對於基於發光二極體的發光設備的彩色控制的製作方法
2023-12-07 19:34:26 2
專利名稱：對於基於發光二極體的發光設備的彩色控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及彩色混合系統，更具體地涉及用於提供想要的彩色的RGB發光二極體控制器。
傳統的彩色控制系統採用反饋控制設備來保持例如由RGB，LED光源發出的想要的彩色。然而，已經知道，對於小的彩色差別的視覺敏感性是在確定彩色控制系統的精度時的一個考慮因素。
傳統上，為了控制和保持想要的光的彩色和強度，要利用彩色空間圖，以及按照彩色空間圖代表的數值對各種基色光源，諸如紅色、綠色和藍色進行控制。
一個示例的彩色空間是RGB空間，它由其分量是紅色、綠色和藍色強度的三維空間，連同由它們組成給定彩色的光譜來表示。例如，掃描儀讀出從圖象反射的紅、綠和藍光的量，並把這些量變換成數字值。顯示器接收數字值，並把它們變換成在屏幕上看見的紅、綠和藍光。基於RGB的彩色空間是在計算機圖形學中最通常使用的彩色空間，主要因為它們被許多彩色顯示器和掃描儀支持。然而，使用RGB彩色空間的缺點在於，它是設備相關的和疊加的(additive)。
某些彩色空間可以以設備無關的方式表示彩色。雖然RGB彩色隨顯示器和掃描儀特性而變化，設備無關的彩色是指由人的眼睛感知的彩色的真實代表。這些彩色代表，被稱為設備無關的彩色空間，來自由Commission Internationale d』Eclairage(國際照明委員會)(CIE)在1931年進行的工作，為此，它們也被稱為基於CIE的彩色空間。
CIE創建一組彩色空間，它根據人的感覺規定彩色。它然後開發了得到彩色的三個假想的主要組成成份(X，Y和Z)的算法，這些成份可以以不同的水平被組合，產生人的眼睛可以感知的所有的彩色。最後得到的彩色模型CIE和其他的CIE彩色模型形成用於所有的彩色管理系統的基礎。雖然RGB和CMYK值是隨設備而不同的，但在不同的設備上人對於彩色的感覺保持一致。彩色可以在基於CIE的彩色空間中以獨立於任何特定的顯示或重現設備的特性的方式被規定。這個標準的目標是對給定的基於CIE的彩色技術規範在不同的設備上在每種設備的限制範圍內產生一致的結果。
有幾種基於CIE的彩色空間，諸如xyL，uvL，u*v*1，a*b*1等等，但它們都是從基本的XYZ空間派生的。XYZ空間允許彩色被表示為三個三色值(tristimulus values)X，Y，和Z的混合。術語「三色」來自於這樣的事實彩色感覺是由於眼睛的視網膜響應於三種刺激的結果。在實驗後，CIE建立假設的基色組，X，Y，Z，它們相應於眼睛的視網膜行為的方式。
CIE這樣規定基色，以使所有的可見光被映射為X，Y，和Z的確定的混合，並使Y近似與彩色的視在亮度相關。通常，用來描述彩色的X，Y，和Z分量的混合被表示為範圍從0％直到在某些情形下剛好超過100％的百分數。基於XYZ空間的其他與設備無關的彩色空間主要用來把彩色的某些特定方面或某些感知的彩色差別與XYZ值相聯繫。
圖1是由CIE(Commission Internationale d』Eclairage)定義的色度圖。基本上，圖1的CIE色度圖顯示有關參考彩色刺激的標準組和它們的三色值的標準組的信息。典型地，參考彩色刺激對於紅色刺激(R)的波長是700nm、對於綠色刺激(G)的波長是546.1nm、對於藍色刺激(B)的波長是435.8nm的輻射。沿曲線60的不同的彩色點可被組合成在點62處表示的白色光。色度圖只顯示三色值的比例；因此，具有相同的比例的、明亮的和暗的彩色屬於同一個點。
如前所述，用來控制RGB光源的XYZ空間的一個缺點在於，在被配置來控制想要的彩色點，例如Xw，Yw，Zw，的系統中，與這個想要的彩色點的偏移可能具有不同的視覺影響，這取決於偏移的方向。也就是，對於彩色點位置中相同的誤差量其感知的彩色差別將是不同的，這取決於具有誤差的彩色點在色度圖上相對於想要的彩色點位置所處的位置。
所以，即使利用具有非常小的誤差控制方案的系統，對於某些誤差感覺的彩色差別仍舊可能很大，而對於其他彩色點誤差，感覺的彩色差別可能非常小。這樣，反饋系統或者過補償或者欠補償彩色點誤差。
因此，需要一種採用反饋控制安排的RGB LED控制器系統，這種反饋控制基本上校正所有的彩色點誤差而在視覺上沒有彩色改變的感覺。
按照本發明的一個實施例，一種用於通過紅、綠、和藍色發光二極體(LED)生成想要的光的控制系統，包括傳感器，它響應於由LED輸出的光以測量生成的光的彩色坐標，其中彩色坐標是在XYZ彩色空間中定義的。變換模塊被耦合到傳感器，以按照Farnsworth變換把生成的光的坐標變換到第二彩色空間，諸如x』，y』彩色空間。參考模塊用來提供相應於想要的光的參考彩色坐標，其中參考彩色坐標是在第二彩色空間中表示的。誤差模塊被耦合到變換模塊和參考模塊，以及用來生成相應於在想要的白色光彩色坐標與生成的白色光彩色坐標之間的差值的誤差彩色坐標。驅動器模塊被耦合到誤差模塊，以及用來生成用於驅動LED的驅動信號。
圖1顯示按照本發明的一個實施例的彩色空間圖。
圖2是按照本發明的一個實施例的控制系統的方框圖。
圖3(a)-3(c)顯示按照本發明的另一個實施例所採用的各種三色濾色器。
圖4(a)-4(b)顯示結合圖3所示的三色濾色器所用的圖。
圖5是顯示多個MacAdam橢圓的彩色空間的圖，在其中彩色在沒有很大的改變下被感知。
圖6顯示說明按照本發明的一個實施例的多個圓形誤差區域的彩色空間的圖。
圖2顯示按照本發明的一個實施例的控制系統10，用於控制由RGBLED發光模塊22生成的光。更具體地，按照本發明的優選實施例，控制系統10被利用來控制LED生成具有參考色度坐標值Xref，Yref和Zref的、想要的光。
圖2包括緩存器14，用來存儲具有X，Y，Z格式的、想要的光的想要的色度坐標值。
緩存器14被耦合到x』L』y』變換模塊30。變換模塊30首先把X，Y，Z彩色空間變換成IEC1931色度坐標(x，y)。按照本發明的一個實施例，按照IEC1931色度坐標x，y規定的彩色空間圖被顯示於圖5。如圖所示，色度圖內每個想要的彩色點被相應的橢圓包圍。應當指出，在每個橢圓內任何彩色偏離不會造成重大的可感覺的彩色改變。
這些橢圓也稱為MacAdam橢圓，正如在G.Wyszecki和W.S.Stiles，「Color Scienceconcept and methods，quantitativedata and formulae(彩色科學概念和方法，定量數據和公式)」，p.308(2nd Ed.John Wiley Sons，1982)中更詳細地說明的，該參考書在此引用，以供參考。還應當指出，畫出的橢圓的軸是它們的實際的長度的10倍。x，y變換被定義為x＝X/(X+Y+Z)，(1)和y＝Y/(X+Y+Z) (2)如圖5所示，這些所謂的MacAdam橢圓被畫在色度圖上不同的彩色點處。這些橢圓相應於差別很小或差別很不明顯的彩色匹配的標準偏差。為了在幾乎全部彩色空間上有空間的均勻彩色度量，按照本發明的一個實施例的變換模塊30提供進一步的非線性變換，把這些橢圓變換成圓。
一個這樣的從橢圓到圓的非線性變換的例子是具有x』，y』坐標的Farnworth變換，如圖6所示，其中圖5的所有的那些橢圓被變換成具有幾乎相同的半徑的圓，正如在D.Farnsworth，「A temporal factorin colour discrimination(彩色鑑別時的時間因素)」，VisualProblems of Color，Vol.II，p.434(1957)，Nat.Phys.Lab.Symposium No.8，Her Majesty’s Stationery Office，London(1958)中更詳細地說明的，該論文在此引用，以供參考。因此，變換模塊30的第二變換步驟被定義為x』＝fx(x，y) (3)，和y』＝fy(x，y) (4)按照本發明的一個實施例，在公式(3)和(4)中定義的變換的一個例子被規定為x=a11x+a12y+a13b1x+b2x+b3---(5)]]>y=a21x+a22y+a23b1x+b2x+b3---(6)]]>
其中係數a11，a12，a13，a21，a22，a23，b1，b2，b3都是(x，y)坐標系統的空間函數。因此，取決於想要的彩色點x，y，這些係數必須隨之被調整。
應當指出，圖2的變換模塊30採用硬體或軟體安排，或它們的組合。而且，在本文中，本發明打算採用硬體或軟體部件，或它們的組合，用於系統10的每個模塊。
繼續參考圖2，緩存器14中存儲的坐標相應於彩色空間，代表相對於想要的彩色點的彩色，用XYZ空間表示，並如上所述，被變換模塊30變換成新的坐標，被稱為x’ref，L’ref和y’ref。
緩存器14經過變換模塊30被耦合到反饋加法器16，它用來根據想要的彩色坐標值和由控制系統10生成的彩色坐標值而提供誤差信號Δx』，ΔL』和Δy』。
反饋加法器16的輸出埠被耦合到控制器18，它用來提供相應於彩色空間誤差信號的控制電壓信號。按照本發明的一個實施例，控制器18用來根據由反饋加法器16提供的誤差信號生成用於驅動LED的控制電壓源vR，vG，vB。
控制器18的輸出埠被耦合到電源和RGB驅動器單元20的輸入控制埠。電源單元20生成適當的前向電流信號電平iR，iG，iB給每個RGB LED，以使LED生成相應的光，用於產生想要的白色光。
電源單元20的輸出埠被耦合到RGB白色LED發光模塊22的輸入埠。在發光模塊22內的多個紅、綠、和藍色LED用來接收它們的相應的前向驅動電流信號，以便生成相應的彩色光。發光模塊22根據提供給LED的電流提供以流明計的紅、綠、和藍色光。
由發光體22生成的光被三色濾色器24測量。濾色器24被放置在發光體22的前面，以便測量所生成的光的某些特性，諸如彩色坐標RGB。正如將在後面參照圖3和4更詳細地說明的，按照本發明的一個實施例的濾色器24包括帶有彩色濾色器的光傳感器，它們一起作為工業上所謂的三色濾色器運行。
濾色器24被耦合到彩色點識別模塊26，它用來把由濾色器24測量的RGB值變換成Xw，Yw，Zw坐標。按照本發明的一個實施例，濾色器24和彩色點識別模塊26的運行可以由如140那樣的三色濾色器組合，如圖3(a)-3(c)所示。
三色濾色器140的運行和結構是熟知的。圖3(a)，3(b)和3(c)顯示按照本發明的各種實施例被採用的三個示例的三色濾色器的方框圖。基本上，三色濾色器被做成使得濾色器的頻響函數正比於CIE標準色度觀察器的彩色匹配函數。
圖3(a)顯示三色濾色器140的排列和功能。圖3(a)的三色濾色器包括三個玻璃濾色器142，144和146，每個濾色器用來分別濾除在由光源122生成的和由測試物體124反射的光中包含的紅色、綠色、和藍色光。一個或多個光電管154被放置在玻璃濾色器的後面，以測量每個紅色、綠色和藍色光分量的光輸出。寄存器148，150和152用來存儲相應於CIE1931標準觀察器的光信息。因此，寄存器148存儲相應於通過濾色器142的光的信息。同樣地，寄存器150存儲相應於通過濾色器144的光的信息。以及，寄存器152存儲相應於通過濾色器146的光的信息。
為此，圖4(a)是曲線圖，它顯示了頻響函數和像154這樣的光電管在與三色濾色器140相組合時可最好地復現CIE1931標準觀察器的彩色匹配函數的程度。實線表示CIE標準觀察器數據，而虛線表示具有三色濾色器裝置的光電置的響應。
三色濾色器片的其他例子顯示於圖3(b)和3(c)，其中濾色器玻璃層被放置在濾色基片上。所以，如圖3(b)所示，基片168接納玻璃層166，被玻璃層164重疊，它又被玻璃層162重疊。圖3(c)顯示玻璃層的另一個變型，其中層172不完全覆蓋層174，層174也不完全覆蓋層176。
為此，圖4(b)是曲線圖，它顯示頻響函數和像154這樣的光電管在與三色濾色器160或170相組合時可最好地復現CIE1931標準觀察器的彩色匹配函數的程度。實線表示CIE標準觀察器數據，而虛線表示具有三色濾色器裝置的光電管的響應。
彩色識別模塊26的輸出端被耦合到變換模塊26的輸入端，變換模塊用來把由模塊26測量的光的Xfdbk，Yfdbk，Zfdbk坐標的反饋分量變換成由如上參照圖5和6說明的公式所支配的x』，L』，y』空間。
變換模塊28的輸出端被耦合到加法器16的輸入端。而且，變換模塊30的輸出端被耦合到變換模塊28的輸入端。這種連接允許兩個模塊按照系統控制的想要的彩色來進行適當的變換坐標。
應當指出，按照本發明的一個實施例，公式(5)和(6)描述的係數可以容易地存儲在存儲器，諸如緩存器14，以及與相應的x，y坐標組相聯繫。這樣，想要的彩色坐標X，Y，Z可被變換成MacAdam坐標x，y，和從存儲器恢復相關的係數，以便計算Farnsworth坐標x』，y』。
應當指出，控制模塊18用來根據從加法器16接收的誤差信號按照頻域中的函數C(s)生成控制信號。
而且，RGB發光模塊22用來按照轉移函數矩陣D(s)響應於驅動電流生成光通量。同樣地，P(s)是規定驅動器模塊20的運行的轉移函數矩陣，N(s)是規定變換模塊28的運行的轉移函數矩陣，T(s)是規定彩色點識別和變換模塊26的運行的轉移函數矩陣，和L(s)是規定濾色器模塊24的運行的轉移函數矩陣。
按照本發明的一個實施例，由轉移函數C(S)規定的控制器的功能可以基於各種控制器裝置，正如技術上熟知的。例如，控制器18可以是基於被稱為比例積分(PI)控制器的、具有以下轉移函數的一類控制器的運行C(s)＝Kp+KI/s，其中Kp和KI是3×3常數實矩陣。
按照本發明的一個實施例，對於具有峰值波長λr＝643nm，λ8＝523nm，和λb＝464nm的給定的RGB LED組和選定的彩色傳感濾色器片組，諸如由Hamamatsu製造的、具有S6430(R)S6429(G)和S6428(B)的濾色器片組，用於控制器18的轉移函數C(s)的典型值是Kp=0.10.9-0.120.40.60.5-0.140.30.2,KI=0.10.12-0.180.130.80.05-0.10.010.6]]>在運行期間，控制系統10首先確定想要的參考X，Y，Z坐標，如緩存器14提供的。此後，變換模塊30根據參考X，Y，Z坐標恢復適當的變換係數，以及利用公式(5)和(6)，把參考彩色空間變換成具有x』，L』，y』參考坐標的參考Farnsworth彩色空間。
濾色器片24測量由發光模塊22生成的想要的光的彩色的X，Y，Z坐標，以及變換模塊28把以X，Y，Z坐標規定的、識別後的光的彩色變換成x』，L』，y』彩色空間。這樣，控制系統10控制在x』y』彩色空間中的想要的光的彩色的彩色點，其測量誤差如下式所示xy=(x-x0)2+(y-y0)2=]]>其中(x』0，y』0)是目標的或想要的彩色點坐標，以及(x』，y』)是在x』，y』Farnsworth彩色空間中實際的彩色點坐標。結果，控制系統10能夠對於在裝置中所有想要的彩色控制彩色誤差，其中不管誤差在色度圖上的位置，對於相同的誤差量，彩色的感覺保持為相同的。這意味著，控制系統產生基本上均勻的彩色誤差。所以，隨著Δx』y』變為越來越小，彩色差值在所有的方向上也變為越來越小。
變換模塊的效果在於，控制系統提供一個控制方案，其中Δx』y』數值在圍繞多個想要的彩色點所規定一個圓的區域中在所有的方向上幾乎都是均勻的。結果，控制系統10可以以高效率的和較少花費的方式被組裝。
因此，按照本發明的各個方面，控制系統可被設計用於一個裝置，其中任何想要的光的彩色可以通過把想要的彩色空間坐標變換成Farnsworth彩色空間而被生成和有效地控制。這樣，控制設計可以明顯簡化，但仍保持非常精確。可以生成這樣的光，使得不管誤差在色度圖上什麼方向想要的光的彩色的偏差仍保持為感覺不到的。
權利要求
1.一種用於通過多個紅、綠、和藍色發光二極體(LED)生成想要的光彩色的LED彩色控制系統，包括傳感器，響應於由所述多個LED輸出的光彩色，測量所述生成的光的彩色坐標，其中所述彩色坐標是在第一彩色空間中定義的；第一變換模塊，被耦合到所述傳感器，以便把所述生成的光的所述坐標變換到第二彩色空間；第二變換模塊，被配置成用來提供相應於所述想要的光的參考彩色坐標，其中所述參考彩色坐標是在所述第二彩色空間中表示的；加法器，被耦合到所述第一和第二變換模塊，該加法器被配置成用來生成相應於在所述想要的光的彩色坐標與所述生成的光的彩色坐標之間的差值的誤差彩色坐標；以及驅動器模塊，被耦合到所述加法器，以及被配置成用來生成用於驅動所述LED的驅動信號。
2.按照權利要求1的系統，其中所述第一彩色空間是X，Y，Z彩色空間。
3.按照權利要求2的系統，其中所述第二彩色空間是x』，L』，y』彩色空間。
4.按照權利要求1的系統，還包括被耦合到所述加法器的控制器，其中所述控制器生成分別相應於所述紅色、綠色和藍色LED的控制電壓信號。
5.按照權利要求3的系統，其中所述傳感器是三色濾色器。
6.按照權利要求2，3或5的系統，其中所述第一變換模塊把所述XYZ彩色坐標變換成MacAdam彩色坐標。
7.按照權利要求6的系統，其中所述第一變換模塊把所述MacAdam彩色坐標變換成Farnsworth彩色坐標。
8.按照權利要求1的系統，其中所述第二變換模塊被耦合到所述第一變換模塊，以便把變換係數提供到所述第一變換模塊。
9.按照權利要求8的系統，其中所述變換係數按照相應的想要的光的彩色而變化。
10.按照任何在前的權利要求的系統，該系統具有執行所述變換所述X，Y，Z彩色坐標的步驟的裝置，還包括按照下式x＝X/(X+Y+Z)y＝Y/(X+Y+Z)來分配數值以便變換到MacAdam空間的步驟；以及還具有用於通過按照下式x=a11x+a12y+a13b1x+b2x+b3]]>y=a21x+a22y+a23b1x+b2x+b3]]>來分配數值以便變換到Farnsworth空間的步驟從而來變換所述x，y彩色坐標的裝置，其中係數a11，a12，a13，a21，a22，a23，b1，b2，b3都是(x，y)坐標系統的空間函數。
全文摘要
本發明針對一種用於通過多個紅、綠和藍色發光二極體(LED)生成想要的光彩色的控制系統，它包括傳感器，響應於由多個LED輸出的光，測量生成的光的彩色坐標，其中彩色坐標是在第一彩色空間中定義的。提供了第一變換模塊，它被耦合到傳感器，把生成的光的坐標變換到第二彩色空間。第二變換模塊用來提供相應於想要的光的參考彩色坐標，其中參考彩色坐標是在第二彩色空間中表示的。提供了加法器，它被耦合到變換模塊和參考模塊，用來生成相應於在想要的光彩色坐標與生成的光彩色坐標之間的差值的誤差彩色坐標。驅動器模塊被耦合到加法器，用來生成用於驅動LED的驅動信號。
文檔編號H05B33/08GK1633828SQ02825370
公開日2005年6月29日 申請日期2002年11月29日 優先權日2001年12月19日
發明者C·昌 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司