管所測到的光譜偏移可應用於所有的燈管。

該光感應器/光譜量測感應器評估被螢光燈所產生的光譜，且該程式化的微處理器調整綠光源的亮度以維持一固定色溫。相關部份中，所需程式的細節將視所採的特定感應器及驅動電路而定。此細節對適切了解本發明並非需要，且亦在熟悉該技藝人士的能力範圍內。同樣地，當用來提供色彩補償時，不是該程式化的微處理器調節該綠光源，而是自感 應器(67)及/或(69)的回饋被提供至該被程式化產生一被該發光二極體驅動電路(71)所使用的一控制信號的該微處理器供電至該等發光二極體，導致提供一色彩的該等發光二極體當被該螢光燈分散光時導致所需色彩補償。

另一較簡單的機構(未顯示)將提供一控制迴路以監控來自一應用於一微處理器的一調暗控制器(未顯示)的螢光燈電流或亮度，該處理器利用由該調暗控制器提供的該等資訊來控制該發光二極體驅動線路。雖然這可避免使用一感應器，因其根據來自該調暗器的一輸入而非來自螢光燈的輸出，其修正可能不準確。

請參閱第7圖，一分壓器(73)而非在第6圖中的該微處理器及感應器的安排被利用直接控制該發光二極體驅動線路(71)。在此例中，螢光燈調暗控制器可利用，例如對應四個位置的許多棘爪、完全燈光輸出、一倍光圈係數調暗、兩倍光圈係數調暗及三倍光圈係數調暗來設定。在分壓器上的設定可設定為對應該四個可能調暗控制器設定。

雖然特定實施細節在此被提出，此細節不應解釋為限制本根據下列申請專利範圍所定義的發明範疇。

21‧‧‧發光二極體

23‧‧‧基板

31‧‧‧反射體

33、35‧‧‧小孔

41‧‧‧螢光燈

45‧‧‧感應器

61‧‧‧發光二極體電源箱

65‧‧‧微處理器

63‧‧‧電源供應器

69‧‧‧亮度感應器

67‧‧‧色彩感應器

73‧‧‧分壓器

71‧‧‧發光二極體驅動線路

第1圖：係一顯示一螢光燈完全點亮時光譜峰值之一圖表；第2圖：係顯示安排在一金屬基板上附加於一用於一螢光燈系統之反射體之一陣列或矩陣式綠光發光二極體；第3圖：係顯示導光體偏光板或小孔的細部； 第3A圖：係顯示在第3圖顯示發光二極體之橢圓形孔中A的細部；第4A圖：係顯示一反射體的側視圖及位於該反射體下之發光二極體；第4B圖：係顯示一反射體的端視圖及位於該反射體下之發光二極體；第5圖：係顯示一透明反射體的一頂視圖及位於該反射體下之發光二極體陣列；第6圖：係根據本發明一利用一或更多感應器及一微處理器之一實施例顯示一用於一調暗螢光燈之一發光二極體驅動器電路之一示意圖；第7圖：係根據本發明一利用一手調分壓器之一實施例顯示一用於一調暗螢光燈之一發光二極體驅動器電路之一示意圖。

23．．．基板

61．．．發光二極體電源箱

63．．．電源供應器

65．．．微處理器

67．．．色彩感應器

69．．．亮度感應器

71．．．發光二極體驅動線路

Claims (17)

1. 一種用以改善螢光燈之色彩表現的系統，包含有：一具有一小孔之反射體；一光源，其相對於一螢光燈及該小孔設置，使得該螢光燈擴散發自該光源而穿過該小孔的光；以及一控制該光源之亮度的控制器，使來自該螢光燈之擴散光的一色溫維持在一預定水平。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該小孔對於該光源作為一導光體。
3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該感應器係設置接近該反射體中的一感應器小孔，該感應器小孔係與該螢光燈的一軸線對齊。
4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中當該螢光燈被調暗時，該螢光燈的該色溫被維持。
5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該光源具有一預定波長。
6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該預定波長係550nm。
7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該控制器包含有：設置來測定該螢光燈的色彩及亮度的至少一者的一感應器；耦接至該感應器且組配來產生一控制信號的一微處理器；以及耦接至該微處理器及該光源的一驅動器電路，該驅動器電路使用該控制信號提供一電量至該光源，以維持 來自該螢光燈之光的色溫在該預定水平。
8. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該感應器係一色彩及亮度組合感應器。
9. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該感應器係一光二極體。
10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該控制器包含有：一分壓器；一驅動器電路，其耦接至該分壓器及該光源，該驅動器電路使用來自該分壓器之一控制信號提供一電量至該光源，以維持來自該螢光燈之光的色溫在該預定水平。
11. 一種用以改善螢光燈之色彩表現的方法，包含有下列步驟：提供一光源；使該光源發射穿過一反射體中之一小孔，該小孔導引來自該光源的光，而使來自該光源的光穿過該螢光燈，且該螢光燈擴散自該光源發出且穿過該小孔的光；以及控制該光源的亮度，使來自該螢光燈之擴散光的一色溫維持在一預定水平。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中當該螢光燈被調暗時，該螢光燈的該色溫被維持。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該光源具有一預定波長。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該預定波長係550nm。
15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該控制步驟包含有：設置一感應器以測定該螢光燈的色彩及亮度的至少其中一者；利用該色彩及亮度中所測定的至少其中一者來產生一控制信號；以及利用該控制信號提供一電量至該光源，以維持來自該螢光燈之光的色溫在該預定水平。
16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該感應器係設置鄰近該反射體中的一感應器小孔，該感應器小孔與該螢光燈之一軸線對齊。
17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該控制步驟包含有：利用來自一分壓器的一控制信號提供一電量至該光源，以維持來自該螢光燈之光的色溫在該預定水平。