專利名稱：具有用于led光引擎的通信協(xié)議的led組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有用于LED光引擎的通信協(xié)議的LED(發(fā)光二極管)組件，以及制造LED組件的方法，本發(fā)明特別適合于解決LED組件內(nèi)不同LED之間的色差問題。

背景技術：
傳統(tǒng)光源大部分一般是白熾光源或者氣體放電光源。每種光源既有優(yōu)點又有缺點。盡管制造成本低，不過傳統(tǒng)的白熾燈存在兩個缺陷。首先，傳統(tǒng)照明設備的大多數(shù)輸入能量以熱或紅外(不可見)光的形式被浪費掉；只有少量的輸入能量被轉(zhuǎn)換成可見光。其次，白熾燈的壽命有限，當發(fā)生故障時，該故障是災難性的。傳統(tǒng)的熒光燈壽命較長，但是在溫度范圍內(nèi)性能變化顯著。在較低的溫度下，熒光燈根本不工作。由于成本的少量增加，鹵素光源效率稍有提高，并且壽命超過白熾光源。
通過濾波，傳統(tǒng)的照明光源能夠產(chǎn)生精確的顏色。濾波處理獲得白光照明，并除去除指定顏色的所需光線之外的所有光線，于是進一步降低光源的效率。另外，傳統(tǒng)的照明是從光源沿所有方向播散的，當目的是照明較小的物體時，這也許并不有利。最后，傳統(tǒng)的照明在亮度和輸入電流之間存在非線性關系。這種非線性使得難以容易地使光源變暗。
由于其明顯更長的壽命，更高的效率，以及引導光線的能力，LED克服了傳統(tǒng)照明設備的許多缺點。典型的白熾光源的平均故障間隔時間(MTBF)約為10000小時。LED的MTBF約為一百萬-一千萬小時。對于白熾燈來說，一般只有5％的輸入能量被轉(zhuǎn)換成可見光。類似地，對于LED來說，約15％的輸入能量被轉(zhuǎn)換成可見光。光輸出的流明與輸入能量的瓦特之比是考察效率的另一種方式。傳統(tǒng)的照明設備約為17流明/瓦，而基于LED的(白光)光源約為35流明/瓦。效率改進等同于降低能耗，或者施加相似功率的情況下更高的光輸出。一般來說，單個的LED產(chǎn)生不足以用作光源的低水平光輸出。把許多LED組合成組件或陣列使所述陣列可以成為可靠并且費效比高的傳統(tǒng)光源替代物。
當設計和制備LED陣列時，組件中的LED陣列可以并聯(lián)、串聯(lián)或者任意組合地電連接。另外，組件中的LED可以是單基色或者許多不同的顏色。通過把幾種不同的顏色組合到一個組件中，光引擎能夠顯示各種各樣指定的顏色。由于其降低電力用量，改進維護成本，以及允許動態(tài)、定制的色投影的能力，這些LED光引擎組件正在得到廣泛使用。
另外，LED組件正在替換人身安全市場中的電燈泡。人身安全應用可包括交通指示燈、塔上的安全信號燈、鐵路道口的報警燈、緊急出口照明設備、機場跑道照明設備，以及另外的許多應用。在這些應用中，由于兩個原因，LED光源正在得到普及(1)LED的可靠性增大，(2)維修的成本和難度降低。
目前，基于LED的光引擎正在全世界的無數(shù)場所中為人身安全應用而工作著。
在建筑和劇院應用中，LED照明也是有益的。好處不僅在于產(chǎn)生用于改變心境和情緒的精確且可重復的光的能力，而且在于動態(tài)地并且在大量的光源中產(chǎn)生這些顏色的能力。這種實踐許多年來一直以各種形式用在劇場照明中，并且近年來在隨需應變的數(shù)字顏色方面取得巨大的進步。對于建筑學來說，由于劇場級固定設備在建筑應用中的使用麻煩，因此顏色的實際使用仍然受到極大的限制。LED照明的前途是為劇場和建筑應用，以更有用的波形系數(shù)(form factor)并且實時地實現(xiàn)動態(tài)顏色。
典型的LED組件包括安裝到系統(tǒng)中的許多LED，并且所有的LED一般都是單基色。技術正在進步，正在出現(xiàn)由兩種、三種、四種或更多基色的LED的組合產(chǎn)生廣譜顏色的新要求。開發(fā)中的許多組件包括幾個紅色LED、幾個綠色LED和幾個藍色LED。每種顏色需要幾個LED，因為單個LED不能為光引擎提供足夠的光。需要不同的LED顏色，以致可以組合不同的顏色，形成廣譜的定制照明效果。
圖1中表示了廣義的LED組件10。LED組件10包括一個LED光源11，LED光源11又包括用標志符-R(紅)、G(綠)和B(藍)表示的不同顏色的各個LED 12。LED組件11包括LED 12及驅(qū)動LED的配件(support)和相關電路。相關電路和配件包括一個機械固定LED 12并向LED 12提供電輸入的電子載體或印刷電路板(未示出)，把輸入功率轉(zhuǎn)換成LED 12的可用形式的電源13，適當?shù)卮蜷_和關閉LED 12、對電子信號執(zhí)行算法并與更大的照明系統(tǒng)中的其它設備通信的控制電子儀器14，和把來自幾個小點光源的光景象修改成令人愉快、并且對產(chǎn)品來說有作用的外觀(look)。
不過，LED組件確實具有本發(fā)明人認識到的下述缺陷。光學和電輸出性質(zhì)的制造技術內(nèi)的變化是相當大的。由于LED的制造變化，目標輸出顏色難以獲得。在產(chǎn)品的壽命期內(nèi)，光學輸出不斷變化；例如，輸出強度隨著時間降低。主波長非常依賴于溫度。并且，隨著溫度升高，強度降低。
此外，對于LED來說，不同的半導體化合物被用于產(chǎn)生不同的顏色。每種化合物將相對于溫度和長期退化以不同的速率變化。這使RGB(紅、綠、藍)LED陣列的顏色穩(wěn)定性變得困難。
LED光輸出與輸入電流成正比地變化的事實通常是LED的優(yōu)點；不過當LED組件被用作白熾燈的直接替代物時，這變成一個缺點。這是因為控制系統(tǒng)補償白熾燈的非線性，就替代物LED組件來說產(chǎn)生無意義的輸出。
照明控制系統(tǒng)或控制臺尋址(address)具有有限數(shù)目的可能顏色規(guī)格的數(shù)目有限的光輸出，而尋址大型的照明系統(tǒng)可能需要笨重的硬件。
由于兩個原因，LED會發(fā)生溫度變化。一個原因是外部環(huán)境。LED光源可安裝在溫度可控的環(huán)境中，其例子可以是住宅或辦公樓。另一方面，LED光源可被安裝在溫度不可控的環(huán)境中，在所述環(huán)境中，溫度變化在人類適居性的范圍內(nèi)以及超出該范圍。溫度可變性的第二原因是特定系統(tǒng)內(nèi)熱耗散的效力。光學輸出性質(zhì)與芯片(die)溫度相關。芯片溫度與外部環(huán)境相關，不過還與從芯片到外界的整個路徑的熱阻相關。
隨著這些溫度發(fā)生變化，主波長(由λd表示)和光強表現(xiàn)出可量化的變化。在溫度變化足夠大的情況下，人眼能夠辨別主波長的變化。在某些波長(琥珀色附近)，人眼能夠辨別2-3納米的變化；在其它波長(紅色附近)，在人眼能夠區(qū)分色移之前，需要20-25納米的變化。隨著溫度的強度變化也是可辨別的。60℃的溫升能夠使輸出降低大約50％。
現(xiàn)有技術部分解決了這些問題。通過把LED揀選或分類(bin)成光學性質(zhì)相似的分組，解決了LED光學輸出的制造變化。在用于LED陣列的控制軟件和硬件中模仿了白熾燈的光學響應，例如參見美國專利6683419。LED的初始功率輸出也可被過驅(qū)動(over-driven)，這在更長的一段時間內(nèi)產(chǎn)生可接受的功率輸出。
但是，現(xiàn)有技術未解決下述問題。仍然不能實現(xiàn)指定顏色的精確顏色生成。由于分類的內(nèi)LED光學性質(zhì)的變化極大，因此LED的分類并不總是足以在所有環(huán)境下產(chǎn)生精確的顏色。溫度變化和時間退化對LED輸出波長和強度的影響未被補償。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠有效并且始終如一地提供LED組件的所需顏色輸出的新穎LED組件和制造該LED組件的新方法。
本發(fā)明通過提供一種系統(tǒng)實現(xiàn)了上述及其它目的，所述系統(tǒng)包括一個網(wǎng)絡和與該網(wǎng)絡連接的多個發(fā)光二極管(LED)組件。每個LED組件包括唯一的地址。此外，一個控制單元與所述網(wǎng)絡連接，并被配置成單獨地向LED組件發(fā)送光控制信號。光控制信號包括通用色坐標系中的顏色信息。通用色坐標系可以是CIE色坐標系，所述網(wǎng)絡能夠利用以太網(wǎng)通信協(xié)議。



結(jié)合附圖，參考下面的詳細說明，本發(fā)明及其許多附帶優(yōu)點將變得更明白，從而易于更全面地理解本發(fā)明及其許多附帶優(yōu)點，其中 圖1表示廣義的背景LED燈組件； 圖2解釋CIE色度圖上的LED顏色指定； 圖3a和3b表示關于LED組件的未補償光學輸出的處理； 圖4表示在制造按照本發(fā)明的LED組件的方法中進行的操作的處理流程； 圖5表示在制造本發(fā)明的LED的方法中利用的制造夾具的簡化圖； 圖6a、6b表示對本發(fā)明的LED組件實現(xiàn)補償?shù)墓鈱W輸出的處理的概述； 圖7表示本發(fā)明的第一實施例的LED光引擎組件； 圖8表示在制造按照本發(fā)明的LED組件時進行的處理的更廣義的操作； 圖9表示CIE色度圖上的RGB顏色指定； 圖10表示對CIE色度圖上的RGB顏色指定的呈現(xiàn)顏色的影響； 圖11表示背景DMX512分組格式； 圖12表示作為本發(fā)明的另一實施例的照明系統(tǒng)； 圖13表示本發(fā)明的另一實施例中的LED光引擎組件； 圖14表示用于通信的標準以太網(wǎng)幀； 圖15表示可在本發(fā)明的另一實施例中利用的幀內(nèi)容； 圖16表示可在本發(fā)明的另一實施例中利用的幀內(nèi)容的修改。

具體實施例方式 現(xiàn)在參見附圖，詳細說明本發(fā)明的特征，附圖中，相同的附圖標記表示相同或?qū)牟考?br> 利用CIE色坐標系可指定顏色輸出。也可利用其它適當?shù)念伾付ǚ桨?。CIE是國際照明委員會的縮寫，是首先說明用在1931年編寫的標準中量化顏色的方式的國際標準發(fā)展組織。CIE色坐標系是公認的光譜分布的測量標準，并且利用x坐標、y坐標和Y′坐標定義顏色。CIE色坐標系是一種與設備無關的顏色描述方式，于是也被描述成定義顏色的通用坐標系，并以圖形方式示于圖2中。圖2表示具有CIE色矩(color torque)的CIE色度圖。CIE色矩表示飽和色的x、y和Y′坐標。x坐標和y坐標被歸一化，并以0-1的尺度表示。x和y坐標都是無單位的，并且指定顏色。Y′指定強度，并也被歸一化成無單位的數(shù)字。
圖2中表示了典型的紅、綠和藍LED顏色輸出。通過互連表示紅、綠和藍的坐標，形成一個三角形。該三角形內(nèi)的CIE坐標表示可顯示的顏色的范圍。三角形之外的點不能用指定光源顯示。三角形的中心點是紅、綠和藍光源的最大組合的CIE坐標，理論上為白色。
生產(chǎn)LED的制造工藝是不一致的，并且產(chǎn)生其輸出變化極大的LED。對于紅、綠和藍來說，分別用橢圓(16)、(17)和(18)的跨度圖形地表示了這種可變性。圖2還識別目標白色(15)，并且表示了另一個橢圓(19)，橢圓(19)代表三種顏色光源紅(16、綠(17)和藍(18)的組合的顯示白色的范圍。
圖2表示在不補償LED的許多可變性來源的情況下，顯示顏色的白色范圍(19)。各個LED的所述可變性包括在LED壽命期內(nèi)，輸出強度的退化，主波長隨溫度的變化，輸出強度隨溫度的變化，制造工藝內(nèi)的可變性等等。
圖3a是由紅色、綠色和藍色LED的輸出產(chǎn)生白光的簡單化或者未補償?shù)奶幚?。圖3中所示的處理包括三個同時的步驟S61、S62和S63，其中分別產(chǎn)生所有紅色LED的最大輸出，所有綠色LED的最大輸出，所有藍色LED的最大輸出。通過執(zhí)行將每個紅、綠和藍LED驅(qū)動到其最大輸出的步驟，在步驟S64中產(chǎn)生紅、綠和藍LED的最大顏色輸出，從而產(chǎn)生理論白光輸出。即，通過最大地混合紅、綠和藍，LED就形成白光。但是，由于各個LED的顏色輸出之間的差異，這樣的系統(tǒng)存在紅、綠和藍LED的顏色輸出中的變化可能并不產(chǎn)生純粹的白色輸出的缺陷。來自圖3a的處理的輸出的可變性在圖2中的CIE色度圖上被表示成(19)，并且足以導致該白光與理論白色的可測差異。人眼可辨別該差異。圖3a的加色處理沒有補償LED可變性，會產(chǎn)生不精確的白色。除了不精確之外，結(jié)果也是不一致的。
圖3b是產(chǎn)生定制顏色的類似的簡單化或未補償?shù)奶幚?。在圖3b的處理中，和圖3a中一樣，首先在步驟S61、S62和S63分別以其最大輸出驅(qū)動每個紅、綠和藍LED。隨后，在每個這些輸出中引入按比例縮放，從而產(chǎn)生所需的顏色。更具體地說，步驟S71調(diào)整紅色LED驅(qū)動參數(shù)，以獲得所需的紅光輸出，步驟S72調(diào)整綠色LED驅(qū)動參數(shù)，以獲得所需的綠光輸出，步驟S73調(diào)整藍色LED驅(qū)動參數(shù)，以獲得所需的藍光輸出。通過修改每個相應的紅、綠和藍LED輸出的驅(qū)動參數(shù)，例如占空度和驅(qū)動電流，步驟S71、S72和S73都能夠獲得所需的比例縮放。理想地，組合輸出是所需的定制顏色。不幸的是，這種簡單化的處理也可能產(chǎn)生不可接受的結(jié)果。由許多因素在這三個輸入激勵源的每一個引起的LED可變性產(chǎn)生不精確并且不一致的目標顏色表現(xiàn)。
單色LED光引擎組件已生產(chǎn)了許多年。與單色LED的制備相關的可變性，以及人身安全市場(單色LED主要用在該市場中)的明確要求已要求LED裝配企業(yè)為整個系統(tǒng)產(chǎn)生精確的輸出顏色。通過在出貨之前，預先把LED分類或者分類到較小的可變性范圍，LED制造商已給LED裝配企業(yè)提供了幫助。更小范圍的LED輸入激勵源已幫助裝配企業(yè)產(chǎn)生目標輸出顏色。由于分類內(nèi)的LED仍然具有相當大的性能變化，因此可接受的顯色(color rendering)仍然是一項苛求的任務。
分類操作會很快變得復雜。以只具有琥珀色LED的組件為例。在依據(jù)用標記V、W、X、Y和Z識別的5個通量值分類的情況下，琥珀色LED來自于制造商。每個通量分類(flux bin)內(nèi)的變化可以為±15％或更大。主波長可變化±2.5納米，并且可被分成標記為1、2、3、4和5的五個分類。根據(jù)變化±5％并且標記為a、b、c、d和e的正向電壓形成另外5個分類。所有這些分類的結(jié)果是在被分成5＊5＊或者說125個可能的分類位置的情況下，琥珀色LED到達裝配企業(yè)。琥珀色LED的一個分類可被標記在W4e；W規(guī)定其通量范圍，4規(guī)定其主波長，e規(guī)定其正向電壓。
利用來自琥珀色LED的不同分類的LED的搭配(recipe)，可制備LED組件。每種搭配包含LED光引擎組件設計的電子載體內(nèi)的每個LED位置的可接受分類代碼。在制備之前，可接受的搭配被設計成對于客戶的所需光學參數(shù)來說可接受的輸出。利用光學性能計算確定可接受的搭配，并通過實驗核實。在組件中的LED數(shù)目較大，并且分類內(nèi)的光學輸出的變化較大的情況下，越來越難以保證整個組件的光學輸出對客戶來說是可接受的-即使進行搭配。
對于每種產(chǎn)品來說，通常存在許多可接受的搭配。存在多種搭配使裝配企業(yè)可以靈活地用幾種不同方式構建組件，以考慮到LED的不同分類的庫存變化。但是，即使對于每種產(chǎn)品設計來說，存在許多可接受的搭配，大批量生產(chǎn)中分類內(nèi)容的庫存管理對裝配企業(yè)來說仍然是一個挑戰(zhàn)。相反，有時挑戰(zhàn)是利用bin數(shù)量的現(xiàn)有庫存，找出LED分類(bin)的可接受搭配。
上面的例子使用只具有一種顏色LED的簡單LED組件。當設計涉及幾種不同顏色的LED，并且搭配涉及從幾種不同基色的分類中選取LED時，搭配的復雜性成倍地增大。實際上，多種顏色的LED光引擎組件一直不太成功。單色的精確性問題被放大成更大的問題；最終結(jié)果是呈色不可接受?？傊?，分類(binning)已允許批量生產(chǎn)可接受的單色LED光引擎組件。但是，關于單色組件的分類缺乏制造靈活性，并且會產(chǎn)生在可接受范圍之外的光輸出。在多色LED組件中，分類變得難以管理或者不可能管理，所得到的產(chǎn)品一般是不可接受的。
如下更詳細所述，通過在制造時測量每個唯一的單個LED光引擎組件的基準光學性能來量化輸出的精確顏色和強度，本發(fā)明的處理克服了這樣的缺陷。顏色的基準測量的量化值隨后被保存在LED組件內(nèi)，并且可由系統(tǒng)用于補償驅(qū)動輸入?yún)?shù)，從而在系統(tǒng)的整個壽命期內(nèi)，產(chǎn)生精確并且可重復的輸出。
發(fā)明人提出了圖4中所示的處理，所述處理使用圖5的測試系統(tǒng)40。在所有LED和其它控制電子器件的裝配之后，不過在裝運之前在制造工廠進行圖4的處理。
在該處理中，在該處理的開始，即步驟S111(參見圖4)，每個LED組件100被裝到制造測試系統(tǒng)40(參見圖5)上。測試系統(tǒng)40包括用于把LED組件100限制在距離光學測量儀器45固定距離d的位置的夾具42。屏蔽物44引導光，并防止雜散光進入光學測量儀器45。
測試系統(tǒng)40還包括控制電子器件?？刂齐娮悠骷峙湓诙ㄖ频慕涌谙?1和定制的計算機或工作站46的內(nèi)部電路之間。測試系統(tǒng)40控制電子器件包括測量當前溫度的測量裝置，控制LED的控制裝置，測量電壓的測量裝置，把數(shù)據(jù)寫入LED組件的存儲器的裝置，它可容納在接口箱41、工作站46中，或者容納在LED組件100內(nèi)部的控制電子器件上。
在把LED組件100裝入測試系統(tǒng)40中之后，該處理指令控制電路驅(qū)動所有的紅色LED，并且只驅(qū)動紅色LED(步驟S112)。用于該處理的控制電路或者在LED組件100內(nèi)，或者在系統(tǒng)控制器工作站46內(nèi)。隨后在步驟S113中用光學測量裝置45(它可包括分光光度計)測量全紅輸出。在步驟S113中測量全紅輸出的CIE坐標和全紅下的正向電壓。步驟S114類似于步驟S112，除了控制電路只驅(qū)動所有的綠色LED之外。在步驟S115中，光學測量裝置45測量全綠輸出的CIE坐標和全綠的正向電壓。步驟S116類似于步驟S112，除了控制電路只驅(qū)動所有的藍色LED之外。步驟S117測量全藍光學輸出和全藍正向電壓。如果按照100％最大輸入條件驅(qū)動所有的紅色、綠色和藍色LED，那么可以最容易地實現(xiàn)步驟S112、S114和S116。但是，由于LED通量輸出在數(shù)學上與其輸入電流相關，因此可用按比例降低的輸入實現(xiàn)這些處理。最好在系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)之后進行所有的光學測量。另一方面，可以利用變化的脈寬來驅(qū)動LED，并且可由此外推穩(wěn)態(tài)輸出性能。如下所述，可利用任何適當?shù)纳鴺讼祵崿F(xiàn)步驟S113、S115和S117。
隨后在步驟S118中，利用溫度測量裝置47測量溫度和/或其它相關環(huán)境數(shù)據(jù)。測量環(huán)境數(shù)據(jù)以指示產(chǎn)生測量的LED輸出的環(huán)境條件。例如，LED輸出可根據(jù)溫度而變化，從而對于在步驟S113、S115和S117中測得的紅色、綠色和藍色LED的光學輸出來說，知道測量時的溫度為多少是恰當?shù)摹２襟ES118的環(huán)境測量結(jié)果隨后在補償算法24中用于控制LED的驅(qū)動，如下參考圖6所述。該算法適應由隨溫度而變化的強度和主波長引起的光學輸出變化。下面說明的補償算法24能夠校正未來的偏離基準環(huán)境的變化。
隨后在步驟S119，所有的測量信息被保存在LED組件100內(nèi)。通過使用CIE值(x，y，Y)，代表正向電壓的Vf，代表溫度的T，保存的信息由下面說明的下述變量表示。
所有的保存信息可在如上所述的步驟S119中寫入LED組件的存儲裝置中，或者另一方面，可在步驟S113、S115和S117中獲得所有保存信息之后立即把它們寫入LED組件的存儲裝置中。該備選方案由圖4中的虛線表示。
關于“所制造的”(as manufactured)獨特光引擎的性能的附加信息可在步驟S119中保存在系統(tǒng)內(nèi)，例如，所述附加信息可包括制造日期和時間，或者產(chǎn)品的序列號。也可把這些初始測量結(jié)果保存在系統(tǒng)之外。LED組件外的復制數(shù)據(jù)可用于組件的修理或者返工，或者用于產(chǎn)品可變性的統(tǒng)計分析。通過從測試系統(tǒng)100卸下LED組件100，并繼續(xù)進行LED光引擎組件100的使用，在步驟S120中結(jié)束該處理。
借助上面的處理，本發(fā)明表征并記錄制造時LED組件的具體光輸出信息，從而記錄LED組件的基準顏色輸出，該信息隨后供在圖6和7中的LED組件中產(chǎn)生補償光輸出的整個處理中使用。這樣，顯示顏色的精確基準可供顏色優(yōu)化算法使用。
圖6a、6b和7表示本發(fā)明的LED組件，所述LED組件保存由圖4中的處理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并利用這樣的數(shù)據(jù)產(chǎn)生適當顏色的增強的所需光輸出。圖7表示本發(fā)明中的LED組件100，它包括LED燈101中的LED 105和電源103，圖6a和6b表示在該LED組件100中進行的控制操作。
如圖7中所示，本發(fā)明的LED組件100和圖1的背景技術的LED組件類似，除了本發(fā)明的LED組件100包括增強的控制電子器件104之外，所述控制電子器件104包括環(huán)境傳感器106和存儲器109。存儲器109保存在圖4中的步驟S119中記錄的數(shù)據(jù)。
把所述信息保存在系統(tǒng)中的方法很多，不過一個特征是在光引擎的整個壽命期內(nèi)，“所制造的”輸出信息仍然可供優(yōu)化算法使用。內(nèi)部保存所述信息的方法可以是采用許多存儲裝置中的任意一種。只讀存儲器(ROM)、可編程只讀存儲器(PROM)、可擦可編程只讀存儲器(EPROM)、EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)、閃速EPROM等可用作存儲器109。
圖7中的控制電子器件104執(zhí)行圖6a、6b中所示的操作，下面更詳細地說明。
如圖6a中所示的本發(fā)明的LED組件100的整個控制操作的第一實施例是結(jié)合保存的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用保存的形成LED燈101的紅色LED、綠色LED和藍色LED的基準光輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)這些光的測量輸出以及根據(jù)測量的環(huán)境值進行補償，并輸出所需的光輸出。
在該操作中，在處理21-23中取回全紅響應、全綠響應和全藍響應的存儲值。這些值對應于在圖4的步驟S119中保存的值。在處理21-23中取回的存儲值可被補償和混色算法使用，從而使得可以產(chǎn)生定制的顏色。
更具體地說，在處理21-23中取回的存儲值被提供給運行補償算法的處理24，以便根據(jù)取回的存儲值預測當前環(huán)境條件下的輸出。補償算法24的輸出隨后被提供給混色算法25。作為輸入，混色算法25接收來自處理30的所需光輸出。從而，混色算法25接收關于所需光輸出的指示，并且能夠修改混色，從而獲得所需的光輸出?；焐惴?5隨后在處理31-33中控制紅色LED、綠色LED和藍色LED的驅(qū)動參數(shù)，從而在處理34中輸出所需規(guī)范的光。
補償算法24和混色算法25是實現(xiàn)所需顏色輸出的控制算法，或者用電子電路硬編程，或者用LED光引擎組件100的控制電子器件104內(nèi)的定制軟件軟編程。在處理31-33中，混色算法25調(diào)整每個LED的占空度(D)和其它參數(shù)，有效地修改每種基色的百分率，從而定制顏色顯示?？衫迷S多控制技術調(diào)整占空度-包括脈沖調(diào)頻，脈沖位置調(diào)制、調(diào)幅、相移調(diào)制和脈寬調(diào)制(例如，參見Color Kinetics的美國專利6016038)。
組合地操作補償算法24和混色算法25在處理21、22和23中取回保存的光學參數(shù)，解決了LED光引擎組件的許多性能問題。補償算法24可適用于考慮光學輸出中的溫度變化。類似地，在補償算法2中能夠以算法方式克服LED的壽命退化。即，補償算法24能夠考慮當前的環(huán)境條件，LED的老化等，并且能夠關于當前條件補償LED的光輸出。例如，LED的光輸出隨溫度降低。于是，如果LED組件100的當前溫度高于測試LED時的溫度，即，高于在圖4中的步驟S119中保存的溫度，那么補償算法24能夠進行控制，以增大每個LED的驅(qū)動功率，從而補償由溫度升高而導致的強度降低。類似地，補償算法24能夠把LED的使用年限計算在內(nèi)，并隨著LED 105的老化增大給LED 105的驅(qū)動電流(I)。補償算法24能夠根據(jù)其它環(huán)境條件，例如濕度，以及需要的其它因素進行其它補償。
此外，通過恰當?shù)貞没焐惴?5，能夠解決搭配和分類的困難性。由于精確地知道起點，因此補償算法24和混色算法25能夠提供補償光表現(xiàn)處理的計算。這是在本發(fā)明的處理中實現(xiàn)中。
可在本發(fā)明中實現(xiàn)的混色算法25的細節(jié)的一個具體、非限制性例子如下所示。
混色算法25從為顯示所指定的目標顏色開始。
目標色坐標(xt，yt，Yt′) (151) 關于全紅、全綠和全藍的光譜輸入的CIE色度坐標(x，y，Y′)也為該算法已知，參見圖4中的步驟S113、S115、S117。
測得的(xr，yr，Yr′)(xg，yg，Yg′)(xb，yb，Yb′) (152) 所需的輸出是用于顯示目標顏色的全紅、全綠和全藍LED組件的占空度和驅(qū)動電流。
找到

和I (153) 混色算法25的非限制性實現(xiàn)的推導和細節(jié)如下所示。
首先，由于下面的定義等式的緣故，對于任意顏色不必給出z。
x+y+z＝1 (154) z＝1-x-y 計算全紅、全綠和全藍的輸出強度和y坐標之間的關系的線性比例常數(shù)(加權因子)。
mr＝(Y′r/yr)(155) mg＝(Y′g/yg) mb＝(Y′b/yb) 比例常數(shù)被用于計算全紅、全綠和全藍的組合-理論上純白色的CIE坐標。
(156) Y′w＝Y(jié)′r+Y′g+Y′b CIE值被轉(zhuǎn)換成三色值。三色值是用于描述未被歸一化的顏色的類似坐標系。這兩個坐標系之間的關系由下面的等式(157)定義。
Y＝Y(jié)′ x＝X/(X+Y+Z) y＝Y(jié)/(X+Y+Z) z＝Z/(X+Y+Z)(157) 根據(jù)上面的等式(154)和(157)很快能夠?qū)С鱿旅娴囊话惴匠獭?br> (158) 上面的一般方程(158)產(chǎn)生全綠、全紅、全藍和作為結(jié)果的白色的三色值X，Y，Z的特定等式(159)。重要的是注意所述白色不一定表現(xiàn)為白色。其為純白色的程度將取決于三個基色圍繞白色的中心坐標(0.333，0.333，0.333)是如何均勻地平衡的。
Yr＝Y(jié)′r Yg＝Y(jié)′g(159) Yb＝Y(jié)′b Yw＝Y(jié)′w 相同的等式可被用于把目標顏色的指定CIE值(xr，yr，Yr′)轉(zhuǎn)換成三色值(Xt，Yt，Zt)，如下所示。
Yt＝Y(jié)′t(160) 變換矩陣需要比例因子(Sr，Sg，Sb)，并如下所示根據(jù)等式(160)右手側(cè)的已知值計算。
目標顏色的[Rt，Gt，Bt]是目標顏色中的紅、綠和藍的量，并且如果利用RGB規(guī)范系統(tǒng)，那么可被用于描述顏色，如下所示。
[Rt Gt Bt]＝[Xt Yt Zt][M]-1 (163) 下面計算每種顏色的占空度D。為了易于實現(xiàn)，全紅、全藍或全綠的三種占空度之一總是被定義成100％。其它兩個占空度被比例縮放，以保持類似的RGB比例。
(164) 此外，對于當[Sr，Sg，Sb]＝[1.0，1.0，1.0]時的情況來說進一步簡化，當設計要求表明全紅、全綠和全藍的組合不必是純白色時，該情況相關。
c＝xb(yg-yr)+xg(yr-yb)+xr(yb-yg)
所述等式只涉及顏色的生成，并不涉及顏色的強度。目標顏色強度由Yt′表示。如下計算關于強度的調(diào)整 Y′total＝Y(jié)′r+Y′g+Y′b Iref是由LED制造商規(guī)定的驅(qū)動電流，并在制造測試過程中用于生成圖6的處理21、22和23的存儲值。
情況1如果Ytotal′≥Yt′，那么下面的等式適用。占空度被適當?shù)匕幢壤s小，以考慮到強度。
I＝Itested 情況2如果Ytotal′＜Yt′，那么下面的等式適用。驅(qū)動電流被適當?shù)匕幢壤龃?，以提供額外所需的亮度。
于是利用占空度

和驅(qū)動電流I為情況1和情況2顯示目標顏色。
圖6b表示圖6a的實施例的修改，它可應用于包括紅色LED、藍色LED、綠色LED和琥珀色LED的不同顏色的LED的裝置。即，代替得到只具有紅、藍和綠三種顏色的系統(tǒng)，系統(tǒng)可容納紅、藍、綠和琥珀色四種顏色。在這些情況下，類似于對于紅、綠和藍LED那樣，圖3a、3b和4中所示的操作也進行針對琥珀色LED的操作。從而，保存在存儲器中的測量光學值也包括琥珀色LED的數(shù)據(jù)，從而在圖6b中，執(zhí)行在處理26中取回全琥珀色響應的附加操作，隨后在處理34中，類似于對于紅、綠和藍LED那樣，也調(diào)整琥珀色LED的占空度和其它參數(shù)。
本發(fā)明甚至不局限于這種具有四種顏色的實施例，相反可按照任何所需的組合使用任意數(shù)目的顏色。
現(xiàn)在使用前面的例證組件說明本發(fā)明。假定前面的組件包括幾個紅色LED，幾個綠色LED和幾個藍色LED。另外，為了便于說明，來自所有紅色LED的組合輸出被稱為全紅輸出。如果如有一個紅色LED，那么該紅色LED的輸出和全紅輸出將相等。類似地，所有綠色LED的顯示將被稱為全綠，所有藍色LED的顯示將被稱為全藍。
本發(fā)明的處理允許生成顏色輸出的精確且已知的起點或基準，并且允許在系統(tǒng)內(nèi)部存儲該已知起點。特定LED組件的光輸出最初在該組件內(nèi)部，被保存到適當?shù)拇鎯ρb置上。適當?shù)难a償算法24和適當?shù)幕焐惴?5可在任意稍后時刻使用該起點產(chǎn)生所需的顏色匹配。
本發(fā)明的處理涉及借助圖4的處理，把具體的光輸出描述內(nèi)部保存到LED光引擎組件中，所述光輸出描述隨后被用于定制的顏色表現(xiàn)。隨后，在LED組件100的操作中，在圖6的補償光處理的處理21、22和23中取回保存的值。這樣，使補償算法24和混色算法25能夠采用顯示顏色的精確基準。圖4的處理S113、S115和S117產(chǎn)生全紅、全綠和全藍的CIE坐標，圖6的處理21、22和23利用全紅、全綠和全藍的CIE坐標。
分配的用于保存初始光學性能信息的存儲器109可以是專用的單一組件。另一方面，該信息可以和其它系統(tǒng)信息結(jié)合，并添加到已存在于系統(tǒng)中的存儲部件中。例如，保存的本發(fā)明的制造過程的輸出可被增加到控制系統(tǒng)的固件中，并保存在和所述固件相同的物理裝置上。
利用CIE色坐標系能夠傳送圖4的處理中的顏色規(guī)范。還存在也可用于量化光源的與設備無關的其它通用色坐標系。實驗室模型(Lab Model)使用明度(L)，沿著綠到紅光譜的(a)坐標，以及沿著藍到黃光譜的(b)坐標。Munsell色系使用三個坐標色調(diào)(H)、值(V)和色度(C)。本發(fā)明并不排斥任何這些通用色坐標系的使用，不過CIE系統(tǒng)被認為在傳遞精確顏色方面最有效。
如果使用另一種坐標系，那么測量并且保存的值不會正好是下面列舉的變量 概念上，它們應是描述在新的坐標系中的顏色的類似值。例如，對于實驗室模型來說，它們很可能是 對于Munsell系統(tǒng)，它們可能是 基于紅、綠和藍三種顏色的不同色坐標系有許多。標準的RGB色空間的例子包括ISO RGB、sRGB、ROMM RGB、Adobe RGB、Apple RGB和視頻RGB空間(NTSC、EBU、ITU-R BT.709)。不過這些標準都不是通用標準，由于不同應用(掃描儀、數(shù)字照相機、監(jiān)視器、打印機)的需求不同，因此可能根本不存在通用的RGB標準。還存在基于青色、洋紅色、黃色和黑色的比例的CMYK顏色標準。和RGB標準一樣，CMYK標準也存在缺乏通用性的問題。任意這些標準都可用于本發(fā)明的顏色描述，不過由于CIE色坐標系被更普遍地認可，因此CIE色坐標系可能是優(yōu)選實現(xiàn)。
上面關于圖4說明的處理表示對具有多達三種顏色的系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，圖6b表示對具有多達四種顏色的應用。不要求系統(tǒng)只包括這些顏色，相反可以包含許多顏色。圖8中表示了可在本發(fā)明中進行的更廣義的處理，該處理實質(zhì)上獲得和圖4的處理相同的結(jié)果，不過該處理可應用于和在不同環(huán)境條件下所需一樣多的顏色。
圖8的更廣義的處理的目的和圖的處理相同。通過把LED光引擎組件100裝入測試系統(tǒng)40，步驟S131開始該廣義處理。步驟S132是用于跨越許多環(huán)境量化相關的基準光學性質(zhì)的“外環(huán)”迭代函數(shù)的起點。如果在上面的例子中，只有一種環(huán)境被基準化(baseline)，那么環(huán)境的數(shù)目為1，該迭代循環(huán)只執(zhí)行一次。環(huán)境可以是可控的，例如在濕熱試驗箱中，或者是不可控的，例如制造時的LED芯片溫度。相關的環(huán)境變化可以是溫度、濕度、系統(tǒng)“工作時間”、高度或者任何其它環(huán)境條件。步驟S133利用環(huán)境傳感器，比如溫度傳感器47量化相關的環(huán)境條件。步驟S134對每種基色開始另一“內(nèi)環(huán)”迭代函數(shù)。在具體的例子中，基色的數(shù)目為3或4(紅色、綠色、藍色和琥珀色(可選))，并且該迭代循環(huán)被執(zhí)行三次或四次。
步驟S135驅(qū)動單基色的所有LED。一般來說，都以100％的輸入電流驅(qū)動并測量所有LED。其它輸入值可以和在隨后執(zhí)行的算法中應用的線性、對數(shù)或者其它適當?shù)目s放比例一起使用。在步驟S316，關于正被測試的基色和環(huán)境條件的組合，測量和量化光輸出和正向電壓。步驟S137把步驟S136的測量值記錄到存儲器109。步驟S137的相對于存儲器的存儲可在進行每次測量之后進行，或者可在進行所有測量之后集體進行。步驟S138的“內(nèi)環(huán)”迭代函數(shù)對每種基色重復該處理。步驟S139的“外環(huán)”迭代函數(shù)對每種環(huán)境條件重復該處理。每種環(huán)境條件可以是，例如室溫值、高溫值和低溫值的溫度?！皟?nèi)環(huán)”和“外環(huán)”函數(shù)可以交換，只要所有基色和環(huán)境被量化。通過從測試系統(tǒng)40卸下LED光引擎組件，步驟S140結(jié)束該處理。在步驟S130結(jié)束時，內(nèi)部存儲器109現(xiàn)在包括特定的LED光引擎組件的基準光學性能。
通過把獨特的LED光引擎組件的基準光學性能包括在控制電子器件中，能夠在LED組件的光輸出的產(chǎn)生、工作和質(zhì)量方面獲得改進。參見圖7，每個LED光引擎組件在存儲器109中具有其安裝的LED 105在已知環(huán)境條件下的光學輸出的起點。在不存在由本發(fā)明的處理21、22和23產(chǎn)生的存儲值的情況下，對于補償算法24和混色算法25的起點來說，需要一個假定值，比如一組LED的平均光學輸出。由于下述原因，利用產(chǎn)生的一組存儲值的結(jié)果是極大改進的處理通過利用獨特LED組件的已知起點以及應用混色算法，能夠表現(xiàn)無窮數(shù)目的目標輸出顏色；由于混色算法從光學顏色性能的已知起點開始，因此表現(xiàn)顏色的精確性得到提高；由于能夠從已知起點應用對產(chǎn)品壽命期內(nèi)的強度退化的補償，因此目標顏色的可重復性得到改進；由于能夠從已知起點應用考慮到隨溫度的波長變化和強度變化的補償，因此顏色表現(xiàn)更加可重復；由于LED光引擎組件能夠執(zhí)行補償各個LED的制造變化的算法，因此能夠減少或者消除搭配或分類。
最終結(jié)果是一種能夠精確并且可重復地表現(xiàn)更多顏色，同時降低成本，改進可制造性的LED光引擎組件。
上面說明的本發(fā)明的實施例的特征目的在于制造一種LED組件，其中混色算法25的輸入利用輸入到補償算法24中的取回的存儲值21-23和26來預測輸出。
但是，在本發(fā)明的另一實施例中，混色算法25的輸入可來自不同的來源，并且在信號被輸入混色算法25之前，可經(jīng)過進一步的補償。
圖8B中表示了本發(fā)明的這樣的另一實施例。
在圖8B中，混色算法25能夠從不同的初始LED光譜響應選擇以及在不同補償選擇之后接收輸入信號。
如下面更詳細所述，LED光譜響應值是混色算法25的輸入信號的起點。圖6b中所示的實施例對應于在組件(圖7中表示成213)測量的LED光譜響應。即，在組件213測量的LED光譜響應對應于圖6b中的取回的存儲值21、22、23和26。如上所述，使用在組件的這種測量值要求預先測試組件中的LED，和保存LED的不同響應數(shù)據(jù)。不過當然也可實現(xiàn)較簡單的選擇。
在最簡單的處理中，可以利用來自供應商211的LED光譜數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)可以是來自LED制造商的分類數(shù)據(jù)。這當然是最簡單的選擇，因為它依賴于供應商提供相關數(shù)據(jù)。當然這種選擇可能也是最不可靠的，因為如上所述即使在分類處理中LED也存在差異。
另一種備選方案是提供以關于多個LED或者多組LED的實驗數(shù)據(jù)為基礎的平均LED光譜數(shù)據(jù)212。目前，LED技術不能產(chǎn)生可接受的平均數(shù)據(jù)的輸出，不過即使從任意一個LED到下一個LED的變化性可能相當大，隨著LED組的規(guī)模的增大，大型的LED組的變化性逐漸減小。隨著LED技術的改進以及使用更大的LED組，平均LED光譜輸入212可產(chǎn)生可接受的起始LED光譜響應。
在LED光譜響應之后，能夠使用不同的補償選擇。
最簡單的選擇是沒有任何補償221，在LED光引擎組件投入使用后不久，并且溫度接近于測試溫度時，這可能是適當?shù)?。測試溫度可以是供應商測試溫度、平均測試溫度，或者是組件測試溫度，取決于光譜輸入211、212和213的選擇。無補償221選擇是最簡單的，不過不會提供最高的性能水平。
另一種補償選擇是關于光譜值的時間補償222，以補償基于時間的退化影響。即，如同已知的那樣，LED隨著時間退化，并且這樣的時間退化一般是對數(shù)的，并且是可預測的。根據(jù)LED光引擎組件的強度退化和使用時間之間的數(shù)學關系，LED激勵可被轉(zhuǎn)換成當前時段的新的預測LED激勵。隨著時間的過去，光輸出的強度降低，第一年內(nèi)典型的LED退化為20％-30％，這大到足以有必要進行校正。時間補償選擇222不提供溫度補償。
另一種補償選擇是校正基于溫度的退化影響的溫度補償223。溫度對LED光輸出具有兩種不同的影響。第一種影響是對光輸出的影響，并且在感興趣的范圍中是一種二次關系。溫度是自變量。輸出強度是二次方程的因變量。二次方程的系數(shù)隨著不同的基色LED而變化，因為對于每種基色，半導體化合物不同。借助查尋表或者預先將其編程到電子器件中，可根據(jù)光譜響應的CIE坐標或者根據(jù)波長確定基色。二次方程的系數(shù)隨后可由半導體制造商或裝配商測量，并且在時間和溫度范圍內(nèi)是恒定的。結(jié)果是涉及在LED光引擎的溫度變化和輸出光強度的降低的算法。如果在室溫下，I被歸一化為1，并且溫度被表示成℃，那么InGaN LED裝置的范例方程為 I＝-0.000004T2-0.0029T+1.0477 溫度補償選擇223補償?shù)臏囟鹊牡诙N影響是對波長的影響。借助查尋表或者可將其編程到電子器件中，可根據(jù)波長或CIE坐標確定基色。溫升還增大峰值波長，并且增大波長響應的寬度。在感興趣的范圍內(nèi)，波長隨著溫升線性增大。對于每種基色來說，變化速率K近似恒定。
最后的一種補償選擇(它最復雜，但是提供質(zhì)量最高的結(jié)果)是關于上面說明的對輸出光強度的基于時間的退化以及溫度相關影響，校正光譜輸入的時間和溫度補償224。時間和溫度補償224選擇結(jié)合時間補償222選擇和溫度補償223選擇的效果。
補償選擇的輸出隨后被提供給混色算法25。這樣的選擇允許向混色算法25提供關于起點的LED激勵的最精確表現(xiàn)。利用時間和溫度補償224選擇將產(chǎn)生最精確的顯色，因為它將關于LED的光輸出中的基于時間的退化和溫度引起的變化進行校正。
本發(fā)明中的上述特征目的在于制造一種正確地輸出光的LED組件。本發(fā)明的另一特征是確保LED燈組件能夠始終如一地輸出所需的特定光顏色。在例如建筑、舞臺、劇場、現(xiàn)場表演和生產(chǎn)照明中，這樣的特征具有特殊的應用。在這樣的應用中，可能特別希望確保來自LED光源的光輸出是特定顏色的光輸出，并且保持該特定顏色。這樣的輸出特定顏色的光的概念常常被稱為顯色(color rendering)。
顯色是首先實現(xiàn)成紅、綠和藍(RGB)的加色處理的現(xiàn)代技術。早期顯色通過組合適量的紅、綠和藍來產(chǎn)生顏色，從而顯示電視圖像。RGB系既用于顏色的生成，又用于顏色的指定。這是一個重要的區(qū)別。RGB系通常用于產(chǎn)生顏色，不過它們也可被用于指定顏色。
主流的指定顏色的系統(tǒng)起源于RGB生成系統(tǒng)的使用。當以RGB的組合的形式產(chǎn)生顏色時，指定顏色的最簡單且最容易的方式是目標顏色中RGB的數(shù)量。缺乏實現(xiàn)的簡易性和響應速度的RGB規(guī)范系統(tǒng)起源于RGB生成系統(tǒng)。不過，RGB規(guī)范系統(tǒng)具有缺陷。
RGB實現(xiàn)具有有限范圍的顯示顏色。圖9表示CIE色度圖上的例證RGB顏色指定。所有CIE可指定的可視顏色由區(qū)域56代表。RGB規(guī)范局限于可表示成紅、綠和藍的組合的顏色。RGB可指定顏色示于三角形54中。許多顏色可由在三角形54內(nèi)的紅、綠和藍的總和表示，不過在該三角形外的許多顏色卻不能。這些顏色被表示在RGB可指定區(qū)域55外的周圍區(qū)域中。CIE可指定區(qū)域56是RGB可指定三角形54和RGB可指定三角形55外的區(qū)域55之和。折點是RGB顏色指定系統(tǒng)不能產(chǎn)生或指定區(qū)域55中的顏色的點。就RGB規(guī)范來說，好像區(qū)域55的顏色不存在一樣。
本發(fā)明的另一特征是實現(xiàn)一種允許指定CIE可指定區(qū)域56中的所有這些顏色的系統(tǒng)，如下進一步所述。
已為不同的應用提出了不同的RGB標準。RGB標準之間的主要差別是基色的定義。一個系統(tǒng)定義的紅色可能與另一系統(tǒng)的紅色有少許差別-對于綠色和藍色來說同樣如此。標準RGB色空間的例子包括ISO RGB、sRGB、ROMM RGB、Adobe RGB、Apple RGB和視頻RGB空間(NTSC、EBU、ITU-R BT.709)。由于不同應用(掃描儀、數(shù)字照相機、監(jiān)視器、打印機、電視機)的需求不同，因此不可能不存在通用的RGB標準。
圖10證明不同RGC顏色指定系統(tǒng)對顯色的影響。圖9的RGBGamut在圖10中被復制，并被假定為上面提及的任意一個RGB顏色指定系統(tǒng)。標記了RGB范圍在標準紅色1、標準綠色1和標準藍色1之間的RGB規(guī)范系統(tǒng)1。RGB范圍在標準紅色2、標準綠色2和標準藍色2之間的第二RGB規(guī)范系統(tǒng)2疊加在圖10上。
由于它們基于標準紅色、標準綠色和標準藍色，因此利用RGB規(guī)范的定制顏色指定實際上僅僅相當于標準顏色的定義。由RGB系統(tǒng)1指定為紅色20％，綠色80％和藍色0％的定制顏色圖形上被表示成46，并且位于互連標準綠色1和標準紅色1的直線的20％處。按照相同的方式利用RGB系統(tǒng)2指定為紅色20％，綠色80％和藍色0％的定制顏色圖形上被表示成47，并且位于互連標準綠色2和標準紅色2的直線的20％處。盡管按照相同的方式指定兩種顏色，不過由于不同的標準紅色、綠色和藍色的緣故，所得到的顏色46和47是可區(qū)分的。由RGB系統(tǒng)1指定的紅色33％，綠色33％和藍色33％的定制顏色明顯不同于由RGB系統(tǒng)2指定的紅色33％，綠色33％和藍色33％的定制顏色。如果陰極射線管(CRT)制造商使用RGB系統(tǒng)1，液晶顯示器(LCD)制造商使用RGB系統(tǒng)2，那么與LCD監(jiān)視器相比，(R 20，G80，B 0)將被不同地顯示在CRT監(jiān)視器上。目標顏色是不可重復的。圖10的結(jié)論是所得到的顏色輸出非常依賴于RGB標準，并且不一定可重復。
顯色裝置的工程化通常規(guī)定特定的RGB標準。例如，電視機用CRT和計算機監(jiān)視器用CRT使用分光鏡把白光分成其紅、綠和藍分量。分光鏡的物理學規(guī)定用于顏色生成的紅、綠和藍標準的CIE色坐標系定義。液晶顯示器(LCD)類似地把每個像素分成紅、綠和藍子像素。通過白光濾波產(chǎn)生RGB子像素。類似于CRT，關于LCD的濾波處理的設計和物理學規(guī)定用于顏色生成的RGB標準的選擇。分光鏡或濾波器的顯色裝置設計強制決定RGB標準。反過來，根據(jù)RGB標準輸出的呈現(xiàn)顏色依賴于裝置設計。
用于建筑、舞臺、劇場、現(xiàn)場表演和生產(chǎn)照明的最常見通信協(xié)議是DMX512。圖11中表示了DMX512的分組結(jié)構。該協(xié)議允許以250000比特/秒(bps)的速率傳送多達512個地址的8位(一字節(jié))信息。該分組還包括位于分組的起點的報頭信息，和尾部的檢查和信息。在DMX512的一種傳統(tǒng)實現(xiàn)中，每個光源需要幾個字節(jié)的信息來控制色輪位置，左右轉(zhuǎn)動(pan)，俯仰轉(zhuǎn)動(tilt)，調(diào)光器或其它相關控制信息。
每個分組中的512個地址是固定的。例如，典型的照明系統(tǒng)可由幾個光源A、B、C等構成。512個可用地址中的第一個地址被定義為用于光源A的調(diào)光器的8位二進制控制。一旦進行了這種分配，那么對于以后傳送的每個分組，第一個地址位置將繼續(xù)用于光源A的調(diào)光器控制。同樣地，一旦被分配，對于每個分組來說，第二個地址必定是光源A的左右轉(zhuǎn)動控制。通過布線物理地導線連接地址位置，超出512個地址的增加需要更多線纜的成本和人工。
上面提及的通信協(xié)議供劇場照明系統(tǒng)使用，所述劇場照明系統(tǒng)的燈的數(shù)目有限，每個燈具有色輪，調(diào)光器，可能還具有左右轉(zhuǎn)動或俯仰轉(zhuǎn)動能力。目前存在DMX512的擴展，它以每種顏色輸入-紅、綠和藍的8位控制利用DMX512。為了傳送定制顏色定義，顏色被分成其組分-紅色分量、綠色分量和藍色分量。以0-255的尺度定義每種分量，0表示不存在該顏色的貢獻，255表示該顏色的最大(100％)貢獻。在傳輸之后，接收硬件合計紅、綠和藍分量，從而為用戶呈現(xiàn)定制顏色。
DMX512協(xié)議的RGB實現(xiàn)的困難之一是標準RGB色空間的定義。就RGB色坐標系的使用來說，在來自不同制造商的照明控制臺向來自其它制造商的固定設備傳送顏色指定的情況下，通信出錯的可能性極大。為了產(chǎn)生精確的顯色，發(fā)送硬件和接收硬件都必須以相同的RGB標準進行通信。由于存在如此眾多的RGB標準，因此這是一項難以完成的任務。
對與LED光源的通信來說，關于DMX512的RGB實現(xiàn)的使用并不理想，因為對于每個LED光源來說，它最少需要三個字節(jié)的信息。另外對于每個RGB還需要一個字節(jié)的控制信息。于是，每個光源消耗可用的512個地址中的至少三個字節(jié)，從而推斷DMX512協(xié)議的RGB實現(xiàn)最多允許與170個LED光源(512/3＝170)通信。
本發(fā)明的另一特征是一種能夠為LED光引擎組件傳送精確的顏色指定和控制信息的通信協(xié)議。所述顏色指定能夠指定任何可視顏色，并不局限于為紅、綠和藍分量的集合的那些顏色。顏色指定是可重復的，并且與設備無關?？赏ㄟ^現(xiàn)有的計算機或電信網(wǎng)絡，實時地動態(tài)傳遞顏色指定數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，LED光引擎組件都包含一個唯一的地址，以及呈現(xiàn)指定顏色的硬件和軟件。
計算機或電信網(wǎng)絡一般不向LED光引擎組件傳送光控制信息。這樣做的一些早期嘗試不太成功，本發(fā)明人認為他們的第一個失敗原因是利用紅、綠和藍分量的疊加的顏色指定來定義顏色。如上所述，RGB顏色指定不是標準化的、可重復的，或者與設備無關的。另外，RGB顏色指定不能處理所有的可視顏色。本發(fā)明人認為早期嘗試的第二個失敗原因是受限的DMX512照明協(xié)議到計算機網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)移，而不是使目前的計算機網(wǎng)絡協(xié)議適應LED光引擎組件。
在另一特征中，本發(fā)明提出一種用于把精確的顏色指定傳給LED光引擎組件的協(xié)議。每個組件包含唯一的地址或名稱，以致它能夠區(qū)分供它自己之用的顏色規(guī)范與供照明系統(tǒng)中的其它LED光引擎組件之用的顏色規(guī)范。人眼可見的所有顏色都可用該顏色規(guī)范來指定。這與目前的只使用紅色、綠色和藍色的疊加，并且只包含紅色分量的256種選擇，綠色分量的256種選擇和藍色分量的256種選擇的系統(tǒng)相反。光規(guī)范在現(xiàn)有計算機和電信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)部分中傳送，并實時地動態(tài)傳給LED光引擎組件。
現(xiàn)在說明第一種實現(xiàn)的具體細節(jié)。本發(fā)明并不局限于這種實現(xiàn)，相反，第一種實現(xiàn)的細節(jié)增進本發(fā)明的進一步了解。
第一種實現(xiàn)利用傳輸速度為10Mbps的以太網(wǎng)通信協(xié)議，或者傳輸速度為100Mbps的快速以太網(wǎng)通信協(xié)議-為DMX512的速度的40或400倍。如圖12中所示，這種實現(xiàn)在以太網(wǎng)上傳播。標記為A-H的許多LED光引擎組件與現(xiàn)有的布局或網(wǎng)絡77連接，許多計算機或工作站11也能夠與網(wǎng)絡77連接。照明控制臺78也連接到網(wǎng)絡77上。照明控制臺78可以類似于DMX512的控制臺，一種用于照明控制的專用計算機，或者具有LED燈專用控制硬件和軟件的現(xiàn)有計算機。所述布局或網(wǎng)絡77可以是如圖12中所示的總線布局，集中星型(星型)布局，無線系統(tǒng)，或者其它可接受的網(wǎng)絡布局。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信速率的增大能夠在本發(fā)明的這種實現(xiàn)中提供優(yōu)點。
由于計算機、因特網(wǎng)、蜂窩電話網(wǎng)絡和有線及無線連通在當今社會中的普遍使用，LED光引擎組件相對于與網(wǎng)絡77類似的任何網(wǎng)絡布局的加入和互連也是有益的。第一種實現(xiàn)的協(xié)議是基于以太網(wǎng)的協(xié)議，計劃在以太網(wǎng)連通系統(tǒng)上工作。從而，利用本發(fā)明的體系結(jié)構的照明系統(tǒng)能夠容易地加入具有現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎結(jié)構的任何設施(即，辦公樓、會議中心、夜總會、劇場、住宅等)中。
本發(fā)明的第一實現(xiàn)中的顏色規(guī)范最好利用CIE色坐標系的(x，y，Y′)坐標，從而利用通用的色坐標系，而不是任意上述RGB標準來傳送?？梢允褂谜彰饕?guī)范數(shù)據(jù)的整數(shù)或浮點表示法?？梢赃x擇使用16位的整數(shù)表示法。浮點表示法需要至少32位，與整數(shù)算術相比，成本更高，效率較低。通過在來源和目的地恰當?shù)匕幢壤s放，數(shù)值可被轉(zhuǎn)換成整數(shù)。
存在其它獨立于設備，并且也可被用于描述光輸出的通用色坐標系。實驗室模型使用明度，沿著綠到紅光譜的“a”坐標和沿著藍到黃光譜的“b”坐標。Munsell色系使用色調(diào)、值和色度這三個坐標。任意上述RGB標準或CMYK標準(青、洋紅、黃或黑)也可傳遞目標光輸出，不過RGB和CMYK系統(tǒng)缺乏通用性并且依賴于設備，從而損害了光輸出的質(zhì)量。本發(fā)明并不局限于特定色坐標系的使用，不過CIE系統(tǒng)可能是最有效的。
現(xiàn)有技術的LED光引擎組件并不包含內(nèi)部地址。為了實現(xiàn)任意通信方案，每個LED光引擎組件必須包含可關于每個組件配置的一個電子地址。圖13中表示了這樣的實現(xiàn)，其中為本發(fā)明的該實施例增加一個電子地址20。這樣，網(wǎng)絡77上的每個組件10具有唯一的地址。地址20是當傳遞指示時，照明控制臺78訪問LED光引擎10的個體的方式。
圖13表示包括可配置的地址20的LED組件10。另外，如圖13中用虛線所示，LED組件還可包括存儲器109，比如圖7的實施例中的存儲器109。即，LED組件10不一定需要存儲如上所述的預先測量數(shù)據(jù)的存儲器109，不過可以增加這樣的存儲器109，以獲得本說明書中上面關于圖1-8說明的實施例的所有好處。
就DMX512來說，最多存在512個地址，并且從一個分組到下一個分組，地址位置不能被互換。利用DMX512與另外的地址位置通信需要增加額外的布線?？扇〉氖?，本發(fā)明能夠使用類似以太網(wǎng)的規(guī)范向LED光引擎組件10廣播顏色規(guī)范。
圖14詳細說明了在圖12的網(wǎng)絡布局或者某一類似的網(wǎng)絡布局上傳送的以太網(wǎng)幀的結(jié)構。存在幾種不同版本的以太網(wǎng)，包括以太網(wǎng)802.3，以太網(wǎng)II，以太網(wǎng)802.2和以太網(wǎng)SNAP，不過幀內(nèi)容是相似的。64位的前同頻碼字段101表示幀的起點，并且使幀與網(wǎng)絡同步。48位的目的地地址字段91識別數(shù)據(jù)幀的接收者。48位的源地址字段103識別數(shù)據(jù)幀的發(fā)送者。一些以太網(wǎng)版本使用16位的字段104來指定類型字段，其它一些以太網(wǎng)版本使用16位的字段104來指定長度字段。類型字段描述接下來的特定于設備的數(shù)據(jù)。長度字段量化數(shù)據(jù)的大小。數(shù)據(jù)字段92包含將從源傳送給目的地的信息，可在46-1500字節(jié)之間。32位的幀校驗序列106核實數(shù)據(jù)，并且允許接收者檢查傳輸中數(shù)據(jù)損壞的可能性。
生成光的一種實現(xiàn)是使用如上所述的以太網(wǎng)幀-每一幀包含前同步碼，目的地地址，源地址，類型或長度控制，數(shù)據(jù)和幀校驗序列。每個分組中的最小數(shù)據(jù)量為46字節(jié)的信息。每個LED光引擎組件10是一個目的地，包含可配置的目的地地址20。每個LED組件10的光輸出由傳送顏色規(guī)范的照明控制臺78控制。但是，為固定光源傳送的數(shù)據(jù)一般只為6個字節(jié)-每兩個字節(jié)(16位)分別用于(x，y，Y′)CIE坐標。一直到總共46個字節(jié)的其它字節(jié)必須用0填充。這種情況下，應存在6個字節(jié)的信息和填充的40字節(jié)的0；其效率的低下是顯而易見的。
可在本發(fā)明中實現(xiàn)的一種改進修改供大量的目的地和將發(fā)給每個目的地的少量數(shù)據(jù)使用的以太網(wǎng)幀。本發(fā)明的改進幀的各個片段的細節(jié)如下所示 (1)前同步碼和在以太網(wǎng)規(guī)范中定義的一樣； (2)目的地地址指示應被所有光引擎讀取的廣播消息的二進制序列； (3)源地址產(chǎn)生該幀的源的二進制位置； (4)類型或長度和在以太網(wǎng)規(guī)范中定義的一樣； (5)數(shù)據(jù)發(fā)給許多不同的目的地的46-1500字節(jié)的信息；該數(shù)據(jù)應包括目的地地址以及關于該目的地的控制信息，下面進一步詳細說明；和 (6)幀校驗序列和在以太網(wǎng)規(guī)范中定義的一樣。
用于本發(fā)明中的這種實現(xiàn)的通信幀的例子可如下所示。首先，假定存在大型辦公樓中的由光源A、B和C等組成的建筑照明系統(tǒng)，并且所有光源都是固定的-即，它們不能沿軌道來回移動，左右轉(zhuǎn)動或俯仰轉(zhuǎn)動。在這種應用中，能夠?qū)崿F(xiàn)利用如圖15中描述的單個信息分組100的系統(tǒng)。光控制信息的目的地地址111被嵌入數(shù)據(jù)塊105的主體內(nèi)。用來包含目的地地址111的字段還包含指示正在廣播照明規(guī)范的二進制數(shù)據(jù)。廣播分組的指示符用信號通知光源讀取和評估整個傳送的幀，因為數(shù)據(jù)字段包含照明控制信息。用于固定的燈固定設備的類似以太網(wǎng)的協(xié)議的數(shù)據(jù)字段92包含光數(shù)據(jù)組105中的數(shù)據(jù)，包括 顯示指定顏色的光源的目的地地址字段111； 光規(guī)范的CIE x坐標字段112； 光規(guī)范的CIE y坐標字段113； 光規(guī)范的CIE Y′坐標字段114； 數(shù)字字段92包含給網(wǎng)絡77上的每個目的地的這種信息，如圖15中所示。
如果每一幀能夠包含1500字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且尋址每個光源需要8個字節(jié)，那么每一幀能夠用精確、獨立于設備并且通用的顏色規(guī)范指定多達187個光源(1500除以8)。下一幀能夠精確地控制相同的187個目的地，全新的一組187個目的地或者它們的一些組合。于是，本發(fā)明的協(xié)議允許大量的目的地地址分別接收少量的數(shù)據(jù)。這解決了直接以太網(wǎng)連接的一個缺點。通過用每個連續(xù)的幀尋址不同的目的地，本發(fā)明的協(xié)議系統(tǒng)能夠?qū)ぶ窋?shù)目無限的位置。也解決了DMX512的不能以有限(65536種變化)顏色規(guī)范尋址超過170個位置的問題。
還可關于運動光源，即能夠來回移動、左右轉(zhuǎn)動或俯仰轉(zhuǎn)動的光源進一步一般化該協(xié)議。圖16表示了用于運動光源的一個例證幀。該幀和圖15的幀類似，從而許多特征被同樣命名和編號。圖16增加了配置字段121，左右轉(zhuǎn)動字段122和俯仰轉(zhuǎn)動字段123。配置字段121是定義數(shù)據(jù)字段中的信息的格式的二進制數(shù)，左右轉(zhuǎn)動字段122指示光源的左右轉(zhuǎn)動，俯仰轉(zhuǎn)動字段123指示光源的俯仰轉(zhuǎn)動。由于只需要指定光的顏色，因此固定光的系統(tǒng)相對易于控制。由于除了利用(x，y，Y′)控制目標顏色規(guī)范之外，一些光引擎可能還需要控制左右轉(zhuǎn)動，因此運動系統(tǒng)更復雜。在其它情況下，只有俯仰轉(zhuǎn)動控制被增加到目標顏色規(guī)范中?；蛘咴谝恍┣闆r下，需要控制左右轉(zhuǎn)動、俯仰轉(zhuǎn)動和位置，但是可能不需要目標顏色規(guī)范。于是，配置字段121傳遞幀的數(shù)據(jù)字段中的信息的格式。配置字段121、左右轉(zhuǎn)動字段122和俯仰轉(zhuǎn)動字段123可位于數(shù)據(jù)塊105內(nèi)，如圖15中所示，或者包含在類型/長度字段104或者幀中的其它地方中。
在網(wǎng)絡77內(nèi)，所有的光規(guī)范不可能作為CIE坐標(x，y，Y′)到達LED光引擎組件10。為此，在本發(fā)明中，在網(wǎng)絡上的任何光源10中可利用如下所示的變換算法。該變換算法可把(Rt，Gt，Bt)格式的目標RGB規(guī)范變換成CIE坐標(xt，yt，Yt′)。該處理涉及做出關于標準紅色51、標準綠色52和標準藍色53或者目標輸出的一些假設。必須出現(xiàn)這些值的假設的事實是把顏色指定為RGB的固有缺點。
該變換算法計算RGB色空間的中心的理論白色點，隨后利用該白色點來計算變換矩陣的比例因子(Sr，Sg，Sb)。變換矩陣[M]被用于進行從目標顏色的(Rt，Gt，Bt)到目標顏色的三色值(Xt，Yt，Zt)的變換。通過使用定義方程136把三色值(Xt，Yt，Zt)轉(zhuǎn)換成目標顏色的坐標(xt，yt，Yt′)，算法130結(jié)束。整個算法的更多細節(jié)如下所示。
該變換算法從在RGB規(guī)范系統(tǒng)中指定的目標顏色定義開始 給定(Rt，Gt，Bt) (131) 該算法還需要RGB顏色規(guī)范的紅色、綠色和藍色的CIE色度坐標(x，y，Y′)。如果RGB顏色規(guī)范系統(tǒng)未知，那么不得不假定CIE值。
給定或假定(xr，yr，Y′r)，(xg，yg，Y′g)，(xb，yb，Y′b) (132) 由于定義方程的緣故，對于任意顏色，不必給出z。
x+y+z＝1 (133) z＝1-x-y 計算RGB標準紅色、綠色和藍色的輸出強度和y坐標之間的關系的線性比例常數(shù)(加權因子)。
mr＝(Y′r/yr) mg＝(Y′g/yg) (134) mb＝(Y′b/yb) 比例常數(shù)被用于計算RGB標準紅色、綠色和藍色的組合-理論上純白色的CIE坐標。
(135) Y′w＝Y(jié)′r+Y′g+Y′b CIE坐標被轉(zhuǎn)換成三色值，三色值只是一個用于描述顏色的不同坐標系。這兩個坐標系之間的關系由下面的方程定義。
Y＝Y(jié)′ x＝X/(X+Y+Z) y＝Y(jié)/(X+Y+Z) z＝Z/(X+Y+Z) (136) 根據(jù)上面的方程31和34能夠很快導出下面的一般方程。
(137) 這些一般方程可被用于產(chǎn)生RGB顏色規(guī)范標準紅色、綠色和藍色以及所得到的白色的三色值X，Y，Z的方程。
Yr＝Y(jié)′r Yg＝Y(jié)′g(138) Yb＝Y(jié)′b Yw＝Y(jié)′w 根據(jù)下面的方程，利用紅色、綠色和藍色標準以及計算的白色的三色值，計算比例因子(Sr，Sg，Sb)。
這得到下面的變換矩陣。
目標顏色規(guī)范的三色值為(Xt，Yt，Zt) [Xt Yt Zt]＝[Rt Gt Bt][M](141) 三色值(Xt，Yt，Zt)隨后可由定義方程(136)變換成CIE坐標。
(142) Y′t＝Y(jié)t 該算法的結(jié)束允許當指定[Rt，Gt，Bt]時CIE坐標(xt，yt，Yt′)的使用。
總之，與DMX512和DMX512的變型相比，本發(fā)明的這一特征具有許多優(yōu)點。以大量的變化定義顏色規(guī)范。采用了與RGB顏色標準的含糊性相對的CIE顏色規(guī)范標準的明確性。CIE規(guī)范的明確性的原因在于它與呈現(xiàn)設備無關，可重復并且能夠指定所有顏色。在以RGB格式接收顏色規(guī)范的情況下，從RGB到CIE的變換算法是通信協(xié)議的一個重要特征。與借助每條物理線纜只能尋址170個目的地的DMX512的RGB實現(xiàn)相反，借助這里說明的協(xié)議幾乎能夠?qū)ぶ窋?shù)目無限的目的地。與DMX512的250Kbps速度相反，本發(fā)明能夠使用速度在Mbps范圍或者更高的高速計算機和電信網(wǎng)絡。最后，對于式樣翻新和新安裝來說，現(xiàn)有網(wǎng)絡的物理硬件使系統(tǒng)費效比高。
顯然，鑒于上面的教導，本發(fā)明的各種另外的修改和變化是可能的。于是在附加權利要求的范圍內(nèi)，能夠以不同于這里具體說明的其它方式實踐本發(fā)明。
權利要求
1、一種系統(tǒng)，包括
(a)網(wǎng)絡；
(b)與所述網(wǎng)絡連接的多個發(fā)光二極管(LED)組件，每個組件包括唯一地址；和
(c)與所述網(wǎng)絡連接、并被配置成單獨地向LED組件發(fā)送光控制信號的控制單元，所述光控制信號包括通用色坐標系中的顏色信息。
2、按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述通用色坐標系是CIE色坐標系。
3、按照權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)絡利用基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議。
4、按照權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)絡利用基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議。
5、按照權利要求3所述的系統(tǒng)，其中在以太網(wǎng)幀中提供所述光控制信號，在數(shù)據(jù)字段中，所述以太網(wǎng)幀包括指示LED組件之一的目的地地址和CIE色坐標信息。
6、按照權利要求5所述的系統(tǒng)，其中在數(shù)據(jù)字段中，所述以太網(wǎng)幀還包括指示的LED組件之一的至少一個配置信息、左右轉(zhuǎn)動信息和俯仰轉(zhuǎn)動信息。
7、按照權利要求4所述的系統(tǒng)，其中在以太網(wǎng)幀中提供所述光控制信號，所述以太網(wǎng)幀在數(shù)據(jù)字段中包括指示LED組件之一的目的地地址和CIE色坐標信息。
8、按照權利要求7所述的系統(tǒng)，其中在數(shù)據(jù)字段中，所述以太網(wǎng)幀還包括指示的LED組件之一的至少一個配置信息、左右轉(zhuǎn)動信息和俯仰轉(zhuǎn)動信息。
9、一種系統(tǒng)，包括
(a)網(wǎng)絡；
(b)與所述網(wǎng)絡連接的多個發(fā)光二極管(LED)組件，每個組件包括唯一地址；和
(c)與所述網(wǎng)絡連接、用于單獨地向LED組件發(fā)送光控制信號的裝置，所述光控制信號包括通用色坐標系中的顏色信息。
10、按照權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述通用色坐標系是CIE色坐標系。
11、按照權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)絡利用基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議。
12、按照權利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)絡利用基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議。
13、按照權利要求11所述的系統(tǒng)，其中在以太網(wǎng)幀中提供所述光控制信號，所述以太網(wǎng)幀在數(shù)據(jù)字段中包括指示LED組件之一的目的地地址和CIE色坐標信息。
14、按照權利要求13所述的系統(tǒng)，其中在數(shù)據(jù)字段中，所述以太網(wǎng)幀還包括指示的LED組件之一的至少一個配置信息、左右轉(zhuǎn)動信息和俯仰轉(zhuǎn)動信息。
15、按照權利要求12所述的系統(tǒng)，其中在以太網(wǎng)幀中提供所述光控制信號，所述以太網(wǎng)幀在數(shù)據(jù)字段中包括指示LED組件之一的目的地地址和CIE色坐標信息。
16、按照權利要求15所述的系統(tǒng)，其中在數(shù)據(jù)字段中，所述以太網(wǎng)幀還包括指示的LED組件之一的至少一個配置信息、左右轉(zhuǎn)動信息和俯仰轉(zhuǎn)動信息。
全文摘要
一種包括LED組件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠有效并且始終如一地提供所需的顏色輸出。所述系統(tǒng)包括一個網(wǎng)絡和與該網(wǎng)絡連接的多個發(fā)光二極管(LED)組件。每個LED組件包括唯一的地址。此外，一個控制單元與所述網(wǎng)絡連接，并被配置成單獨地向LED組件發(fā)送光控制信號。光控制信號包括通用色坐標系中的顏色信息。通用色坐標系可以是CIE色坐標系，所述網(wǎng)絡能夠利用基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議。
文檔編號G08B9/00GK101310236SQ200680018533
公開日2008年11月19日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2005年4月7日
發(fā)明者加勒特·楊, 大衛(wèi)·維莫爾 申請人:迪亞光公司