可调的色固态发光的制作方法

专利名称：可调的色固态发光的制作方法
可调的色固态发光
背景技术：
以下涉及照明技术、发光技术、以及相关技术。固态发光装置包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(0LED)、半导体激光二极 管等等。虽然可调的色固态发光装置在本文中示为示例，但本文公开的可调的色控制技术 以及设备可容易地被应用于其他类型的多色光源，例如白炽光源(例如，白炽圣诞树灯)，白 炽的、卤素、或者其他聚光灯源(例如，其中选择性应用的聚光灯照明舞台的舞台灯)等等。在固态发光装置中包括不同色的多个LED，不仅强度而且色的控制一般使用脉宽 调制(PWM)来实现。例如，Chliwnyj等人的美国专利No. 5924784公开了不同色的两个或 者更多不同发光二极管源的独立的基于微处理器的PWM控制以生成模拟火焰的光。此类 PWM控制是公知的，并且实际商业的PWM控制器已经长期专门可用于驱动LED (参见例如 对带有PWM输出以及LED驱动的MC68HC05D9 8位微计算机的摩托罗拉半导体技术数据表 (Motorola Ltd.，1990))。在PWM中，一系列脉冲在固定频率处被应用，并且脉冲宽度(即， 脉冲的时间持续期)被调制以控制应用于发光二极管的时间合并的功率。相应地，时间合并 的应用功率直接与脉冲宽度成比例，其范围能在0%占空比(无功率应用)到100%占空比(功 率在整个时期期间应用)之间。现有的PWM照明控制具有某些缺点。它们在电源上引入高度不均勻负载。例如， 如果照明源包括红、蓝和绿照明通道并且同时驱动所有三个通道消耗100%的功率，那么在 任何给定时间功率输出可能是0%，33%, 66%, or 100%，并且功率输出可在每个脉冲宽度 调制时期期间在这些水平的两个、三个或者所有四个水平之间循环。此类功率循环对电源 是有压力的，并且指示使用带有足够快转换速度的电源以适应快速的功率循环。此外，即使 功率量仅部分时间被消耗，电源必须足够大以供应完全的100%功率。PWM期间的功率变化可由通过“假负载(dummy load)”电阻器使每个“关闭”的通 道的电流转向来避免。然而，转向的电流不能贡献于光输出以及因此引入相当大的功率无 效性。现有的PWM控制系统在关于反馈控制方面也是有问题的。采用现有PWM技术，为 了提供色可调的照明源的反馈控制，红、绿和蓝通道的每一个的功率水平必须独立地被测 量。这典型地指示了三个不同光传感器的使用，其每一个具有中心在相应红、绿和蓝波长的 窄光谱接收窗口。如果期望光谱进一步的划分，那么该问题则变得解决起来成本非常高。例 如，如果五个通道的系统具有非常接近彼此的两个色，则仅非常窄带的检测器能够检测两 个源之间的变化。

发明内容
在本文所公开的一些说明性实施例中，一种可调的色光源包括光源，具有不同通 道，用于生成对应所述不同通道的不同通道色的照明；以及电源，其使用时分复用来激励通 道以生成选择的时间平均色的照明。在本文所公开的一些说明性实施例中，一种可调的色光生成方法包括生成驱动电流；使用生成的驱动电流来激励多通道光源的选择的通道；在多通道光源的通道之间循 环所述激励，所述循环快到足以基本上抑制由于所述循环引起的视觉上可察觉的闪光；以 及控制所述循环的时间划分以生成选择的时间平均色。在本文所公开的一些说明性实施例中，一种可调的色光源包括多个照明通道，用 于生成不同通道色的照明；以及电源，在多个照明通道之间循环电驱动电流以生成选择的 时间平均色的照明，该循环是不重叠的，因为在所述循环中的任何点由所述电驱动电流确 切地驱动一个照明通道。


本发明可采取各种组件和组件的布置、以及各种过程操作和过程操作的布置的形 式。附图仅用于示出优选实施例的目的并且不应解释为限制本发明。图1示意示出一种照明系统。图2示意示出图1的照明系统的R/G/B开关的时序图。图3示意示出图1的照明系统的能量计。图4示意示出图1的照明系统的色控制器。图5示意示出图1的照明系统的电流控制器。图6示意示出另一个可调的色照明系统的电路。图7示意示出图6的可调的色照明系统的操作的时序图。图8示意示出图6的可调的色照明系统的操作的流程图。
具体实施例方式参考图1，固态发光系统包括具有多个红、绿和蓝发光二极管(LED)的光源10。红 LED被电互连(电路未显示)以由红输入线路R所驱动。绿LED被电互连(电路未显示)以 由绿输入线路G所驱动。蓝LED被电互连(电路未显示)以由蓝输入线路B所驱动。光源 10是说明性的示例；一般来说，光源能是具有电互连以定义不同色通道的多组固态光源的 任何多色光源。在一些实施例中，例如，红、绿和蓝LED布置为红、绿和蓝LED串。而且，不 同色能不同于红、绿和蓝，并且能存在多于或少于三种的不同色通道。例如，在一些实施例 中，提供蓝通道和黄通道，其使得能够生成各种不同色，其涵盖的色范围小于全色RGB光源 的色范围，但是包括通过适当混合蓝和黄通道可实现的“稍白”色。各个LED在图1的光源 10中示意示为黑、灰和白点。LED能是基于半导体的LED (可选择地包括合成磷(integral phosphor))、有机LED (有时在本领域中由缩写OLED来表示)、半导体激光二极管等等。光源10由恒定电流功率源12所驱动。就“恒定电流”而言，它意味着功率源12输 出恒定的rms (均方根)电流。在一些实施例中，恒定rms电流是恒定d. c.电流。然而，恒 Srms电流能是带有恒定rms值的正弦电流等等。“恒定电流”可选地是可调的，但是应该 理解的是由恒定电流功率源12输出的电流并未如对于PWM的情况那样迅速地循环。恒定 电流功率源12的输出输入到R/G/B开关14，其充当解复用器或者一对三开关以引导恒定电 流在任何给定时间进入三个色通道R、G、B中的一个且仅一个。使用恒定电流功率源12以及R/G/B开关14所实现的色控制的基本概念通过图2 中所示的时序图来示出。R/G/B开关14的转换在时间间隔T上执行，T被分成由分数时期
5f\XT、f2XT禾口 f3XT所定义的三个时间子间隔，其中fi+f2+f3=l并且相应地三个时间时期 遵循关系4父1+ f2XT+f3XT=T。色控制器16输出指示分数时期f\XT、f2XI^Pf3XT的 控制信号。例如，在一说明性实施例中，色控制器16可输出2位数字信号，其具有指示分数 时间时期f\XT的值“00”，且转换到值“01”以指示分数时间时期f2XT，而且转换到值“10” 以指示分数时间时期f3XT，以及转换回到值“00”以指示分数时间时期f\XT的下一次出现 等等。在其他的实施例中，控制信号能是模拟控制信号(例如，0伏特、0.5伏特和1.0伏特， 分别指示第一、第二和第三分数时间时期)或者能采取另一种格式。如仍有的另一说明性方 法，控制信号能指示分数时间时期之间的转变，而不是保持有指示每个时间时期的恒定值。 在此后面的方法中，R/G/B开关14仅仅配置成当它接收到控制脉冲时从一个通道转换到下 一个通道，并且色控制器16在从一个分数时间时期到下一个分数时间时期的每个转变处 输出控制脉冲。在第一分数时间时期f\XT期间，R/G/B开关14设置成使恒定电流从恒定电流功 率源12流入色通道的第一个通道(例如，进入红通道R)。结果，光源10在第一分数时间时 期f\XT期间仅生成红光。在第二分数时间时期f2XT期间，R/G/B开关14设置成使恒定 电流从恒定电流功率源12流入色通道的第二个通道(例如，进入绿通道G)。结果，光源10 在第二分数时间时期f2XT期间仅生成绿光。在第三个分数时间时期f3XT期间，R/G/B开 关14设置成使恒定电流从恒定电流功率源12流入色通道的第三个通道(例如，进入蓝通道 B)。结果，光源10在第三分数时间时期f3XT期间仅生成蓝光。如图2中所指示的，此循 环以时间时期T重复。时间时期T选择成短于闪光融合阈值，其在本文中被定义为在其下由光色转换引 起的闪烁变得基本上在视觉上觉察不到的时期，使得光在视觉上观察为基本上恒定的混合 色。即，T选择成足够短以使人眼混合在分数时间间隔AXLf2XI^nf3XT期间输出的光， 使得人眼观察到均勻的混合色。就PWM也基于不同色的快速循环光的视觉混合概念而言， 时期T应该相当于PWM中所使用的脉冲时期，其也在闪光融合阈值之下，例如在约1/10秒 之下，以及优选地在约1Λ4秒之下，以及更优选地在约1/30之下，或者甚至更短。时间时 期T上更低的限制由R/G/B开关14的转换速度来施加，其能相当快，因为它的操作不需要 改变电流水平(如对于PWM的情况那样)。色在数量上能够计算如下。第一分数时间间隔f\XT期间由红LED输出的红光 的总能量由％ X fi X T给出；第二分数时间间隔f 2 X T期间由绿LED输出的绿光的总能量 由^i2Xf2XT给出；以及第三分数时间间隔f3XT期间由蓝LED输出的蓝光的总能量由 ^i3Xf1XT给定；其中常量 、&2、 分别指示多组红、绿和蓝LED的相对效率。例如，如果对 于给定电流，由该组红LED输出的光能量等于由该组绿LED输出的光能量等于由该组蓝LED 输出的光能量，则％ % a3的比例是适当的。另一方面，如果该组蓝LED对于给定电流水平 输出与其他组LED相比如两倍那么多的光，则2 X 2 X a2 a3的比例是适当的。可选的是， 常量％、％、％代表相对的视觉上可观察的亮度水平，而不是相对的光度能量水平。色由红、 绿和蓝光能量输出的比例来确定，即，由Ei1Xf1XT: a2Xf2XT: a3Xf3XT的比例或者更简 单地由Ei1Xf1 a2Xf2:a3Xf3的比例来确定。例如，在说明性的图2中&:4:4是2:3:1，这 (为简单起见，取 =a2^i3)意味着红绿蓝的相对比率是2:3:1。如果分数时期具有比例 ^if2:f3=l 1 1，则(为简单起见，取 =a2^i3)光输出将在视觉上观察为红、绿和蓝光的相等混合，这就是说光输出将是白光。有利的是，恒定电流功率源12输出的进入光源10的电流一直保持相同。换句话 说，从恒定电流功率源12的角度而言，它正在输出恒定电流到包括组件10、14的负载。在一些实施例中，色控制器16所执行的分数时间时期之间的转换以开环的方式 完成，即，不依靠光反馈。在这些实施例中，查询表、存储的数学曲线、或者其他存储信息将 分数比率4化&的比例值与各个色相关联。例如，如果Wa3，则值f\=f2=f3=l/3适当 地与“色”白相关联。继续参考图1且进一步参考图3和4，在其他的实施例中，色可选择地使用如下的 光反馈来控制。光传感器20监控光源10输出的光功率。光传感器20具有充分宽的波长以 感应任何的红、绿或者蓝光。为简单起见，本文中假定光传感器20具有对红、绿和蓝光均等 的灵敏度-如果情况不是这样，则简单地结合适当的比例因子以补偿光谱灵敏度差别。图3 示出R、G、B能量计22所执行的适当光功率测量过程。在第一色分数时期的开始30处(例 如，分数时期f\XT的开始)，光功率测量被启动。测量的光功率在第一分数时期f\XT上合 并32以生成测量的第一色能量34。注意，因为仅单色(例如，红)的一组LED正在第一分数 时期f\XT期间操作，宽带光传感器20在合并32的时间间隔期间仅测量到红光。在到第二 分数时间间隔f2 X T的转变40处，第二光功率合并42被启动，其在第二分数时间时期f2 X T 上延伸，以便生成测量的第二色能量44。同样，因为仅单色(例如，绿)的一组LED正在第二 分数时期f2XT期间操作，宽带光传感器20在合并42的时间间隔期间仅测量到绿光。在 到第三分数时间间隔f3XT的转变50处，第三光功率合并52被启动，其在第三分数时间时 期f3XT上延伸，以便生成测量的第三色能量M。同样的仍然是，因为仅单色(例如，蓝)的 一组LED正在第三分数时期f3XT期间操作，宽带光传感器20在合并52的时间间隔期间 仅测量到蓝光。因此，可以看到单个宽带光传感器20能够生成所有的三个测量的第一色能量34、 测量的第二色能量44、以及测量的第三色能量M。这因为控制系统12、14、16确保仅单色 的单组LED在任何给定时间操作而实现。相反地，在现有PWM系统情况下，不同色的LED的 两组或者多组可同时操作，这就规定了中心在不同色上的不同窄带光传感器用于同时消除 模糊性以及测量不同色的光。参考图4，色控制器16适当地使用测量的色能量34、44、M以实现如下的反馈色控 制。第一测量的色能量34在本文中表示为^。第二测量的色能量44在本文中表示为EM2。 第三测量的色能量34在本文中表示为EM3。测量的色则适当地由比率^11Tm2 = Em3所代表。 测量的色使用由比例f/11): f2(n) f3(n)所代表的一组分数时间间隔来实现，其中上标(η)表 示在其期间合并32、42、52生成测量的色能量34、44、Μ的时间时期T的第η个间隔。期望的或者设置点(setpoint)色60适当地由比率Es2: ^所代表。时期调 节器62计算本文中由比例f/11+1) f2(n+1) f3(n+1)所代表的调节过的分数时间间隔64，其中上 标(n+1)表示时间时期T的下一个间隔，其被分成子间隔f/11+1) XT、f2(n+1) XT和f3(n+1) XT， 服从约束f/11+1)+^"+^11+1)=^还已知的是f/n)+ f2(n)+ f3(n)=l。解适当地使用比率来计 算，例如
权利要求
1.一种可调的色光源，包括光源，具有不同通道，用于生成对应于所述不同通道的不同通道色的照明；以及电源，使用时分复用选择性地激励所述通道以生成选择的时间平均色的照明。
2.如权利要求1所述的可调的色光源，其中所述电源包括生成基本恒定的rms驱动电流的功率源；以及时分复用所述基本恒定的rms驱动电流进入所述通道的选择的通道的电路。
3.如权利要求2所述的可调的色光源，其中所述电路在所述可调的色光源的操作期间 在任何给定时间以所述基本恒定的rms驱动电流正好驱动所述通道之一。
4.如权利要求2所述的可调的色光源，还包括电流控制器，配置成与所述功率源通信以调节所述基本恒定的rms驱动电流的电流水平。
5.如权利要求2所述的可调的色光源，其中所述基本恒定的rms驱动电流是基本上恒 定的d. c.驱动电流。
6.如权利要求1所述的可调的色光源，还包括光传感器，具有对于测量所述光源的任何通道色有效的谱响应；以及光计，配置成基于与所述时分复用相关的所述光传感器测量的光功率来估计至少所述 选择性激励期间由所述不同通道输出的光能量的比率。
7.如权利要求1所述的可调的色光源，其中所述光源包括分组到N个通道中的固态发光装置，其中每个通道的固态发光装置在选 择性激励所述通道时被一起电激励；以及所述电源包括(i )转换电路，布置成激励所述N个通道的选择的一个通道以及(ii )色 控制器，促使所述转换电路根据时间间隔T的选择的时间划分在所述时间间隔T上操作以 生成所选择的时间平均色的照明，其中所述时间间隔T短于闪光融合阈值。
8.如权利要求7所述的可调的色光源，其中所述固态发光装置包括LED。
9.如权利要求8所述的可调的色光源，其中所述LED包括作为所述N个通道的重叠的 两个或者更多通道的成员的至少一个共享的LED，使得所述至少一个共享的LED在被选择 性激励所述N个通道的所述重叠的两个或者更多通道的任何一个时被激励。
10.如权利要求7所述的可调的色光源，还包括宽带光传感器，具有涵盖所述N个通道生成的通道色的检测带宽以及光计，在每个时间划分期间接收来自所述宽带光传感器的检测信号以及至少基于所接 收的检测信号来计算对于每个时间划分的测量的光能量；其中所述色控制器配置成基于所测量的光能量和设置点色来调节所述时间间隔T的 时间划分。
11.如权利要求1所述的可调的色光源，其中所述电源包括 输出电驱动电流的电流；以及时分复用控制器，配置成通过使用时分复用在所述可调的色光源的操作期间在任 何给定时间确切地驱动所述N个通道之一来操作所述N个通道，以生成所选择的时间平均 色的照明。
12.如权利要求1所述的可调的色光源，还包括光传感器，布置成测量来自所述光源的光，所述光传感器能够测量对应于所述光源 的不同通道的任何不同通道色。
13.如权利要求12所述的可调的色光源，其中所述色控制器配置成基于所述光传感器 提供的与设置点色相比较的反馈来调节所述时间划分。
14.一种可调的色光生成方法，包括 生成驱动电流；使用所生成的驱动电流来激励多通道光源的选择的通道；在所述多通道光源的通道之间循环所述激励，所述循环快到足以基本上抑制由于所 述循环所引起的视觉上可察觉的闪光；以及控制所述循环的时间划分以生成选择的时间平均色。
15.如权利要求14所述的可调的色光生成方法，其中所生成的驱动电流具有在所述循 环的时间量程上基本恒定的rms电流值。
16.如权利要求15所述的可调的色光生成方法，其中所生成的驱动电流具有在所述循 环的时间量程上基本恒定的d. c.电流值。
17.如权利要求15所述的可调的色光生成方法，其中所述生成包括在基本上大于所述 循环的时间量程上调节所述基本上恒定的rms电流值。
18.如权利要求14所述的可调的色光生成方法，其中所述循环在所述循环中的任何点 确切地激励所述多通道光源的通道之一。
19.一种可调的色光源，包括多个照明通道，用于生成不同通道色的照明；以及电源，在所述多个照明通道之间循环电驱动电流，以生成选择的时间平均色的照明，所 述循环是不重叠的，因为在所述循环中的任何点由所述电驱动电流确切地驱动一个照明通道。
20.如权利要求19所述的可调的色光源，其中所述电驱动电流在所述循环的时间量程 上是基本恒定的。
21.如权利要求19所述的可调的色光源，还包括光传感器，布置成测量所述多个照明通道的任何通道的电功率；以及 色控制器，配置成基于从所述光传感器接收的并且与所述循环相关的信号来调节所述 循环。
全文摘要
一种多通道光源具有不同通道，用于生成对应于所述不同通道的不同通道色的照明。电源使用时分复用选择性地激励通道以生成选择的时间平均色的照明。
文档编号H05B33/08GK102150474SQ200980135590
公开日2011年8月10日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年9月12日
发明者R. 罗伯特斯 B. 申请人:通用电气公司