专利名称：固态发光装置、固态发光光源、照明装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及固态照明领域，特别是涉及基于固态照明的舞台照明及其控制方法。
背景技术：
在现有固态照明技术中，多色固态发光器件同时使用以得到不同颜色、不同亮度的混合发光或单色发光的方法已经得到普遍应用。例如，在灯具中使用红色、绿色、蓝色三组LED(Light Emitting Diode),通过控制三组LED的驱动电流来分别控制其强度,可以控制灯具最终发射的光线的颜色和亮度。一个现有的LED灯具的光学结构示意图如图I所示。其中，LED阵列101发出的光经过透镜阵列102准直后入射于聚焦透镜103，经过聚焦透镜103聚焦后入射于一个光阑或图案盘104表面，经过该光阑或图案盘104过滤产生特定的外形或图案后，经过投射镜头105投射发光。 控制LED发光强度的方法分为两类。第一类是使用脉冲驱动LED的方式，通过控制脉冲的脉宽、占空比等参数来控制LED的亮度；这类方法具有调制方便、准确的优点，但存在一个问题对于需要摄像的照明领域(例如舞台照明)，摄像机及其播放设备(例如电视)都具有特定的刷新频率，例如在我国该频率为60赫兹，在国外则可能为50赫兹。如果LED调制脉冲的频率不够高，则LED的亮度变化将会与摄像的刷新频率发生“拍频”现象，即在摄像及其播放设备中看到灯光的闪烁。当然，提高LED调制频率是可以解决这个问题的，但是此时该驱动电路的结构就比较复杂且成本高昂。控制LED发光强度的第二类方法是使用直流驱动LED的方式，例如通过控制LED的驱动电压或电流来控制LED的强度。由于LED是直流点亮的，因此不存在上述的“拍频”问题，但这种方法的问题在于LED具有驱动的阈值，当驱动电流或电压低于这个阈值则LED不发光，而当驱动电流或电压达到这个阈值时LED立刻发光，即在阈值附近LED的控制存在突变的特性，不是连续变化的。另一方面，LED的工作阈值也不是固定不变的，而是可能随着温度等外界条件而变化的。因此当需要LED工作于很低的亮度状态时，有可能由于使LED工作于驱动阈值附近而不稳定，进而发生低亮度下的闪烁和突变现象。可以理解，单独一种颜色在低亮度下的闪烁和突变，会引起灯具发射的混合光的颜色的闪烁和突变，而人眼对于颜色的变化是非常敏感的，这严重影响了 LED灯具的使用性能。例如，如图I所示的灯具的LED阵列中，所有的LED都是串联的并以恒流驱动的方式控制的，因此可以通过改变LED阵列的驱动电流来改变灯具的发光亮度。一般来说，灯具的亮度控制为多级的灰阶控制，如256级灰阶，表示其亮度范围为O至255。亮度为255时灯具为最亮状态，此时LED阵列的驱动电流为最大，假设这个最大电流值为1A。当希望灯具出射的亮度灰阶为O时，只要关闭LED阵列使其不发光即可，而当希望灯具出射的亮度灰阶为I时，此时必须控制LED阵列的驱动电流，使得LED阵列的亮度达到IA下驱动时的1/255，其电流可能是10mA。LED的驱动阈值电流与很多因素有关，例如生产工艺、厂商品牌、封装方法等等，一般来说在5mA至50mA不等。在这种情况下，IOmA的驱动电流可能造成该LED阵列的驱动不稳定，即有些LED可以点亮有些则不能，或者有时能点亮而有时不能。另一方面，当希望灯具出射的亮度灰阶增大时，LED阵列的驱动电流也将增大，在某一个灰阶时，随着LED的发光控制归于正常，灯具的发光在这个灰阶可能发生突然变亮的现象。因此，需要一种固态发光装置和相应的控制方法，解决低亮度下的工作不稳定的问题。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是提出一种固态发光装置、固态发光光源、照明装置及其控制方法，同时解决了与摄像刷新频率发生“拍频”现象的问题和低亮度工作下的不稳定的问题。本发明提出一种发光亮度可调的固态发光装置，包括固态发光芯片组，该固态发光芯片组包括至少两颗固态发光芯片，该固态发光芯片组包括可以独立驱动的至少两个芯 片分组，第一分组和第二分组。还包括控制装置，用于接收外部的亮度控制信号，并根据该亮度控制信号采用直流驱动的方式驱动固态发光芯片组发光；当亮度控制信号所代表的灰阶值处于第一灰阶范围时，控制装置只驱动第一分组处于点亮状态，并通过控制第一分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到亮度控制信号所代表的灰阶值，同时使第二分组处于关闭状态。其中第一灰阶范围的最低灰阶值等于整个灰阶范围的最低灰阶值，最高灰阶值不大于整个灰阶范围的最高灰阶值的一半。其中，第一分组的固态发光芯片的数量不多于固态发光芯片组的固态发光芯片总数的一半。本发明还提出一种固态发光光源，包括至少两个上述的固态发光装置，它们分别发射不同颜色的基色光；还包括波长合光装置，用于将每个固态发光装置发出的光合并为一束混合光以形成该固态发光光源的出射光；还包括总控装置，用于接收外部的亮度和颜色控制信号，并将其分解为每一种基色光的亮度控制信号，输出给各固态发光装置的控制
>J-U ρ α装直。本发明还提出一种照明装置，包括上述的固态发光装置或固态发光光源作为发光源。在本发明的固态发光装置中，当亮度控制信号所代表的灰阶值处于亮度比较低的第一灰阶范围时，只点亮第一分组的固态发光芯片而使其余的固态发光芯片处于关闭状态。相对于全部点亮的情况，此时第一分组的驱动电流或电压必须提高以弥补其余固态发光芯片的关闭造成的亮度下降，因此第一分组的驱动电压或电流就会更远离驱动阈值，进而提高驱动控制的稳定性。
图I是一种现有的LED灯具的光学结构示意图；图2是本发明的第一实施例的固态发光装置处于第一灰阶范围时的工作示意图；图3是本发明的第二实施例的固态发光光源的光学结构示意图；图4a是本发明的固态发光装置的控制方法的一种可能的流程示意图；图4b是本发明的固态发光装置的控制方法的另一种可能的流程示意图。
具体实施例方式首先需要说明的是，本发明并不涉及具体的灯具的结构，只要灯具中包括两颗以上的固态发光芯片作为发光源，就可以利用本发明进行发光亮度的控制。因此，本发明中图I和图4所示的光学结构只作为举例，并不对本发明的保护范围构成限制。本发明提出一种发光亮度可调的固态发光装置200，如图2所示。固态发光装置200包括固态发光芯片组201，该固态发光芯片组201包括五颗固态发光芯片201a、201b、201c、201d、201e，该固态发光芯片组包括可以独立驱动的两个芯片分组，第一分组和第二分组，其中第一分组包括固态发光芯片201b和201d，第二分组包括固态发光芯片201a、201c 和 201e。 固态发光装置200还包括控制装置210，用于接收外部的亮度控制信号(图中未画出)，并根据该亮度控制信号采用直流驱动的方式驱动固态发光芯片组201发光。在本实施例中，控制装置210通过连线211连接固态发光芯片201b和201d(即第一分组)并同时控制其发光，通过连线212连接固态发光芯片201a、201c和201e (即第二分组)并同时控制 其发光，且控制装置210可以独立的控制第一分组和第二分组的开关和发光亮度。值得说明的是，图中的连线211和212只代表了电连接的关系，并不表示和限定具体的连接方式。在实际应用中，可以使用串联、并联、串并联等方式将同一分组的固态发光芯片连接在一起并予以控制，或采用其它方式连接，这并不影响本发明的效果。常见的固态发光芯片，如LED和激光二极管等，一般使用串联的方式连接，并使用恒流驱动的方式予以驱动；当然使用并联的方式连接并使用恒压的方式驱动也属于本发明的保护范围。本实施例中，控制装置可以直接接收外部的亮度控制信号，也可以通过其它接收装置接收外部的亮度控制信号后再传递给该控制装置。在实际应用中，亮度控制信号的传输具有多种格式，这往往是通过控制协议的方式体现的。例如在灯光控制中DMX512协议是一个被广泛使用的协议，在这个协议中规定了控制信号的位数、格式、同步、校验等信息。在本发明中，并不规定和限制具体使用的控制信号的格式，而是直接使用该控制信号中的亮度信息。在得到控制信号中的亮度信息后，通过对信号的解码和换算可以得到该亮度信息所代表的灰阶值。具体的解码和换算的过程是根据具体使用的协议具体规定的，可以在实际应用中根据实际情况确定，此处不赘述。如背景技术中所述的，亮度可调节的灯具都具有一个可调的灰阶范围，例如DMX512协议中使用的就是256级灰阶，即O至255灰阶值。在本发明中的固态发光装置200中，控制装置210对第一分组和第二分组的控制方法如下当亮度控制信号所代表的灰阶值V处于第一灰阶范围时，控制装置只驱动第一分组处于点亮状态，并通过控制第一分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到灰阶值V，同时使第二分组处于关闭状态。其中，第一灰阶范围指的是在整个灰阶范围中灰阶值最低的一段连续的灰阶范围，即第一灰阶范围的最低灰阶值等于整个灰阶范围的最低灰阶值。在该固态发光装置200中，由于使用了直流驱动而不是脉冲驱动的方式，避免了该光源与摄像设备和播放设备的“拍频”现象。当希望达到的灰阶值V处于灰阶最低的第一灰阶范围时，控制使第二分组处于关闭状态而只使用第一分组提供整个灯具的光输出，与两个分组同时点亮相比，此时第一分组的驱动电压或驱动电流必然提高以补偿第二分组关闭而造成的亮度下降，这就使得第一分组的驱动电压或电流远离驱动阈值，进而实现更稳定的控制。可以理解，第一分组的固态发光芯片的颗数不能过多，否则其驱动电流和电压的提高不显著，将影响其实现稳定控制的效果。在实验中发明人发现，第一分组的固态发光芯片的数量不能多于固态发光芯片组201的固态发光芯片总数的一半，否则当希望得到的灰阶值在第一灰阶范围内时第一分组的驱动电压和电流的提升不超过固态发光芯片组201全部点亮时的二倍，这往往达不到稳定控制灰阶的目的。在本发明中，控制第一分组的驱动电流或电压使其发光亮度达到灰阶值V，是一项现有技术，并有多种方法可以实现。例如通过预先对第一分组进行测量，记录其不同的电流(或电压)所对应的亮度，并把该亮度转化为灰阶值。将电流(或电压)与灰阶值的对应表储存于控制装置210内部的存储器中，当需要特定的灰阶值V时，直接在该对应表中查找该灰阶值V对应的电流(或电压)，并将该电流(或电压)用于驱动第一分组。当对应表中 的各离散的数值不能准确的找出所需要的灰阶值V时，可以在对应表中找到与灰阶值V最接近的灰阶值及其对应的电流(或电压)并使用差值的方法计算出灰阶值V所对应的电流(或电压)。另一种方法是预先将固态发光芯片的驱动电流(或电压)与灰阶值的关系拟合成一个公式(如多项式拟合)，并将这个公式的各个系数存储于控制装置210内；当需要特定的灰阶值V时，将其带入公式直接计算出所需要的驱动电流(或电压)。可以理解，这些方法只是举例而并不是对本发明的限制。另外，在本发明的下面的描述中，关于控制第二分组或整个固态发光芯片组的驱动电流或电压使其发光亮度达到特定的灰阶值，同样可以使用本段中描述的方式，在后面将不再赘述。以发明人的实验来举例说明。发明人使用8x8的LED阵列作为光源，并规定光源控制为256灰阶，且光源达到最亮的灰阶值255时，LED阵列中的每一颗LED以最大的电流IA直流驱动点亮。在这种情况下，当该光源需要实现灰阶值I时，若每一颗LED都点亮，则驱动电流应约为IOmA ;而对于本实验中所使用的LED，其阈值电流为10mA-15mA，因此灰阶值I在点亮时会出现闪烁等现象，不能稳定控制。在该实验中，发明人将64颗LED分为等分的两组，第一分组为32颗。当灰阶值V小于126时，只点亮第一分组使其实现灰阶值V。此时为了实现灰阶值1，第一分组的驱动电流需要为20. 2mA，高于阈值电流而可以实现稳定控制；而对于大于I的其它灰阶值，由于驱动电流必然增大进而更加远离阈值，因此也可以实现稳定控制。当所需要的灰阶值为126时，只要第一分组的LED以IA的驱动电流点亮，由于其颗数为LED总颗数的一半，其亮度也应该为其一半，所以其发光灰阶约为126。在实际应用中，第一灰阶范围的上限灰阶值H应处于一个合理的区间，这个区间需要根据实际需要确定。首先可以通过测试决定该区间的下限。具体来说，使得所有LED点
亮，并尝试控制其处于低灰阶值，例如1、2、3.......，逐个累加并尝试能否稳定控制，直到
找到一个灰阶值η可以稳定控制，则第一灰阶范围的上限灰阶H必须大于等于灰阶值η-1，否则将无法完全解决控制不稳定的问题。另外，由于第一分组的固态发光芯片的颗数不多于固态发光芯片组201的固态发光芯片总数的一半，因此第一灰阶范围的上限灰阶H也不应大于最大灰阶(在上面例子中为255)的一半，否则即使第一分组的固态发光芯片都以最大电流点亮也不能满足该第一灰阶范围的上限灰阶值H。
因此，第一灰阶范围的上限灰阶H应满足
权利要求
1.一种发光亮度可调的固态发光装置，其特征在于，包括固态发光芯片组，该固态发光芯片组包括至少两颗固态发光芯片，该固态发光芯片组包括可以独立驱动的至少两个芯片分组，第一分组和第二分组； 控制装置，用于接收外部的亮度控制信号，并根据该亮度控制信号采用直流驱动的方式驱动固态发光芯片组发光；当亮度控制信号所代表的灰阶值处于第一灰阶范围时，控制装置只驱动第一分组处于点亮状态，并通过控制第一分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到所述亮度控制信号所代表的灰阶值，同时使第二分组处于关闭状态；所述第一灰阶范围的最低灰阶值等于整个灰阶范围的最低灰阶值，最高灰阶值不大于整个灰阶范围的最高灰阶值的一半； 其中，第一分组的固态发光芯片的数量不多于固态发光芯片组的固态发光芯片总数的一半。
2.根据权利要求I所述的固态发光装置，其特征在于，当亮度控制信号所代表的灰阶值为第一灰阶范围外的灰阶值时，控制装置只驱动第二分组处于点亮状态，并通过控制第二分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到所述亮度控制信号所代表的灰阶值，同时使第一分组处于关闭状态。
3.根据权利要求I所述的固态发光装置，其特征在于，当亮度控制信号所代表的灰阶值为第一灰阶范围外的灰阶值时，控制装置驱动第一分组和第二分组同时处于点亮状态，并通过控制第一分组和第二分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到所述亮度控制信号所代表的灰阶值。
4.根据权利要求I所述的固态发光装置，其特征在于，第一灰阶范围的最大灰阶值与整个灰阶范围的最大灰阶值的比值，不高于第一分组的固态发光芯片的数量与固态发光芯片组的固态发光芯片总数的比值。
5.根据权利要求I所述的固态发光装置，其特征在于，第一分组的固态发光芯片的数量不多于固态发光芯片组的固态发光芯片总数的十分之一。
6.根据权利要求I至5中的任意一项所述的固态发光装置，其特征在于，固态发光芯片组中的固态发光芯片构成一个阵列，第一分组的固态发光芯片均匀分布于这个阵列之中。
7.根据权利要求I至5中的任意一项所述的固态发光装置，其特征在于，所述固态发光芯片组中的固态发光芯片具有相同或相近的发光颜色。
8.根据权利要求I至5中的任意一项所述的固态发光装置，其特征在于，所述第一分组的固态发光芯片的发光面积小于所述第二分组的固态发光芯片的发光面积。
9.一种固态发光光源,其特征在于,包括 至少两个根据权利要求I至8中的任意一项所述的固态发光装置，它们分别发射不同颜色的基色光； 波长合光装置，用于将每个固态发光装置发出的光合并为一束混合光以形成该固态发光光源的出射光； 总控装置，用于接收外部的亮度和颜色控制信号，并将其分解为每一种基色光的亮度控制信号，输出给各固态发光装置的控制装置。
10.一种照明装置，其特征在于，包括权利要求I至8中的任意一项所述的固态发光装置作为发光源，或包括权利要求9所述的固态发光光源作为发光源。
全文摘要
本发明提出一种固态发光装置、固态发光光源和照明装置，包括固态发光芯片组，该固态发光芯片组包括第一分组和第二分组。还包括控制装置；当亮度控制信号处于第一灰阶范围时，控制装置只驱动第一分组处于点亮状态，并通过控制第一分组的驱动电压或驱动电流使固态发光装置的发光亮度达到亮度控制信号所代表的灰阶值，同时使第二分组处于关闭状态。在本发明的固态发光装置中，当亮度控制信号处于亮度比较低的灰阶范围时，只点亮第一分组的固态发光芯片而使其余的固态发光芯片处于关闭状态；此时第一分组的驱动电流或电压必须提高以弥补其余固态发光芯片的关闭造成的亮度下降，进而提高驱动控制的稳定性。
文档编号H05B37/02GK102858054SQ20121023929
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者杨毅 申请人:深圳市绎立锐光科技开发有限公司