DE102013015343A1

DE102013015343A1 - Lighting device for ambient lighting in vehicle interiors

Info

Publication number: DE102013015343A1
Application number: DE201310015343
Authority: DE
Inventors: Josef Lang
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: DE102013015343B4

Abstract

Beleuchtungseinrichtung, vorzugsweise für eine Ambientebeleuchtung in Fahrzeuginnenräumen, wobei die Beleuchtungseinrichtung aufweist: mehrere LEDs (10, 11, 12) zumindest teilweise verschiedener Farbe, die jeweils über ein PWM-Signal ansteuerbar sind; eine Steuereinrichtung (1), die ausgelegt ist, um aus einer Farbkenngröße (ID), die eine von den LEDs (10, 11, 12) auszugebende Mischfarbe kennzeichnet, PWM-Signale zur Ansteuerung der LEDs (10, 11, 12) unter Durchführung einer Korrektur zu bestimmen, wobei die Korrektur wenigstens einen betriebsunabhängigen und wenigstens einen betriebsabhängigen Parameter berücksichtigt.Lighting device, preferably for ambient lighting in vehicle interiors, wherein the illumination device comprises: a plurality of LEDs (10, 11, 12) of at least partially different color, which are each controlled via a PWM signal; a control device (1) which is designed to carry out PWM signals for driving the LEDs (10, 11, 12) from a color characteristic (ID) which identifies a mixed color to be output by the LEDs (10, 11, 12) a correction, wherein the correction takes into account at least one operation-independent and at least one operation-dependent parameter.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung, vorzugsweise für eine Ambientebeleuchtung in Fahrzeuginnenräumen, mit mehreren LEDs und einer Steuereinrichtung.The invention relates to a lighting device, preferably for ambient lighting in vehicle interiors, with a plurality of LEDs and a control device.

Stand der TechnikState of the art

Für die Ambientebeleuchtung in Fahrzeuginnenräumen werden zunehmend LEDs eingesetzt. Diese können einfarbig oder mehrfarbig in Kombination verwendet werden, um durch Farbmischung – etwa der Farben rot, grün, blau – eine Mischfarbe in gewünschter Helligkeitsabstufung zu generieren. Die einzelnen LEDs werden über einen Mikrocontroller und einen PWM-Treiber angesteuert. Über ein Bus-System wird eine Farbkenngröße zur Erzeugung der gewünschten Farbe und Helligkeit gesendet. Der Mikrocontroller berechnet die zur Farbe und Helligkeit korrespondierenden PWM-Signale, welche zur Ansteuerung der einzelnen LEDs vom PWM-Treiber ausgesendet werden.For ambient lighting in vehicle interiors LEDs are increasingly being used. These can be used in monochrome or multicolor in combination to generate a mixed color in the desired brightness gradation through color mixing - such as the colors red, green, blue. The individual LEDs are controlled by a microcontroller and a PWM driver. Via a bus system, a color characteristic is sent to produce the desired color and brightness. The microcontroller calculates the PWM signals corresponding to the color and brightness, which are transmitted by the PWM driver to drive the individual LEDs.

Einrichtungen und Verfahren zum Erzeugen und Modulieren von Beleuchtungszuständen sind in der US 7,014,336 B1 beschrieben.Means and methods for generating and modulating illumination conditions are described in U.S.P. US 7,014,336 B1 described.

LEDs weisen produktionsbedingt relativ große Farb- und Helligkeitsunterschiede auf, was zu unterschiedlichen Farbeindrücken der erzeugten Mischfarbe führt. Dieses Problem kann durch Vorgruppierung der LEDs hinsichtlich ihrer Farb- und Helligkeitsgrade teilweise aber nicht vollständig gelöst werden. Mit anderen Worten führt die Ansteuerung verschiedener LED-Sets – etwa eines RGB-LED-Sets – mit identischen PWM-Signalen zu unterschiedlichen Farbeindrücken, was gerade im Automobilbereich, in dem es in ausgesprochen hohem Maße auf reproduzierbare Qualität ankommt, als störend empfunden wird.LEDs have production-related relatively large color and brightness differences, resulting in different color impressions of the mixed color produced. This problem can be partially but not completely solved by pre-grouping the LEDs in terms of their color and brightness levels. In other words, driving different LED sets - such as an RGB LED set - with identical PWM signals to different color impressions, which is especially in the automotive sector, where it depends on reproducible quality in a very high degree, is distracting.

Neben der oben beschriebenen systembedingten Störung des Farbeindrucks unterliegt die Leuchtkraft der LEDs einer Alterung, einer Temperaturabhängigkeit und anderen Einflüssen. Auch darin sind Abweichungen der tatsächlich ausgegebenen Mischfarbe vom gewünschten Farbton begründet.In addition to the system-related disturbance of the color impression described above, the luminosity of the LEDs is subject to aging, temperature dependence and other influences. Also in this are deviations of the actually output mixed color of the desired hue justified.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die für eine Ambientebeleuchtung in Fahrzeuginnenräumen geeignet ist und Mischfarben in verbesserter Qualität, insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Dauerhaftigkeit erzeugen kann.An object of the invention is to provide a lighting device that is suitable for ambient lighting in vehicle interiors and can produce mixed colors in improved quality, in particular in terms of reproducibility and durability.

Die Aufgabe wird mit einer Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert und gehen aus der folgenden allgemeinen Beschreibung, sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hervor.The object is achieved with a lighting device according to claim 1. Advantageous developments are defined in the dependent claims and will become apparent from the following general description, as well as the description of preferred embodiments.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist mehrere LEDs zumindest teilweise verschiedener Farbe auf, die jeweils über ein PWM-Signal ansteuerbar sind. Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung ein oder mehrere Gruppen von je drei LEDs, etwa der Farben rot, grün, blau, auf. Die LEDs sind einzeln ansprechbar und erzeugen bei gleichzeitigem Betrieb und individueller Ansteuerung eine Mischfarbe. Die zur Ansteuerung der LEDs erforderlichen PWM-Signale werden über eine Steuereinrichtung ermittelt und entweder direkt von der Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben oder über einen separaten PWM-Treiber gemäß den Vorgaben der Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben. Die Steuereinrichtung ist ausgelegt, um aus einer Farbkenngröße, die eine von den LEDs auszugebende Mischfarbe eindeutig kennzeichnet, die entsprechenden PWM-Signale zur Ansteuerung der LEDs zu bestimmen. Mit anderen Worten enthält die Eingabe der Steuereinrichtung eine Farbkenngröße, die etwa aus einem Farbindex und der gewünschten Helligkeit oder den Koordinaten eines Farbraums gebildet sein kann, und die Aufgabe der Steuereinrichtung enthält entweder PWM-Signale zur Ansteuerung der LEDs oder ein Signal für einen PWM-Treiber, der die entsprechenden PWM-Signale erzeugt. Insofern bestimmt die Steuereinrichtung die PWM-Signale.The lighting device according to the invention has a plurality of LEDs at least partially different color, which are each controlled by a PWM signal. The illumination device preferably has one or more groups of three LEDs, for example the colors red, green, blue. The LEDs are individually addressable and produce a mixed color when operated simultaneously and individually controlled. The PWM signals required to drive the LEDs are determined by a control device and either generated and output directly by the control device or generated or output via a separate PWM driver in accordance with the specifications of the control device. The control device is designed to determine the corresponding PWM signals for driving the LEDs from a color characteristic which uniquely identifies a mixed color to be output by the LEDs. In other words, the input of the control device contains a color characteristic, which can be formed for instance from a color index and the desired brightness or the coordinates of a color space, and the task of the control device contains either PWM signals for driving the LEDs or a signal for a PWM signal. Driver that generates the corresponding PWM signals. In this respect, the control device determines the PWM signals.

Die Bestimmung der PWM-Signale erfolgt unter Durchführung einer Korrektur, die sowohl betriebsunabhängige als auch betriebsabhängige Parameter berücksichtigt. Die Bestimmung der PWM-Signale erfolgt somit nicht ausschließlich aufgrund der Farbkenngröße, sondern es werden betriebsunabhängige, d. h. statische, konstruktionsbedingte Parameter, und betriebsabhängige, d. h. dynamische, im Betrieb zeitlich veränderliche Parameter berücksichtigt. Betriebsunabhängige Parameter können beispielsweise Spektraldaten einer oder mehrerer LEDs, die im Voraus mittels einer Referenzvermessung bestimmt werden, und/oder konstruktionsbedingte Farbverschiebungen berücksichtigen, die beispielsweise aufgrund eines Streuelements oder eines Farbfilters, der im Strahlengang der LEDs angeordnet ist, bewirkt werden. Betriebsabhängige Parameter enthalten beispielsweise Umgebungsparameter, wie Temperatur oder auch das betriebsbedingte Alterungsverhalten der LEDs.The determination of the PWM signals is carried out by performing a correction that takes into account both non-operational and operational parameters. The determination of the PWM signals thus does not take place exclusively on the basis of the color characteristic, but operation-independent, ie static, design-related parameters, and operation-dependent, ie dynamic, time-variable parameters in operation are taken into account. Operation-independent parameters can be spectral data of a or several LEDs, which are determined in advance by means of a reference measurement, and / or account for design-related color shifts caused, for example, by a scattering element or a color filter arranged in the beam path of the LEDs. Operating parameters include, for example, environmental parameters, such as temperature or the operational aging behavior of the LEDs.

Zur Korrektur auf der Grundlage betriebsunabhängiger Parameter weist die Steuereinrichtung vorzugsweise einen Speicher auf oder greift auf einen solchen zu, in dem die konstruktionsbedingten Parameter, die sich von Beleuchtungseinrichtung zu Beleuchtungseinrichtung unterscheiden können, gespeichert sind. Zur Berücksichtigung der betriebsabhängigen Parameter weist die Steuereinrichtung vorzugsweise einen Eingabeanschluss auf, über den die betriebsdynamischen Daten, die für die Korrektur verwendet werden, in die Steuereinrichtung eingegeben werden. Die Eingabe solcher Daten in die Steuereinrichtung kann über eine Drahtverbindung oder kabellos erfolgen.For correction on the basis of non-operational parameters, the control device preferably has a memory or accesses a memory in which the design-related parameters, which may differ from illumination device to illumination device, are stored. In order to take into account the operation-dependent parameters, the control device preferably has an input connection via which the operating dynamic data used for the correction are input to the control device. The input of such data in the control device can be done via a wire connection or wirelessly.

Bevorzugte Ausführungsformen zur betriebsunabhängigen und betriebsabhängigen Korrektur werden weiter unten besprochen. Es sei auf folgendes hingewiesen: Wenn zur Vereinfachung der Darstellung von Parametern (Mehrzahl) die Rede ist, dann ist damit auch der Fall eines einzigen Parameters, etwa die Temperatur, mit umfasst, sofern der Kontext keinen anderen Schluss erfordert. Erfindungswesentlich ist, dass die Korrektur wenigstens einen betriebsunabhängigen und wenigstens einen betriebsabhängigen Parameter berücksichtigt.Preferred embodiments for operation-independent and operation-dependent correction are discussed below. It should be noted that if simplification is concerned with the representation of parameters (pluralities), this also includes the case of a single parameter, such as temperature, unless the context requires a different conclusion. It is essential to the invention that the correction takes into account at least one operation-independent and at least one operation-dependent parameter.

Indem die Korrektur wenigstens einen betriebsunabhängigen und wenigstens einen betriebsabhängigen Parameter berücksichtigt, können nicht nur herstellungsbedingte Abweichungen vom gewünschten Farbeindruck kompensiert werden, sondern außerdem können Umgebungsbedingungen, Alterungserscheinungen, Filterungen und dergleichen berücksichtigt werden, wodurch ein dauerhaftes, gleichbleibendes und qualitativ hochwertiges Beleuchtungsbild sichergestellt wird, trotz produktionsbedingter Schwankungen die die Leuchteigenschaften der LEDs betreffen.By taking account of at least one operationally independent and at least one operationally dependent parameter, not only can production-related deviations from the desired color impression be compensated, but environmental conditions, aging phenomena, filtering and the like can also be taken into account, thereby ensuring a lasting, consistent and high-quality illumination image production-related fluctuations that affect the luminous properties of the LEDs.

Vorzugsweise berücksichtigt die Korrektur Spektraldaten einer oder mehrerer LEDs als den oder als einen betriebsunabhängigen Parameter. Dazu wird gemäß einer Ausführungsform jede LED vor Inbetriebnahme der Beleuchtungseinrichtung, ggf. vor der Montage der Beleuchtungseinrichtung, einzeln spektral vermessen, d. h. eine sogenannte Referenzvermessung durchgeführt. Die Vermessung der LEDs erfolgt idealerweise mittels eines Spektrometers, da damit die erforderliche Genauigkeit sichergestellt werden kann. Ein Prozedere für die Referenzvermessung sieht vor, dass die einzelnen Farben, etwa rot, grün, blau, nacheinander mittels eines normierten PWM-Signals angesteuert und jeweils einzeln vermessen werden. Aus den Messdaten der bevorzugt drei Messungen (rot, grün, blau) kann das PWM-Signal jeder gewünschten Mischfarbe berechnet werden. Aus den Messdaten abgeleitete Berechnungsparameter werden dann in einem Speicher, auf den die Steuereinrichtung Zugriff hat oder der Teil der Steuereinrichtung ist, gespeichert. Das normierte PWM-Signal ist vorzugsweise auf 100% PWM eingestellt, d. h. dasjenige PWM-Signal, das die LEDs mit maximaler Helligkeit ansteuert.Preferably, the correction takes into account spectral data of one or more LEDs as or as an operational parameter. For this purpose, according to an embodiment, each LED is individually spectrally measured before starting up the illumination device, possibly before the installation of the illumination device, ie. H. a so-called reference measurement performed. The measurement of the LEDs is ideally carried out by means of a spectrometer, as this can ensure the required accuracy. A procedure for the reference measurement provides that the individual colors, such as red, green, blue, are successively controlled by means of a normalized PWM signal and individually measured. From the measured data of the preferred three measurements (red, green, blue), the PWM signal of each desired mixed color can be calculated. Calculation parameters derived from the measurement data are then stored in a memory to which the control device has access or which is part of the control device. The normalized PWM signal is preferably set to 100% PWM, i. H. the PWM signal that drives the LEDs with maximum brightness.

Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung ein Streuelement auf, das etwa als Streuscheibe ausgeführt sein kann, das im Strahlengang wenigstens einer der LEDs, vorzugsweise aller LEDs, angeordnet ist und eine Farbverschiebung der ausgegebenen Mischfarbe bewirkt. Die Steuereinrichtung ist hierbei so ausgelegt, dass die Farbverschiebung des Streuelements bei der Korrektur berücksichtigt. Wenn das Streuelement ein fester Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung ist, dann erfolgt die Korrektur als betriebsunabhängiger Parameter. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Streuelement in Form eines betriebsabhängigen Parameters berücksichtigt werden, etwa wenn ein Wechseln des Streuelements im Betrieb vorgesehen oder möglich ist oder um Alterungserscheinungen des Streuelements zu berücksichtigen.Preferably, the illumination device has a scattering element, which can be designed as a diffusing screen, for example, which is arranged in the beam path of at least one of the LEDs, preferably all LEDs, and effects a color shift of the output mixed color. The control device is in this case designed so that the color shift of the scattering element takes into account during the correction. If the scattering element is an integral part of the illumination device, then the correction takes place as a parameter which is independent of the operation. Alternatively or additionally, the scattering element can be taken into account in the form of an operating-dependent parameter, such as when a change of the scattering element is provided or possible during operation or to take into account aging phenomena of the scattering element.

Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung einen Temperatursensor auf, wobei der Temperatursensor und die Steuereinrichtung so ausgelegt und gekoppelt sind, dass die Korrektur als betriebsabhängiger Parameter eine Temperaturausgabe des Temperatursensors berücksichtigt. Die einzelnen Farbchips, etwa die RGB-LEDs, zeigen im Allgemeinen ein unterschiedliches Temperaturverhalten. Um einen Einfluss der Temperaturabhängigkeit der LEDs auf die auszugebende Mischfarbe zu vermeiden oder zumindest zu verringern, werden die PWM-Signale entsprechend der Temperatur korrigiert.Preferably, the illumination device has a temperature sensor, wherein the temperature sensor and the control device are designed and coupled such that the correction takes into account as a function-dependent parameter a temperature output of the temperature sensor. The individual color chips, such as the RGB LEDs, generally show a different temperature behavior. In order to avoid or at least reduce the influence of the temperature dependence of the LEDs on the mixed color to be output, the PWM signals are corrected according to the temperature.

Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung einen oder mehrere Zeitzähler auf, der(die) ausgelegt ist(sind), um die Betriebsdauer einer, mehrerer oder aller LEDs zu messen. Der Zeitzähler und die Steuereinrichtung sind so ausgelegt und gekoppelt, dass die Korrektur als betriebsabhängiger Parameter die gemessene Betriebsdauer berücksichtigt. Ein wesentlicher Alterungsmechanismus hängt mit der Betriebsdauer der LEDs zusammen. Über einen implementierten Betriebsstundenzähler bzw. Zeitzähler lässt sich die Betriebsdauer aufzeichnen, entweder für eine Gruppe von LEDs oder für jede einzelne LED. Die aufgezeichnete Betriebsdauer dient hier als Grundlage einer Korrektur. Der Zeitzähler kann Teil der Steuereinrichtung sein oder die Steuereinrichtung kann auf einen Zeitzähler zugreifen.Preferably, the lighting device has one or more timers that are designed to measure the operating life of one, several or all of the LEDs. The time counter and the control device are designed and coupled in such a way that the correction as an operating-dependent parameter takes into account the measured operating time. A major aging mechanism depends on the operating life of the LEDs together. An operating hours counter or timer can be used to record the operating time, either for a group of LEDs or for each individual LED. The recorded operating time serves as the basis for a correction. The timer may be part of the controller or the controller may access a timer.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung so ausgelegt, dass diese aus der Farbkenngröße einen Farbvektor in einem Ursprungsfarbraum ermittelt und diesen unter Berücksichtigung der Korrektur in einen Ausgabefarbraum transformiert. Die Farbräume können als Vektorräume intern in der Steuereinrichtung dargestellt werden, wobei eine Transformation des Farbvektors, der den gewünschten Farbeindruck charakterisiert, unter Berücksichtigung der Korrektur in den Ausgabefarbraum transformiert wird. Da es hier auf die Erzeugung eines definierten Farbeindrucks ankommt, charakterisieren die Farbkenngröße und der daraus entwickelte Farbvektor den durch das menschliche Auge aufzunehmenden gewünschten Farbeindruck. Somit ist der Ursprungsfarbraum vorzugsweise der CIE-Farbraum (alternative Bezeichnungen: xyY-Farbraum). Der Ausgabefarbraum ist vorzugsweise der RGB-Farbraum, da die Vektorkomponenten des Ausgangsvektors in diesem Farbraum unmittelbar den auszugebenden PWM-Signalen entsprechen.Preferably, the control device is designed so that it determines a color vector from the color characteristic in a source color space and transforms it into an output color space, taking into account the correction. The color spaces can be represented as vector spaces internally in the control device, a transformation of the color vector, which characterizes the desired color impression, being transformed into the output color space, taking into account the correction. Since the production of a defined color impression is important here, the color characteristic and the color vector developed therefrom characterize the desired color impression to be recorded by the human eye. Thus, the source color space is preferably the CIE color space (alternative designations: xyY color space). The output color space is preferably the RGB color space, since the vector components of the output vector in this color space directly correspond to the PWM signals to be output.

Wenn der Ursprungsfarbraum der CIE-Farbraum ist, werden aus der Farbkenngröße die Farbkoordination x und y und die Intensität Y ermittelt. Vorzugsweise werden die Farbkoordinaten als Funktion der Farbkenngröße aus einer vorab erstellten und gespeicherten Tabelle ermittelt und das Tripel aus den beiden Farbkoordinaten und dem Intensitätswert wird unter Berücksichtigung der Korrektur in einen Farbraum transformiert, der den PWM-Signalen zur individuellen Ansteuerung der LEDs entspricht. Die Transformation des Farbvektors erfolgt über eine Berechnung in einem Mikrocontroller der Steuereinrichtung. Die Berechnung, genauer gesagt Teilberechnung, erfolgt während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung, d. h. insbesondere nach der Bereitstellung der Farbkenngröße. Mit anderen Worten findet gemäß dieser Ausführungsform eine Kombination aus Echtzeitberechnung und Tabelle (auch als Look-Up-Table bezeichnet) statt. Der besondere Beitrag zum Stand der Technik begründet sich wie folgt: Ein Mikrocontroller für die Beleuchtungseinrichtung ist gegenwärtig nicht in der Lage, die Umrechnung ohne Look-Up-Tabelle mit genügender Genauigkeit und in entsprechender Zeit durchzuführen; oder der Mikrocontroller wäre ausgesprochen leistungsfähig und damit teuer. Daher müsste die Umrechnung vorab an der Referenzmessstation, an der die Spektralvermessung der LEDs stattfindet, durchgeführt werden und in einer Tabelle gespeichert werden. Die Vorab-Berechnung und Abspeicherung in einer Tabelle erfordert allerdings einen sehr hohen Speicherbedarf, wenn in der Tabelle für jede Farbe ein Zahlentripel gespeichert wird, jeweils der PWM-Wert für rot, grün und blau. Aus der oben dargelegten Verknüpfung von Tabelle und Echtzeitberechnung findet ein ausgezeichneter Kompromiss aus notwendigem Speicherbedarf und notwendiger Rechenleistung statt.If the original color space is the CIE color space, color coordinates x and y and Y intensity are determined from the color characteristic. Preferably, the color coordinates are determined as a function of the color characteristic from a pre-created and stored table and the triplet of the two color coordinates and the intensity value is transformed taking into account the correction in a color space corresponding to the PWM signals for the individual control of the LEDs. The transformation of the color vector takes place via a calculation in a microcontroller of the control device. The calculation, more precisely partial calculation, takes place during the operation of the illumination device, i. H. in particular after the provision of the color characteristic. In other words, according to this embodiment, a combination of real-time calculation and table (also referred to as look-up table) takes place. The particular contribution to the state of the art is based on the following: A microcontroller for the illumination device is currently unable to carry out the conversion without a look-up table with sufficient accuracy and in a corresponding time; or the microcontroller would be extremely powerful and therefore expensive. Therefore, the conversion would have to be performed beforehand at the reference measurement station where the spectral measurement of the LEDs takes place and stored in a table. The pre-calculation and storage in a table, however, requires a very large amount of memory when a number triplet is stored in the table for each color, in each case the PWM value for red, green and blue. From the combination of table and real-time calculation set out above, there is an excellent compromise between necessary memory requirements and necessary computing power.

Die Erfindung ist für alle mehrfarbigen Beleuchtungskomponenten geeignet, für die eine exakte Farbwiedergabe gefordert wird. Wenngleich die Erfindung anhand des Anwendungsfalls eines Automobils erläutert wurde, versteht es sich, dass die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden kann, beispielsweise im Transportbereich allgemein, insbesondere der Luftfahrt und Schifffahrt, im Möbelbau usw. Allerdings ist die vorliegende Erfindung für Fahrzeuginnenräume ganz besonders geeignet, da es hier in ausgesprochen hohem Maße auf eine ansprechende Erscheinung über eine lange Lebensdauer bei hoher Herstellungsproduktivität ankommt. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich. Die dort und oben beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.The invention is suitable for all multi-colored lighting components for which exact color reproduction is required. Although the invention has been explained with reference to the application of an automobile, it should be understood that the invention may be practiced in other fields such as general transport, particularly aeronautics and shipping, furniture, etc. However, the present invention is particularly applicable to vehicle interiors suitable, since it depends here in a very high degree on a pleasing appearance over a long life with high production productivity. In addition, other advantages and features of the invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments. The features described there and above may be implemented alone or in combination insofar as the features do not contradict each other. The following description of the preferred embodiments will be made with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer Beleuchtungseinrichtung. 1 schematically shows the basic structure of a lighting device.

2 zeigt ein Diagramm zur Interpretation der Temperaturkurve bei einer Temperaturabhängigkeit von LEDs. 2 shows a diagram for the interpretation of the temperature curve at a temperature dependence of LEDs.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer Beleuchtungseinrichtung. Diese weist drei LEDs 10, 11, 12 in den Farben rot, grün, blau, eine Steuereinrichtung 1, die mit einem Prozessor 2 und einem Speicher 3 ausgestattet ist, auf. Über ein Bussystem werden eine Farbkenngröße ID und ein Helligkeitsindex, das die auszugebende Mischfarbe in der gewünschten Helligkeit bezeichnet, in die Steuereinrichtung 1 eingegeben. Weiterhin werden die betriebsabhängigen Parameter KD in die Steuereinrichtung 1 eingegeben. 1 schematically shows the basic structure of a lighting device. This has three LEDs 10 . 11 . 12 in the colors red, green, blue, a control device 1 that with a processor 2 and a memory 3 is equipped, up. Via a bus system, a color characteristic ID and a brightness index, which are the referred to mixed color in the desired brightness, in the control device 1 entered. Furthermore, the operation-dependent parameters KD in the control device 1 entered.

RGB-LEDs weisen produktionsbedingt unterschiedliche Charakteristika auf, so dass bei einer Farbmischung große Abweichungen vom gewünschten Farbeindruck entstehen können. Daher wird für eine Mischfarbe ein vom Chip abhängiges PWM-Signal bestimmt. Dazu wird vor Inbetriebnahme der Beleuchtungseinrichtung eine Referenzmessung an den LEDs durchgeführt.RGB LEDs have different characteristics due to their production, so that color mixing can lead to large deviations from the desired color impression. Therefore, a chip-dependent PWM signal is determined for a mixed color. For this purpose, a reference measurement is performed on the LEDs before the lighting device is put into operation.

Das Prozedere für die Referenzmessung sieht vor, dass die einzelnen Farben nacheinander eingestellt werden und jeweils einzeln mit einem Spektrometer vermessen werden. Aus den Messdaten der drei Messungen (rot, grün, blau) kann das PWM-Signal jeder gewünschten Mischfarbe berechnet werden. Die aus den Messdaten abgeleiteten Berechnungsparameter werden im Speicher 3 abgelegt.The procedure for the reference measurement provides that the individual colors are set one after the other and each measured individually with a spectrometer. From the measurement data of the three measurements (red, green, blue), the PWM signal of each desired mixed color can be calculated. The calculation parameters derived from the measurement data are stored in memory 3 stored.

Die bei der Referenzvermessung ermittelten Messdaten werden nach folgendem Schema umgerechnet:
Mit einem normierten PWM-Signal wird einmal die rote, grüne und blaue LED vermessen. Die Helligkeit wird auf 100% PWM normiert, d. h. auf die maximale Helligkeit der LEDs. Als Messergebnis erhält man die drei farbmetrischen Größen im CIE-Farbraum, x, y und Y. Hier beschreiben die Farbkoordinaten x und y die Farbe, Y die Helligkeit oder Intensität. Diese Daten lassen sich in die Tristimuluskoordinaten X, Y, Z umrechnen: Y = 1 / PWM[in Prozent]Y_Messung X = x / yY Y = Y Z = (1-x-y) / yY The measured data determined during the reference measurement are converted according to the following scheme:
With a normalized PWM signal, the red, green and blue LEDs are measured once. The brightness is normalized to 100% PWM, ie to the maximum brightness of the LEDs. The result obtained is the three colorimetric quantities in the CIE color space, x, y and Y. Here, the color coordinates x and y describe the color, Y the brightness or intensity. These data can be converted into the tristimulus coordinates X, Y, Z: Y = 1 / PWM [in percent] Y _Measurement X = x / yY Y = Y Z = (1-xy) / yY

Die Umrechnung erfolgt für jede einzelne Farbe rot, grün und blau. Somit erhält man 9 XYZ Koordinaten. Dies lässt sich als eine 3×3-Matrix schreiben, die eine lineare Abbildung vom XYZ-Raum in den RGB-Raum vermittelt. Die Werte R, G und B entsprechen den Koordinatenachsen im RGB-Farbraum bzw. dem PWM-Signal für die drei Farbkanäle der LED:

The conversion is done for each color red, green and blue. This gives you 9 XYZ coordinates. This can be written as a 3 × 3 matrix that gives a linear mapping from XYZ space to RGB space. The values R, G and B correspond to the coordinate axes in the RGB color space or the PWM signal for the three color channels of the LED:

Wertebereich von R, G, B:

Value range of R, G, B:

Die 3×3-Matrix sei nachfolgend als K bezeichnet:

The 3 × 3 matrix is hereinafter referred to as

K

designated:

Gesucht ist das PWM-Signal R, G, B:

Wanted is the PWM signal R, G, B:

Hier ist K ^–1 die inverse Matrix von K . Die 3×3-Werte von K ^–1 können nun als Referenzdaten auf dem Speicher 3 des Mikrokontrollers hinterlegt werden.Here is K ^-1 the inverse matrix of K , The 3 × 3 values of K ^-1 can now be used as reference data on the memory 3 deposited by the microcontroller.

Die Angabe der Einzeleinträge der Matrix K ^–1 lassen sich nicht in Kurzform darstellen. Ein für die Beleuchtungseinrichtung geeigneter Mikrokontroller wäre nicht in der Lage, die Umrechnung mit genügender Genauigkeit in kurzer Zeit durchzuführen. Daher findet die Umrechnung vor Inbetriebnahme der Beleuchtungseinrichtung, vorzugsweise an der Referenzmessstation statt. The specification of the individual entries of the matrix K ^-1 can not be represented in short form. A suitable for the lighting device microcontroller would not be able to perform the conversion with sufficient accuracy in a short time. Therefore, the conversion takes place before the lighting device is put into operation, preferably at the reference measuring station.

Ausgehend von der Zielvorgabe, aus einem dreidimensionalen Raum, sei es der xyY-Farbraum, der XYZ-Farbraum oder der xRGB-Farbraum (xRGB steht stellvertretend für einen beliebigen geräteunabhängigen RGB-Wert, z. B. sRGB für die Darstellung auf einem Bildschirm), lässt sich eine Umrechnung in den XYZ-Farbraum bewerkstelligen und mit der LED-spezifischen Referenzmessungsmatrix M ^–1 das gewünschte RGB-PWM Signal berechnen. Diese Linearisierung liefert eine gute Genauigkeit.Based on the target of a three-dimensional space, be it the xyY color space, the XYZ color space or the xRGB color space (xRGB stands for any device-independent RGB value, eg sRGB for display on a screen) , a conversion into the XYZ color space can be accomplished and with the LED-specific reference measurement matrix M ^-1 calculate the desired RGB-PWM signal. This linearization provides good accuracy.

Transformation vom xyY-Farbraum in den RGB-Farbraum:

Transformation of the xyY color space into the RGB color space:

Transformation vom xRGB-Farbraum in den RGB-Farbraum:

Transformation of the xRGB color space into the RGB color space:

Für jede Farbe kann in einer Look-Up-Tabelle ein Zahlentripel gespeichert werten, jeweils der PWM-Wert für rot, grün und blau. Über den Datenbus werden ein Farbindex und eine Helligkeitsstufe gesendet, denen ein Vektor im RGB-Raum zugeordnet ist und der aus der Tabelle ausgelesen wird. Dieses Verfahren benötigt einen großen Speicher und hat einen recht hohen Datentransfer, da die gesamte Look-Up-Tabelle bei der Referenzvermessung in den Speicher 3 geladen werden muss.For each color, a number triplet can be stored in a look-up table, in each case the PWM value for red, green and blue. Via the data bus, a color index and a brightness level are sent to which a vector in RGB space is assigned and which is read from the table. This method requires a large memory and has a fairly high data transfer, as the entire look-up table in the reference measurement is in memory 3 must be loaded.

Aus einer Verknüpfung aus Look-Up-Tabelle und dem obigen Berechnungsschema lassen sich die Vorzüge beider Konzepte kombinieren:
Die Kombination sieht vor, in der Look-Up-Tabelle die Farbkoordinaten x und y für jede Farbe abzulegen. Die gemeinsame maximale Helligkeit ist für alle Mischfarben fest vorgegeben. Durch Vorgabe eines Farbindex (FarbID) und einer relativen Helligkeit lässt sich wie bei der Transformation vom xyY-Farbraum in den RGB-Farbraum das PWM-Signal berechnen, nur dass vorab über den Farbindex und die Look-Up-Tabelle die Farbwerte bestimmt werden.The advantages of both concepts can be combined from a combination of look-up table and the above calculation scheme:
The combination provides for the color coordinates x and y for each color in the look-up table. The common maximum brightness is fixed for all mixed colors. By specifying a color index (color ID) and a relative brightness, the PWM signal can be calculated just as in the transformation from the xyY color space to the RGB color space, except that the color values are determined in advance via the color index and look-up table.

Der Speicherplatzbedarf der Look-Up-Tabelle reduziert sich drastisch, da nur noch 2 Datenzeilen je Farbe abgelegt werden müssen. Die Reduktion des Speichers reicht noch weiter. Für das RGB-PWM-Signal müssen 16 Bit aufgelöste Werte abgelegt werden. Die Farbkoordinaten x und y genügen mit einer 10 Bit Genauigkeit. Somit reduziert sich der Speicherbedarf für eine mögliche Look-Up-Tabelle um mehr als 55%.The space requirement of the look-up table is drastically reduced since only 2 data lines per color need to be stored. The reduction of the memory goes even further. For the RGB PWM signal, 16-bit resolved values must be stored. The color coordinates x and y suffice with a 10-bit accuracy. This reduces the memory requirement for a possible look-up table by more than 55%.

Gemäß einer Weiterentwicklung des obigen Verfahrens ist vorgesehen, für die Farbe ein RGB-Triplet über den Datenbus zu senden und einen vierten Wert für die Helligkeit. Nach den Vorgaben wäre dies das anzusteuernde PWM-Signal. Es wären dann weitere Berechnungsschritte notwendig, um eine genügend große Genauigkeit zu erreichen.According to a further development of the above method, it is provided to send an RGB triplet over the data bus for the color and a fourth value for the brightness. According to the specifications, this would be the PWM signal to be activated. Then further calculation steps would be necessary to achieve a sufficiently high accuracy.

Das obige Schema sieht noch keine Korrektur bezüglich Temperatur, Alterung, Farbänderung durch Streuscheiben usw. vor. Dies ist Gegenstand der folgenden Beschreibung:The above scheme does not yet provide any correction in terms of temperature, aging, color change by lenses, etc. This is the subject of the following description:

Korrektur Temperatur Correction temperature

Die Temperaturkorrektur ist eine anzustrebende Maßnahme, da die gewünschte Zielfarbe über einen großen Temperaturbereich konstant sein soll.The temperature correction is a desired measure, since the desired target color should be constant over a wide temperature range.

Das Verhalten bezüglich der Temperatur ist zwar für jede LED-Farbe rot, grün oder blau unterschiedlich, aber relativ zu den Referenzmessdaten ist das Verhalten vorhersagbar. Aus dem allgemeinen Temperaturverhalten lassen sich nun zwei Kalibriermatrizen K ^–1 und M ^–1 für Temperatur T_K und T_M berechnen. Damit lässt sich eine lineare Interpolation durchführen.Although the behavior with respect to temperature is different for each LED color red, green or blue, the behavior is predictable relative to the reference measurement data. From the general temperature behavior can now be two calibration matrices K ^-1 and M Calculate ^-1 for temperature T _K and T _M. This can be used to perform a linear interpolation.

Um die Temperaturkorrektur eines LED-Chips für alle Farben und alle Temperaturen durchzuführen, benötigt man nun nicht eine 3×3-Matrix sondern zwei 3×3 Matrizen und somit 18 Werte.To perform the temperature correction of an LED chip for all colors and all temperatures, you do not need a 3 × 3 matrix but two 3 × 3 matrices and thus 18 values.

Aus theoretischen Überlegungen ist ersichtlich, dass das PWM-Signal einen nicht-linearen Verlauf annimmt. Die notwendige Genauigkeit wird mit einer Linearisierung tendenziell nicht erreicht. Somit wird die lineare Interpolation durch Polynom-Interpolation erweitert. Beispielsweise werden weitere Stützstellen für eine Newton-Polynom-Interpolation oder auch Lagrange-Polynom-Interpolation generiert. Durch eine lineare Stauchung eines Zwischenpunktes wird der lineare Verlauf zwischen T_K und T_M an die bekannte Krümmung angenähert, wie es in 2 dargestellt ist. Somit lässt sich über den gesamten Bereich eine approximierte nichtlineare Temperaturkorrektur durchführen.From theoretical considerations, it can be seen that the PWM signal takes a non-linear course. The necessary accuracy is not achieved with a linearization. Thus, the linear interpolation is extended by polynomial interpolation. For example, further nodes are generated for Newton polynomial interpolation or else Lagrangian polynomial interpolation. By a linear compression of an intermediate point of the linear course between T _K and T _{M is} approximated to the known curvature, as in 2 is shown. Thus, an approximate non-linear temperature correction can be carried out over the entire range.

Die 2 zeigt das oben besprochene Schema. Mit den beiden Stützstellen der linearen Interpolation (die beiden Punkte außen) wird die Stützstelle für die Polynom-Interpolation (mittlere Punkt) bestimmt. Über das bekannte Verhalten der Temperaturkurve wird die Stützstelle modifiziert. Aus den beiden Stützstellen der linearen Interpolation und der korrigierten Stützstelle der Polynom-Interpolation kann der theoretische Verlauf mit minimalem Fehler angenähert werden.The 2 shows the scheme discussed above. With the two nodes of the linear interpolation (the two points outside), the interpolation point for the polynomial interpolation (middle point) is determined. About the known behavior of the temperature curve, the support point is modified. From the two nodes of the linear interpolation and the corrected interpolation point of the polynomial interpolation, the theoretical course can be approximated with minimal error.

Korrektur AlterungCorrecting aging

Die Alterung der LEDs wird wesentlich von ihrer Betriebsdauer bestimmt. Über einen implementierten Betriebsstundenzähler lässt sich die Betriebsdauer aufzeichnen und entsprechend einer Korrekturkurve in die Berechnung ein pflegen. Die Alterung der LEDs wirkt sich hauptsächlich in einer Verringerung der Helligkeit aus. Deshalb wird in dieser Ausführungsform nur die Helligkeit berücksichtigt.The aging of the LEDs is largely determined by their service life. An operating hours counter can be used to record the operating time and to enter it into the calculation according to a correction curve. The aging of LEDs mainly affects a reduction in brightness. Therefore, only the brightness is considered in this embodiment.

Die folgende Tabelle gibt ein Beispiel, wie der vorhergesagte Alterungsprozess abgespeichert und berücksichtigt werden kann: t_R f_R t_G f_G t_B f_B t_R_0 1,000 t_G_0 1,000 t_B_0 1,000 t_R_1 0,984 t_G_1 0,876 t_B_1 0,975 t_R_2 0,841 t_G_2 0,754 t_B_2 0,754 ... ... ... t_R_N 0,754 t_G_N 0,786 t_B_N 0,645 The following table gives an example of how the predicted aging process can be stored and taken into account: t_R f_R T_g F_g t_B F_B t_R_0 1,000 t_G_0 1,000 t_B_0 1,000 t_R_1 0.984 t_G_1 0.876 t_B_1 0,975 t_R_2 0.841 t_G_2 0.754 t_B_2 0.754 ... ... ... t_R_N 0.754 t_G_N 0.786 t_B_N 0,645

Die Helligkeitsabnahme der einzelnen Chips zeigt unterschiedliche Verläufe. Daher sind zur Minimierung der Tabelleneinträge die Stützstellen t_i_n nicht äquidistant zu wählen.The brightness decrease of the individual chips shows different gradients. Therefore, to minimize the table entries, the interpolation points t_i_n should not be chosen equidistant.

Ein Berechnungsbeispiel sei für die Farbe Rot angegeben: Der Betriebsstundenzähler summiert die Dauer entsprechend des PWM-Signals beim Vorgang ”Gehe in Sleep Modus”. t_R_neu = t_R_alt + t[in Stunden]PWM[in Prozent] A calculation example is given for the color red: The operating hours counter sums the duration according to the PWM signal in the process "Go to sleep mode". t_R _new = t_R _old + t [in hours] PWM [in percent]

Aus den Berechnungen für die Temperaturkorrektur ergibt sich R_{ohne Alterung}. Die Alterungskorrektur ergibt sich durch den Faktor in der Look-Up-Tabelle:

From the calculations for the temperature correction, R results _{without aging} . The aging correction results from the factor in the look-up table:

Korrektur Material-Streuscheibe Correction of material diffuser

Wird für eine bestimmte Montageposition im Fahrzeug eine Streuscheibe verwendet, so wird durch das Absorptionsverhalten einer solchen milchigen Streuscheibe nicht nur die Helligkeit reduziert, sondern es erfolgt auch eine Farbverschiebung. Diese Abweichungen bezüglich Farbe und Helligkeit lassen sich durch eine lineare Transformation kompensieren. Das heißt, ist das Material und das LED spezifische Absorptionsverhalten bekannt, lässt sich durch eine Korrekturmatrix das PWM-Signal berechnen.If a lens is used for a certain mounting position in the vehicle, not only the brightness is reduced by the absorption behavior of such a milky lens, but there is also a color shift. These differences in color and brightness can be compensated by a linear transformation. That is, if the material and the LED specific absorption behavior are known, a correction matrix can be used to calculate the PWM signal.

C sei eine 3×3 Materialkorrekturmatrix für die entsprechende Streuscheibe. Die Matrix ist spezifisch für LED-Typ, Material und Materialdicke der Streuscheibe. Die Einträge der Matrix C ergeben sich aus Labormessungen:

C

Let be a 3 × 3 material correction matrix for the corresponding lens. The matrix is specific to the LED type, material and material thickness of the lens. The entries of the matrix

C

result from laboratory measurements:

Im Wesentlichen werden die Einträge c₂₁, c₂₂, c₃₂ von der Einheitsmatrix abweichen, da hier die verschiedenen Helligkeiten gewichtet sind.Essentially, the entries c ₂₁ , c ₂₂ , c _{32 will} deviate from the unit matrix, since the different brightnesses are weighted here.

Die obige Darstellung zeigt, dass sich alle beschriebenen Korrekturen auf lineare Transformationen reduzieren lassen. So ergibt sich ein allgemein gültiges Berechnungsschema, das auf den elementaren Rechenoperationen Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division aufbaut, auch wenn die zugrundeliegenden, physikalischen Abhängigkeiten im Allgemeinen nicht-linearer Natur sind.The above illustration shows that all described corrections can be reduced to linear transformations. This results in a generally valid calculation scheme based on the elementary arithmetic operations addition, subtraction, multiplication and division, even though the underlying physical dependencies are generally non-linear in nature.

Die Berechnungsschemata lassen sich auf einem Mikrokontroller, der CPU 2, in gewünschter Weise kombinieren. Durch die Reduktion auf 18 Referenzdaten ist der Datentransfer auf ein minimales Maß reduziert. Dies bedeutet in einem Serienprozess eine minimale Zykluszeit. Im Falle einer Look-Up-Tabelle lassen sich die Daten in der Tabelle drastisch reduzieren. Anstelle von einem Transfer aller Einträge der Look-Up-Tabelle genügt das Matrix-Doppel, um aus Farbkoordinaten, abgelegt in der Tabelle, das entsprechende PWM-Signal zu berechnen.The calculation schemes can be based on a microcontroller, the CPU 2 to combine in the desired way. By reducing to 18 reference data, the data transfer is reduced to a minimum. This means a minimum cycle time in a series process. In the case of a look-up table, the data in the table can be drastically reduced. Instead of transferring all the entries in the look-up table, the matrix double suffices to calculate the corresponding PWM signal from color coordinates stored in the table.

Das Berechnungsschema lässt sich auch erweitern auf vierfarbige RGBW-LEDs. Hauptanwendung ist die Ambientebeleuchtung im Automobilbereich. Hier können die einzelnen LEDs über ein zu integrierendes BUS-System als Slaves angesprochen werden.The calculation scheme can also be extended to four-color RGBW LEDs. The main application is ambient lighting in the automotive sector. Here, the individual LEDs can be addressed as slaves via a BUS system to be integrated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7014336 B1 [0003]

Claims

Lighting device, preferably for ambient lighting in vehicle interiors, the lighting device comprising: a plurality of LEDs ( 10 . 11 . 12 ) at least partially different color, which are each controlled via a PWM signal; a control device ( 1 ), which is designed to be made of a color characteristic (ID), one of the LEDs ( 10 . 11 . 12 ) indicates mixed color, PWM signals for driving the LEDs ( 10 . 11 . 12 ), wherein the correction takes into account at least one operationally independent and at least one operationally dependent parameter.

Illumination device according to claim 1, characterized in that the correction as a function-independent parameter spectral data of one or more of the LEDs ( 10 . 11 . 12 ) considered.

Lighting device according to claim 2, characterized in that the spectral data, the color characteristic (ID) of each LED ( 10 . 11 . 12 ) for a normalized PWM signal.

Lighting device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a light scattering element in the beam path of at least one of the LEDs ( 10 . 11 . 12 ) and causes a color shift of the output mixed color, wherein the control device ( 1 ) is designed so that the correction takes account of the color shift of the scattering element as a non-operating and / or operation-dependent parameter.

Lighting device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a temperature sensor, wherein the temperature sensor and the control device ( 1 ) are designed and coupled such that the correction takes into account as a function-dependent parameter a temperature output of the temperature sensor.

Lighting device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises time counters which is designed to reduce the operating time of at least one of the LEDs ( 10 . 11 . 12 ), the time counter and the control device ( 1 ) are designed and coupled in such a way that the correction as an operating-dependent parameter takes into account the measured operating time.

Lighting device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 1 ) is designed so that it determines from the color characteristic (ID) a color vector in an original color space and transforms it into an output color space, taking into account the correction.

Lighting device according to claim 7, characterized in that at least three LEDs ( 10 . 11 . 12 ) are provided in the colors red, green, blue and the output color space is the RGB color space.

Lighting device according to claim 7 or 8, characterized in that the original color space is the xyY color space, wherein from the color characteristic (ID) the color coordinates x and y and the intensity value Y are determined.

Lighting device according to claim 9, characterized in that the color coordinates are determined as a function of the color characteristic (ID) from a pre-created and stored table and the triple is transformed from the two color coordinates and the intensity value taking into account the correction in a color space containing the PWM Signals for the individual control of the LEDs ( 10 . 11 . 12 ), wherein the transformation is performed via a calculation after the provision of the color characteristic (ID).