КОНТРОЛЬ ЗА УСТРОЙСТВОМ ОСВЕЩЕНИЯ
CONTROLLING ILLUMINATION DEVICE

Изобретение относится к устройству освещения, содержащему излучатель света и датчик. Кроме того, оно относится к способу контроля за таким устройством освещения.
WO 02/080625 раскрывает устройство освещения, содержащее диоды LED красного, зеленого и синего свечения и фотодиоды с фильтрами, делающими их чувствительными к различным цветам. Исходя из данных измерения фотодиодов, вычисляют значения трехцветной точки, которое затем используют для управления диодами LED в цикле с обратной связью.
US 2004/135522 А1 раскрывает устройство освещения с множеством диодов LED различных цветов. Это устройство калибруют посредством спектрометра излучений.
US 5965873 относится к спектрометру, содержащему множество фотодиодов с различной спектральной чувствительностью. Конкретные базисные функции конструируют так, чтобы они аппроксимировали спектр, который должен быть измерен, когда они являются линейной комбинацией с коэффициентами, которые соответствуют сигналам измерения фотодиодов.
Использование линейных моделей для описания спектров источника света и покрытий было описано в литературе (MARIMONT et al., Journal of the Optical Society of America A (Optics and Image Science) USA, vol.9, no.11 (1992), pages 1905-1913).
WO 03/058184 А раскрывает измерение спектра с датчиками, которые чувствительны к красному, зеленому и синему соответственно, и вычисление значений трехцветной точки, исходя из измерений.
Из 2003/0133117 A1 известно устройство освещения, содержащее светоизлучающие диоды (LED) красного, зеленого и синего свечения и соответствующие датчики с максимальной чувствительностью в спектральном диапазоне красного, зеленого и синего соответственно. Трехцветная точка (X, Y, Z) всего устройства освещения оценивается линейной функцией, то есть матричным произведением, сигналов измерения. Однако для достижения большей точности при вычислении необходимо также учитывать произведения высшего порядка.
Исходя из этой ситуации, целью настоящего изобретения является обеспечение средства для простого и точного контроля за устройством освещения с несколькими излучателями света.
Эта цель достигается посредством устройства освещения по п.1 и способа по п.2. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения оно относится к устройству освещения, содержащему следующие компоненты:
а) По меньшей мере, один излучатель света с отдельным световым выходом. Упомянутый излучатель света может быть одной лампой или комбинацией нескольких идентичных или различных ламп.
b) По меньшей мере, два датчика для генерации сигналов измерения, которые соответствуют отдельному световому выходу вышеупомянутого излучателя света.
"Световой выход" излучателя света обычно определяется его спектром, то есть интенсивностью излучаемого света, зависящей от длины волны, на единицу длины волны (единица: Вт/нм). Во время измерения этот спектр свертывают с кривой спектральной чувствительности измерительного устройства.
c) Блок оценки для оценивания, исходя из вышеупомянутых сигналов измерения, по меньшей мере, одного характеристического значения отдельного светового выхода излучателя света, причем упомянутое характеристическое значение основывается на коэффициентах разложения спектра излучателя света по заданному набору базисных функций. Предпочтительно одно или несколько характеристических значений определяются последовательно для множества излучателей света, имеющихся в устройстве освещения (в необязательном порядке, для всех излучателей света устройства), причем упомянутые характеристические значения могут быть идентичного типа или различных типов.
Вышеупомянутые базисные функции служат своего рода виртуальными излучателями света, которые обычно воспроизводят спектр излучателя света при условии, если ими управляют согласно упомянутым коэффициентам разложения. При аппроксимации спектра излучателя света базисными функциями его можно описать с хорошей точностью ограниченным количеством значений (коэффициентов). Это упрощение обеспечивает возможность легко оперировать отдельными спектрами, например, посредством линейных отношений. Конечно, коэффициентами разложения по заданным наборам базисных функций может быть описан не только спектр одного излучателя света, но также и спектры всех излучателей света устройства освещения.
Согласно второму аспекту изобретение относится к способу контроля за устройством освещения, по меньшей мере, с одним излучателем света. Этот способ содержит следующие этапы:
a) Генерация сигналов измерения, которые соответствуют отдельному световому выходу упомянутого излучателя света.
b) Оценка, по меньшей мере, одного характеристического значения отдельного светового выхода излучателя света, исходя из вышеупомянутых сигналов измерения, причем упомянутое характеристическое значение основывается на коэффициентах разложения спектра излучателя света по заданному набору базисных функций.
Способ содержит в общем виде этапы, которые могут быть выполнены с устройством освещения согласно первому аспекту изобретения. Поэтому для получения дополнительной информации о деталях, преимуществах и усовершенствованиях этого способа делается ссылка на предыдущее описание.
Далее описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые относятся и к устройству освещения, и к способу согласно изобретению.
Практически, устройство освещения обычно содержит два и более излучателей света, которыми можно управлять независимо и которые, следовательно, также можно отдельно измерять датчиками. В этом случае характеристическое значение может быть оценено для каждого из излучателей света. Несмотря на то что в общем каждый излучатель света может быть связан с отдельным набором базисных функций, предпочтено упростить обработку использованием идентичного набора базисных функций для спектров всех излучателей света.
Форма базисных функций произвольна при условии, что посредством них можно описывать или воспроизводить спектры с достаточной точностью. Поскольку общая форма спектра излучателя света обычно известна заранее, базисные функции предпочтительно выбирать такими, чтобы ими можно было аппроксимировать любой конкретный спектр этой формы с достаточной точностью. Базисные функции могут, например, быть колоколообразными. Это обеспечивает возможность формирования заданного спектра на основе локальных вкладов. Кроме того, базисные функции могут быть кусочно-линейными, полиномами, b-сплайнами или любой другой формы, которая подходит для аппроксимации конкретного спектра излучателя света.
Кроме того, количество базисных функций, которые используются для формирования (разложения) заданного спектра, в принципе, произвольно. Однако предпочтительно, чтобы упомянутое количество было идентично количеству имеющихся независимых сигналов измерения (то есть количеству независимых датчиков в устройстве освещения). В этом случае сигналы измерения обеспечивают как раз достаточно информации для определения коэффициентов разложения заданного спектра по базисным функциям.
Коэффициенты разложения определяют (по меньшей мере, приблизительно) сам спектр. Соответственно, любое значение, которое зависит от спектра, также может быть определено. В особенно важном примере цветовая точка (относительно предопределенного цветового пространства) излучателя света вычисляется, исходя из коэффициентов разложения.
α
S
S
α
В общем случае отношения между характеристическим значением cv, коэффициентами разложения  и сигналами измерения  могут быть произвольными, в частности нелинейными. Однако возможна более простая математическая обработка, если, по меньшей мере, некоторые из отношений в составном отображении →→cv линейны.
α
Соответственно, может, например, существовать линейное отношение →cv между характеристическим значением и коэффициентами разложения, причем упомянутое отношение предпочтительно описано матрицей (связи).
S
α
Кроме того, может существовать линейное отношение → между сигналами измерения и коэффициентами разложения, причем упомянутое отношение также предпочтительно описано матрицей.
S
Наконец, может существовать линейное отношение →cv между характеристическим значением и сигналами измерения. Особенно это имеет место, если существуют два вышеупомянутых линейных отношения.
Если существует одно или несколько вышеупомянутых линейных отношений, то обработка вектора сигналов измерения может (по меньшей мере, частично) быть выполнена простым и быстрым матричным умножением, причем коэффициенты упомянутой матрицы обычно вычисляются и сохраняются заранее.
В предпочтительном варианте осуществления вышеупомянутых случаев коэффициенты линейных отношений (то есть компоненты ассоциированных матриц) определяются в процедуре калибровки, которая содержит изолированную работу только одного из излучателей света (если имеется несколько). При отдельном управлении каждым излучателем света его вклад в сигналы измерения может быть отфильтрован и зафиксирован в коэффициентах линейных отношений.
Согласно дальнейшей обработке вышеупомянутой процедуры калибровки излучатели света, которыми управляют по отдельности, измеряют при различных режимах работы, например при различных токах, температурах и т.п. Соответственно, диапазон спектров, который может быть сформирован упомянутым излучателем света, будет исследован и зафиксирован в коэффициентах линейных отношений.
В одном варианте осуществления устройства освещения и/или способа сигналы измерения генерируются датчиками с различными кривыми спектральной чувствительности. Различные кривые спектральной чувствительности гарантируют, что сигналы измерения представляют независимые характеристики излучаемых спектров.
2
2
3
4
В дальнейшем расширении вышеупомянутого варианта осуществления датчики содержат фотодиод, который покрыт слоем диэлектрика. Посредством надлежащего выбора диэлектрического материала и/или конкретной толщины слоя этого диэлектрика можно достичь различной периодичности фильтрации такой, что комбинация слоя диэлектрика и фотодиода отображает осциллирующую кривую чувствительности, которая проходит по всему спектральному диапазону устройства освещения. Слой диэлектрика предпочтительно содержит двуокись кремния (SiO), двуокись титана (TiO) и/или нитрид кремния (SiN). Толщина слоя диэлектрика находится предпочтительно в диапазоне от 50 нм до 2,5 мкм, наиболее предпочтителен диапазон от 100 нм до 800 нм. Слой диэлектрика может быть одинаковой толщины по всему фотодиоду. В качестве альтернативы толщина слоя диэлектрика может измениться, например, если слой имеет форму клина. Диэлектрический материал должен быть прозрачным для света, который должен быть обнаружен.
Если датчики содержат фотодиод, то предпочтительно, чтобы этот фотодиод был интегрирован в подложку, на которой установлены излучатели света. Эта подложка может, например, быть из кремня (Si).
Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство освещения содержит контроллер, который выполнен с возможностью индивидуального управления одним или несколькими излучателями света на основе оцененного(ых) характеристического(их) значения(ий). Этот контроллер может, например, управлять несколькими излучателями света так, что их общее излучение света оптимально соответствует заданной цветовой точке. В этом отношении "оптимальное соответствие" означает, что световой выход устройства освещения (i) точно соответствует предопределенной цветовой точке или (ii) является приближением вышеуказанной цветовой точки в предопределенном цветовом пространстве с предопределенной метрикой цветовых различий настолько точным, насколько это возможно при используемых излучателях света. Специалисты в данной области техники без труда могут разработать подходящие модели контроллера для успешного управления с обратной связью излучением света устройством освещения. Примеры подходящих контроллеров можно также найти в литературе (ср., например, US 2005/122065 A1, US 2003/111533 A1, US 2005/062446 A1). В предпочтительном варианте осуществления контроллер включает в себя память (например, RAM, ROM, EPROM, жесткий диск и т.п.), которая содержит калибровочные отношения между соответствующими величинами.
В принципе, возможно любое геометрическое расположение излучателей света и датчиков. В предпочтительном варианте осуществления датчики рассредоточены между излучателями света. Если излучатели света являются, например, диодами LED, которые расположены в плоскости в виде матрицы, то между каждыми двумя соседними излучателями света может быть расположен один датчик.
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны и очевидны после нижеследующего описания варианта(ов) осуществления. Эти варианты осуществления будут описаны в качестве примера посредством прилагаемых чертежей, в которых:
На фиг.1 изображен схематический чертеж устройства освещения согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 изображены формирование общего светового выхода устройства освещения из вкладов различных излучателей света и формирование вектора сигналов измерения с различными кривыми чувствительности.
На фиг.3 изображен пример разложения спектра излучателя света по базисным функциям.
На фиг.4 представлены линейные уравнения, устанавливающие связь между сигналами измерения и коэффициентами разложения во время части процедуры калибровки.
На фиг.5 представлено вычисление матрицы связи C, исходя из калибровки по фиг.5.
На фиг.6 представлено вычисление цветовой точки излучателя света на основе коэффициентов разложения его спектра.
Одинаковые ссылочные позиции на чертежах относятся к идентичным или сходным компонентам.
На фиг.1 схематически изображен один вариант осуществления устройства 1 освещения согласно настоящему изобретению. Это устройство содержит четыре LED (или цепочки диодов LED) L1, L2, L3 и L4 с различными цветами, например зеленым, красным, синим и желтым, расположенных на подложке 12 и интегрированных в оптическое стекло 11. На поверхности подложки 12 установлены четыре датчика D1, D2, D3 и D4, смежных с четырьмя LED, для измерения светового выхода диодов LED L1-L4. В общем, устройство освещения может состоять из k датчиков и n излучателей света основных цветов, то есть на этом чертеже изображен конкретный случай для k=4 и n=4.
2
На фиг.2 на нижних диаграммах изображена спектральная чувствительность σ (или, эквивалентно, сигнал датчика при монохроматическом освещении с длиной волны λ с заданной интенсивностью) в произвольных единицах для датчиков D1, … D4. Можно заметить, что кривые чувствительности осциллируют квазипериодически и проходят через весь соответствующий спектральный диапазон, то есть от длин волны λ, меньших чем 400 до больших чем 800 нм. Такие кривые чувствительности могут, например, быть сгенерированы фотодиодами 20 с однослойным диэлектрическим светофильтром, имеющими по одному слою 21 из SiO на верхней поверхности толщиной от 1 мкм до 2,5 мкм. Из-за своей простоты такие датчики с однослойными диэлектрическими светофильтрами (SDF) могут легко быть интегрированы в основание 12.
1
2
3
4
измеренный
целевой
На фиг.1 также изображено, что сигналы (например, фототоки) датчиков D1, D2, D3 и D4 усиливаются усилителями 13 и далее отправляются в "блок оценки" 15, который является частью блока 14 управления. Блок 14 управления также содержит "блок регулировки цветности" 16 и драйверы 17 LED. Блок 16 регулировки цветности сравнивает, например, цветовую точку, определенную блоком 15 оценки, исходя из измеренных сигналов (S, S, S, S), с целевой цветовой точкой (X, Y, Z), обеспеченной внешним вводом 18. На основе результата этого сравнения блок 16 регулировки цветности отправляет отрегулированные сигналы возбуждения в драйверы 17 LED, которые соединены с диодами LED L1, L2, L3 и L4 и которые настраивают среднее свечение диодов LED посредством регулировки амплитуды (средних) токов к ним.
1
2
n
tot
1
k
tot
1
k
S
На фиг.2 изображены спектральные отношения, лежащие в основе работы устройства освещения вышеописанного типа. В верхней части фиг.2 изображены отдельные спектры p, p, … p излучателей света L1, L2, … Ln. Посредством суперпозиции эти отдельные спектры формируют общий спектр p, изображенный в середине чертежа. В нижней части чертежа изображены уже упомянутые кривые чувствительности σ, … σ, которые соответствуют датчикам D1, … Dk. Общий спектр p измеряют посредством этих кривых чувствительности для получения в результате значений измерения S, … S, из которых можно составить вектор измерения .
1
2
n
1
2
n
S
Далее цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы эффективно оценить характеристические значения отдельных спектров p, p, … p (или более широко отдельные световые выходы), исходя из вектора измерения , который был получен из измерения отдельных спектров p, p, … p.
j
i
В предлагаемом здесь решении отдельные спектры p излучателей света раскладывают в линейную комбинацию спектральных базисных функций W.
i
Вышеупомянутые спектральные базисные функции W могут быть одинаковыми для всех излучателей света. В общем, для каждого излучателя света может, однако, потребоваться собственный набор спектральных базисных функций для точного соответствия с как можно меньшим приемлемым количеством коэффициентов. Это, например, имеет место для излучателей с небольшой шириной спектра, как диоды LED. Это означает, что для системы RGB с 4 датчиками будет предпочтительно в общей сложности 16 (например, колоколообразных) спектральных базисных функций, сгруппированных в четырех пакетах по четыре функции в каждом, где эти четыре функции, содержащиеся в одной группе, будут предпочтительно расположены приблизительно в позиции длины волны диода LED для соответствия. Для упрощения последующего обсуждения предполагается, что спектральные базисные функции являются одинаковыми для всех излучателей (или зависимость базисных функций от рассматриваемого излучателя, по меньшей мере, не будет указана особо).
1
2
3
4
j
j
1
2
3
4
На фиг.3 изображен иллюстративный набор из четырех спектральных базисных функций W, W, W и W вместе с отдельным спектром p одного излучателя света. В этом примере базисные функции являются колоколообразными и нормированными. Кроме того, их общее количество четыре идентично количеству датчиков в устройстве освещения. Далее рассматриваемый спектр p может быть описан четырьмя коэффициентами или весами (α, α, α, α), которые могут быть определены минимизацией следующего аналитического выражения:
j
k
k
Соответственно, форму спектра излучения p восстанавливают посредством весовых коэффициентов α в смысле наименьших квадратов. Ширина пика и позиция пика спектральных базисных функций выбираются таким образом, чтобы они в результате приводили к подходящему предсказанию спектров LED. Очевидно, что можно использовать больше четырех спектральных базисных функций для получения более точного предсказания спектров излучения диодов LED. Основной идеей этого подхода является использование спектральных базисных функций W как своего рода виртуальных излучателей света.
α
S
Т
1
2
3
4
В дальнейшем будем применять "матрицы связи", которые описывают для каждого излучателя света линейное отношение между вектором =(α, α, α, α) весов и вектором  сигналов измерения. Для конкретного излучателя света (например, LED L1) ассоциированная матрица связи C может быть определена посредством следующей процедуры калибровки:
11
12
13
14
11
12
13
14
S
α
S
α
Этап 1: Устройство освещения помещают в окружающую (замкнутую) защищенную от света (темную) камеру. LED L1 включают и спектрометр помещают вне устройства для измерения спектра излучения LED. На основе этих данных вычисляют значения (α, α, α, α) с использованием уравнения (1). Кроме того, сигналы измерения (S, S, S, S) записываются встроенными датчиками D1, … D4 устройства освещения. Соответственно векторы  и  уравнения =C· известны. Для определения матрицы C этот эксперимент должен быть повторен три раза при различных условиях:
1
2
3
4
S
α
S
-1
Этап 2-4: Идентичен этапу 1, но с другими (например, бóльшими) током и температурой для стимуляции спектральных сдвигов LED L1. Как показано на фиг.4, в результате этапов 1-4 получают четыре независимых матричных уравнения, в которых единственным неизвестным является C. Следовательно, C может быть вычислена посредством обращения (фиг.5). После вычисления матрицы C коэффициенты разложения (α, α, α, α) фактического спектра могут быть без труда вычислены посредством простого матричного умножения вектора , полученного при измерении отдельно управляемого LED L1, на обратную матрицу C, то есть посредством формулы =C·.
1
2
3
4
1
2
3
4
xk
yk
zk
x
y
z
Этап 5: На следующем этапе может быть вычислена цветовая точка (X, Y, Z) диода LED L1 посредством уравнений, представленных на фиг.6, на основе оцененных коэффициентов разложения (α, α, α, α), соответствующих базисных функций W, W, W, W и функций цвета Обозревателя Стандарта 1931 МКО (CIE 1931 Standard Observer) (λ), (λ) и (λ) (или любых других функций, которые определяют требуемое цветовое пространство). Коэффициенты γ, γ и γ по фиг.7 являются компонентами (3×4) матрицы Г, которая может быть вычислена заранее через соответствующие интегралы перекрытия и сохранена в контроллере устройства освещения.
Этапы с 1 по 5 должны быть повторены со всеми другими основными цветами (то есть диодами LED или цепочками диодов LED) для получения соответствующих матриц C', C'' и т.д. Этапы с 1 по 4 должны быть выполнены по одному разу для каждого устройства освещения, возможно, только один раз для каждого ряда генерации (если датчики воспроизводятся так, что коэффициенты матриц C не изменяются от устройства к устройству). Этап 5 будет выполняться во время регулировки цветовой точки.
Итак, описанный подход обеспечивает решение по сбору спектральной информации об основных цветах (цепочках диодов LED) с использованием светочувствительных датчиков с неоднородной широкополосной чувствительностью. Пик излучения каждого основного цвета описан в терминах спектральных базисных функций с использованием способа матриц связи. Эта матрица связи преобразует сигналы датчика в весовые коэффициенты спектральных базисных функций. Значения трехцветной (точки) вычисляются непосредственно. Соответственно, этот способ обеспечивает возможность управления диодами LED посредством различных токов или конфигураций токов (например, пульсации) для регулировки целевой цветовой точки.
Принципы настоящего изобретения могут быть применены к цветным лампам с несколькими основными цветами, предпочтительно на основе диодов LED или диодов LED с люминофорным преобразованием.
Наконец, указывается, что в настоящей заявке термин "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, что единственное число не исключает множества и что один процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких средств. Изобретение присуще каждому новому отличительному признаку и каждой комбинации отличительных признаков. Кроме того, ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны рассматриваться как ограничение их объема.