適於再現已知光源顏色的光控制系統的製作方法
2023-12-08 14:08:01 1
專利名稱：適於再現已知光源顏色的光控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光源，更具體而言，涉及被設計來替代現有光源的光源。
背景技術：
發光二極體(LED)是一種具有吸引力的替代傳統光源的備選光源，這些傳統光源比如是白熾燈和日光燈光源。LED具有更高的光轉換效率和更長的壽命。不幸的是，LED產生光譜帶相對較窄的光。因此，為了產生具有任意色彩的光源，通常要使用具有多個LED的複合光源。例如，通過組合發自紅光、藍光和綠光發射LED的光可以構建基於LED的光源，該基於LED的光源發射被感知為與特定顏色匹配的光。各種顏色的強度比率設定了觀察者所感知的光的顏色。
不幸的是，單個LED的輸出隨著溫度、驅動電流和老化而變化。此外，LED的特性隨著生產過程中的生產批量而變化，並且對於不同顏色的LED也是不同的。因此，當條件改變或設備老化時，在一定條件下提供所希望顏色的光源將呈現出顏色漂移。為了避免這種漂移，必須在光源中結合某種形式的反饋系統來改變單個LED的驅動條件，使得輸出光譜保持在設計值，而不管光源中所使用的LED元件的變動性。
通常，現有技術中具有反饋系統的光源是由多個發射不同波長光的LED組成的，所述反饋系統將觀察者所感知的顏色維持在預定色調。包括合適濾波器的光電檢測器用來測量每個LED產生的光。將光電檢測器的輸出與目標值進行比較以產生誤差信號，該誤差信號用來調節相應LED的光輸出。
每個目標值都是相應光譜帶中所想要的光強度以及產生光強信號的光電二極體的特定光轉換特性的函數。因此，即使電路設計人員了解光源中所想要顏色的比率，設計人員仍然必須校準反饋系統以考慮光電二極體的特性。為了在這方面對設計人員有所幫助，現有技術已經提出了這樣一種提供三色光源的系統，該三色光源具有已經根據比如國際照明委員會(CIE)標準的某種標準色系(colorometric system)而經預先校準的輸入。
儘管這樣的反饋方案顯著地減少了上述變動性的問題，但是它們需要電路設計人員確定將產生所想要光譜的目標值。設想這樣的電路設計人員，他們面臨著要設計基於三色LED的光源以替代特定白熾燈光源的問題。該設計人員必須確定將提供匹配如觀察者所感知的目標光譜顏色的紅光、綠光和藍光目標值。如果設計人員使用比如上面所討論的、經校準的三色光源，那麼設計人員仍然必須測量標準光譜儀中特定白熾光源，以確定用於這些目標值的標準值。這樣的測量需要具體的專門技術，增加了成本和產品設計循環時間。
發明內容
本發明包括一種光源，以及用於對光源進行編程以提供接近目標光源顏色的光譜的方法。光源具有光發生器，該光發生器產生第一波長和由第一控制信號設定的第一強度的第一光信號，以及第二波長和由第二控制信號設定的第二強度的第二光信號。光源使用光監視器，該光監視器產生具有由第一強度所確定的幅度的第一監視信號，以及具有由第二強度所確定的幅度的第二監視信號。具有用於接收目標光信號的埠的目標信號發生器用來從目標光信號產生具有指示第一目標值的幅度的第一目標信號和具有指示第二目標值的幅度的第二目標信號。反饋控制器產生第一控制信號和第二控制信號，使得第一監視信號和第二監視信號與第一目標信號和第二目標信號分別具有固定關係。在一個實施例中，光發生器使用LED。在另一個實施例中，光發生器使用雷射器。在另一個實施例中，光監視器包括第一監視光電檢測器，該第一監視光電檢測器產生與第一監視光電檢測器在第一波長所接收的光強具有第一函數關係的信號，並且目標信號發生器包括第一目標光電檢測器，該第一目標光電檢測器產生與第一目標光電檢測器在第一波長所接收的光強具有第一函數關係的信號。在另一個實施例中，第一監視光電檢測器和第一目標光電檢測器包括相同的光濾波器，用於阻止第二波長的光的至少一部分到達第一監視光電檢測器和第一目標光電檢測器。在另一個實施例中，反饋控制器包括用於存儲第一目標值和第二目標值的存儲器，反饋控制器使第一目標值和第二目標值由目標光信號產生，並且響應反饋控制器正接收的校準控制信號而被存儲在存儲器中。在另一個實施例中，目標信號發生器埠處在使目標光信號照亮光監視器的位置。在這個實施例中，在光反生器未產生光的時間段，目標信號發生器使反饋控制器從第一監視信號和第二監視信號產生第一目標值和第二目標值，並且在存儲器中存儲第一目標值和第二目標值。
圖1是現有技術中LED光源的框圖，該LED光源使用反饋系統來控制單個LED的佔空係數以產生精確的輸出顏色。
圖2是根據本發明一個實施例的光源的框圖。
圖3是本發明另一個實施例的示意圖，其中反饋光電二極體還被用來產生用於反饋控制器的目標值。
具體實施例方式
參考圖1，可以更加容易地理解本發明展現其優點的方式。圖1是現有技術中LED光源的框圖，該LED光源使用反饋系統來控制單個LED的佔空係數以產生精確的輸出顏色。光源10使用紅光、綠光和藍光LED11來產生任意顏色的光。這些LED由驅動器12驅動，在LED被「打開」時，驅動器12使電流通過各個LED。在「打開」狀態，以與光源10所產生的顏色無關的預定電流來驅動每個LED。以周期為T的循環時間的脈衝方式來驅動LED。在每個周期中，每個LED被開啟時間t，該時間t取決於將要由光源10所產生的光的顏色。
為了簡化下面的討論，將比率t/T稱為佔空係數。原則上，假設周期T足夠小，觀察者所看到的、來自每個LED的光強正比於該LED的時間t。不幸的是，LED並不是瞬時開啟或關閉的，並且由於LED的操作溫度將隨著佔空係數的增加而增加，任何LED的光輸出也可能是佔空係數的函數。但是，所想要的輸出顏色與施加到這三個LED的佔空係數之間存在著固定的關係。通過測量實際產生的光和使用伺服環路調節佔空係數來連續地確定該關係。
還是參考圖1，光源10包括三個對離開LED的光的部分進行接收的光電檢測器16-18。每個光電檢測器理論上如CIE 1931三色函數所述地測量波長帶中的光強。
每個光電檢測器具有匹配從相應的光電檢測器到低通濾波器的信號的相應接口電路。對應於光電檢測器16-18的接口電路分別以13-15示出。19示出了示例性的低通濾波器。每個低通濾波器由電阻器20和電容器21組成。選擇電阻值和電容值來平均開循環和關循環，使得低通濾波器的輸出是表示三個波長帶中每個波長帶的光強的DC水平。使用模數轉換器(ADC)22，低通濾波器的輸出被數位化，並且與存儲在減法電路23的寄存器堆棧24中的目標值進行比較。這些目標值表示對應於所想要的輸出顏色的三個強度。測量強度與目標強度之間的差提供了三個誤差信號，這些誤差信號被反饋控制器25用來調節三個相應的佔空係數，直到測量輸出與目標值相匹配。
現在參考圖2，圖2是根據本發明一個實施例的光源50的框圖。為了簡化下面的討論，對於提供那些在上面參考圖1所討論的類似功能的元件，已經給出了如圖1中使用的相同數字標號，在這裡就不詳細地討論了。光源50使用接受一組紅光、綠光、藍光(RGB)目標值的反饋控制器40，這組目標值與光電二極體16-18及其相關驅動電路所提供的紅、綠、藍值進行比較。這些值可以被認為是新的任意色系中的三色值。
為了簡化下面的討論，已經在反饋控制器40中包括了用於根據目標值和所測量的光電二極體輸出來產生誤差信號的電路。由於反饋控制器在現有技術中是公知的，所以這裡就不對該電路的細節進行詳細的討論了。為了討論的目的，所需要足夠注意的是，反饋控制器40調節到LED11的驅動信號，使得在埠41輸入到反饋控制器40的測量RGB值與在埠42輸入的目標RGB值分別匹配。為了討論的目的，假設測量RGB值和目標RGB值都是模擬信號。
如上所提及的，在設計LED光源來匹配特定的現有目標光源中所遇到的一個問題是確定目標RGB值的正確值。這些正確的目標RGB值是所想要的紅光、綠光、藍光LED光強以及用來監視這些LED輸出的光電二極體的函數。原則上，反饋控制器能夠被校準，使得用戶能夠根據對現有光源的RGB值的了解來確定正確的目標RGB值。這要求用戶根據用來校準反饋控制器的標準來校準現有的光源。該方法對於電路設計人員而言是一大負擔。此外，必須對每個光源進行校準以考慮LED間的差異。
本發明通過提供目標RGB值的輸入系統而避免了這些問題，該輸入系統使用LED光源正匹配的現有目標光源。在本發明中，目標RGB輸入由一組與光電二極體16-18及其接口電路相符的光電二極體和接口電路產生。用來提供目標RGB值的光電二極體以51-53示出，相應的接口電路以55-57示出。在下面的討論中，將這些光電二極體稱為目標光電二極體，光電二極體16-18將被稱為反饋光電二極體。每個反饋光電二極體存在一個對應的目標光電二極體。例如，測量光譜紅色區域中的光的目標光電二極體具有與用來測量紅光LED產生的光的反饋光電二極體相同的光譜濾波器以及光轉換效率。
為了匹配光源58，該光源用來照亮目標光電二極體51-53。由於每個目標光電二極體都已被選來與相應的反饋光電二極體相匹配，所以目標光電二極體所產生的信號是正確的、再現光源58顏色的目標RGB目標值。因此，電路設計人員不需要校準目標光源，或使用已經根據比如CIE標準的某種標準系統而被校準的LED光源。
一旦已經產生了目標值，假設反饋控制器40包括其中存儲有目標值的非易失存儲器，那麼就可以移走光源58。在這樣的實施例中，反饋控制器40包括外部可訪問的埠43，用於接收使反饋控制器40存儲由那些在埠42的輸入所確定的一組目標值的信號。所存儲的目標值可以被存儲為由模擬目標值所得到的數字值，或存儲為模擬值。在這方面，應該注意的是用於存儲模擬值的非易失存儲器在本領域是公知的。本發明也可以連續地再現遠距離的目標光源，使得該光源能夠實時模擬目標光源的所有變化。
本發明的上述實施例存儲了提供與一個目標光源相匹配顏色的一組目標值。但是，對於這樣的實施例，其中反饋控制器存儲對應於多個光源的多組目標值，也可以通過將目標光電二極體暴露於每個光源並且存儲所得的目標值來進行構建。然後，通過選擇所希望的一組目標值，光源可用來提供與任意目標光源相匹配的顏色。在這樣的實施例中，反饋控制器將包括用於指定要使用哪組目標值的輸入。該輸入可以由用戶提供，或由連接到光源的編程設備來提供。而且，目標值序列可用來提供隨時間函數改變的顏色圖案。通過上述埠43可以輸入各種控制信號。
應當注意的是，本發明也可以用來實時、連續地再現遠離LED的目標光源的顏色。在這樣的實施例中，目標光電二極體將被置於目標光源處，並且這些光電二極體的輸出值將被傳輸到反饋控制器。
上述實施例使用相匹配的監視光電二極體和目標光電二極體。如果該條件沒有得到滿足，那麼可以使用校準過程。例如，假設測量紅色區域中的光的目標光電二極體具有與相應的反饋光電二極體不同的光譜濾波器和光轉換效率。通過將目標光電二極體和反饋光電二極體暴露於各種強度下的同一光源，並且記錄它們的輸出，可以校準這些光電二極體。這些校準值可以被存儲在反饋控制器的非易失存儲器中，使得反饋控制器能夠在反饋循環期間，通過計算目標信號來修正目標光電二極體和監視光電二極體之間的差，所述目標信號是在目標光電二極體和監視光電二極體相匹配時產生的。
上述實施例使用單獨的一組光電二極體來產生光源的目標值，其光譜用來設定光源中LED的輸出。但是，應該注意的是，也可以構建其中反饋二極體用於這兩種功能的實施例。現在參考圖3，圖3是本發明另一個實施例的示意圖，其中反饋光電二極體還用來產生用於反饋控制器的目標值。為了簡化討論，對於光源70中進行與那些圖2中所述的類似功能的元件，已經給出了如圖2使用的相同數字標號，並且在此處將不作進一步討論。光源70包括孔77，孔77被設置在校準期間接收來自目標光源的光處。光學成像系統76可以包括在內，以確保來自目標光源58的光均勻地照亮反饋光電二極體16-18。
當預定的信號被施加給埠73時，反饋控制器75讀取埠71上的值，並且在反饋控制器75內的目標RGB存儲器中存儲指定這些值的信息。在反饋控制器被適當地編程後，目標光源58被移走，並且孔77被關閉以防止光在正常操作期間從光源70外部的光源到達反饋光電二極體。
本發明的上述實施例使用3個LED作為光發生器。但是，也可以構建使用不同數目LED的本發明實施例。只要光電檢測器能夠檢測不同波長的光，以使單個LED能夠被單獨地控制，就可以使用任意數量的LED。LED的最小數量是2個。在這方面，應該注意的是，在印刷領域，使用4種顏色的顏色方案是公知的。
此外，本發明不限於LED作為光發生器。提供可被監視的輸出光譜的任何光發生器都可以使用。例如，雷射器可以替代上述LED。
上述實施例使用反饋控制器，該反饋控制器調節LED的控制信號，直到來自反饋LED的監視信號與目標信號相匹配。但是，反饋控制器可以使用其它算法，其中調節控制信號，直到來自反饋LED的監視信號與目標信號存在某種其它的固定關係。例如，一般來說，目標光源將具有與LED正產生的光的強度相不同的強度。在這樣的情形中，反饋控制器的目的通常是將目標光源與LED光源的顏色相匹配。因此，反饋控制器可以調節LED控制信號，直到目標值與每個其它的或整個目標光強的比率與來自反饋LED的信號的相應比率相同。
本發明的上述實施例使用這樣的強度控制方案，其中LED的佔空係數被改變以改變光源所產生的光強。但是，本發明也可以用於這樣的光源，其中每個LED所產生的光強被改變以改變光源的強度。
從前面的說明以及附圖中，對本發明的各種修改對於本領域的普通技術人員將變得清楚起來。因此，本發明僅由所附權利要求的範圍來限定。
權利要求
1.一種光源，包括光發生器，所述光發生器產生第一波長和由第一控制信號設定的第一強度的第一光信號，以及第二波長和由第二控制信號設定的第二強度的第二光信號；光監視器，所述光監視器產生具有由所述第一強度所確定的幅度的第一監視信號，以及具有由所述第二強度所確定的幅度的第二監視信號；目標信號發生器，所述目標信號發生器具有用於接收目標光信號的埠，並由所述目標光信號產生具有指示第一目標值的幅度的第一目標信號和具有指示第二目標值的幅度的第二目標信號；反饋控制器，所述反饋控制器產生所述第一控制信號和第二控制信號，使得所述第一監視信號和第二監視信號與所述第一目標信號和第二目標信號分別具有固定關係。
2.如權利要求1的光源，其中所述反饋控制器包括用於存儲多個第一目標條目和第二目標條目的存儲器，並且所述第一目標值和第二目標值是響應目標值選擇信號而從所述多個第一目標條目和第二目標條目中選擇的。
3.如權利要求1的光源，其中所述目標值選擇信號導致所述反饋控制器使用作為時間函數而變化的第一目標值和第二目標值的序列。
4.如權利要求1的光源，其中所述第一目標值和第二目標值是根據所述目標光信號而周期性確定的。
5.如權利要求1的光源，其中所述光發生器包括用於分別產生所述第一光信號和第二光信號的第一發光二極體和第二發光二極體。
6.如權利要求1的光源，其中所述光發生器包括用於分別產生所述第一光信號和第二光信號的第一雷射器和第二雷射器。
7.如權利要求1的光源，其中所述光監視器包括第一監視光電檢測器，所述第一監視光電檢測器產生與所述第一監視光電檢測器在所述第一波長所接收的光強具有第一函數關係的信號，並且其中所述目標信號發生器包括第一目標光電檢測器，所述第一目標光電檢測器產生與所述第一目標光電檢測器在所述第一波長所接收的光強具有所述第一函數關係的信號。
8.如權利要求7的光源，其中所述光監視器還包括第二監視光電檢測器，所述第二監視光電檢測器產生與所述第二監視光電檢測器在所述第二波長所接收的光強具有第二函數關係的信號，並且其中所述目標信號發生器還包括第二目標光電檢測器，所述第二目標光電檢測器產生與所述第二目標光電檢測器在所述第二波長所接收的光強具有所述第二函數關係的信號。
9.如權利要求7的光源，其中所述第一監視光電檢測器和所述第一目標光電檢測器包括相同的光濾波器，用於阻止所述第二波長的光的至少一部分到達所述第一監視光電檢測器和所述第一目標光電檢測器。
10.如權利要求1的光源，其中所述反饋控制器包括在所述第一監視光電檢測器和所述第一目標光電檢測器暴露於校準光源時，將所述第一監視信號與所述第一目標信號相關聯的校準值。
11.如權利要求1的光源，其中所述反饋控制器包括用於存儲所述第一目標值和第二目標值的存儲器，響應由所述反饋控制器正接收的校準控制信號，所述反饋控制器使所述第一目標值和第二目標值由所述目標光信號產生，並且被存儲在所述存儲器中。
12.如權利要求1的光源，其中所述目標信號發生器埠的放置使得所述目標光信號照亮所述光監視器，所述反饋控制器包括用於存儲所述第一目標值和第二目標值的存儲器，在所述光發生器未產生光的時間段，所述目標信號發生器使所述反饋控制器從所述第一監視信號和第二監視信號產生所述第一目標值和第二目標值，並且在所述存儲器中存儲所述第一目標值和第二目標值。
13.一種用於控制光源的方法，所述光源產生第一波長和由第一控制信號設定的第一強度的第一光信號，以及第二波長和由第二控制信號設定的第二強度的第二光信號，所述方法包括監視所述第一光信號和第二光信號，以產生分別具有由所述第一強度和第二強度確定的幅度的第一監視光信號和第二監視光信號；調節所述第一控制信號和第二控制信號，使得所述第一監視光信號和第二監視光信號與所述第一目標信號和第二目標信號分別具有固定關係；其中所述第一目標信號和第二目標信號是由所述第一目標值和第二目標值產生的，而所述第一目標值和第二目標值是所述光源暴露於所述目標光信號而產生的。
14.如權利要求13的方法，其中所述光源包括用於監視所述第一光信號和第二光信號的監視電路，並且所述監視電路暴露於所述目標光信號以產生所述第一目標值和第二目標值。
15.如權利要求13的方法，其中所述第一目標值和第二目標值在所述光源暴露於所述目標光信號之後而被存儲在所述光源中。
全文摘要
本發明公開了一種光源，以及一種用於對光源進行編程以提供接近目標光源顏色的顏色的方法。光源產生第一波長和第二波長的光，該光具有由第一控制信號和第二控制信號確定的強度，第一控制信號和第二控制信號由將監視電路的輸出與目標信號相匹配的反饋控制器設定。目標信號由目標值產生，而目標值是通過將光源暴露於目標光源並觀察光源中一組光電檢測器的輸出而被輸入到反饋控制器中的。在一個實施例中，監視電路中的光電檢測器用於該編程功能。
文檔編號H01S5/042GK1629711SQ20041009657
公開日2005年6月22日 申請日期2004年12月3日 優先權日2003年12月18日
發明者李永作, 伍啟元, 鄭馨曜 申請人:安捷倫科技有限公司