CN101577994B - 用于校正照明设备的光感测装置与感测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于校正照明设备之光感测装置与感测方法，通过依序调变复数个发光二极管的发光频率，并周期性启动与关闭光感测单元，能依序感测各发光二极管之通道之光信号，特别是能在同一时间仅有单一通道的光信号能被感测到，并依据各发光二极管之各通道的光信号与理想值的比对结果进行校正，其中感测装置之主要组件有复数个发光二极管、复数个调节单元、用以接收发光二极管之光强的光感测单元，之后将数据传送至一驱动控制器，驱动控制器能通过开关单元切换光感测单元之开关，使光感测单元能于一定时间感测到光信号。

Description

用于校正照明设备的光感测装置与感测方法

技术领域

本发明为一种用于校正照明设备的光感测装置与感测方法，特别是通过调频的方式依序感测发光二极管的光强，借以为校正的根据。

背景技术

随着发光二极管渐渐发展成照明设备时，由多个发光二极管所产生的照明质量也愈被重视，部分现有技术更通过侦测的机制自动或是手动来调整对其所产生的色度(chromaticity)。

由于发光二极管的发光效能常常受到电路、驱动电流或是芯片彼此的差异性，或是受到环境温度的改变而影响发光质量，而并非为一个均匀亮度的光源，故有现有技术即提出利用侦测的方式，通过回馈的讯息进行调整，以克服发光二极管作为照明设备的缺点。

技术如公元2000年10月3日公告的美国专利第6,127,783号所揭露的LED照明设备的颜色平衡调整方法，由于照明使用的白光LED灯具通常需要有红、绿、蓝等颜色的调制，而个别的LED芯片又是分开处理的电路，所以需要有校正的机制来调整各色的输出，包括通过量测输出的光与预设正确的值比较之后进行调整，藉以决定各LED芯片的控制电力。

请参阅图1所示，其中所示的LED照明设备包括一个控制器17，控制器17通过复数个调节器11调节各发光二极管10的电流与发光模式，亦由电力转换装置18转换电力供应发光二极管10需用的电流，发光二极管10可以分别为红、绿、蓝等颜色，再利用混光装置12调合成白光。

为了达到调整的目的，图1中包括一个光传感器14，光传感器14先量测光二极管10通过混光装置12所产生的光，将感测的讯号回馈至控制器17，控制器17将光传感器14回馈的讯息与预设需要的值(由外部控制16设定)比对，最后通过调节器11调整各发光二极管10的电流。

另外于公元2002年12月17日公告的美国专利第6,495,964号则进一步揭露利用瞬间提升驱动电流的方式补偿在开启与关闭各发光二极管时产生发光不稳定的问题。此例同样利用一个光二极管(photodiode)组成的传感器进行光强的量测，依序且周期性地量测各光二极管，于感测同时，除了待感测光二极管开启之外，其它的光二极管将被关闭，但是此极短的时间已足够进行比对与调节电流的动作。然而，在开启与关闭各发光二极管的时候，在前后极短的时间内将产生亮度不足或是不稳定的问题，故此现有技术则再通过额外的电路于启闭之前后瞬间增加电流，藉以补偿输出的亮度。如图2所示，横轴为时间，纵轴为电流，显示在关闭发光二极管那段时间之前后有一小段电流突然增加的现象，如标号20突增电流的部分，即为通过瞬间增加电流产生补偿的效果。

发明内容

有别于现有技术利用光二极管感测LED照明设备并藉以进行调节的方式，或是更利用额外的电路产生亮度补偿的措施，本发明揭示一种用于校正照明设备的光感测装置与感测方法，通过预留单示周期关闭时间间隔的机制，产生更有效率的感测方法。

本发明主要是利用各通道调整频率来控制发光二极管，使光传感器能在一定的时间内完整地接收到光强度，并依照特定的周期来切换感测开关，除了能针对特定发光二极管进行光强的感测与参数调整，亦不需要另外设置控制各发光二极管开关的电路，也不会产生因为发光二极管开关而闪烁的问题。

本发明通过单一光感测单元感测复数个发光二极管的光强，所揭露用于校正照明设备的光感测装置的较佳实施例包括有复数个发光二极管，并电性连接复数个调节单元，用于调节输出至复数个发光二极管的电流，另有光感测单元，用以接收发光二极管的光强，并将数据传送至驱动控制器，此驱动控制器控制输出的电力与驱动频率，并电性连接光感测单元，并以一开关单元切换光感测单元的开关，藉驱动控制器同步化复数个发光二极管的初始基频，再依序调整各发光二极管的频率，使光感测单元能于一预定时间感测到被调整的单一的发光二极管，并将感测之光强度数据传送至该驱动控制器，该驱动控制器依据各该发光二极管之通道的光强度与一预设的理想值的比对结果进行校正，接着依序调变各该发光二极管至初始基频。此切换光感测单元的开关单元能依据使用情况而改变开关周期。

而其中用于校正照明设备的光感测方法的实施例步骤有先同步化复数个发光二极管间的数据传输通道的时间脉冲，利用基准时间脉冲进行校正，使各发光二极管的数据传输一致，接着依据先设定的光感测单元的感测周期，依序调变各发光二极管的发光频率，用以周期性启动与关闭光感测单元，于光感测单元启动时，光感测单元依序感测各发光二极管的通道的光讯号，于感测之后，依序调变各发光二极管回复至初始基频，主要是，同一时间仅有单一通道的光讯号能被感测到，并依据各发光二极管的各通道的光讯号与理想值的比对结果进行校正。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

图1为现有技术LED照明设备的示意图；

图2显示现有技术于发光二极管关闭前后补偿电流的示意图；

图3所示为本发明用于校正LED照明设备的光感测装置的实施例示意图；

图4所示为本发明所使用的调频手段的示意图；

图5A、图5B示为本发明的发光二极管的各讯息通道的时序示意图；

图6为本发明光感测方法的实施例流程图。

具体实施方式

由于以发光二极管为主的照明设备在长时间运作之下会有颜色变化现象，本发明通过感测与校正的机制，可自动调整最佳状态并提供使用者接口供使用者控制颜色，即为一种用于校正照明设备的光感测装置与感测方法，主要是利用一个由光二极管(photodiode)实施的光感测单元感测以发光二极管(LED)为主要光源的照明设备，以调整各种参数的技术。其中通过预留单元周期关闭时间间隔的机制，产生更有效率的感测方法，而非需要使用额外的电路来切换发光二极管或是使用其它补偿光源亮度的措施，更能因此避免因为周遭环境温度、供应电流等因素产生照明上的问题。

在此揭露的光感测装置与感测方法是利用各发光二极管(如红、绿、蓝等颜色的发光二极管)周期间隔(预留单元周期关闭时间间隔)的调整，使一光感测单元能在一定的时间内完整地接收到光强度。其中采用相对于驱动控制器同步化复数个发光二极管的基频的周期来开启或是关闭光感测单元进行感测的机制，利用调频的手段，使光感测单元在一特定范围之间隔下才能针对特定发光二极管进行感测，因而不需使用现有技术为了分别感测各发光二极管而需要的切换电路，同时改善因为要感测各发光二极管亮度而产生闪烁的问题。

利用本发明提出的感测装置感测各发光二极管等的光源之后，将与使用者所设定的各发光二极管的通道(channel)参数比对，能通过驱动控制器调节输出的电气信号，以修正各发光二极管的输出，达到照明设备自动校正的目的。

请参阅图3所示用于校正照明设备的光感测装置的实施例示意图，其中包括有复数个发光二极管304、305、306等主要照明组件，如图所示，可分别为红(R)、绿(G)、蓝(B)等光源形成的白光照明设备，或是依不同需求针对各发光二极管调变形成其它颜色的照明设备，包括单颗彩色或单色LED灯、或是由多颗LED所组成的照明设备。

复数个发光二极管304、305、306分别电性连接复数个调节单元301、302、303，通过复数个调节单元301、302、303，能分别调节输出至各发光二极管的电流。

一光感测装置主要是通过一个驱动控制器32驱动各发光二极管304、305、306的发光频率与切换，控制输出的电力与驱动频率，且电性连接上述的复数个调节单元301、302、303，通过调节单元301、302、303调节提供给发光二极管的电流，除了驱动发光的外，更能藉以修正各种发光参数，包括色度、光强度等。

驱动控制器32更电性连接一光感测单元33，光感测单元33可为单一的光二极管(photodiode)实施，另外可视需要而定，光感测单元33与发光二极管304、305、306之间可设置一混光装置35，藉以增加此光感测单元33侦测光强的准确性。各发光二极管304、305、306所产生的讯息形成个别的讯息通道，此光感测单元33即用以感测来自各发光二极管304、305、306形成的通道的讯息，如光的强度。

之后，驱动控制器32接收此光感测单元33的感测讯息，以为后续校正的依据，包括与预设的理想值比对，通过电流的调整来调节各发光二极管的发光参数，而较佳实施例是通过一脉宽调变(PWM)电路调整输出的脉冲宽度以改变输出电流大小。并且，驱动控制器32亦包括一稳压电路(未显示于图中)，藉以稳定各发光二极管304、305、306的输出，主要可以在一般发光二极管的控制电路中，使用本发明的感测装置，不仅可以稳定发光二极管的输出，更能适用不同的芯片设计，且其输出质量不会因为温度时间而变化。

另外，电性连接驱动控制器32的使用者接口31是提供外部控制的接口，使用者能通过此接口将所需的发光参数输入，驱动控制器32能通过比对的机制，利用各调节单元301、302、303依需求调节各发光二极管304、305、306的发光行为，包括调整色度或是光强度。

运作时，当开启光感测单元33时，会开始感测光强，开始瞬间并无数据，之后通过单一通道，如R通道从基频调频后会收到一个光强，此就代表R通道的值，把数据回传并可通过放大器(未显示于图中)来传送至驱动控制器32，驱动控制器32会将其值与初始R通道的理想状态值比较，若有差异时，则利用稳压电路(未显示于图中)，调整改变稳压电路的电压与电流以便使其达到相同值而不会色偏。

特别的是，本发明所提出用于校正照明设备的光感测方法是利用一种调频手段调整各发光二极管的频率，使上述的光感测单元33能于一定时间感测到发光二极管所产生的光，光感测单元33于是周期性地通过开关单元30切换开或关。此开关单元30的较佳实施例设置于光感测单元33与驱动控制器32之间的硬件切换开关，而开关时机由驱动控制器32控制；另外，开关单元30亦可能为一设置于该驱动控制器32中的软件开关，由控制器内的固件程序产生，开关时机由该驱动控制器32程控。

上述调频的实施态样请参阅图4所示。在开始感测之初，需要在各发光二极管的输出讯息通道上同步化其中的时间脉冲(clock)(图中简称为时脉)，利用基准时间脉冲来校正，使数据传输的时间脉冲能够一致，如图式中标号401，402的频率位置，图中显示为一光源的频率，具有一定的频宽，经过基准频率校正，与系统稳定产生的时间脉冲对齐。

另有标号405所显示的感测时间，上述的感测单元33将在此感测时间前后的一段时间内开启，并进行光源的感测。图中显示为两倍频率的实施例，频率宽度变为一半。原本在没有经过调频的情况下，感测时间(405)并无法感测到此频率的光源，但是，经过调频后，感测时间(405)明显能够在一短暂时间内感测到此经过调频的光源，并进行光信号量测。

本发明即通过图4所示的调频机制，依序调整各发光二极管的发光频率，包括两倍频、三倍频等，使各发光二极管所产生的光能在一特定感测时间被感测单元感测到，故各发光二极管是依序被感测单元感测到。在此调频机制下，并无需使用到任何切换开关控制各发光二极管，即能通过顺序调频的方式，顺序接收到各通道的讯息。

接着，本发明的实施例请参阅图5A所示各讯息通道的时序示意图。图中显示有一个规律产生的参考时间脉冲(clock)，实施例显示有红、绿、蓝等发光二极管分别形成的讯息通道的时间脉冲，包括R通道、G通道与B通道。

首先在三个通道传输上先建立所有数据时间脉冲同步化，各通道经同步化后有相同的基准时间脉冲(如标号501、502)，如无同步化就需进行校正动作，校正方式利用基准时间脉冲来校正，使其数据传输一致，以便量测时不会有误差。接着都以相同时间脉冲的频率宽度(PWM)来调变RGB的电流量来达成各颜色调变，PWM原理是以脉宽的宽度比例来改变电流大小。

其较佳实施例为，设定各颜色通道的总频宽的1～10％保留给光感测单元33进行感应，由于在此短暂时间(如感测时间505)内将进行频率的调变，所以此短暂时刻内相对的色彩阶数会减少。若此光感测单元33启动后的上升降时间约70ps～200ps(约5KHz～14.3KHz，频谱范围250～1700nm)，调变时会预留至少1ns的时间使光感测单元33能完整的接收到光强度，并依照预定的周期来切换开与关，使其设定在某一时间点才进行感测。

于此实施例中，用100Hz～10KHz的范围来调整频率，初始基本频率全都一致，要得到R、G、B个别的值时，以基频倍率的概念方式而形成只有单一通道的光源会被光传感器所感应到，如图5B所示，其中B通道经过调频之后，能够在感测时间505内被光感测单元33侦测到，此时R通道与G通道并不会在此感测时间505内被侦测到。再将接受到的值传回系统做校正参考依据(通过驱动控制器32校正)，完成后再调回初始基频。接着换其它的通道以相同模式进行，比较与理想状态的差异做调整达到光校正目的。

本发明用于校正照明设备的光感测方法的较佳实施例步骤如图6所示，在本发明运作之初，会先储存红(R)、绿(G)、蓝(B)等色的最理想的强度值，并能据此与感测值比对后进行校正，之后电源启动开始运作，利用脉宽调变技术来调整电流大小，并通过稳压电路来稳定发光二极管。

感测方法开始于步骤S601，同步化复数个发光二极管间的数据传输通道的时间脉冲，接着设定光感测单元33的感测周期，于一定时间内开启光感测单元33进行感测(步骤S603)。接着依序调变各发光二极管的发光频率(步骤S605)，较佳实施例利用上述脉宽调变技术来调整电流大小，进而调变各发光二极管的频率，使各发光二极管能依序被光感测单元33感测到。

接着，根据上述的感测周期，周期性启动与关闭光感测单元33(步骤S607)，在每次开启光感测单元33时，仅会感测到其中的一个发光二极管的光讯息，并于接收数据后关闭光感测单元33，如此，能于每次启动与关闭的过程中依序感测各发光二极管的通道的光信号(步骤S609)。

最后，于感测之后，各发光二极管即调变至初始基频(步骤S611)，恢复原来发光状态，并等待下一次调变与感测流程。

而上述步骤可实施于具有红、绿、蓝色等发光二极管的照明设备的光强量测与校正上，三个发光二极管模块依序调变，利用一光感测单元33于特定频率范围内进行感测，如，先通过驱动控制器32调变第一发光二极管模块(如红光发光二极管模块)的发光频率，并周期性地启动光感测单元33，以感测第一发光二极管模块的通道的光信号，并且将接收到的值传回系统做校正参考依据，接着关闭光感测单元33，并调变此第一发光二极管模块至一初始基频，以维持正确的发光颜色。其校正方式使各通道的光信号与理想值的比对结果进行校正，接着例如利用调节电流来校正色偏等。

以此相同的方式运作，接着，驱动控制器32调变第二发光二极管模块(如绿光发光二极管模块)的发光频率，并能启动光感测单元33感测第二发光二极管模块的光信号，亦周期性地关闭光感测单元33，再调变第二发光二极管模块至初始基频，以维持正确的发光颜色。

之后，调变第三发光二极管模块(如蓝光发光二极管模块)的发光时间脉冲，并于启动光感测单元33时感测第三发光二极管模块的光信号，之后关闭光感测单元33，亦须调变至初始基频，以维持正确的发光颜色。

于上述光感测流程之后，将关闭光感测单元33，除了各通道调回原本频率，亦转换至下一个通道，进行调频与感测，依此类推不断重复复数个通道的校正。

通过上述主要流程，设定感测周期的步骤使同一时间仅有单一通道的光信号能被感测到，并依据各发光二极管的各通道的光信号与理想值的比对结果进行校正。

综上所述，本发明为一种用在LED照明设备上的光感测装置与其感测方法，能不需额外增加电流补偿并不会产生光源闪烁的问题，且其通过调频的感测机制，不使用额外的电路来切换发光二极管，使照明设备中的发光二极管的色彩保持其准确性一致。

惟以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明之专利范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明之范围内，合予陈明。

Claims (12)

1.一种用于校正照明设备的光感测方法，包括有：

储存复数个发光二极管之各通道的光信号理想值；

同步化该些发光二极管之初始基频；

设定一光感测单元的感测周期，以周期性启动与关闭该光感测单元；

依据该光感测单元之感测周期，依序调变该些发光二极管之发光频率，使同一时间仅有单一通道的光信号能被感测到；

该光感测单元依序感测各该发光二极管之通道之光信号；

依据该光感测单元对各该发光二极管之通道之光信号的感测值与该理想值的比对结果进行校正；以及

依序调变各该发光二极管至初始基频。

2.如权利要求1所述的用于校正照明设备的光感测方法，其特征在于该光感测方法的步骤更包括先同步化该复数个发光二极管间之数据传输通道的时间脉冲。

3.如权利要求2所述的用于校正照明设备的光感测方法，其特征在于该同步化步骤利用一基准时间脉冲进行校正，使各发光二极管的数据传输一致。

4.如权利要求1所述的用于校正照明设备的光感测方法，其特征在于该调变步骤以相同频率的脉冲宽度来调变各发光二极管的电流量，达成颜色调变。

5.如权利要求4所述的用于校正照明设备的光感测方法，其特征在于该调变的方式利用调频的手段，使该光感测单元在该感测周期内依序感测各该发光二极管。

6.一种用于校正照明设备的光感测装置，包括有：

复数个发光二极管；

复数个调节单元，电性连接该些发光二极管，用于调节输出至该些发光二极管的电流；

一光感测单元，用以接收该些发光二极管的光强度；

一驱动控制器，电性连接该些调节单元，控制输出的电力与驱动频率，并电性连接该光感测单元，用于接收该光感测单元的感测信号；以及

一开关单元，设置于该光感测单元与该驱动控制器之间，藉以切换该光感测单元的开关；

藉由该驱动控制器同步化该些发光二极管的初始基频，再依序调整各该发光二极管的频率，使该光感测单元能于一预定时间感测到被调整的单一的该发光二极管的光强度，并将感测之光强度数据传送至该驱动控制器，该驱动控制器依据各该发光二极管之通道的光强度与一预设的理想值的比对结果进行校正，接着依序调变各该发光二极管至初始基频。

7.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于其更包括一使用者接口，提供一个供外部控制的接口。

8.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于该驱动控制器通过一脉宽调变电路调整输出的脉冲宽度，以改变输出电流大小。

9.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于该光感测单元通过该开关单元随着一固定频率周期被启动与关闭。

10.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于该开关单元为一设置于该光感测单元与该驱动控制器之间的硬件切换开关，开关时机由该驱动控制器控制。

11.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于该开关单元为一设置于该驱动控制器中的软件开关，开关时机由该驱动控制器中的固件程控。

12.如权利要求6所述的用于校正照明设备的光感测装置，其特征在于该光感测装置更包括一混光装置，借以增加该光感测单元侦测光强度的准确性。

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