СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
LIGHT-SENSITIVE SYSTEM AND METHOD OF LIGHT-SENSITIVE DEVICE CALIBRATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области использования светочувствительных систем для измерения интенсивности окружающего освещения, а также к соответствующему способу калибровки светочувствительного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Открытость световому излучению - основной механизм, позволяющий должным образом синхронизировать биологические часы с дневным солнечным циклом. Согласование по времени, продолжительность, интенсивность и спектральный состав при подвергании воздействию светового излучения влияют на т.н. подгонку биологических часов человека к суточном ритму. Доказано, что восстановительный сон может происходить лишь при синхронности с биологическими часами. Для определенных людей, имеющих фазовый сдвиг своих внутренних биологических часов относительно графика общественной жизни, подвергание воздействию яркого света в четко определенное время может использоваться для сдвига их биологических часов вперед или назад для более точного их соответствия социальным потребностям. Кроме того, для лечения сезонного аффективного расстройства рассчитанное по времени регулярное подвергание воздействию яркого света является эффективным средством.
Оценка уровней освещенности, которым человек подвергается в течение множества дней или даже недель, - важный инструмент для диагностики расстройств настроения и сна. Существующие актиграфические устройства измеряют активность и подвергание воздействию света с использованием устройства, носимого на теле, например устройства, носимого на запястье, на подобии наручных часов.
Такое носимое на запястье устройство представлено, например, в заявке US 2008/0319354 Al, где показаны система и способ для мониторинга информации, касающейся сна. Носимое на запястье устройство, представленное в этом документе, содержит датчик освещенности для предоставления информации в отношении интенсивности окружающего освещения пользователя. Сигнал датчика может быть далее обработан с помощью соответствующего электронного вычислительного средства.
Одна из проблем, которую требуется решить с помощью имеющихся светочувствительных устройств, заключается в точном измерении светового излучения, которому подвергается субъект в повседневной жизни. Задача состоит в том, чтобы достичь приемлемого уровня точности с учетом изобилия различных источников света (естественный свет, искусственный свет, светоизлучающие устройства (LED), галогеновая лампа, неоновая лампа и т.д.), вклады и интенсивности спектров которых отличаются на несколько порядков. Это сложно осуществить для всех условий, и обычные устройства, как правило, подвергаются предварительной калибровке для конкретного диапазона освещенности.
В большинстве случаев устройства, включающие в себя датчики освещенности, калибруются производителем перед продажей. Помимо этого, начальная калибровка может выполняться неточно или может проводиться для иных условий, несоответствующих целевому использованию потребителем (в случаях различных интенсивностей или источников светового излучения). Как говорилось выше, в повседневной жизни имеется широкий диапазон источников света с чрезвычайно индивидуальными спектрами и интенсивностями, при этом достижение единого уровня точности при таких условиях, как оказалось, практически невозможно. Кроме того, характеристики датчика освещенности могут изменяться во времени в связи с перепадами температур или недостаточным подводом энергии, например, когда батарея, встроенная в устройство, создает пониженное напряжение. Все эти факторы способствуют распространенному мнению о том, что на практике световые измерения часто имеют низкую точность.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании светочувствительной системы, включающей в себя светочувствительное устройство, обладающее повышенной долговременной точностью и надежностью световых измерений, даже при освещении источниками света с сильно отличающимися спектральными распределениями и интенсивностями. Данная задача решается с помощью светочувствительной системы, содержащей признаки по п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа калибровки светочувствительного устройства по п.10.
Светочувствительная система согласно настоящему изобретению содержит не только светочувствительное устройство, по меньшей мере, с одним датчиком освещенности, но также калибровочное устройство для калибровки этого датчика. Данное калибровочное устройство содержит, по меньшей мере, один источник света, излучающий свет стандартной интенсивности, который используется для согласования выходного сигнала интенсивности датчика освещенности, например, путем настройки его коэффициента усиления. В зависимости от конкретного устройства имеется возможность использовать только один датчик освещенности и единственный источник света либо несколько датчиков и/или источников света, соответствующих разным спектральным диапазонам, таким как красный, зеленый и синий диапазоны спектра. Уровень активации источников света может регулироваться, при этом выходные сигналы интенсивности датчиков освещенности могут сравниваться с ожидаемыми значениями. Таким образом, пользователь может проводить операцию калибровки, обеспечивающую надежные результаты световых измерений, выполняемых датчиками освещенности.
Процесс калибровки может касаться либо уровня освещенности ахроматическим светом, что в этом случае не требует поступления цветного света, либо может конкретно проводиться для калибровки элементов, чувствительных к различным цветам, т.е. датчиков освещенности для различных спектральных диапазонов. В этом случае могут использоваться монохроматические источники света. Пользователю также может предоставляться возможность задать типовой диапазон освещенности, являющийся для него целевым, чтобы процесс калибровки мог быть сосредоточен на конкретном интервале значений интенсивности света. Специфические источники света, такие как галогеновые лампы или лампы накаливания, могут имитироваться путем использования специального профиля активации нескольких источников света, включающих в себя цветовые элементы.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения светочувствительная система содержит средство управления для управления работой источника света, для сравнения выходного сигнала интенсивности датчика освещенности, соответствующего измеренной интенсивности света, с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности, а также для согласования выходного сигнала интенсивности с ожидаемым сигналом. Такое согласование может выполняться, например, путем регулировки коэффициента усиления выходного сигнала интенсивности, как говорилось выше. Термин "стандартная интенсивность" обозначает интенсивность, которая является известной в отношении типа источника света, принимая также во внимание рабочие характеристики, такие как температура и пр. На основе этого ожидаемый сигнал может приниматься за калибровочный стандарт. Интенсивность, создаваемая источником света, также может соответствующим образом регулироваться для адаптации ее к обстановке, при которой используется светочувствительная система.
Предпочтительно средство управления входит в состав калибровочного устройства и содержит средство связи для обмена информацией между калибровочным устройством и светочувствительным устройством. Средство связи по желанию может обеспечивать беспроводную или контактную связь. Средство управления может быть встроено в соответствующую электронную схему и осуществлять управление, например, с помощью соответствующей компьютерной программы, которая в нем хранится, а также содержать запоминающее устройство для хранения калибровочных значений, коэффициентов усиления и т.д.
Более предпочтительно калибровочное устройство представляет собой док-станцию для поддержки светочувствительного устройства. В такой док-станции светочувствительное устройство может храниться так, что оно может подвергаться калибровке, когда не используется по назначению. В док-станции источники света могут располагаться так, чтобы быть обращенными к соответствующим датчикам освещенности, когда светочувствительное устройство помещено на нее или в нее.
Более предпочтительно светочувствительное устройство согласно настоящему изобретению содержит множество датчиков освещенности для измерения светового излучения, имеющего различные спектральные диапазоны.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления калибровочное устройство содержит один источник света, излучающий свет в спектральном диапазоне, покрывающем все спектральные диапазоны различных датчиков освещенности. Например, датчики освещенности представляют собой LED в красной, зеленой и синей области спектра, в то время как источник света представляет собой источник белого света.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения калибровочное устройство содержит множество источников света, излучающих свет в различных диапазонах спектра, соответствующих спектральным диапазонам датчиков освещенности. Например, источники света также находятся в красном, зеленом и синем диапазоне спектра согласно соответствующим датчикам освещенности, так что в этом отношении каждый источник света спектрального диапазона соответствует одному датчику освещенности.
Предпочтительно спектральные диапазоны источников света поддаются регулировке, например регулируются пользователем.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления светочувствительная система согласно настоящему изобретению содержит датчик температуры для измерения температуры источников света. Для обеспечения наивысшей точности процесса калибровки учитывается локальная температура источника света, поскольку уровень освещенности таких источников света, как LED, как известно, имеет обратную зависимость от температуры полупроводниковых элементов.
Настоящее изобретение дополнительно относится к способу калибровки светочувствительного устройства, имеющего, по меньшей мере, один датчик освещенности, выдающий выходной сигнал интенсивности, соответствующий измеренной интенсивности света, содержащему этапы облучения датчика освещенности светом стандартной интенсивности, сравнение выходного сигнала интенсивности с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности, а также согласования выходного сигнала интенсивности с ожидаемым сигналом путем регулировки коэффициента усиления датчика освещенности.
В данном случае ожидаемый сигнал принимается за калибровочный сигнал, по отношению к которому регулируется выходной сигнал интенсивности. Коэффициент усиления датчика освещенности может представлять собой множитель, на который умножается выходной сигнал датчика для согласования с ожидаемым сигналом. В простейшем случае имеется один источник света, подвергающий воздействию белого света некоторой интенсивности в спектральном диапазоне белого света, с которым единственный датчик освещенности может согласовывать подвергание воздействию целевой интенсивности белого света путем регулировки коэффициента усиления этого единственного датчика освещенности. В зависимости от типа выполняемой калибровки и характеристик светочувствительного устройства могут рассматриваться различные другие случаи.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления вышеописанного способа датчики освещенности различных спектральных диапазонов облучаются светом единственного источника света с заданной стандартной интенсивностью, при этом коэффициенты усиления датчиков освещенности регулируются для согласования их вклада в выходной сигнал интенсивности. Общая интенсивность может быть получена в виде суммы вкладов различных датчиков освещенности, основываясь на известном уровне энергии, излучаемой в каждой соответствующей цветовой полосе. Например, освещенность может выражаться следующим образом
ILLUM(lx) = 6,83*(α*красное_излучение+β*зеленое_излучение+ χ*синее_излучение), (1)
где красное излучение, зеленое излучение и синее излучение - исходные сигналы интенсивности датчиков в их соответствующих цветовых полосах, а α, β, χ - соответственно коэффициенты усиления каждого цветового канала. Эти коэффициенты α, β, χ усиления датчиков освещенности настроены так, что значение ILLUM(lx) в качестве общего выходного сигнала интенсивности согласуется с ожидаемым сигналом.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления данного способа датчики освещенности различных спектральных диапазонов облучаются светом различных источников света, каждый из которых имеет спектральный диапазон, соответствующий спектральному диапазону одного датчика освещенности, а также имеет заданную стандартную интенсивность, при этом выходной сигнал интенсивности каждого датчика освещенности сравнивается с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности соответствующего ему источника света, при этом коэффициент усиления каждого датчика освещенности регулируется для согласования выходного сигнала интенсивности этого датчика освещенности с ожидаемым сигналом.
В данном случае существует не один общий источник света, имеющий спектральный диапазон белого света, покрывающий диапазоны всех датчиков освещенности, а имеется множество источников света, при этом каждый источник света предназначен для одного датчика освещенности в отношении его спектрального диапазона. Это позволяет создать сигнал стандартной интенсивности для калибровки каждого датчика освещенности по отдельности вместо согласования коэффициентов усиления для получения общего выходного сигнала интенсивности. В данном случае световая энергия, излучаемая в каждой соответствующей цветовой полосе (т.е., красной, зеленой и синей) для каждого датчика, согласована, при этом новые коэффициенты усиления могут храниться в запоминающем устройстве системы.
Предпочтительно способ согласно настоящему изобретению содержит этап регулировки спектрального диапазона или спектральных диапазонов источников света. Это позволяет адаптировать светочувствительную систему к требованиям использования в месте ее эксплуатации, например, к различным спектральным областям.
Более предпочтительно данный способ содержит этап измерения температуры источников света и регулировки коэффициентов усиления в соответствии с измеренной температурой. Это позволяет учесть возможную зависимость интенсивности от температуры, как это имеет место в полупроводниковых светоизлучающих диодах (LED).
Изобретение также направлено на создание компьютерной программы для реализации способа согласно одному из вышеперечисленных вариантов осуществления изобретения. Данная компьютерная программа может быть помещена производителем в запоминающее устройство светочувствительной системы, как пояснялось выше, для выполнения процедуры калибровки. Для хранения такой компьютерной программы может быть создана соответствующая среда для хранения информации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже.
На чертежах:
на Фиг. 1 показан вид спереди в перспективе светочувствительного устройства в качестве части светочувствительной системы по одному варианту осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2 показана светочувствительная система согласно настоящему изобретению, содержащая светочувствительное устройство, представленное на Фиг. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 показано светочувствительное устройство 10 в виде носимого на запястье устройства для измерения интенсивности окружающего освещения в окружающей среде пользователя (не показан), носящего данное устройство 10. В общем, светочувствительное устройство 10 содержит рабочий модуль 12 в форме плоского прямоугольного короба, а также гибкий наручный браслет 14, который своими концами крепится к противоположным сторонам рабочего модуля 12 так, что рабочий модуль 12 и наручный браслет 14 образуют кольцо. Внутренний диаметр наручного браслета 14 по размеру выполнен так, чтобы пользователю было удобно носить устройство 10 на запястье. Для надевания устройства 10 наручный браслет 14 может обладать определенной упругостью для расширения, либо может быть предусмотрен механизм открывания и закрывания (не Фигурах не показан) для соединение одного конца наручного браслета 14 с рабочим модулем 12. Вообще рабочий модуль 12 и наручный браслет 14 выполнены аналогично обычным наручным часам.
Рабочий модуль 12 выполнен в виде корпуса, в котором располагаются интегральные электронные схемы для обработки и хранения электрических сигналов, а также для проведения операции измерения интенсивности окружающего освещения. На верхней поверхности 16 рабочего модуля 12 имеется дисплей 18 для отображения статусной информации устройства 10 или любой другой информации, например дневного времени.
Кроме того, на верхней поверхности 16 рабочего модуля 12 предусмотрен датчик 20 окружающей освещенности для измерения интенсивности окружающего освещения. Этот датчик 20 окружающей освещенности предусмотрен для измерения интенсивности света в спектре видимого света и генерирования электрических сигналов, представляющих измеренную интенсивность света в пределах этого спектра. Данные сигналы могут восприниматься в качестве информации, которая касается имеющейся интенсивности окружающего освещения.
В данном варианте осуществления предусмотрен только один датчик 20 освещенности, имеющий один спектральный диапазон в пределах видимой области спектра. Однако, как будет дополнительно показано ниже, существует также возможность создания светочувствительного устройства 10 с множеством датчиков 20 освещенности для различных измеряемых спектральных диапазонов. Датчик 20 освещенности выдает электрический выходной сигнал интенсивности, соответствующий измеренной интенсивности света. Например, этот выходной сигнал интенсивности пропорционален интенсивности света. Исходный сигнал интенсивности света умножается на коэффициент усиления этого датчика 20 освещенности, представляющий собой постоянный параметр, чтобы получить выходной сигнал интенсивности.
Для обеспечения точности и надежности результата измерения, соответствующего выдержке при действительной интенсивности, светочувствительное устройство 10, показанное на Фиг. 1, должно пройти калибровку с помощью калибровочного устройства 30, показанного на Фиг. 2. Светочувствительное устройство 10 и калибровочное устройство 30 представляют разные элементы светочувствительной системы 100. Калибровочное устройство 30 выполнено в виде обособленного блока, представляющего собой док-станцию 32 для поддержки светочувствительного устройства 10, когда оно не используется. Док-станция 32 содержит плоскую опорную плиту 34, плоскую стойку 36, восходящую вертикально от одного конца опорной плиты 34, а также верхний опорный участок 38 для поддержки рабочего модуля 12 светочувствительного устройства. Опорный участок 38 содержит нижний плоский участок 40 и верхний плоский участок 42, расположенные горизонтально параллельно друг другу и имеющие между собой зазор 44. Этот зазор 44 предназначен для приема рабочего модуля 12, как показано на Фиг. 2. В состоянии пребывания на опоре рабочий модуль 12 покоится на верхней поверхности нижнего участка 40.
На верхнем участке 42 один источник света (на Фигурах не показан) расположен в положении, при котором он обращен к датчику 20 освещенности, когда светочувствительное устройство 10 пребывает на опоре. Благодаря данной схеме расположения датчик 20 освещенности может непосредственно облучаться источником света. При таком облучении светом датчик 20 освещенности генерирует выходной сигнал интенсивности, соответствующий измеренной интенсивности света.
Данная светочувствительная система 100 создана для проведения операции калибровки с целью калибровки датчика 20 освещенности. Для выполнения такой калибровки предусмотрен источник света для излучения света стандартной интенсивности, определяемой параметрами системы и параметрами окружающей среды. Данная стандартная интенсивность может также контролироваться средством управления, таким как электронная схема, в светочувствительной системе 100. Средство управления может быть предусмотрено, например, в калибровочном устройстве 30. Имеется возможность предусмотреть источник света, излучающий свет полихроматического спектра широкого диапазона.
Выходной сигнал интенсивности датчика 20 освещенности сравнивается с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности, после чего выходной сигнал интенсивности согласуется с ожидаемым сигналом. Например, если выходной сигнал интенсивности датчика 20 освещенности ниже ожидаемого, коэффициент усиления этого датчика 20 освещенности повышается для приведения в соответствие с ожидаемым сигналом. Для данного процесса калибровки в светочувствительной системе 100 может быть предоставлено средство связи для обмена информацией между калибровочным устройством 30 и светочувствительным устройством 10. Это средство связи может представлять собой беспроводное средство связи или проводное средство связи, работающее, когда светочувствительное устройство 10 и калибровочное устройство 30 находятся в контакте друг с другом.
Светочувствительная система 100, в частности калибровочное устройство 30, может также содержать датчик температуры для измерения температуры источника света. Этот датчик температуры может предоставлять информацию, способствующую точности калибровки, поскольку интенсивность источника света может изменяться с температурой. Например, если источник света представляет собой полупроводниковое светоизлучающее устройство (LED), выходная интенсивность может находиться в обратной зависимости от температуры. Компенсация соответственно может осуществляться путем настройки коэффициента усиления датчика 20 освещенности. При наличии более одного датчика 20 освещенности эти датчики освещенности могут покрывать различные спектральные диапазоны, когда они облучаются светом единственного источника света спектрального диапазона, который покрывает все спектральные диапазоны датчиков 20 освещенности, т.е. полихроматического источника света. Например, источник света представляет собой источник белого света, в то время как датчики 20 освещенности представляют собой датчики по отдельным цветам, например датчик освещенности в красной области спектра, датчик освещенности в зеленой области спектра и датчик освещенности в синей области спектра. В данном случае коэффициенты усиления датчиков 20 освещенности регулируются на основе известного уровня энергии, излучаемой в каждой соответствующей цветовой полосе, для согласования с соответствующим ожидаемым сигналом.
Согласно общепринятым модельным представлениям получаемый в результате общий выходной сигнал интенсивности может быть описан следующей формулой:
ILLUM(lx) = 6,83*(α*красное_излучение+ β*зеленое_излучение+ χ*синее_излучение), (1)
где красное излучение, зеленое излучение и синее излучение - исходные сигналы интенсивности, выданные датчиками в их соответствующих цветовых полосах, α, β, χ - коэффициенты усиления соответственно красного, зеленого и синего цветовых каналов. Различные значения α, β, χ соответствуют различным вкладам датчиков в их соответствующей цветовой полосе в общую интенсивность. Путем регулировки коэффициентов усиления α, β, χ различные датчики освещенности могут быть откалиброваны так, чтобы привести в соответствие их вклады в общий итоговый выходной сигнал интенсивности ILLUM(lx). Новые коэффициенты усиления могут храниться в запоминающем устройстве светочувствительной системы 100.
Согласно другому варианту осуществления существует также возможность создания множества различных источников света, а именно, по одному источнику света для каждого датчика, имеющему спектральный диапазон, соответствующий спектральному диапазону приписанного к нему датчика. В данном случае калибровка может выполняться для каждого датчика по отдельности, принимая стандартную интенсивность каждого отдельного источника света за калибровочный параметр. Коэффициент усиления каждого датчика освещенности регулируется так, чтобы согласовать его выходной сигнал интенсивности с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности соответствующего ему источника света. Например, имеются три датчика освещенности, а именно датчик освещенности в красной области спектра, датчик освещенности в зеленой области спектра и датчик освещенности в синей области спектра, как описано в вышеприведенном примере, при этом также существуют три источника света, а именно источник красного света, источник зеленого света и источник синего света. Каждый из этих источников света работает с известной стандартной интенсивностью. Коэффициент усиления датчика освещенности в красной области спектра регулируется так, чтобы выходной сигнал интенсивности этого датчика освещенности, работающего в красной области спектра, согласовался с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности источника красного света, и т.д. Используя данный режим работы, можно отрегулировать коэффициент усиления каждого датчика освещенности так, чтобы соответствовать световой энергии, излучаемой в каждой соответствующей цветовой полосе, и хранить новые коэффициенты усиления в запоминающем устройстве. В качестве опции спектр каждого датчика освещенности может быть приспособлен, например, к температуре светового излучения или соответствовать конкретному источнику света (галогеновой лампе, лампе накаливания, солнечному свету и т.д.) в ожидаемом диапазоне интенсивности.
Вышеописанные способы калибровки могут выполняться с использованием компьютерного программного обеспечения, хранимого в калибровочном устройстве 30, которым может управлять конечный пользователь. Процесс калибровки может выполняться автоматически каждый раз, когда светочувствительное устройство 10 размещается в калибровочном устройстве 30, как показано на Фиг. 2. Калибровочное устройство 30 далее автоматически определяет присутствие светочувствительного устройства 10 на опорном участке 38 и начинает процесс калибровки, т.е. начинает выполнять соответствующую компьютерную программу. При такой схеме процесс калибровки может проводиться каждый раз, когда светочувствительное устройство 10 не используется, между двумя последовательными периодами проведения измерений. Таким образом, светочувствительное устройство 10 проходит калибровку каждый раз, когда начинается новый период проведения измерений. Это является большим преимуществом по сравнению с известными светочувствительными устройствами 10, которые калибруются один раз производителем и не предоставляют пользователю возможности проведения калибровки светочувствительного устройства 10 впоследствии для поддержания надежности результатов измерений.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в предшествующем описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как иллюстративные и приведенные в качестве примера, но не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники смогут предложить другие разновидности раскрытых вариантов осуществления, применяя на практике заявленное изобретение, изучив чертежи, раскрытие и прилагаемую формулу изобретения. В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление элементов или этапов в единственном числе не исключает их множества. Тот факт, что определенные меры перечислены во взаиморазных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой. Ни одну из ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающую объем изобретения.