專利名稱：對于基于發(fā)光二極管的發(fā)光設(shè)備的彩色控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彩色混合系統(tǒng)，更具體地涉及用于提供想要的彩色的RGB發(fā)光二極管控制器。
傳統(tǒng)的彩色控制系統(tǒng)采用反饋控制設(shè)備來保持例如由RGB，LED光源發(fā)出的想要的彩色。然而，已經(jīng)知道，對于小的彩色差別的視覺敏感性是在確定彩色控制系統(tǒng)的精度時的一個考慮因素。
傳統(tǒng)上，為了控制和保持想要的光的彩色和強(qiáng)度，要利用彩色空間圖，以及按照彩色空間圖代表的數(shù)值對各種基色光源，諸如紅色、綠色和藍(lán)色進(jìn)行控制。
一個示例的彩色空間是RGB空間，它由其分量是紅色、綠色和藍(lán)色強(qiáng)度的三維空間，連同由它們組成給定彩色的光譜來表示。例如，掃描儀讀出從圖象反射的紅、綠和藍(lán)光的量，并把這些量變換成數(shù)字值。顯示器接收數(shù)字值，并把它們變換成在屏幕上看見的紅、綠和藍(lán)光?；赗GB的彩色空間是在計算機(jī)圖形學(xué)中最通常使用的彩色空間，主要因為它們被許多彩色顯示器和掃描儀支持。然而，使用RGB彩色空間的缺點在于，它是設(shè)備相關(guān)的和疊加的(additive)。
某些彩色空間可以以設(shè)備無關(guān)的方式表示彩色。雖然RGB彩色隨顯示器和掃描儀特性而變化，設(shè)備無關(guān)的彩色是指由人的眼睛感知的彩色的真實代表。這些彩色代表，被稱為設(shè)備無關(guān)的彩色空間，來自由Commission Internationale d’Eclairage(國際照明委員會)(CIE)在1931年進(jìn)行的工作，為此，它們也被稱為基于CIE的彩色空間。
CIE創(chuàng)建一組彩色空間，它根據(jù)人的感覺規(guī)定彩色。它然后開發(fā)了得到彩色的三個假想的主要組成成份(X，Y和Z)的算法，這些成份可以以不同的水平被組合，產(chǎn)生人的眼睛可以感知的所有的彩色。最后得到的彩色模型CIE和其他的CIE彩色模型形成用于所有的彩色管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。雖然RGB和CMYK值是隨設(shè)備而不同的，但在不同的設(shè)備上人對于彩色的感覺保持一致。彩色可以在基于CIE的彩色空間中以獨立于任何特定的顯示或重現(xiàn)設(shè)備的特性的方式被規(guī)定。這個標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是對給定的基于CIE的彩色技術(shù)規(guī)范在不同的設(shè)備上在每種設(shè)備的限制范圍內(nèi)產(chǎn)生一致的結(jié)果。
有幾種基于CIE的彩色空間，諸如xyL，uvL，u*v*1，a*b*1等等，但它們都是從基本的XYZ空間派生的。XYZ空間允許彩色被表示為三個三色值(tristimulus values)X，Y，和Z的混合。術(shù)語“三色”來自于這樣的事實彩色感覺是由于眼睛的視網(wǎng)膜響應(yīng)于三種刺激的結(jié)果。在實驗后，CIE建立假設(shè)的基色組，X，Y，Z，它們相應(yīng)于眼睛的視網(wǎng)膜行為的方式。
CIE這樣規(guī)定基色，以使所有的可見光被映射為X，Y，和Z的確定的混合，并使Y近似與彩色的視在亮度相關(guān)。通常，用來描述彩色的X，Y，和Z分量的混合被表示為范圍從0％直到在某些情形下剛好超過100％的百分?jǐn)?shù)?；赬YZ空間的其他與設(shè)備無關(guān)的彩色空間主要用來把彩色的某些特定方面或某些感知的彩色差別與XYZ值相聯(lián)系。


圖1是由CIE(Commission Internationale d’Eclairage)定義的色度圖?；旧希瑘D1的CIE色度圖顯示有關(guān)參考彩色刺激的標(biāo)準(zhǔn)組和它們的三色值的標(biāo)準(zhǔn)組的信息。典型地，參考彩色刺激對于紅色刺激(R)的波長是700nm、對于綠色刺激(G)的波長是546.1nm、對于藍(lán)色刺激(B)的波長是435.8nm的輻射。沿曲線60的不同的彩色點可被組合成在點62處表示的白色光。色度圖只顯示三色值的比例；因此，具有相同的比例的、明亮的和暗的彩色屬于同一個點。
如前所述，用來控制RGB光源的XYZ空間的一個缺點在于，在被配置來控制想要的彩色點，例如Xw，Yw，Zw，的系統(tǒng)中，與這個想要的彩色點的偏移可能具有不同的視覺影響，這取決于偏移的方向。也就是，對于彩色點位置中相同的誤差量其感知的彩色差別將是不同的，這取決于具有誤差的彩色點在色度圖上相對于想要的彩色點位置所處的位置。
所以，即使利用具有非常小的誤差控制方案的系統(tǒng)，對于某些誤差感覺的彩色差別仍舊可能很大，而對于其他彩色點誤差，感覺的彩色差別可能非常小。這樣，反饋系統(tǒng)或者過補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償彩色點誤差。
因此，需要一種采用反饋控制安排的RGB LED控制器系統(tǒng)，這種反饋控制基本上校正所有的彩色點誤差而在視覺上沒有彩色改變的感覺。
按照本發(fā)明的一個實施例，一種用于通過紅、綠、和藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)生成想要的光的控制系統(tǒng)，包括傳感器，它響應(yīng)于由LED輸出的光以測量生成的光的彩色坐標(biāo)，其中彩色坐標(biāo)是在XYZ彩色空間中定義的。變換模塊被耦合到傳感器，以按照Farnsworth變換把生成的光的坐標(biāo)變換到第二彩色空間，諸如x’，y’彩色空間。參考模塊用來提供相應(yīng)于想要的光的參考彩色坐標(biāo)，其中參考彩色坐標(biāo)是在第二彩色空間中表示的。誤差模塊被耦合到變換模塊和參考模塊，以及用來生成相應(yīng)于在想要的白色光彩色坐標(biāo)與生成的白色光彩色坐標(biāo)之間的差值的誤差彩色坐標(biāo)。驅(qū)動器模塊被耦合到誤差模塊，以及用來生成用于驅(qū)動LED的驅(qū)動信號。
圖1顯示按照本發(fā)明的一個實施例的彩色空間圖。
圖2是按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖3(a)-3(c)顯示按照本發(fā)明的另一個實施例所采用的各種三色濾色器。
圖4(a)-4(b)顯示結(jié)合圖3所示的三色濾色器所用的圖。
圖5是顯示多個MacAdam橢圓的彩色空間的圖，在其中彩色在沒有很大的改變下被感知。
圖6顯示說明按照本發(fā)明的一個實施例的多個圓形誤差區(qū)域的彩色空間的圖。
圖2顯示按照本發(fā)明的一個實施例的控制系統(tǒng)10，用于控制由RGBLED發(fā)光模塊22生成的光。更具體地，按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，控制系統(tǒng)10被利用來控制LED生成具有參考色度坐標(biāo)值Xref，Yref和Zref的、想要的光。
圖2包括緩存器14，用來存儲具有X，Y，Z格式的、想要的光的想要的色度坐標(biāo)值。
緩存器14被耦合到x’L’y’變換模塊30。變換模塊30首先把X，Y，Z彩色空間變換成IEC1931色度坐標(biāo)(x，y)。按照本發(fā)明的一個實施例，按照IEC1931色度坐標(biāo)x，y規(guī)定的彩色空間圖被顯示于圖5。如圖所示，色度圖內(nèi)每個想要的彩色點被相應(yīng)的橢圓包圍。應(yīng)當(dāng)指出，在每個橢圓內(nèi)任何彩色偏離不會造成重大的可感覺的彩色改變。
這些橢圓也稱為MacAdam橢圓，正如在G.Wyszecki和W.S.Stiles，“Color Scienceconcept and methods，quantitativedata and formulae(彩色科學(xué)概念和方法，定量數(shù)據(jù)和公式)”，p.308(2nd Ed.John Wiley & Sons，1982)中更詳細(xì)地說明的，該參考書在此引用，以供參考。還應(yīng)當(dāng)指出，畫出的橢圓的軸是它們的實際的長度的10倍。x，y變換被定義為x＝X/(X+Y+Z)，(1)和y＝Y(jié)/(X+Y+Z) (2)如圖5所示，這些所謂的MacAdam橢圓被畫在色度圖上不同的彩色點處。這些橢圓相應(yīng)于差別很小或差別很不明顯的彩色匹配的標(biāo)準(zhǔn)偏差。為了在幾乎全部彩色空間上有空間的均勻彩色度量，按照本發(fā)明的一個實施例的變換模塊30提供進(jìn)一步的非線性變換，把這些橢圓變換成圓。
一個這樣的從橢圓到圓的非線性變換的例子是具有x’，y’坐標(biāo)的Farnworth變換，如圖6所示，其中圖5的所有的那些橢圓被變換成具有幾乎相同的半徑的圓，正如在D.Farnsworth，“A temporal factorin colour discrimination(彩色鑒別時的時間因素)”，VisualProblems of Color，Vol.II，p.434(1957)，Nat.Phys.Lab.Symposium No.8，Her Majesty’s Stationery Office，London(1958)中更詳細(xì)地說明的，該論文在此引用，以供參考。因此，變換模塊30的第二變換步驟被定義為x’＝fx(x，y) (3)，和y’＝fy(x，y) (4)按照本發(fā)明的一個實施例，在公式(3)和(4)中定義的變換的一個例子被規(guī)定為x′=a11x+a12y+a13b1x+b2x+b3---(5)]]>y′=a21x+a22y+a23b1x+b2x+b3---(6)]]>
其中系數(shù)a11，a12，a13，a21，a22，a23，b1，b2，b3都是(x，y)坐標(biāo)系統(tǒng)的空間函數(shù)。因此，取決于想要的彩色點x，y，這些系數(shù)必須隨之被調(diào)整。
應(yīng)當(dāng)指出，圖2的變換模塊30采用硬件或軟件安排，或它們的組合。而且，在本文中，本發(fā)明打算采用硬件或軟件部件，或它們的組合，用于系統(tǒng)10的每個模塊。
繼續(xù)參考圖2，緩存器14中存儲的坐標(biāo)相應(yīng)于彩色空間，代表相對于想要的彩色點的彩色，用XYZ空間表示，并如上所述，被變換模塊30變換成新的坐標(biāo)，被稱為x’ref，L’ref和y’ref。
緩存器14經(jīng)過變換模塊30被耦合到反饋加法器16，它用來根據(jù)想要的彩色坐標(biāo)值和由控制系統(tǒng)10生成的彩色坐標(biāo)值而提供誤差信號Δx’，ΔL’和Δy’。
反饋加法器16的輸出端口被耦合到控制器18，它用來提供相應(yīng)于彩色空間誤差信號的控制電壓信號。按照本發(fā)明的一個實施例，控制器18用來根據(jù)由反饋加法器16提供的誤差信號生成用于驅(qū)動LED的控制電壓源vR，vG，vB。
控制器18的輸出端口被耦合到電源和RGB驅(qū)動器單元20的輸入控制端口。電源單元20生成適當(dāng)?shù)那跋螂娏餍盘栯娖絠R，iG，iB給每個RGB LED，以使LED生成相應(yīng)的光，用于產(chǎn)生想要的白色光。
電源單元20的輸出端口被耦合到RGB白色LED發(fā)光模塊22的輸入端口。在發(fā)光模塊22內(nèi)的多個紅、綠、和藍(lán)色LED用來接收它們的相應(yīng)的前向驅(qū)動電流信號，以便生成相應(yīng)的彩色光。發(fā)光模塊22根據(jù)提供給LED的電流提供以流明計的紅、綠、和藍(lán)色光。
由發(fā)光體22生成的光被三色濾色器24測量。濾色器24被放置在發(fā)光體22的前面，以便測量所生成的光的某些特性，諸如彩色坐標(biāo)RGB。正如將在后面參照圖3和4更詳細(xì)地說明的，按照本發(fā)明的一個實施例的濾色器24包括帶有彩色濾色器的光傳感器，它們一起作為工業(yè)上所謂的三色濾色器運(yùn)行。
濾色器24被耦合到彩色點識別模塊26，它用來把由濾色器24測量的RGB值變換成Xw，Yw，Zw坐標(biāo)。按照本發(fā)明的一個實施例，濾色器24和彩色點識別模塊26的運(yùn)行可以由如140那樣的三色濾色器組合，如圖3(a)-3(c)所示。
三色濾色器140的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)是熟知的。圖3(a)，3(b)和3(c)顯示按照本發(fā)明的各種實施例被采用的三個示例的三色濾色器的方框圖。基本上，三色濾色器被做成使得濾色器的頻響函數(shù)正比于CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察器的彩色匹配函數(shù)。
圖3(a)顯示三色濾色器140的排列和功能。圖3(a)的三色濾色器包括三個玻璃濾色器142，144和146，每個濾色器用來分別濾除在由光源122生成的和由測試物體124反射的光中包含的紅色、綠色、和藍(lán)色光。一個或多個光電管154被放置在玻璃濾色器的后面，以測量每個紅色、綠色和藍(lán)色光分量的光輸出。寄存器148，150和152用來存儲相應(yīng)于CIE1931標(biāo)準(zhǔn)觀察器的光信息。因此，寄存器148存儲相應(yīng)于通過濾色器142的光的信息。同樣地，寄存器150存儲相應(yīng)于通過濾色器144的光的信息。以及，寄存器152存儲相應(yīng)于通過濾色器146的光的信息。
為此，圖4(a)是曲線圖，它顯示了頻響函數(shù)和像154這樣的光電管在與三色濾色器140相組合時可最好地復(fù)現(xiàn)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)觀察器的彩色匹配函數(shù)的程度。實線表示CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察器數(shù)據(jù)，而虛線表示具有三色濾色器裝置的光電置的響應(yīng)。
三色濾色器片的其他例子顯示于圖3(b)和3(c)，其中濾色器玻璃層被放置在濾色基片上。所以，如圖3(b)所示，基片168接納玻璃層166，被玻璃層164重疊，它又被玻璃層162重疊。圖3(c)顯示玻璃層的另一個變型，其中層172不完全覆蓋層174，層174也不完全覆蓋層176。
為此，圖4(b)是曲線圖，它顯示頻響函數(shù)和像154這樣的光電管在與三色濾色器160或170相組合時可最好地復(fù)現(xiàn)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)觀察器的彩色匹配函數(shù)的程度。實線表示CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察器數(shù)據(jù)，而虛線表示具有三色濾色器裝置的光電管的響應(yīng)。
彩色識別模塊26的輸出端被耦合到變換模塊26的輸入端，變換模塊用來把由模塊26測量的光的Xfdbk，Yfdbk，Zfdbk坐標(biāo)的反饋分量變換成由如上參照圖5和6說明的公式所支配的x’，L’，y’空間。
變換模塊28的輸出端被耦合到加法器16的輸入端。而且，變換模塊30的輸出端被耦合到變換模塊28的輸入端。這種連接允許兩個模塊按照系統(tǒng)控制的想要的彩色來進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q坐標(biāo)。
應(yīng)當(dāng)指出，按照本發(fā)明的一個實施例，公式(5)和(6)描述的系數(shù)可以容易地存儲在存儲器，諸如緩存器14，以及與相應(yīng)的x，y坐標(biāo)組相聯(lián)系。這樣，想要的彩色坐標(biāo)X，Y，Z可被變換成MacAdam坐標(biāo)x，y，和從存儲器恢復(fù)相關(guān)的系數(shù)，以便計算Farnsworth坐標(biāo)x’，y’。
應(yīng)當(dāng)指出，控制模塊18用來根據(jù)從加法器16接收的誤差信號按照頻域中的函數(shù)C(s)生成控制信號。
而且，RGB發(fā)光模塊22用來按照轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣D(s)響應(yīng)于驅(qū)動電流生成光通量。同樣地，P(s)是規(guī)定驅(qū)動器模塊20的運(yùn)行的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，N(s)是規(guī)定變換模塊28的運(yùn)行的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，T(s)是規(guī)定彩色點識別和變換模塊26的運(yùn)行的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣，和L(s)是規(guī)定濾色器模塊24的運(yùn)行的轉(zhuǎn)移函數(shù)矩陣。
按照本發(fā)明的一個實施例，由轉(zhuǎn)移函數(shù)C(S)規(guī)定的控制器的功能可以基于各種控制器裝置，正如技術(shù)上熟知的。例如，控制器18可以是基于被稱為比例積分(PI)控制器的、具有以下轉(zhuǎn)移函數(shù)的一類控制器的運(yùn)行C(s)＝Kp+KI/s，其中Kp和KI是3×3常數(shù)實矩陣。
按照本發(fā)明的一個實施例，對于具有峰值波長λr＝643nm，λ8＝523nm，和λb＝464nm的給定的RGB LED組和選定的彩色傳感濾色器片組，諸如由Hamamatsu制造的、具有S6430(R)S6429(G)和S6428(B)的濾色器片組，用于控制器18的轉(zhuǎn)移函數(shù)C(s)的典型值是Kp=0.10.9-0.120.40.60.5-0.140.30.2,KI=0.10.12-0.180.130.80.05-0.10.010.6]]>在運(yùn)行期間，控制系統(tǒng)10首先確定想要的參考X，Y，Z坐標(biāo)，如緩存器14提供的。此后，變換模塊30根據(jù)參考X，Y，Z坐標(biāo)恢復(fù)適當(dāng)?shù)淖儞Q系數(shù)，以及利用公式(5)和(6)，把參考彩色空間變換成具有x’，L’，y’參考坐標(biāo)的參考Farnsworth彩色空間。
濾色器片24測量由發(fā)光模塊22生成的想要的光的彩色的X，Y，Z坐標(biāo)，以及變換模塊28把以X，Y，Z坐標(biāo)規(guī)定的、識別后的光的彩色變換成x’，L’，y’彩色空間。這樣，控制系統(tǒng)10控制在x’y’彩色空間中的想要的光的彩色的彩色點，其測量誤差如下式所示Δx′y′=(x′-x′0)2+(y′-y′0)2=δ]]>其中(x’0，y’0)是目標(biāo)的或想要的彩色點坐標(biāo)，以及(x’，y’)是在x’，y’Farnsworth彩色空間中實際的彩色點坐標(biāo)。結(jié)果，控制系統(tǒng)10能夠?qū)τ谠谘b置中所有想要的彩色控制彩色誤差，其中不管誤差在色度圖上的位置，對于相同的誤差量，彩色的感覺保持為相同的。這意味著，控制系統(tǒng)產(chǎn)生基本上均勻的彩色誤差。所以，隨著Δx’y’變?yōu)樵絹碓叫?，彩色差值在所有的方向上也變?yōu)樵絹碓叫　?br> 變換模塊的效果在于，控制系統(tǒng)提供一個控制方案，其中Δx’y’數(shù)值在圍繞多個想要的彩色點所規(guī)定一個圓的區(qū)域中在所有的方向上幾乎都是均勻的。結(jié)果，控制系統(tǒng)10可以以高效率的和較少花費的方式被組裝。
因此，按照本發(fā)明的各個方面，控制系統(tǒng)可被設(shè)計用于一個裝置，其中任何想要的光的彩色可以通過把想要的彩色空間坐標(biāo)變換成Farnsworth彩色空間而被生成和有效地控制。這樣，控制設(shè)計可以明顯簡化，但仍保持非常精確?？梢陨蛇@樣的光，使得不管誤差在色度圖上什么方向想要的光的彩色的偏差仍保持為感覺不到的。
權(quán)利要求
1.一種用于通過多個紅、綠、和藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)生成想要的光彩色的LED彩色控制系統(tǒng)，包括傳感器，響應(yīng)于由所述多個LED輸出的光彩色，測量所述生成的光的彩色坐標(biāo)，其中所述彩色坐標(biāo)是在第一彩色空間中定義的；第一變換模塊，被耦合到所述傳感器，以便把所述生成的光的所述坐標(biāo)變換到第二彩色空間；第二變換模塊，被配置成用來提供相應(yīng)于所述想要的光的參考彩色坐標(biāo)，其中所述參考彩色坐標(biāo)是在所述第二彩色空間中表示的；加法器，被耦合到所述第一和第二變換模塊，該加法器被配置成用來生成相應(yīng)于在所述想要的光的彩色坐標(biāo)與所述生成的光的彩色坐標(biāo)之間的差值的誤差彩色坐標(biāo)；以及驅(qū)動器模塊，被耦合到所述加法器，以及被配置成用來生成用于驅(qū)動所述LED的驅(qū)動信號。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述第一彩色空間是X，Y，Z彩色空間。
3.按照權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述第二彩色空間是x’，L’，y’彩色空間。
4.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括被耦合到所述加法器的控制器，其中所述控制器生成分別相應(yīng)于所述紅色、綠色和藍(lán)色LED的控制電壓信號。
5.按照權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述傳感器是三色濾色器。
6.按照權(quán)利要求2，3或5的系統(tǒng)，其中所述第一變換模塊把所述XYZ彩色坐標(biāo)變換成MacAdam彩色坐標(biāo)。
7.按照權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述第一變換模塊把所述MacAdam彩色坐標(biāo)變換成Farnsworth彩色坐標(biāo)。
8.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述第二變換模塊被耦合到所述第一變換模塊，以便把變換系數(shù)提供到所述第一變換模塊。
9.按照權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述變換系數(shù)按照相應(yīng)的想要的光的彩色而變化。
10.按照任何在前的權(quán)利要求的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有執(zhí)行所述變換所述X，Y，Z彩色坐標(biāo)的步驟的裝置，還包括按照下式x＝X/(X+Y+Z)y＝Y(jié)/(X+Y+Z)來分配數(shù)值以便變換到MacAdam空間的步驟；以及還具有用于通過按照下式x′=a11x+a12y+a13b1x+b2x+b3]]>y′=a21x+a22y+a23b1x+b2x+b3]]>來分配數(shù)值以便變換到Farnsworth空間的步驟從而來變換所述x，y彩色坐標(biāo)的裝置，其中系數(shù)a11，a12，a13，a21，a22，a23，b1，b2，b3都是(x，y)坐標(biāo)系統(tǒng)的空間函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明針對一種用于通過多個紅、綠和藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)生成想要的光彩色的控制系統(tǒng)，它包括傳感器，響應(yīng)于由多個LED輸出的光，測量生成的光的彩色坐標(biāo)，其中彩色坐標(biāo)是在第一彩色空間中定義的。提供了第一變換模塊，它被耦合到傳感器，把生成的光的坐標(biāo)變換到第二彩色空間。第二變換模塊用來提供相應(yīng)于想要的光的參考彩色坐標(biāo)，其中參考彩色坐標(biāo)是在第二彩色空間中表示的。提供了加法器，它被耦合到變換模塊和參考模塊，用來生成相應(yīng)于在想要的光彩色坐標(biāo)與生成的光彩色坐標(biāo)之間的差值的誤差彩色坐標(biāo)。驅(qū)動器模塊被耦合到加法器，用來生成用于驅(qū)動LED的驅(qū)動信號。
文檔編號H05B33/08GK1633828SQ02825370
公開日2005年6月29日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
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