TWI815511B

TWI815511B - 環境光源之擬真系統及方法

Info

Publication number: TWI815511B
Application number: TW111122894A
Authority: TW
Inventors: 彭信衡; 柯博文
Original assignee: 昇尚光電科技有限公司
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2023-09-11
Also published as: TW202402099A

Abstract

一種環境光源之擬真系統包括至少一四基色LED燈、一微控制器及提供兩者電力之一電源供應器；一種環境光源之擬真方法包括(a)量測各日光時間的光譜及四基色LED燈之各色光的光譜；(b)利用該微控制器接收量測之光譜並進行四基色LED燈之各色光的光強度模擬計算；(c)利用該微控制器計算出兩個時間區間時四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間；以及(d)依據計算結果藉由該微控制器啟動上述所計算之對應的脈寬調變(PWM)值，使輸入該驅動電路相對應的電壓電流，以達成漸增(減)光色及光強度的目的，以使模擬光源隨日光時間逐漸變化光色及光強度。

Description

環境光源之擬真系統及方法

本發明係一種環境光源之擬真系統及方法方面的技術領域，尤指一種可使室內燈光能隨時間產生自然陽光之光色與及光強度的漸變擬真效果，以確保室內生活之人的身體及心理的健康之環境光源之擬真系統及方法者。

現代人因為生活型態與居住環境的種種限制，除了休息與睡眠以外，許多日常活動也都幾乎是在建築物中進行，包括上班、上學或者是多數休閒活動。因此，很少機會可以充分接觸到自然陽光，即使有機會走到戶外，有些人因為觀念的偏差，也會用各種方法盡量阻擋陽光。事實上，陽光是所有生物包括人類能在地球上生存與生長最重要也是最基本的條件之一。自然陽光具有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫均衡且完整波長和能量，可以穿透人體皮膚，進入人體內與各種化學物質、礦物質發生互動及反應，協助體內各項必需營養物質的合成，以及各種不同類型廢物的分解與排出體外。因此，陽光不僅對於植物生長有著關鍵性的影響力，同樣的對於人類的健康也具有相當的決定性。現代科學的研究結果證明自然的陽光會增加人體對氧氣的吸收、降低心跳的速度、加速皮膚的新陳代謝，調節人體免疫功能，甚至改善肌肉的能量。同時全光譜的光源也具有殺菌的功能。而且，自然陽光對於兒童骨骼肌肉成長，以及預防中老年人的骨質疏鬆有相當大的幫助。而另一方面，陽光也會直接影響人類心理與情緒健康。

雖然現在大家的生活條件與環境在各方面都較過去進步許多，但有些所謂的進步卻相對的帶來一些對身體健康負面的影響。例如，現今生活中，因為電視及電腦的普及，以致人們花在電視及電腦螢幕前的時間愈來愈長，走向戶外時間愈來愈少。因此，室內人工照明幾乎取代了自然光，人體不僅犧牲了全光譜自然光對健康的幫助，也因為常常坐在電腦螢幕前數小時，造成眼睛極大的負擔。而傳統的室內照明光源，能提供光源之光譜較單一。如果我們長期處在不均衡的室內光源之下，不僅對身體健康沒有幫助，也會感到精神無法集中、疲倦、壓力大，甚至產生焦慮感。

目前雖有業者開發出仿自然陽光之全光譜燈具，然而其卻僅只能模擬固定光譜之光源，即僅只能發出固定光色及光強度之燈光。然而，在一天中自然陽光之光譜是會隨著時間時時在改變的，即隨著時間變化，日出、早晨、中午、下午、黃昏及日落時之自然陽光的光色及光強度皆不會相同，因此習知僅能模擬單一光譜之照明燈具對人的身體及心理健康的改善係非常有限。

有鑑於此，本發明人乃積極努力研究，經多次試驗與改良，終於發展出能解決上述問題而具有實用性效能之本發明。

本發明之主要目的係在於解決習知仿自然陽光之全光譜燈具僅只能模擬單一之固定光譜的光源，而無法使光色及光強度隨時間逐漸變化，導致其對人的身體及心理健康的改善效果不佳等之問題。

本發明所述之環境光源之擬真系統，係包括至少一四基色LED燈、一微控制器及一電源供應器。其中，該四基色LED燈係包含複數白色發光單元、複數紅色發光單元、複數藍色發光單元、複數綠色發光單元及與上述複數發光單元電性連接之一驅動電路，且可透過輸入該驅動電路之電壓及電流控制該些發光單元之光強度以混和出各時間段的全光譜效果。該微控制器係可接收並儲存量測各日光時間的光譜及量測四基色LED燈之各色光的光譜，然後由上述光譜計算出四基色LED燈各色光模擬出各日光時間相對應波長之光強度的脈寬調變(PWM)值，再依選取之日光時間計算出於該日光時間中該四基色LED燈各色光模擬相對應日光光譜之脈寬調變(PWM)值每單位的變化(增減)時間，並據其結果將相對應的電壓、電流輸入該四基色LED燈的該驅動電路中，使該四基色LED燈模擬出該日光時間發出相對應光色及光強度的漸變效果，進而達到環境光源擬真變化之目的。該電源供應器係提供該四基色LED燈及該微控制器電力。

本發明所述之環境光源之擬真方法，係包括(a)量測：包含(a1)量測各日光時間的光譜及(a2)量測四基色LED燈之各色光的光譜；(b)四基色LED燈之各色光的光強度模擬計算：利用一微控制器接收及儲存(a)步驟所量測取得之光譜並進行四基色LED燈之各色光的光強度模擬計算；(c)四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間的計算：利用該微控制器計算出兩個時間區間時四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間的計算；以及(d)執行：依據上述計算結果，藉由該微控制器啟動上述所計算之相對應的脈寬調變(PWM)值，使輸入該驅動電路相對應的電壓電流，以達成漸增(減)光色及光強度的目的，當該微控制器不間斷執行脈寬調變(PWM)值時，即可使該四基色LED燈的模擬光源隨日光時間逐漸變化光色及光強度，以達到擬真之效果。

本發明所提供之環境光源之擬真系統及方法，係可藉由上述特殊之系統及方法而使該四基色LED燈(室內燈光)能隨時間產生自然光之光色與及光強度的漸變擬真效果，以確保室內生活之人的身體及心理的健康。

10:四基色LED燈

11:白色發光單元

12:紅色發光單元

13:藍色發光單元

14:綠色發光單元

15:驅動電路

20:微控制器

21:中央處理器

22:輸入/輸出界面

23:記憶體

24:計時器

30:電源供應器

〔圖1〕係本發明之系統架構示意圖。

〔圖2〕係本發明之擬真方法的方塊圖。

〔圖3〕係本發明量測中午時間的光譜。

〔圖4〕係本發明之四基色LED燈中白光的光譜圖(積分球)。

〔圖5〕係本發明之四基色中LED燈中紅光的光譜圖(積分球)。

〔圖6〕係本發明之四基色中LED燈中藍光的光譜圖(積分球)。

〔圖7〕係本發明之四基色中LED燈中綠光的光譜圖(積分球)。

〔圖8〕係本發明之四基色中LED燈中白光的光譜圖(光譜儀)。

〔圖9〕係本發明之四基色中LED燈中各色光的光強度峰值表。

〔圖10〕係本發明中午時間之四基色LED燈中各色光的光強度模擬表。

請參閱圖1所示，係顯示本發明所述之環境光源之擬真系統包括至少一四基色LED燈10、一微控制器(MCU)20及一電源供應器30，其中：

該四基色LED燈10，係包含可發出白光之複數白色發光單元(W)11、可發出紅光之複數紅色發光單元(R)12、可發出藍光之複數藍色發光單元(B)13、可發出綠光之複數綠色發光單元(G)14及與上述複數發光單元電性連接之一驅動電路15，且可透過輸入該驅動電路15之電壓及電流控制該複數白色發光單元11、該複數紅色發光單元12、該複數藍色發光單元13或該複數綠色發光單元14之光強度以混和出各時間段的全光譜效果。以上所述之發光單元係指LED晶片。

該微控制器20，係包含有一中央處理器(CPU)21、至少一輸入/輸出界面(I/O)22、至少一記憶體23及一計時器24。該微控制器20可接收並儲存量測各日光時間的光譜及量測四基色LED燈10之各色光的光譜，然後由上述光譜計算出四基色LED燈10各色光模擬出各日光時間相對應波長之光強度的脈寬調變(PWM)值，再依選取之日光時間計算出於該日光時間中該四基色LED燈10各色光模擬相對應日光光譜之脈寬調變(PWM)值每單位的變化(增減)時間，並據其結果將相對應的電壓、電流輸入該四基色LED燈10的該驅動電路15中，使該四基色LED燈10模擬出該日光時間發出相對應光色及光強度的漸變效果，進而達到環境光源擬真變化之目的。

該電源供應器30，係提供該四基色LED燈10及該微控制器20電力。

請參閱圖2所示，係顯示本發明所述之環境光源之擬真方法，包括：

(a)量測：包含(a1)量測各日光時間的光譜，係利用光譜儀量測某地、某季、某時之日光時間的光譜，例如：量測北緯某、東經某、夏季某天之日出(sunrise)5：00、早晨(morning)7：00、中午(noon)11：00、下午(afternoon)15：00、黃昏(dusk)17：50及日落(sunset)18：00之光譜，其中，中午(noon)11：00的光譜如圖3所示；(a2)量測四基色LED燈之各色光的光譜，如圖4~圖8所示，該四基色LED燈包含4000K白光(W)、波長620nm~700nm紅光(R)、波長450nm~470nm藍光(B)、波長470nm~530nm綠光(G)之複數發光單元及與該複數發光單元電性連接之一驅動電路，且各色光可藉由輸入該驅動電路之電流賦予脈寬調變(PWM)值來決定各色光的光強度以混合出各時間段的全光譜效果；

(b)四基色LED燈之各色光的光強度模擬計算：利用一微控制器接收及儲存(a)步驟所量測取得之光譜並進行四基色LED燈之各色光的光強度模擬計算，其中該微控制器係包含有一中央處理器(CPU)、至少一輸入/輸出界面(I/O)、至少一記憶體及一計時器；(b1)以該四基色LED燈之各色光的波峰值設為日光之模擬基準波長，由圖4~圖7可看出白光、紅光、藍光及綠光之模擬基準波長分別為(580nm、620nm、450nm、500nm)，其中白光之主波段在578.4nm，故選定580nm作為模擬基準波長；(b2)由(a1)步驟取得之日光光譜可得出相對應模擬基準波長的光強度，例如：由圖3可得出中午時(580nm、620nm、450nm、500nm)這四個模擬基準波長的日光的光強度為(0.75、1、1、0.9)；(b3)由日光光譜得出相對應模擬基準波長的光強度計算出該四基色LED燈之各色光的光強度及其相對應脈寬調變(PWM)值，其公式為：k=1 to 4，，其中k為模擬基準波長之數量(因為四基色故為1 to 4)，ADi_k為特定時間之日光光譜中模擬基準波長的光強度，ALi_k為四基色LED燈在特定模擬基準波長的光強度，AWi_k 為四基色LED燈之白光於特定模擬基準波長的光強度，ARi_k為四基色LED燈之紅光於特定模擬基準波長的光強度，ABi_k為四基色LED燈之藍光於特定模擬基準波長的光強度，AGi_k為四基色LED燈之綠光於特定模擬基準波長的光強度；例如：將四基色LED燈之四色光的最大電流值設定為(1,1,1,1)時，脈寬調變(PWM)值定義為(250,250,250,250)，配合圖8之光譜，係可得該四基色LED燈在各模擬基準波長的光強度峰值(如圖9所示)，由(b2)步驟得知的中午時間之四模擬基準波長的光強度(0.75、1、1、0.9)及圖8得知的四基色LED燈的白光之四模擬基準波長的光強度(0.54、0.6、1、0.9)[中午時間白光在波長580nm為最強脈寬調變(PWM)值為250，其於450nm、500nm、620nm的光強度分別為0,54、0.6、0.9]，再配合(b3)步驟的公式可求得中午時間四基色LED燈的紅光、藍光及綠光之四模擬基準波長的光強度以及中午之四基色LED燈之各色光模擬之脈寬調變(PWM)值為(250、0、53、100)，由相同方法亦可算出其它時間之脈寬調變(PWM)值，如可算出早晨時間7：00四基色LED燈之各色光模擬的脈寬調變(PWM)值為(168、50、7、90)；

(c)四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間的計算：利用該微控制器計算出兩個時間區間時四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間；(c1)計算兩相鄰時間間隔之四基色LED燈之各色光模擬的脈寬調變(PWM)值差，公式為：(△Wi,△Ri,△Bi,△Gi)=(W_i+1-W_i,R_i+1-R_i,B_i+1-B_i,G_i+1-G_i)，例如早晨時間7：00~中午時間11：00，(△Wi,△Ri,△Bi,△Gi)=(250-168,0-50,53-7,100-90)=(82,-50,46,10)；(c2)計算兩相時間之間的間隔時間，公式為：△T=T_i+1-T_i，例如7：00~11：00，11：00-7：00=4hr=240=14400sec；(c3)計算兩相鄰時間中四基色LED燈之各色光的脈寬調變(PWM)值的單位變化時間，公式為：(△T_W，△T_R，△T_B，△T_G)=(△T/△Wi,△T/△Ri,△T/△Bi,△T/△Gi)，例如(△T_W，△T_R，△T_B，△T_G)=(14400/82,14400/-50,14400/46,14400/10)=(176,-288,313,1440)，即表示白光每176秒PWM增加1、紅光每288秒PWM減少1，藍光每313秒PWM增加1，綠光每1440秒PWM增加1；

(d)執行：依據上述計算結果，藉由該微控制器中的該計時器，啟動上述所計算之相對應的脈寬調變(PWM)值，使輸入該驅動電路相對應竹的電壓電流，以達成漸增(減)光色及光強度的目的，當該計時器不間斷執行脈寬調變(PWM)值時，即可使該四基色LED燈的模擬光源隨日光時間逐漸變化光色及光強度，以達到擬真之效果，例如：

(W₁₇₆,R₁₇₆,B₁₇₆,G₁₇₆)=( 169 ,50,7,90)

(W₂₈₈,R₂₈₈,B₂₈₈,G₂₈₈)=(169, 49 ,7,90)

(W₃₁₃,R₃₁₃,B₃₁₃,G₃₁₃)=(169,49, 8 ,90)

………

(W₁₄₄₀,R₁₄₄₀,B₁₄₄₀,G₁₄₄₀)=(176, 45 ,11, 91 )

………

(W₁₄₄₀₀,R₁₄₄₀₀,B₁₄₄₀₀,G₁₄₄₀₀)= 250 , 0 , 53 , 100 )。

綜上所述，由於本發明具有上述優點及實用價值，而且在同類產品中均未見有類似之產品發表，故已符合發明專利之申請要件，乃爰依法提出申請。