專利名稱：控制照明器材光通量光譜的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及照明器材，特別是涉及被設(shè)置成產(chǎn)生具有選定色譜的光的照明器材。
此類照明器材在劇院、電視業(yè)和建筑照明應用中已經(jīng)使用多年。通常，每個器材均包括一個安裝在凹面鏡附近的白熾燈，該凹面鏡通過一個透鏡裝置反射光，以向劇院舞臺等處投射光束。為了僅傳輸該燈所發(fā)出的光的選定波長，同時吸收和/或反射其他波長，可在該器材的前端安裝某種濾色器。這使得所投射的光束具有特定光譜組成。
在這些照明器材中所使用的濾色器通常為涂有色散化學染料的玻璃或塑料膜(例如聚酯或聚碳酸酯的)形式。這些染料可傳輸光的某些波長，而吸收其他波長。這樣的濾光器可提供幾百種不同的顏色，而且這些顏色的一些已經(jīng)被廣泛接受為本行業(yè)中的標準顏色。
此類塑料濾色器盡管一般是有效的，但通常壽命有限，這主要是由于塑料濾色器需要散發(fā)大量熱量，這些熱量是從所吸收的波長中獲得的。對于傳輸藍、綠波長的濾色器，該問題尤為突出。此外，雖然可提供的顏色種類很多，但這些顏色仍然受商用染料的可用性以及那些染料與玻璃或塑料基材的兼容性的限制。而且，吸收非選定波長的機理本來就是效率低下的。大量能量散失為熱量。
在一些照明應用中，氣體放電燈取代了白熾燈，分色鏡取代了濾色器。此類分色鏡的典型結(jié)構(gòu)為具有多層二向色涂層的玻璃基片的形式，該二向色涂層可以反射某些波長并傳輸剩余波長。這些可供選擇的照明器材總的來說具有較高的效率，它們的分色鏡不會由于過熱而產(chǎn)生褪色或其他退化現(xiàn)象。然而，分色鏡只能提供有限的色彩控制，因此這類器材不能再現(xiàn)許多由吸收性濾色器產(chǎn)生的且已被接納為行業(yè)標準的復雜顏色。
最近，一些照明器材用發(fā)光二極管(LED)代替白熾燈和氣體放電燈。通常使用紅、綠、藍色發(fā)光二極管，將它們布置成適當?shù)年嚵?。一些發(fā)光二極管器材中還包括琥珀色二極管。通過向這些發(fā)光二極管提供選定大小的功率(通常使用脈寬調(diào)制電流)，可投射出具有多種顏色的光。這些器材不需使用濾色器，因此提高了具有白熾燈或氣體放電燈的現(xiàn)有器材的效率。
此類發(fā)光二極管照明器材的一個不足是通量量值(magnitude)及峰值通量波長會因器件的不同而產(chǎn)生明顯變化，同時也隨每個器件的結(jié)溫而產(chǎn)生明顯變化，因為不同顏色的發(fā)光二極管所表現(xiàn)出的通量溫度系數(shù)差別較大。而且，每個器件所產(chǎn)生的通量大小會隨時間下降(degrade)，并且對于不同器件，下降速率不同，這取決于它們的溫度時間關(guān)系和標稱顏色。所有這些因素可在這些器件所投射的光的復合光束的色譜上引起明顯變化。
到目前為止，發(fā)光二極管照明器材仍未被設(shè)計，以補償通量和光譜組成上的明顯變化。這些器材的用戶只是簡單接受了這一事實，即所投射的光束的色譜將具有未知的初始組成，會隨溫度變化，并且由于發(fā)光二極管退化，會隨時間變化。
根據(jù)前面的描述應該理解的是，需要一種改進的控制照明器材的方法，該照明器材具有多個各自著色的光源(例如發(fā)光二極管)，它們發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜不但在其初始光譜組成方面不同，而且也會隨溫度變化并且隨時間下降。特別地，需要一種控制此類器材的方法，以使上述器材即使在初始光譜特性不同、溫度變化以及隨時間下降的情況下，仍然投射出具有預定期望通量光譜的光。本發(fā)明滿足了這些需要，并提供更多的相關(guān)優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種改進的控制照明器材的方法，該照明器材具有多個各自著色的光源(例如發(fā)光二極管)，它們發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜不但在其初始光譜組成方面不同，而且也會隨溫度變化并且隨時間下降。該方法控制所述器材，以使其在即使在初始光譜特性不同、和/或溫度變化以及通量隨時間下降的情況下，仍然投射出具有預定期望通量光譜的光。
更特別的是，在本發(fā)明的一方案中，盡管每組發(fā)射光都有一個基于物質(zhì)固有變化的不同的光通量光譜，但該方法控制照明器材所發(fā)出的光的光通量光譜。該方法包括一個初始步驟通過測量發(fā)光器件組響應預定功率輸入所發(fā)出的光的光譜分布來校準多個發(fā)光器件組中的每一組；以及一個進一步的步驟將指定大小的功率供給多個器件組中的每一組中的發(fā)光器件，以使器件組可協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。
在本發(fā)明的這個方案中，校準步驟包括測量通量量值，其中該通量是由多個發(fā)光器件組中的每一組響應預定功率輸入而發(fā)出的。也可測量通量的峰值波長和光譜半寬，其中該通量是由多個發(fā)光器件組中的每一組發(fā)出的。
該方法可用于控制照明器材，以使其發(fā)出的光具有合成光通量光譜，該合成光通量光譜模擬已知光源(具有或不具有濾色器)的光通量光譜。供給步驟包括向多個器件組的每一組中的每個發(fā)光器件供給一定大小的功率，這樣多個發(fā)光器件組協(xié)同發(fā)出具有合成光通量光譜的光，該合成光通量光譜相對于要被模擬的已知光源(具有或不具有濾色器)的光通量光譜或自定義光譜，在整個可見光譜上具有最小標準平均偏差。
在本發(fā)明的一個單獨獨立的方案中，即使在每組發(fā)射光具有一個隨溫度變化的不同的光通量光譜的情況下，該方法控制照明器材所產(chǎn)生的光的光通量光譜。該方法包括一個初始步驟確定多個發(fā)光器件組的每一組中的每個發(fā)光器件的溫度；一個進一步的步驟在溫度確定的基礎(chǔ)上，確定多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布；以及一個進一步的步驟將指定大小的功率供給多個發(fā)光器件組中的每一組中的發(fā)光器件，以使發(fā)光器件組協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。
更特別的是，每個發(fā)光器件組所發(fā)出的通量的量值會隨溫度變化，有時峰值波長也會隨溫度變化。確定多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括在多個測量溫度下，考慮多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的量值和峰值波長(可選)的測量。
多個發(fā)光器件組可被安裝在散熱器上，確定每個多元發(fā)光器件的溫度的步驟可以包括使用單個溫度傳感器測量散熱器的溫度，然后根據(jù)供給此器件的功率的大小、該器件發(fā)出的通量大小、此器件與散熱器之間的熱阻、以及散熱器的測定溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度?；蛘撸_定每個發(fā)光器件的溫度的步驟可以包括測量環(huán)境溫度，然后根據(jù)供給此器件的電能的量、該器件發(fā)出的通量大小、此器件與散熱器之間的熱阻、供給所有這些器件的功率總量減去所有這些器件所發(fā)出的通量的總量、散熱器和周圍空氣之間的熱阻、以及測定的環(huán)境溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度。
在本發(fā)明的另一個單獨獨立的方案中，即使每組發(fā)射光具有一個隨時間退化的不同的光通量光譜的情況下，該方法控制照明器材所產(chǎn)生的光的光通量光譜。該方法包括一個初始步驟為多個發(fā)光器件組中的每一組建立一個時基下降因素；以及一個進一步的步驟向多個發(fā)光器件組的每一組中的發(fā)光器件供給指定大小的功率，其中指定大小的功率是部分地基于每個器件組的時基下降因素來選擇的，以使器件組在照明器材的整個壽命內(nèi)協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。為多個發(fā)光器件組中的每一組建立一個時基下降因素的步驟還包括保存隨時間的器件溫度記錄。
在本發(fā)明的其它更詳細的特征中，多個器件組中的每個發(fā)光器件是一個發(fā)光二極管。此外，多個發(fā)光二極管組包括至少4個組，其被共同設(shè)置以使其發(fā)出的光覆蓋了可見光譜的大部分連續(xù)部分。
結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例所作的下列描述以舉例的方式說明了本發(fā)明的原理，根據(jù)這些描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點應該更加清楚。


圖1是適于實施本發(fā)明的一個照明器材的示意性側(cè)面剖視圖，該器材包括多個發(fā)光二極管組，每一組發(fā)出的光具有一個不同的窄帶光譜，這些組共同發(fā)出的光覆蓋了大部分的可見光譜。
圖2是圖1的照明器材的主視圖，所示的發(fā)光二極管被布置成二維陣列。
圖3是一個曲線圖，描述了圖1-圖2的照明器材所產(chǎn)生的光束和一種現(xiàn)有技術(shù)照明器材所產(chǎn)生的光束的光通量光譜，其中圖1-圖2的照明器材由八個發(fā)光二極管組共同發(fā)光，所發(fā)出的光覆蓋整個可見光譜，現(xiàn)有技術(shù)照明器材具有白熾燈，無濾色器。
圖4是一個曲線圖，描述了共同由圖3表示的八個發(fā)光二極管組中的每一組的光通量光譜。
圖5是一個曲線圖，描述了由圖1-圖2中照明器材所產(chǎn)生的兩束光的光通量光譜，如果所有發(fā)光二極管所發(fā)出的通量都具有該特定類型二極管的標準量值，且所有發(fā)光二極管的結(jié)溫均為25℃，那么將產(chǎn)生其中一個束光；如果所有發(fā)光二極管所發(fā)出的通量都具有該特定類型二極管的最小量值，且所有發(fā)光二極管的結(jié)溫均為25℃，那么將產(chǎn)生另一束光。該曲線圖還描述了由現(xiàn)有技術(shù)照明器材所產(chǎn)生的光束的光通量光譜，現(xiàn)有技術(shù)照明器材具有一個白熾燈，無濾色器。
圖6是一個曲線圖，描述了圖1-圖2的照明器材中的八個發(fā)光二極管組中的六個組的通量量值和溫度之間關(guān)系。
圖7是一個曲線圖，描述了由圖1-圖2的照明器材所產(chǎn)生的兩束光的光通量光譜，如果所有發(fā)光二極管的結(jié)溫均為25℃，那么將產(chǎn)生其中一束光；如果所有發(fā)光二極管的結(jié)溫皆升至80℃，且不調(diào)整供給八個發(fā)光二極管組的功率總量，那么將產(chǎn)生另一束光。該曲線圖還描述了由現(xiàn)有技術(shù)照明器材所產(chǎn)生的光束的光通量光譜，現(xiàn)有技術(shù)照明器材具有一個白熾燈，無濾色器。
圖8是一個曲線圖，描述了由圖1-圖2的照明器材所產(chǎn)生的兩束光的光通量光譜，當所有發(fā)光二極管之前均未工作過時，將產(chǎn)生其中一束光；在所有發(fā)光二極管皆在高溫下工作10000小時左右以后，且沒有調(diào)整供給八個發(fā)光二極管組的功率總量，以及所有發(fā)光二極管皆擁有相同結(jié)溫，將產(chǎn)生另一束光。該曲線圖還描述了由現(xiàn)有技術(shù)照明器材所產(chǎn)生的光束的光通量光譜，現(xiàn)有技術(shù)照明器材具有一個白熾燈，無濾色器。
圖9是一個流程圖，示出了在校準器材和收集數(shù)據(jù)中圖1的照明器材的控制器所執(zhí)行的操作步驟，以用于后續(xù)控制該器材所產(chǎn)生的光束的光通量光譜。
圖10是一個流程圖，示出了向發(fā)光二極管組供給一定大小的功率中圖1的照明器材的控制器所執(zhí)行的操作步驟，以使它們協(xié)同產(chǎn)生具有指定合成通量光譜(例如圖3中所描述的光譜)的光束。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照說明性的附圖，尤其是圖1和圖2，示出了一個發(fā)光器材20，其被設(shè)置成投射一束具有選定光通量光譜的光。該器材包括一個窄帶發(fā)光器陣列，例如，發(fā)光二極管(LEDs)22，每個發(fā)光二極管都被設(shè)置成發(fā)出具有窄帶顏色的光?？刂破?4將選定量的功率供給發(fā)光二極管，以使它們可協(xié)同發(fā)出具有指定合成光通量光譜的光。發(fā)光二極管安裝在外殼28里的散熱器26上。校準透鏡陣列30直接位于發(fā)光二極管陣列的前方，其包括了用于每個發(fā)光二極管的獨立的透鏡元件，用于聚集所發(fā)出的光以產(chǎn)生從器材中投射出的光束，例如，投射到劇院舞臺(未示出)。
發(fā)光二極管22有多種顏色組，每組所發(fā)出的光具有不同的窄帶顏色。一個優(yōu)選的器材實施例包括八個可共同發(fā)光的發(fā)光二極管組，其所發(fā)出的光基本覆蓋整個可見光譜，即從約420nm到約680nm。這八個發(fā)光二極管組的顏色包括品藍色、藍色、青色、綠色、兩種色調(diào)的琥珀色、橙紅色、紅色。發(fā)出所需顏色及高強度的光的發(fā)光二極管可從Lumileds Lighting，LLC，of San Jose，California處獲得。
照明器材20可被精確控制以發(fā)出范圍廣闊的顏色，包括白色。這些顏色可被用來以近似模擬由各種現(xiàn)有技術(shù)器材(具有和不具有濾色器)所發(fā)出的光的光通量光譜。以David W.Cunningham的名義于2002年4月8日提交的待決的申請序列號10/118828，公開了一種由控制器24來實現(xiàn)的合適的控制系統(tǒng)，用于向多組發(fā)光二極管22供給功率以產(chǎn)生一束具有期望光通量光譜的合成光。該申請通過引用合并于此。
表I用于具有八個不同顏色組的發(fā)光二極管照明器材20的一套發(fā)光二極管22的適當?shù)难a充數(shù)據(jù)(complement)。八組中的每一組的基色標在第一列中，該組的Lumileds庫(bin)編號在第二列列出。每個Lumileds庫包括峰值波長在正好5nm之內(nèi)的發(fā)光二極管。每組中發(fā)光二極管的數(shù)量在第三列中列出，每組的標準峰值通量波長在第四列列出。最后，每組中的發(fā)光二極管的光譜半寬的標準上下限(即在該波長范圍內(nèi)通量密度為峰值通量密度的至少一半)在第五列中列出。
表I 全光譜照明器材

從表I可以看出，八組發(fā)光二極管22的每一組的光譜半寬上限一般與相鄰組的光譜半寬下限相匹配。上下限之間的任何差距的最小化是所期望的。這使得照明器材20可發(fā)出具有精確控制的合成光通量光譜的光。應該意識到的是，具有更多不同的發(fā)光二極管組的照明器材對合成光通量光譜的形狀可以提供更精確的控制。在這樣的器材中，發(fā)光二極管組可被設(shè)置成其每組的光譜半寬的上下限一般與兩個相鄰組的峰值波長對準。。
如上所述，每個Lumileds庫編號包括具有在正好5nm范圍之內(nèi)的峰值波長的發(fā)光二極管。一般的顏色名稱藍色實際上包括來自五個獨立的庫的發(fā)光二極管。因此，優(yōu)選使用Lumileds庫編號來指定發(fā)光二極管，而不是僅僅使用顏色名稱。
圖3描述了當全功率被施加到表I所表征的照明器材20中的所有八組發(fā)光二極管22時，其所發(fā)出的光的合成光通量光譜。要說明的是，該光譜基本覆蓋了整個可見光譜。圖3還描述了一光束的光通量光譜，此光束是由現(xiàn)有技術(shù)照明器材所投射出來的，例如，一種Source Four器材，該器材具有一個在大約3250°K工作的白熾燈，且在光束路徑上沒有濾色器。該Source Four器材可從Electronic Theatre Controls，ofMiddleton，Wisconsin處獲得。
在圖3中將要說明的是，發(fā)光二極管照明器材20的合成光譜近似模擬了白熾燈照明器材的光譜。這使得發(fā)光二極管器材所產(chǎn)生的光束的表觀顏色為白色。此外，選擇每組中的發(fā)光二極管的數(shù)量，以使該器材所產(chǎn)生的總通量近似等于白熾燈照明器材所發(fā)出的總通量(在可見光譜中)。表I的第三列列出了提供總通量所需的發(fā)光二極管的數(shù)量，所使用的通量值為Lumileds在2003年第四季度所規(guī)劃的。
將圖3所示的兩光通量光譜之間的差值的絕對值在整個可見光譜范圍內(nèi)取積分，產(chǎn)生了一個僅為19.0％的標準平均偏差(NMD)。此積分可用下式表示NMD=∫[ST(λ)-SL(λ)]dλ∫ST(λ)dλ----(I)]]>其中λ為波長SL為發(fā)光二極管器材的光譜，以及ST為目標光譜。
八個發(fā)光二極管組中的每一組都是由單個的發(fā)光二極管22構(gòu)成的，而發(fā)光二極管22的光通量光譜都在圖4中示出。需要說明的是，這些光譜互相重疊，以致它們組合起來覆蓋了可見光譜的主要區(qū)域。也需要說明的是，一些單個光譜的峰值通量(例如，青色和綠色)明顯比其它光譜的高(例如，兩種色調(diào)的琥珀色)。這反映了當前市場上銷售的發(fā)光二極管在效率上有固有差異。這也說明了為什么發(fā)光二極管照明器材20上兩色調(diào)琥珀色(109個)的發(fā)光二極管數(shù)量要比青色(18)的多得多。當然，如果市場上銷售的各種發(fā)光二極管的效率差異在將來發(fā)生改變，那么該器材發(fā)出期望光譜所需的每種發(fā)光二極管的數(shù)量也將作出適當?shù)母淖儭?br> 每個單個的發(fā)光二極管22都將發(fā)出具有基于物質(zhì)固有變化的量值和峰值波長的通量。實際上，具有相同商業(yè)規(guī)格的兩個發(fā)光二極管的通量量值在給定的輸入功率下最多可相差兩倍，其峰值波長最多可相差20nm。當然，根據(jù)其Lumileds庫編號來指定發(fā)光二極管，則可以將峰值波長的變化量減小到5nm。此變化量可使照明器材20所發(fā)出的光束的合成光通量光譜發(fā)生明顯變化。
圖5是一個曲線圖，示出了如果通量量值的固有變化的影響未被解決(addressed)，所投射的光束的表觀顏色如何變化。圖中的一條線代表八組發(fā)光二極管22所發(fā)出光束的光通量光譜，其中所有發(fā)光二極管在之前均未工作過，且都接收標準功率輸入，并且結(jié)溫均為25℃，以及所有發(fā)光二極管都具有商業(yè)產(chǎn)品規(guī)定的標準通量值。圖中的另一條線代表八組發(fā)光二極管所發(fā)出的同一光束的光通量光譜，其中全部發(fā)光二極管在之前均未工作過且同樣都以標準功率輸入，并且結(jié)溫均為25℃，所有發(fā)光二極管都具有商業(yè)產(chǎn)品規(guī)定的最低通量值。可以看到，與期望光譜之間具有了一個明顯的偏差。
實際上，具有標準通量值的發(fā)光二極管22所產(chǎn)生的光束的光譜相對于目標光譜有一個17.3％的標準平均偏差，然而具有最小通量值的發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光束的光譜相對于同一目標光譜有一個38.0％的標準平均偏差。這代表一個嚴重的性能缺陷。如下面將要描述的，控制器24將被設(shè)置以補償這些通量量值和峰值波長的固有變化，以使器材實際上產(chǎn)生一束具有期望光譜的光。
更特別的是，在標準功率輸入下，通過存儲在控制器24中的關(guān)于每組發(fā)光二極管22所發(fā)出的通量的量值和峰值波長的信息來預先校準照明器材20。此信息可通過不斷向每個發(fā)光二極管組供給標準功率及測量相應的通量的量值和峰值通量波長來獲得。當所有發(fā)光二極管結(jié)區(qū)都維持在標準溫度(比如25℃)時進行上述測量。然后，當器材在使用中時，控制器向每個發(fā)光二極管組供給所需功率，以使每個這樣的組都發(fā)出具有期望量值的光。以此方式，可通過對發(fā)光二極管組的控制來提供具有與期望光譜近似的光通量光譜的合成光束。
每個發(fā)光二極管22響應給定功率輸入所發(fā)出的通量也具有可隨結(jié)溫發(fā)生明顯變化的量值和峰值波長。特別地，如圖6所示，通量量值與溫度成相反函數(shù)變化。每種發(fā)光二極管顏色的量值的變化都各不相同。例如，發(fā)橘紅色光的發(fā)光二極管的變化要比發(fā)藍色光的發(fā)光二極管的變化明顯得多。實際上，如圖6所示，對于給定功率輸入，標準橘紅色發(fā)光二極管在80℃時的通量量值只是25℃時的55％，然而，標準藍色發(fā)光二極管在80℃時的通量量值是25℃時的90％。
圖6可根據(jù)發(fā)光二極管制造商提供的數(shù)據(jù)繪得?；蛘吒鼉?yōu)選地，通過逐個測量照明器材20中的八組發(fā)光二極管22來生成該圖。這使得構(gòu)成每一組的實際發(fā)光二極管的溫度系數(shù)都能得到說明。此測試優(yōu)選在三個不同溫度(例如，25℃、50℃、75℃)下進行，以便在標準功率輸入之下測量每個發(fā)光二極管組的通量輸出。一個標準二次曲線匹配程序可被用來預測在不同溫度下每組的通量輸出。
如上所述，每個發(fā)光二極管所發(fā)出的通量的峰值波長也隨結(jié)溫變化。一般來說，這些峰值波長變化在感興趣的溫度范圍(例如從25℃到80℃)內(nèi)少于10nm。表征峰值波長隨溫度變化的數(shù)據(jù)可由發(fā)光二極管制造商提供。
由于發(fā)光二極管結(jié)溫隨時間變化，這些由溫度引起的通量量值和峰值波長的變化可導致投射光束表觀顏色的明顯變化。圖7一個曲線圖，示出了如果溫度引起的通量量值變化的影響未被解決，所投射的光束的表觀顏色如何變化。圖中的一條線代表八組發(fā)光二極管22所發(fā)出光束在其結(jié)溫為25℃時的光通量光譜，。圖中的另一條線代表八組發(fā)光二極管所發(fā)出光束在結(jié)溫皆上升到80℃時的光通量光譜，其中輸入功率保持不變?？梢钥吹?，與期望光譜之間具有一個明顯偏差。
實際上，結(jié)溫為25℃的發(fā)光二極管22所發(fā)出光束的光譜相對于目標光譜有一個17.3％的標準平均偏差，而結(jié)溫為80℃的發(fā)光二極管所發(fā)出光束的光譜相對于同一目標光譜有一個34.5％的標準平均偏差。這表示了一個嚴重的性能缺陷。如下面將要描述的，控制器24被設(shè)置以補償這些由溫度引起的通量量值和峰值波長的變化，以使該器材實際上產(chǎn)生一束具有期望光譜的光。
更特別的是，對于標準功率輸入，控制器24通過預先作為平均結(jié)溫的函數(shù)存儲在控制器24中的關(guān)于八組發(fā)光二極管22中的每一組所發(fā)出的通量的量值和峰值波長的信息來補償溫度引起的通量量值和峰值通量波長的變化。如上所述，關(guān)于發(fā)光二極管通量量值的溫度靈敏度的信息優(yōu)選通過預先測試發(fā)光二極管組來確定，而關(guān)于發(fā)光二極管峰值波長的溫度靈敏度的信息則可從發(fā)光二極管制造商處獲得。
當使用照明器材20時，控制器24首先確定(例如通過迭代計算)每組發(fā)光二極管22的近似結(jié)溫。確定方法在下邊詳細討論。然后，基于每組的結(jié)溫的確定，控制器確定(例如部分參考圖6中的信息)每個發(fā)光二極管組在標準功率輸入下發(fā)出的通量和峰值波長的大小。然后，控制器供給發(fā)光二極管組器材發(fā)出期望光通量光譜所必需的功率。例如，控制器可以供給任意大小的功率以產(chǎn)生一個光通量光譜，該光通量光譜可表現(xiàn)出相對于所要模擬的光通量光譜的最小標準平均偏差。
控制器24優(yōu)選通過迭代方式確定供給八組發(fā)光二極管22中的每一組的功率等級，并得到相對于所要模擬的目標光譜最小標準平均偏差。首先，假設(shè)供給所有八組發(fā)光二極管22的功率的初始量，并算得標準平均偏差。然后，上下調(diào)整已假定為供給每組發(fā)光二極管組的功率的大小，直到計算得的標準平均偏差達到最小。對八組發(fā)光二極管中的每一組都進行此調(diào)整，重復(通常是幾次)此過程直到計算出最小標準平均偏差。
每個發(fā)光二極管22的結(jié)溫可方便地用下式算出。公式根據(jù)(1)供給發(fā)光二極管組的功率，(2)每個器件的結(jié)區(qū)與其外殼之間的熱阻，(3)每個器件外殼和散熱器26之間的熱阻，(4)散熱器和周圍環(huán)境之間的熱阻，(5)環(huán)境溫度，來確定八組發(fā)光二極管中每一組的結(jié)溫。
TJX＝(PX)(θJC+θCS)+∑nXPX(θSA)+TA(II)其中TJX＝組X發(fā)光二極管的結(jié)溫(℃)，PX＝組X中每個發(fā)光二極管所消耗的功率(瓦)，θJC＝結(jié)區(qū)與每個發(fā)光二極管外殼之間的熱阻(℃/瓦)，θCS＝每個發(fā)光二極管外殼和散熱器之間的熱阻(℃/瓦)，nX＝組X中發(fā)光二極管的數(shù)目，θSA＝散熱器和周圍環(huán)境之間的熱阻(℃/瓦)，TA＝環(huán)境溫度(℃)，N＝發(fā)光二極管組的數(shù)目。
另一種方法為，如果溫度傳感器被放置在散熱器上，則公式可簡化成下式
TJX＝(PX)(θJC+θCS)+TS(III)其中TS＝散熱器溫度(℃)。
公式III假設(shè)散熱器已達到穩(wěn)定狀態(tài)和恒溫條件。另一種方法為，使用多個溫度傳感器，基于發(fā)光二極管在散熱器上的物理位置，作出對每個發(fā)光二極管結(jié)溫的更精確估計。此外，當達到一個穩(wěn)定狀態(tài)條件時，一個更高級的程序可以估計每個發(fā)光二極管的結(jié)溫，同時將散熱器和發(fā)光二極管的熱容考慮在內(nèi)。
把熱阻值作為基于以前的測量值或從發(fā)光二極管供應商處得到的信息的輸入值提供給控制器24。代表環(huán)境溫度的值通過一個適當?shù)臏囟扔?未在圖中示出)提供給控制器。功率值用下式計算。該公式基于多個參數(shù)來確定八組發(fā)光二極管中每一組的功率值，全部這些參數(shù)的值均作為輸入值提供給控制器或者由控制器自己計算。特別地，每個發(fā)光二極管組的功率值用下式?jīng)Q定PX＝BX[IX(VX-KX(TJX-25))-φX] (IV)其中BX＝供給發(fā)光二極管組X的電流的占空比(0.00-1.00)，IX＝在100％占空比下供給組X中發(fā)光二極管器件的電流(安培)VX＝發(fā)光二極管組X中的每個器件上的正向壓降(伏特)，KX＝發(fā)光二極管組X的正向壓降—溫度系數(shù)(伏特/℃)，φX＝發(fā)光二極管組X中的每個器件所發(fā)出的輻射通量(瓦特)。
由此可知，八個不同的發(fā)光二極管組22的結(jié)溫均可由上式以迭代的形式確定。這是因為所計算的功率值受輻射通量及每個發(fā)光二極管上的正向壓降的影響，而這兩者是結(jié)溫的函數(shù)，然而，所計算的結(jié)溫值反過來也受功率等級的影響。最后，經(jīng)過連續(xù)計算所得的值收斂成具體數(shù)值。
此外，每個發(fā)光二極管22響應給定功率輸入所發(fā)出的通量也有一個隨時間下降的量值。根據(jù)此類發(fā)光二極管的一個制造商LumiledsLighting，LLC，通量量值通常隨時間下降，下降速率取決于發(fā)光二極管的結(jié)溫?？刂破?4被設(shè)置以補償這種通量下降以使投射光束可以在照明器材的使用壽命內(nèi)保持期望光譜。
隨著發(fā)光二極管的老化，隨時間的通量下降可引起投射光束表觀顏色的明顯變化。圖8是一個曲線圖，示出了如果通量下降未被解決，投射光束的表觀顏色如何變化。圖中一條線代表八組發(fā)光二極管22所發(fā)出光束的光通量光譜，其中全部發(fā)光二極管此前均未使用過。圖中的另一條線代表在高溫下使用10000小時的發(fā)光二極管所發(fā)出光束的光通量光譜。可以看到，與期望光譜之間出現(xiàn)了一個明顯的偏差。如下面將要描述的，控制器24被設(shè)置以補償這種通量下降，以使該器材實際上產(chǎn)生具有期望光譜的光束。
圖9是一個流程圖，描述了控制器24在完成預先校準照明器材20以及收集和提供用于控制該器材以使其投射出具有期望光通量光譜的光束的信息之后所要進行的步驟。在該程序的初始步驟40中，收集代表八組發(fā)光二極管22中的每一組所發(fā)出的光的初始通量量值、峰值通量波長、及光譜半寬的數(shù)據(jù)。當以標準功率輸入供給發(fā)光二極管組以及發(fā)光二極管結(jié)區(qū)維持在標準溫度(例如25℃)時，這些數(shù)據(jù)可從初始測量參數(shù)中獲得。當結(jié)溫維持在第二溫度例如50℃，及第三溫度，例如75℃時，重復進行此測量。在步驟42中，這些參數(shù)的測量值被存儲在控制器的存儲器(未示出)中。
然后，在步驟44中，將表示大量傳統(tǒng)照明器材在有無各種傳統(tǒng)濾色器的兩種情況下的光通量光譜的數(shù)據(jù)裝入到控制器的存儲器中。將表示其它選定光通量光譜的數(shù)據(jù)裝入到控制器的存儲器中。如果需要器材20發(fā)出模擬選定光譜的光束，則此數(shù)據(jù)便可派上用場。
然后，在步驟46中，存儲數(shù)據(jù)以表示如下信息(1)每個發(fā)光二極管22的結(jié)區(qū)和外殼之間的熱阻，(2)每個發(fā)光二極管的外殼和散熱器26之間的熱阻，(3)散熱器26和環(huán)境之間的熱阻，(4)八組發(fā)光二極管的每一組中的器件數(shù)量，(5)八組發(fā)光二極管的每一組中的正向壓降—溫度系數(shù)。此數(shù)據(jù)可從產(chǎn)品制造商處獲得，或從各種熱力模型程序中得到或計算出。最后，在步驟48中，控制器24保留一份所計算的每個發(fā)光二極管結(jié)溫隨時間變化的記錄。
圖10是一個流程圖，描述了控制器24在控制照明器材20以使其供給八組發(fā)光二極管22以產(chǎn)生具有期望光通量光譜的光束所必需的電流大小的步驟之后所要進行的步驟。在所述步驟50中，控制器決定器材是否需要模擬已存在光源的光通量光譜。如果是，則程序前進到步驟52，那里已有可供選擇的特定的光源以用來模擬。如果光源具有濾色器的話，還可選擇濾色器以及光束強度。
另一方面，如果已在步驟50確定不需要模擬已存在光源，則前進到步驟54，其中基于用戶提供的指令生成一個自定義光譜。在生成期望光譜之后，在步驟56中對其進行鎖定(locked-in)。
步驟52和56之后，程序?qū)⑶斑M到一系列的步驟中，在這些步驟中控制器24將確定供給八組發(fā)光二極管22中每一組的精確的電流大小，以使投射光束可以模擬已存在光源或自定義光源。所以，在步驟58中，控制器測量環(huán)境溫度(或散熱器溫度)，然后，在步驟60中，計算八組發(fā)光二極管每一組中的發(fā)光二極管的節(jié)點溫度。這是基于由控制器所計算的或前述步驟46中提供給控制器的數(shù)據(jù)，利用前面所述的公式來完成的。
然后，在步驟62中，控制器24使用在前述步驟48中積累的時間/溫度數(shù)據(jù)為八組發(fā)光二極管22中的每一組計算了時基下降因素。然后，在步驟64中，控制器在一個迭代過程中進行計算，以將精確的電流大小供給到八組發(fā)光二極管中的每一組之中，這使得投射光束相對于被模擬的光譜有一個具有最小標準平均偏差的光通量光譜。
然后，在步驟66中，控制器24向電流驅(qū)動電路(未示出)發(fā)出適當?shù)目刂菩盘栆允闺娐纺軌蛳虬私M發(fā)光二極管供給適量的電流。接收電流的每一組中的發(fā)光二極管優(yōu)選相等地共享該電流。在上述待定專利申請序列號No10/118828中，詳細敘述了用來確定最佳電流值的特殊技術(shù)。
最后，在步驟68中，程序返回到步驟50，此步驟決定了照明器材20是否需要模擬已存在光源的光通量光譜或自定義光譜。流程無限地循環(huán)進行。隨著時間的進行，即使在短期的溫度變化以及長期的通量下降的情況下，但器材所投射的光束的光通量光譜仍將繼續(xù)模擬選定光譜。
根據(jù)前面的描述，應該理解的是本發(fā)明提供一種控制照明器材的改進方法，該照明器材具有多個各自著色的光源(例如發(fā)光二極管)，它們發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜不但在其初始光譜組成方面不同、而且也會隨溫度變化并且隨時間下降。本方法控制上述器材，以使上述器材即使在初始光譜特性不同、溫度變化以及通量隨時間下降的情況下，仍然投射出具有預定期望通量光譜的光。
雖然僅參照本優(yōu)選實施例對發(fā)明進行了詳細描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的前提下可對其進行各種修改。相應地，本發(fā)明只由所附的權(quán)利要求進行限定。
權(quán)利要求
1.一種用于控制由照明器材所產(chǎn)生的光的光通量光譜的方法，該照明器材包括多個發(fā)光器件組，由于物質(zhì)固有變化，每一組發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，所述方法包括通過測量所述組響應預定功率輸入所發(fā)出的光的光譜分布來校準所述多個發(fā)光器件組中的每一組；以及將指定大小的功率供給所述多個器件組的每一組中的發(fā)光器件，以使所述器件組協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述校準步驟包括測量由所述多個發(fā)光器件組中的每一組響應預定功率輸入所發(fā)出的通量的量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述校準步驟包括測量由所述多個發(fā)光器件組中的每一組響應預定功率輸入所發(fā)出的通量的量值、峰值波長和光譜半寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法控制所述照明器材，以使其所發(fā)出的光具有合成光通量光譜，該合成光通量光譜模擬一種具有或不具有濾色器的已知光源的光通量光譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述供給步驟包括將一定量的功率供給所述多個發(fā)光器件組的每一組中的每個發(fā)光器件，以使所述多個器件組協(xié)同發(fā)出具有合成光通量光譜的光，相對于一種要被模擬的已知光源的光通量光譜，在具有或不具有相關(guān)濾色器的情況下，該合成光通量光譜具有在可見光譜上的最小標準平均偏差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個器件組中的每個發(fā)光器件是一個發(fā)光二極管；以及所述多個發(fā)光二極管組包括至少四個組，其被共同設(shè)置以使其發(fā)出的光覆蓋了可見光譜的大部分連續(xù)部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中由所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的光的不同的光通量光譜隨溫度變化；所述方法進一步包括確定所述多個發(fā)光器件組的每一組中的每個發(fā)光器件的溫度；以及在所述供給步驟中供給所述發(fā)光器件的指定大小的功率，是部分地基于每個器件的溫度確定來選擇的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中每個發(fā)光器件組發(fā)出量值隨溫度變化的通量；以及所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括在多個測試溫度下，考慮所述多個器件組中的每一組所發(fā)出的通量的量值測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中每個發(fā)光器件組發(fā)出量值和峰值波長隨溫度變化的通量；以及所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括一個預先步驟在多個測試溫度下，測量由所述多個器件組中的每一組所發(fā)出的通量的量值和峰值波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個發(fā)光器件組安裝在散熱器上；所述確定每個發(fā)光器件的溫度的步驟包括使用一個或多個溫度傳感器測量所述散熱器的溫度，以及基于供給此器件的功率大小、此器件所發(fā)出的通量大小、此器件與所述散熱器之間的熱阻以及所述散熱器的測定溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個發(fā)光器件組安裝在散熱器上；所述確定每個發(fā)光器件的溫度的步驟包括測量環(huán)境溫度，以及基于供給此器件的功率大小、此器件發(fā)出的通量大小、此器件與所述散熱器之間的熱阻、供給所有此類器件上的功率總量減去此類器件發(fā)出的通量總量、所述散熱器和周圍空氣之間的熱阻，以及測定的環(huán)境溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括考慮關(guān)于此類器件的通量隨時間下降的因素。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括保存所述器件的溫度隨時間變化的記錄。
14.一種用于控制由照明器材所產(chǎn)生的光的光通量光譜的方法，該照明器材包括多個發(fā)光器件組，每一組發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜隨溫度變化，所述方法包括確定所述多個器件組的每一組中的發(fā)光器件的溫度；基于溫度確定，確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布；以及將指定大小的功率供給所述多個器件組的每一組中的發(fā)光器件，以使所述器件組協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中每個發(fā)光器件組發(fā)出量值隨溫度變化的通量；以及所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括在多個測試溫度下，考慮由所述多個器件組中的每一組所發(fā)出的通量的量值測量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中每個發(fā)光器件組發(fā)出量值和峰值波長隨溫度變化的通量；以及所述確定所述多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括一個預先步驟在多個測試溫度下，測量由所述多個器件組中的每一組所發(fā)出的通量量值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述供給步驟包括將一定大小的功率供給所述多個器件組的每一組中的每個發(fā)光器件，以使所述多個器件組協(xié)同發(fā)出具有合成光通量光譜的光，相對于一種要被模擬的已知光源的光通量光譜，在具有或不具有濾色器的情況下，該合成光通量光譜具有在可見光譜上的最小標準平均偏差。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多個發(fā)光器件組安裝在散熱器上；以及所述確定每個發(fā)光器件的溫度的步驟包括使用一個或多個溫度傳感器測量所述散熱器的溫度，以及基于供給此器件上的功率大小、此器件所發(fā)出的通量大小、此器件與所述散熱器之間的熱阻、已測散熱器溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多個發(fā)光器件組安裝在散熱器上；以及所述確定每個發(fā)光器件的溫度的步驟包括測量環(huán)境溫度，以及基于供給此器件上的功率大小、此器件所發(fā)出的通量大小、此器件與所述散熱器之間的熱阻、供給所有此類器件上的功率總量減去此類器件所發(fā)出的通量總量、所述散熱器和周圍空氣之間的熱阻，以及測定的環(huán)境溫度來計算每個發(fā)光器件的溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述確定多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括考慮關(guān)于此類器件的通量隨時間下降的因素。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述確定多個發(fā)光器件組中的每一組所發(fā)出的通量的光譜分布的步驟包括保存所述器件的溫度隨時間變化的記錄。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法控制所述照明器材，以使其發(fā)出具有合成光通量光譜的光，該合成光通量光譜模擬一種具有或不具有濾色器的已知光源的光通量光譜。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述供給步驟包括將一定量的功率供給羧化速多個發(fā)光器件組的每一組中的每個發(fā)光器件，以使所述多個器件組協(xié)同發(fā)出具有合成光通量光譜的光，相對于一種要被模擬的已知光源的光通量光譜，在具有或不具有相關(guān)濾色器的情況下，該合成光通量光譜具有在可見光譜上的最小標準平均偏差。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述多個器件組中的每個發(fā)光器件是一個發(fā)光二極管；以及所述多個發(fā)光二極管組包括至少四個組，其被共同設(shè)置以使其發(fā)出的光覆蓋了可見光譜的大部分連續(xù)部分。
25.一種用于控制由照明器材所產(chǎn)生的光的光通量光譜的方法，該照明器材包括多個發(fā)光器件組，每一組發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜隨時間下降，所述方法包括為所述多個發(fā)光器件組中的每一組建立一個時基下降因素；將指定大小的功率供給所述多個器件組的每一組中的發(fā)光器件，其中所述指定大小的功率是部分地基于為每個器件組所建立的所述時基下降因素來選擇的，以使所述器件組在所述照明器材的壽命內(nèi)協(xié)同發(fā)出具有期望合成光通量光譜的光。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的為所述多個發(fā)光器件組的每一組建立一個時基下降因素的步驟包括保存所述器件的溫度隨時間變化的記錄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制照明器材的方法，該照明器材具有多個各自著色的光源(例如發(fā)光二極管)，它們發(fā)出的光具有不同的光通量光譜，該光通量光譜不但在其初始光譜組成方面不同、而且也會隨溫度變化并且隨時間下降(degrade)。本方法控制上述器材，以使上述器材即使在初始光譜特性不同、溫度變化以及通量隨時間下降的情況下，仍然投射出具有預定期望通量光譜的光。
文檔編號H05B37/02GK1675964SQ03818545
公開日2005年9月28日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月1日
發(fā)明者D·W·坎寧安 申請人:D·W·坎寧安