CN1090121A

CN1090121A - 可调彩色照明中的彩色混合方法及用该方法的可调彩色照明装置

Info

Publication number: CN1090121A
Application number: CN93120774A
Authority: CN
Inventors: 五岛成夫
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1993-12-09
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JP3329863B2; CN1051433C; CA2110127C; TW280082B; CA2110127A1; US5384519A; KR940015354A; KR970003214B1; DE4341669A1; JPH06176877A

Abstract

一种可调彩色照明装置，包括至少第一至第三光源和至少另一光源，该装置可按较简单方式获取所要求的混合彩色光。将第一至第三光源之一发出的色调与所述另一光源发出的另一种色调混合，由此按设想先设定临时光源发出的色调；用包括至少第一至第三光源在内的多个光源中的其余两个或以上的光源发出的色调和临时光源发出的色调计算混合比；再根据计算出来的混合比求出获取所要求的混合彩色光所需要的各光源的混合比。

Description

本发明涉及可调彩色照明中的一种彩色混合方法，这种方法用其采用的可发出不同色调的多个光源获得可发出任何所要求色调的彩色混合光，其明暗程度可依据各光源进行调节。本发明还涉及用这种彩色混合方法的可调彩色照明装置。

近几年来，越来越多地要求用人工照明的光按需要来改变周围环境的气氛。为满足这种要求，提出了各色各样的色调可调节的照明系统。在这种情况下，有人制造出混合了可发出不同色调的光源发出的光来获取色调合乎要求的混合彩色光的照明装置。这里假设光源分别为具有三种不同颜色（例如红（R）、绿（G）、蓝（B）三色组）的光源，各光源所发出的色调，其色度坐标为（x_R，y_R）、（x_G，y_G）和（x_By_B），且各光源的发光量为Y_R、Y_G和Y_B，于是混合彩色照明光与其发光量Y_o之间满足下列关系：

Y_o＝Y_R+Y_G+Y_B

因此所要求的色调是通过一个最佳控制装置来调节来自三种不同颜色光源的照明光获得的。这里可采用的控制装置是一种能逐个起动各光源且通过控制由交流电源提供给各光源的功率的相位来调节各光源的明暗程度的控制装置，而且各光源的光混合比只要各光源的色调及混合彩色光所要求的色调一经明确指定就不难确定下来。

上述方案的可调彩色照明系统通常包括下列器件：一个调定开关和一个递加/递减计数器，用以调定来自各光源的光的混合比;一个存储器，能妥善调定地址并存储表示各光源为得到每一地址所要求的混合光色调明暗度的数据，该地址对三个数据的调定都是需要的;和数据接收器，用以接收来自存储器的用以产生明暗调节信号的地址数据。在这种照明系统中，寻址是从混合比调定器至存储器进行的，地址数据是从存储器提供给明暗调节信号发生器的，明暗调节信号是从发生器根据地址数据提供给最佳照明电路以启动各光源的，这样就可获得所要求的混合彩色光。

然而，在光源如上述那样是三色光源的情况下，却有这样一个问题，即达不到充分的发光量，且不能在较宽的范围内控制明暗调节过程。有鉴于此，有人就四色光源提出在较宽的范围控制明暗的调节过程，增设另一个白色系（W）的光源来获取所要求的混合彩色光。

如图10所示，将可调彩色照明系统的四色光源中每一个所发出的色调在色度图上表示出来时，白光源发出的光，其色度坐标处在连接红绿蓝各色度坐标形成的三角形中，不难理解，可以获得各色度坐标处在这种三角形中且发出的光的明暗程度可在较宽范围内调节的混合彩色光。更具体地说，可以设想，得出的色调为X的混合光其色度坐标应位于上述三角形内。接着，可设想有连接着白系光的色度坐标W与上述混合彩色光的色度坐标X的线分量，且在线分量W_α上能找到对应于所要求的混合彩色光的一个点β，所述W_α是指从色度坐标W至两坐标W、X间的线分量与连接两色度坐标B、R的线分量（即上述三角形的底边）之交点α延伸的线分量。这时求出混合比，以便从点β和白系色的色度坐标W求出所要求的混合彩色光的色度坐标，然后求出用该混合比可获得的最大光通量。这之后，对上述线分量W_α上的其它各点重复进行求混合比和最大光通量的工作，并用求出的各值作为最佳值求出线分量W_α上所要求的最大光通量的混合比。一般说来，重要的一点是光通量值而不是混合彩色光色调的任何轻微偏差，而彩色混合比可以顺次地确定。

在上述可变彩色照明系统中，各光源的明暗调节水平是根据所要求的彩色混合比调定的，然后把该彩色混合比作为数据的一部分存入存储器中，供以后要再次确定明暗调节水平时使用。此外，顺次改变混合彩色光的色调时，所要求的混合彩色光的各色度坐标在连接红绿蓝色度坐标所形成的三角形内移动，借助这种移动可以画出所要求的轨迹。

然而，色调在色度图的上述三角形内调节成例如X，X₁，X₂时，各色度坐标要在从色度座标W延伸到与三角形的底边相交的交点之线分量W_α，W_α1，W_α2…所形成的三角形内移动。在此情况下产生了一个问题：除需要求出红R、绿G和蓝B三色的混合比以求出对于线分量W_α的每一次移动时在该线分量上的一个点外，当混合红R、绿G和蓝B三色以及白系色的色度坐标W时，必须用线分量W_α上找到的点β求出所要求的混合光的色度坐标X，因而使系统的操作步骤或装置变得很复杂。

与上述可调彩色照明系统有关的现有技术有美国专利申请073，373和111，236号（对应于欧洲专利申请93201675.1和93202511.7号）。

本发明的主要目的是解决上述问题，并提供一种能以更简单的方案达到所期望要求的可调彩色照明方法和装置。

按照本发明，上述目的是用这样一种可调彩色照明中的彩色混合方法达到的，在该方法中，配置有至少第一个至第三个发出不同色调的光源，使这些光源发出的色调与至少另一个光源发出的另一色调混合起来，所述另一个色调的色度坐标处在色度图上通过连接第一至第三光源各色调的色度坐标所形成的图形内，以便获取在色度图上描出所要求轨迹的混合彩色光，所述方法的特征在于，一个临时光源发出的色调被设想成以下述方式设定：将包括第一至第三光源的多个光源中的一个光源发出的色调与至少另一个光源发出的色调混合起来，用包括至少第一至第三光源的多个光源中的其余两个或多个光源发出的色调计算混合比，再根据计算出的混合比求出得到所要求的混合彩色光所需要的各光源的另一个混合比。

阅读以下参照附图的优选实施例对本发明所作的详细说明可以更清楚地了解本发明的其它目的和优点。

图1示出了本发明可调彩色照明中的彩色混合方法一个实施例的流程图;

图2为色度图，用以说明求出图1所示实施例中彩色混合比的过程;

图3说明了图2色度图中所示的线分量WG上彩色混合比与光通量之间的关系;

图4为色度图，用以说明图1所示实施例中临时光源的一个设想调定过程;

图5为色度图，用以说明所述设想调定过程的另一种工作情况;

图6示出了本发明可调彩色照明装置一个实施例的电路方框图;

图7以曲线形式说明了图6实施例中的稳定和不稳定的工作情况;

图8以流程图形式示出了按图1所示的本发明方法制造的可调彩色照明装置的另一种工作情况的运作细节;

图9是在图8所示的可调彩色照明工作情况下光源发出的色温与明暗调节水平之间的关系曲线;

图10为色度图，示出了本发明的基本构思。

现在参照附图中所示的各实施例说明本发明的内容，但应该理解的是，这样做并不是想将本发明局限于这些实施例，而所有可能有的更改、修改和等效方案都应包括在所附的权利要求书范围内。

在本发明可调彩色照明的彩色混合方法中，彩色的混合是按图1流程图中所示的顺序进行的。在此情况下，彩色的混合采用了最好是红（R）、绿（G）、蓝（B）三色的第一至第三光源。这里在色度图上将这些光源发出的色调的色度坐标连接起来画出一个三角形。此外还采用了另一个光源，在本实施例中为第四光源，该光源的色度坐标位于上述三角形内。该第四光源最理想是采用白（W）系光源。这方面可参看图2。

在本实施例中，将红（R）、绿（G）、蓝（B）系的第一至第三光源中任何一个光源发出的色调与另一光源发出的另一色调混合起来，以按设想设定临时光源，用红（R）、绿（G）、蓝（B）系光源中其余两个光源及所述临时光源计算混合比，然后根据计算结果求出所要求的混合彩色光所需要的各光源的另一个混合比。

再参看图2，这是当表示临时光源的点G′在连接着图2色度图上相应光源发出的色调的色度坐标G和W的线分量上移动时彩色混合比和最大光通量的函数G（G′）、W（G′）和φ（G′）。假设光源G和W发出的色调用色度坐标（x_G，y_G）和（x_W，y_W）表示，各光源的光通量为Y_G和Y_W，而临时光源G′的色度坐标为（x_G′，y_G′），其光通量为Y_G′，则

x_G′＝｛（x_W/y_W）·Y_W+（x_G/y_G）·Y_G｝/｛（Y_W/y_W）+（Y_G/y_G）｝

y_G′＝（Y_W+Y_G）/｛（Y_W/y_W）+（Y_G/y_G）｝

Y_G′＝Y_W+Y_G

改变Y_W∶Y_G可以改变色度坐标x_G′和y_G′。

其次，设定所要求的混合彩色光发出的色调X，并设定线分量GW上所要求的点G′。在获取这种混合彩色光时，如上所述，光通量往往成了这种混合彩色光的重要组成部分，且通常最好按下面即将谈到的方式确定光通量，并采用具有能获得最大光通量时的色度坐标G′的一个或多个光源作为临时光源。

现在假设Y_W∶Y_G＝W∶A的最大光通量，其中A不超过G的最大光通量，则W的最大光通量+G×（Y_G/Y_W）的最大光通量将是G′的最大光通量。另一方面，当A超过G的最大光通量时，则W×（Y_W-Y_G）的最大光通量+G的最大光通量将是G′的最大光通量，这时采用具有能获得最大光通量时色度座标G′的光源作为临时光源。

采用如此求出的G′计算各光源R、G′和B的混合比。这里假设这些光源R、G′和B发出的色调的色度坐标为（x_R，y_R）、（x_G′，y_G′）和（x_B，y_B），其光通量为Y_R、Y_G′和Y_B，则混合彩色光发出的色调（x_O，y_O）和光通量可用下式表示：

x_O＝｛（x_R/y_R）·Y_R+（x_G′/y_G′）·Y_G′+（x_B/y_B）·Y_B｝/（Y_W/y_W+Y_G′/y_G′+Y_B/y_B）

y_O＝（Y_R+Y_G′+Y_B）/（Y_R/y_R+Y_G′/y_G′+Y_B/y_B）

Y_O＝Y_R+Y_G′+Y_B

通过上述运算可以求出混合比为Y_R∶Y_G′∶Y_B。

采用得出最大光通量时的混合比，可按下列方式进行处理。就是说，把特定混合比下的最大光通量看作是已达到使在此混合比下发光的第一至第三光源的任何一个光源的光通量为最大但剩下的另两个光源没有超过最大光通量时的光通量。例如假设

Y_R∶Y_G′∶Y_B＝R的最大光通量：

（Y_G′/Y_R）·R的最大光通量：

（Y_B/Y_R）·R的最大光通量

且只要

（Y_G′/Y_R）·R的最大光通量≤G′的最大光通量，

（Y_B/Y_R）·R的最大光通量≤B的最大光通量，

则在所要求发出的色调X下的最大光通量将是

R的最大光通量+（Y_G′/Y_R）·R的最大光通量

+（Y_B/Y_R）·R的最大光通量。

另一方面，假设（Y_G′/Y_R）·R的最大光通量或（Y_B/Y_R）·R的最大光通量超过G′的最大光通量和B的最大光通量两者，则取Y_G′或Y_B的光通量为最大光通量，且可通过同样的步骤求出最大光通量。对线分量GW上的其它点的G′进行同样的处理可计算出混合比和最大光通量，且采用其中一个使光通量变得最大的混合比。进一步，就所要求的光通量还可适当地重复上述工作。

上述可调彩色照明中的彩色混合方法特别适用于发出的色调沿如图2色度图中所示的黑体轨迹变化的情况。就是说，在先计算线分量GW的混合比和最大光通量然后作为表格存储起来的情况下，即使在所要求的混合彩色光发出的色调变化时也无需再进行求取线分量GW上点G′的混合比和最大光通量的工作。因此不言而喻，这就大大减少了进行彩色混合操作的次数。

其次再看看更实际的工作情况。这里光源采用四个彩色灯或放电灯，包括第一至第三个灯或放电灯以及另外的第四个白系灯或放电灯，该第四灯发出的色调是准备与第一至第三个灯或放电灯发出的色调相混合用的。在此情况下，第一至第三个灯或放电灯是例如用作主色混合，第四个灯或其它灯则用作辅助色混合。

这里，当这些灯各自发出的色调其色度坐标值和光通量值如下面的表一中所示时，它们的变化情况就如图3中所示。

表一

光源色度坐标光通量

X Y (流明)

R 0.58 0.33 2,100

G 0.329 0.53 3,800

B 0.156 0.083 840

W 0.373 0.376 2,900

在获取所要求的混合彩色光时，四个灯R、G、B和W的混合比是在采用图3中的G′的情况下根据G′、R和B的混合比的计算结果求出的，该混合比如下面的表二中所示，用这个混合比可以求出最大光通量。

表二

色温

(K) (R) (G) (B) (W)

3,000 100 71 3 39

5,000 51 100 45 93

10,000 22 85 100 79

在上面的表二中，R、G、B和W是达到3，000K、5，000K和10，000K色温所需要的值，它们以%表示。

此外，下列情况极为理想，一种情况是所要求的混合彩色光的光通量的轨迹处在图4的色度三角形的阴影区PZA内，设想临时光源B′设定在线分量BW上，以求出混合比;另一种情况是所要求的混合彩色光的光通量的轨迹处在图5的阴影区PZB内，设想临时光源R′设定在线分量RW上，以求出混合比。也就是，通过在白系光源W发出的色调点和红、绿、蓝三系光源R、G、B中之一（处在相应色度图上的三角形的一个边所对的顶点上）的色调点间按设想设定临时光源而求出该混合比。

在实施时，用上述方案的混合比计算结果进行可调彩色光照明是采用了图6所示的那种装置。在此情况下，灯具部分11包括四个灯或放电灯12R、12G、12B和12W以作为光源，这些灯的启动由控制器13控制，控制器13则包括照明电路14R、14G、14B和14W，这些电路分别直接与各个灯连接，且通过明暗调节信号发生电路15、存储电路16和彩色调节开关17工作。

存储电路16储存按照上述彩色混合方法对各个灯发出的每一色调进行处理的结果数据。在此情况下，按照变化色温时的上述彩色混合方法可以进行彩色混合以获得所要求的混合色调。存储电路16无须局限于用ROM或类似的存储器来储存所获得的数据那种方案，也可以采用微处理器等进行每一次操作以求出混合比的方案。按照后一种方案可以简化操作过程，加快操作速度，并最大限度地缩小了需要的程序规模。

按照本发明的另一个特点，即使在明暗调节水平非常接近最低水平时也能以较简单的方案获得足量的光，确保照明稳定，有效地防止了任何闪光，从而实现了可调节的彩色照明。在此情况下，特别要加以鉴别的是，第一至第三个灯以及另外的第四个灯中的任何一个的明暗调节水平是否处在稳定照明区内，当其中一个或几个灯的明暗调节水平不在稳定照明区内时要加以调节，使其处在稳定照明区内，同时改变其它处在稳定照明区内的灯的明暗调节水平，使之可抑制发出的色调的任何变化，以作为有用的措施。

现在参盾图8更具体地研究上述情况。具有上述特点的工作装置包括例如图6所示的明暗调节信号发生电路15;用以鉴别灯12R、12G、12B和12W的明暗调节水平是否处在稳定照明区内的器件;用以将不处在稳定照明区内的任一个或任一些灯的明暗调节水平调节到稳定照明区内的器件;以及用以改变其他处在稳定照明区内的一些灯或一个灯的明暗调节水平以便抑制所述其它一些灯或一个灯发出的色调产生任何变化的器件。

目前，若启动处于发暗状态的灯，由于明暗度下降，要维持它们稳定发光就很困难，就是说，由于它们的光输出减少，因而会产生闪烁。此外，在明暗度低的情况下，如图7中的曲线所示，灯的电压有从虚线曲线所示的状态上升到实线曲线所示的另一状态的倾向，这种在小明暗度下的灯电压上升现象在低温状态和灯管直径小时特别突出。在此情况下，工作点因照明电路的输出特性与灯特性之间的关系而变得不稳定，可能发生所谓跳动现象，即光输出在多个状态之间波动。这种跳动现象易发生在10%至20%的明暗度范围。

在实际工作中，出现发生在10%至20%照明区域的跳动现象时，所述工作装置对维持灯12R、12G、12B和12W的稳定照明十分有用。因此，当12R、12G、12B和12W中任何一个灯的明暗调节水平处在不稳定照明区内时，将这些灯的明暗调节水平从不稳定照明区移到稳定照明区，然后根据从不稳定照明区至稳定照明区的这种转移程度将其它灯在稳定照明区的明暗调节水平基本上改变到同样的程度。当例如作为光源的灯12R、12G、12B和12W发出的色调的色度坐标如下表三所示时，为获取3，000K、5，000K和10，000K色温所需的明暗调节水平（以%表示）就如下面的表四所示。

表三

光源色度坐标光通量

X Y (流明)

R 0.5650 0.3300 2,100

G 0.3270 0.5240 3,300

B 0.1540 0.0850 840

W 0.3730 0.3760 2,900

表四

色温

(K) R G B W 最大光通量

3,000 100 63 4 78 6,600

5,000 60 100 56 79 7,800

10,000 12 75 100 93 6,300

从上面的表四中可以看出，要获取10，000K的色温时，灯12R的明暗调节水平出现在不稳定照明区，这使得灯电压Vla的变化宽度因例如图7所示的上述跳动现象而相对于灯电流Ila变高，从而使发光不稳定。现在按照图8中所示的流程图，灯12R的明暗调节水平降低到10%，在该水平下可以避免照明转移到不稳定区，同时也以同样的比例降低了其它灯12G、12B和12W的明暗调节水平，从而使灯12R、12G、12B和12W的明暗调节水平分别为10%、63%、83%和77%。

此外，顺次在3，000至11，000K色温范围内调节发出的色调，各灯12R、12G、12B和12W的明暗调节水平如图9中所示，其中灯12B的明暗调节水平在3，200至3，400K的范围内降到不稳定照明区，这时灯12B的明暗调节水平在3，200至3，280K色温范围内下降到10%，在3，280至3，400K范围内下降到20%。其余各灯12R、12G和12W的明暗调节水平也按灯12B的明暗调节水平同样的比例改变。在尽量抑制整个灯具装置11的发光量发生任何变化时，在3，280至3，300K的色温范围内灯12B的明暗调节水平降低到10%，但在3，300至3，320K的范围提高到20%，从而可以防止灯12B的不稳定启动，而不致使光的色调和发光量在灯12B处于高色温下的不稳定照明区时发生显著的变化。图9中，阴影区0表示易发生跳动现象的区域，另一个阴影区P表示降低明暗度以使稳定照明转入不稳定时造成的控制区。

本发明中可以采用各种各样的设计修改方案。举例说，参照上述照明装置实施例说明的本发明方案也可应用到诸如可调彩色显示系统之类的其它对象上。此外，在制造所谓主色混合光源时，可以采用四个或以上的光源，而不是所述的三个光源。这里是就红、绿、蓝系的三色光源进行介绍的，当然也可以采用其它彩色组合方案。上面介绍的辅助彩色混合采用了单个光源，但也可以采用两个或两个以上的光源作同样用途，且其中的白系光源也可采用其它颜色的光源。此外，上面谈到的使发光量充分和使光源发光稳定的器件是包括在图8表示的装置的明暗调节信号发生电路中的，但它也可以装入图6实施例中的控制器的其它部分中。

Claims

1、可调彩色照明中的一种彩色混合方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：配置发出不同色调的第一个至第三个光源；配置另一个发出另一色调的光源，该色调的色度坐标处在色度图上画出的一个图形内，该图形是通过连接包含所述第一至第三光源在内的多个光源发出的色调各自的色度坐标而画出的；将包含所述第一至第三光源在内的多个光源中一个光源发出的色调与所述另一个光源发出的色调相混合，由此按设想设定一个临时光源；计算所述包含第一至第三光源在内的多个光源中其余的至少两个光源发出的色调与所述临时光源发出的色调的混合比；以及根据所述计算出来的混合比求出为获取在所述色度图上描出合乎要求的轨迹的混合彩色光的各光源发出的色调所要求的另一个混合比。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个发出不同色调的光源是红、绿、兰系的三个第一至第三光源。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在色度图上通过连接第一至第三光源的各色度坐标画出的图形是三角形，所述另一光源发出的另一色调的色度坐标处在该三角形中。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一光源是单个白系光源。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时光源是按设想这样设定的：将所述另一个光源发出的色调与所述第一至第三光源中的一个光源发出的色调混合起来，该光源颜色的色度坐标处在所述色度图上的第一至第三光源的所述三角形的一个顶点上，该顶点对着从另一光源发出的色调的色度坐标的位置看去最靠近所要求的混合彩色光的所述轨迹的三角形的一边。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述另一个光源是单个白系光源。

7、一种可调彩色照明装置，其特征在于包括：第一至第三个发出不同色调的光源;另一个发出另一色调的光源，其色度坐标处在色度图上画出的一个图形内，该图形是通过连接包含所述第一至第三光源在内的多个光源发出的色调各自的色度坐标而画出的;临时光源设定器件，用以通过将包含第一至第三光源在内的所述多个光源中的一个光源发出的色调与所述另一个光源发出的另一色调混合起来而按设想设定一个临时光源;色调混合比计算器件，用以计算包含第一至第三光源在内的所述多个光源中剩下的至少两个光源发出的色调与所述临时光源发出的色调的混合比;以及另一混合比求出器件，用以根据所述计算出来的混合比求出获取在所述色度图上画出的轨迹的混合彩色光所需要的各光源发出的色调的另一个混合比。

8、根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述多个发出不同色调的光源是红、绿、兰系的第一至第三光源。

9、根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述在色度图上通过连接第一至第三光源的各色度坐标画出的图形是三角形，所述另一光源发出的另一色调的色度坐标处在该三角形中。

10、根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述另一光源是单个白系光源。

11、根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，它还包括：鉴别器件，用以鉴别包含所述第一至第三光源在内的所述多个光源和所述另一个光源各自的明暗调节水平是否处在稳定照明区中;以及一个明暗调节控制器，用以调节经鉴定不处在所述稳定照明区内的任何一个光源的明暗调节水平，使其处在所述稳定照明区内，并用以改变所述经鉴定处在稳定照明区的其余光源的明暗调节水平，以便抑制所述其余光源发出的色调的任何变化。

12、根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述明暗调节控制器包括明暗调节水平提高器件，用以将所述光源不在稳定照明区内的明暗调节水平提高到稳定照明区;并包括另一个明暗调节水平提高器件，用以按照提高所述不在稳定照明区内的光源的明暗调节水平的比率来提高其余的在稳定照明区内的光源的明暗调节水平。

13、根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述明暗调节控制器包括明暗调节水平降低器件，用以将所述光源不在稳定照明区内的明暗调节水平降低到稳定照明区;并包括另一个明暗调节水平降低器件，用以按照降低所述不在稳定照明区内的光源的明暗调节水平的比率来降低其余的在稳定照明区内的光源的明暗调节水平。

14、根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述明暗调节控制器用以调节所述各光源的明暗调节水平，以使所述光源发光量的任何变化能减小到最低程度。