包括集成光仓的用于表示颜色的系统的制作方法

专利名称：包括集成光仓的用于表示颜色的系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种在受控环境光下表示真实颜色的系统，所述系统包括可以 光学地混合多种颜色刺激的集成光仓。
背景技术：
在购买涂料之前，典型地给购买者包括数百或数千个涂料卡片的色卡扇或调色 板，所述涂料卡片表示可用涂料颜色的一小部分。涂料卡片典型地尺寸为大约ι74英寸 乘2英寸，并且近来，购买者可以购买大约12英寸乘12英寸的更大涂料卡片以帮助购买 者在脑海中将颜色投射到墙壁上。另外，购买者可以购买预期涂料的大约2盎司的小容 器以涂刷墙壁上的更大样品。典型地，购买者在选择最终涂料颜色之前从小涂料卡片开 始以缩小选择并且然后转向更大涂料卡片和/或样品涂料。近来，涂料显示或涂料选择软件，例如可从互联网或以CD-ROM形式获得的 Benjamin Moore Paints，Personal Color Viewer ( "PCV")，改善了购买者的涂料选
择过程。PCV软件将带有家具的多个标准内室(例如起居室、餐室、卧室、厨房和浴室) 以及住所的外部显示在计算机屏幕上。购买者可以随意改变房间(包括天花板、装饰以 及上和下墙壁)的颜色，从而将颜色投影到整个房间。另外，可以由PCV软件操作购买 者自己的住所的数字图像以显示预期颜色。涂料选择软件的一个可能缺陷在于图像典型地显示在计算机屏幕上，计算机屏 幕被限制到三种RGB基色(红、绿和蓝)或用于打印机的四种CMYK基色(青、品红、 黄和黑)的组合。当仅仅使用三种或四种基色时，只能显示和观察有限数量的颜色。类 似地，色卡扇只能显示几千中颜色，而数万种以上的涂料颜色是可用的。此外，当由顾客观察涂料颜色时涂料选择软件和实际色卡扇都不能控制环境 光。已知颜色可以在不同环境照明下看上去不同，即，对于顾客来说，一种特定颜色 可以在一种环境光下看上去是一种样子，而在不同环境光下看上去不同。该现象被称为
“色变性(colorinconstancy)”。色变性是不同光下的单一实际颜色的颜色变化。例如， 我们在室外看到的颜色由太阳照明，太阳具有从日出到日落的大色温范围。室内照明或 人造光很少与自然阳光一样明亮。照明是观察颜色的重要因素并且环境的亮度对人所观 察的颜色有相当大的影响。该影响解释了顾客有时认为应用于家中的新涂料看上去不同 于在商店看到的涂料的原因。涂料选择软件和色卡扇的另一个缺陷在于它们可能会受到“照明光同色异谱 (source metamerism) ”。两种或以上涂料可能在一种环境照明条件下具有相同色表，但 是可能在另一种环境照明条件下看上去是不同颜色。这是由涂料的色素组合可以彼此不 同而导致的。涂料选择软件和色卡扇并不具有改变环境照明条件的能力。专利和科学文献公开了解决颜色的表示的许多尝试。在美国专利 No.6,717,584B2中公开了一种基于计算机屏幕的颜色显示系统。该参考文献公开了一种 用于在计算机生成的车辆上显示虚拟涂料的方法和装置。由涂料中的金属片或特效色素导致的涂料的反射率和观察车辆的角度影响了虚拟涂料在计算机屏幕上的显示。一些公共建筑物(例如机场)中的墙壁具有由于投射到其上的光而改变颜色的能 力。例如，底特律机场中的一些墙壁由LEDs照明。可以通过改变LEDs的输出随意改 变这些墙壁上的颜色和图案。并未试图使被显示颜色与实际物体或设备的颜色进行无关 颜色的匹配，并且并不关心墙壁上的颜色的均勻性。美国专利Nos.6,259,430Bl，7,161,311B2，7,186,003和7,161,313 中也描述了通过 设备表示颜色的方法。‘430专利公开了一种声称可以控制同色异谱效应的颜色显示方 法。该方法将辐射光谱分为至少四个波长带并且在每个带中选择单一代表波长。选择每 个代表波长的强度，并且生成和组合在选定强度和代表波长下的多个辐射束以产生预期 颜色。‘311专利公开了诸如灯具的设备，所述设备组合多个发光二极管(LEDs)以形成 光源。‘311专利论述了使用中空圆柱形部分来帮助混合从LEDs发射的光。类似地， 在美国国家标准技术研究院进行的研究使用了中空球体来混合来自直接连接到该球体的 多个 LED 头的光。 “LED-based Spectrally Tunable Sourcefor Radiometric, Photometric and Colorimetric Applications.” I.Fryc, S.Brown, G.Eppeldauer and Y.Ohno， Optical Engineering 44(11) 111309 (November2005)。 ‘003 和 ‘313 专利论述了使用带有漫射材 料(例如透明或半透明材料)的处理器控制LEDs来产生颜色变化效果。美国专利申请公报NO.2006-0155519A1 (在下文中被称为‘519申请)公开了一 种全尺寸房间，其可以将机器生成的颜色均勻地显示在它的墙壁上以允许顾客观察全尺 寸墙壁上的涂料颜色。在照明全尺寸墙壁之前机器生成的颜色在漫射器中被混合。‘519 申请的公开内容全文被引用于此作为参考。然而，在本领域中仍需要显示或模拟真实涂料的另一种系统，其适合于现有的 涂料商店以帮助购买者选择涂料。

发明内容
本发明涉及一种颜色显示设备，其可以部署在涂料零售店、售卖机、顾客的办 公室或住宅、机场、商场等地方，用于快速颜色和外观原型设计。可以移动的所述颜色 显示设备可以在标准化照明或模拟环境照明下显示颜色。所述颜色显示设备可以补充或 代替传统的涂料卡片架或色卡扇。本发明的颜色显示设备可以用加色法和/或减色法使用集成光混合仓或室、特 定光学器件、模仿物体和电子控制来操纵光源以用于颜色和外观表示和用合意的模拟环 境照明进行物体照明。


附图构成说明书的一部分并且应当与其结合阅读，并且其中在各种视图中相似 的参考数字用于指示相似的部分，在附图中图1是本发明的颜色显示设备的示意性、透视图；图2是基色光模块的示意性、顶视图；图3是两个基色光模块、关联光学器件和集成光混合仓的示意性、顶视图；图4A是集成光混合仓的横截面图；并且图4B是光学挡板的透视图5是1931CIE色度图，其中两个多边形表示叠加在其上的可显示颜色；图6是显示可以用于减暗基色光模块的脉冲的波的图形；图7A是本发明的光混合仓的另一个实施例的透视侧视图；图7B是图7A的光混 合仓的透视顶视图，但是没有示出盖以显示仓的内部细节；图8是图7A的光混合仓的横截面图；图9是根据本发明的另一个实施例的径向围绕集成光混合室的多个基色光模块 的另一个实施例的透视侧视图；图10是图9中所示的实施例的顶视图；图11是图9-10的基色光模块的放大图；图12是本发明的基色光模块的另一个实施例的透视图；图13是根据本发明的另一个实施例的径向围绕集成光混合室的多个基色光模块 的另一个实施例的透视图；图14是图13中所示的实施例的底视图；图15是图13-14的基色光模块的放大图；图16是显示在不同调制水平下的全谱白光LED的光谱功率分布曲线的图形；图17是显示包括三色白光LED的红、绿和蓝光LEDs的相对光谱功率分布曲线 的图形；图18是显示由红、绿和蓝窄带滤波器光学修正的全谱白光LED的光谱功率分布 曲线的图形；图19是显示由均勻和非均勻波段组成的光谱功率分布曲线的图形；以及图20是显示一个目标颜色和两个样品颜色的光谱功率分布曲线的图形。
具体实施例方式当顾客在购买涂料时他们有很多选择。研究表明人对颜色的记忆是有限的和易 错的。顾客可以设法记住他们想要的颜色、外观和纹理。然而，当顾客到达涂料零售店 时，他们常常不能回想起预期颜色。顾客也可以将实际样品带到零售店并且试图匹配颜 色和纹理。然而，样品会太麻烦、太大或太重以致于不能带到商店。顾客也可以设法用 数字设备测量颜色并且将它们的等效数值带到零售店。数字设备并非广泛可用，并且会 难以使用。而且，数字设备仅仅对于这些设备用于测量颜色的基色的数量和包含在每个 设备内的色库中的颜色的数量是精确的。根据本发明，一种颜色显示设备可以设置在涂料零售店、商场售卖机或任何移 动站点或车辆，可以在受控环境照明下快速地和精确地显示可用涂料的颜色和纹理(平 坦、缎状、蛋壳状、哑光、光泽、半光、平滑、粗糙等)。顾客也可以通过改变环境照明 体验颜色和纹理，并且观察由颜色显示设备建议的颜色，建议的颜色与顾客选择的颜色 调和或情感相容。本发明的颜色显示设备可以补充或代替传统的色卡架或色卡扇。在图1中示意性地示出了本发明的颜色显示设备并且被称为元件10。设备10可 以具有任何尺寸，只要它可以被定位在预期位置内，例如涂料零售店、商场售卖机、机 场和火车站等。在一个优选实施例中，颜色显示设备10可以为三英尺长、两英尺深和大 约三英尺高，使得它可以适配在桌面或工作台面上。在另一个优选实施例中，颜色显示设备10可以具有房间的尺寸或者足够大以允许观察者步入颜色显示设备10内部。颜色显示设备10包括至少一个观察室12，其中表示任何颜色的混合、均勻光照 明该室。如图所示，设备10具有两个室12a和12b。一个室可以显示由顾客选择的颜 色并且另一个室可以向顾客建议其他调和或情感颜色。每个室12也具有优选地相对于混 合、均勻光的入口定位的纹理化表面14。纹理化表面14可以具有表面糙度，当被照明 时，所述表面糙度可以精确地显示涂料的光洁度或光泽，即，平坦、哑光、缎状、蛋壳 状、半光、高光泽、平滑和粗糙。纹理化表面14也是漫射表面，S卩，被增强以混合光。 室12的其他表面也可以类似于表面14或与其不同地被纹理化以显示不同涂料光洁度。垂 直边界条13可以设在相邻纹理化表面14之间以最小化从两个光源的泄漏。在一个配置 中，使用可翻活页，其中活页的两侧均具有纹理化表面14，使得顾客可以通过翻动活页 容易地改变纹理化表面14的表面糙度或纹理。另外，三维物体(例如模仿家具)可以被 定位在室12内部。更优选地，带有弧形或滚圆表面(例如球形或圈饼形)、带有或不带 有表面糙度以显示平坦、现光、缎状、蛋壳状、半光、高光泽、平滑和粗糙光洁度的物 体可以被定位在室12内部以向顾客显示被显示颜色的光泽。每个室光学地连接到集成光混合仓16 (在图1中不可见)，所述集成光混合仓光 学地连接到多个基色光模块18。每个基色光模块18表示唯一颜色或下述可见或不可见电 磁辐射的唯一频带。基色光模块18连接到外壳20，所述外壳连接到室12，如图1中所 示。外壳20也封闭集成光混合仓16。参考图2，显示了基色光模块18将基色光束22发射到集成光混合仓16中。每 个基色光模块发射已知颜色的唯一基色光。基色光模块18可以成任何取向被布置，例如 如图1中所示彼此平行或如图2中所示径向朝着彼此，或相对于彼此成任何角(一个或多 个)，只要光学透镜或反射镜可以将发射光束22引导到集成光混合仓16中。例如，如 图3中所示，发射光束22由聚焦透镜24聚焦或准直。在最后朝着集成光混合仓16被再 定向之前在由反射镜或光学反射器28朝着弧形反射器30被再定向之前，聚焦光可以通过 一个或多个调节透镜24，26进一步被调节。用于每个光束22的下述光学传感器(例如 光谱和/或光度传感器)可以部署在26处。如图3中所示，多个发射光束22由弧形反 射器30引导到如上所述的集成光混合仓16中，在那里光束在作为混合、均勻光34离开 之前被混合，所述混合、均勻光34依据颜色表示设备并且照明室12以向顾客显示涂料颜 色。混合光34可以通过透镜/滤波器35和/或其他出射光学器件35以在到达室12之前 放大和/或调节波束。弧形反射器30可以具有任何曲率，并且优选地具有抛物线形状。 弧形反射器30可以可选地具有孔径32以允许其他光进入集成光混合仓16。在一个例子 中，受控环境光通过孔径32进入集成光混合仓16。尽管单一弧形反射器30可以将多个光束22引导到集成光混合仓16中，但是每 个光束22可以具有它自身专用的弧形反射器30，如图2中所示。在图2中所示的布置 中，每个光束22通过两个弧形反射器30之间以最小化光束之间的串扰，S卩，由具有不同 颜色或频率的多个波束的接近导致的干扰。参考图4A和4B，详细示出了集成光混合仓16的一个实施例。集成光混合仓16 优选地具有中空多面体形状并且可以根据需要具有足够多的面或小面。多面体的面反射 进入混合仓的光束22以混合波束。混合仓16 (其也可以是球形或椭球形)具有适于接收光束22的入口 36和发射混合、均勻光34的出口 38。集成光混合仓16也具有挡板40， 所述挡板优选地定位在入口 36与出口 38之间以使光束22能够离开混合仓16而不在其中 反射和混合的可能性降至最低。如图所示，挡板40具有三个腿部42，所述腿部连接到 混合仓16的侧面。挡板40可以具有任何数量的腿部42，只要它可以以稳定方式连接到 混合仓16，并且允许光通过腿部之间。混合仓16的内表面和挡板40可以由反射涂层涂 覆以增加反射率，同时最小化通过混合室和挡板的壁的光传播产生的光损失。合适的涂 层包括但不限于硫酸钡或二氧化钛。此外，混合仓16的内表面应当是不光滑的，使得光 将从这些不光滑表面半球形地反射以增加混合效果。挡板40的中心44可以具有任何形 状，包括如图4A中所示的圆顶和如图4B中所示的尖顶。挡板40的中心44应当大于入 口 36 和出 口 38。透镜24，26，35，反射镜/反射器22，30和其他所使用的光学器件在一个实施 例中可以具有不良调制传递功能，这与良好透镜设计的技术相反。不良的调制传递功能 (MTF)导致不良的分辨能力和不良的对比度，由此使组合基色光22模糊以混合或均勻化 这些光。在一个实施例中，优选的MTF小于大约0.7，更优选小于大约0.6，并且最优选 小于大约0.5。在另一个实施例中位于35的出射光学器件可以包括带有内部波束限制掩模和可 调节孔径的投影透镜。这些光学器件将投影混合光限制到固定目标，例如室12的底表面 或纹理化/弧形表面14，并且控制投影形状的边缘锐度。另外，也可以提供滤波器座， 所述滤波器座尺寸和尺度被确定为接收多个滤波器，包括但不限于扩展动态范围和平衡 亮度以用于舒适的观察水平的中性密度滤波器，补偿可能出现在近投影距离(例如在大 波束角)的非期望光缘衰减的中心梯度滤波器，去除非期望波长的光谱修正滤波器。光 谱修正滤波器也可以用于增强基色光源，并且将被安装为在基色光源22进入集成光混合 仓16之前拦截它们。在图7A，7B和8中显示了集成光混合仓16的另一个实施例。如图7A和7B中 所示，多个基色光模块18被定位在集成混合仓16的顶上，所述集成混合仓包括多个第一 混合室50和至少一个中心混合室52并且被定位在观察室12 (为了清楚起见被省略)的顶 部上。提供散热片48以将热量从基色光模块18带走。如上所述，每个基色光模块18发 射光束22。如图7A中所示，可选地提供上述孔径32。如图8中最佳所示的光束22进 入第一混合室50并且被反射离开第一挡板壁54。光束22在第一次反射之后在第一室50 中到处被漫射并且一些进一步被反射离开第二挡板壁56或第三挡板壁58 (图7B和8中所 示)。一些反射光可以在反射挡板壁54，56和58中具有多次反射并且可以朝着基色光模 块18向后反射。最后，初始从基色光模块18发射的反射光进入中心室52。这些光在作 为混合、均勻光34在出口 38离开集成光混合仓16之前在中心室52内进一步被反射或混 合。可选出射光学器件35 (例如中性密度滤波器或透镜和其他滤波器)可以被放置在出 口 38内以进一步调节出射光34。下述光学传感器也可以部署在第一混合室50和/或中 心混合室52内。图7A，7B和8中所示的实施例的一个优点在于在中心室52中混合或反射的光 可以在离开集成光混合仓16之前再进入第一混合室50以用于附加混合。该实施例的另 一个优点在于基色光模块18可以具有多个光源18⑴，其中每个光源18 (i)可以是可以在初级室50中被混合的变化光谱功率分布(SPD) 22 (i)的不同颜色刺激。可以利用任何数 量的反射挡板壁。优选地，如上所述，内表面也涂覆有反射涂层。至少三个基色光模块18应当用于表示室12中的颜色。然而，为了具有比使用 三种基色(RGB)的计算机屏幕或使用四种基色(CMYK)的打印机更好的色域，应当使用 至少五个基色光模块。如图1-2中所示，使用若干基色光模块18。优选地，使用至少七 个基色光模块或更优选地使用至少16个基色光模块。图5示出了 1931 CIE图的公知鱼翅形状。鱼翅形状基本表示人眼可见的所有颜 色。图的角为红、蓝-紫红和绿色。图的中心为白色，这表示白光是所有单独感知颜色 的组合，并且白光可以由例如棱镜分解为其他颜色。叠加在鱼翅上的内三角形具有位于 CIE图的红、绿和蓝色区域中的三个顶点。该RGB三角形表示可以使用RGB协定显示 的CIE图的部分。由于多数计算机屏幕利用RGB协定，因此很多颜色不能显示在计算 机屏幕上。叠加在CIE图上的不规则外多边形包含该RGB三角形，并且该多边形的每个 顶点表示可以由设备(例如LED)产生的单独颜色。如图所示，十一个独立LEDs (每个 显示不同颜色)可以用于扩大可以在室12中被显示的色域。换句话说，彩色LEDs用于 向外拉伸RGB三角形。因此，根据本发明的彩色显示设备10可以显示不能在普通RGB 屏幕或CMYK打印机上看到的颜色，原因是大量彩色LEDs可以用于设备10中。因此， 彩色显示设备10可以显示仅仅不能在计算机屏幕上看到的颜色。本发明并不限于任何数量的LEDs或任何特定的颜色组合。优选地使用发射不 同彩色光的至少五个LEDs。更优选地，使用至少九到i^一个LEDs。可以使用LEDs的 唯一或不同组合以满足特定应用。彩色LEDs广泛地可从许多来源获得。可用的LEDs可以发射如W02006/076211 中所述的波长或颜色的窄波段。LEDs也在宽波段(例如白光LEDs)中可用。通常通过 组合全部的可用彩色或窄波段LEDs来产生宽波段LEDs以产生白光或近白光。除了其他 来源以外，宽波段LEDs可通过瑞士日内瓦的STMicroelectronics商购。当使用白光LEDs 和彩色LEDs时，更多颜色可以被显示给顾客并且因此更多涂料颜色可以被显示。小于白 光的宽波段LEDs可以与也小于白光的其他宽波段LEDs，或与窄波段LEDs组合使用。
在一个备选实施例中，可以由可从Cambridge Display Technology或Plastic Logic Ltd获得的有机聚合物构成的LEDs、晶体管或光电池来照明室12。在美国专 利 Nos.5,807,627, 5,747,182，5,653,914，6,777,706，6,723,811，6,580,212，6,559256， 6,498,049 和美国已公开的专利申请 2004/0214039, 2004/0132226，2004/0075381, 2004/0059077, 2003/0166810, 2003/0008991以及包括与引用专利参考文献共有至少一 个发明人的专利参考文献的相关专利参考文献中公开了聚合物发光器件。这些参考文献 全文被引用于此作为参考。 在本发明的一个优选实施例中，每个基色光模块18均具有大约25nm的波段， 并且这些光模块的波段间隔大约5到大约lOnm。也可以使用荧光、白炽、卤素、激光和 其他常规光源。基色光模块也可以涂覆有荧光和磷涂层。如上所述，不可见范围内的电 磁辐射也可以用作基色光。在一个例子中，紫外辐射从基色光模块18被发射。UV辐射 可以由混合仓16内的涂层转换，例如通过改变它的频率，从而将UV辐射改变为蓝光， 从而进一步增加本发明的色域。也可以通过已知方法将其他不可见电磁辐射改变为可见电磁辐射。根据本发明的另一个方面，可以为顾客最小化色变效应。颜色显示设备10可以 模拟存在于顾客的住宅或办公室的环境光条件。例如通过经由上述弧形反射器30的孔径 32引入模拟环境光，模拟环境光可以与基色光混合。而且，基色光模块18中的一个可以 被编程或设计为发射模拟环境光。当在本专利中使用时，模拟环境光或模拟环境条件包 括模拟日光，卤素光、白炽光或荧光，其他环境光，或它们的组合。此外，模拟环境光 可以被漫射并且独立被引入和引导到室12。彩色显示设备10的改变或控制环境光条件的能力也可以最小化同色异谱效应。 两个或以上干燥涂料样品可以被放置在观察室12内，并且模拟环境光可以被改变以向顾 客显示当模拟环境光变化时涂料样品的色表保持相同、基本相同还是不同。本发明的一个优点在于可以在各种模拟环境条件下向顾客显示相同的实际涂料 颜色。例如，可以在带有5000，5500，6500或7500开尔文的色温的日光中显示涂料颜 色，并且可以通过加入钨丝灯(2856开尔文)显示在日出或日落时的模拟环境光，可以混 合这些照明源以达到理想的环境条件，使得顾客可以观察冷(6500开尔文)和暖(2856开 尔文)之间的涂料颜色。顾客可以观察在日出、中午、日落或夜晚时的相同涂料颜色以 确定在一天中房间看起来怎样。此外，如果需要的话，顾客可以观察涂料在向阳房间对 比在阴暗房间中看起来怎样，并且可以调节涂料颜色使得住宅中的所有房间可以看上去 基本相同。优选地由计算机或中央处理单元(总称为CPU)电子地控制基色光模块18和其 他光学部件。除了其他以外，CPU通过减暗包含在光模块18中的LEDs控制每个光模块 18的亮度的大小。减暗LEDs可以通过脉冲宽度调制(PWM)完成。PWM使用变化脉 冲宽度来改变LED的“开”和“关”时间的百分比以实现减暗。这典型地高速下发生 以最小化对顾客的闪烁或频闪。例如，可以通过将LED脉动到开位置25 μ s和脉动到关 位置75 μ s等等实现使LED减暗至25%。根据本发明的另一个方面，可以通过选择性地加入一定数量的重复脉冲的可用 波实现LED减暗。如图6中所示，显示了脉冲的四个示例波。第一波具有宽度为一个单 位(例如每个单位=10 μ s)的重复脉冲。第二波偏离第一波并且当来自第一波的脉冲结 束时它的脉冲开始，并且来自第二波的重复脉冲具有两个单位的宽度。第三和第四波类 似地被构造，来自第三波的脉冲具有四个单位的宽度并且来自第四波的脉冲具有八个单 位的宽度。应当注意的是这些宽度可以是任何适宜尺寸。根据该方法，在一个周期中所 有可用脉冲的持续时间为15个单位(八+四+ 二 + —)。为了减暗LED至其1/3亮度， 仅仅使用第一和第三波。为了减暗LED至其大约1/2亮度，仅仅使用第四波或第一、第 二和第三波的组合。该方法是对PWM的改进，原因是LED可以快速被减暗到它的亮度 的任何分数而不用再编程定时电路。更大数量的波可以产生减暗效果的更多分级。所有 波可以用于驱动单一 LED或每个波可以用于驱动单一 LED。通过减暗，可以在光混合仓16中控制和混合来自每个光模块18的发射光的强度 的大小，使得可以在室12中显示不同颜色34的混合、均勻光34。中性密度滤波器也可 以用于均勻地减小被显示颜色的强度。CPU也可以执行用于根据液体比色系统选择调和或情感相容或协调的色组的程序。在全文被引用于此作为参考的PCT公报n0.W003/027958中描述了一种合适的程 序。CPU也可以包括语音激活命令、键盘、计算机鼠标、触摸屏和与顾客通信的其他输 入/输出设备。 CPU可以连续产生照明或预期光谱功率分布以生成由指定光谱反射数据集表征 的实际复合图片或其他实际物体的特定或预期颜色和外观效果。本发明可以通过比较光 谱功率分布(SPD)与目标颜色的光谱反射数据来预测色移效应。光谱反射系数(R% )是对于指定波长基于相同照明和观察几何形状从测试表面 反射的辐射能量的量与由完美白光漫射器反射的辐射能量的量的比率。因此，在不改变 入射光的SPD的情况下，可以通过改变测试表面的光谱量11%来改变它的色表，例如， 可以通过在更长波长(620-700nm)通过带有更多红涂料改变涂层表面的配方来增加它的
而实现更暖的感觉。SPD是分布在可见波长范围( 400-700nm)上的辐射能量的量。该辐射能量可 以源自两个或以上光源的相加混合，例如出自混合仓16的模拟环境光或混合光34，并且 可以通过选择性波长吸收或其他技术进一步修正它的光谱含量。在离开混合仓16之后， 当到达观察室12时带有新SPD的经修正的混合光34可以产生新的色感。例如，在不改 变物体的测试表面的11%的情况下，可以通过在红光波长范围(620-700nm)用更高辐射 能量含量提高入射光的SPD(例如加入红光LED灯)使相同测试表面的色表更暖。SPD和11%是可以用于以以下方式预测色移效应的两个参数。首先，测试表面 (例如上述表面14)具有恒定，但是混合光34具有可变SPD。换句话说，测试表面 14保持相同，而混合光34可以变化以产生如本文所述的各种颜色。利用本发明的集成 光混合仓16以及各种基色光源18和其他光学器件，混合光34的SPD入射到测试表面14 或模仿物体上(在该例子中为白色)以产生预期色表。这是可能的，原因在于测试表面 的是已知的并且入射混合光34的SPD也是已知的或者可以由CPU控制。备选地， 已知白色(或彩色)测试表面，CPU可以计算入射混合光(一种或多种)34的所需SPD 以使测试表面“更暖/更冷”、“令人兴奋/令人平静”、“干净/肮脏”、“亮/暗” 等。该设备的一个重要特征是允许顾客看到备选的颜色选择以用于颜色决定。其次，入射混合光34具有恒定SPD，但是测试表面具有可变R%。基色光模块 18和集成光混合仓16用于输出预期入射光SPD，所述入射光SPD可以模拟顾客的家庭照 明或者可以是模拟环境光。本发明的系统可以帮助顾客选择充当测试表面的带有预期色 表或带有某些颜色情感的颜色卡片，例如“更暖/更冷”、“令人兴奋/令人平静”、
“干净/肮脏”、“亮/暗”等。该设备的一个优选特征是允许顾客看到备选的颜色选择 以用于颜色决定。此外，涂料制造商可以定制颜色配方或配制以产生所需的11%性质， 以便产生预期颜色效果。这两种方法可以组合使得可以改变或控制入射混合光34并且也可以改变测试表 面14，使得测试表面可以具有不同于白色的颜色。CPU也可以控制基色光源18的冷却。当使用LEDs时，它们的SPD或颜色输出 受到老化和热漂移。因此，希望控制LEDs的温度以控制它们的颜色输出。控制温度的 一种方式是通过图7-8中所示的翼片48，所述翼片是被动冷却系统并且不受CPU控制。 诸如光谱、光度和/或温度传感器的光学传感器可以被部署并且电子地连接到CPU以测量LEDs的颜色或SPD输出、光度或温度。诸如热电偶或热敏电阻的电或电子传感器也 可以被使用并且由CPU控制。冷却风扇、液体冷却剂或任何其他已知冷却机构可以被提 供和/或由CPU控制以将LEDs的输出和温度保持在预期水平。冷却系统可以容纳在图 1中所示的外壳20中。LED输出也由于老化而易于变化。上述的电子控制系统也可以利用SPD和/或 光度传感器来补偿老化效应。电子控制也可以基于光学反馈和预测数据集来补偿基色光 源的平衡和驱动以保持预期混合输出。这补偿了非线性色彩-光度发射关系、老化和环 境影响(包括模拟环境照明条件)。上述的集成光混合仓16具有通过基色光模块18的宽动态亮度范围精确显示某个颜色(例如棕色)的能力。这通过与在出射光学器件的中性密度滤波器耦合的电子减暗 电路中的高调节比(例如1 500)实现。有若干CIE色度图CIE 1931色度图(基于两度CIE标准色度观测者)和CIE 1964色度图(基于十度CIE标准色度观测者)。在1976年，CIE公布了两个新的均勻空 间CIELAB和CIELUV。所有这些CIE推荐可以用于本发明。其他表色系统或选色器也 可以用于本发明，例如 Pantone, NaturalColor System, Munsell Color System, Hunter LAB system等。这些系统中的一些可以被转换为CIE图，例如Munsell系统可转换为CIE。根据本发明的一个方面，来自调色板，例如本杰明摩尔(BenjaminMoore’ s)调 色板的每种可商购涂料颜色与CIE比色规范关联、校准或联系，并且每种设备相关颜色 也与CIE比色规范关联或联系。因此，在室12中显示的每种设备相关颜色与来自数万种 可商购涂料颜色的涂料颜色关联。设备10可以用于零售店、涂料商店和其他涂料售卖机、贸易展览、办公室、餐 厅、机场、火车站和其他公共建筑物。当在本文中使用时，“真实颜色”或“设备无关颜色”表示在不需要设备(例 如计算机设备、电视机、二极管、发光二极管(LEDs)、投影仪、计算机显示器、屏幕 等)的情况下在CIE颜色空间中定义的眼睛可见的颜色。“设备无关颜色空间或配置文件 连接颜色空间”基于CIE 1931标准色度观测器。该实验导出标准观测器提供人的视觉系 统关于颜色匹配能力的很好表示。不同于设备相关颜色空间(例如监视器RGB系统)，如 果两种颜色具有相同CIE比色规范，则如果在与为CIE比色法定义的那些相同的条件下观 察它们将匹配。表面的真实颜色包括当光反射离开该表面时可见的那些颜色，或可以由 涂覆在表面上的色素组成物(例如涂料和涂层)产生的那些颜色。在另一方面，“设备相 关颜色”是由上述设备产生的在设备颜色空间中定义的颜色。典型地，设备相关颜色在 设备内通过电磁辐射的可见辐射光谱内的光谱范围的组合产生。可见辐射光谱范围的波 长从大约400nm(紫)以下到大约700nm(红)以上。在一个例子中，设备相关颜色可以 通过组合不同量的三种基色产生红(625-740nm)、绿(520_565nm)和蓝(435_500nm) 或RGB，例如RGB计算机监视器。RGB协定表示波长的近似发射带。设备相关颜色 也可以通过四种原色的混合产生青、品红、黄和黑或CMYK，例如彩色文件的胶印。 CMYK协定表示波长的近似吸收带。基于RGB的设备相关颜色可以通过已知颜色管理 系统转换为CMYK协定，反之亦然。图9和10显示了本发明的一个备选实施例。如图9和10中所示，作为上述基色光模块18的另一个实施例的多个备选基色光模块59径向围绕作为图4A中的集成光混 合仓16的另一个实施例的集成光混合室60定位。在该实施例中，所有基色光模块59使 用产生相同或基本相同颜色的宽波段光的常规灯。每个基色模块59具有唯一窄带滤波器 65，使得离开每个基色模块59的光具有唯一颜色，或更具体地，也被称为通道的唯一基 色。有利地，在本发明的一个方面中，数字控制器可以同时调制两个或以上通道相同的 量，就如同它们被“集成”在一起。离开每个模块59的基色光由反射镜64引导到类似 于本文所述的其他集成光混合室的混合室60中以进行混合。

图11示出了备选基色光模块59的放大图，该基色光模块使用常规光源或灯62， 例如荧光、白炽、卤素、激光和其他常规光源。在一个优选实施例中，灯62是卤素灯。 基色光模块59包括调制从灯62发射的光的若干光学器件。红外截止滤波器61最小化从 灯62发射的热。IR辐射并不有助于可见颜色并且已知具有高热能。束径减小透镜63将 灯光引导到光学滤波器65上。有利地，这样的束径减小滤波器63产生带有小实际包络 的光，该光与具有较小尺寸的光学滤波器65更相容。从灯62发射的光为宽波段，例如白炽、卤素、荧光，并且可以被分解为窄波段 以表示不同颜色。光学滤波器65是能够将来自灯62的宽波段光分解为多个基色光的窄 带滤波器。反射镜64将光引导到室60的内部以用于在它被投影到观察室12的纹理化表 面14上之前进行集成光混合。图12显示了备选基色光模块59的另一个实施例，该基色光模块使用LED灯66 代替常规光源。在该实施例中，如上所述，基色光模块59还包括散热器67和主动冷却 设备68以保持LEDs冷却。LED灯66包括多个相同/相似单色LEDs以提高辐射强度 输出或包括白光LEDs以产生近白光源。使用LED灯66胜过图11中所示的常规灯的一 个优点在于近白光具有更宽的频带并且可以从其分解更多的基色。在图11和12两幅图中，来自灯62，66的光的强度由光控制器通过数字调制手 段进行调制，所述数字调制手段包括但不限于电流调制、脉冲调制、液晶相位调制、数 字微反射镜取向调制和它们的组合。图13显示了包括基色光模块59和光混合室60的另一个装置的等轴视图，并且 图14显示了这种装置的底视图。尤其是，多个基色光模块59径向围绕集成光混合室60 定位。基色光模块59成大约45°角定位，由此直接将光聚焦到室60的反射底部上。反 射镜64在该实施例中被省略，并且基色光模块59可以成任何预期角被成角。而且，如下 面更详细地所述，在本发明的一个创新方面中，多个基色光模块59包括至少大约14个， 优选至少大约16个，或至少大约18个，或至少大约24个，或至少大约32个相同的全宽 波谱白光LEDs，其可以有利地与光学和数字调制技术结合使用以将白光分解为宽范围的 窄波段基色光。根据本发明的一个方面，为了提高某个基色模块59的辐射输出强度，相 同基色光的两个或以上模块59可以以并联方式连接在一起。这些相同白光LEDs具有互 换性、高效率、小尺寸、高耐用性和长使用寿命的附加优点。图15显示了用于图13和14中所示的装置中的基色光模块59。该基色光模块 59包括基色光源69，该基色光源优选为固态光源，例如LED，或次优选为常规光源，例 如卤素灯。最优选地，如上所述，基色光源69包括全谱白光LED光源，例如Titan 系 列LED照明系统(可从新泽西州Westampton郡的Lamina Lighting公司商购)。类似于图12中所示的基色模块，基色光模块59还包括散热器67，主动冷却设备68，和储存窄 波段滤波器65和可选透镜63的透镜座70。透镜座70通过将基色光源69分解为唯一窄 波段基色光进行调制，并且将它的基色光引导到室60的内部以用于在它被投影到观察室 12的纹理化表面14上之前进行集成光混合。透镜座70也可以包括调制从源69发射的光 的若干光学器件，包括但不限于投影透镜系统，可选红外截止滤波器，可选UV截止滤波 器，和可选光学滤波器。 再次返回关于全谱白光LED的优点的论述，它由蓝或UV LED制造，并且它的 包壳涂覆有磷的合适混合物。在该情况下带有蓝或UV光谱性质的LED灯激发磷涂层， 磷涂层又产生在磷发射波长范围内的光。这导致在可见波长光谱中从大约400nm到大约 700nm的连续全谱。通过以各种比例混合红、绿和蓝以及其他磷，可以用不同显色能力 产生带有宽光谱特性范围的光，从很暖光到很冷光。图16显示了具有大约4700K的色温 的白光LED的相对光谱功率分布，它的辐射能量由数字光控制器调制在从大约5%白光 到大约100%白光的不同水平。尤其是，白光LED可用宽动态范围数字减暗，所述宽动 态范围可以通过调制它的脉冲宽度和/或电流实现。在某些波长(例如大约490nm和超 过大约680nm)下的辐射强度可以相对较弱。然而，在这些波长下的辐射强度可以用具有 这些波长的窄LED源补充。全谱白光LED不同于三色白光LED，在图17中给出了三色白光LED的光谱功率 分布曲线。后者以不同比例混合来自红光LED、绿光LED和蓝光LED的光以产生带有不 同色温的白光。三色白光LED的辐射强度在RGB LEDs的峰值强度的波长(一个或多个) 处/附近高。取决于单个LED，在半功率下的波段范围为从大约20到大约35nm。换句 话说，在不通过光学和/或数字手段进一步调制的情况下难以控制彩色LED的波段。由于全谱白光LED在整个可见波长范围内发射辐射强度，因此它提供了产生具 有彼此之间均勻间隔(例如至多大约20nm，优选地至多大约15nm，并且更优选地至多大 约IOnm)的峰值波长的非常期望的基色光的机会。该均勻“间距”特征在通过不同基色 光的相加混合合成颜色中是重要因素。有利地，可以组合全谱白光LED和具有在一个或 多个波长的峰值强度的彩色LED (白光LED在此具有弱强度，例如大约490nm和超过大 约680nm)，由此提高在更宽波长范围的相对光谱功率。光学调制帮助产生被限制为大约20nm的窄波段的不同基色光。尤其是，透镜 座70中的窄带干扰滤波器通过波长在一定范围内的辐射能量并且抑制在该范围之外的波 长。不同于白炽灯，LED照明不会在它的照明路径中携带明显热能的事实促进了光学调 制。相反地，在LED与散热器67接触的接合部生成热，在那里可以用主动冷却设备68 管理热。这是有助于使光学调制成功的优选特征，原因是热的存在会损坏光学窄带干扰 滤波器。图18示出了分别使用红、绿和蓝窄带干扰滤波器将全谱白光LED的光谱功率分 布(参见图16)调制为窄波段分布。对于所有三种情况在半功率下的波段(带通)为大 约lOnm。这表明光学调制方法可以控制每个通道的光谱功率分布以具有均勻光学带通性 质。该均勻带通性质优选地合成白光或带有明显远远更多“平滑”光谱功率分布(SPD) 的其他彩色光。尽管图18示出了基色通道的一个优选实施例，S卩，由窄带通滤波器调 制的白光LED，但是其他实施例也是可能的。在其他实施例中，基色通道可以包括彩色LED，带有窄带通滤波器的彩色LED，带有中性密度滤波器的彩色LED，或前述白光 LED和彩色LED装置的任何组合。 图19示出了该“平滑”光谱性质。SPD曲线A由间隔大约IOnm的带有从大 约400到700nm的窄波段波长的通道或光组成。每个通道具有在半功率下的大约IOnm 的相同波段。SPD曲线B由带有从大约400nm到700nm的不均勻波段的通道或光组成。 显然基于均勻波段的通道的曲线A具有远远比基于不均勻波段的通道的曲线B更平滑的 SPD。该“平滑”光谱性质是重要的，原因是多数实际物体(例如涂料卡片)具有平滑 光谱反射率曲线。因此，为了优化匹配目标颜色的光谱刺激与光，组成光的通道应当理 想地具有均勻波段。在借助于窄带干扰滤波器进行光学调制之前，可减暗白光LED灯可以经历数字 调制。如上所述，有若干手段，包括但不限于电流调制、脉冲调制、液晶相位调制、数 字微反射镜取向调制和它们的组合。尤其是，已发现可以通过调制它的脉冲宽度和/或 电流实现宽动态范围。脉冲宽度可以以0.1 μ S的步幅从0.5 μ S变化为300ms。在上面提 供了脉冲宽度调制的更详细解释。电流可以以0.5mA的步幅从0.5mA变化为2A。这种 动态范围难以用诸如白炽和荧光灯的常规灯实现。减暗LEDs的一个例子在上面被论述， 并且在图6中被显示。在第一阶段中，多个基色光模块均可以通过全谱白光LED灯的光学和数字调制 的组合产生基色光。随后，在第二阶段中，在集成光室16，60中相加混合这些调制基色 光。当被投影到“模仿”物体上时紧密混合光可以在光谱质量和光泽/光彩方面产生匹 配“目标”色表的色表。“外观”匹配的概念优选地反映由具有正常彩色视觉的观察者观察到的真实图 像。例如，对于使用蛋壳状涂料喷涂单一颜色的房间，一旦房间的灯被接通，观察者看 到整个房间喷涂有带有或多或少相同色调的大范围亮和暗色。这是因为观察者看到表面 反射(没有颜色含量的光泽/光彩)、主体反射(颜色含量)以及表面和主体反射的大范 围混合比率。表面反射是从涂料表面光谱反射的光(即，未由涂料着色剂修正)，而主体 反射是由涂料着色剂修正并且从涂料再出现的携带颜色信息的光。另外，带有纹理化表 面的“模仿”物体提供附加尺度以用于外观匹配。创新地，由于产生宽范围的基色光(例如至少大约14，或至少大约16，或至少 大约18，或至少大约24，或至少大约32)，因此当它们在第二阶段中混合时，这些基色 光可以增加可用色域。如上所述，与图5的论述结合，附加LED基色光向外拉伸表示可 见色域的不规则多边形的边界。图20示出了为了匹配具有曲线D所指示的光谱功率分布的目标颜色光谱目的 的宽色域的优点。当利用6种LED彩色基色光(S卩，靛、蓝、青、绿、黄和红色通道) 时，合成光谱具有曲线E所指示的光谱功率分布。假设曲线D和E是基本不同的光谱曲 线，它们表示同色异谱匹配，即，在所有观察条件下相应颜色并不匹配。通过比较，当 利用32种LED基色光时，合成光谱具有曲线F所指示的光谱功率分布。假设曲线D和 F是基本相同的光谱曲线，它们表示非同色异谱匹配，即，在所有观察条件下相应颜色 匹配。因此，在基色光的数量与同色异谱的程度之间有反比关系，即，增加基色光的数 量减小同色异谱性。有利地，本发明通过增加基色光的数量减小了同色异谱的效应。
尽管显而易见在本文中公开的本发明的示例性实施例实现了上述目标，但是应 当理解本领域的技术人员可以设计许多修改和其他实施例。另外，任何实施例的特征 (一个或多个)和/或要素(一个或多个)可以单独或与其他实施例(一个或多个)组合 使用，并且根据本发明的方法的步骤或要素可以以任何合适的顺序被执行或实行。这样的一种变形在于本发明的系统可以按比例缩小为手持设备，该手持设备可以用LED灯将 设备相关颜色投影到墙壁上。这样的按比例缩小型式可以用于购买者的家中。另一个可 能的变形是使本发明的系统结合图像投影设备使得除了颜色刺激以外图像或文本也可以 被投影到屏幕52上。而且，另一个可能的变形允许任何基色光模块用于任何光混合仓或 光混合室。所以，应当理解附带权利要求旨在涵盖属于本发明的精神和范围内的所有这 样的修改和实施例。
权利要求
1.一种光学系统，包括从其发射基色光的多个基色光源，其中发射基色光被引导到 集成光混合仓或室，其中发射基色光在所述集成光混合仓或室内被混合以形成混合出射 光，其中混合出射光被投影到显示表面上以在所述表面上显示颜色，并且其中所述集成光混合仓或室包括至少一个挡板，所述挡板位于其内并且防止发射基 色光在不从所述挡板反射的情况下离开所述集成光混合仓或室。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述集成光混合仓或室具有入口和出口，并 且所述挡板的尺寸大于入口并且位于入口与出口之间。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述集成光混合仓或室是多面体。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述挡板包括圆顶部分。
5.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述挡板包括尖顶部分。
6.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述挡板通过多个腿部连接到所述集成光混 合仓或室。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述集成光混合仓或室包括多个第一混合室 和至少一个中心混合室，并且其中一个第一混合室与一个基色光源关联。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述集成光混合仓或室包括多个反射挡板表
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中发射基色光在离开所述集成光混合仓或室之 前在第一混合室与中心混合室之间被反射。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中在所述集成光混合仓或室内部的表面被处 理以增加射出的基色光的混合。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述表面是不光滑的。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述表面涂覆有硫酸钡或二氧化钛。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述显示表面形成显示室的一部分。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述光学系统邻近所述显示室被定位。
15.根据权利要求1所述的光学系统，还包括调节发射基色光的输出的冷却系统。
16.根据权利要求15所述的光学系统，其中所述冷却系统包括翼片。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中所述冷却系统包括连接到控制器的传感器。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述多个基色光源在被投影到所述集成光 混合仓或室之前单独被减暗到预定水平。
19.根据权利要求18所述的光学系统，其中所述基色光源通过脉冲宽度调制被减暗。
20.根据权利要求1所述的光学系统，还包括模拟环境光。
21.根据权利要求20所述的光学系统，其中所述模拟环境光包括模拟日光、卤素光、 白炽光或荧光或它们的组合。
22.根据权利要求20所述的光学系统，其中所述基色光源中的一个发射模拟环境光。
23.根据权利要求20所述的光学系统，其中所述模拟环境光由控制器改变。
24.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述显示表面是弧形的。
25.根据权利要求1所述的光学系统，还包括带有至少一个弧形表面以接收混合出射 光的三维物体。
26.根据权利要求1所述的光学系统，还包括调节混合出射光的至少一个光学器件。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中所述光学器件包括中性密度滤波器、中心 梯度滤波器、光谱修正滤波器、带有内部波束限制掩模或可调节孔径的投影透镜。
28.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述显示表面被纹理化以模拟涂料光洁度。
29.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述显示表面是漫射表面。
30.一种光学系统，包括多个基色光模块，每个基色光模块包括宽波段基色光源和透 镜座，其中透镜座将宽波段光源的光谱质量调制为窄波段基色光，其中从基色光模块发 射的窄波段基色光是唯一的，其中发射的窄波段基色光被引导到集成光混合室，其中发 射的窄波段基色光在所述集成光混合室内被混合以形成混合出射光，并且其中混合出射 光被投影到显示表面上以在所述表面上显示颜色。
31.根据权利要求30所述的光学系统，其中发射的窄波段基色光具有最多大约20nm 的均勻间隔的峰值波长。
32.根据权利要求30所述的光学系统，其中所述基色光源选自由下列组成的组荧 光、白炽、卤素、激光、白光LED、彩色LED灯和它们的组合。
33.根据权利要求32所述的光学系统，其中所述基色光源是不同的。
34.根据权利要求32所述的光学系统，其中所述基色光源是相同的。
35.根据权利要求34所述的光学系统，其中所述基色光源包括白光LED灯。
36.根据权利要求30所述的光学系统，其中所述集成光混合室包括至少一个挡板，所 述挡板位于其内并且防止发射基色光在不从所述挡板反射的情况下离开所述集成光混合 室。
37.根据权利要求30所述的光学系统，其中所述多个基色光源在被投影到所述集成光 混合室之前单独被减暗到预定水平。
38.根据权利要求37所述的光学系统，其中所述基色光源通过脉冲宽度调制被减暗。
39.—种用于外观匹配颜色的方法，包括以下步骤(a)提供一种包括多个基色光模块的光学系统，每个基色光模块包括宽波段基色光源 和透镜座；(b)将基色光源调制为唯一窄波段基色光；(C)在集成光混合室中混合唯一窄波段基色光以形成混合出射光；和(d)将混合出射光投影到显示表面以在所述表面上显示颜色。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述唯一窄波段基色光包括具有最多大约 20nm的均勻间隔的嶂值波长。
41.根据权利要求39所述的方法，还包括步骤(e)，如果显示表面的外观与目标外观 不匹配则返回步骤(b)。
全文摘要
在本文中公开了一种颜色显示设备，其可以部署在涂料零售店、售卖机、顾客的办公室或住宅、机场、商场等地方，用于快速颜色和外观原型设计。可以移动的所述颜色显示设备可以在标准化照明或模拟环境照明下显示颜色。所述颜色显示设备可以补充或代替传统的涂料卡片架或色卡扇。所述颜色显示设备可以用加色法和/或减色法使用集成光混合仓或室、特定光学器件、模仿物体和电子控制来操纵光源以用于颜色和外观表示和用合意的模拟环境照明进行物体照明。
文档编号F21V9/00GK102016401SQ200880122627
公开日2011年4月13日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月24日
发明者休·费尔曼, 卡尔·麦丘, 庄德虎, 迈克尔·古特曼 申请人:本杰明·摩尔公司