УСТРОЙСТВО ОСВЕЩЕНИЯ С ФУНКЦИЕЙ ПРОБУЖДЕНИЯ
LIGHTING INSTALLATION WITH WAKENING FUNCTION

Область техники изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к устройству освещения, способному производить свет с переменной интенсивностью. В частности, настоящее изобретение имеет отношение к так называемой лампе с функцией пробуждения или, наоборот, к так называемой лампе с функцией засыпания.
Уровень техники
Лампа с функцией пробуждения представляет собой лампу, содержащую один или более источников света, мощность которых (соответствующая интенсивности света) медленно и постепенно увеличивается от нуля (или начального значения, близкого к нулю) до максимального значения в течение некоторого периода времени, например 30 минут, и после этого мощность поддерживается постоянной. Такая лампа используется для моделирования естественного процесса увеличения уровня дневного света на рассвете, что оказывает положительное влияние на просыпающихся людей. Процесс также может быть выполнен наоборот, чтобы мощность (соответствующая интенсивности света) медленно и постепенно уменьшалась от максимального значения до нуля (или конечного значения, близкого к нулю) для моделирования естественного процесса уменьшения уровня дневного света на закате, что оказывает положительное влияние на засыпающих людей.
Лампы с функцией пробуждения и лампы с функцией засыпания широко известны, поэтому более подробное объяснение здесь опущено. Кроме того, для удобства последующее разъяснение будет сосредоточено на лампах с функцией пробуждения, но то же самое разъяснение с соответствующими изменениями применяется и к лампам с функцией засыпания, как должно быть понятно специалисту в области техники.
Лампы с функцией пробуждения могут быть реализованы с помощью источников света различных типов. Например, используемый источник света может представлять собой лампу накаливания, разрядную лампу, светодиод и т.д. Изменение выходной мощности источника света обычно делается посредством изменения тока лампы.
Сущность изобретения
Важным признаком света, сформированного источником света, является его цвет. Как правило, цвет света может зависеть от тока лампы. Например, в случае лампы накаливания при низком токе свет лампы имеет цвет от красного до оранжевого (в соответствии с относительно низкой температурой спирали лампы), тогда как при высоком токе лампы свет имеет цвет от желтого до белого (в соответствии с относительно высокой температурой спирали лампы). Таким образом, это является положительным эффектом, поскольку это приблизительно соответствует изменению цвета солнечного света на восходе (и, наоборот, заходе) солнца. С другой стороны, имеются также источники света, цвет которых является постоянным независимо от тока лампы.
Далее упомянутый период времени, во время которого интенсивность света медленно увеличивается или уменьшается, будет обозначен как время цикла пробуждения или время цикла засыпания, соответственно. Кроме того, интенсивность света, производимого после завершения времени цикла пробуждения, будет обозначена как интенсивность устойчивого состояния, соответствующая току устойчивого состояния. Обычно ток устойчивого состояния равен максимальному или номинальному току, предусмотренному для рассматриваемого источника (источников) света, и, таким образом, интенсивность устойчивого состояния равна максимальной или номинальной интенсивности света. Настоящее изобретение направлено на предоставление пользователю возможности настройки уровня интенсивности устойчивого состояния.
Эта цель может быть легко достигнута посредством одного лишь ограничения тока лампы определенным уровнем. Однако сопутствующая проблема состоит в том, что цвет света, соответствующий такому уменьшенному току устойчивого состояния, отличается от яркого белого цвета, обычно относящегося к полному завершению цикла пробуждения. Это проиллюстрировано на фиг. 1.
На схеме слева кривая 1 иллюстрирует ток лампы или интенсивность света (вертикальная ось, произвольные единицы) как функцию времени (горизонтальная ось, минуты), увеличивающуюся от нуля до максимального значения 300 в пределах цикла пробуждения, составляющего 30 минут. Соответствующее изменение цвета обозначено кривой 2. Следует признать, что в этой схеме трудно визуализировать цвет, но предполагается, что для цвета вертикальная ось представляет линию от красного до белого в цветовой схеме. Кроме того, для иллюстрации предполагается, что позиция на такой цветовой линии прямо пропорциональна интенсивности света.
Схема справа иллюстрирует ситуацию, в которой пользователь установил интенсивность устойчивого состояния в позицию 100, или 33% от максимального значения (кривая 1'), в то время как время цикла пробуждения поддерживается равным 30 минутам (хотя это не существенно). Кривая 2' указывает соответствующее изменение цвета для прямой реализации, в которой интенсивность света ограничена только 33% от номинальных 100%. Можно легко понять, что цвет света, достигнутый в конце цикла пробуждения, является просто цветом света, соответствующим 33% на цветовой линии. Другими словами, цвет света во время устойчивого состояния (горизонтальная часть кривой 2') отличается от цвета света во время устойчивого состояния в ситуации для 100% (горизонтальная часть кривой 2).
Настоящее изобретение имеет целью предложить решение этой проблемы.
В соответствии с важным аспектом настоящего изобретения во время цикла пробуждения цветом производимого света управляют независимо от моментальной интенсивности света, с тем чтобы моделировать изменение цвета восходящего солнца, и чтобы цвет света, полученный в конце цикла пробуждения, был фиксированным независимо от интенсивности устойчивого состояния. В предпочтительном варианте осуществления пользователь также может выбрать этот цвет устойчивого состояния.
Дополнительные выгодные разработки упомянуты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Эффект настоящего изобретения визуализирован на правой схеме фиг. 2, на которой левая и центральная схемы идентичны фиг. 1 для сравнения. Кривая 1" идентична кривой 1': интенсивность света постепенно повышается до 33% от номинальных 100%. Кривая 2" идентична кривой 2: цветовой путь, пройденный цветовой точкой в цветовом пространстве, идентичен цветовому пути, пройденному в ситуации для номинальных 100%.
Следует отметить, что патент US 7280439 раскрывает систему освещения, которая вызывает изменение цвета для моделирования восхода солнца. Однако этот документ не раскрывает регулируемый пользователем максимум интенсивности света во время устойчивого состояния, а также не раскрывает последствия для цветового цикла.
Патент US 2004/0264193 раскрывает общее управление светодиодом (LED) для управления цветовой температурой.
Патент US-5327331 раскрывает лампу с функцией пробуждения, в которой цветовая температура поддерживается постоянной, в то время как интенсивность производимого света увеличивается.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут разъяснены далее с помощью последующего описания одного или более предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые номера для ссылок обозначают одинаковые или аналогичные части.
Фиг. 1 показывает схемы интенсивности света и цвета света как функцию времени для разных ситуаций;
Фиг. 2 показывает схемы интенсивности света и цвета света как функцию времени для иллюстрации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - блок-схема, схематично показывающая иллюстративный вариант осуществления устройства освещения в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 4 схематично иллюстрирует цветовую схему.
Подробное описание изобретения
Фиг. 3 является блок-схемой, схематично иллюстрирующей возможный вариант осуществления устройства 100 освещения в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 100 освещения содержит по меньшей мере один управляемый источник 110 света, управляющее устройство 120 для управления источником 110 света, первую память 130, относящуюся к управляющему устройству 120, и вторую память 140, относящуюся к управляющему устройству 120. Управляющее устройство 120, которое, например, может быть реализовано как соответствующим образом запрограммированный микроконтроллер, формирует управляющий сигнал для источника 110 света, с тем чтобы предписать источнику 110 света формировать свет, имеющий некоторый желаемый цвет и некоторую желаемую интенсивность.
В качестве не ограничивающего примера источник 110 света включает в себя три (или более) светодиода (или элемента формирования света других типов) 111, 112, 113, каждый из которых формирует свет, имеющий отличный, в идеальном случае монохроматический цвет, и эти цвета взаимно различаются. Например, эти цвета могут быть красным (R), зеленым (G), синим (B). Как должно быть известно специалистам в области техники, общий производимый свет источника 110 света представляет собой смесь этих трех составляющих производимого света, и человеческий глаз воспринимает общую смесь производимого света как наличие одного смешанного цвета, и смешанный цвет зависит от взаимных отношений составляющих трех источников света.
Ниже будут даны краткие сведения из теории цветности, хотя они должны быть известны специалистам в области техники.
Цвета могут быть представлены тремя взаимно независимыми параметрами; можно сделать ссылку на систему CIE1931(XYZ), в которой X, Y, Z представляют интенсивности источников света, имеющих определенные заданные цвета, например, красный 700 нм, зеленый 546,1 нм, синий 435,8 нм, соответственно, необходимые для получения некоторого цвета. Здесь "цвет" означает комбинацию цветности и яркости. В системе CIE1931(XYZ) изменение одного из значений X, Y или Z приведет к совместному изменению цветности и яркости. Может быть сделано преобразование к системе координат, в которой цветность и яркость независимы друг от друга. Такой системой, например, является система CIE(xyY), имеющая координаты x, y, Y, причем x и y - координаты цветности, и прописная буква Y обозначает освещенность. Преобразование относительно цветовых координат задается следующими формулами.
(1a)
(1b)
(1c)
Эти формулы по-прежнему показывают три переменные x, y, z, но z является избыточной переменной (то есть, не является независимой переменной), поскольку z может быть вычислена из x и y согласно следующему уравнению:
z=1-x-y (1d)
Таким образом, цветность всех цветов может быть представлена на двухмерной xy-плоскости, как показано на фиг. 4, которая схематично показывает схему цветности CIE(xy). Эта схема является хорошо известной, поэтому разъяснение будет сведено к минимуму. Точки (1,0), (0,0) и (0,1) обозначают идеальный красный, синий и зеленый, соответственно, которые являются виртуальными цветами. Кривая линия 41 представляет чистые спектральные цвета. Длины волн обозначены в нанометрах (нм). Пунктирная линия 42 соединяет концы кривой линии 41. Область 43, окруженная кривой линией 41 и пунктирной линией 42, содержит все видимые цвета; в отличие от чистых спектральных цветов кривой линии 41, цвета области 43 являются смешанными цветами, которые могут быть получены посредством смешивания двух или более чистых спектральных цветов. Наоборот, каждый видимый цвет может быть представлен координатами на схеме цветности; точка на схеме цветности будет обозначаться как "цветовая точка".
MAX
Вместо "освещенности Y", которая указывает абсолютное количество света, например, выраженное в люменах, в области источников света принято использовать "яркость B", которая является относительным параметром. Для каждой цветовой точки (x, y) имеется максимально достижимая освещенность Y(x, y). Когда фактическая освещенность Y имеет значение L, яркость задается как
MAX
B=L/Y (2)
Таким образом, яркость представляет собой значение между 0 и 1.
Кроме того, вместо цветовых координат x, y также возможно использовать оттенок и насыщенность. Базовые понятия оттенка, насыщенности и яркости наиболее просто разъяснены в цветовом пространстве CIE1931(x, y) со ссылкой на фиг.4, хотя в других цветовых пространствах могут быть получены другие варианты задания. Для простоты в дальнейшем используется цветовое пространство CIE1931(x, y).
Когда смешиваются два чистых спектральных цвета, цветовая точка полученного смешанного цвета расположена на линии, соединяющей цветовые точки двух чистых цветов, точное расположение полученной цветовой точки зависит от соотношения смешивания (соотношения интенсивности). Например, когда смешиваются фиолетовый и красный цвета, цветовая точка полученного в результате смешанного пурпурного цвета расположена на пунктирной линии 42. Два цвета называют "дополнительными цветами", если они могут быть смешаны для получения белого света. Например, фиг. 4 показывает линии 44, соединяющие синий (480 нм) и желтый (580 нм) цвета, которые пересекают точку для белого цвета, и это указывает, что корректное отношение интенсивности синего света и желтого света будет восприниматься как белый свет. То же самое применимо к любому другому множеству дополнительных цветов: в случае соответствующего корректного отношения интенсивности смешение света будет восприниматься как белый свет. Следует отметить, что смешение света фактически по-прежнему содержит две спектральных составляющих с разными длинами волн.
Следует отметить, что многие видимые цвета могут быть получены посредством смешения двух дополнительных цветов, но это не применимо ко всем цветам, как легко можно заметить по фиг. 4. Рассмотрим блок из трех ламп, производящих три разных цвета с соответствующими цветовыми точками C1 (близкий к красному), C2 (близкий к зеленому), C3 (близкий к синему): с помощью такого блока возможно произвести свет, имеющий любой цвет в пределах треугольника, заданного этими тремя соответствующими цветовыми точками C1, C2, C3.
В случае, если добавлена четвертая лампа с цветовой точкой C4 (близкий к белому), цвета больше не получаются как уникальная комбинация трех световых источников, а могут быть получены несколькими разными способами как комбинация четырех световых источников. Это может быть особенно полезно, если желательно улучшить некоторую цветовую составляющую, например желтую.
Когда солнце восходит, его цвет переходит от красного через оранжевый и желтый к белому; на закате происходит обратное. Кривая 45 представляет собой иллюстративный путь, заданный только для обсуждения, моделирующий путь, по которому перемещается цветовая точка солнечного света. Фактический путь, по которому перемещается цветовая точка солнечного света, хотя он может изменяться в зависимости от погодных условий, может быть рассмотрен как фиксированный, однако практическое моделирование пути или приближение к истинному пути могут по желанию быть выбраны специалистом. В соответствии с настоящим изобретением точные координаты практического пути не являются релевантными. В соответствии с настоящим изобретением релевантной является информация, задающая такой практический путь, который хранится в первой памяти 130. Этот практический путь будет в дальнейшем обозначаться как "путь приближения восхода солнца".
Управляющее устройство 120 выполнено с возможностью работать в следующих четырех возможных режимах.
В режиме "отключено" источник света 110 выключен.
В режиме "устойчивый" управляющий сигнал для источника света 110 поддерживается постоянным, с тем чтобы цвет производимого света и интенсивность производимого света были постоянными.
В режиме "пробуждение" управляющее устройство 120 изменяет свой управляющий сигнал для источника 110 света как функцию времени таким образом, чтобы цветовая точка производимого света перемещалась по пути приближения восхода солнца от красного конца до белого конца, и чтобы интенсивность производимого света медленно увеличивалась.
В режиме "засыпание" управляющее устройство 120 изменяет свой управляющий сигнал для источника 110 света как функцию времени таким образом, чтобы цветовая точка производимого света перемещалась по пути приближения восхода солнца в противоположном направлении, то есть от белого конца до красного конца, и чтобы интенсивность производимого света медленно уменьшалась. В качестве варианта, первая память 130 может хранить два разных пути: путь приближения восхода солнца и путь приближения захода солнца, и в этом случае в режиме "засыпания" управляющее устройство 120 заставляет цветовую точку производимого света перемещаться по пути приближения захода солнца. "Цветовая скорость" может быть постоянной или может изменяться как функция времени.
Обычное использование устройства 100 освещения будет включать в себя последовательность режимов "отключено"/"пробуждение"/"устойчивый"/"отключено" утром и "отключено"/"устойчивый"/"засыпание"/"отключено" вечером. Переход из режима "отключено" к режиму "пробуждение" может быть сделан автоматически на основе таймера пробуждения, но он не показан на чертеже для простоты.
Управляющее устройство 120 имеет пользовательский интерфейс (UI) ввода, через который пользователь может ввести пользовательские настройки. Одна из пользовательских настроек может представлять собой продолжительность режима "пробуждение" и режима "засыпание" (они не обязательно имеют одинаковую продолжительность). После установки продолжительность режима "пробуждение" (или время цикла пробуждения) может рассматриваться как фиксированное значение; для разъяснения будет предполагаться, что это значение равно 30 минутам; то же самое применимо к продолжительности режима "засыпание".
STEADY
MAX
STEADY
MAX
Другой пользовательской настройкой в контексте настоящего изобретения является интенсивность производимого света в режиме "устойчивый", которая будет обозначена как интенсивность I устойчивого состояния. Предпочтительно настройка интенсивности устойчивого состояния также может изменяться во время, например, режима "пробуждение", но в дальнейшем интенсивность устойчивого состояния будет предполагаться фиксированным значением. Максимальная интенсивность источника 110 света, возможная в режиме "устойчивый", будет обозначена как I. Отношение I/I будет обозначено как постоянная яркость β.
Всегда во время режима "пробуждение" управляющее устройство 120 формирует свой управляющий сигнал для источника 110 света на основе информации в первой и второй памяти 130, 140; то же самое применимо к режиму "засыпание". Управляющий сигнал для источника 110 света фактически состоит из отдельных управляющих сигналов для отдельных светодиодов 111, 112, 113 и возможных дополнительных белого, желтого или янтарного светодиодов. Как упомянуто ранее, первая память 130 содержит информацию, для задания полного производимого цвета как функции времени. Эта информация, например, может быть в виде поисковой таблицы, содержащей фиксированную настройку выходного тока на каждый элемент времени для каждого элемента формирования света, или, например, в виде формулы, позволяющей вычислять выходной ток для каждого элемента формирования света как функцию времени. Аналогичным образом, вторая память 140 содержит информацию, задающую изменение интенсивности как функцию времени; эта интенсивность может изменяться линейно или параболически (как показано на фиг. 2) в зависимости от времени или согласно любой другой желаемой функции.
Для обеспечения сигнала времени устройство 100 содержит устройство 150 отсчета времени. Предположим, что номинальная продолжительность режима "пробуждение" равна 30 минутам (1800 секундам), и что управляющее устройство 120 делает 100 шагов: это означает, что управляющее устройство 120 будет номинально проверять память 130, 140 один раз каждые 18 секунд и адаптировать свои выходные сигналы. Предположим, что пользователь установил продолжительность α·30 минут (α меньше или больше 1): это означает, что управляющее устройство 120 будет фактически проверять память 130, 140 один раз каждые α·18 секунд и адаптировать свои выходные сигналы. Без более подробного разъяснения специалисту в области техники будет понятно, каким образом шкала времени может быть масштабирована в соответствии с продолжительностью, установленной пользователем. Кроме того, должно быть понятно, что управляющее устройство 120 может быть выполнено с возможностью изменять свои управляющие сигналы с дискретными шагами, один раз каждые несколько секунд, но также возможно, что управляющее устройство 120 выполнено с возможностью изменять свои управляющие сигналы непрерывно.
В каждый момент времени t управляющее устройство 120 вычисляет индивидуальную интенсивность Ie(t) для каждого элемента 111, 112, 113 формирования света в соответствии со следующей формулой:
Ie(t) = IM(t)·R(t)·β
Здесь IM(t) обозначает интенсивности, которые вычислены только на основе информации в первой памяти 130. Эти интенсивности объединяются с корректным смешанным производимым цветом при максимальной интенсивности, если R=1 и β=1. Следует отметить, что IM является функцией времени и тем самым реализует изменение цвета как функцию времени или, другими словами, перемещение вдоль цветового пути 45.
R(t) обозначает отношение интенсивности (между 0 и 1) как функцию времени, полученное из второй памяти 140: оно реализует желаемый профиль времени увеличения/уменьшения интенсивности.
β обозначает постоянную яркость, как задано выше: она реализует максимальную настройку, заданную пользователем.
Следует отметить, что поскольку интенсивности всех элементов формирования света умножаются на один и тот же коэффициент β·R(t), цветовая точка смешанного производимого света остается одной и той же. Далее следует отметить, что переменная интенсивность при поддержании цвета отдельных элементов формирования света может быть реализована посредством управления рабочим циклом, как должно быть понятно специалисту в области техники.
В итоге настоящее изобретение обеспечивает устройство 100 освещения с функциональностью пробуждения и/или засыпания, содержащее:
по меньшей мере один управляемый источник 110 света;
управляющее устройство 120 для управления источником 110 света.
В режиме "устойчивый" цвет и интенсивность производимого света поддерживаются постоянными при устойчивом значении цвета и устойчивом значении интенсивности.
В режиме "пробуждение" интенсивность производимого света постепенно увеличивается от нуля до устойчивого значения интенсивности; в режиме "засыпание" интенсивность производимого света постепенно уменьшается от устойчивого значения интенсивности до нуля.
Управляющее устройство 120 содержит пользовательский интерфейс (UI) ввода для приема сигнала пользовательского ввода, задающего устойчивое значение интенсивности. Управляющее устройство 120 формирует управляющий сигнал для управляемого источника 110 света с тем, чтобы предписать цвету производимого света перемещаться по предварительно определенному пути в цветовом пространстве независимо от устойчивого значения интенсивности.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и предшествующем описании, специалисту в области техники должно быть понятно, что такое разъяснение и описание следует считать иллюстративным и не ограничивающим. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления; напротив, возможны некоторые изменения и модификации в пределах защищенного объема изобретения, заданного в приложенной формуле изобретения.
Например, в описанном выше варианте осуществления обеспечены две отдельных памяти, одна из которых задает перемещение вдоль цветового пути как функцию времени, и другая задает изменение номинальной интенсивности как функцию времени. Также возможно, что одна память содержит объединенную информацию IM(t)·R(t), задающую изменение цвета и номинальной интенсивности как функцию времени.
Кроме того, в описанном выше варианте осуществления источник 110 света содержит несколько элементов формирования света, каждый из которых имеет фиксированный цвет; в таком случае настоящее изобретение реализуется посредством изменения относительного весового коэффициента составляющих производимого света этих элементов. Однако также возможно использовать один или более элементов формирования света, каждый из которых способен формировать свет переменного цвета, цветовое значение которого является регулируемым посредством управляющего устройства. Соответствующим вопросом является только то, можно ли независимо управлять производимым цветом и интенсивность источника 110 света, независимо от того, содержат ли он один элемент формирования света, два или больше.
В описанном выше варианте осуществления управляющее устройство 120 описано как специально управляющее цветовой точкой производимого света таким образом, чтобы моделировать эффект солнечного света. Однако вариант осуществления не обязательно должен быть настолько сложным. Например, возможно, что источник 110 света содержит только два элемента формирования света, один элемент формирует белый свет, и один элемент формирует более теплый свет, причем обоими элементами формирования света независимо управляет управляющее устройство 120, с тем чтобы независимо воздействовать на смещение цвета интенсивности режима "устойчивый". Первый элемент формирования света, например, может являться компактной люминесцентной лампой (CFL), и второй элемент формирования света, например, может являться неоновой лампой (такой, которая используется в ночных лампах или холодильниках).
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны специалистам в области техники при осуществлении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а использование единственного числа не исключает множественности. Один процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Сам факт того, что некоторые меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может использоваться для достижения преимущества. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель данных или полупроводниковый носитель, представленный вместе с другими аппаратными средствами или как их часть, но также может распространяться в другой форме, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи. Любые знаки для ссылок в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие ее объем.
Настоящее изобретение было разъяснено выше со ссылкой на блок-схемы, которые иллюстрируют функциональные блоки устройства в соответствии с настоящим изобретением. Следует понимать, что один или более этих функциональных блоков могут быть реализованы в аппаратном оборудовании, в котором функция такого функционального блока выполняется отдельными аппаратными компонентами, но также возможно, что один или более этих функциональных блоков реализованы в программном обеспечении таким образом, что функция такого функционального блока выполняется одной или более строками компьютерной программы или программируемым устройством, таким как микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровых сигналов и т.д.