EP2186382A1 - Verfahren und vorrichtung zur einstellung der farb- oder fotometrischen eigenschaften einer led-beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur einstellung der farb- oder fotometrischen eigenschaften einer led-beleuchtungseinrichtung

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EP2186382A1
EP2186382A1 EP08803855A EP08803855A EP2186382A1 EP 2186382 A1 EP2186382 A1 EP 2186382A1 EP 08803855 A EP08803855 A EP 08803855A EP 08803855 A EP08803855 A EP 08803855A EP 2186382 A1 EP2186382 A1 EP 2186382A1
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EP
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led
color
temperature
leds
brightness
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Arnold and Richter Cine Technik GmbH and Co KG
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Arnold and Richter KG
Arnold and Richter Cine Technik GmbH and Co KG
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    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • H05B45/28—Controlling the colour of the light using temperature feedback

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the color or photometric properties of an LED headlight according to the preamble of claims 1, 28 and 48 and a device according to the preamble of claim 54.
  • LEDs light emitting diodes
  • Typical film footage for movies such as "Cinema Color Negative Film” are optimized for daylight with a color temperature of 5600 K or incandescent light with a color temperature of 3200 K and achieve excellent color rendering characteristics with these light sources for illuminating a set
  • these have to be adapted to the optimum color temperature of 3200 K or 5600 K and have a very good color rendering quality, usually the best color rendering level with a color rendering index of CRI> 90 ... 100 required.
  • the mixture can additionally be optimized for the color reproduction properties of the film material or the sensor of a digital camera. If this optimization is not performed, then in the worst case, the correct color location is set, but this with very unfavorable color rendering properties.
  • US 2004/0105261 A1 discloses a method and a device for emitting and modulating light with a given light spectrum.
  • the known lighting device has a plurality of groups of light-emitting devices, each group emitting a predetermined light spectrum and a control device controls the energy supply to the individual light emitting devices so that the total resulting radiation has the predetermined light spectrum.
  • a control device controls the energy supply to the individual light emitting devices so that the total resulting radiation has the predetermined light spectrum.
  • a disadvantage of this method is also not optimal color reproduction in film and video recordings and the lack of ability to set a predetermined color temperature and a precise color location.
  • the individual LEDs or groups of LEDs and the color temperature set in each case it is to be expected that there will be considerable color deviations from Planck's curve, which can only be corrected by presetting corrective filters.
  • the light output is not optimal in a warm white setting the combination of daylight white and warm white LEDs, as this relatively high conversion losses occur due to the secondary emission of the phosphor.
  • a further disadvantage of this method is that to set a warm or daylight white color temperature, a large part of the LEDs of the other color temperature can not be used or only strongly dimmed and thus the degree of utilization for the color temperatures typically required for film recordings is 3200 K or 5600 K only about 50%.
  • an adjustable in the color temperature light source for daylight is known in which at least one white light of a specific color temperature emitting LED with different colored light, in particular in the primary colors red, green and blue, emitting LEDs combined.
  • a specific color temperature or a certain standard light quality can be adjusted by automatically switching on or off a given color temperature or standard light quality by using suitable sensors, logic and software that can detect the current spectral profile of the light source is readjusted.
  • LEDs emit the light emitted by them not monochromatisch with a sharp spectral line, but with a band spectrum with a certain width, so that the emission spectrum of an LED as Gaussian bell curve or as the sum of several Gaussian bell curves can be assumed and the emissions - Spectra of LEDs on the Gaussian distribution can be simulated.
  • Some emission spectra of LEDs as a function of the relative luminance over the wavelength are shown in FIG. 4, which show that the wavelengths of differently colored light-emitting LEDs increase from blue light via green light, amber light up to red light and the shape of the emission spectrum of white light emitting LEDs deviates greatly from the emission spectra of differently colored light emitting LEDs.
  • This deviation results from the white light generation technology based on a blue semiconductor light emitting element provided with a phosphor coating which partially converts the blue light into yellow light, from which a second one in addition to the first smaller peak in the wavelength range of blue light , higher peak in the yellow region of the spectrum results, giving mixed proportions of white light. It can be varied over the thickness of the phosphor coating, the color temperature, so that both yellowish, warm white and daylight white LEDs can be made in this way.
  • LEDs have a strong temperature dependence as bulbs. As the junction temperature increases, the characteristics and characteristics of LEDs change significantly, with the luminance decreasing significantly as the temperature increases. This is due to the fact that at higher temperatures, the proportion of radiationless recombination increases and, with increasing temperature, a shift in the emission spectra to higher-wave regions, ie towards the red spectrum, takes place.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of the relative luminance over the junction temperature of LEDs that emit blue, green and red light and consist of different material combinations. It follows that the temperature dependence of LEDs varies depending on the materials used, resulting in the result has that change the colorimetric properties of a composite of different colored LEDs additively composite light to achieve a specific light color or color temperature.
  • a spectrometer can be provided and used for example in the front lens of a lighting headlamp which measures the spectrum of the light emitted by the illumination headlight, or a color sensor is used in the area of the light exit surface, which registers deviations of the actual color of the headlamp and then detects the intensity and the color locus of the LEDs involved in light generation in a pulse / measurement mode.
  • shifts of the peak wavelengths as well as changes in the height of the peak wavelength can be detected and supplied as actual value variable to a control device whose desired value is the basic setting or basic mixture of the light emitted by the illumination headlight.
  • desired value is the basic setting or basic mixture of the light emitted by the illumination headlight.
  • Object of the present invention is to set the light color, color temperature or the color of a light emitted by an LED headlamp mixture with minimal cost and time regardless of the ambient temperature of the LED headlamp and keep constant. This task is inventively solved by methods having the features of claims 1, 28 and 48.
  • the solutions according to the invention ensure that the temperature, in particular the board temperature of the LEDs, independent adjustment and maintenance of the light color, color temperature or color locus of a light mixture emitted by light source components of different colored LEDs and emitted by an LED headlight with minimal manufacturing and time expenditure.
  • the inventive methods are based on different approaches and allow different Einstellgenaumaschineen with different manufacturing and time to achieve an independent of the ambient temperature of the LED headlight, desired setting of the light color, color temperature or the color location of the light mixture.
  • the production cost and the control or regulation time for the maintenance of the desired light color, color temperature or the color location of the light emitted by the LED headlight mixture is overall considerably less than the production and control time required when using multiple color sensors, since in the inventive method, only one temperature sensor as an actual value transmitter for observing the light color, the color temperature or the color locus of the light emitted by the LED headlight light mixture is required and the control time is minimal depending on the particular method used.
  • the headlight is initially calibrated with an optimum setting of the luminous flux components of differently colored LED color groups for a desired light color of the light mixture emitted by the LED headlamp in a basic setting of the LED headlight.
  • a temperature-dependent recalibration is carried out to correct the luminous flux components of the differently colored LEDs on the light mixture by recalculating the luminous flux components with the temperature-dependent emission spectra of the differently colored LEDs and adjusting them on the headlamp.
  • the emission spectra of the differently colored LEDs are approximated for the respectively measured temperature by means of the Gaussian distribution or via a temperature-dependent normalization of the emission spectra determined in the calibration, which is preferably within the scope of a calibration as well as the recalculation of the luminous flux components based on it Dependent on the temperature takes place.
  • the result namely the luminous flux components of the LED colors in dependency on the temperature, is preferably stored in the table or functional form in the headlight, since in the headlight then no spectra for measuring, approximating and arithmetic are needed.
  • the temperature-dependent intensity factor f L serves to adapt the intensity of the simulated spectrum to the intensity of the spectrum at a specific ambient temperature
  • the spectrum of the spectrum as a function of the temperature is a linear or quadratic function for each LED color.
  • the emission spectrum of the different colored LEDs and thus the light mixture emitted by the LED headlight can Are closer approximated to light, if the dependent on the wavelength of the different colored LEDs emission spectra E ( ⁇ ) according to the formula
  • LED emission spectrum and a temperature-dependent intensity factor f L are simulated.
  • Half width wso are linearly or quadratically dependent on the temperature for all color groups of the differently colored LEDs.
  • the temperature-dependent conversion factor f L (T) represents a normalization factor which relates the approximated spectrum to the measured relative luminance as a function of the temperature.
  • the measured dependence of the maximum spectral radiant power on the temperature can be used for the factor fL (T).
  • the determination of the emission spectrum for white LEDs is a special case, since a white light emitting LED is a blue LED with phosphor coating, so that the emission spectrum has two peaks, namely a peak in the blue and a peak in the yellow spectral range , having. Thus, a simple approximation via a Gaussian distribution is not possible, however, the two peaks in the emission spectrum can be approximated by a respective Gaussian distribution.
  • the emission spectrum for white LEDs is approximated over several Gaussian distributions, preferably over three or four Gaussian distributions.
  • a third Gaussian distribution 495 nm to the measured emission distribution and an even closer approximation of the calculated emission spectrum to a measured emission distribution can be achieved by adding a fourth Gaussian distribution, however As a compromise of maximum accuracy and minimal computational effort, an approximation of three Gaussian functions is sufficient.
  • the methods according to the invention for approximating the emission spectra of the differently colored LEDs to produce the desired light mixture of the LED headlamp have the advantage of a sufficiently accurate approximation of the calculated emission spectra to actually measured emission spectra, taking into account the shift of the peak wavelength and changes in the half-widths, so that the can be readjusted very accurately from the light of different colored LEDs composing light mixture.
  • Comparative measurements have shown that the color temperature after this correction is 28K for tungsten or tungsten and 125K for daylight or daylight at visibility thresholds of 5OK for Tungsten and 200K for Daylight respectively, while without color correction the displacement is 326K for Tungsten and 780K for Daylight and thus in clearly visible area lies.
  • a disadvantage of this approximation of the emission spectra as a function of the ambient temperature of the LED headlight is that three temperature-dependent parameters and, for the special case of white color, nine temperature-dependent parameters and thus a total of 21 temperature-dependent parameters for calculating the individual color groups of the differently colored LEDs Calculation of the current emission spectrum for a readjustment of the system to maintain the desired light color or color temperature of the set at a starting temperature light mixture must be calculated. This is a considerable expense in comparison to the alternative method explained below for approximating the emission spectra of a current temperature via a temperature-dependent shift + normalization of the emission spectra determined in the calibration at an initial temperature.
  • the emission spectra depend on the wavelength of the differently colored LEDs E ( ⁇ ) at a temperature deviating from the starting temperature, the measured temperature of the LED headlamp by a temperature-dependent shift and normalization of the output emission spectra E A according to
  • f L (T) is a temperature-dependent conversion factor representing the relative luminance drop over the entire temperature range (measured luminance of the spectrum relative to the luminance of the output spectrum)
  • ⁇ ⁇ (r) is a temperature-dependent shift of the peak wavelength
  • the emission spectra in the basic setting of the LED headlight which are recorded in the calibration of the LED headlight, shifted by the change of the peak wavelength, then normalized by the factor / ⁇ (T) back to the output luminance of the spectra and finally interpreted with a temperature-dependent factor.
  • the factor f L (T) represents the measured relative luminance drop over the entire temperature range, so that the emission spectra of the suspended output mixture multiplied by the factors f L (T) -J n (T) correspond in their luminance to the actual emission spectra be adjusted at the current temperature.
  • the emission spectra along the wavelength-indicating abscissa are shifted by the value ⁇ ⁇ (r) in the representation of the relative luminance over the wavelength.
  • the advantage of this method for approximating the emission spectra at different ambient temperatures of the LED headlight is that, in contrast to the approximation of the emission spectra via the Gaussian distribution, only 10 parameters to be determined instead of 21 temperature-dependent parameters have to be calculated, resulting in a significantly reduced computational effort and a lower error rate susceptibility leads.
  • a disadvantage compared with the approximation of the emission spectra via the Gaussian distribution is that the peak wavelength shift is less accurate, since the change in the half-width and the edge profile of the emission spectra is not taken into account.
  • the emission spectra deviating from the emission spectra of the differently colored LEDs in the default setting during the calibration of the LED headlight become at an ambient temperature of the LED deviating from the starting temperature in the basic setting -Haswerwerfers converted into a change in the luminous flux components of the respective color groups of different colored LEDs to readjust the light mixture.
  • a program-controlled arithmetic unit is used, into which the determined emission spectra of the LED colors used or the emission spectra of the desired LED lights. Entering colors, setting several optimization parameters and determining the luminous flux components optimized for different target parameters for the differently colored LEDs or delivering them to an electronics activating the differently colored LEDs.
  • the program-controlled computing unit is used to calculate light mixtures based on LEDs of different colors, by using the emission spectra of the different colored LEDs to determine the color properties of light mixtures of the light sources with different luminous flux components as well as to calculate optimized light mixtures for specific types of light. Up to five emission spectra can be selected, imported and the best mix for preset color properties can be calculated using an optimization function. Furthermore, various types of light used in film production, such as incandescent 3200K for artificial light or tungsten and daylight or HMI light 5600K for daylight or daylight can be selected, with further options by entering optimization and target parameters refines the presets can be used to obtain an optimal light mixture.
  • the program-controlled arithmetic unit offers the possibility of the colorimetric properties for To determine a manually adjusted mixture, so that it is possible, for example, to investigate the change of mixtures with equal proportions but different emission spectra.
  • the desired color temperature of the light mixture produced by the differently colored LEDs, the mixed light capability and the reference light type as well as the film material or the camera sensor for which good mixed light capability is to be achieved can be set as the optimization parameters, while the target parameters for optimizing the luminous flux components can be one or more of the parameters Color temperature, minimum distance from the Planckian curve, color rendering index and mixed light capability with film or digital camera and target values and / or tolerance values can be entered for the target parameters.
  • the LED floodlight for temperature-dependent color correction can be set to the newly calculated light mixture.
  • the calculation can be done online in the headlamp, or in advance as part of the calibration and the results obtained (luminous flux components of the LED colors as a function of the temperature) in tabular form or as a function stored in the spotlight internal memory.
  • a luminance measurement with a V ( ⁇ ) sensor additionally takes place according to a further feature of the solution according to the invention, so that from the difference between the actual and desired luminance LED headlamp is matched by a matching increase or decrease in the different colored LEDs supplied electrical power to the luminance setpoint.
  • the dominant wavelength decreases with increasing current
  • the dominant wavelength increases with increasing current with a light mixture, ie an additive composition of the light emitted by an illumination headlight from the light emitted by color groups of differently colored LEDs at a proportionate control of different colored LEDs to achieve a desired light mixture on the current an offset of the dominant wavelength of several nanometers occur, so that the color- temperature of the light emitted by the lighting headlight light mixture would change significantly.
  • a proportionate control of the LEDs and thus the light mixture is not a current control, but via a pulse width modulation with substantially rectangular current pulses adjustable pulse width and intervening pulse intervals, which together result in a period of the pulse width modulation.
  • the proportional control or dimming takes place via a variation of the pulse width of the rectangular signal at a fixed fundamental frequency, so that at a 50 percent dimming of the rectangular pulse has half the width of the entire period.
  • another feature of the inventive solution is to control the luminous flux components for the differently colored LEDs by driving the differently colored LEDs by means of pulse width modulation.
  • This control takes place in conjunction with the previously explained delivery of the luminous flux components for the different colored LEDs from the program-controlled computing unit by delivery of the luminous flux components corresponding pulse width modulated signal components to the different color LEDs driving electronics.
  • the above-described methods for determining the emission spectra in conjunction with the program-controlled arithmetic unit and a pulse-width modulated signal-emitting control electronics enable the direct control of the individual color groups of the differently colored LEDs, without requiring additional input from the user after he has set the optimization and target parameters in the basic setting or calibration of the LED headlight.
  • the temperature-dependent luminous flux components can be deposited in the headlight, which is generally more meaningful and faster.
  • the method for approximating the emission spectra of the differently colored LEDs via a temperature-dependent displacement plus normalization of the emission spectra determined in the calibration in the basic setting of the LED headlight for correcting the color or photometric properties of the LED headlight depending on the ambient temperature thus preferably the method steps
  • the above method steps 1 to 4 can be carried out as part of the calibration and the temperature-dependent luminous flux components can be stored in the headlight.
  • the integration of the program-controlled computing unit for calculating the luminous flux components of the light mixing of the LED headlamp at different ambient temperatures is required and offers the advantage of a very accurate calculation of the luminous flux components of the individual color groups.
  • the various options offered by the program of the program-controlled computing unit for an accurate calculation of the luminous flux components of the light mixture are not negligible Calculation times to take into account, which is unacceptable for some applications, such as a film set, as the LED headlights must be available without interruption.
  • the spectra are not approximated depending on the temperature, but are measured within the calibration with very accurate data.
  • a recalculation of the mixture proportions as a function of the temperature can be made and the temperature-dependent mixing proportions in table or functional form are stored in the headlight.
  • an LED headlamp which is composed of different colored LEDs whose luminous flux components determine the light color, color temperature and / or the color location of the light emitted by the LED headlight mixture and by driving the different colored LEDs be adjusted by means of pulse width modulated signals, depending on the ambient temperature of the LED headlamp that the different colored LEDs are changed depending on the temperature according to the luminous flux components of the individual color groups for the basic setting of the light mixture to a predetermined light color driving pulse width modulated signals.
  • This alternative method provides a very simple solution for color correction at different ambient temperatures and is based on the temperature dependency of the pulse width modulated signals driving the different colored LEDs, with the aim of keeping the relative luminous flux components of the colors involved in the color mixing constant over the entire ambient temperature range.
  • the spectra emitted at a currently detected ambient temperature are adapted to the luminous flux components of the basic spectrally detected output spectra during the calibration of the LED headlight, so that the preset light mixture can continue to be used.
  • the temperature dependence of the pulse width modulated signal components can be determined from the change in luminance. Investigations have shown that the Although different colored LEDs are very different in temperature dependent (LEDs that emit in the long wavelength range of the visible spectrum, fall in the luminance with increasing temperature much stronger than LEDs of the short wavelength range), but this temperature dependence of the luminance over a wide temperature range, the for practical application, for each color in a linear or quadratic function are determined and described.
  • a factor f PWM is obtained for each color group of the differently colored LEDs. If the corresponding proportion of the pulse width modulated signal for the relevant LED color from the basic setting of the light mixture multiplied by the reciprocal of the factor f PWM , this results in the new proportion of the pulse width modulated signal for the relevant LED color at the currently measured ambient temperature.
  • PWM (T) PWM A / W M (T)
  • any deviations in the luminance which can occur after the determination of the luminous flux components of the differently colored LEDs at the currently measured temperature, can be compensated for by carrying out a luminance measurement with a V ( ⁇ ) sensor, the difference between the luminous intensity measured luminance value and a luminance setpoint, and the luminous intensity emitted by the LED mende increase or decrease of the different colored LEDs supplied electrical power to the luminance setpoint is adjusted.
  • An essential advantage of this correction via the normalization of the pulse-width-modulated signal components for controlling the differently colored LEDs is the simplicity of determining the correction factors, since only five parameters have to be calculated via simple functions for a readjustment of the light mixture and subsequently the original components must be evaluated with these parameters. In this case, no calculation via a program-controlled arithmetic unit is required, so that a large portion of the computational and programming costs of the two previously described methods for approximating the emission spectra of the differently colored LEDs and correcting the luminous flux components of the differently colored LEDs is omitted.
  • the correction for color stabilization of the LED headlight can take place continuously, so that stable color properties, such as color temperature, color reproduction, distance from the Planckian curve and mixed light capability are ensured during operation of the LED headlight.
  • the differences in the color values occurring after the correction which are comparable to the Gaussian approximation color deviations mentioned above, are so small that they can be neglected.
  • the output signals of an additional am LED headlights installed color sensor or spectrometer in the determination of the luminous flux components of the color groups of different colored LEDs on the light mixture are considered in the default setting, the output signals of the color sensor or spectrometer to the program-controlled arithmetic unit for determining the luminous flux components or the light flux components corresponding pulse width modulated signals the color groups of different colored LEDs are delivered to the light mixture in the default setting.
  • the RGB or XYZ signals of the color sensor if this is calibrated, on the one hand the color location x, y and calculated from the dominant wavelength of the color and on the other hand, the brightness of the individual LEDs are taken simultaneously to the color values, the current temperature read out by the temperature sensor so that the new measured values can be correlated with the temperature-dependent characteristic curves stored in the memory ( ⁇ p, w50 and brightnesses). From this, the parameters required for Gauss approximation intensity and peak wavelength can be determined, the half-width is compared to the original spectrum approximately considered to be constant.
  • a temperature-dependent power limitation is performed, since the total power of the LED lighting device or the total current supplied to all LEDs of the LED colors must not exceed a predetermined, preferably temperature-dependent limit; because it makes little sense, with increasing temperature and consequently decreasing brightness of the LED lighting device to supply more power in the expectation, so as to compensate for the brightness decrease of single or multiple colors.
  • the temperature continues to increase, so that the luminous efficacy continues to decrease until one or more LEDs are overloaded and thus destroyed or a hardware-controlled current limitation intervenes.
  • the power consumption of the LED headlight and / or the total current supplied to the LEDs is provided, wherein the power consumption of the LED headlight and / or the total current supplied to the LEDs can be limited as a function of the temperature.
  • the brightnesses (Y) of the LED colors converted to the assumed board temperature (Tbl) are stored in the LED illumination device.
  • a device for temperature-dependent adjustment of the color or photometric properties of an LED illumination device with different color LED color groups whose luminous flux components determine the light color, color temperature and / or the color location of the output from the LED lighting device light mixture is characterized by an input device for setting the Light color, color temperature and / or the color location of the light mixture to be emitted by the LED illumination device and the specification of application-specific target parameters and their permissible deviations from an ideal value, one in the housing of the LED illumination device and / or in the region of at least one LED of the differently colored LED Temperature measuring device which outputs a temperature signal corresponding to the measured temperature, a control device for controlling the LEDs of the differently colored LED color groups with pulse width.
  • a memory having stored for each LED color group calibration data for at least one emission spectrum determining value as a function of temperature and a microprocessor connected to the controller and the memory for determining the light flux components for each LED color group corresponding pulse width modulated control signals for driving the LEDs of the LED color groups in response to the output from the temperature measuring device temperature signal.
  • the input device for setting the light color, color temperature and / or the color location of the light mixture to be dispensed by the LED illumination device and for specifying application-specific target parameters and their permissible deviations from an ideal value preferably consists of a mixing device or DMX console.
  • the control device for controlling the LED color groups with pulse-width modulated current pulses has a program-controlled input connected to the microprocessor, a light mixing input connected to the input device, and a sensor and / or calibration input connected to a sensor and / or a calibration hand-held device connected to a supply voltage source.
  • 1 is a schematic representation of the Abgnaung an designed as an LED spotlight or LED panel of different sizes LED
  • FIG. 2 shows a perspective view of a lighting module with a module carrier and a light source connected to the base of a module heat sink;
  • Fig. 3 is a block diagram of a module electronics with similarly constructed
  • Driver circuits 4 shows emission spectra of five differently colored LEDs of a LED
  • FIG. 6 shows a graph of the temperature dependence of the peak wavelength for the LED color groups amber and red (FIG. 6.4 of the DA);
  • Fig. 8 u. 9 is a graphical representation of the temperature dependence of the spectra of incandescent and daylight ( Figures 6.9 and 6.10 of the DA);
  • Fig. 1 1 is a graph of the color temperature shift for incandescent and daylight as a function of temperature ( Figure 6.12 of the DA);
  • FIG. 12 shows a schematic block diagram of a program-controlled computing unit for determining the luminous flux components or pulse-width-modulated signals of color groups of differently colored LEDs (block diagram of Mrs. Krämer);
  • 13 shows a schematic block diagram of the algorithm for color correction by means of spectral approximation via the Gaussian normal distribution without a light sensor
  • 14 shows a graphical representation of the relative luminance over the wavelength in the approximation of the emission spectra by means of Gaussian distribution for the color groups amber and blue;
  • 15 shows a schematic block diagram of the algorithm for color correction by means of spectral approximation via the Gaussian normal distribution with light sensor
  • 16 shows a schematic block diagram of the algorithm for color correction by means of spectral approximation via the Gaussian normal distribution with light sensor and brightness compensation;
  • 17 shows a schematic block diagram of the color correction algorithm by calculating temperature-dependent, optimized mixing ratios for the color temperature settings
  • 19 shows a schematic block diagram of the algorithm for color correction by determining temperature-dependent dimming factors from stored characteristic curves taking into account constant luminous flux components without brightness sensor;
  • 20 shows a schematic block diagram of the algorithm for color correction by determining temperature-dependent dimming factors from stored characteristic curves taking into account constant luminous flux components with brightness sensor;
  • FIGS. 25 to 29 are flowcharts and relative brightness characteristics of an LED color group as a function of board temperature T b for color control by means of temperature characteristics; 24 is an equivalent circuit of the thermal resistance between the LED board and the barrier layer of the LED chips.
  • Figs. 30 and 31 are spectra showing the differences between cold and warm spectra for the 3200K and 5600K setting;
  • FIG. 33 color locus deviation dx, dy (cold-warm) as a function of the target color location x for target color locations x, y along the Planckian curve in the color temperature range between 2200 K and 24000 K;
  • FIG. 34 shows the optimum luminous flux components warm and cold as a function of the color temperature CCT
  • Fig. 38 Brightness-temperature characteristics for yellow and red LEDs and a linear interpolation and extrapolation for the yellow LED for +/- 3nm wavelength deviation
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the schematic structure of an LED lighting device designed as an LED spotlight headlamp 1 with a cylindrical housing 10, in which an LED light source 3 is arranged, which consists of a ceramic board on which Ceramic board in chip-on-board technology Neten differently colored LEDs and mounted on the LEDs potting compound composed.
  • the LED light source 3 is applied with a thermal adhesive directly to a heat sink 1 1 of good heat conducting material such as copper or aluminum, which dissipates the heat emitted by the LEDs of the LED light source 3.
  • An arranged on the back of the LED headlight 1 fan 12 provides additional cooling of the LEDs.
  • the light mixture is effected by a cone-shaped or alternatively cylindrical light mixing rod 13, at the end of which a diffusion plate 14 designed as a POC foil is attached.
  • the LED headlight 1 can be infinitely adjusted between a spot and flood position via a Fresnel lens 15 that can be adjusted in the longitudinal direction of the LED headlight 1.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a lighting module which consists of a quadrangular module carrier 2 designed as a printed circuit board on which module electronics 5 are arranged and which has a recess 21 through which a base 110 of a module 1 protruding above the surface of the module carrier 2 Module heat sink 1 1 is inserted, and which is connected to the bottom with a power strip 16, via which the module electronics is connected to a power control unit.
  • a lighting module which consists of a quadrangular module carrier 2 designed as a printed circuit board on which module electronics 5 are arranged and which has a recess 21 through which a base 110 of a module 1 protruding above the surface of the module carrier 2 Module heat sink 1 1 is inserted, and which is connected to the bottom with a power strip 16, via which the module electronics is connected to a power control unit.
  • a light source 3 with a plurality of arranged on a cuboid metal core board LEDs 4, the light of different wavelength and thus color, a temperature sensor 6 and traces for connecting the LEDs 4 and the temperature sensor 6 to the edges the metal core board arranged from where they are connected via a direct wire or bond connection with the module electronics.
  • the LEDs 4 are composed of several light of different wavelengths, ie different color emitting LEDs.
  • an adjustable by the selection of LEDs light mixture of the different colors is generated, which is still optimized by additional measures such as optical light bundling and light mixing and kept constant by other control and regulatory measures regardless of, for example, the temperature can be to adjust a desired color temperature, brightness and the like.
  • FIG. 3 shows a functional diagram of the module electronics 5 for controlling six LED groups, each with two LEDs 401, 402 connected in series and emitting light of the same wavelength; 403, 404; 41 1, 412; 421, 422; 431, 432; 441, 442 and for controlling the light mixture emitted by the LEDs by a brightness control of the individual LED groups by means of a pulse width modulated control voltage and control of a temperature-stabilized current source for feeding the LED groups.
  • the module electronics 5 includes a microcontroller 50 which outputs six pulse width modulated control voltages PWM1 to PWM6 to six identically constructed constant current sources 51 to 56.
  • the microcontroller 50 is connected to an external controller via a serial interface SER A and SER B and has inputs AIN1 and AIN2, which are connected via amplifiers 60, 70 to a temperature sensor 6 and a home or color sensor 7 of the lighting module.
  • the identically constructed current sources 51 to 56 are very well temperature-stabilized and contain a temperature-stabilized constant current source 57 which is connected to an output PWM1 to PWM6 of the pulse width modulated control voltages emitting outputs PWM1 to PWM6 of the microcontroller 50 and via a resistor 59 to a supply voltage U LEDI to U LED6 are connected.
  • the temperature-stabilized constant current source 57 has its output connected to the anode of the series-connected LEDs of an LED group, each emitting light of the same wavelength, and to the control terminal of an electronic switch 58, on the one hand to the cathode of the series-connected LEDs and on the other hand to ground - potential GND is connected.
  • the temperature-stabilized constant current source 57 is characterized by a fast and clean switching with a switching frequency of 20 to 40 kHz.
  • the different LED chips used in the production technology are supplied with up to six different supply voltages U LEDI to U LED ⁇ .
  • the arrangement of the temperature-stabilized current sources 51-56 on the module carrier of the light module improves the modularity of the system and simplifies the voltage supply.
  • the light module needs only five interfaces, ie one Connection of the light module via five lines, namely two supply voltages V LEDI and V LED2 , ground potential GND and the serial interfaces SER A and SER B with an external controller for higher-level control and regulation of a plurality of similarly constructed lighting modules.
  • 4 shows the spectra of differently colored LEDs in an LED illumination device as a representation of the relative luminance over the wavelength of the light emitted by an LED illumination device. Since LEDs do not emit light monochromatically with a sharp spectral line, but in a spectrum with a certain bandwidth, which can be reasonably assumed to be Gaussian bell curve, the emission spectra of LEDs can be simulated via a Gaussian distribution. 4 shows in solid line the emission spectrum of a white LED, in short dashed line the emission spectrum of a blue LED, in long dashed line the emission spectrum of a yellow or amber LED, in dotted line the emission spectrum of a red LED and in dotted line the Emission spectrum of a green LED.
  • the shape of the spectrum of the white light emitting LED differs greatly from the spectra of the colored light emitting LEDs.
  • the phosphor coating of the blue LED chip partially converts the blue light into yellow light, resulting in the second, higher peak in the yellow region of the spectrum. Mixed, the proportions give white light.
  • the color temperature of the phosphor coating can be varied white light, so that both warm white and daylight white LEDs can be made in this way.
  • Fig. 5 shows the temperature dependence of LEDs in a representation of the relative luminance on the barrier layer or junction temperature T 0 C for different material combinations.
  • the temperature dependence of the LEDs is a major problem.
  • the junction temperature T increases, the characteristics and characteristics of LEDs change significantly.
  • the luminance decreases sharply, and the spectra shift to higher-wave regions, ie to the red light.
  • These temperature dependencies vary greatly depending on the materials used, with the result that also the colorimetric properties of an additive additively emitted from white light and colored light emitting LEDs mixed light composition change.
  • the luminances, peak wavelengths and half-widths of individual LED color groups are considered as a function of temperature applied to an LED of the respective color group and an analysis of the Spectrum and the luminance as well as the color temperature and the color locus of the light mixtures tungsten (Tungsten) and daylight (Daylight), also depending on the applied temperatures, are made.
  • the differently colored LEDs have a different temperature dependence. Those LEDs that emit in the long-wavelength range of the visible spectrum, fall in the luminance with increasing temperature T in 0 C significantly more than the LEDs that emit in the short-wavelength range of the visible spectrum. Thus, the LED colors amber and red have a luminance drop of 128% and 1 16% at 20 0 C to 65% and 75% of the initial value at 60 0 C. The color groups blue and green are significantly less temperature-dependent with respect to the luminance. Since the white LEDs build on the technology of the blue LEDs, also results in a significantly lower temperature dependence of the luminance drop of white LEDs. As with the luminance, the temperature dependence for different LED types also differs for the peak wavelength.
  • Fig. 6 shows an example of the temperature dependence of the peak wavelength for the LED groups .lambda.p Amber and Red and illustrates a shift in the gene Peakwellenlän- .lambda.p with increasing ambient or junction temperature T 0 C in the LEDs. Also with regard to the peak wavelength ⁇ P , the LEDs in the higher-wave visible range such as amber and red are more temperature-dependent than LEDs of the LED groups blue and green, which are far less temperature-dependent.
  • the half-width W 50 of the emitted spectra is linearly dependent on the temperature T 0 C. In contrast to the first two mentioned parameters, the differences between the different LED color groups are not so serious here.
  • the curves of the half-value width W 50 are by way of example of the LED colors Amber and Red above the temperature T in C 0 shown in Fig. 7.
  • the half-width W 50 for the LEDs of the groups blue and green is similarly temperature-dependent as for the groups amber and red.
  • Fig. 1 1 shows the color temperature shift dCCT in K for "artificial light” and “daylight” depending on the ambient temperature T and illustrates that due to the much greater temperature sensitivity of the LEDs in the areas red and amber with respect to the luminance to a blue shift of the light color with increasing Temperature leads.
  • the headlight must be calibrated by determining a base mix for the 3200 K tungsten and 5600 K daylight settings.
  • the proportions, ie pulse widths of a pulse width modulation (PWM) must be determined when controlling the LED color groups.
  • the target color temperature of the LED mix (e.g., 3200K, 5600K)
  • the film material or the camera sensor in which no color cast is to be generated in relation to the reference light type (good mixed light capability), (eg Kodak 5246D, Kodak 5274T) - Reference light type for the camera (eg incandescent lamp 3200 K, daylight 5600 K, HMI, etc.), for which good mixed light capability is to be achieved
  • the reference light type eg Kodak 5246D, Kodak 5274T
  • Reference light type for the camera eg incandescent lamp 3200 K, daylight 5600 K, HMI, etc.
  • the program-controlled computing unit uses genetic algorithms to optimize the mixing proportions of the read-in color spectrums of the LED colors to the following parameters:
  • Minimum distance from Planck's curve i.e., if possible no color cast in the direction of green or magenta visible to the eye
  • the color difference between the determined mixture and the reference light mode must be minimal over the recording medium film or camera.
  • the user can enter permitted deviations or tolerances ⁇ CCT (K), ⁇ C_Planck (color pitch to Planckian curve), ⁇ CRI, ⁇ C_Film (mixed-color chromaticity) in addition to the setpoints.
  • the result of the optimization by the program-controlled processing unit are then the proportions of the LED spectra of the LED colors entered into the program for setting an optimal mixture.
  • the output of the LED mixture ie the dimming factors and luminous flux components for each of the LED colors as well as the colorimetric values for the color locus, the color temperature, the color distance to the Planckian curve, the color rendering index as well as the mixed light capability with film or color Digital camera are also calculated and output.
  • the output values can be used in advance to set or calibrate the headlamp or output directly to the electronics to set the dimming factors or the amount of luminous flux required for the mixture.
  • the board or the junction temperature of the LED chips can according to the invention Various methods are used, which are explained in more detail below with reference to FIGS 13 to 20.
  • FIG. 13 shows a first variant in which the activation of the LEDs of the individual LED colors with pulse width modulation (PWM) takes place online, that is to say by direct input of the temperature-dependent dimming factors, for the individual LED colors to the control electronics of the LEDs or the luminous flux components required for the light mixture are output for each of the LED colors.
  • PWM pulse width modulation
  • the program loop is closed after the LEDs have been actuated by another temperature measurement.
  • FIG. 14 shows a graph of the relative luminance versus wavelength in the approximation of the emission spectra by means of Gaussian distribution for the color groups amber and blue and shows a very good approximation to the respective measured values.
  • the spectrums approximated by the Gaussian normal distribution for each color group are multiplied by the color-dependent correction factors fk determined according to the above formula.
  • the dimming factors for the pulse width modulation of the individual LEDs of the LED color groups of the headlight for the light mixture at the measured temperature are then calculated and the individual LEDs of each LED color group of the headlight with the calculated dimming factors controlled via the control electronics. Also in this program sequence, the program loop is closed by a subsequent re-temperature measurement.
  • the illumination device can be set with the aid of this program sequence to the newly calculated light mixture and the color correction as a result of the changed housing-internal ambient temperature, board or Junctiontemperatur is done.
  • a luminance measurement is carried out with a light or V ( ⁇ ) sensor, with the aid of which the difference between the actual and the desired luminance is determined and the illumination is equalized by a uniform dimming of all color groups to the target value.
  • the advantage of the control program shown in FIG. 15 is that a compensation of aging effects is possible, since a temporal brightness drop can be detected with the light sensor provided in this control program. If, instead of a light or V ( ⁇ ) sensor, an RGB or color sensor or a spectrometer is used as the sensor element, color changes of the individual LED colors of the headlamp can be recorded in addition to changes in brightness.
  • the flowchart shown in FIG. 16 is used to explain a control program for controlling the LEDs of different LED color groups of a headlamp with a brightness compensation of the temperature-dependent light mixture using a light sensor.
  • the program loop is closed by a new temperature measurement.
  • a compensation of aging effects can be provided by a temporal brightness drop is detected by means of a light or V ( ⁇ ) sensor.
  • FIG. 17 shows a flowchart for calibrating an LED headlight, which has a multidimensional table for precalculating the mixing ratios of the light source. mixtures of several LED colors at different temperatures, whereby this calculation takes place in advance outside the headlight.
  • Luminance Yo f (T) determined or measured for each LED color. From this, a spectral approximation via the Gaussian normal distribution takes place for the entire temperature range of the headlight insert.
  • the temperature-dependent optimized light mixtures from the individual LED colors used that is, the dimming factors for the individual LEDs of the LED color groups for NO color temperatures, for example for daylight
  • the program-controlled processing unit shown in FIG. Incandescent and, if applicable, calculated for additional color temperature support points.
  • This calculation is followed by a storage of the temperature-dependent mixing ratios, that is to say the dimming factors for the individual LEDs of the LED color groups of the headlight for the NO color temperature settings.
  • NO color temperature settings can then be based on a control program for controlling the color temperature of a headlight in accordance with the flowchart shown in FIG.
  • Fig. 18 presupposes the determination and storage of calibration data in the microprocessor of the control electronics for the LEDs of the individual LED color groups of the headlamp for NO color temperature bases in the form of a function or in the form of a stored in the memory of the microprocessor function or table, from which the mixing ratio ie the dimming factors as a function of the ambient temperature Tu and the color temperature CCT result.
  • the control program After starting the control program, a measurement of the housing-internal ambient temperature or the board or junction temperature of the LEDs, the LED Color groups or individual LEDs of each LED color group. From the actual value of the temperature measurement, the temperature-dependent dimming factors are determined from the characteristic curves stored in the memory of the control electronics and the LEDs of the individual LED color groups are controlled with the temperature-dependent new dimming factors. Also in this control program, the program loop is completed with a new temperature measurement.
  • FIGS. 19 and 20 show flow diagrams for two further control methods for determining dimming factors for the temperature-dependent light mixtures of the LED color groups of a lighting device without and with the use of luminance measurement with a light or V ( ⁇ ) sensor.
  • the respective dimming factors become the respective dimming factors according to the equation from the temperature-dependent factors Y determined
  • T 0 of the initial or base temperature and T u of the currently measured temperature are controlled with the thus calculated dimming factors PWM (T U ) as a function of the current temperature and the program loop is closed by a new temperature measurement.
  • PWM dimming factors
  • the determination of temperature-dependent light mixtures of the individual LEDs of the LED color groups of the headlamp on the basis of constant luminous flux components can additionally be linked to a luminance measurement by means of a light or V ( ⁇ ) sensor.
  • FIG. 20 shows a flow chart of a control program for determining dimming factors for the individual LEDs of a plurality of LED color groups of a headlight with a temperature measurement and additional luminance measurement by means of a light or V ( ⁇ ) sensor.
  • the calibration data of the brightness Y and the mixing ratio bases in the form of dimming factors stored as a function or table in the memory of the microprocessor of the control electronics is a function of the ambient temperature Tu and the color temperature CCT for the LEDs of the individual LED color groups the lighting device loaded.
  • calibration data warm and cold data, set-light yields, and the like, which are described in more detail below.
  • 21 to 23 and 25 to 29 are flowcharts and characteristics for the relative brightness of an LED color or LED color group as a function of the board temperature T b for a further method for color stabilization of an LED lighting device shown in which the Color control by means of temperature characteristics takes place.
  • the brightness of the LEDs of the individual LED colors depends on the junction temperature of the LEDs or on the measured board temperature Tb, which is measured instead of the hard-to-measure junction temperature on a printed circuit board on which light of different wavelengths or Color emitting LEDs are arranged to a mixed light emitting light source, which is controlled by a module electronics, which is arranged together with the circuit board on a module carrier and forms a light module, which can be summarized together with a variety of other lighting modules to an LED panel.
  • the measured characteristics of the relative brightness Y (Tb) as a function of the board temperature T b in 0 C show a current or power-dependent curve. In all cases, the curve is steepest for higher LED power. This effect is observed both in a direct as well as a pulse width modulated PWM control of the LEDs, as is apparent from the graph shown in Fig. 22, in which the relative brightness in percent on the board temperature T b 0 C at various dimming factors and thus different current levels can be found.
  • the temperature of the board temperature detecting sensor is in practice in the vicinity of the LED chips on the LED board of the light source of a light module as close as possible to the light-emitting LED chips.
  • a thermal resistance is present between the temperature measuring point and the barrier layer of the LED chips, so that the measured temperature value is always lower than the junction temperature.
  • the temperature difference depends on the heat output to be dissipated from the respective LED chip and thus on the recorded LED power. Since the brightness of the light of different wavelength emitting LEDs thus depends on the junction temperature, but the characteristics are recorded only as a function of the board temperature, show the measured characteristic curves of the brightness as a function of the board temperature a current or power-dependent curve.
  • a temperature correction value ⁇ T is inserted, which takes into account the changes in the temperature difference between the temperature sensor and the blocking layer of the LEDs due to changed thermal outputs.
  • This form can bring particular advantage over a polynomial of second degree (formula 1) advantages, even if the electronics has an (unwanted) temperature-dependent behavior and the LED current additionally depends on the temperature.
  • the correction value .DELTA.T depends on the thermal resistance between the temperature sensor and the barrier layer of the LEDs as well as on the currently dissipated heat output or electrical power of the LEDs.
  • the current-dependent correction value ⁇ T can be calculated from the LED currents as follows:
  • the temperature correction value .DELTA.T must be taken into account as well as the parameters a, b, and c individually for each LED color.
  • the current-dependent heat output of the LEDs is determined by the microprocessor from the values U LED * I LED . Since LEDs convert part of the total power into light, the heat output of the LEDs is always lower than the product U * I. This can be taken into account by an additional factor fw
  • the color-dependent correction value ⁇ T is thus calculated as:
  • the measured characteristic curves of the brightness Y (Tb) as a function of the board temperature Tb according to FIG. 22 show a current or power-dependent curve. In all cases, the curve is steepest for higher LED power. This effect is seen in both DC and PWM driving of the LEDs and for both AIInGaP and, to a lesser extent, InGaN materials. This effect is due to the fact that the temperature sensor for practical reasons near the LEDs on the LED board, as close to the light-emitting chips, is located. Nevertheless, there is a thermal resistance between the temperature measuring point and the barrier layer of the chips. The measured temperature value is therefore always lower than the junction temperature. The temperature difference depends per chip on the heat dissipated per chip heat output and thus on the recorded LED power, as the equivalent circuit of the thermal resistance between the LED board and barrier layer of the chips shown in FIG.
  • the characteristic curves are only recorded as a function of the board temperature, the measured characteristic curves brightness as a function of the board temperature show a current or power-dependent curve.
  • a temperature correction value .DELTA.T is inserted, which takes into account the changes in the temperature difference between the temperature sensor and barrier layer due to changes in heat outputs.
  • the correction value .DELTA.T depends on the thermal resistance between the sensor and the barrier layer as well as on the momentarily dissipated heat output or electrical power of the LED module. It can either be calculated from these quantities, if known, or it can be determined from measurement series with different electrical powers.
  • the temperature correction value .DELTA.T must be taken into account as well as the parameters A, B, C and D individually for each LED color.
  • the current-dependent heat output of the LEDs is determined by the microprocessor from the values U LED * I LED . Since LEDs convert part of the total power into light, the heat output of the LEDs is always lower than the product U * I. This can be taken into account by an additional factor fw:
  • the color-dependent correction value ⁇ T is thus calculated as:
  • the measured behavior can be reconstructed very well, as the graph shown in FIG. 23 shows using the example of a yellow LED.
  • the brightness-temperature characteristics are normalized to a "working temperature" Tn, which represents, for example, the typical operating temperature in the warm state.
  • the thermal resistance Rw and the correction factor fw needed to determine the heat output of the LEDs. Often these values are unknown. Since the heat output of the LEDs is directly proportional to the electrical power of the LEDs and thus directly proportional to the dimming level of the LEDs, formula 4 can be rewritten as follows:
  • the relative brightness of the LED colors with formulas 5 and 6 can be calculated during headlight operation from the current values of the board temperature Tb and the individual LED dimming levels PWM:
  • Y (Tb) A + B * (Tb + ⁇ T-Tn) + C * (Tb + ⁇ T-Tn) 2 + D * (Tb + ⁇ T-Tn) 3
  • the parameter E1 can be determined from the value E determined for formula 6 by dividing E by the forward voltage U Fref of the LED module used for its determination.
  • the flowchart shown in FIG. 25 is used to determine the temperature characteristics of an LED module, the determination of the temperature characteristics being carried out on a random basis.
  • the determined characteristic curves are then transferred to all LED modules and stored in their memory. Before saving, a conversion explained below (interpolation / extrapolation) of the characteristic parameters to the individual dominant wavelengths can be taken into account.
  • the parameters a and b represent a linear approximation function of the shape
  • the parameters a and b or a, b, c and a, b, c, d are stored in the LED modules, in a central control device of the LED lighting device or in an external controller.
  • the flowchart shown in FIG. 26 shows the sample determination of calibration correction methods for the LED modules which are required in the operation of the LED illumination device for rapid individual brightness calibration of the LED modules.
  • the calibration correction factors describe the steady state brightness factor versus the brightness measurement value shortly after the LED lighting device is turned on, and are sampled for each LED color.
  • the brightness Y is measured as a function of the board temperature T bca ⁇ for each LED color immediately after switching on and stored as value Y (T bca ⁇ , to).
  • kYcal Y (TbI, t1) / Y (Tbcal, t ⁇ )
  • Fig. 27 is a flow chart for the brightness calibration of an LED module which serves to store the brightnesses of the LED colors in each individual LED module.
  • the module electronics of the LED module can read these from the memory and compensate.
  • the colors of all LED modules of an LED lighting device (such as a headlamp) light up brightly when an external controller of the LED lighting device sets desired brightness signals for the different LED colors.
  • the brightness Y and the board temperature T b for each LED color is measured immediately after switching on the LED illumination device or the LED module and as value Y (T bca ⁇ , t 0 ) filed.
  • the factor kY ca ⁇ corresponding to the Kalibrierkorrekturizien according to the flowchart of FIG. 26 determined.
  • the home temperatures of the LED colors converted to the board temperature T b1 are stored in the respective LED module.
  • the flow chart illustrated in FIG. 28 represents the method for color calibration of the LED illumination device or of a headlight.
  • the measurement of the spectrum and, derived therefrom, the brightness Y as well as the standard color value components x, y are carried out for each LED color of the headlight.
  • the calibration data x, y and Y (T b i) are stored for each LED color in the headlight.
  • the calculation of the optimum luminous flux components of the LED colors from the measured spectra for N color temperature support points by means of the program-controlled computing unit described above.
  • the luminous flux components of the LED colors for N color temperature support points are stored in the memory of the headlamp and / or the luminous flux components of the LED colors in tabular form depending on the target color location, i. H. the standard color value components x, y are stored.
  • 29 shows a flow chart of the color control of a LED lighting device designed as a headlight.
  • a temperature-dependent power limitation is performed, since the total power of the LED lighting device or the total current supplied to all LEDs of the LED colors must not exceed a predetermined, preferably temperature-dependent limit value; because it makes little sense, with increasing temperature and consequently decreasing brightness of the LED lighting device to supply more power in the expectation, so as to compensate for the brightness decrease of single or multiple colors.
  • the temperature continues to increase, so that the luminous efficacy continues to decrease until one or more LEDs are overloaded and thus destroyed or a hardware-controlled current limitation intervenes.
  • the PWM factors PWM A of the LED colors for the desired color location and the brightness are determined, if appropriate, by means of interpolation.
  • the board temperature T b is measured, and in a third step, the temperature-dependent PWM correction factors for each color are measured from the characteristics stored in the memory
  • a fourth step it is checked whether the total power P supplied to the LED lighting device is new or the individual LED current l new exceeds a predetermined maximum value P max or l max . If this is the case, a cut-off factor kCutoff for current or power limitation is determined, which is valid for all LED colors and accordingly
  • the basic brightness of the color channels measured during calibration is used for internal brightness correction of the LED modules. This calibrates the brightness tolerances of the LED chips as well as tolerances in the electronics. From these values, the color-dependent brightness correction factors kY are then determined and stored as part of the calibration of the LED illumination system. The brightness values determined for each color during the calibration are converted to the working temperature T n via the temperature characteristic curves determined in advance as representative in the laboratory.
  • the internal basic brightness levels Y are read from all connected LED modules and the brightness correction factors kY for all LED modules are calculated and stored based on the LED module with the lowest brightness. They are used for internal brightness correction of the LED modules.
  • the PWM commands received from an external controller are internally multiplied in the LED modules with the brightness correction factor kY, so that all connected LED modules represent the desired color with the same brightness.
  • the brightness correction factors kY are calculated during the calibration of the LED illumination device for each channel as follows:
  • Y mm is the minimum of the basic brightness Y of all connected LED modules.
  • the polynomial coefficient a is 1. Since the temperature characteristics depend on the peak current, in the case of a Peak current switching to the respective parameter set are used. On the working temperature T n all brightness-related calibration data are normalized.
  • the maximum junction temperature of the LED chips indicates the value stored in the LED illumination for a switch-off temperature or a maximum board temperature which must be below the limit value for the maximum junction temperature of the LED chips.
  • the total power of the LED module must be uniformly reduced until the board temperature T b is less than or equal to T max .
  • the power reduction takes place via the color-independent power factor k P.
  • the following procedure is used to calculate the module-internal dimming factors or PWM signals.
  • Y (Tb, PWM) 1 + B * (Tb - Tn + dT) + C * (Tb - Tn + dT) 2 + D * (Tb - Tn + dT) 3
  • Y (Tn) 1 + B * dT + C * dT 2 + D * dT 3
  • the power reduction takes place via the color-independent power factor k P.
  • the time constant t P (% / s) describes the speed for the power reduction and m its slope.
  • the headlight can be switched off when the limit or Shutofftem- temperature is exceeded instead of dimmed, if no brightness change is allowed during operation. In this case is
  • PWMtheo PWMs 0 Ii * kT * kY
  • All connected LED modules receive the command SetGroupBrightness from a central power control unit, which tells them the relative brightness of the temperature-induced darkest LED module in the headlight. All other LED modules adjust their brightness to this brightness to avoid temperature-induced brightness gradients.
  • each LED module sends its displayable relative brightness Y r ei, M odu l to the central power control unit (temperature-related) the brightness of the darkest LED module is determined and these as Y r ⁇ ⁇ , G r oup to all LED Module 20 sends so that they can equalize (reduce) their brightness:
  • Each LED module adjusts its brightness to the group brightness.
  • the factor k Gra up for the group adjustment is calculated as follows; the default value for kcroup is 1
  • PWM (internal) PWM soN * kT * kY * Y re ,, M ⁇ du i * k Graup
  • the relative luminous flux ratio calculated for any color or color mode is therefore related to a maximum LED power P max (W), which is stored in the memory of the headlamp.
  • the temperature compensation implemented in the LED modules according to the methods described above only compensates for the brightnesses and ensures that the relative luminous flux components of the color mixture remain constant over the temperature.
  • the in Figs. 30 and spectra represented 31 illustrate the differences between the cold and warm spectra for the setting 3200K (Fig. 30) and 5600K (Fig. 31) were measured at NTC temperatures of 7O 0 C and 25 0 C and the previously implemented with the Method of constant luminous flux components occur.
  • the temperature-related color shift does not run exactly along the Planckian curve, especially at low color temperatures occur deviations of up to 5 threshold units from the Planckian curve. For this reason, not only the CCT deviation but also the color locus deviation (dx, dy) is compensated according to the invention.
  • FIG. 32 shows the CCT deviation cold-warm as a function of the color temperature
  • FIG. 33 the chromaticity deviation dx, dy (cold-warm) as a function of the target color location x for target color spaces x, y along the Planckian curve in the color temperature range between 2200 K and 24000 K
  • Fig. 34 the optimum luminous flux components warm and cold as a function of the color temperature CCT.
  • the compensation algorithm for the color temperature correction can be determined experimentally or mathematically.
  • the optimum luminous flux components for various CCT points in warm operating condition (T N ⁇ c warm ), and the brightness-temperature characteristics are determined for a headlamp and the headlamp in the cold state (T NTC ka i t ) to different target Farbtemepraturen set.
  • T N ⁇ c warm the optimum luminous flux components for various CCT points in warm operating condition
  • T NTC ka i t the brightness-temperature characteristics
  • the thus obtained approximation function represents the applicable color temperature correction .DELTA.CCT ka ⁇ t depending on the target color temperature for a cold headlight.
  • the NTC temperature in operation between T NT c is warm and T NTC ka i t lie.
  • the color temperature correction ⁇ CCT ka ⁇ t (CCT Zie i), which is determined as a function of the target color temperature, is linearly interpolated in accordance with the current T NTC value:
  • , TNTC) ⁇ CCTcold (CCTz ⁇ el) / (TNTC warm - TNTC cold) * (TNTC - TNTC cold)
  • the software then provides the headlamp with the color temperature corrected by the value ⁇ CCT (CCT z , e ⁇ , T NTC ).
  • the method of color temperature correction leads to correct similar color temperatures of the emitted light at different NTC temperatures. However, it is not able to compensate for any additionally occurring color deviations from the Planckian curve, since the color shift to be compensated by the temperature-induced shift of the dominant wavelengths is rarely coincidentally exactly along the Planckian curve.
  • the optimum luminous flux components can also be determined for the cold operating state and the correction function can be determined on the basis of the spectra or the measured data of the headlamp in the warm operating state.
  • this compensation method is easy to perform, but works for the correction of the color location, for example, for maximum brightness. However, it does not provide optimum luminous flux components and poses the risk of CRI deterioration. In addition, it is only for a color temperature setting, but not for any color, eg for effect colors, applicable.
  • This compensation method requires two correction functions for the standard color value components x and y.
  • the correction functions for the color locus correction can be carried out analogously to the Equal algorithm for the color temperature can be determined either experimentally or mathematically.
  • determined as a function of the target color location t (CCT Z ⁇ e ⁇ ) are linearly interpolated according to the current T NTC value:
  • ⁇ X, ⁇ y (CCTziel, TNTC) ⁇ X, ⁇ y ⁇ ⁇ a
  • the software then gives the headlamp the values corrected by the values ⁇ x (CCT Z ⁇ e ⁇ , T NTC ) and ⁇ x (CCT Z ⁇ e ⁇ , T NTC )
  • the optimum luminous flux components for the cold operating state can be determined as an alternative and the correction functions can be determined on the basis of the spectra or the measured data of the headlamp in the warm operating state.
  • the method of color locus correction described leads to correct color locations along the Planckian curve of the emitted light at different NTC temperatures. Desired color temperatures can thus be set exactly along the Planckian curve.
  • This compensation method gives the best color rendering index (CRI), represents the most accurate (x, y) method for color rendering optimized and brightness optimized blends, the most accurate (x, y) blend method, and is applicable to any color.
  • CRI color rendering index
  • the time spent during headlamp calibration increases only marginally. Without the use of this compensation method, the headlight would be in warm and thus calibrated in a typical operating condition, wherein the time required for the calibration consists essentially of the insertion of the headlamp into the measuring device, connection of the headlamp to the supply and control units and the start of the calibration software and the heating time to the calibration temperature T NTC warm .
  • the actual acquisition of the spectra takes place within seconds.
  • the "cold spectra" are only recorded before the beginning of the heating phase and processed accordingly by the software, which can take place within a few seconds and requires no additional activities from the user.
  • This method can be used for the following modes:
  • the spectra of the primary colors are recorded in the cold (T NTCka i t ) and warm (T NTC warm ) state, and the optimum luminous flux components of the LED colors used for some CCT support points are calculated and stored in the headlight or control unit:
  • Yrel (CCT, TNTC) Yrel_cold (CCT) + (TNTC - TNTC cold) * (Yrel_warm (CCT) - Yrel_cold (CCT)) / (TNTC warm - TNTC cold)
  • the mixtures of the two CCT interpolation points are calculated as described above for the current NTC temperature and then interpolated between the two CCT interpolation points in such a way that the desired target color temperature is achieved , b. Adjustment of any color locations or effect colors with the best possible luminous efficacy or brightness, ie brightness-optimized.
  • any brightness-optimized color loci which can be both "white” color bars with an arbitrary color temperature and any effect colors that lie within the displayable LED gamut, according to the laws of additive color mixing only the standard color values X, Y, Z
  • the standard color values X, Y, Z can be calculated from the chromaticity coordinates x, y and the brightness-proportional value Y using the well-known formulas of the colorimetry, so that it suffices to set the values x, y and Y in To know dependence on the NTC temperature.
  • the standard color value components are calculated from the “cold spectra” and the “warm spectra” of the LED primary colors and stored together with the brightness value Y in the memory of the headlight or control unit:
  • the required color values of the primary colors can be calculated by linear interpolation depending on the current NTC temperature:
  • X (TNTC) Xkalt + (TNTC - TNTC cold) * (Xwarm - Xcold)
  • y (TNTc) Ykalt + (TNTC - TNTC cold) * (ywarm - Ykalt)
  • the LED power of the same color LEDs can vary due to the flux voltage tolerances because the temperature difference between the value measured at the NTC and the blocking layer of the LEDs depends on the forward voltage, a correction is carried out. in which the power-dependent temperature correction is calculated individually for each LED module as a function of the individual LED forward voltages UF.
  • the individual forward voltage UF also depends to a small extent on the temperature. It can either be considered approximately constant and e.g. is measured and stored once during calibration, or it is measured by the microcontroller in a more accurate way during headlight operation or the value determined during calibration is corrected as a function of the current NTC temperature.
  • the data sheets of the LED manufacturers contain the corresponding data dUF / dT.
  • Y (T_NTC) 1 + B t emp * (T N ⁇ c -Tn + dTpwwi o) + C t emp * (T N ⁇ c -Tn + dTpwwi o) 2 + D t emp * (T N ⁇ c -Tn + dTpwwi o) 3
  • T_NTO 1 + B 1 * (T NTC -Tn) + C 1 * (T NTC -Tn) 2 + D 1 * (T NTC -Tn) 3
  • T _ NTC 1 + B 1 * (T NTC -Tn + dT) + C 1 * (T NTC -Tn + dT) 2 + D 1 * (T NTC -Tn + dT) 3
  • a correction or adaptation of the stored temperature coefficients as a function of the dominant wavelength, in particular for AlInGaP chips (amber, red), is carried out, the characteristic curves being individual for each LED module Wavelengths are adjusted.
  • the polynomial parameters A ... E are determined for each color as a function of the dominant wavelength.
  • the spectra of the LED colors and the associated NTC temperature are detected. This can be done in the context of module calibration and selection and is usually no additional effort.
  • the spectrum becomes the dominant wavelengths per color calculated.
  • the polynomial parameters A... E determined beforehand on individual modules are corrected in accordance with the deviation of the individual dominant wavelengths of the module to be calibrated from the dominant wavelength of the module from which the characteristic curves were determined.
  • the conversion of the polynomial parameters to a particular dominant wavelength LED can be done by linear interpolation of the polynomial of two known curves of two LEDs of different dominant wavelengths to the new dominant wavelength.
  • the most accurate results are obtained when the dominant wavelengths of the original curves and the dominant wavelength to be converted are as close as possible to each other. It is not allowed to interpolate between given curves of different LED technologies like AIInGaP and InGaN.
  • the curve including the polynomial parameter A ... D for a polynomial 3rd degree for a yellow LED with dominant wavelength I_dom_gelb1 then additionally the curve including the polynomial parameter A ... D is required for a similar LED with a different dominant Wavelength I_dom_gelb2 (with slightly greater uncertainty also orange or red).
  • the polynomial parameters A ... D for a yellow LED with dominant wavelength I_dom_gelb3 are then obtained by linear interpolation of the polynomial parameters for the curves with I_dom_gelb1 or I_dom_gelb2 in dependence on the wavelength difference.
  • the brightness-temperature characteristics dependent on the pulse width modulation were used for the color and brightness stabilization, and the luminous flux components of a color mixture calculated for the warm operating state were kept constant for different NTC temperatures.
  • a "power normalization” has been introduced to keep the maximum LED power for each color mixture constant when the warm operating state is reached, thus preventing premature overshooting or exceeding of a shutdown temperature using power normalization (eg 5 W LED power per module) an individual "internal" power dimming factor is calculated and applied for each set color mixture.
  • Each color mixture can thus be adjusted with optimum brightness or optimum internal dimming factor without the Shutofftemperatur is reached or exceeded in normal environmental conditions.
  • the power normalization is done specifically for the warm operating state, because here, because of the negative brightness temperature characteristic of the LEDs, a higher LED current or a higher LED power must be applied to keep the brightness of the headlamp over the temperature constant. At temperatures below the switch-off temperature, the headlamp automatically operates at lower power. In order to keep the brightness constant without ever having to set a power higher than Pmax, this maximum power may only be achieved at the switch-off temperature.
  • each set color location could be set with the highest possible as well as the constant brightness operating temperature.
  • the measured brightness changes per color locus varied less than 1% between cold and warm.
  • the disadvantage is that changed due to the spectral shift of the LED primary colors used on the operating temperature of the set color location.
  • the extent of color change was hanging from the color location and the respective color mixture and was in the order of 300 K between cold and warm, with the color temperature decreased at higher temperatures, since the effect of the temperature-dependent Spektralshift especially the AIInGaP LEDs is pronounced in the yellow to red color range.
  • the change in the dominant wavelength in dependence is about 0.1 nm / K for yellow, orange and red AlInGaP LEDs.
  • the remedy was provided by the above-described compensation of the temperature-dependent spectral shift essentially by duplication of the calibration data for the warm to the cold state and temperature-dependent linear interpolation. This algorithm was able to dramatically improve color consistency over the operating temperature.
  • the compensation of the spectral shift sometimes caused massive luminous flux changes of a set color to well over 10% between the cold and warm operating states.
  • the extent and direction of the change in brightness depend on the selected color location or the color mixture and thus could not be readily determined or compensated.
  • the associated luminous efficiencies for the warm operating state ⁇ N ⁇ c_ warm (CCT, T NT c_ warm are also calculated and stored in the memory
  • Luminous efficacy Setan Each headlamp ensures that the set color (CCT or x, y) is correct due to the module-internal temperature compensation and the calibration data Y, x, y (per color) stored in the headlamp. In a set consisting of several headlamps then all headlights have the same color - but possibly different brightnesses.
  • both the color location and the luminous efficacy of the LED primary colors used can vary from headlight to headlight, since the optimum luminous flux components for cold and warm operation are available for setting color rendering-optimized color temperatures for each headlight for different CCT support points - was determined and deposited. These optimum luminous flux components and associated luminous efficiencies may vary from headlamp to headlamp due to LED tolerances. Different headlights therefore require individual LED mixtures in order to be able to set the desired color location safely.
  • a brightness adjustment function is required, for example by the controller, in which the brighter spotlights for each color are set to the lowest brightness within the set. ie to reduce.
  • the light output in the warm state is additionally calculated and stored for the color mixtures of all CCT support points.
  • the lowest light output of all the headlamps belonging to the set is determined for each CCT base and stored as set light output of the CCT base in all headlamps. From this, the set-light yield correction factor is determined during operation as a function of the CCT and the current NTC temperature
  • k ⁇ Set (CCT, T NTC ) ⁇ set (CCT, T NTC warm) / ⁇ (CCT, T NTC ) determined and multiplied the determined PWM shares, ie all headlights are set per CCT base to the brightness of the lowest light output within the set.
  • This method opens up two options:
  • any CCTs with maximum possible brightness The brightness of a set CCT is constant both within all headlights of a set and over the temperature. When changing the CCT, however, the brightness may change according to the associated set-light output.
  • T N ⁇ c warm NTC temperature for warm operating condition T NTCka i t NTC temperature for cold operating condition ⁇ Set f (CCT) Set light output for warm operating condition
  • PWMi Y re i, / Y100, PWM signals for setting the luminous flux components
  • Total brightness ⁇ PWMi * Y100, total brightness of the current mixture before
  • Total power ⁇ PWMi * P100, total power of the current mixture before correction
  • the set match may be e.g. within the calibration. All the bill heads of a production series could also be considered as a set. In addition, all sets of a production series would represent the desired CCTs with the same brightness.
  • the set can also be adopted by the controller. It reads in the corresponding headlight calibration data, determines the minimum set light efficiencies and saves these as set calibration data in the calibration data.
  • the set procedure is as follows:
  • the controller reads from all connected headlights:
  • k ⁇ Set (CCT, T NTC ) ⁇ Set min / ⁇ (CCT, T NTC ).
  • the determined PWM signals are multiplied by the set light output correction factor k ⁇ Set (CCT, T NTC ).

Abstract

Ein Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlenden LEDs oder LED-Farbgruppen, die innerhalb einer Farbgruppe Licht derselben Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlen, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort der von der LED- Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen, ist gekennzeichnet durch Messung der Boardtemperatur und/oder der Junctiontemperatur mindestens einer LED, - Ermittlung mindestens eines temperaturabhängigen Wertes, der die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(?) der verschiedenfarbigen LEDs bei der gemessenen Temperatur bestimmt aus Kalibrierdaten, die für jede der verschiedenfarbigen LEDs gespeichert sind, Ermittlung der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs für eine die vorgegebene Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort bei der gemessenen Temperatur aufweisende Lichtmischung in Abhängigkeit von dem ermittelten mindestens einen temperaturabhängigen Wert und Einstellung der ermittelten Lichtstromanteile an den verschiedenfarbigen LEDs.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften eines LED-Scheinwerfers gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 , 28 und 48 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 54.
Es sind Beleuchtungsscheinwerfer mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) bekannt, die beispielsweise als Kameraaufsatzlicht für Film- und Videokameras eingesetzt werden. Da die hierfür eingesetzten LEDs entweder die Farbtemperatur „tageslichtweiß" oder „warmweiß" aufweisen, ist eine stufenlose bzw. exakte Ein- oder Umschaltung von einer warmweißen auf eine tageslichtweiße Farbtemperatur mit definierten Normfarbwertanteilen nahe oder auf dem Planckschen Kurvenzug nicht möglich und bei beiden Varianten die Farbwiedergabe bei Film- und Videoaufnahmen unbefriedigend.
Typische Filmmaterialien für Filmaufnahmen wie „Cinema Color Negativ Film" sind für Tageslicht mit einer Farbtemperatur von 5600 K oder für Glühlampenlicht mit einer Farbtemperatur von 3200 K optimiert und erreichen mit diesen Lichtquellen zur Beleuchtung eines Sets hervorragende Farbwiedergabeeigenschaften. Werden bei Filmaufnahmen andere künstliche Lichtquellen zur Beleuchtung eines Sets eingesetzt, so müssen diese zum einen an die optimale Farbtemperatur von 3200 K bzw. 5600 K angepasst sein und zum anderen eine sehr gute Farbwiedergabequalität aufweisen. In der Regel wird hierfür die beste Farbwiedergabestufe mit einem Farbwiedergabeindex von CRI > 90 ... 100 gefordert.
Für einen LED-Scheinwerfer bestehend aus mehr als 3 LED-Farben gibt es unendlich bzw. nur durch die Auflösung der Ansteuerung begrenzt viele Möglichkeiten, um einen gewünschten Far- bort wie z.B. x/y = 0,423 / 0,399, CCT 3200 K durch Mischung der verwendeten Grundfarben einzustellen. Je nach Mischungsverhältnis kann dabei auf verschiedene Parameter wie Lichtausbeute oder Farbwiedergabe optimiert werden. Bei einem vorwiegend für Film- und Fernsehaufnahmen eingesetzten Scheinwerfer kann die Mischung zusätzlich auf die Farb- Wiedergabeeigenschaften des Filmmaterials bzw. des Sensors einer Digitalkamera optimiert werden. Wird diese Optimierung nicht vorgenommen, so wird im ungünstigsten Fall zwar der korrekte Farbort eingestellt, dies aber mit sehr ungünstigen Farbwiedergabeeigenschaften. Besonders auf Grund der schmalbandigen Spektren der LED-Farben wie Blau, Grün, Rot, entstehen so leicht Spektren mit inakzeptabler Farbwiedergabe. Oder aber Spektren mit zwar guten bis sehr guten Farbwiedergabeeigenschaften (CRI >= 90), welche aber bei Aufnahmen mit Film oder Digitalkameras erhebliche Farbstiche im Vergleich zu gängigen Lichtquellen wie Halogenglühlampen oder Tageslicht erzeugen.
Aus der Farbmetrik kann abgeleitet werden, dass für solche aus schmalbandigen LED-Spektren, ggf. auch in Kombination mit Leuchtstoff-LEDs erzeugte Gesamtspektren nie gleichzeitig alle für die Film- und Videobeleuchtung relevanten farbmetrischen Werte (Farbort, Farbwiedergabeindex sowie Mischlichtfähigkeit) Idealwerte annehmen können. Dennoch können sehr gute Ergebnisse erzielt werden, wenn gewährleistet ist, dass keiner der Optimierungsparameter zu weit vom Idealwert abweicht. In der Farbmetrik ist jedoch kein allgemeiner Algorithmus bekannt, in welchem Verhältnis mehr als 3 Spektren gemischt werden müssen, um gleichzeitig möglichst gute Werte für den gewünschten Farbort, Farbwiedergabeindex sowie Mischlichtfähigkeit mit Film zu erhalten.
Wie beim Einsatz von Leuchtstofflampen für die Beleuchtung bei Film- oder Videoauf- nahmen kann es jedoch bei künstlichen Lichtquellen mit einem nicht kontinuierlichen Spektralverlauf vorkommen, dass diese Lichtquellen zwar die geforderten Werte für Farbtemperatur und Farbwiedergabe erreichen, aber dennoch bei der Verwendung für Filmaufnahmen gegenüber Glühlampen- bzw. HMI-Lampen oder Tageslicht einen erheblichen Farbstich aufweisen. Man spricht in diesem Fall von einer ungenügenden Mischlichtfähigkeit. Dieser Effekt kann auch bei einem Einsatz verschiedenfarbiger LEDs in einem LED-Scheinwerfer auftreten. So wurde bei einem Test mit einer auf eine Farbtemperatur von 5600 K und einem Farbwiedergabeindex von CRI = 96 optimierten LED-Kombination bei Filmaufnahmen ein massiver Rotstich im Vergleich zu HMI- Lampen festgestellt. Auch Versuche mit tageslichtweißen LEDs ergaben keine zufrie- denstellenden Ergebnisse bezüglich der Mischlichtfähigkeit. Aus der US 2004/0105261 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgabe und Modulation von Licht mit einem vorgegebenen Lichtspektrum bekannt. Die bekannte lichttechnische Einrichtung weist mehrere Gruppen Licht emittierender Vorrichtungen auf, von denen jede Gruppe ein vorgegebenes Lichtspektrum abgibt und eine Steuer- einrichtung die Energiezufuhr zu den einzelnen Licht abgebenden Vorrichtungen so steuert, dass die insgesamt resultierende Strahlung das vorgegebene Lichtspektrum aufweist. Dabei können durch eine Kombination tageslichtweißer und warmweißer LEDs und Änderung der Intensitäten beliebige Farbtemperaturen zwischen den warmweißen und tageslichtweißen LEDs eingestellt werden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist die ebenfalls nicht optimale Farbwiedergabe bei Film- und Videoaufnahmen und die fehlende Möglichkeit, eine vorgegebene Farbtemperatur und einen exakten Farbort einzustellen. Je nach Auswahl der einzelnen LEDs oder Gruppen von LEDs und der jeweils eingestellten Farbtemperatur ist dabei mit zum Teil erheblichen Farbabweichungen vom Planck'schen Kurvenzug zu rechnen, die nur durch das Vorsetzen von Korrekturfiltern korrigiert werden können. Darüber hinaus ist die Lichtausbeute bei einer warmweißen Einstellung der Kombination tageslichtweißer und warmweißer LEDs nicht optimal, da hierbei durch die Sekundäremission des Leuchtstoffs relativ hohe Umwandlungsverluste auftreten. Ein weiterer Nachteil dieses Verfah- rens ist, dass zur Einstellung einer warm- oder tageslichtweißen Farbtemperatur ein Großteil der LEDs der jeweils anderen Farbtemperatur nicht oder nur stark gedimmt genutzt werden kann und somit der Ausnutzungsgrad für die bei Filmaufnahmen typischerweise benötigen Farbtemperaturen um 3200 K bzw. 5600 K nur ca. 50 % beträgt.
Aus der DE 20 2005 001 540 U1 ist eine in der Farbtemperatur einstellbare Lichtquelle für Tageslicht bekannt, bei der mindestens eine weißes Licht einer bestimmten Farbtemperatur emittierende LED mit verschiedenfarbiges Licht, insbesondere in den Grundfarben rot, grün und blau, emittierenden LEDs, kombiniert wird. Durch Veränderung der Leistung einzelner LED-Farben kann eine bestimmte Farbtemperatur oder eine be- stimmte Normlichtqualität eingestellt werden, indem durch den Einsatz geeigneter Sensoren, Logik und Software, die den aktuellen Spektralverlauf der Lichtquelle erfassen können, eine vorgegebene Farbtemperatur oder Normlichtqualität automatisch ein- oder nachgeregelt wird. Beim Einsatz von verschiedenfarbigen LEDs in Beleuchtungsscheinwerfern, insbesondere für fotografische und cinematografische Aufnahmen, deren Licht eine vorgegebene Farbtemperatur und Farbwiedergabe aufweisen und eine genügende Mischlichtfähigkeit besitzen soll, treten folgende Probleme auf.
Da LEDs das von ihnen abgegebene Licht nicht monochromatisch mit einer scharfen Spektrallinie emittieren, sondern mit einem Bandspektrum mit einer gewissen Breite, so dass das Emissionsspektrum einer LED als Gauß'sche Glockenkurve bzw. als Summe mehrerer Gauß'scher Glockenkurven angenommen werden kann und die Emissions- Spektren von LEDs über die Gauß'sche Verteilung simuliert werden können. In Fig. 4 sind beispielhaft einige Emissionsspektren von LEDs als Funktion der relativen Leuchtdichte über der Wellenlänge dargestellt, denen zu entnehmen ist, dass die Wellenlängen von verschiedenfarbiges Licht abgebenden LEDs von blauem Licht über grünes Licht, amberfarbenem Licht bis zu rotem Licht ansteigen und die Form des Emissions- Spektrums von weißes Licht abgebenden LEDs stark von den Emissionsspektren andersfarbiges Licht abgebenden LEDs abweicht. Diese Abweichung resultiert aus der Technologie zur Weißlichterzeugung, die auf der Grundlage eines blaues Licht emittierenden Halbleiterelements beruht, welches mit einer Phosphorbeschichtung versehen wird, die das blaue Licht zum Teil in gelbes Licht umwandelt, woraus neben dem ersten kleineren Peak im Wellenlängenbereich blauen Lichts ein zweiter, höherer Peak im gelben Bereich des Spektrums resultiert, was gemischt die Anteile weißen Lichts ergibt. Dabei kann über die Dicke der Phosphorbeschichtung die Farbtemperatur variiert werden, so dass auf diesem Wege sowohl gelbliche, warmweiße als auch tageslichtweiße LEDs hergestellt werden können.
Darüber hinaus weisen LEDs als Leuchtmittel eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Mit steigender Sperrschichttemperatur ändern sich die Eigenschaften und Kennwerte von LEDs signifikant, wobei mit steigender Temperatur die Leuchtdichte stark abnimmt. Dies beruht darauf, dass bei höherer Temperatur der Anteil der strahlungslosen Rekom- bination zunimmt und mit steigender Temperatur eine Verschiebung der Emissionsspektren zu höherwelligen Bereichen, d. h. zum roten Spektrum hin, erfolgt. Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die relative Leuchtdichte über der Sperrschichttemperatur von LEDs, die blaues, grünes und rotes Licht emittieren und aus unterschiedlichen Materialkombinationen bestehen. Daraus ergibt sich, dass die Temperaturabhängigkeit von LEDs je nach benutzten Materialien unterschiedlich stark ausgeprägt ist, was zur Folge hat, dass sich auch die farbmetrischen Eigenschaften einer aus verschiedenfarbigen LEDs additiv zusammengesetzten Lichtmischung zur Erzielung einer bestimmten Lichtfarbe bzw. Farbtemperatur ändern.
Um den Farbton bzw. die Farbtemperatur einer ursprünglich beispielsweise bei einer Ausgangstemperatur von 200C eingestellten Grundmischung des von verschiedenfarbigen LEDs abgegebenen Lichts auch bei einer von der Ausgangstemperatur abweichenden Temperatur zu erhalten, kann ein Spektrometer vorgesehen und beispielsweise im Bereich der Frontlinse eines Beleuchtungsscheinwerfers eingesetzt werden, welches das Spektrum des vom Beleuchtungsscheinwerfer abgegebenen Lichts misst, oder ein Farbsensor wird im Bereich der Lichtaustrittsfläche eingesetzt, welcher Abweichungen des Istfarbe des Scheinwerfers registriert und dann in einem Puls-/Messmodus die Intensität sowie den Farbort der zur Lichterzeugung beteiligten LEDs erfasst. Somit können Verschiebungen der Peakwellenlängen sowie Veränderungen der Höhe der Peak- Wellenlänge erfasst und als Istwertgröße einer Regeleinrichtung zugeführt werden, deren Sollwert die Grundeinstellung bzw. Grundmischung des vom Beleuchtungsscheinwerfer abgegebenen Lichts ist. Durch einen entsprechenden Soll-Istwertvergleich kann die Lichtmischung nachgeregelt werden, um das Originalspektrum der Grundmischung einzuhalten.
Eine derartige Regelung der Farbtemperatur des von einem LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichts ist jedoch wegen des erforderlichen Einsatzes eines teuren Farbsensors und dessen Anbringung im Strahlengang des LED-Scheinwerfers sowie wegen des erforderlichen Einsatzes eines geeigneten Rechners in Verbindung mit einer Regeleinrich- tung sehr aufwendig und zeitraubend, da bei einer derartigen Regelung eine von der Temperatur abhängige Veränderung der Peaks sämtlicher im LED-Scheinwerfer verwendeten LED-Farben erfasst und bei der Regelung berücksichtigt werden muss. Die hierfür erforderliche Zeit steht jedoch beispielsweise bei Filmaufnahmen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen nicht immer zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lichtfarbe, Farbtemperatur oder den Farbort einer von einem LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtmischung mit minimalem Kosten- und Zeitaufwand unabhängig von der Umgebungstemperatur des LED- Scheinwerfers einzustellen und konstant zu halten. Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 , 28 und 48 gelöst.
Die erfindungsgemäßen Lösungen gewährleisten eine von der Temperatur, insbesonde- re von der Boardtemperatur der LEDs, unabhängige Einstellung und Einhaltung der Lichtfarbe, Farbtemperatur oder des Farborts einer von einem LED-Scheinwerfer abgegebenen, aus Lichtstromanteilen verschiedenfarbiger LEDs zusammengesetzten Lichtmischung mit minimalem Herstellungs- und Zeitaufwand.
Die erfindungsgemäßen Verfahren gehen von unterschiedlichen Lösungsansätzen aus und ermöglichen unterschiedliche Einstellgenauigkeiten mit unterschiedlichem Herstellungs- und Zeitaufwand zur Erzielung einer von der Umgebungstemperatur des LED- Scheinwerfers unabhängigen, gewünschten Einstellung der Lichtfarbe, Farbtemperatur oder des Farborts der Lichtmischung. Der Herstellungsaufwand und die Steuer- bzw. Regelzeit für die Einhaltung der gewünschten Lichtfarbe, Farbtemperatur oder des Farborts der vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtmischung liegt insgesamt erheblich unter dem Herstellungs- und Regelzeitaufwand bei der Verwendung mehrerer Farbsensoren, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur ein Temperatursensor als Istwertgeber zum Einhalten der Lichtfarbe, der Farbtemperatur bzw. des Farborts der vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtmischung erforderlich und die Regelungszeit in Abhängigkeit vom jeweils verwendeten Verfahren minimal ist.
Das erste alternative Verfahren zur Farbstabilisierung eines LED-Scheinwerfers bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ist gekennzeichnet durch
eine Grundeinstellung der Lichtmischung auf eine vorgegebene Lichtfarbe durch Einstellen der Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs bei einer Ausgangstemperatur des LED-Scheinwerfers,
Ermittlung der von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Ausgangs-Emissionsspektren EÄ(λ) der verschiedenfarbigen LEDs bei der
Grundeinstellung,
Ermittlung der von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) bei einer von der Ausgangstemperatur abweichenden, gemessenen Temperatur des LED-Scheinwerfers, Ermittlung der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs für eine die vorgegebene Lichtfarbe bei der gemessenen Temperatur aufweisenden Lichtmischung, Einstellung der ermittelten Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs am LED-Scheinwerfer.
Bei diesem ersten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst eine Kalibrierung des Scheinwerfers mit einer optimalen Einstellung der Lichtstromanteile verschiedenfarbiger LED-Farbgruppen für eine gewünschte Lichtfarbe der vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtmischung in einer Grundeinstellung des LED-Scheinwerfers. Bei einer Ver- änderung der Umgebungstemperatur wird eine temperaturabhängige Neukalibrierung zur Korrektur der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs an der Lichtmischung vorgenommen, indem die Lichtstromanteile mit den temperaturabhängigen Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs neu berechnet und am Scheinwerfer eingestellt werden. Für dieses Verfahren werden bei jedem Korrekturvorgang die Emissionsspekt- ren der einzelnen Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs bei der gemessenen, aktuellen Temperatur benötigt, die mit einem Spektrometer gemessen werden müssen, was jedoch vergleichsweise zeitaufwendig ist, so dass dieses Verfahren beispielsweise für Filmaufnahmen nur bedingt einsetzbar ist, zumal der Einbau eines Spektrometers in einen LED-Scheinwerfer mit einem erheblichen Herstellungs- und Kostenaufwand ver- bunden ist.
Dementsprechend werden in Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Lösung die Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs für die jeweils gemessene Temperatur mittels der Gauß-Verteilung oder über eine temperaturabhängige Normierung der in der Kalibrierung ermittelten Emissionsspektren approximiert, was bevorzugt im Rahmen einer Kalibrierung ebenso wie die darauf basierende Neuberechnung der Lichtstromanteile in Abh. der Temperatur erfolgt. Das Ergebnis, nämlich die Lichtstromanteile der LED-Farben in Abh. von der Temperatur, wird bevorzugt in Tabellen- oder Funktionsform im Scheinwerfer hinterlegt, da im Scheinwerfer dann keine Spektren zum Messen, Approximieren und Rechnen benötigt werden.
Beide weiterführende Lösungen gehen von der Erkenntnis aus, dass die Leuchtdichte und Peakwellenlänge sowie die Halbwertsbreite, d. h. die Breite des Emissionsspektrums bei 50 % der relativen Leuchtdichte der Peakwellenlänge der Emissionsspektren, linear oder quadratisch (Leuchtdichte von yellow, amber, rot) von der gemessenen Temperatur abhängig sind. Aus der jeweils gemessenen Temperatur können mittels beider Verfahren die Spektren für alle Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs neu berechnet werden.
Die Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs mittels der Gaußverteilung geht davon aus, dass die Emissionsspektren von LEDs mit Hilfe der Gauß'schen Glockenkurve
-2,7725 f ^T
E(λ) = fL * e ^ 50 J
durch Ermitteln der für jede Gruppe gleichfarbiger LEDs linear von der Temperatur abhängigen Peakwellenlänge λ^ des LED-Emissionsspektrums und Halbwertsbreite wso des LED-Emissionsspektrums hinreichend genau (das ist ehrlich gesagt nicht genau genug, jedenfalls liefert das Verfahren keine genaueren Ergebnisse als das später beschriebene Einfach-Verfahren, lediglich die Lichtstromanteile konstant zu halten. Präzi- ser gegenüber dem Einfachverfahren wird das Verfahren mit der Gauß-Approximation erst mit einer Überlagerung mehrerer Gaußspektren, leider müssen die Parameter der Gaußspektren 2..n derzeit noch „manuell" ermittelt werden, was für die Praxis nicht handhabbar ist. Lassen sich die überlagerten Spektren trotzdem irgendwie schützen?) nachgebildet werden. Der temperaturabhängige Intensitätsfaktor f L dient zur Anpassung der Intensität des nachgebildeten Spektrums an die Intensität des Spektrums bei einer bestimmten Umgebungstemperatur. Die Funktion der Intensität des Spektrums in Abhängigkeit von der Temperatur ist für jede LED-Farbe eine lineare bzw. quadratische Funktion. Sind daher die linear von der Temperatur abhängigen Parameter λp und wso aus der Grundeinstellung der Lichtmischung des LED-Scheinwerfers bei dessen KaMb- rierung bekannt sowie der temperaturabhängige Faktor fL bzw. die lineare bzw. quadratische Funktion der Intensität in Abh. von der Temperatur, so kann auf das jeweilige relative Emissionsspektrum jeder einzelnen Farbgruppe der verschiedenfarbigen LEDs bei von der Ausgangstemperatur abweichenden Temperaturen geschlossen werden, so dass Abweichungen der Emissionsspektren von der Grundeinstellung ermittelt und aus- geregelt werden können.
Basierend auf der Gaußverteilung kann das Emissionsspektrum der verschiedenfarbigen LEDs und damit der Lichtmischung des vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichts noch genauer angenähert werden, wenn die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) nach der Formel
λ-λp
J 2
durch Ermitteln der für jede Gruppe gleichfarbiger LEDs linear von der Temperatur abhängigen Peakwellenlänge λ^ des LED-Emissionsspektrums, er Halbwertsbreite wso des
LED-Emissionsspektrums und einem temperaturabhängigen Intensitätsfaktor f L nachgebildet werden.
Die in dieser Approximationsformel verwendeten Parameter Peakwellenlänge λp , und
Halbwertsbreite wso sind für alle Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs linear bzw. quadratisch von der Temperatur abhängig. Der temperaturabhängige Umrechnungsfaktor f L (T) stellt dabei einen Normierungsfaktor dar, welcher das approximierte Spektrum auf die gemessene relative Leuchtdichte in Abhängigkeit der Temperatur bezieht. Ersatzweise kann für den Faktor fL(T) auch die gemessene Abhängigkeit der maximalen spektralen Strahlungsleistung von der Temperatur verwendet werden. Somit können aus einem gemessenen Temperaturwert alle benötigten Parameter ermittelt und die Emissionsspektren berechnet werden. Auf diesem Wege ist beispielsweise eine Approximation der Emissionsspektren für die Farbgruppen amber, blau, grün und rot möglich.
Die Ermittlung des Emissionsspektrums für weiße LEDs stellt dabei einen Sonderfall dar, da es sich bei einer weißes Licht abgebenden LED um eine blaue LED mit Phos- phorbeschichtung handelt, so dass das Emissionsspektrum zwei Peaks, nämlich einen Peak im blauen und einen Peak im gelben Spektralbereich, aufweist. Damit ist eine einfache Approximation über eine Gaußverteilung nicht möglich, jedoch können die beiden Peaks im Emissionsspektrum über jeweils eine Gaußverteilung angenähert werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dementsprechend das Emissionsspektrum für weiße LEDs über mehrere Gaußverteilungen, vorzugsweise über drei oder vier Gaußverteilungen, approximiert. Dabei wird von den beiden Gaußverteilungen zur Ermittlung der beiden Peaks im Emissionsspektrum eine dritte Gaußvertei- lung subtrahiert, um das berechnete Spektrum in dem zwischen den beiden Peaks liegenden „Tal" bei ca. 495 nm an die gemessene Emissionsverteilung anzunähern. Eine noch genauere Annäherung des berechneten Emissionsspektrums an eine gemessene Emissionsverteilung kann durch Addieren einer vierten Gaußverteilung erzielt werden, jedoch erweist sich als Kompromiss aus maximaler Genauigkeit und minimalem Rechenaufwand eine Annäherung über drei Gaußfunktionen als ausreichend.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs zur Erzeugung der gewünschten Lichtmischung des LED- Scheinwerfers weisen den Vorteil einer hinreichend genauen Annäherung der berechneten Emissionsspektren an tatsächlich gemessene Emissionsspektren auf, wobei die Verschiebung der Peakwellenlänge und Veränderungen der Halbwertsbreiten berücksichtigt werden, so dass die sich aus dem Licht verschiedenfarbiger LEDs zusammensetzende Lichtmischung sehr genau nachgeregelt werden kann. Vergleichsmessungen haben ergeben, dass die Farbtemperatur nach dieser Korrektur 28K für Kunstlicht oder Tungsten und 125K für Tageslicht oder Daylight bei Sichtbarkeitsschwellen von 5OK für Tungsten bzw. 200K für Daylight beträgt, während ohne Farbkorrektur die Verschiebung 326K für Tungsten und 780K für Daylight beträgt und somit im deutlich sichtbaren Bereich liegt.
Ein Nachteil dieser Approximation der Emissionsspektren in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des LED-Scheinwerfers besteht darin, dass zur Berechnung der einzelnen Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs jeweils drei temperaturabhängige Parameter und für den Sonderfall der weißen Farbe neun temperaturabhängige Para- meter und somit insgesamt 21 temperaturabhängige Parameter zur Berechnung des aktuellen Emissionsspektrums für ein Nachregeln des Systems zur Einhaltung der gewünschten Lichtfarbe bzw. Farbtemperatur der bei einer Ausgangstemperatur eingestellten Lichtmischung berechnet werden müssen. Damit ist ein erheblicher aufwand im Vergleich zu dem nachstehend erläuterten alternativen Verfahren zur Approximation der Emissionsspektren einer aktuellen Temperatur über eine temperaturabhängige Verschiebung + Normierung der in der Kalibrierung bei einer Ausgangstemperatur ermittelten Emissionsspektren verbunden.
Bei diesem alternativen Verfahren („Verschiebung der Peakwellenlänge") werden die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) bei einer von der Ausgangstemperatur abweichenden, gemessenen Temperatur des LED-Scheinwerfers durch eine temperaturabhängige Verschiebung und Normierung der Ausgangs-Emissionsspektren EA gemäß
E1 (λ)= f L (T) ■ fn (T) ■ EA (λ - Δλ^ (T))
approximiert, wobei f L (T) einen den relativen Leuchtdichteabfall über den gesamten Temperaturbereich darstellenden, temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor (gemessene Leuchtdichte des Spektrums relativ zur Leuchtdichte des Ausgangs Spektrums), Δλ^(r) eine von der Temperatur abhängige Verschiebung der Peakwellenlänge zum
Ausgangsspektrum bezeichnet und /^ (T) einen Normierungsfaktor darstellt, welcher das um Δλ^(r) geshiftete Spektrum auf die gleiche Leuchtdichte wie die des Originalspektrums normiert (aufgrund der anderen Lage zur V(λ)-Kurve erforderlich)
Bei diesem alternativen Verfahren werden die Emissionsspektren in der Grundeinstellung des LED-Scheinwerfers, welche bei der Kalibrierung des LED-Scheinwerfers aufgenommen werden, um die Änderung der Peakwellenlänge geshiftet, sodann mit dem Faktor /^ (T) wieder auf die Ausgangsleuchtdichte der Spektren normiert und schließlich mit einem temperaturabhängigen Faktor aufgefasst. Der Faktor f L (T) stellt den ge- messenen relativen Leuchtdichteabfall über den gesamten Temperaturbereich dar, so dass die mit den Faktoren f L (T) - Jn (T) multiplizierten Emissionsspektren der geshifte- ten Ausgangsmischungin ihrer Leuchtdichte an die tatsächlichen Emissionsspektren bei der jeweils aktuellen Temperatur angepasst werden. Um die Verschiebung der Peaks der einzelnen Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs zu berücksichtigen, werden die Emissionsspektren entlang der die Wellenlänge angebenden Abszisse bei der Darstellung der relativen Leuchtdichte über der Wellenlänge um den Wert Δλ^(r) verschoben.
Der Vorteil dieses Verfahrens zur Approximation der Emissionsspektren bei verschiede- nen Umgebungstemperaturen des LED-Scheinwerfers liegt darin, dass im Gegensatz zur Approximation der Emissionsspektren über die Gaußverteilung nur 10 einfach zu ermittelnde anstelle von 21 temperaturabhängigen Parametern berechnet werden müssen, was zu einem deutlich verringerten Rechenaufwand und einer geringeren Fehler- anfälligkeit führt. Nachteilig gegenüber der Approximation der Emissionsspektren über die Gaußverteilung ist jedoch, dass die Peakwellenlängenverschiebung weniger genau ist, da die Änderung der Halbwertsbreite sowie der Flankenverlaufs der Emissionsspektren nicht berücksichtigt wird.
Bei beiden vorstehend beschriebenen Verfahren zur Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs zur Farbstabilisierung eines LED-Scheinwerfers werden die von den Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs in der Grundeinstellung bei der Kalibrierung des LED-Scheinwerfers abweichenden Emissionsspektren bei einer von der Ausgangstemperatur in der Grundeinstellung abweichenden Umgebungstemperatur des LED-Scheinwerfers in eine Veränderung der Lichtstromanteile der jeweiligen Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs zum Nachregeln der Lichtmischung umgesetzt. Hierfür und für den Einsatz eines weiteren, nachfolgend erläuterten Verfahrens zur Bestimmung der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs bei von einer Ausgangstemperatur abweichenden Umgebungstemperatur des LED- Scheinwerfers wird eine programmgesteuerte Recheneinheit eingesetzt, in die die ermittelten Emissionsspektren der verwendeten LED-Farben oder die Emissionsspektren gewünschter LED-Farben eingegeben, mehrere Optimierungsparameter eingestellt und von der auf verschiedene Zielparameter optimierte Lichtstromanteile für die verschie- denfarbigen LEDs ermittelt oder an eine die verschiedenfarbigen LEDs ansteuernde Elektronik abgegeben werden.
Die programmgesteuerte Recheneinheit dient zur Berechnung von Lichtmischungen auf der Basis verschiedenfarbiger LEDs, indem mit Hilfe der Emissionsspektren der ver- schiedenfarbigen LEDs sowohl die Farbeigenschaften von Lichtmischungen der Lichtquellen mit verschiedenen Lichtstromanteilen ermittelt als auch optimierte Lichtmischungen für bestimmte Lichtarten berechnet werden können. Dabei können bis zu fünf Emissionsspektren ausgewählt, importiert und über eine Optimierungsfunktion die bestmögliche Mischung für voreingestellte Farbeigenschaften berechnet werden. Weiterhin kön- nen verschiedene in der Filmproduktion verwendete Lichtarten, wie beispielsweise Glühlicht 3200K für Kunstlicht bzw. Tungsten und Tageslicht oder HMI-Licht 5600K für Tageslicht bzw. Daylight ausgewählt werden, wobei über weitere Optionen durch die Eingabe von Optimierungs- und Zielparametern die Voreinstellungen verfeinert werden können, um eine optimale Lichtmischung zu erhalten. Darüber hinaus bietet die pro- grammgesteuerte Recheneinheit die Möglichkeit, die farbmetrischen Eigenschaften für eine manuell eingestellte Mischung zu ermitteln, so dass es beispielsweise möglich ist, die Änderung von Mischungen mit gleichen Anteilen aber unterschiedlichen Emissionsspektren zu untersuchen.
Als Optimierungsparameter sind die gewünschte Farbtemperatur der von den verschiedenfarbigen LEDs erzeugten Lichtmischung, die Mischlichtfähigkeit und die Referenzlichtart sowie das Filmmaterial bzw. der Kamerasensor, für welche gute Mischlichtfähigkeit erzielt werden soll, einstellbar, während die Zielparameter zur Optimierung der Lichtstromanteile aus einem oder mehreren der Parameter Farbtemperatur, minimaler Ab- stand vom Planckschen Kurvenzug, Farbwiedergabeindex und Mischlichtfähigkeit mit Film oder Digitalkamera bestehen und für die Zielparameter Sollwerte und/oder Toleranzwerte eingebbar sind.
Mit den von der programmgesteuerten Recheneinheit ermittelten Lichtstromanteilen kann der LED-Scheinwerfer zur temperaturabhängigen Farbkorrektur auf die jeweils neu berechnete Lichtmischung eingestellt werden. Die Berechnung kann online im Scheinwerfer erfolgen, oder vorab im Rahmen der Kalibrierung und die ermittelten Ergebnisse (Lichtstromanteile der LED-Farben in Abhängigkeit von der Temperatur) in Tabellenform oder als Funktion im scheinwerferinternen Speicher hinterlegt werden. Um etwaige Ab- weichungen in der Leuchtdichte auszugleichen, die nach der Korrektur auftreten können, erfolgt nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung zusätzlich eine Leuchtdichtemessung mit einem V(λ )-Sensor, so dass aus der Differenz zwischen Ist- und Soll-Leuchtdichte der LED-Scheinwerfer über eine übereinstimmende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung an den Leuchtdichte-Sollwert angeglichen wird.
Da die spektrale Verteilung der Emission der verschiedenfarbigen LEDs sehr stark von der Stromstärke abhängt und bei den LED-Typen im blauen und grünen Bereich die Dominantwellenlänge mit steigender Stromstärke sinkt, während bei den LED-Typen amber und rot die Dominantwellenlänge mit steigender Stromstärke ansteigt, würde bei einer Lichtmischung, d. h. einer additiven Zusammensetzung des von einem Beleuchtungsscheinwerfer abgegebenen Lichts aus dem von Farbgruppen verschiedenfarbiger LEDs abgegebenen Licht bei einer anteiligen Ansteuerung der verschiedenfarbigen LEDs zum Erzielen einer gewünschten Lichtmischung über die Stromstärke ein Versatz der Dominantwellenlänge von mehreren Nanometern auftreten, so dass sich die Färb- temperatur der vom Beleuchtungsscheinwerfer abgegebenen Lichtmischung signifikant ändern würde.
Wegen der starken Stromabhängigkeit der LEDs erfolgt eine anteilige Ansteuerung der LEDs und damit die Lichtmischung nicht über eine Stromstärkeregelung, sondern über eine Pulsweitenmodulation mit im Wesentlichen rechteckförmigen Stromimpulsen einstellbarer Pulsbreite und dazwischen liegenden Impulspausen, die zusammen eine Periodendauer der Pulsweitenmodulation ergeben. Die anteilige Ansteuerung oder Dim- mung erfolgt dabei über eine Variation der Pulsbreite des Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz, so dass bei einer 50-prozentigen Dimmung der rechteckförmige Impuls die halbe Breite der gesamten Periode aufweist.
Grundsätzlich könnte man natürlich auch eine analoge Dimmung trotz des oben beschriebenen Effekts der Verschiebung der dominanten Wellenlänge in Abhängigkeit vom Strom vornehmen, wenn diese Verschiebung entsprechend bei der Ermittlung der Lichtstromanteile berücksichtigt bzw. kompensiert wird. Lediglich der Einfachheit halber wird ein Betrieb mit Pulsweitenmodulation (PWM) vorgezogen. Die Betriebsfrequenz beträgt vorzugsweise > 20 kHz, um Schwebungen bei Highspeed-Filmaufnahmen zu vermeiden.
Dementsprechend besteht ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung darin, die Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs durch Ansteuern der verschiedenfarbigen LEDs mittels Pulsweitenmodulation zu steuern. Diese Steuerung erfolgt in Verbindung mit der zuvor erläuterten Abgabe der Lichtstromanteile für die verschieden- farbigen LEDs von der programmgesteuerten Recheneinheit durch Abgabe von den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierten Signalenanteilen an eine die verschiedenfarbigen LEDs ansteuernde Elektronik.
Damit wird eine Farbstabilisierung eines LED-Scheinwerfers sichergestellt, bei der un- abhängig von einer sich ändernden Umgebungstemperatur des LED-Scheinwerfers die Lichtfarbe bzw. Farbtemperatur oder der Farbort einer gewünschten Lichtmischung sowie gegebenenfalls weitere Parameter, die das vom LED-Scheinwerfer abgegebene Licht beeinflussen wie der Farbwiedergabeindex oder die Mischlichtfähigkeit, die Lichtstromanteile der Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs nachgeführt bzw. ausge- regelt werden. Da zum Nachführen der Lichtstromanteile bei unterschiedlichen Umge- bungstemperaturen nur ein Temperatursensor erforderlich ist und sämtliche für die Bestimmung der jeweiligen Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs erforderliche Parameter voreingegeben werden können, ermöglichen die vorstehend beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Emissionsspektren in Verbindung mit der programmge- steuerten Recheneinheit und einer pulsweitenmodulierten signalabgebenden Signal abgebenden Steuerelektronik die unmittelbare Ansteuerung der einzelnen Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs, ohne dass zusätzliche Eingaben vom Benutzer erforderlich sind, nachdem dieser die Optimierungs- und Zielparameter in der Grundeinstellung bzw. Kalibrierung des LED-Scheinwerfers festgelegt hat.
Daraus ergeben sich bei Anwendung des Verfahrens zur Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs mit Hilfe der Gaußverteilung zur Korrektur der färb- oder fotometrischen Eigenschaften des LED-Scheinwerfers in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur die Verfahrensschritte
Messen der Temperaturwerte an einer LED jeder Farbgruppe der verschiedenfarbigen LEDs, Ermitteln der Parameter λp , W50 und fL für jede Farbgruppe über eine lineare bzw. quadratische Abhängigkeit von der Temperatur, - Berechnung der neuen, temperaturabhängigen Emissionsspektren über die Gaußverteilung mit Hilfe der temperaturabhängigen Parameter,
- Einlesen der Emissionsspektren in die programmgesteuerte Recheneinheit und Berechnen der den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierten Signalanteile für die Lichtmischung, - Einstellen der pulsweitenmodulierten Signalanteile für die verschiedenfarbigen LEDs am LED-Scheinwerfer und ggf. Messen der Leuchtdichte und Anpassen der vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtstärke an den Leuchtdichte-Sollwert durch eine übereinstimmende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektri- sehen Leistung.
Werden die vorstehenden Verfahrensschritte 1 bis 4 im Rahmen der Kalibrierung durchgeführt, so können die temperaturabhängigen Lichtstromanteile im Scheinwerfer hinterlegt werden, was im allgemeinen sinnvoller und schneller ist. Zur Anwendung des Verfahrens zur Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs über eine temperaturabhängige Verschiebung plus Normierung der in der Kalibrierung bei der Grundeinstellung des LED-Scheinwerfers ermittelten Emissi- onsspektren zur Korrektur der färb- oder fotometrischen Eigenschaften des LED- Scheinwerfers in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dienen somit vorzugsweise die Verfahrensschritte
- Messen der Temperaturwerte an einer LED jeder Farbgruppe der verschiedenfar- bigen LEDs,
- Ermitteln der Parameter fL und Δλ^ für jede Farbgruppe über eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der Temperatur,
Berechnen der neuen, temperaturabhängigen Emissionsspektren Eτ(λ),
Einlesen der temperaturabhängigen Emissionsspektren Eτ(λ) in die programm- gesteuerte Recheneinheit und Berechnung der den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierten Signalanteile für die Lichtmischung,
- Einstellen der pulsweitenmodulierten Signalanteile für die verschiedenfarbigen LEDs am LED-Scheinwerfer, ggf. Messen der Leuchtdichte und Anpassung der vom LED-Scheinwerfer abge- gebenen Lichtstärke an den Leuchtdichte-Sollwert durch eine übereinstimmende
Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung.
Auch bei diesem Verfahren können die vorstehenden Verfahrensschritte 1 bis 4 im Rah- men der Kalibrierung durchgeführt und die temperaturabhängigen Lichtstromanteile im Scheinwerfer hinterlegt werden.
Bei beiden vorstehend beschriebenen Verfahren ist die Einbindung der programmgesteuerten Recheneinheit zur Berechnung der Lichtstromanteile der Lichtmischung des LED-Scheinwerfers bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen erforderlich und bietet den Vorteil einer sehr genauen Berechnung der Lichtstromanteile der einzelnen Farbgruppen. Insbesondere bei einer genauen Einstellung der verschiedenen, vom Programm der programmgesteuerten Recheneinheit angebotenen Optionen für eine genaue Berechnung der Lichtstromanteile der Lichtmischung sind nicht vernachlässigbare Rechenzeiten zu berücksichtigen, was für einige Anwendungsfälle, beispielsweise bei einem Filmset, nicht akzeptabel ist, da der LED-Scheinwerfer unterbrechungsfrei zur Verfügung stehen muss.
Als weiteres alternatives Verfahren besteht die Möglichkeit, dass die Spektren in Abhängigkeit von der Temperatur nicht approximiert, sondern im Rahmen der Kalibrierung mit sehr genauen Daten gemessen werden. Im Rahmen der Kalibrierung kann eine Neuberechnung der Mischungsanteile in Abhängigkeit von der Temperatur vorgenommen und die temperaturabhängigen Mischungsanteile in Tabellen- oder Funktionsform im Scheinwerfer hinterlegt werden.
Dementsprechend besteht ein alternatives Verfahren zur Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften eines LED-Scheinwerfers, der aus verschiedenfarbigen LEDs zusammengesetzt ist, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort der vom LED-Scheinwerfer abgegebenen Lichtmischung bestimmen und durch Ansteuern der verschiedenfarbigen LEDs mittels pulsweitenmodulierter Signale eingestellt werden, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des LED- Scheinwerfers darin, dass die die verschiedenfarbigen LEDs entsprechend den Lichtstromanteilen der einzelnen Farbgruppen für die Grundeinstellung der Lichtmischung auf eine vorgegebene Lichtfarbe ansteuernden pulsweitenmodulierten Signale temperaturabhängig verändert werden.
Dieses alternative Verfahren stellt eine sehr einfache Lösung für eine Farbkorrektur bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen dar und basiert auf der Temperaturabhän- gigkeit der die verschiedenfarbigen LEDs ansteuernden pulsweitenmodulierten Signale mit dem Ziel, die relativen Lichtstromanteile der an der Farbmischung beteiligten Farben über den gesamten Umgebungstemperaturbereich konstant zu halten. Durch ein Anheben bzw. Absenken der pulsweitenmodulierten Signalanteile werden die bei einer aktuell erfassten Umgebungstemperatur emittierten Spektren an die Lichtstromanteile der in der Grundeinstellung erfassten Ausgangsspektren bei der Kalibrierung des LED- Scheinwerfers angepasst, so dass die voreingestellte Lichtmischung weiter verwendet werden kann.
Dabei lässt sich die Temperaturabhängigkeit der pulsweitenmodulierten Signalanteile aus der Leuchtdichteänderung ermitteln., Untersuchungen haben ergeben, dass die verschiedenfarbigen LEDs zwar sehr unterschiedlich stark temperaturabhängig sind (LEDs, die im langwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums emittieren, fallen in der Leuchtdichte bei steigender Temperatur wesentlich stärker ab als LEDs des kurzwelligen Bereichs), , jedoch kann diese Temperaturabhängigkeit der Leuchtdichte über einen großen Temperaturbereich, der für die praktische Anwendung von Bedeutung ist, für jede Farbe in einer linearen bzw. quadratischen Funktion ermittelt und beschrieben werden.
Ermittelt man dementsprechend die relative Leuchtdichteänderung in Bezug auf die bei der Grundeinstellung eingestellte Lichtmischung, so erhält man einen Faktor fPWM für jede Farbgruppe der verschiedenfarbigen LEDs. Wird der entsprechende Anteil des pulsweitenmodulierten Signals für die betreffende LED-Farbe aus der Grundeinstellung der Lichtmischung mit dem Kehrwert des Faktors fPWM multipliziert, so ergibt sich daraus der neue Anteil des pulsweitenmodulierten Signals für die betreffende LED-Farbe bei der aktuell gemessenen Umgebungstemperatur.
Eine Weiterbildung dieses vereinfachten alternativen Verfahrens zur Farbstabilisierung eines LED-Scheinwerfers besteht somit darin, dass ein der relativen Leuchtdichteänderung jeder Farbgruppe der verschiedenfarbigen LEDs in Bezug auf die Grundeinstellung entsprechender Faktor fPWM ermittelt wird und dass die Multiplikation des der Grundeinstellung entsprechenden Wertes der pulsweitenmodulierten Signale PWMA jeder Farbgruppe mit dem von der gemessenen Temperatur T abhängigen Kehrwert 1/fpwM dieses Faktors den der gemessenen Temperatur T entsprechenden Wert der pulsweitenmodulierten Signale PWM (T) jeder Farbgruppe gemäß der Gleichung
PWM (T) = PWMA / WM(T)
ergibt.
Auch bei diesem vereinfachten Verfahren können etwaige Abweichungen in der Leuchtdichte, die nach der Ermittlung der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs bei der aktuell gemessenen Temperatur auftreten können, dadurch ausgeglichen werden, dass eine Leuchtdichtemessung mit einem V(λ )-Sensor durchgeführt, die Differenz zwischen dem gemessenen Leuchtdichte-Istwert und einem Leuchtdichte-Sollwert ermit- telt und die vom LED-Scheinwerfer abgegebene Lichtstärke durch eine übereinstim- mende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung an den Leuchtdichte-Sollwert angeglichen wird.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Korrektur über die Normierung der pulsweitenmodulierten Signalanteile zur Ansteuerung der verschiedenfarbigen LEDs besteht in der Einfachheit der Ermittlung der Korrekturfaktoren, da für eine Neueinstellung der Lichtmischung lediglich fünf Parameter über einfache Funktionen berechnet und nachfolgend die ursprünglichen Anteile mit diesen Parametern bewertet werden müssen. Dabei ist keine Berechnung über eine programmgesteuerte Recheneinheit erforderlich, so dass ein großer Anteil des Rechen- und Programmieraufwandes der beiden zuvor beschriebenen Verfahren zur Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs und Korrektur der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs entfällt.
Aufgrund der sehr kurzen Rechenzeit kann die Korrektur zur Farbstabilisierung des LED-Scheinwerfers kontinuierlich stattfinden, so dass im Betrieb des LED-Scheinwerfers stabile Farbeigenschaften, wie Farbtemperatur, Farbwiedergabe, Abstand vom Planck'schen Kurvenzug und Mischlichtfähigkeit gewährleistet sind. Trotz der Einfachheit dieses Korrekturverfahrens sind die nach der Korrektur auftretenden Differenzen in den Farbwerten vergleichbar zu den vorstehend genannten Farbabweichungen bei Gauß'scher Approximation so gering, dass sie vernachlässigt werden können.
Obwohl bei der Anwendung der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Farbstabilisierung eines LED-Scheinwerfers bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen zur Gewährleistung eines geringen Herstellungs- und Zeitaufwandes keine Farbsenso- ren erforderlich sind, sondern lediglich ein Temperatursensor benötigt wird, können beispielsweise zur Berücksichtigung von Alterungsprozessen die Ausgangssignale eines zusätzlich am LED-Scheinwerfer installierten Farbsensors oder Spektrometers bei der Bestimmung der Lichtstromanteile der Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs an der Lichtmischung in der Grundeinstellung berücksichtigt werden, wobei die Ausgangs- Signale des Farbsensors oder Spektrometers an die programmgesteuerte Recheneinheit zur Bestimmung der Lichtstromanteile oder den den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierten Signalen der Farbgruppen der verschiedenfarbigen LEDs an der Lichtmischung in der Grundeinstellung abgegeben werden. Den RGB- bzw. XYZ-Signalen des Farbsensors kann, wenn dieser kalibriert ist, zum einen der Farbort x,y und hieraus berechnet die dominante Wellenlänge der Farbe und zum andern die Helligkeit der einzelnen LEDs entnommen werden Gleichzeitig zu den Farbwerten wird die aktuelle Temperatur vom Temperatursensor ausgelesen, damit die neuen Messwerte mit den im Speicher hinterlegten temperaturabhängigen Kennlinien (λp, w50 und Helligkeiten) korreliert werden können. Hieraus können die zur Gauß- Approximation erforderlichen Parameter Intensität sowie Peakwellenlänge bestimmt werden, die Halbwertsbreite wird gegenüber dem Originalspektrum näherungsweise als konstant betrachtet.
Im Rahmen der Farbregelung der LED-Beleuchtungseinrichtung wird eine temperaturabhängige Leistungsbegrenzung durchgeführt, da die Gesamtleistung der LED- Beleuchtungseinrichtung bzw. der allen LEDs der LED-Farben zugeführte Gesamtstrom einen vorgegebenen, vorzugsweise temperaturabhängigen Grenzwert nicht übersteigen darf; denn es macht wenig Sinn, bei steigender Temperatur und folglich abnehmender Helligkeit der LED-Beleuchtungseinrichtung mehr Strom in der Erwartung zuzuführen, damit den Helligkeitsabfall einzelner oder mehrerer Farben zu kompensieren. Mit einer Erhöhung der Stromzufuhr und damit der Gesamtleistung der LED- Beleuchtungseinrichtung steigt die Temperatur weiter an, so dass die Lichtausbeute weiter absinkt, bis einzelne oder mehrere LEDs überlastet und damit zerstört werden oder eine hardwaremäßige Strombegrenzung eingreift.
Dem entsprechend ist eine Begrenzung der Leistungsaufnahme des LED-Scheinwerfers und/ oder des den LEDs zugeführten Gesamtstromes vorgesehen, wobei die Leistungs- aufnähme des LED-Scheinwerfers und/oder der den LEDs zugeführte Gesamtstrom temperaturabhängig begrenzt werden könnrn.
Ein weiteres Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlenden LEDs, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder einen Farbort der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen und durch Ansteuern der zu LED-Farbgruppen jeweils gleicher Farbe zusammengefassten und aus farbigen und weißen LEDs bestehenden verschiedenfarbigen LEDs mittels pulsweitenmodulierter Steuersignale einge- stellt werden, ist durch eine Farbsteuerung der LED-Beleuchtungseinrichtung mittels die Helligkeit (Y) in Abhängigkeit von der Boardtemperatur (Tb) der auf einer Platine angeordneten LEDs und/oder der Junctiontemperatur mindestens einer LED für jede LED- Farbe oder LED-Farbgruppe bei vorgegebenem Strom im eingeschwungenen Zustand wiedergebenden Temperaturkennlinie (Y = f (Tb)) der LED-Beleuchtungseinrichtung gekennzeichnet.
Bei diesem Verfahren erfolgt eine Ermittlung von Temperaturkennlinien der LED- Beleuchtungseinrichtung durch eine Ermittlung der Funktion der Helligkeit (Y) in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tb für jede LED-Farbe bei vorgegebenem Strom im eingeschwungenen Zustand (Y = f (Tb)), eine Normierung der Kennlinen auf (Y (Tbl ) = 1 ), wobei (Tbl ) ein willkürlich gewählter Temperaturwert in der Nähe des späteren Arbeitspunktes ist, eine Ermittlung der Parameter (a, b, c, d) für eine lineare Funktion der Form
Y(Tb) = a + b*Tb
ein Polynom zweiten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2
oder ein Polynom dritten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 + d*Tb3
und ein Speichern der Parameter a, b, c, d in Leuchtmodulen der LED- Beleuchtungseinrichtung, in der LED-Beleuchtungseinrichtung oder in einem externen Controller.
Zur vorzugsweise stichprobenhaften Ermittlung von Kalibrier-Korrekturfaktoren für die LED-Beleuchtungseinrichtung erfolgt eine Messung der Helligkeit (Y) und Boardtemperatur (Tb) für jede LED-Farbe unmittelbar nach dem Einschalten der LED- Beleuchtungseinrichtung mit dem Ergebnis Y(Tbcal, tθ), eine Messung der Helligkeit (Y) und Boardtemperatur (Tb) für jede LED-Farbe im eingeschwungenen Zustand und Umrechnung der Helligkeit (Y(Tb), t1 ) auf eine Boardtemperatur (Tbl ) mittels der Kennlinie (Y = f(Tb)) mit dem Ergebnis Y(TbI , t1 ), sowie die Bildung von Korrekturfaktoren kYcal = Y(TbI , t1 ) / Y(TbCaI, tθ)
die für die während der Kalibrierung gemessene Boardtemperatur (Tbcal) gelten.
Zur Helligkeitskalibrierung für ein Leuchtmodul der LED-Beleuchtungseinrichtung wird eine Messung der Helligkeit (Y) und der Boardtemperatur (Tb) für LED-Farbe unmittelbar nach dem Einschalten mit dem Ergebnis Y(Tbcal, tθ), eine Umrechnung auf die Helligkeit im statischen Zustand bei einer angenommenen Boardtemperatur (Tbl ) für jede LED-Farbe entsprechend
Y(Tbi ) = Y(Tbcal, tθ) * kYcal
vorgenommen und die auf die angenommene Boardtemperatur (Tbl ) umgerechneten Helligkeiten (Y) der LED-Farben in der LED-Beleuchtungseinrichtung gespeichert.
Zur Farbkalibrierung der LED-Beleuchtungseinrichtung erfolgt eine Messung des Spektrums und hieraus abgeleitete Helligkeit (Y) sowie der Normfarbwertanteile (x, y) für jede LED-Farbe der LED-Beleuchtungseinrichtung, eine Umrechnung der Scheinwerferhelligkeit auf eine Boardtemperatur (Tbl ) mittels der Kennlinie (Y = f(Tb)) und Skalierung der Spektren auf (Y = Y(Tbi)), eine Speicherung der Kalibrierdaten (x, y) und (Y(Tbi)) für jede LED-Farbe in der LED-Beleuchtungseinrichtung, eine Berechnung der optimalen Lichtstromanteile der LED-Farben aus den gemessenen Spektren für N- Farbtemperaturstützpunkte unter Einsatz der programmgesteuerten Recheneinheit, einspeichern der Lichtstromanteile der LED-Farben für N-Farbtemperaturstützpunkte im Speicher der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder ein Speichern der Lichtstromanteile der LED-Farben in Tabellenform in Abhängigkeit vom Zielfarbort (x, y).
Schließlich kann eine Farbregelung der LED-Beleuchtungseinrichtung unter Einbeziehung der gespeicherten Kalibrierdaten für N-Farbtemperaturstützpunkte und/oder als Farborttabelle für die Lichtstromanteile der LED-Farben, der Temperaturkennlinien je Farbe und der Helligkeit (Y) und des Farborts ( x, y) für jede LED-Farbe durch Ermittlung der PWM-Steuersignale für die LED-Farben (PWMA) für den gewünschten Farbort (x, y) und die gewünschte Helligkeit (Y), Messung der Boardtemperatur (Tb), Ermittlung der temperaturabhängigen PWM-Korrekturfaktoren für jede LED-Farbe aus den im Speicher hinterlegten Näherungskennlinien (fPWM = MY), Erfassung der Gesamtleistung der LED-Beleuchtungseinrichtung oder der den einzelnen LEDs der LED- Beleuchtungseinrichtung zugeführten Stromstärke und Ansteuerung der LEDs der LED- Beleuchtungseinrichtung mit den PWM-Korrekturfaktoren bei einer Gesamtleistung der LED-Beleuchtungseinrichtung oder der den LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung zugeführten Stromstärke kleiner als der vorgegebene Maximalwert (Pmax, Imax) oder Ermittlung eines Cut Off-Faktors (kCutoff) zur Strom- oder Leistungsbegrenzung für alle LED-Farben aus kCutoff = Pmax / Pneu
bzw.
kCutoff = Imax / Ineu
und Ansteuerung der LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung mit neuen PWM-Faktoren entsprechend PWMT = PWMA * fPWM * kCutoff erfolgen.
Die vorstehend erläuterten Berechnungsschritte zur Ermittlung der temperaturabhängi- gen Spektren und daran anschließenden Neuberechnungen der Mischungsverhältnisse können sowohl „online" im Scheinwerfer als auch vorab im Rahmen der Kalibrierung erfolgen.
Eine Vorrichtung zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen, ist gekennzeichnet durch eine Eingabevorrichtung zur Einstellung der Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder des Farborts der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abzuge- benden Lichtmischung und zur Vorgabe von anwendungsspezifischen Zielparametern und deren zulässige Abweichungen von einem Idealwert, eine im Gehäuse der LED- Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen angeordnete Temperatur-Messeinrichtung, die ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Temperatursignal abgibt, eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der LEDs der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit pulsweiten- modulierten Stromimpulsen, einen Speicher mit für jede LED-Farbgruppe gespeicherten Kalibrierdaten für mindestens einen das Emissionsspektrum bestimmenden Wert in Abhängigkeit von der Temperatur und einen mit der Steuereinrichtung und dem Speicher verbundenen Mikroprozessor zur Bestimmung von den Lichtstromanteilen für jede LED- Farbgruppe entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignalen zur Ansteuerung der LEDs der LED-Farbgruppen in Abhängigkeit von dem von der Temperatur- Messeinrichtung abgegebenen Temperatursignal.
Die Eingabevorrichtung zur Einstellung der Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder des Farborts der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abzugebenden Lichtmischung und zur Vorgabe von anwendungsspezifischen Zielparametern und deren zulässige Abweichungen von einem Idealwert besteht vorzugsweise aus einer Mischeinrichtung oder DMX-Konsole.
Die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der LED-Farbgruppen mit pulsweitenmodulierten Stromimpulsen weist einen mit dem Mikroprozessor verbundenen, programmgesteuerten Eingang, einen mit der Eingabevorrichtung verbundenen Lichtmischeingang und einen mit einem Sensor und/oder eine Kalibrations-Handgerät verbundenen Sensor- und/oder Kalibrationseingang auf und ist mit einer Speisespannungsquelle verbunden.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden nachstehend die erfindungsgemäßen Verfahren und deren jeweilige Vorzüge weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Absteuerung einer als LED-Spotlight oder LED-Panel unterschiedlicher Größe ausgebildeten LED-
Beleuchtungseinrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Leuchtmoduls mit einem Modulträger und einer mit dem Sockel eines Modul-Kühlkörpers verbundenen Lichtquelle;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Modulelektronik mit gleichartig aufgebauten
Treiberschaltungen; Fig. 4 Emissionsspektren von fünf verschiedenfarbigen LEDs einer LED-
Beleuchtungseinrichtung;
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit von LEDs un- terschiedlicher Farbe und Materialzusammensetzung;
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Peakwel- lenlänge für die LED-Farbgruppen Amber und Rot (Abbildung 6.4 der DA);
Fig. 7 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Halbwertsbreite für die LED-Farbgruppen Amber und Rot (Abbildung 6.7 der DA);
Fig. 8 u. 9 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Spektren für Glühlicht und Tageslicht (Abbildungen 6.9 und 6.10 der DA);
Fig. 10 eine grafische Darstellung der relativen Leuchtdichte für Glühlicht und
Tageslicht in Abhängigkeit von der Temperatur (Abbildung 6.1 1 der DA);
Fig. 1 1 eine grafische Darstellung der Farbtemperaturverschiebung für Glühlicht und Tageslicht in Abhängigkeit von der Temperatur (Abbildung 6.12 der DA);
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer programmgesteuerten Recheneinheit zur Ermittlung der Lichtstromanteile oder pulsweitenmodu- lierten Signale vooon Farbgruppen verschiedenfarbiger LEDs (Blockschaltbild Frau Krämer);
Fig. 13 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur mittels Spektrenapproximation über die Gauß'sche Normalverteilung ohne Lichtsensor; Fig. 14 eine grafische Darstellung der relativen Leuchtdichte über der Wellenlänge bei der Approximation der Emissionsspektren mittels Gaußvertei- lung für die Farbgruppen Amber und Blau;
Fig. 15 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur mittels Spektrenapproximation über die Gauß'sche Normalverteilung mit Lichtsensor;
Fig. 16 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur mittels Spektrenapproximation über die Gauß'sche Normalverteilung mit Lichtsensor und Helligkeitsausgleich;
Fig. 17 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur durch Berechnen temperaturabhängiger, optimierter Mischungsverhält- nisse für die Farbtemperatureinstellungen;
Fig. 18 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Ermittlung term- peraturabhängiger Dimmfaktoren aus hinterlegten Kennlinien der term- peraturabhängigen Mischungsverhältnisse für die Farbtemperaturein- Stellungen;
Fig. 19 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur durch Ermittlung termperaturabhängiger Dimmfaktoren aus hinterlegten Kennlinien unter Berücksichtung konstanter Lichtstromanteile ohne HeI- ligkeitssensor;
Fig. 20 ein schematisches Blockschaltbild des Algorithmus zur Farbkorrektur durch Ermittlung temperaturabhängiger Dimmfaktoren aus hinterlegten Kennlinien unter Berücksichtung konstanter Lichtstromanteile mit HeI- ligkeitssensor;
Fig. 21 bis 23
Und 25 bis 29 Flussdiagramme und Kennlinien für die relative Helligkeit einer LED- Farbe bzw. LED-Farbgruppe in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tb für eine Farbsteuerung mittels Temperaturkennlinien; Fig. 24 ein Ersatzschaltbild des Wärmewiderstandes zwischen LED-Board und Sperrschicht der LED-Chips,
Fig. 30 und 31 Spektren zur Verdeutlichung der Unterschiede von kalten und warmen Spektren für die Einstellung 3200K und 5600K;
Fig. 32 Farbtemperatur (CCT)-Abweichung kalt-warm in Abhängigkeit von der
Farbtemperatur;
Fig. 33 Farbortabweichung dx, dy (kalt-warm) in Abhängigkeit vom Zielfarbort x für Zielfarborte x,y entlang des Planckschen Kurvenzugs im Farbtemperaturbereich zwischen 2200 K und 24000 K;
Fig. 34 die optimalen Lichtstromanteile warm und kalt als Funktion der Farbtemperatur CCT;
Fig. 35 eine Grafik der gemessenen Farbtemperatur eines 5-Kanal-LED-Moduls in Abhängigkeit von der NTC-Temperatur für die Einstellung CCT=3200 K mit implementierter Korrektur der Spektralshift;
Fig. 36 eine Grafik der gemessenen Farbtemperatur eines LED-Moduls in Abhängigkeit von der NTC-Temperatur für die Einstellung CCT = 5600 K mit implementierter Korrektur der Spektralshift;
Fig. 37 ein Flussdiagramm zur Ermittlung der Temperaturkennlinien in Abhängigkeit vom Dimmgrad (PWM) und der Flussspannung und
Fig. 38 Helligkeits-Temperaturkennlinien für gelbe und rote LEDs sowie eine lineare Inter- und Extrapolation für die gelbe LED für +/- 3nm Wellenlängenabweichung
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den schematischen Aufbau einer als LED- Spotlight-Scheinwerfer 1 ausgebildeten LED-Beleuchtungseinrichtung mit einem zylin- derförmigen Gehäuse 10, in dem eine LED-Lichtquelle 3 angeordnet ist, die sich aus einer Keramik-Platine, auf der Keramik-Platine in Chip-On-Board-Technologie angeord- neten verschiedenfarbigen LEDs und einer über die LEDs angebrachten Vergussmasse zusammensetzt. Die LED-Lichtquelle 3 wird mit einem Wärmeleitkleber direkt auf einen Kühlkörper 1 1 aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium aufgebracht, der die von den LEDs der LED-Lichtquelle 3 abgegebene Wärme ableitet. Ein an der Rückseite des LED-Scheinwerfers 1 angeordneter Lüfter 12 sorgt für eine zusätzliche Kühlung der LEDs.
Die Lichtmischung erfolgt durch einen konusförmigen oder alternativ zylinderförmigen Lichtmischstab 13, an dessen Ende eine als POC-Folie ausgebildete Streuscheibe 14 angebracht ist. Über eine in Längsrichtung des LED-Scheinwerfers 1 verstellbare Fres- nel-Linse 15 kann der LED-Scheinwerfer 1 stufenlos zwischen einer Spot- und Flood- Stellung eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Leuchtmoduls, das aus einem vier- eckigen, als Leiterplatte ausgebildeten Modulträger 2, auf dem eine Modulelektronik 5 angeordnet ist und der eine Ausnehmung 21 aufweist, durch die ein die Oberfläche des Modulträgers 2 überragender Sockel 1 10 eines Modul-Kühlkörpers 1 1 gesteckt ist, und der zur Unterseite mit einer Steckerleiste 16 verbunden ist, über die die Modulelektronik mit einer Leistungssteuereinheit verbunden wird. Auf dem Sockel 1 10 des Modul- Kühlkörpers 16 ist eine Lichtquelle 3 mit mehreren auf einer quaderförmigen Metallkernplatine angeordneten LEDs 4, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge und damit Farbe abgeben, einem Temperatursensor 6 und Leiterbahnen zur Verbindung der LEDs 4 und des Temperatursensor 6 zu den Rändern der Metallkernplatine angeordnet, von wo sie über eine direkte Draht- oder Bondverbindung mit der Modulelektronik verbunden wer- den.
Die LEDs 4 setzen sich aus mehreren Licht unterschiedlicher Wellenlänge, d.h. unterschiedlicher Farbe abgebenden LEDs zusammen. Durch enges Anordnen der LEDs 22 auf der Metallkernplatine wird bereits eine durch die Auswahl der LEDs einstellbare Lichtmischung aus den unterschiedlichen Farben erzeugt, die durch zusätzliche Maßnahmen wie optische Lichtbündelung und Lichtmischung noch optimiert und durch weitere Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen unabhängig von beispielsweise der Temperatur konstant gehalten werden kann, um eine gewünschte Farbtemperatur, Helligkeit und dergleichen einstellen zu können. Fig. 3 zeigt ein Funktionsschaltbild der Modulelektronik 5 zur Ansteuerung von sechs LED-Gruppen mit jeweils zwei in Reihe geschalteten, Licht gleicher Wellenlänge abgebenden LEDs 401 , 402; 403, 404; 41 1 , 412; 421 , 422; 431 , 432; 441 , 442 sowie zur Regelung der von den LEDs abgegebenen Lichtmischung durch eine Helligkeitsansteu- erung der einzelnen LED-Gruppen mittels einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung und Ansteuerung einer temperaturstabilisierten Stromquelle zur Speisung der LED- Gruppen.
Die Modulelektronik 5 enthält einen Microcontroller 50, der sechs pulsweitenmodulierte Steuerspannungen PWM1 bis PWM6 an sechs identisch aufgebaute Konstantstromquellen 51 bis 56 abgibt. Der Microcontroller 50 ist über eine serielle Schnittstelle SER A und SER B mit einem externen Controller verbunden und weist Eingänge AIN1 und AIN2 auf, die über Verstärker 60, 70 mit einem Temperatursensor 6 und einem HeIMg- keits- oder Farbsensor 7 des Leuchtmoduls verbunden sind.
Die identisch aufgebauten Stromquellen 51 bis 56 sind sehr gut temperaturstabilisiert und enthalten eine temperaturstabilisierte Konstantstromquelle 57, die mit jeweils einem Ausgang PWM1 bis PWM6 der die pulsweitenmodulierten Steuerspannungen abgebenden Ausgänge PWM1 bis PWM6 des Microcontrollers 50 verbunden und über einen Widerstand 59 an eine Versorgungsspannung ULEDI bis ULED6 angeschlossen sind. Die temperaturstabilisierte Konstantstromquelle 57 ist ausgangsseitig mit der Anode der in Reihe geschalteten LEDs einer LED-Gruppe, die jeweils Licht gleicher Wellenlänge abgeben, und mit dem Steueranschluss eines elektronischen Schalters 58 verbunden, der einerseits mit der Kathode der in Reihe geschalteten LEDs und andererseits mit Masse- potential GND verbunden ist.
Die temperaturstabilisierte Konstantstromquelle 57 zeichnet sich durch ein schnelles und sauberes Schalten mit einer Schaltfrequenz von 20 bis 40 kHz aus. Um die Verlustleistung des Leuchtmoduls so gering wie möglich zu halten, werden die in der Herstel- lungstechnologie unterschiedlichen LED-Chips mit bis zu sechs unterschiedlichen Versorgungsspannungen ULEDI bis ULEDΘ gespeist.
Mit der Anordnung der temperaturstabilisierten Stromquellen 51 - 56 auf dem Modulträger des Leuchtmoduls wird die Modularität des Systems verbessert und die Spannungs- Versorgung vereinfacht. Bei einer Reduzierung der unterschiedlichen Versorgungsspan- nungen ULEDI bis ULED6 durch eine Anwendung von nur zwei verschiedenen Spannungen zur gruppenweise zusammengefassten Spannungsversorgung der Stromquellen 51 - 56 für beispielsweise die roten und gelben LEDs einerseits und die blauen, grünen und weißen LEDs andererseits benötigt das Leuchtmodul nur noch fünf Schnittstellen, d. h. eine Verbindung des Leuchtmoduls über fünf Leitungen, nämlich zwei Versorgungsspannungen VLEDI und VLED2, Massepotential GND und die seriellen Schnittstellen SER A und SER B mit einem externen Controller zur übergeordneten Steuerung und Regelung einer Vielzahl gleichartig aufgebauter Leuchtmodule.
Zur Verdeutlichung der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung und des der Erfindung zugrunde liegende Problems werden nachfolgend anhand der Figuren 4 bis 11 die verschiedenen Parameter zusammenfassend erläutert, die die Farbabgabe von LEDs bestimmen.
Fig. 4 zeigt die Spektren verschiedenfarbiger LEDs in einer LED- Beleuchtungseinrichtung als Darstellung der relativen Leuchtdichte über der Wellenlänge des von einer LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichts. Da LEDs Licht nicht monochromatisch mit einer scharfen Spektrallinie emittieren, sondern in einem Spektrum mit einer gewissen Bandbreite, das angenährt als Gauß'sche Glockenkurve angenommen werden kann, können die Emissionsspektren von LEDs über eine Gauß'sche Verteilung simuliert werden. Fig. 4 zeigt in durchgezogener Linie das Emissionsspektrum einer weißen LED, in kurz gestrichelter Linie das Emissionsspektrum einer blauen LED, in lang gestrichelter Linie das Emissionsspektrum einer gelben oder amber- farbenen LED, in punktierter Linie das Emissionsspektrum einer roten LED und in strichpunktierter Linie das Emissionsspektrum einer grünen LED.
Dieser Spektraldarstellung ist zu entnehmen, dass die Form des Spektrums der weißes Licht abgebenden LED stark von den Spektren der farbiges Licht abgebenden LEDs abweicht. Dies folgt aus der Technologie zur Weißlichterzeugung, bei der als Grundlage zur Lichterzeugung ein blauer Chip benutzt wird, dessen Spektrum Ursache des ersten, kleineren Peaks des Spektrums der weißen LED sorgt. Die Phosphorbeschichtung des blauen LED-Chips wandelt das blaue Licht zum Teil in gelbes Licht um, aus dem der zweite, höhere Peak im gelben Bereich des Spektrums resultiert. Gemischt ergeben die Anteile weißes Licht. Über die Dicke der Phosphorbeschichtung kann die Farbtempera- tur des weißen Lichts variiert werden, so dass auf diesem Weg sowohl warmweiße als auch tageslichtweiße LEDs hergestellt werden können.
Fig. 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit von LEDs in einer Darstellung der relativen Leuchtdichte über der Sperrschicht- oder Junction-Temperatur T in 0C bei unterschiedlichen Materialkombinationen. Beim Einsatz von LEDs als Leuchtmittel stellt die Temperaturabhängigkeit der LEDs ein großes Problem dar. Mit steigender Sperrschichttemperatur T ändern sich die Eigenschaften und Kennwerte von LEDs signifikant. So nimmt mit steigender Temperatur T die Leuchtdichte stark ab, und es erfolgt eine Verschie- bung der Spektren zu höherwelligen Bereichen, also zum roten Licht hin. Diese Temperaturabhängigkeiten sind je nach benutzten Materialien unterschiedlich stark ausgeprägt, was zur Folge hat, dass sich auch die farbmetrischen Eigenschaften einer additiv aus weißes Licht und farbiges Licht abgebenden LEDs ermischten Lichtzusammensetzung ändern.
Nachstehend sollen anhand der Fig. 6 bis 1 1 die Leuchtdichten, Peak-Wellenlängen und Halbwertsbreiten einzelner LED-Farbgruppen, die jeweils aus mehreren Licht derselben Farbe abgebenden LEDs zusammengesetzt sind, abhängig von an einer LED der jeweiligen Farbgruppe anliegenden Temperatur betrachtet und eine Analyse der Spektren und der Leuchtdichte sowie der Farbtemperatur und des Farborts der Lichtmischungen Kunstlicht (Tungsten) und Tageslicht (Daylight), ebenfalls abhängig von den anliegenden Temperaturen, vorgenommen werden.
Wie der Darstellung gemäß Fig. 5 zu entnehmen ist, weisen die verschiedenfarbigen LEDs eine unterschiedlich starke Temperaturabhängigkeit auf. Diejenigen LEDs, die im langwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums emittieren, fallen in der Leuchtdichte bei steigender Temperatur T in 0C wesentlich stärker ab als die LEDs, die im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums emittieren. So weisen die LED-Farben Amber und Rot einen Leuchtdichteabfall von 128% bzw. 1 16% bei 200C auf 65% bzw. 75% des Ausgangswertes bei 600C auf. Die Farbgruppen Blau und Grün sind deutlich weniger temperaturabhängig bezüglich der Leuchtdichte. Da die weißen LEDs auf der Technologie der blauen LEDs aufbauen, resultiert ebenfalls eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit des Leuchtdichteabfalls weißer LEDs. Wie bei der Leuchtdichte fällt auch für die Peakwellenlänge die Temperaturabhängigkeit bei verschiedenen LED-Typen unterschiedlich aus.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die Temperaturabhängigkeit der Peakwellenlänge λp für die LED-Gruppen Amber und Rot und verdeutlicht eine Verschiebung der Peakwellenlän- gen λp mit steigender Umgebungs- oder Sperrschichttemperatur T in 0C der LEDs. Auch bezüglich der Peakwellenlänge λP sind die LEDs im höherwelligen sichtbaren Bereich wie Amber und Rot stärker temperaturabhängig als LEDs der LED-Gruppen Blau und Grün, die weit weniger temperaturabhängig sind.
Wie die Leuchtdichte und die Peakwellenlänge λP der einzelnen LED-Farbgruppen ist auch die Halbwertsbreite W50 der emittierten Spektren linear von der Temperatur T in 0C abhängig. Im Unterschied zu den beiden erstgenannten Parametern sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen LED-Farbgruppen hier nicht so gravierend. Bei- spielhaft sind in Fig. 7 die Verläufe der Halbwertsbreite W50 der LED-Farben Amber und Rot über der Temperatur T in 0C dargestellt. Im Gegensatz zur Leuchtdichte und Peakwellenlänge λP ist die Halbwertbreite W50 für die LEDs der Gruppen Blau und Grün ähnlich temperaturabhängig wie für die Gruppen Amber und Rot.
Zur Erläuterung der Temperaturabhängigkeit der Spektren für die Lichtmischungen „Kunstlicht" und „Tageslicht" ist in Fig. 8 die relative Leuchtdichte über der Wellenlänge in nm für die Lichtmischung „Kunstlicht" und in Fig. 9 für die Lichtmischung „Tageslicht" bei verschiedenen Sperrschichttemperaturen dargestellt.
Für beide Lichtmischungen ist ein deutlicher Abfall der Leuchtdichte mit der Temperatur zu erkennen, wobei sich durch die Verschiebung der Peakwellenlängen der einzelnen LED-Farbgruppen das Spektrum der Lichtmischung in Richtung des längerwelligen Bereiches verschiebt. Besonders offensichtlich! wird in den Fig. 8 und 9 der starke Leuchtdichteabfall der LED-Farbgruppen Amber und Rot.
Fig. 10 zeigt die relative Leuchtdichte in % über der Temperatur T in 0C der Lichtmischungen „Kunstlicht" und „Tageslicht" bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 200C und verdeutlicht, dass der Temperatureinfluss auf die einzelnen LED-Farbgruppen einen Leuchtdichterückgang in der Lichtmischung verursacht, der nicht vernachlässigbar ist. Dabei zeigt die Lichtmischung „Kunstlicht" einen größeren relativen Leuchtdichteabfall als die Lichtmischung „Tageslicht".
Fig. 1 1 zeigt die Farbtemperaturverschiebung dCCT in K für „Kunstlicht" und „Tageslicht" abhängig von der Umgebungstemperatur T und verdeutlicht, dass durch die wesentlich stärkere Temperaturempfindlichkeit der LEDs in den Bereichen Rot und Amber bezüglich der Leuchtdichte zu einer Blauverschiebung der Lichtfarbe mit steigender Temperatur führt.
Um die vorstehend beschriebenen temperaturabhängigen Änderungen der Lichtfarbwerte zu korrigieren, können erfindungsgemäß verschiedene Verfahren angewandt werden. Zunächst muss der Scheinwerfer kalibriert werden, indem eine Grundmischung für die Einstellungen „Kunstlicht" mit 3200 K und „Tageslicht" mit 5600 K ermittelt wird. Um die korrekte Lichtfarbe am Scheinwerfer einstellen zu können, müssen die Anteile, das heißt Pulsbreiten einer Pulsweitenmodulation (PWM) bei der Ansteuerung der LED- Farbgruppen ermittelt werden. Diese werden mithilfe einer in Fig. 12 schematisch dargestellten programmgesteuerten Recheneinheit berechnet.
Um die korrekte Lichtfarbe am Scheinwerfer einstellen zu können, müssen die Anteile (Pulsbreiten T) einer Pulsweitenmodulation (PWM) für alle LED-Farbgruppen ermittelt werden. Dies wird mithilfe der programmgesteuerten Recheneinheit berechnet, deren prinzipieller Aufbau in Fig. 13 dargestellt ist.
Beschreibung Blockschaltbild LED-Mix
In die zur Lösung der vorstehenden Aufgabenstellung vorgesehene programmgesteuerte Recheneinheit können verschiedenen Spektren von LED-Farben eingelesen werden, beispielsweise für die in Fig. 12 angegebenen LED-Farben Rot, Blau, Gelb, Weiß und Amber. Der Benutzer kann eingabenseitig die folgenden, als Sollwerte dienenden Opti- mierungsparameter einstellen:
- Die Ziel-Farbtemperatur der LED-Mischung (z.B. 3200 K, 5600 K)
Das Filmmaterial oder den Kamerasensor, bei dem kein Farbstich gegenüber der Referenzlichtart erzeugt werden soll (gute Mischlichtfähigkeit), (z.B. Kodak 5246D, Kodak 5274T) - Referenzlichtart für die Kamera (z.B. Glühlampe 3200 K, Tageslicht 5600 K, HMI usw.), für welche gute Mischlichtfähigkeit erzielt werden soll
Die programmgesteuerte Recheneinheit optimiert mittels genetischer Algorithmen die Mischungsanteile der eingelesenen Farbspektren der LED-Farben auf die folgenden Parameter:
Farbtemperatur
Minimaler Abstand vom Planckschen Kurvenzug (d.h. möglichst kein Farbstich in Richtung grün oder magenta für das Auge erkennbar)
Farbwiedergabeindex (möglichst nahe an 100)
Mischlichtfähigkeit mit Film bzw. Digitalkamera. Der Farbabstand zwischen der ermittelten Mischung sowie der Referenzlichtart muss über das Aufnahmemedium Film bzw. Kamera minimal sein.
Für die vorstehend angegebenen Zielwerte CCT (K), Filmmaterial/Sensortyp und Referenzlichtart für Mischlichtfähigkeit kann der Benutzer neben den Sollwerten erlaubte Abweichungen bzw. Toleranzen ΔCCT (K), ΔC_Planck (Farbartabstand zum Planckschen Kurvenzug), ΔCRI, ΔC_Film (Farbartabstand Mischlichtfähigkeit) eingeben.
Das Ergebnis der Optimierung durch die programmgesteuerte Recheneinheit sind dann die Anteile der in das Programm eingegebenen LED-Spektren der LED-Farben zur Einstellung einer optimalen Mischung. Die Ausgabe der LED-Mischung, das heißt der Dimmfaktoren und der Lichtstromanteile für jede der LED-Farben sowie die mit dieser Mischung erzielten farbmetrischen Werte für den Farbort, die Farbtemperatur, den Farbabstand zum Planckschen Kurvenzug, den Farbwiedergabeindex sowie die Mischlichtfähigkeit mit Film- bzw. Digitalkamera werden ebenfalls berechnet und ausgegeben. Die ausgegebenen Werte können vorab zur Einstellung bzw. Kalibrierung des Scheinwerfers verwendet werden oder direkt an der Elektronik zur Einstellung der Dimmfaktoren bzw. der für die Mischung erforderlichen Lichtstromanteile ausgegeben werden.
Zur Nachführung der Spektren der einzelnen LED-Farben bzw. LED-Farbgruppen einer Lichtmischung in Abhängigkeit von der gehäuseinternen Umgebungstemperatur, der Board- oder der Sperrschichttemperatur der LED-Chips können erfindungsgemäß ver- schiedene Verfahren angewendet werden, die nachstehend anhand der Figuren 13 bis 20 näher erläutert werden.
Fig. 13 zeigt eine erste Variante, bei der die Ansteuerung der LEDs der einzelnen LED- Farben mit Pulsweitenmodulation (PWM) online, das heißt durch unmittelbare Eingabe der temperaturabhängig ermittelten Dimmfaktoren, für die einzelnen LED-Farben an die Ansteuerelektronik der LEDs erfolgt bzw. die für die Lichtmischung erforderlichen Lichtstromanteile für jede der LED-Farben ausgegeben werden. Bei diesem ersten Verfahren wird kein Lichtsensor zur Leuchtdichtemessung eingesetzt.
In dem Mikroprozessor der programmgesteuerten Recheneinheit sind die Kalibrierdaten, das heißt die Kennlinien für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite wso=f(T) und die Leuchtdichte Yo=f(T) als Funktion der Temperatur im Speicher des Mikroprozessors für jede LED-Farbe als Funktion oder Tabelle gespeichert. Nach dem Start des Programms erfolgt
1. Messung der Temperatur an einer LED bzw. LED- Farbgruppe,
2. Ermittlung der temperaturabhängigen Parameter für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite w50=f(T) und die Leuchtdichte Yo=f(T) aus den hin- terlegten Kennlinien,
Berechnung der neuen Spektren über die Gaußsche Normalverteilung entsprechend der Gaußschen Glockenkurve λ-λp
-2,7725 '
E{λ)= e
oder für eine noch genauere Annäherung des Spektrums mittels der auf der Gauß- verteilung beruhenden Formel
1 ( λ-λp tf(λ) = f L l- e H^
2
mit λp der Peakwellenlänge des LED-Emissionsspektrums,
W5o der Halbwertsbreite des LED-Emissionsspektrums und f L einem temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor
3. Einlesen der Spektren in die programmgesteuerte Recheneinheit und Berechnung der neuen an die gegenüber der Ausgangstemperatur geänderte Temperatur an- gepassten Dimmfaktoren für die neue Lichtmischung aus der Spektrenapproximation über die Gaußsche Normalverteilung,
4. Einstellung der der neuen Lichtmischung entsprechenden Dimmfaktoren an den LEDs der einzelnen LED-Farbgruppen des Scheinwerfers über die Ansteuerelekt- ronik zur Ansteuerung der LEDs jeder LED-Farbgruppe
Die Programmschleife wird nach der Ansteuerung der LEDs durch eine erneute Temperaturmessung geschlossen.
Fig. 14 zeigt eine grafische Darstellung der relativen Leuchtdichte über der Wellenlänge bei der Approximation der Emissionsspektren mittels Gaußverteilung für die Farbgruppen Amber und Blau und zeigt eine sehr gute Annäherung an die jeweils gemessenen Werte.
Bei zusätzlichem Einsatz eines Lichtsensors zur Leuchtdichtemessung kommt das in Fig. 15 als Flussdiagramm dargestellte Programm zum Einsatz, bei dem zu den vorstehend erläuterten Programmschritten 1 bis 4 der Programmschritt
5. Leuchtdichtemessung mit Lichtsensor und Dimmung des Scheinwerfers auf den Sollwert.
hinzukommt.
Auch bei dem in Fig. 15 als Flussdiagramm dargestellten Programm werden die KaMb- rierdaten, d.h. die Kennlinien für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite W5o=f(T) und die Leuchtdichte Yo=f(T) als Funktion der Temperatur im Speicher des Mikroprozessors für jede LED-Farbe als Funktion oder Tabelle gespeichert. Nach dem Start des Programms erfolgt eine Messung der Helligkeiten bzw. Leuchtdichte Yo=f(T) für jede LED-Farbgruppe der einzelnen LED-Farben des Scheinwerfers. Daran schließt sich im nächsten Programmschritt eine Temperaturmessung der gehäuseinternen Umgebungs- temperatur der LEDs, d.h. der Board- oder Junction- bzw. Sperrschichttemperatur der LEDs des Scheinwerfers an. Aus diesen Messwerten werden die temperaturabhängigen Faktoren Y0=f(Tu) aus dem mit dem Mikroprozessor verbundenen Speicher ermittelt und anschließend die Korrekturfaktoren aus dem Quotienten
mit der Ausgangshelligkeit Y0 und der Helligkeit Yt bei der Temperatur T berechnet, die den relativen Leuchtdichteabfall über den gesamten Temperaturbereich darstellen und einen temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor der Leuchtdichte des Spektrums relativ zur Leuchtdichte des Ausgangsspektrums angeben. Als nächster Programmschritt schließt sich eine erneute Temperaturmessung an und aus den hinterlegten Kennlinien werden die temperaturabhängigen Faktoren für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite Wso=f(T) und Leuchtdichte Yo=f(T) ermittelt. Analog dem in Fig. 13 dar- gestellten Flussdiagramm erfolgt anschließend eine Spektrenapproximation über die Gaußsche Normalverteilung.
Im nachfolgenden Programmschritt werden die mittels der Gaußschen Normalverteilung approximierten Spektren für jede Farbgruppe mit den entsprechend der vorstehenden Formel ermittelten farbabhängigen Korrekturfaktoren fk multipliziert. Mit Hilfe der in Fig. 12 dargestellten programmgesteuerten Recheneinheit werden anschließend die Dimmfaktoren für die Pulsweitenmodulation der einzelnen LEDs der LED-Farbgruppen des Scheinwerfers für die Lichtmischung bei der gemessenen Temperatur berechnet und die einzelnen LEDs jeder LED-Farbgruppe des Scheinwerfers mit den berechneten Dimm- faktoren über die Ansteuerelektronik angesteuert. Auch bei diesem Programmablauf wird die Programmschleife durch eine sich anschließende erneute Temperaturmessung geschlossen.
Die Beleuchtungseinrichtung kann mit Hilfe dieses Programmablaufs auf die neu be- rechnete Lichtmischung eingestellt werden und die Farbkorrektur infolge der geänderten gehäuseinternen Umgebungstemperatur, Board- oder Junctiontemperatur ist erfolgt. Um etwaige Abweichungen in der Leuchtdichte, die nach der Korrektur auftreten können, auszugleichen, erfolgt eine Leuchtdichtemessung mit einem Licht- oder V(λ)-Sensor, mit dessen Hilfe die Differenz zwischen Ist- und Soll-Leuchtdichte ermittelt und die Beleuch- tungseinrichtung über eine gleichmäßige Dimmung aller Farbgruppen an den Sollwert angeglichen wird.
Der Vorteil des in Fig. 15 dargestellten Steuerprogramms besteht darin, dass eine Kom- pensation von Alterungseffekten möglich ist, da mit dem bei diesem Steuerprogramm vorgesehenen Lichtsensor ein zeitlicher Helligkeitsabfall erfassbar ist. Wird anstelle eines Licht- oder V(λ)-Sensors ein RGB- oder Farbsensor oder ein Spektrometer als Sensorelement eingesetzt, so können zusätzlich neben Helligkeitsänderungen auch Farbänderungen der einzelnen LED-Farben des Scheinwerfers erfasst werden.
Eine weitere Variation besteht darin, bei Anordnung eines RGB- oder Farbsensors oder eines Spektrometers zusätzlich Änderungen der Peakwellenlänge peak=f(T) und der Halbwertsbreite w50=f(T) zu erfassen.
Das in Fig. 16 dargestellte Flussdiagramm dient zur Erläuterung eines Steuerprogramms zur Ansteuerung der LEDs verschiedener LED-Farbgruppen eines Scheinwerfers mit einem Helligkeitsausgleich der temperaturabhängigen Lichtmischung unter Einsatz eines Lichtsensors.
Auch bei diesem Steuerprogramm ist die Ablage von Kalibrierdaten im Mikroprozessor für jede LED-Farbe als Funktion oder Tabelle für die temperaturabhängigen Parameter Peakwellenlänge peak=f(T), Halbwertsbreite wso=f(T) und Leuchtdichte Yo=f(T) erforderlich. Nach dem Programmstart werden die aktuellen Helligkeiten Yt für jede LED- Farbgruppe gemessen. Es schließt sich eine Messung der gehäuseinternen Umge- bungstemperatur bzw. der Board- oder Junctiontemperatur Tu an. Anschließend werden die temperaturabhängigen Faktoren Y0=f(Tu) aus dem mit dem Mikroprozessor verbundenen Speicher ermittelt und daraus die Korrekturfaktoren fk entsprechend dem Quotienten
fk=Yo(Tu) / Y,(TU)
mit der Ausgangshelligkeit Y0 und der Helligkeit Yt bei der Temperatur T berechnet.
Nach der Berechnung der Korrekturfaktoren fk erfolgt erneut eine Temperaturmessung, die der Ermittlung der temperaturabhängigen Faktoren für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite w50=f(T) und Leuchtdichte Yo=f(T) aus den hinterlegten Kennlinien zugrunde gelegt wird. Wie bei den vorstehend beschriebenen Steuerprogrammen erfolgt anschließend eine Spektrenapproximation über die Gaußsche Normalverteilung. Daran schließt sich eine Multiplikation der Spektren mit den farbabhängigen Korrekturfaktoren fk an, für die in einem nachfolgenden Programmschritt die neue Lichtmischung Ysoii, d.h. neue Sollwerte für die Dimmfaktoren und Lichtstromanteile für die LEDs der LED-Farbgruppen des Scheinwerfers mit Hilfe der in Fig. 12 dargestellten programmgesteuerten Recheneinheit berechnet werden. Im Onlinebetrieb werden die LEDs des LED-Scheinwerfers mit den neuen Dimmfaktoren für die neue Lichtmischung ange- steuert.
Nach der Ansteuerung der LEDs mit den neuen Dimmfaktoren erfolgt eine erneute Helligkeitsmessung zur Erfassung des Istwertes Y|St einzeln für jede LED-Farbgruppe mit Hilfe des Licht- oder V(λ)-Sensors. Aus der Istwertmessung Y|St der Helligkeitsmessung und der Sollwertvorgabe für die Helligkeit YsOιι wird ein Korrekturfaktor f = Y|St / Ysoii berechnet und anschließend die LEDs mit neuen Dimmfaktoren angesteuert, die sich aus dem Produkt der berechneten Dimmfaktoren mit dem Korrekturfaktor f = Yιst / YSOιι entsprechend der Beziehung
PWM-Faktoren (neu) = PWM-Faktoren (berechnet) * f
ergeben.
Auch bei diesem Steuerprogramm wird die Programmschleife mit einer erneuten Tem- peraturmessung geschlossen. Zusätzlich kann eine Kompensation von Alterungseffekten vorgesehen werden, indem mittels eines Licht- oder V(λ)-Sensor ein zeitlicher Helligkeitsabfall erfasst wird. Beim Einsatz eines RGB- oder Farbsensor oder eines Spektrometers als Sensorelement können zusätzlich neben Helligkeitsänderungen auch Farbänderungen der einzelnen LED-Farben des Scheinwerfers und zusätzlich Änderun- gen der Peakwellenlänge peak=f(T) und der Halbwertsbreite wso=f(T) erfasst werden.
Fig. 17 zeigt ein Flussdiagramm zur Kalibrierung eines LED-Scheinwerfers, das eine mehrdimensionale Tabelle zur Vorabberechnung der Mischungsverhältnisse der Licht- mischungen aus mehreren LED-Farben bei verschiedenen Temperaturen ergibt, wobei diese Berechnung vorab außerhalb des Scheinwerfers erfolgt.
Nach dem Start des Kalibrierungsprogramms ist zu entscheiden, ob eine Approximation über eine Gaußsche Normalverteilung gewünscht wird. Soll die Approximation über die
Gaußsche Normalverteilung erfolgen, werden die temperaturabhängigen Parameter für die Peakwellenlänge peak=f(T), die Halbwertsbreite w50=f(T) und die Helligkeit bzw.
Leuchtdichte Yo=f(T) für jede LED-Farbe ermittelt bzw. gemessen. Daraus erfolgt für den gesamten Temperaturbereich des Scheinwerfereinsatzes eine Spektrenapproxima- tion über die Gaußsche Normalverteilung.
Alternativ wird anstelle einer Approximation über die Gaußsche Normalverteilung eine Messung der temperaturabhängigen Spektren der LED-Farben durchgeführt.
Aus den Ergebnissen der beiden Alternativen werden mit Hilfe der in Fig. 12 dargestellten programmgesteuerten Recheneinheit die temperaturabhängig optimierten Lichtmischungen aus den einzelnen eingesetzten LED-Farben, das heißt, die Dimmfaktoren für die einzelnen LEDs der LED-Farbgruppen für NO Farbtemperaturen, beispielsweise für Tageslicht, Kunstlicht und gegebenenfalls für zusätzliche Farbtemperaturstützpunkte berechnet. An diese Berechnung schließt sich eine Speicherung der temperaturabhängigen Mischungsverhältnisse, das heißt der Dimmfaktoren für die einzelnen LEDs der LED-Farbgruppen des Scheinwerfers für die NO Farbtemperatureinstellungen an. Diese NO Farbtemperatureinstellungen können dann einem Steuerprogramm zur Regelung der Farbtemperatur eines Scheinwerfers entsprechend dem in Fig. 18 dargestellten Fluss- diagramm zugrunde gelegt werden.
Fig. 18 setzt die Ermittlung und Speicherung von Kalibrierdaten im Mikroprozessor der Ansteuerungselektronik für die LEDs der einzelnen LED-Farbgruppen des Scheinwerfers für NO Farbtemperaturstützpunkte in Form einer Funktion oder in Form einer im Speicher des Mikroprozessors abgelegten Funktion oder Tabelle voraus, aus der sich das Mischungsverhältnis, d.h. die Dimmfaktoren als Funktion der Umgebungstemperatur Tu und der Farbtemperatur CCT ergeben.
Nach dem Start des Regelungsprogramms erfolgt eine Messung der gehäuseinternen Umgebungstemperatur bzw. der Board- oder Junctiontemperatur der LEDs, der LED- Farbgruppen bzw. einzelner LEDs jeder LED-Farbgruppe. Aus dem Istwert der Temperaturmessung werden die temperaturabhängigen Dimmfaktoren aus den im Speicher der Ansteuerelektronik hinterlegten Kennlinien ermittelt und die LEDs der einzelnen LED-Farbgruppen mit den temperaturabhängigen neuen Dimmfaktoren angesteuert. Auch bei diesem Regelungsprogramm wird die Programmschleife mit einer erneuten Temperaturmessung abgeschlossen.
In den Fig. 19 und 20 sind Flussdiagramme für zwei weitere Steuerungsverfahren zur Ermittlung von Dimmfaktoren für die temperaturabhängigen Lichtmischungen der LED- Farbgruppen einer Beleuchtungseinrichtung ohne und mit Einsatz einer Leuchtdichtemessung mit einem Licht- oder V(λ)-Sensor dargestellt.
Fig. 19 zeigt den Ablauf eines Steuerungsprogramms, das auf der Einstellung konstan- ter Lichtstromanteile der einzelnen LED-Farbgruppen der Beleuchtungseinrichtung beruht, ohne dass eine Leuchtdichtemessung mit einem Licht- oder V(λ)-Sensor erfolgt. In dem Speicher der Ansteuerelektronik sind als Funktion oder Tabelle Kalibrierdaten, nämlich die Kennlinie für die Helligkeit Y=f(Tu) für jede LED-Farbe der LED- Farbgruppen der Beleuchtungseinrichtung und die Stützpunkte für das jeweilige Mi- schungsverhältnis in Form der als Funktion der Farbtemperatur CCT als Dimmfaktoren abgelegt.
Nach dem Start des Programms erfolgt eine Temperaturmessung, die der Ermittlung der temperaturabhängigen Faktoren Y=f(Tu) für die einzelenen LED-Farbgruppen aus den hinterlegten Kennlinien zugrunde gelegt wird. Durch eine entsprechende Normierung werden aus den ermittelten temperaturabhängigen Faktoren Y die jeweiligen Dimmfaktoren entsprechend der Gleichung
PWM(TU) = PWM(T0) / Y(TU)
Mit T0 der Ausgangs- oder Basistemperatur und Tu der aktuell gemessenen Temperatur berechnet. Die einzelnen LEDs jeder LED-Farbgruppe des Scheinwerfers werden mit den so berechneten Dimmfaktoren PWM(TU) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur angesteuert und die Programmschleife durch eine erneute Temperaturmessung geschlossen. Die Bestimmung von temperaturabhängigen Lichtmischungen der einzelnen LEDs der LED-Farbgruppen des Scheinwerfers unter Zugrundelegung konstanter Lichtstromanteile kann zusätzlich mit einer Leuchtdichtemessung mittels eines Licht- oder V(λ)-Sensor verknüpft werden.
Fig. 20 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerungsprogramms zur Ermittlung von Dimmfaktoren für die einzelnen LEDs mehrerer LED-Farbgruppen eines Scheinwerfers mit einer Temperaturmessung und zusätzlichen Leuchtdichtemessung mittels eines Licht- oder V(λ)-Sensor.
Auch in dieser Ausführungsform werden die als Funktion oder Tabelle im Speicher des Mikroprozessors der Ansteuerungselektronik abgelegten Kalibrierdaten der Helligkeit Y und der Stützpunkte für das Mischungsverhältnis in Form von Dimmfaktoren als Funkti- on der Umgebungstemperatur Tu und der Farbtemperatur CCT für die LEDs der einzelnen LED-Farbgruppen der Beleuchtungseinrichtung geladen. Nach dem Start des Programms erfolgt eine Messung der gehäuseinternen Umgebungstemperatur bzw. der Board- oder Junctiontemperatur Tu der LEDs, der LED-Farbgruppen bzw. einzelner LEDs jeder LED-Farbgruppe. Aus dem Istwert der Temperaturmessung werden die temperaturabhängigen Faktoren Y=f(Tu) aus den hinterlegten Kennlinien ermittelt und die LEDs der einzelnen LED-Farbgruppen mit den berechneten, temperaturabhängigen neuen Dimmfaktoren
PWM(TU) = PWM(T0) / Y(TU)
angesteuert.
Im Unterschied zu dem vorstehend anhand des in Fig. 19 dargestellten Flussdiagramms beschriebenen Steuerungsverfahren erfolgt nach der Ansteuerung der LEDs jeder LED- Farbgruppe mit den neuen Dimmfaktoren nicht eine erneute Temperaturmessung, sondern zunächst eine Leuchtdichtemessung mithilfe des Licht- oder V(λ)-Sensor, an die sich eine Berechnung der Korrekturfaktoren f = Y|St / Ysoii anschließt. Unter Zugrundelegung dieser Korrekturfaktoren f erfolgt die Ansteuerung der LEDs jeder LED-Farbgruppe des Scheinwerfers mit neuen Dimmfaktoren entsprechend der Gleichung PWM-Faktoren (neu) = PWM-Faktoren (berechnet) * f
Bei diesem Steuerverfahren kann die nach der Berechnung der neuen Dimmfaktoren unter Zugrundelegung der ermittelten temperaturabhängigen Faktoren Y=f(Tu) aus der hinterlegten Kennlinie eingefügte Ansteuerung der LEDs mit den neuen Dimmfaktoren entfallen und stattdessen nach der Berechnung der Dimmfaktoren entsprechend der Gleichung PWM(Tu)=PWM(To) / Y(Tu) die Leuchtdichtemessung mit dem Licht- oder V(λ)-Sensor durchgeführt werden.
Zusätzlich können weitere Daten im Speicher hinterlegt werden, wie beispielsweise Ka- librierdaten, Daten für warm und kalt, Set-Lichtausbeuten und dergleichen, die nachstehend näher beschrieben werden.
In den Fig. 21 bis 23 und 25 bis 29 sind Flussdiagramme und Kennlinien für die relative Helligkeit einer LED-Farbe bzw. LED-Farbgruppe in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tb für ein weiteres Verfahren zur Farbstabilisierung einer LED- Beleuchtungseinrichtung dargestellt, bei dem die Farbsteuerung mittels Temperaturkennlinien erfolgt.
Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Helligkeit der LEDs der einzelnen LED-Farben von der Sperrschichttemperatur der LEDs bzw. von der gemessenen Boardtemperatur Tb abhängt, die anstelle der schwer messbaren Sperrschichttemperatur auf einer Leiterplatte gemessen wird, auf der Licht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe abgebende LEDs zu einer Mischlicht abgebenden Lichtquelle angeordnet sind, die von einer Modulelektronik angesteuert wird, die zusammen mit der Leiterplatte auf einem Modulträger angeordnet ist und ein Leuchtmodul bildet, das zusammen mit einer Vielzahl weiterer Leuchtmodule zu einem LED-Panel zusammengefasst werden kann.
A) Die Helligkeit von LEDs als Funktion der Boardtemperatur Tb
Die Abhängigkeit der Helligkeit Y der LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung von der Sperrschichttemperatur bzw. von der gemessenen Boardtemperatur Tb wird durch eine Näherungsfunktion angenähert, die je nach gewünschtem Genauigkeitsgrad als lineare Funktion der Form Y(Tb) = a + b*Tb
als Polynom zweiten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 (Formel 1 )
oder als Polynom dritten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 + d*Tb3
ausgebildet ist. Bei einer quadratischen Näherungsfunktion mit einem Polynom zweiten Grades ist die Güte der Annäherung bereits sehr gut, wie das in Fig. 21 dargestellte Diagramm für die LED-Farbe Amber, das zusammen mit der LED-Farbe Rot die stärkste Temperaturabhängigkeit aufweist, belegt.
Die gemessenen Kennlinien der relativen Helligkeit Y(Tb) als Funktion der Boardtemperatur Tb in 0C zeigen einen ström- bzw. leistungsabhängigen Kurvenverlauf. In allen Fällen ist der Kurvenverlauf für höhere LED-Leistungen am steilsten. Dieser Effekt ist sowohl bei einer Gleichstrom- als auch bei einer pulsweitenmodulierten PWM-Ansteuerung der LEDs festzustellen, wie dem in Fig. 22 dargestellten Diagramm zu entnehmen ist, in dem die relative Helligkeit in Prozent über der Boardtemperatur Tb in 0C bei verschiedenen Dimmfaktoren und damit unterschiedlichen Stromstärken zu entnehmen ist.
Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass sich der die Boardtemperatur erfassende Temperatursensor in der Praxis in der Nähe der LED-Chips auf der LED-Leiterplatte der Lichtquelle eines Leuchtmoduls möglichst nah an den lichtemittierenden LED-Chips befindet. Trotz dieser Nähe des Temperatursensors zu den lichtemittierenden LED-Chips ist zwischen der Temperaturmessstelle und der Sperrschicht der LED-Chips ein Wärmewiderstand vorhanden, so dass der gemessene Temperaturwert stets geringer als die Sperrschichttemperatur ist. Die Temperaturdifferenz hängt dabei für jeden LED-Chip von der dem betreffenden LED-Chip abzuführenden Wärmeleistung und somit von der aufgenommenen LED-Leistung ab. Da somit die Helligkeit der Licht unterschiedlicher Wellenlänge abgebenden LEDs von der Sperrschichttemperatur abhängt, die Kennlinien jedoch nur in Abhängigkeit von der Boardtemperatur aufgenommen werden, zeigen die gemessenen Kennlinien der Helligkeit als Funktion der Boardtemperatur einen strom- bzw. leistungsabhängigen Kurvenverlauf.
Hieraus ergibt sich die Problemstellung, dass die Kennlinien der Helligkeit Y als Funktion der Boardtemperatur Tb vom Strom bzw. von der aufgenommenen Leistung der einzelnen LEDs bzw. LED-Farbgruppen abhängen, so dass eine Helligkeitskorrektur mit der vorstehend angegebenen Formel 1 , bei der die Abhängigkeit der Helligkeit der LEDs von der Boardtemperatur durch eine quadratische Näherungsfunktion angenähert wird, für abweichende LED-Ströme bzw. Wärmeleistungen mit systematischen Fehlern behaf- tet ist und nicht optimal arbeiten würde. Dieser Effekt würde beispielsweise beim Dim- men, d. h. bei der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der LED- Beleuchtungseinrichtung auftreten.
Eine Verbesserung des Verfahrens, die Helligkeitskorrektur auf der Basis von Tempera- turkennlinien Y = f(Tb) durchzuführen, kann dadurch erreicht werden, dass die vorstehende Formel 1 wie folgt abgewandelt wird:
Y(Tb) = a + b (Tb + ΔT) + c (Tb + ΔT)2 (Formel 2)
In die quadratische Näherungsfunktion Y = f(Tb) wird ein Temperatur-Korrekturwert ΔT eingefügt, der die Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursensor und der Sperrschicht der LEDs aufgrund veränderter Wärmeleistungen berücksichtigt. Diese Form kann speziell dann gegenüber einem Polynom zweiten Grades (Formel 1) Vorteile bringen, wenn auch die Elektronik ein (ungewolltes) temperaturabhängiges Verhalten hat und der LED-Strom zusätzlich von der Temperatur abhängt.
Der Korrekturwert ΔT hängt dabei vom Wärmewiderstand zwischen dem Temperatursensor und der Sperrschicht der LEDs sowie von der momentan abzuführenden Wärmeleistung bzw. elektrischen Leistung der LEDs ab.
Er kann entweder aus diesen Größen, sofern bekannt, berechnet werden oder aber aus Messreihen mit verschiedenen elektrischen Leistungen ermittelt werden. Bei bekanntem Wärmewiderstand zwischen dem Board und der Sperrschicht der LEDs lässt sich der stromabhängige Korrekturwert ΔT wie folgt aus den LED-Strömen berechnen:
Rw = ΔT / Pw
Mit Rw dem Wärmewiderstand zwischen Board und Sperrschicht, Pw der abzuführenden Wärmemenge, die näherungsweise der LED-Leistung entspricht und ΔT der Tem- peraturdifferenz zwischen Board und Sperrschicht. Hieraus folgt
ΔT = Rw * Pw
mit der Wärmeleistung Pw, die in etwa der LED-Leistung ULED * ILED entspricht
Der Temperaturkorrekturwert ΔT muss dabei ebenso wie die Parameter a, b, und c indi- viduell für jede LED-Farbe berücksichtigt werden. Die stromabhängige Wärmeleistung der LEDs wird vom Mikroprozessor aus den Werten ULED * ILED ermittelt. Da bei LEDs ein Teil der Gesamtleistung in Licht umgewandelt wird, ist die Wärmeleistung der LEDs stets geringer als das Produkt U * I. Dies kann durch einen zusätzlichen Faktor fw berücksichtigt werden
Der farbabhängige Korrekturwert ΔT errechnet sich somit zu:
Auf diese Weise lässt sich das jeweils gemessene Verhalten der Helligkeit Y in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tb sehr gut rekonstruieren, wie das in Fig. 23 dargestellte Diagramm am Beispiel einer gelben LED zeigt.
B) Die Stromabhängigkeit der Kennlinien
Die gemessenen Kennlinien der Helligkeit Y(Tb) als Funktion der Boardtemperatur Tb zeigt gemäß Fig. 22 einen ström- bzw. leistungsabhängigen Kurvenverlauf. In allen Fällen ist der Kurvenverlauf für höhere LED-Leistungen am steilsten. Dieser Effekt ist sowohl bei einer Gleichspan- nungs- als auch einer PWM-Ansteuerung der LEDs und sowohl für AIInGaP- als auch in geringerem Ausmaß für InGaN-Materialien zu beobachten. Dieser Effekt ist darauf zurück zu führen, dass sich der Temperatursensor aus praktischen Gründen in der Nähe der LEDs auf der LED-Platine, möglichst nahe an den Licht emittierenden Chips, befindet. Dennoch ist zwischen der Temperaturmessstelle und der Sperrschicht der Chips ein Wärmewiderstand. Der gemessene Temperaturwert ist daher stets geringer als die Sperrschichttemperatur. Die Temperaturdifferenz hängt dabei je Chip von der je Chip abzuführenden Wärmeleistung und somit von der aufgenommenen LED-Leistung ab, wie dem Ersatzschaltbild des Wärmewiderstandes zwischen LED-Board und Sperrschicht der Chips gemäß Fig. 24 entnommen werden kann.
Da die Helligkeit der LEDs von der Sperrschichttemperatur abhängt, die Kennlinien jedoch nur in Abhängigkeit der Boardtemperatur aufgenommen werden, zeigen die gemessenen Kennlinien Helligkeit als Funktion der Boardtemperatur einen ström- bzw. leistungsabhängigen Kurvenverlauf.
Aus der vorstehenden Feststellung, dass die Kennlinien der Helligkeit als Funktion der Boardtemperatur vom Strom bzw. von der aufgenommenen Gesamtleistung abhängen, ergibt sich, dass eine Helligkeitskorrektur nach Formel 2 für abweichende LED-Ströme bzw. Wärmeleistungen mit systematischen Fehlern behaftet ist und nicht optimal arbeiten würde. Dieser Effekt würde z.B. beim Dimmen des LED-Scheinwerfers auftreten.
Eine Verbesserung des Verfahrens der Helligkeitskorrektur auf Basis von Temperaturkennlinien Y=f(Tboard) kann erreicht werden, indem Formel 2 wie folgt abgewandelt wird:
Y(Tb) = A + B * (Tb +ΔT) + C * (Tb + ΔT)2 + D * (Tb + ΔT)3 Formel 3
In die quadratische bzw. kubische Näherungsfunktion Y=f(Tb) wird ein Temperatur-Korrekturwert ΔT eingefügt, welcher die Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen Temperatursensor und Sperrschicht auf Grund veränderter Wärmeleistungen berücksichtigt.
Der Korrekturwert ΔT hängt dabei vom Wärmewiderstand zwischen Sensor und Sperrschicht sowie von der momentan abzuführenden Wärmeleistung bzw. elektrischen Leistung desr LED- Moduls ab. Er kann entweder aus diesen Größen, sofern bekannt, berechnet werden oder aber aus Messreihen mit verschiedenen elektrischen Leistungen ermittelt werden.
Bei bekanntem Wärmewiderstand (Board - Sperrschicht) der LEDs lässt sich der stromabhängige Korrekturwert ΔT wie folgt aus den LED-Strömen berechnen: Rw = ΔT / Pw Rw: Wärmewiderstand zwischen Board und Sperrschicht
Pw: abzuführende Wärmemenge, näherungsweise LED-Leistung ΔT: Temperaturdifferenz zwischen Board und Sperrschicht
ΔT = Rw * Pw Pw: Wärmeleistung, entspricht in etwa LED-Leistung ULED * ILED
Der Temperaturkorrekturwert ΔT muss dabei ebenso wie die Parameter A, B, C und D individuell für jede LED-Farbe berücksichtigt werden.
Die stromabhängige Wärmeleistung der LEDs wird vom Mikroprozessor aus den Werten ULED * ILED ermittelt. Da bei LEDs ein Teil der Gesamtleistung in Licht umgewandelt wird, ist die Wärmeleistung der LEDs stets geringer als das Produkt U * I. Dies kann durch einen zusätzlichen Faktor fw berücksichtigt werden:
Der farbabhängige Korrekturwert ΔT errechnet sich somit zu:
ΔT = Rw * fw * ILED * ULED Formel 4
Auf diese Weise lässt sich das gemessene Verhalten sehr gut rekonstruieren, wie die in Fig. 23 dargestellte Grafik am Beispiel einer gelben LED zeigt.
Die Helligkeits-Temperaturkennlinien werden auf eine „Arbeitstemperatur" Tn normiert, welche beispielsweise die typische Betriebstemperatur im warmen Zustand darstellt.
Y(Tb) = A + B * (Tb+ΔT- Tn) + C * (Tb+ ΔT- Tn)2 + D * (Tb+ ΔT- Tn)3 Formel 5
Werden die Kurven so normiert, dass Y(Tb) zu „1 " für die Arbeitstemperatur Tn wird, so ergibt sich der Parameter A stets zu „1". Damit kann das Hinterlegen dieses Parameters im Speicher entfallen.
Die Polynomparameter A bis D werden mit den gängigen Methoden der Mathematik anhand der für verschiedene Dimmgrade aufgenommenen Kurven Helligkeit als Funktion der Boardtemperatur für die virtuelle, auf PWM = 0 extrapolierte Kennlinie ermittelt. Zur praktischen Ermittlung des Korrekturwertes ΔT ohne Berücksichtigung der Flussspannung werden gemäß Formel 4 der Wärmewiderstand Rw sowie der Korrekturfaktor fw zur Ermittlung der Wärmeleistung der LEDs benötigt. Häufig sind diese Werte nicht bekannt. Da die Wärmeleistung der LEDs direkt proportional zur elektrischen Leistung der LEDs und damit direkt proportional zum Dimmgrad der LEDs ist, kann Formel 4 wie folgt umgeschrieben werden:
ΔT ~ PWM
ΔT = E * PWM Formel 6
Mit PWM dem Dimmgrad zwischen (0...1 ) und dem Leistungsparameter E.
Sind die Polynomparameter A bisD sowie der Leistungsparameter E bekannt, so kann während des Scheinwerferbetriebs die relative Helligkeit der LED-Farben mit Formeln 5 und 6 aus den aktuellen Werten der Boardtemperatur Tb sowie der individuellen LED-Dimmgrade PWM berechnet werden:
Y(Tb) = A + B * (Tb+ΔT- Tn) + C * (Tb+ ΔT- Tn)2 + D * (Tb+ ΔT- Tn)3
mit ΔT = E * PWM
Zur praktischen Ermittlung des Korrekturwertes ΔT mit Berücksichtigung der Flussspannung führen die typischen Flussspannungstoleranzen der LEDs dazu, dass verschiedene, typ- und farbgleiche LEDs mit verschiedenen LED-Leistungen betrieben werden, auch wenn sie mit dem sel- ben Strom und der selben PWM angesteuert werden. Eine Berücksichtigung der individuellen Flussspannungen führt folglich zu einer weiteren Verbesserung der Qualität der angewandten Temperaturkennlinien. Aus Formel 4 folgt:
ΔT ~ PWM * ULED
ΔT = E1 * PWM * ULED Formel 7
Der Parameter E1 kann aus dem für Formel 6 ermittelten Wert E ermittelt werden, indem E durch die Flussspannung UFref des zu seiner Ermittlung verwendeten LED-Moduls dividiert wird.
Während des Scheinwerferbetriebs kann dann die relative Helligkeit der LED-Farben mit Formeln 5 und 7 aus den aktuellen Werten der Boardtemperatur Tb sowie der individuellen LED- Dimmgrade und Flussspannungen berechnet werden: Y(Tb) = A + B * (Tb+ΔT- Tn) + C * (Tb+ ΔT- Tn)2 + D * (Tb+ ΔT- Tn)3
Um die Helligkeit der individuellen LED-Farben während des Scheinwerferbetriebs konstant zu halten, werden die PWM-Ansteuersignale in Abhängigkeit von der Boardtemperatur, der PWM sowie ggf. der Flussspannung mit dem Temperatur-Korrekturfaktor kT = 1/Y(Tb) multipliziert:
PWM = PWM * kT= PWM / Y(Tb) Formel 8
Vorstehend bedeuten:
Y(Tb) relative Helligkeit in Abhängigkeit der Boardtemperatur
Tb Boardtemperatur in 0C
Tn Arbeitstemperatur in 0C ΔT leistungsabhängiger Temperatur-Korrekturwert in 0C
A D Polynomkoeffizienten
E, E1 Leistungsparameter
PWM PWM-Ansteuersignal (0....1 )
Rw Wärmewiderstand in K/W ULED Flussspannung in V
ILED LED-Strom in A
Pw Wärmeleistung in W fw Korrekturfaktor
Der Ablauf des Verfahrens der Farbsteuerung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe abgebenden LEDs mittels Temperaturkennlinien ist den in den Fig. 25 bis 29 dargestellten Flussdiagrammen zu entnehmen.
Das in Fig. 25 dargestellte Flussdiagramm dient der Ermittlung von Temperaturkennli- nien eines LED-Moduls, wobei die Ermittlung der Temperaturkennlinien Stichprobenhaft durchgeführt wird. Die ermittelten Kennlinien werden dann auf alle LED-Module übertragen und in deren Speicher hinterlegt. Vor dem Speichern kann noch eine nachstehend erläuterte Umrechnung (Inter-/Extrapolation) der Kennlinien-Parameter auf die individuellen dominanten Wellenlängen berücksichtigt werden.
In einem ersten Schritt wird die Helligkeit Y in Abhängigkeit von verschiedenen Boart- temperaturen Tb für jede LED-Farbe bei vorgegebenem Strom im eingeschwungenen Zustand gemessen und die Kennlinie Y = f(Tb) ermittelt. In einem zweiten Schritt werden die Kennlinien auf einen willkürlich gewählten Temperaturwert in der Nähe des späteren Arbeitspunktes Tb1 normiert, d. h. Y(Tbi) = 1 ermittelt.
In einem dritten Schritt werden je nach Wahl der Näherungsfunktion die Parameter a und b für eine lineare Näherungsfunktion der Form
Y(Tb) = a + b*Tb
für eine quadratische Näherungsfunktion, d. h. ein Polynom zweiten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2
oder für eine Näherungsfunktion mit einem Polynom dritten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 + d*Tb3
ermittelt. Die Parameter a und b bzw. a, b, c bzw. a, b, c, d werden in den LED-Modulen, in einer zentralen Steuereinrichtung der LED-Beleuchtungseinrichtung oder in einem externen Controller gespeichert.
Das in Fig. 26 dargestellte Flussdiagramm zeigt die stichprobenhafte Ermittlung von Kalibrier-Korrekturverfahren für die LED-Module, die im Betrieb der LED- Beleuchtungseinrichtung für eine schnelle individuelle Helligkeitskalibrierung der LED- Module benötigt werden. Die Kalibier-Korrekturfaktoren beschreiben den Faktor der Helligkeit im eingeschwungenen Zustand gegenüber dem Helligkeitsmesswert kurz nach dem Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung und werden Stichprobenhaft für jede LED-Farbe ermittelt.
In einem ersten Schritt zur Ermittlung der Kalibrier-Korrekturfaktoren für jedes LED- Modul wird die Helligkeit Y in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tbcaι für jede LED- Farbe unmittelbar nach dem Einschalten gemessen und als Wert Y(Tbcaι, to) abgelegt.
In einem zweiten Schritt wird die Helligkeit Y und die Boardtemperatur Tb für jede LED- Farbe im eingeschwungenen Zustand gemessen und als Wert Y(Tb, U) abgelegt. Daran anschließend wird der Helligkeitswert Y(Tb, ti) auf eine Boardtemperatur Tb1 mittels der Kennlinie Y = f(Tb) umgerechnet, wobei Tb1 die Temperatur ist, für die die Kennlinien Y = f(Tb) auf 1 normiert wurden. Als Ergebnis wird der Wert Y(Tb1, ti) abgelegt.
In einem dritten Schritt werden die Korrekturfaktoren entsprechend der Gleichung
kYcal = Y(TbI , t1 ) / Y(Tbcal, tθ)
gebildet, die nur für die während der Kalibrierung gemessene Boardtemperatur Tbcaι gel- ten. Gegebenenfalls muss ein Set mehrerer Kalibrierfaktoren für verschiedene Boardtemperaturen Tbcaι während der Kalibrierung erzeugt werden.
In Fig. 27 ist ein Flussdiagramm für die Helligkeitskalibrierung eines LED-Moduls dargestellt, die dazu dient, die Helligkeiten der LED-Farben in jedem individuellen LED-Modul zu speichern. Die Modulelektronik des LED-Moduls kann diese aus dem Speicher auslesen und kompensieren. Somit leuchten die Farben aller LED-Module einer LED- Beleuchtungseinrichtung (beispielsweise eines Scheinwerfers) gleich hell, wenn ein externer Controller der LED-Beleuchtungseinrichtung Soll-Helligkeitssignale für die verschiedenen LED-Farben vorgibt.
In einem ersten Schritt der Helligkeitskalibrierung der LED-Module wird die Helligkeit Y und die Boardtemperatur Tb für jede LED-Farbe unmittelbar nach dem Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung bzw. des LED-Moduls gemessen und als Wert Y(Tbcaι, t0) abgelegt.
In einem zweiten Schritt wird für jede Farbe eine Umrechnung auf die Helligkeit im statischen Zustand bei einer Boardtemperatur Tb1 entsprechend
Y(Tbi) = Y(Tbcal, tθ) * kYcal
umgerechnet. Dabei entspricht der Faktor kYcaι den entsprechend dem Flussdiagramm gemäß Fig. 26 ermittelten Kalibrierkorrekturfaktoren.
In einem dritten Schritt werden die auf die Boardtemperatur Tb1 umgerechneten HeIMg- keiten der LED-Farben im jeweiligen LED-Modul gespeichert. Das in Fig. 28 dargestellte Flussdiagramm gibt das Verfahren zur Farbkalibrierung der LED-Beleuchtungseinrichtung bzw. eines Scheinwerfers wieder. Nach dem Start des Programms erfolgt in einem ersten Schritt die Messung des Spektrums und hieraus ab- geleitet der Helligkeit Y sowie der Normfarbwertanteile x, y jede LED-Farbe des Scheinwerfers. Anschließend wird die Scheinwerferhelligkeit auf die Boardtemperatur TM mittels der Kennlinie Y = f(Tb) umgerechnet und die Spektren werden auf Y = Y(Tbi) skaliert.
In einem zweiten Schritt werden die Kalibrierdaten x, y und Y(Tbi) für jede LED-Farbe im Scheinwerfer gespeichert. In einem dritten Schritt erfolgt die Berechnung der optimalen Lichtstromanteile der LED-Farben aus den gemessenen Spektren für N Farbtemperaturstützpunkte mittels der vorstehend beschriebenen programmgesteuerten Recheneinheit.
In einem vierten Schritt werden die Lichtstromanteile der LED-Farben für N Farbtempe- raturstützpunkte im Speicher des Scheinwerfers gespeichert und/oder die Lichtstromanteile der LED-Farben in Tabellenform in Abhängigkeit vom Zielfarbort, d. h. den Normfarbwertanteilen x, y gespeichert.
Fig. 29 zeigt ein Flussdiagramm der Farbregelung einer als Scheinwerfer ausgebildeten LED-Beleuchtungseinrichtung.
Im Rahmen der Farbregelung der LED-Beleuchtungseinrichtung wird eine temperatur- abhängige Leistungsbegrenzung durchgeführt, da die Gesamtleistung der LED- Beleuchtungseinrichtung bzw. der allen LEDs der LED-Farben zugeführte Gesamtstrom einen vorgegebenen, vorzugsweise temperaturabhängigen Grenzwert nicht übersteigen darf; denn es macht wenig Sinn, bei steigender Temperatur und folglich abnehmender Helligkeit der LED-Beleuchtungseinrichtung mehr Strom in der Erwartung zuzuführen, damit den Helligkeitsabfall einzelner oder mehrerer Farben zu kompensieren. Mit einer Erhöhung der Stromzufuhr und damit der Gesamtleistung der LED- Beleuchtungseinrichtung steigt die Temperatur weiter an, so dass die Lichtausbeute weiter absinkt, bis einzelne oder mehrere LEDs überlastet und damit zerstört werden oder eine hardwaremäßige Strombegrenzung eingreift. Voraussetzung für die in Fig. 29 als Flussdiagramm dargestellte Farbregelung der LED- Beleuchtungseinrichtung ist die Speicherung von Kalibrierdaten für N Farbtemperaturstützpunkte und/oder einer Farborttabelle im Mikroprozessor der LED- Beleuchtungseinrichtung oder der LED-Module mit Lichtstromanteilen der LED-Farben als Funktion der Farbtemperatur (CCT) und/oder des Farborts (x, y), der Temperaturkennlinien Y = f(Tb) für jede LED-Farbe und der Helligkeit und des Farborts Y, x, y für jede LED-Farbe.
In einem ersten Schritt der Farbregelung werden die PWM-Faktoren PWMA der LED- Farben für den gewünschten Farbort und die Helligkeit gegebenenfalls mittels Interpolation ermittelt. In einem zweiten Schritt wird die Boardtemperatur Tb gemessen und in einem dritten Schritt die temperaturabhängigen PWM-Korrekturfaktoren für jede Farbe aus den im Speicher hinterlegten Kennlinen
fPWM = 1/YREL
ermittelt, wobei als Wert YREι_ die lineare Näherungsfunktion, quadratische Näherungsfunktion oder Näherungsfunktion dritten Grades gemäß vorstehender Beschreibung eingesetzt wird.
In einem vierten Schritt wird geprüft, ob die der LED-Beleuchtungseinrichtugn zugeführte Gesamtleistung Pneu oder der individuelle LED-Strom lneu einen vorgegebenen Maximalwert Pmax bzw. lmax übersteigt. Ist dies der Fall, wird ein Cut-Off-Faktor kCutoff zur Strom- bzw. Leistungsbegrenzung ermittelt, der für alle LED-Farben gültig ist und ent- sprechend
kCutoff = Pmax/Pneu bZW. kCutoff = Lax/Ineu
bestimmt wird.
Übersteigt die neue Gesamtleistung nicht dem vorgegebenen Maximalwert, so wird der Faktor kCutoff = 1 gesetzt.
In einem fünften Schritt werden neue PWM-Faktoren PWMT entsprechend PWMT = PWMA * fPWM * kCutoff
ermittelt und die LEDs mit den neuen PWM-Faktoren PWMT angesteuert und anschlie- ßend zum ersten Verfahrensschritt der Ermittlung der PWM-Faktoren für die PWMA der LED-Farben zurückgekehrt.
Die im Rahmen der Kalibrierung gemessenen Grundhelligkeiten der Farbkanäle dienen zur internen Helligkeitskorrektur der LED-Module. Damit werden sowohl die Helligkeitsto- leranzen der LED-Chips als auch Toleranzen in der Elektronik kalibriert. Aus diesen Werten werden dann im Rahmen der Kalibrierung des LED-Beleuchtungssystems die farbabhängigen Helligkeitskorrekturfaktoren kY ermittelt und gespeichert. Die während der Kalibrierung für jede Farbe ermittelten Helligkeiten werden über die vorab im Labor als repräsentativ ermittelten Temperaturkennlinien auf die Arbeitstemperatur Tn umge- rechnet.
Im Rahmen der Scheinwerferkalibrierung werden von allen angeschlossenen LED- Modulen die internen Grundhelligkeiten Y gelesen und aus ihnen, bezogen auf das LED-Modul mit der geringsten Helligkeit die Helligkeitskorrekturfaktoren kY für alle LED- Module berechnet und hinterlegt. Sie dienen zur internen Helligkeitskorrektur der LED- Module. Die von einem externen Controller erhaltenen PWM-Befehle werden intern in den LED-Modulen mit dem Helligkeitskorrekturfaktor kY multipliziert, so dass alle angeschlossenen LED-Module die gewünschte Farbe mit derselben Helligkeit darstellen.
Die Helligkeitskorrekturfaktoren kY werden bei der Kalibrierung der LED- Beleuchtungseinrichtung für jeden Kanal wie folgt berechnet:
kY = Ymιn/Y
wobei Ymm das Minimum der Grundhelligkeiten Y aller angeschlossenen LED-Module ist.
Die Parameter für die Temperaturkennlinien unter Anwendung einer Näherungsfunktion dritten Grades werden so gewählt, dass für jede Farbe die relative Helligkeit für die Arbeitstemperatur Tn und PWM = 1 auf 1 normiert wird. Der Polynomkoeffizient a beträgt dabei 1. Da die Temperaturkennlinien vom Spitzenstrom abhängen, muss im Falle einer Spitzenstromumschaltung auf das jeweilige Parameterset zurückgegriffen werden. Auf die Arbeitstemperatur Tn sind alle helligkeitsbezogenen Kalibrierdaten normiert.
Die maximale Sperrschichttemperatur der LED-Chips gibt den in der LED-Beleuchtung hinterlegten Wert für eine Abschalttemperatur bzw. eine maximale Boardtemperatu an, der unter dem Grenzwert für die maximale Sperrschichttemperatur der LED-Chips liegen muss.
Bei Überschreitung der maximalen Boardtemperatur Tmax muss die Gesamtleistung des LED-Moduls solange gleichmäßig reduziert werden, bis die Boardtemperatur Tb kleiner oder gleich Tmax ist. Die Leistungsreduzierung erfolgt über den farbunabhängigen Leistungsfaktor kP.
Für die Berechnung der modulintern anzuwendenden Dimmfaktoren bzw. PWM-Signale wird wie folgt vorgegangen.
a) Berechnung der relativen Helligkeit Yrel, in Abhängigkeit von der gemessenen Boardtemperatur Tb und einer auf den Wert Y= 1 bei der Boardtemperatur Tn normierten Kurve Y = f(Tb) sowie des PWM-Signals:
Y(Tb, PWM) = 1 + B * (Tb - Tn + dT) + C * (Tb - Tn + dT)2 + D * (Tb - Tn + dT)3 Y(Tn) = 1 + B * dT + C * dT2 + D * dT3
Mit dT = E * (1-PWMιntem) einer leistungsabhängige Korrektur, die typisch zwischen -10 und -300C liegt.
Normierung der leistungskorrigierten Kennlinie auf 1 für die Arbeitstemperatur Tn:
Yrel = Y(Tb, PWM) / Y(Tn)
b) Ermittlung des temperaturabhängigen Korrekturfaktors kT (je Kanal):
kT = 1 / Yrel c) Ermittlung der Leistungsreduzierung kP zur Einhaltung bzw. Unterschreitung der max. Boardtemperatur (je Modul):
Bei Überschreitung der maximalen Boardtemperatur Tmax muss die Gesamtleistung des Moduls solange gleichmäßig reduziert werden, bis Tb <= Tmax. Die Leistungsreduzierung erfolgt über den farbunabhängigen Leistungsfaktor kP.
Die Zeitkonstante tP (% / s) beschreibt dabei die Geschwindigkeit für die Leistungsreduzierung und m deren Steigung.
Beim Modulstart beträgt kP = 1
Ist Tb > Tmax, so wird die Soll-Leistung um folgendem temperaturabhängigen Faktor reduziert:
kP *= 1 - m (Tb - Tmax)
(Reduzierung mit Zeitkonstante tP)
Fällt Tb unter Tmax, so kann die Leistung wieder erhöht werden:
Wenn kP < 1 , dann kp /= (1 - m(Tb - Tmax)) (Erhöhung mit Zeitkonstante tP)
Alternativ kann der Scheinwerfer bei Überschreiten der Grenz- bzw. Shutofftem- peratur anstatt gedimmt auch abgeschaltet werden, wenn keine Helligkeitsänderung während des Betriebs erlaubt ist. In diesem Fall beträgt
kp = 0, wenn Tb > Tmax
Der Leistungsfaktor kP beträgt maximal kP = 1
d) Ermittlung der temperaturbedingt theoretisch erforderlichen Dimmfaktoren bzw.
PWM-Signale je Kanal: PWMtheo = PWMs0Ii * kT * kY
PWMtheo, max = Maximum der für alle Farben ermittelten PWM-Anteile PWMtheo
e) Ermittlung der darstellbaren relativen Helligkeit des Moduls Yrel je LED-Modul: 5
Wenn PWMtheo,max <= 1 , dann: Yrel modul = kP
Wenn PWMtheo,max ≥ 1 , dann: Yrel modul = kp/PWMtheo, max
f) Daten für einen Gruppenangleich: 10
Alle angeschlosenen LED-Module erhalten von einer zentralen Leistungsteuereinheit den Befehl SetGroupBrightness, wodurch ihnen die relative Helligkeit des temperaturbedingt dunkelsten LED-Moduls im Scheinwerfer mitgeteilt. Alle anderen LED- Module gleichen ihre Helligkeit auf diese Helligkeit an, um temperaturbedingte HeI- 15 ligkeitsgradienten zu vermeiden.
Für den Gruppenangleich sendet jedes LED-Modul seine darstellbare relative Helligkeit Yrei, Modul an die zentrale Leistungsteuereinheit, die die Helligkeit des (temperaturbedingt) dunkelsten LED-Modul bestimmt und diese als Yrθι, Group an alle LED-Module 20 sendet, damit diese ihre Helligkeit darauf angleichen (reduzieren) können:
Yrei, Group = Minimum der von allen LED-Modulen erhaltenen Werte Yreι, Modul
g) Gruppenangleich LED-Module 25
Jedes LED-Modul gleicht seine Helligkeit auf die Gruppenhelligkeit an.
Der Faktor kGraup für den Gruppenangleich berechnet sich wie folgt; der Defaultwert für kcroup beträgt 1
>jθ koroup ~ Y rel, Group ' • rel, Modul h) Berechnung der internen Dimmfaktoren bzw. PWM-Signale
PWM(intern) = PWMsoN * kT * kY * Yre,, Mθdui * kGraup
35 = PWMtheo * Yrel, Modul * kcroup Anschließend leuchten alle LED-Module derselben Farbe mit übereinstimmender Helligkeit.
Zur Leistungsstabilisierung innerhalb eines Scheinwerfers ist es erforderlich, die errechneten relativen Lichtstromanteile pro Grundfarbe zu normieren. Wird der Scheinwerfer z.B. so angesteuert, dass die PWM-Signale auf den Maximalwert PWMmax=1 normiert werden, so wird jeweils die maximal mögliche Helligkeit erreicht. Dies ist jedoch nicht sinnvoll, da zum einen die Helligkeit einer eingestellten Farbe über die Betriebstemperatur konstant sein sollte, was mit Hilfe der Tem- peratur-Helligkeits-Kennlinien sehr einfach kompensiert werden kann. Zum anderen kann jedoch je nach Kühlung des Scheinwerfers die damit erzeugte LED-Leistung zu hoch sein, so dass der LED-Scheinwerfer schon bald seine oberste Grenztemperatur (Shutofftemperatur) erreicht und sich ausschalten würde. Bei passiver Kühlung muss der Scheinwerfer in der Regel mit einem internen Dimmfaktor betrieben werden, um nicht zu heiß zu werden. Dieser interne Dimmfaktor hängt jedoch sehr stark vom Mischungsverhältnis der LED-Farben und damit von der Farbtemperatur bzw. vom Farbort ab.
Das für eine beliebige Farbe bzw. einen Farbmodus berechnete relative Lichtstromverhältnis wird daher auf eine maximale LED-Leistung Pmax (W) bezogen, die im Speicher des Scheinwerfers hinterlegt wird.
Um die aktuelle Leistung einer eingestellten Farbmischung zu berechnen und auf Pmax normieren zu können, wird für jeden Farbkanal die Leistungen Pi (W) @PWM=1 während der Kalibrierung im Scheinwerfer hinterlegt.
Kompensation der temperaturbedingten Farbshift bei LED-Modulen
Bei aus LED-Modulen aufgebauten Scheinwerfern ist eine Änderung der Farbtemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur zu beobachten. Das Ausmaß beträgt ca. 300 K für die Einstellun- gen 3200 K und 5600 K. Dieser Effekt ist auf die temperaturbedingte Verschiebung der dominanten Wellenlängen, insbesondere der roten und gelben LEDs, zurückzuführen. Da eine Kalibrierung mit einer Messung der Spektren und Berechnung der erforderlichen Lichtstromanteile im warmen Zustand erfolgt, der Scheinwerfer aber während des Aufheizens oder im gedimmten Zustand eine niedrigere Temperatur aufweist, bewirkt eine spektrale Verschiebung eine Erhöhung der Farbtemperatur.
Die entsprechend den vorstehend beschriebenen Verfahren in den LED-Modulen implementierte Temperaturkompensation kompensiert lediglich die Helligkeiten und sorgt dafür, dass die relativen Lichtstromanteile der Farbmischung über die Temperatur konstant bleiben. Die in den Fig. 30 und 31 dargestellten Spektren veranschaulichen die Unterschiede der kalten und warmen Spektren für die Einstellung 3200K (Fig. 30) und 5600K (Fig. 31 ), die bei NTC-Temperaturen von 7O0C und 250C gemessen wurden und die mit der bisher implementierten Methode der konstanten Lichtstromanteile auftreten. Die temperaturbedingte Farbverschiebung verläuft hierbei nicht exakt entlang des Planckschen Kurvenzugs, besonders bei geringen Farbtemperaturen treten Abweichungen von bis zu 5 Schwellwerteinheiten vom Planckschen Kurvenzug auf. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß nicht nur die CCT-Abweichung, sondern auch die Farbortabweichung (dx, dy) kompensiert.
Fig. 32 zeigt die CCT-Abweichung kalt-warm in Abhängigkeit von der Farbtemperatur, Fig. 33 die Farbortabweichung dx, dy (kalt-warm) in Abhängigkeit vom Zielfarbort x für Zielfarbörter x,y entlang des Planckschen Kurvenzugs im Farbtemperaturbereich zwischen 2200 K und 24000 K und Fig. 34 die optimalen Lichtstromanteile warm und kalt als Funktion der Farbtemperatur CCT.
Für die Kompensation der Farbverschiebung bzw. Farbshift sind folgende Methoden auf der Scheinwerferebene möglich:
a) Eingabe eines Ausgleichsalgorithmus für die Farbtemperaturkorrektur ΔCCT = f(CCT, TNτc) in Verbindung mit Kalibrierdaten für eine NTC-Temperatur. Dieses Kompensationsverfahren ist einfach durchzuführen aber vergleichsweise ungenau, da Abweichungen vom Planckschen Kurvenzug nicht kompensiert werden, und ist nur für Farbtemperatureinstellungen, nicht aber für beliebige Farborte, beispielsweise nicht für Effektfarben, anwendbar.
Der Ausgleichsalgorithmus für die Farbtemperaturkorrektur kann experimentell oder mathematisch ermittelt werden. Bei einer experimentell Ermittlung werden für einen Scheinwerfer die optimalen Lichtstromanteile für verschiedene CCT-Stützpunkte im warmen Betriebszustand (TNτc warm), sowie die Helligkeits-Temperaturkennlinien ermittelt und der Scheinwerfer im kalten Zustand (TNTC kait) auf verschiedene Soll-Farbtemepraturen eingestellt. Anschließend wird die Farbtemperatur des emittierten Lichts gemessen und die Differenz zwischen der Zielfarbtemperatur und der gemessenen Farbtemperatur in Abhängigkeit von der Zielfarbtemperatur aufgetragen. Für diese Wertepaare wird eine Näherungsfunktion, beispielsweise ein Polynom, ermittelt.
Bei mathematischer Ermittlung eines Ausgleichsalgorithmus für die Farbtemperaturkorrektur wird davon ausgegangen, dass von einem Scheinwerfer die optimalen Lichtstromanteile für verschiedene CCT-Stützpunkte im warmen Betriebszustand (TNTc warm) vorliegen. Dann werden im kalten Betriebszustand (TNTC kait) die Spektren der Einzelfarben gemessen und diese „Kalt-Spektren" anhand der für den warmen Betriebszustand TNTC warm ermittelten Lichtstromanteile für verschiedene CCT-Stützpunkte gemischt und die Farbtemperatur aus dem so erhaltenen Mischspektrum berechnet. Die Differenz zwischen der Zielfarbtemperatur und der aus den Kalt-Spektren berechneten Farbtempera- tur wird in Abhängigkeit von der Zielfarbtemperatur aufgetragen. Für diese Wertepaare wird eine Näherungsfunktion (z.B. Polynom) ermittelt.
Die so gewonnene Näherungsfunktion stellt die anzuwendende Farbtemperaturkorrektur ΔCCTkaιt in Abhängigkeit von der Zielfarbtemperatur für einen kalten Scheinwerfer dar. Typischerweise wird die NTC-Temperatur im Betrieb zwischen TNTc warm und TNTC kait liegen. Die in Abhängigkeit von der Zielfarbtemperatur ermittelte Farbtemperaturkorrektur ΔCCTkaιt (CCTZιei) wird entsprechend dem aktuellen TNTC-Wertes linear interpoliert:
ΔCCT(CCTzιe|, TNTC) = ΔCCTkalt(CCTzιel) / (TNTC warm — TNTC kalt) * (TNTC — TNTC kalt)
Die Software gibt dem Scheinwerfer dann anstelle der gewünschten Zielfarbtemperatur die um den Wert ΔCCT(CCTz,eι, TNTC) korrigierte Farbtemperatur vor.
Die Methode der Farbtemperaturkorrektur führt zu korrekten ähnlichsten Farbtemperatu- ren des emittierten Lichts bei verschiedenen NTC-Temperaturen. Sie ist jedoch nicht in der Lage, eventuell zusätzlich auftretende Farbabweichungen vom Planckschen Kurvenzug zu kompensieren, da die zu kompensierende Farbverschiebung durch die temperaturbedingte Verschiebung der dominanten Wellenlängen selten zufällig exakt entlang des Planckschen Kurvenzugs verläuft.
Alternativ können die optimalen Lichtstromanteile auch für den kalten Betriebszustand ermittelt werden und die Korrekturfunktion anhand der Spektren bzw. der Messdaten des Scheinwerfers im warmen Betriebszustand ermittelt werden.
Eingabe eines Ausgleichsalgorithmus zur Farbortkorrektur Δx und Δy = f(xZιeι, TNTC) oder
Δx und Δy =f(CCTZιeι, TNTC) und der Kalibrierdaten für eine NTC-Temperatur. Auch dieses Kompensationsverfahren ist einfach durchführbar, funktioniert aber für die Korrektur des Farborts, beispielsweise für eine maximale Helligkeit. Es liefert aber nicht optimale Lichtstromanteile und birgt die Gefahr für eine CRI-Verschlechterung. Darüber hinaus ist es nur für eine Farbtemperatureinstellung, nicht aber für beliebige Farborte, z.B. für Effektfarben, anwendbar.
Dieses Kompensationsverfahren benötigt zwei Korrekturfunktionen für die Normfarbwertanteile x und y. Die Korrekturfunktionen für die Farbortkorrektur können analog des Aus- gleichsalgorithmus für die Farbtemperatur entweder experimentell oder mathematisch ermittelt werden.
Die in Abhängigkeit des Zielfarborts ermittelten Farbortkorrekturen Δx, Δyka|t (CCTZιeι)wer- den entsprechend dem aktuellen TNTC-Wert linear interpoliert:
ΔX, Δy(CCTzιel, TNTC) = ΔX, Δyι<a|t(CCTzιel) / (TNTC warm — TNTC kalt) * (TNTC — TNTC kalt)
Die Software gibt dem Scheinwerfer dann anstelle des Farborts der gewünschten Ziel- farbtemperatur die um die Werte Δx(CCTZιeι, TNTC) und Δx(CCTZιeι, TNTC) korrigierten
Farborte vor.
Auch hier können alternativ die optimalen Lichtstromanteile für den kalten Betriebszustand ermittelt werden und die Korrekturfunktionen anhand der Spektren bzw. der Mess- daten des Scheinwerfers im warmen Betriebszustand ermittelt werden.
Die beschriebene Methode der Farbortkorrektur führt zu korrekten Farborten entlang des Planckschen Kurvenzugs des emittierten Lichts bei verschiedenen NTC-Temperaturen. Gewünschte Farbtemperaturen können damit exakt entlang des Planckschen Kurven- zugs eingestellt werden.
Da bei dieser Farbortkompensation dem hinterlegten optimalen Lichtstromverhältnis einige Farben zugemischt werden müssen und es bei mehr als 3 Kanälen hierfür teilweise theoretisch unbegrenzt viele Kombinationsmöglichkeiten gibt, erfolgt das Zumischen an Farben unter Umständen ungünstig in Bezug auf eine optimale Farbwiedergabe und
Mischlichtfähigkeit mit Film. Diese Unsicherheit wird mit dem nachstehend unter c) beschriebenen Kompensationsverfahren gelöst.
Interpolation optimale Mischung = f(CCT, TNTC) und Farbort = f(TNTC) und Ermittlung der Kalibrierdaten (optimale Mischung und Farborte) für zwei NTC-Temperaturen.
Diese Kompensationsverfahren ergibt den besten Farbwiedergabeindex (CRI), stellt die genaueste (x, y) Methode für die farbwiedergabeoptimierten und helligkeitsoptimierten Mischungen, die genaueste (x, y) Methode für Mischungen dar und ist für beliebige Far- borte anwendbar. Es bedingt jedoch einen höheren Aufwand für die Softwareentwicklung
(Kalibrierung, Scheinwerfer, Farbmetrik).
Der Zeitaufwand während der Scheinwerferkalibrierung erhöht sich nur marginal. Ohne Einsatz dieses Kompensationsverfahrens würde der Scheinwerfer im warmen und damit typischen Betriebszustand kalibriert, wobei sich der Zeitaufwand für die Kalibrierung im Wesentlichen aus dem Einsetzen des Scheinwerfers in die Messvorrichtung, Anschluss des Scheinwerfers an die Versorgung und Steuergeräte sowie das Starten der Kalibriersoftware und der Aufheizdauer auf die Kalibriertemperatur TNTC warm zusammensetzt. Die eigentliche Erfassung der Spektren erfolgt in Sekundenschnelle. Bei dem Kompensationsverfahren c) werden lediglich vor Beginn der Aufheizphase die „Kalt-Spektren" miter- fasst und von der Software entsprechend verarbeitet, was innerhalb weniger Sekunden erfolgen kann und vom Benutzer keine zusätzlichen Aktivitäten erfordert.
Diese Methode kann für folgende Modi eingesetzt werden:
a. Einstellung einer gewünschten Farbtemperatur mit bestmöglicher Farbwiedergabe und Mischlichtfähigkeit, d.h. farbwiedergabeoptimiert.
Bei der Kalibrierung werden die Spektren der Grundfarben im kalten (TNTCkait) sowie warmen (TNTC warm) Zustand erfasst und jeweils die optimalen Lichtstromanteile der verwendeten LED-Farben für einige CCT-Stützpunkte berechnet und im Scheinwerfer oder Steuergerät hinterlegt:
Yrei_warm (CCT) optimale Lichtstromanteile in Abh. der CCT für TNTC warm
Yrei_kait (CCT) optimale Lichtstromanteile in Abh. der CCT für TNTC kait
Diese optimalen Lichtstromanteile führen sowohl im kalten als auch im warmen Zu- stand zu farbwiedergabeoptimierten Lichtmischungen, die exakt den Farbort der gewünschten Farbtemperatur treffen.
Für NTC-Temperaturen ungleich TNTC warm oder TNTC kait kann die optimale Mischung durch Interpolation erhalten werden:
Yrel (CCT, TNTC) = Yrel_kalt (CCT) + (TNTC — TNTC kalt) * (Yrel_warm(CCT) — Yrel_kalt(CCT))/(TNTC warm — TNTC kalt)
Soll eine Farbtemperatur eingestellt werden, die zwischen zwei CCT-Stützpunkten liegt, so werden die Mischungen der beiden CCT-Stützpunkte wie vorstehend beschrieben für die aktuelle NTC-Temperatur berechnet und anschließend so zwischen den beiden CCT-Stützpunkten interpoliert, dass die gewünschte Zielfarbtemperatur erreicht wird. b. Einstellung beliebiger Farborte bzw. Effektfarben mit bestmöglicher Lichtausbeute bzw. Helligkeit, d.h. helligkeitsoptimiert.
Für die Berechnung beliebiger helligkeitsoptimierter Farborte, die sowohl „weiße" Far- borte mit einer beliebigen Farbtemperatur als auch beliebige Effektfarben sein können, die innerhalb des darstellbaren LED-Gamuts liegen, werden gemäß der Gesetzmäßigkeiten der additiven Farbmischung nur die Normfarbwerte X, Y, Z der verwendeten Grundfarben benötigt. Die Normfarbwerte X, Y, Z können mit Hilfe der allgemein bekannten Formeln der Farbmetrik aus dem Farbort x, y und dem helligkeitsproportiona- len Wert Y berechnet werden, so dass es genügt, die Werte x, y und Y in Abhängigkeit von der NTC-Temperatur zu kennen.
Bei Anwendung der Helligkeits-Temperaturkennlinien kann davon ausgegangen werden, dass der Normfarbwert Y konstant bleibt. Es genügt also, nur die Werte x, y in Abhängigkeit von der NTC-Temperatur zu hinterlegen.
Bei der Kalibrierung werden dafür aus den „Kalt-Spektren" und den „Warm-Spektren" der LED-Grundfarben deren Normfarbwertanteile berechnet und zusammen mit dem Helligkeitswert Y im Speicher des Scheinwerfers oder Steuergerätes hinterlegt:
Für die Berechnung der Mischungen zur Einstellung beliebiger Farben mit maximaler Helligkeit können die hierfür benötigten Farbvalenzen der Grundfarben in Abhängigkeit von der aktuellen NTC-Temperatur durch lineare Interpolation berechnet werden:
X(TNTC) = Xkalt + (TNTC — TNTC kalt) * (Xwarm — Xkalt) y(TNTc) = Ykalt + (TNTC — TNTC kalt) * (ywarm — Ykalt)
Y(TNTC) = Ywarm gemäß der angewandten Temperatur-Helligkeitskennlinien
Fig. 35 zeigt eine Grafik der gemessenen Farbtemperatur eines 5-Kanal-LED-Moduls in Abhängigkeit von der NTC-Temperatur für die Einstellung CCT=3200 K mit implementierter Korrektur der Spektralshift nach Methode c) und Fig. 36 eine Grafik der gemessenen Farbtemperatur eines LED-Moduls in Abhängigkeit der NTC-Temperatur für die Einstellung CCT = 5600 K mit imple- mentierter Korrektur der Spektralshift nach Methode c) im Vergleich zum Verhalten ohne Korrektur der Spektralshift bei alleinigem Wirken der Temperaturkompensation.
Wie vorstehend ausgeführt, sind für jede LED-Grundfarbe die Kennlinien Yreι = f(TNτc, PWMi) implementiert: Y(T_NTC) = A + B*(TNTC -Tn+dT) + C*(TNTC -Tn+dT)2 + D*(TNTC -Tn+dT)3 (Formel 9) mit dT = E* PWM (Fomel 10)
wobei Y(T_NTC) Helligkeit in Abhängigkeit der NTC-Temperatur A, B, C, D Polynomkoeffizienten der Kennlinien TNτc aktuelle NTC-Temperatur
Tn Arbeitstemperatur Werden die Kurven auf Y(T_NTC)= 1 @ TNTC=Tn normiert, so beträgt der Polynomkoeffizient A=1. dT Korrekturwert in Abhängigkeit der aktuellen LED-Leistung
E „Leistungsparameter"
PWM LED-PWM-Ansteuersignale
Der Mikrocontroller errechnet für jede Farbe während des Scheinwerferbetriebs in Abhängigkeit der aktuellen NTC-Temperatur den Temperatur-Korrekturfaktor kT = 1 / Y(T_NTC)- Die für die Einstellung einer gewünschten Farbe errechneten PWM-Signale werden mit dem für jede Farbe berechneten Korrekturfaktor kT multipliziert. Damit wird die Helligkeit der Farben über die Betriebstemperatur konstant gehalten.
Dabei werden fplgende Effekte berücksichtigt:
Temperaturabhängigkeit der Helligkeit pro Farbe mit leistungsabhängiger Temperatur- korrektur_der Kennlinien („Leistungsparameter E" in Verbindung mit der internen PWM)
Die Kurven werden durch ein Polynom 3. Grades beschrieben Koeffizienten der Temperaturkennlinie: A, B, C, D sowie Leistungsparameter E.
Da bei gleichem Dimmgrad (PWM) und gleicher Stromansteuerung die LED-Leistung gleichfarbi- ger LEDs auf Grund der Flussspannungstoleranzen variieren kann, weil die Temperaturdifferenz zwischen dem am NTC gemessenen Wert und der Sperrschicht der LEDs von der Flussspannung abhängig ist, wird eine Korrektur durchgeführt, bei der die leistungsabhängige Temperaturkorrektur individuell für jedes LED-Modul in Abhängigkeit von der individuellen LED-Flussspannungen UF berechnet wird.
Aus der allgemein bekannten Formel für den thermischen Widerstand Rth = dT / dP folgt, dass die Temperaturdifferenz zwischen NTC und Sperrschicht direkt proportional zur übertragenen Leistung ist. Die LED-Leistung wiederum ist direkt proportional zur Flussspannung: P = UF * I Daraus folgt, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem NTC und der Sperrschicht dT direkt proportional zur Flussspannung der LEDs ist: dT ~ UF.
Der empirisch für ein typisches LED-Modul ermittelte Leistungsparameter E ist somit direkt proportional zur Flussspannung UF der LEDs. Weicht die Flussspannung der individuellen LED von derjenigen LED ab, für welche die Kennlinien ermittelt worden sind, so kann die Formel 9 wie folgt erweitert werden:
dT = E * UF / Ugemessen * PWM (Formel 9a)
Dabei ist
UF: Flussspannung der LED-Farbe des individuellen LED-Moduls
Ugemessen: Flussspannung der LED-Farbe des LED-Moduls, an welchem die typischen Helligkeits-Temperaturkennlinien aufgenommen worden sind.
Die individuelle Flussspannung UF hängt zudem in geringem Maße von der Temperatur ab. Sie kann entweder näherungsweise als konstant betrachtet werden und z.B. während der Kalibrierung einmalig ermittelt und hinterlegt werden oder sie wird in einer genaueren Methode während des Scheinwerferbetriebs vom Mikrocontroller gemessen oder der während der Kalibrierung ermittelte Wert wird in Abhängigkeit von der aktuellen NTC- Temperatur korrigiert. In den Datenblättern der LED-Hersteller finden sich die entsprechen- den Daten dUF / dT.
Zur Ermittlung der Temperaturkennlinien in Abhängigkeit vom Dimmgrad (PWM) und der Flussspannung sind somit folgende, im Flussdiagramm gemäß Fig. 37 schematisch dargestellte Verfahrensschritte vorgesehen, wobei alle auszuwertenden Grafiken auf Y= 1 bei Arbeitstemperatur TNTC=Tn normiert sein müssen.
1. Durchführung der Messungen (mit Spektrometer)
YpwM-ioo = f(TNτc) Helligkeit = f(Temperatur) für PWM=I 00%
YPWM2O = f(TNτc) Helligkeit = f(Temperatur) für PWM=20% Ugemessen Flussspannung bei 250C
2. Normierung der gemessenen Kennlinien auf Y=1 bei TNτc=Tn <Z B 75°C) 3. Mathematische Ermittlung der temporären Polynomkoeffizienten Btemp, Ctemp, Dtemp für gemessene Kurve PWM=100 aus 4 Stützpunkten für ein Polynom 3. Grades der Form YPWMIOO = A + B*(TNTC -Tn) + C*(TNTC -Tn)2 + D*(TNTC -Tn)3
Der Koeffizient A beträgt dabei 1 durch die vorangehende Normierung auf Y= 1 bei TNTC=Tn
4. Experimentelle Ermittlung von dTPWM2o für die gefittete Kurve PWM=20
Y(T_NTC) = 1 + Btemp*(TNτc -Tn+dT) + Ctemp*(TNτc -Tn+dT)2 + Dtemp*(TNτc -Tn+dT)3 (Parameter dT wird dabei solange variiert, bis diese Formel eine optimale Annäherung an die gemessene Kurve PWM=20 ergibt.)
5. Extrapolation von dTPWM2o auf dTPWMo : dTPWMo = 5/4*dTPWM2o
6. Ermittlung Polynomkoeffizienten B1 1C1 1D1 für die vorangehend extrapolierte Kurve mit PWM=O
4 Stützpunkte aus folgender Kurve:
Y(T_NTC) = 1 + Btemp*(TNτc -Tn+ dTpwwi o) + Ctemp*(TNτc -Tn+ dTpwwi o)2 + Dtemp*(TNτc -Tn+ dTpwwi o)3
ergeben die neue Gleichung für PWM=O
Y(T_NTO = 1 + B1 * (TNTC -Tn) + C1 * (TNTC -Tn)2 + D1 * (TNTC -Tn)3
7. Experimentelle Ermittlung von dTPWM1oo für die gemessene Kurve PWM=100 (mit Polynomkoeffizienten B1 , C1 , D1)
Y(T_NTC) = 1 + B1 * (TNTC — Tn+ dTPwMioo) + C1 * (TNTC -Tn +dTPwMioo)2 + D1 * (TNTC -Tn +dTPwwιioo)3 (Parameter dT variieren, bis optimale Annäherung an die gemessene Kurve PWM=100)
8. Ermittlung des temporären Leistungsparameters Etemp Ansatz: dTPWM1Oo = Etemp* PWM
-> Etemp = dTpwM100 / PWM
9. Ermittlung des allgemeinen Leistungsparameters E1 Ansatz: dT(UF) = Etemp * UF/Ugemessen * PWM
= Etemp/Ugemessen * UF * PWM = E1 * UF * PWM
DaraUS folgt: E1 = Etemp/Ugemessen
Soll die individuelle Flussspannung nicht berücksichtig werden, so ist E1 =Etemp
10. Die allgemeinen Temperaturkennlinien in Abhängigkeit von der PWM sowie der Flussspannung lauten nun:
Y(T_NTC) = 1 + B1 * (TNTC -Tn+dT) + C1 * (TNTC -Tn+dT)2 + D1 * (TNTC -Tn+dT)3
mit dT = E1 * PWM* UF
Betrachtet man die Helligkeits-Temperaturkennlinien für die Farben gelb...orange...rot, so erkennt man, dass die Kurven für gelb (ca. 590 nm) am steilsten verlaufen, für orange bis rot (ca. 620 nm) zunehmend flacher. Die an einem LED-Modul mit gelben (dominante Wellenlänge 592 nm) und roten (dominante Wellenlänge 620 nm) gemessene Helligkeitsänderung zwischen Y(20°C)/Y(74°C) weist den Faktor 1 ,80 für die roten bzw. 3,19 für die gelben LEDs auf. Dazwi- sehen liegen lediglich 28 nm Unterschied in der dominanten Wellenlänge. Daraus ist offensichtlich, dass sich bereits typische Toleranzen der dominanten Wellenlängen von wenigen Nanome- tern stark auf die tatsächlichen Helligkeits-Temperaturkennlinien auswirken.
Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß eine Korrektur bzw. Anpassung der hinterlegten Tem- peratur-Koeffizienten in Abhängigkeit von der dominanten Wellenlänge, insbesondere für AIIn- GaP-Chips (amber, rot) durchgeführt, wobei die Kennlinien individuell für jedes LED-Modul_an die individuellen dominanten Wellenlängen angepasst werden.
Die Korrektur der Helligkeits-Temperaturkennlinien um diesen Effekt kann nach folgendem Prin- zip erfolgen:
Im Labor werden pro Farbe mehrere Helligkeits-Temperatur-Kennlinien an LED-Modulen verschiedener dominanter Wellenlänge aufgenommen
Daraus werden für jede Farbe die Polynomparameter A...E in Abhängigkeit von der domi- nanten Wellenlänge bestimmt.
Im Rahmen der LED-Modulkalibrierung werden von jedem LED-Modul im kalten Zustand die Spektren der LED-Farben sowie die zugehörige NTC-Temperatur erfasst. Dies kann im Rahmen der Modulkalibrierung und -Selektion erfolgen und stellt in der Regel keinen zusätzlichen Aufwand dar. Aus dem Spektrum werden die dominanten Wellenlängen je Farbe berechnet. Die vorab an einzelnen Modulen ermittelten Polynomparameter A....E werden entsprechend der Abweichung der individuellen dominanten Wellenlängen des zu kalibrierenden Moduls zur dominanten Wellenlänge des Moduls, von dem die Kennlinien ermittelt worden sind, korrigiert.
Die Umrechnung der Polynomparameter auf eine LED mit bestimmter dominanter Wellenlänge kann durch lineare Interpolation der Polynomparameter zweier bekannter Kurven zweier LEDs mit verschiedenen dominanten Wellenlängen auf die neue dominante Wellenlänge erfolgen. Die genauesten Ergebnisse erhält man, wenn die dominanten Wellenlängen der Originalkurven sowie die dominante Wellenlänge, auf die umgerechnet werden soll, möglichst nahe beisammen liegen. Dabei darf nicht zwischen gegebenen Kurven verschiedener LED-Technologien wie AIInGaP und InGaN interpoliert werden.
Wenn man beispielsweise die Kurve samt Polynomparameter A... D für ein Polynom 3. Gra- des für eine gelbe LED mit dominanter Wellenlänge I_dom_gelb1 benötigt, so benötigt man zusätzlich die Kurve samt Polynomparameter A...D für eine ähnliche LED mit abweichender dominanter Wellenlänge I_dom_gelb2 (mit etwas größerer Unsicherheit auch orange oder rot). Die Polynomparameter A...D für eine gelbe LED mit dominanter Wellenlänge I_dom_gelb3 erhält man dann durch lineare Interpolation der Polynomparameter für die Kurven mit I_dom_gelb1 bzw. I_dom_gelb2 in Abh. der Wellenlängendifferenz.
Das prinzipielle Vorgehen zeigt Fig. 38 anhand der Originalkurven für eine gelbe und eine rote LED sowie die daraus abgeleiteten Kurven für zwei theoretische gelbe LEDs, deren dominante Wellenlängen um +/- 3 nm von der ursprünglichen gelben Kurve abweichen.
Vorteil dieser Methode ist, dass im Scheinwerferbetrieb die Helligkeit jedes LED-Moduls dann entsprechend seiner individuell gültigen Temperatur-Helligkeitskennlinie konstant gehalten werden kann, ohne dass diese individuell und messtechnisch in zeitraubenden Messungen der Helligkeit über die Temperatur ermittelt werden muss. Für die Ermittlung der individuellen Temperatur-Helligkeitskennlinie genügt es stattdessen, diese Kurve für ein
„typisches" LED-Modul zu kennen und des weiteren die Spektren der individuellen LED- Module im kalten Zustand zu erfassen, was mit äußerst geringem Zeitaufwand möglich ist und typischerweise sowieso im Rahmen der Kalibrierung erfolgen würde.
Diese Methode kann natürlich für sämtliche LED-Farben angewendet werden. Der stärkste
Effekt wird jedoch für die AlInGaP-Farben gelb...orange...rot auftreten.
Lichtausbeutestabilisierung Da durch das temperaturabhängige Nachführen der farbwiedergabeoptimierten Mischungen sich die Lichtausbeute der Mischungen und damit die Helligkeit ändert und zudem die individuellen hinterlegten optimalen Lichtstromanteile der farbwiedergabeoptimierten Mischungen bei verschiedenen Scheinwerfern Mischungen mit verschiedener Lichtausbeute und damit verschiede- nen Helligkeiten entstehen lassen können, werden zur Erweiterung der Helligkeitsstabilisierung und zum Angleichen mehrerer Scheinwerfer an einen farbwiedergabeoptimierten Weißmodus über die Lichtausbeute zwei Methoden zur Färb- und Helligkeitsstabilisierung angewandt:
- Lichtausbeutenomierung in Abhängigkeit der Boardtemperatur
Lichtausbeute-Setangleich zwischen verschiedenen Scheinwerfern
Zunächst wurden also zum einen für die Färb- und Helligkeitsstabilisierung die von der Pulöswei- tenmodulation abhängigen Helligkeits-Temperaturkennlinien eingesetzt und die für den warmen Betriebszustand berechneten Lichtstromanteile einer Farbmischung für verschiedene NTC- Temperaturen konstant gehalten.
Zum andern wurde eine „Leistungsnormierung" eingeführt, um für jede Farbmischung die maximale LED-Leistung bei Erreichen des warmen Betriebszustands konstant zu halten. Damit wird ein vorzeitiges Erreichen bzw. Überschreiten einer Abschalttemperatur verhindert. Mit Hilfe der Leistungsnormierung (z.B. 5 W LED-Leistung pro Modul) wird für jede eingestellte Farbmischung ein individueller „interner" Leistungs-Dimmfaktor berechnet und angewandt. Jede Farbmischung kann damit mit optimaler Helligkeit bzw. optimalem internem Dimmfaktor eingestellt werden, ohne dass bei normalen Umgebungsbedingungen die Shutofftemperatur erreicht bzw. überschritten wird. Dabei erfolgt die Leistungsnormierung gezielt für den warmen Betriebszustand, weil hier wegen der negativen Helligkeits-Temperaturcharakteristik der LEDs ein höherer LED-Strom bzw. eine höhere LED-Leistung angewandt werden muss, um die Helligkeit des Scheinwerfers über die Temperatur konstant zu halten. Bei Temperaturen unterhalb der Abschalttemperatur wird der Scheinwerfer automatisch mit geringerer Leistung betrieben. Um die Helligkeit konstant zu halten ohne dabei jemals eine höhere Leistung als Pmax einstellen zu müssen, darf diese maximale Leistung erst bei der Abschalttemperatur erreicht werden.
Mit beiden vorangehenden Methoden konnte jeder eingestellte Farbort mit jeweils höchst möglicher als auch über die Betriebstemperatur konstanter Helligkeit eingestellt werden. Die gemesse- nen Helligkeitsänderungen pro Farborteinstellung schwankten um weniger als 1 % zwischen kalt und warm.
Nachteilig ist, dass sich auf Grund des spektralen Shifts der verwendeten LED-Grundfarben über die Betriebstemperatur der eingestellte Farbort änderte. Das Ausmaß der Farbortänderung hing vom Farbort sowie der jeweiligen Farbmischung ab und betrug in der Größenordnung 300 K zwischen kalt und warm, wobei sich bei höheren Temperaturen die Farbtemperatur verringerte, da der Effekt der temperaturabhängigen Spektralshift insbesondere die AIInGaP-LEDs im gelben bis roten Farbbereich ausgeprägt ist. Die Änderung der dominanten Wellenlänge in Abhängigkeit beträgt ca. 0,1 nm/K für gelbe, orange und rote AIInGaP-LEDs. Abhilfe erfolgte über die vorstehend beschriebene Kompensation der temperaturabhängigen Spektralshift im Wesentlichen durch Duplizierung der Kalibrierdaten für den warmen auf den kalten Zustand und temperaturabhängiger linearer Interpolation. Dieser Algorithmus konnte die Farbortkonstanz über die Betriebstemperatur gravierend verbessern.
Mit der Kompensation der Spektralshift entstanden jedoch trotz Leistungsnormierung und Anwendung der Helligkeits-Temperaturkennlinien teils massive Lichtstromänderungen einer eingestellten Farbe bis weit über 10 % zwischen kaltem und warmem Betriebszustand. Ausmaß als auch Richtung der Helligkeitsänderung sind abhängig vom gewählten Farbort bzw. der Farbmischung und konnten somit nicht ohne weiteres bestimmt bzw. kompensiert werden.
Der Grund für diese Helligkeitsänderungen bei konstantem Farbort ist, dass sich durch das temperaturabhängige Nachführen der Lichtstromanteile bzw. der Änderung der Gewichte der einzelnen LED-Grundfarben die Lichtausbeute der jeweiligen Mischung mit der Betriebstemperatur än- dert. Dieser Effekt ist völlig unabhängig vom Helligkeits-Temperaturverhalten der LEDs. Die bisher angewandte Normierung dieser sich mit der Temperatur ändernden Mischungen auf eine konstante LED-Gesamtleistung führte durch die sich ändernde Lichtausbeute der LED-Mischungen zwangsläufig zu nicht konstanten Helligkeiten.
Dieses Problem wird durch eine erweiterte Helligkeitsstabilisierung über die Lichtausbeute wie folgt gelöst:
Für alle im Speicher hinterlegten optimalen Lichtstromanteile der CCT-Stützpunkte werden zusätzlich die zugehörigen Lichtausbeuten für den warmen Betriebszustand ηNτc_warm(CCT, TNTc_warm berechnet und im Speicher hinterlegt. Von den für abweichende Betriebstemperaturen nachgeführten Mischungen wird während des Betriebs die aktuelle Lichtausbeute ηNTC(CCT, TNTC) errechnet. Aus dem Verhältnis dieser beiden Werte wird der Lichtausbeute-Korrekturfaktor kη = ηNτc_warm/ HNTC berechnet und die Soll-PWM-Anteile der LED-Mischung mit diesem Faktor multipliziert. Mit dieser Methode bleiben über die Betriebstemperatur sowohl Farbort als auch Helligkeit konstant.
Lichtausbeute-Setangleich Jeder Scheinwerfer sorgt durch die modulinterne Temperaturkompensation und die im Scheinwerfer hinterlegten Kalibrierdaten Y,x,y (je Farbe) lediglich dafür, dass die eingestellte Farbe (CCT bzw. x,y) korrekt ist. In einem Set bestehend aus mehreren Scheinwerfern haben dann alle Scheinwerfer die gleiche Farbe - aber ggf. unterschiedliche Helligkeiten.
Selbst bei guter Selektion der LED-Chips können aber sowohl der Farbort als auch die Lichtausbeute der verwendeten LED-Grundfarben von Scheinwerfer zu Scheinwerfer variieren, da zur Einstellung farbwiedergabeoptimierter Farbtemperaturen für jeden Scheinwerfer für verschiedene CCT-Stützpunkte die optimalen Lichtstromanteile für den kalten und warmen Betriebszu- stand ermittelt und hinterlegt werden. Diese optimalen Lichtstromanteile und zugehörigen Lichtausbeuten können auf Grund der LED-Toleranzen von Scheinwerfer zu Scheinwerfer variieren. Verschiedene Scheinwerfer benötigen also individuelle LED-Mischungen, um den gewünschten Farbort sicher einstellen zu können.
Würde nun ein Set, bestehend aus mehreren Scheinwerfern, gemeinsam auf eine bestimmte Farbtemperatur eingestellt und die Farbmischung jedes Scheinwerfers auf dieselbe maximale Gesamtleistung Pmaχ,warm bezogen, so könnten die Lichtausbeuten der einzelnen Scheinwerfer für die selbe Farbtemperatur um mehr als 30 % voneinander abweichen. Analog würde die Helligkeit der Scheinwerfer entsprechend variieren - bei gleicher Farbtemperatureinstellung und LED- Leistung.. Es wäre unmöglich, ein Set aus mehreren Scheinwerfern auf gleiche Farbe bei gleicher Helligkeit einzustellen.
Um sicher zu stellen, dass alle an einen Controller angeschlossenen Scheinwerfer auch dieselbe Helligkeit aufweisen, ist daher eine Helligkeits-Abgleichsfunktion beispielsweise durch den Cont- roller erforderlich, bei der sich für jede Farbe die jeweils helleren Scheinwerfer auf die niedrigste Helligkeit innerhalb des Sets einstellen, d.h. reduzieren.
Dieses Problem wird durch einen „Lichtausbeute-Setangleich" wie folgt gelöst:
Für den farbwiedergabeoptimierten Weißmodus wird für die Farbmischungen aller CCT- Stützpunkte zusätzlich die Lichtausbeute im warmen Zustand berechnet und hinterlegt. Von allen Scheinwerfern, die zu einem Set zusammengeschlossen werden, wird je CCT-Stützpunkt die kleinste Lichtausbeute aller zum Set gehörenden Scheinwerfer ermittelt und als Set-Lichtausbeute des CCT-Stützpunkts in allen Scheinwerfern hinterlegt. Hieraus wird während des Betriebs in Abhängigkeit der CCT und der aktuellen NTC-Temperatur jeweils der Set-Lichtausbeute-Korrekturfaktor
kηSet (CCT, TNTC) = ηSet(CCT, TNTCwarm) / η(CCT, TNTC) bestimmt und die ermittelten PWM-Anteile damit multipliziert, d.h. alle Scheinwerfer werden pro CCT-Stützpunkt auf die Helligkeit der geringsten Lichtausbeute innerhalb des Sets eingestellt.
Alle Scheinwerfer eines Sets leuchten damit im farbwiedergabeoptimierten Weißmodus mit der gleichen Helligkeit, welche sich über die Temperatur nicht mehr ändert. Ebenso bleibt der Farbort durch die vorangehend beschriebene Kompensation der Spektralshift über die gesamte Betriebstemperatur konstant.
Diese Methode eröffnet zweierlei Optionen:
a) Erzeugung beliebiger CCTs mit maximal möglicher Helligkeit. Die Helligkeit einer eingestellten CCT ist sowohl innerhalb aller Scheinwerfer eines Sets als auch über die Temperatur konstant. Bei Änderung der CCT kann sich jedoch die Helligkeit entsprechend der zugehörigen Set-Lichtausbeute ändern. b) Erzeugung beliebiger CCTs mit konstanter Helligkeit, so dass die Helligkeit aller wählbaren CCTs sowohl innerhalb aller Scheinwerfer eines Sets als auch über die Temperatur konstant ist. Bei Änderung der CCT bleibt die Helligkeit konstant.
Hierfür wird lediglich von den Set-Lichtausbeuten ηSet(CCT, TNTcwarm) der Minimalwert über alle CCTs, ηSetmιn(TNTcWarm), ermittelt und der aktuelle Set-Lichtausbeute- Korrekturfaktor kηSet (CCT, TNTC) = ηSetmιn / η(CCT, TNTC) angewandt. Auf diese Weise können alle Scheinwerfer innerhalb eines Sets beliebige Farbtemperaturen mit identischer Helligkeit erzeugen.
Zur Durchführung dieses Verfahrens sind folgende Daten erforderlich:
Yrei kait = f(CCT) optimierte Lichtstromanteile für CCT-Stützpunkte, kalter Betriebszustand Yrei warm = f(CCT) optimierte Lichtstromanteile für CCT-Stützpunkte, warmer Betriebszustand
P100, Leistungen je LED-Grundfarbe @PWM=1
Y100, Helligkeit je LED-Grundfarbe für warmen Betriebszustand @PWM=1
TNτcwarm NTC-Temperatur für warmen Betriebszustand TNTCkait NTC-Temperatur für kalten Betriebszustand ηSet=f(CCT) Set-Lichtausbeuten für warmen Betriebszustand
Zur Berechnung der Lichtausbeute η einer Farbmischung dient folgende Formel: Gegeben sind:
Yrei.i = f(CCT, TNTC): Lichtstromanteile für gewünschte CCT für aktuelle
NTC-Temperatur
PWMi = Yrei, / Y100, PWM-Signale zur Einstellung der Lichtstromanteile
Gesamthelligkeit = Σ PWMi * Y100, Gesamthelligkeit der aktuellen Mischung vor der
Korrektur
Gesamtleistung = Σ PWMi * P100, Gesamtleistung der aktuellen Mischung vor Korrektur
η = Gesamthelligkeit / Gesamtleistung Lichtausbeute der aktuellen Mischung
(Formel 11 )
Der Setangleich kann z.B. innerhalb der Kalibrierung erfolgen. Als Set könnten auch alle Schein- werter einer Fertigungsserie aufgefasst werden: Dann würden zudem alle Sets einer Fertigungsserie die gewünschten CCTs mit der selben Helligkeit darstellen.
Bei der Zusammenstellung individueller Sets kann der Setangleich auch vom Controller übernommen werden. Er liest dazu die entsprechenden Scheinwerferkalibrierdaten ein, bestimmt die minimalen Set-Lichtausbeuten und speichert diese als Set-Kalibrierdaten in den Kalibrierdaten ab.
Zum Setangleich wird wie folgt vorgegangen:
Der Controller liest von allen angeschlossenen Scheinwerfern ein:
Yrei warm = f(CCT) optimierte Lichtstromanteile für CCT-Stützpunkte, warmer Betriebszustand
P100, Leistungen je LED-Grundfarbe @PWM=1
Y100, Helligkeit je LED-Grundfarbe für warmen Betriebszustand @PWM=1
Der Controller berechnet nach Formel 1 für alle angeschlossenen Scheinwerfer und für alle CCT-Stützpunkte die Lichtausbeuten der CCT-Stützpunkte für TNTcwarm: ηwarm, k = f(CCT)
- Der Controller bestimmt von allen Scheinwerfern je CCT-Stützpunkt aus den Werten ηwarm.k = f(CCT) die minimale Lichtausbeute des Scheinwerfersets zu ηSet = f(CCT)
Der Controller schreibt ins EEPROM der Scheinwerfer die Set-Lichtausbeuten ηSet = f(CCT) (der Setangleich ist damit erfolgt.) Wird beim Scheinwerfer eine Farbtemperatur eingestellt, so berechnen die Farbmetrik- funktionen für jede aktuelle Farbmischung in Abhängigkeit der NTC-Temperatur die aktuelle Lichtausbeute η(CCT, TNTC) und bestimmen daraus den aktuellen Set-Lichtausbeute- Korrekturfaktor
kηSet (CCT, TNTC) = ηSetmιn / η(CCT, TNTC).
Für die PWM-Ansteuerung werden die ermittelten PWM-Signale mit dem Set- Lichtausbeute-Korrekturfaktor kηSet (CCT, TNTC) multipliziert.
Mit den Indizes i für die Farbe und k für die Scheinwerfer
Um den korrekten Farbort sowie die Farbtreue beim Dimmen zu verbessern, werden nicht perfekt lineare Dimmkennlinien je Farbkanal aufgenommen, indem Näherungsfunktionen für die Dimmkennlinien je Farbe ermittelt, Dimmkoeffizienten a und x je Farbe im Scheinwerfer hinterlegt und die PWM-Ansteuersignale entsprechend der Kennlinie korrigiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlenden LEDs oder LED-Farbgruppen, die innerhalb einer Farbgruppe Licht derselben Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlen, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort der von der
LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen,
gekennzeichnet durch
- eine Messung des Temperatur-Istwertes an und/oder innerhalb der LED-
Beleuchtungseinrichtung, insbesondere der Boardtemperatur der auf einer Platine angeordneten LEDs und/oder der Junctiontemperatur mindestens einer LED, Ermittlung mindestens eines temperaturabhängigen Wertes, der die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren
E(λ) der verschiedenfarbigen LEDs bei der gemessenen Temperatur bestimmt oder mitbestimmt, aus Kalibrierdaten, die für jede der verschiedenfarbigen LEDs gespeichert sind, Ermittlung der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs für eine die vorgegebene Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort bei der gemessenen Temperatur aufweisende Lichtmischung in Abhängigkeit von dem ermittelten mindestens einen temperaturabhängigen Wert und Einstellung der ermittelten Lichtstromanteile an den verschiedenfarbigen LEDs.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch
eine Grundeinstellung der Lichtmischung auf eine vorgegebene Lichtfarbe durch Einstellen der Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs bei einer Ausgangstemperatur der LED-Beleuchtungseinrichtung, Ermittlung der von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Ausgangs-Emissionsspektren EÄ(λ) der verschiedenfarbigen LEDs bei der Grundeinstellung,
Ermittlung der von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängi- gen Emissionsspektren E(λ) bei einer von der Ausgangstemperatur abweichenden, gemessenen Temperatur der LED-Beleuchtungseinrichtung, Ermittlung der Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs für eine die vorgegebene Lichtfarbe bei der gemessenen Temperatur aufweisenden Lichtmischung, - Einstellung der ermittelten Lichtstromanteile der verschiedenfarbigen LEDs an der LED-Beleuchtungseinrichtung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindes- tens eine temperaturabhängige Wert aus der Peakwellenlänge (λ^ ) des LED-
Emissionsspektrums und/oder der Halbwertsbreite (wso ) des LED- Emissionsspektrums und/oder der Helligkeit (Y) besteht und dass Kalibrierdaten für die Peakwellenlänge (λp ) des LED-Emissionsspektrums, die Halbwertsbreite
(wso ) des LED-Emissionsspektrums und/oder die Helligkeit (Y) für jede der ver- schiedenfarbigen LEDs als Funktion der Temperatur (T) ermittelt und als Funktion oder Tabelle gespeichert werden.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs für die gemessene Temperatur mittels der Gauß'schen Normalverteilung approximiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) mittels der Gaußschen Glockenkurve -ε λ-λp
£(λ) = f L
durch Ermitteln der für jede der verschiedenfarbigen LEDs linear oder quadratisch von der Temperatur abhängigen Parameter
λp der Peakwellenlänge des LED-Emissionsspektrums,
W5o der Halbwertsbreite des LED-Emissionsspektrums, f L einem temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor und 8 einem die Halbwertsbreite und den Flankenverlauf der Gaußschen Glockenkur- ve beeinflussenden Faktor mit 2,0 < 8 < 2,8
nachgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) nach der Formel
1 ( λ-λp tf(λ) = f L l- e H^
2
durch Ermitteln der für jede der verschiedenfarbigen LEDs linear oder quadratisch von der Temperatur abhängigen Parameter
λp der Peakwellenlänge des LED-Emissionsspektrums, W5o der Halbwertsbreite des LED-Emissionsspektrums und f L einem temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor
nachgebildet werden.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenfarbigen LEDs zu LED-Farbgruppen jeweils gleicher Farbe zusammengefasst werden und aus farbigen und weißen LEDs bestehen.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsspektren für weiße LEDs über mehr als drei Gaußverteilungen approximiert werden.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsspektren der farbigen LEDs über mehrere, vorzugsweise über 5 bis 9 Gauß'sche Normalverteilungen, approximiert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wellenlänge der verschiedenfarbigen LEDs abhängigen Emissionsspektren E(λ) bei einer von der Ausgangstemperatur abweichenden, gemessenen Temperatur der LED-Beleuchtungseinrichtung durch eine temperaturabhängige
Normierung und Verschiebung der Ausgangs-Emissionsspektren EA gemäß
£r(λ)= f L (T)- ^1 (λ - Δλ, ^))
approximiert werden, wobei
f L (T) einen die relative Helligkeitsänderung über den gesamten Temperaturbereich darstellenden, temperaturabhängigen Umrechnungsfaktor (Helligkeit des Spektrums relativ zur Helligkeit des Ausgangsspektrums) und Δλ^(r) eine von der Temperatur abhängige Verschiebung der Peakwel- lenlänge zum Ausgangsspektrum
bezeichnet.
1 1. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LEDs für die gemessene Temperatur messtechnisch ermittelt werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs durch Ansteuern der verschiedenfarbigen LEDs mittels Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs durch Ansteuern der verschiedenfarbigen LEDs mittels Pulsweitenmodulation bei einer Frequenz f>20 kHz gesteuert werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs von einer programmgesteuerten Einrichtung ermittelt oder den Lichtstromanteilen entsprechende pulsweitenmodulierte Signale von der programmgesteuerten Einrichtung abgegeben werden, in die die gemessenen oder approximierten Emissionsspektren der verwendeten LED-Farben eingelesen und mehrere Optimierungspa- rameter eingestellt werden und von der auf verschiedene Zielparameter optimierte
Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs und/oder den Lichtstromanteilen entsprechende pulsweitenmodulierte Signale abgegeben werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der auf verschiedene Zielparameter optimierten Lichtstromanteile für die verschiedenfarbigen LEDs vorab mittels der programmgesteuerten Einrichtung erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierte Signale an eine die verschiedenfarbigen LEDs ansteuernde Steuereinrichtung zur Ansteuerung der LEDs mit puls- weitenmodulierten Stromimpulsen abgegeben werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimierungsparameter die gewünschte Farbtemperatur der von den verschiedenfarbigen LEDs erzeugten Lichtmischung, die Mischlichtfähigkeit und die Refe- renzlichtart, für welche gute Mischlichtfähigkeit erzielt werden soll, einstellbar sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Optimierungsparameter das Aufnahmemedium, insbesondere der Filmtyp oder der verwendete Kamerasensor, für den gute Mischlichtfähigkeit erzielt werden soll, eingebbar ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielparameter zur Optimierung der Lichtstromanteile aus einem oder mehreren der Parameter
Farbtemperatur,
- Abstand vom Planckschen Kurvenzug, - Farbwiedergabeindex,
- Mischlichtfähigkeit mit Film oder Digitalkamera
bestehen.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zielparameter Sollwerte und/oder Toleranzwerte eingebbar sind.
21. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Korrektur der Färb- oder photometrischen Eigenschaften der LED-Beleuchtungseinrichtung eine Helligkeitsmessung durchgeführt und die Differenz zwischen dem gemessenen Helligkeits-Istwert und einem HeIMg- keits-Sollwert ermittelt wird und dass die von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebene Lichtstärke durch eine übereinstimmende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung an den Helligkeits-Sollwert angeglichen wird.
22. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der färb- oder photometrischen Eigenschaften der LED-Beleuchtungseinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der LEDs und/oder der LED-Beleuchtungseinrichtung
die Temperaturwerte an einer LED jeder Farbgruppe der verschiedenfarbigen LEDsgemessenwerden, oder ein für alle LED-Farben repräsentativer Temperaturwert eines Leuchtmoduls mit mehreren auf einem Modulträger angeordneten LEDs, - die Parameter λp , W50 und fL für jede Farbgruppe über eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt werden und die neuen, temperaturabhängigen Emissionsspektren über die Gaußvertei- lung oder durch Überlagerung mehrerer Gaußverteilungen mit Hilfe der temperaturabhängigen Parameter berechnet werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlesen der temperaturabhängigen Emissionsspektren in die programmgesteuerte Recheneinheit und die Berechnung der Lichtstromanteile und der zugehörigen PWM-Signale für die Lichtmischung in der programmgesteuerte Recheneinheit vorab bei der Kalibrierung der verschiedenfarbigen LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung erfolgt.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängigen Emissionsspektren in die programmgesteuerte Recheneinheit eingelesen und den Lichtstromanteilen entsprechende puls- weitenmodulierte Signale für die Lichtmischung berechnet werden, - die pulsweitenmodulierten Signale für die verschiedenfarbigen LEDs an der
LED-Beleuchtungseinrichtung eingestellt werden und
- eine Helligkeitsmessung und Anpassung der von der LED- Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtstärke an den Helligkeits- Sollwert durch eine übereinstimmende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung erfolgt
25. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der färb- oder photometrischen Eigenschaften der LED-Beleuchtungseinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur der LEDs und/oder der LED-Beleuchtungseinrichtung
- die Temperaturwerte an einer LED jeder LED-Farbgruppe oder ein für alle LED-Farben repräsentativer Temperaturwert eines Leuchtmoduls gemessen wird die Parameter fL und Δλ^ für jede Farbgruppe über eine lineare oder quadratische Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt werden,
- die neuen, temperaturabhängigen Emissionsspektren Eτ(λ) durch Verschieben und Normierung des gespeicherten Ausgangs-Spektrums berechnet wer- den.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlesen der temperaturabhängigen Emissionsspektren in die programmgesteuerte Rechenein- heit und die Berechnung der Lichtstromanteile sowie der zugehörigen PWM-
Signale für die Lichtmischung in der programmgesteuerten Recheneinheit vorab bei der Kalibrierung der verschiedenfarbigen LEDs der LED- Beleuchtungseinrichtung erfolgt.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass
die temperaturabhängigen Emissionsspektren Eτ(λ) in die programmge- steuerte Recheneinheit eingelesen und den Lichtstromanteilen entsprechende pulsweitenmodulierte Signale für die Lichtmischung berechnet werden, - die pulsweitenmodulierten Signale für die verschiedenfarbigen LEDs an der LED-Beleuchtungseinrichtung eingestellt werden und gegebenenfalls eine Helligkeitsmessung und Anpassung der von der LED- Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtstärke an den Helligkeits-
Sollwert durch eine übereinstimmende Erhöhung oder Absenkung der den verschiedenfarbigen LEDs zugeführten elektrischen Leistung erfolgt.
28. Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge abstrahlenden LEDs, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder einen Farbort der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen und durch Ansteuern der zu LED- Farbgruppen jeweils gleicher Farbe zusammengefassten und aus farbigen und weißen LEDs bestehenden verschiedenfarbigen LEDs mittels pulsweitenmodulier- ter Steuersignale eingestellt werden,
gekennzeichnet durch
eine Temperaturmessung, insbesondere der Temperatur innerhalb der LED- Beleuchtungseinrichtung, einer die LEDs aufnehmenden Platine und/oder der Junctiontemperatur mindestens einer LED und eine Grundeinstellung der Lichtmischung auf eine vorgegebene Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder einen Farbort durch Einstellen von den Lichtstromanteilen der LED-Farbgruppen an der Lichtmischung bei einer Ausgangstemperatur der LED-Beleuchtungseinrichtung entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignalen und eine von der gemessenen Temperatur abhängige Veränderung der den Lichtstromanteilen der LED-Farbgruppen an der auf eine vorgegebene Licht- färbe, Farbtemperatur und/oder einen Farbort eingestellten Lichtmischung entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignale.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der pulsweitenmodulierten Steuersignale von der Temperatur aus der sich über den relevanten Temperaturbereich linear oder quadratisch ändernden Helligkeit der LED-Farbgruppen ermittelt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Kehrwert der relativen Helligkeitsänderung der LED-Farbgruppen in Bezug auf die Grundeinstellung entsprechender Faktor (fpwn/i) ermittelt wird und dass die Multiplikation des der Grundeinstellung entsprechenden Wertes der pulsweitenmodulier- ten Steuersignale (PWMA) jeder LED-Farbgruppen mit dem von der gemessenen
Temperatur (T) abhängigen Faktor (fPWM)den der gemessenen Temperatur (T) entsprechenden Wert der pulsweitenmodulierten Steuersignale (PWM (T)) jeder LED- Farbgruppen gemäß der Gleichung
ergibt.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsweitenmodulierten Signale (PWM (T)) jeder LED-Farbgruppen an der LED- Beleuchtungseinrichtung eingestellt werden, dass eine Helligkeitsmessung durchgeführt und die Differenz zwischen dem gemessenen Helligkeits-Istwert und einem Helligkeits-Sollwert ermittelt wird und dass die von der LED- Beleuchtungseinrichtung abgegebene Lichtstärke durch eine übereinstimmende
Erhöhung oder Absenkung der den LED-Farbgruppen zugeführten elektrischen Leistung an den Helligkeits-Sollwert angeglichen wird.
32. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale eines zusätzlich an der LED- Beleuchtungseinrichtung installierten Farbsensors oder Spektrometers bei der Bestimmung der relativen Helligkeiten der LED-Farbgruppen berücksichtigt wer- den.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des Farbsensors oder Spektrometers an die programmgesteuerte Rechen- einheit zur Bestimmung der Lichtstromanteile oder der den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignalen der LED-Farbgruppen an der Lichtmischung abgegeben werden.
34. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
a. Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung, b. Messung der Temperatur (T) im Gehäuse der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen, c. Ermittlung der temperaturabhängigen Peakwellenlänge { λp ), Halbwertsbreite (wso ) und/oder Helligkeit (Y) für jede LED-Farbgruppe aus für jede LED- Farbgruppe in Kalibrierdaten gespeicherten Kennlinien λp = f(T), wso = f(T) und Y0 = f(T), d. Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen für die gemessene Temperatur (T) mittels der Gauß'schen Normalverteilung, e. Berechnung von den Lichtstromanteilen entsprechenden pulsweitenmodu- lierten Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe aus der Approximation der
Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen in Abhängigkeit von der Temperatur (T), f. Ansteuerung der LEDs der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit den pulsweitenmodulierten Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe entsprechenden pulsweitenmodulierten Stromimpulsen und g. Rückkehr zum Verfahrensschritt b.
35. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
a. Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung, b. Messung der Helligkeit (Yt) der LED-Farbgruppen mit einem Helligkeitssensor unmittelbar nach dem Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung durch aufeinander folgendes individuelles Aktivieren jeder einzelnen LED- Farbgruppe, c. Messung der Anfangstemperatur (Tu) im Gehäuse der LED-
Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen unmittelbar nach dem Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung, d. Ermittlung temperaturabhängiger Faktoren aus den für jede LED-Farbgruppe in den Kalibrierdaten gespeicherten Kennlinien Yo = f(Tu) für die Anfangstemperatur (Tu), e. Berechnung alterungs- und farbabhängiger Temperaturfaktoren (f|<) aus dem Verhältnis der in den Kalibrierdaten gespeicherten Kennlinie Yo = f(Tu) und der gemessenen aktuellen Helligkeit (Yt) jeder LED-Farbgruppe entspre- chend fk = Yt(T) / Yo(T) f. Messung der aktuellen Temperatur (T) im Gehäuse der LED- Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen, g. Ermittlung der temperaturabhängigen Peakwellenlänge { λp ), Halbwertsbreite
(wso ) und/oder Helligkeit (Yo) für jede LED-Farbgruppe aus den für jede LED-Farbgruppe in den Kalibrierdaten gespeicherten Kennlinien λp = f(T),
W5o = f(T) und Y0 = f(T), h. Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen für die gemessene aktuelle Temperatur (T) mittels der Gauß'schen Normalverteilung, i. Multiplikation der mittels der Gauß'schen Normalverteilung approximierten Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit den alte- rungs- und farbabhängigen Temperaturfaktoren (fk), k. Berechnung von den Lichtstromanteilen sowie den entsprechenden pulswei- tenmodulierten Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe aus der Approximation der Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED-Farbruppen in Ab- hängigkeit von der aktuellen Temperatur (T),
I. Ansteuerung der LEDs jeder LED-Farbgruppe mit den neuen pulsweitenmo- dulierten Steuersignalen und m. Rückkehr zum Verfahrensschritt f.
36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdaten Peakwellenlänge {λp ), Halbwertsbreite (wso ) und Helligkeit (Yo) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) eines vorgegebenen Temperaturbereichs für jede LED-Farbruppe aufgenommen und als Funktion oder Tabelle λp = f(T), wso = f(T) und YQ = f(T) für jede LED-Farbgruppe gespeichert werden.
37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt banstelle der Helligkeit (Yt) der LED-Farbgruppen mit einem Helligkeits- sensor die Helligkeit (Yt) und Farbe der LED-Farbgruppen mittels eines RGB- oder
Farbsensors oder Spektrometers unmittelbar nach dem Einschalten der LED- Beleuchtungseinrichtung durch aufeinander folgendes individuelles Aktivieren jeder einzelnen LED-Farbgruppe gemessen wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b zusätzlich Änderungen der Peakwellenlänge ( λp ) und der
Halbwertsbreite (wso ) erfasst werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt I ein Helligkeitsausgleich vorgenommen wird, indem
11. die Gesamthelligkeit YjSt aller LED-Farbgruppen gemessen wird,
12. Korrekturfaktoren fy = YSOιι / Yist für jede LED-Farbgruppe aus dem Verhältnis der gemessenen Gesamthelligkeit YjSt aller LED-Farbgruppen und einem vorgegebenen Sollwert Yson für die Helligkeit berechnet werden, 13. den Lichtstromanteilen jeder LED-Farbgruppe entsprechende neue puls- weitenmodulierte Steuersignale für die LEDs jeder LED-Farbgruppe aus dem Produkt der im Verfahrensschritt k berechneten pulsweitenmodulier- ten Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe und den Korrekturfaktoren fy berechnet werden und, 14. die LEDs jeder LED-Farbgruppe mit den für jede LED-Farbgruppe entsprechenden pulsweitenmodulierten Stromimpulsen angesteuert werden.
40. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 33, ge- kennzeichnet durch die Verfahrensschritte
a. Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung, b. Messung der Temperatur (T) im Gehäuse der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen, c. Ermittlung temperaturabhängiger Faktoren fy = fPWM für jede LED- Farbgruppe aus den für jede LED-Farbgruppe in den Kalibrierdaten gespeicherten Kennlinien , fY = fPWM = Yo(To) / Yo(T) mit Y0 = f(T) d. Berechnung neuer pulsweitenmodulierter Steuersignale PWM(T) zur Ansteuerung der LEDs jeder LED-Farbgruppe aus der Multiplikation der für eine Basistemperatur (TQ) festgelegten PWM-Steuersignale PWM(A) zur An- Steuerung der LEDs jeder LED-Farbgruppe mit den ermittelten temperaturabhängigen Faktoren fγ=fpWM für jede LED-Farbgruppe,
PWM(T) = PWM(A) * fpwM
e. Ansteuerung der LEDs der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit den neuen pulsweitenmodulierten Steuersignalen PWM(T) für jede LED- Farbgruppe und f. Rückkehr zum Verfahrensschritt b.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass als Kalibrierdaten die für eine Basistemperatur festgelegten PWM-Signale PWM(A) für die pulsweitenmodulierten Steuersignale für jede LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperaturen (CCT) oder Farborten (x,y) sowie die Helligkeit (Yo) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) eines vorgegebenen Temperaturbereichs ermittelt und als Funktion oder Tabelle Yo = f(T) und (fpwivi) PWM(A) = f(CCT) bzw. PWM(A) = f(x,y) für jede LED-Farbgruppe gespeichert werden.
42. Verfahren nach Ansprüche 40 oder 41 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt g und vor dem Verfahrensschritt h ein Helligkeitsausgleich vorgenommen wird, indem
gl . die Gesamthelligkeit YjSt aller LED-Farbgruppen gemessen wird, g2. Korrekturfaktoren fy = Ysoll / Yist für jede LED-Farbgruppe aus dem Verhältnis des vorgegebenen Sollwerts YSOιι und der gemessenen Gesamthelligkeit Yist aller LED-Farbgruppen berechnet werden, g3. den Lichtstromanteilen jeder LED-Farbgruppe entsprechende neue puls- weitenmodulierte Steuersignale für die LEDs jeder LED-Farbgruppe aus dem Produkt der im Verfahrensschritt d berechneten pulsweitenmodulierten
Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe und den Korrekturfaktoren fy berechnet werden und, g4. die LEDs jeder LED-Farbgruppe mit den neuen pulsweitenmodulierten Steuersignalen für jede LED-Farbgruppe entsprechenden pulsweitenmodulierten Stromimpulsen angesteuert werden.
43. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass
a. die Peakwellenlänge (λ^ ), Halbwertsbreite (wso ) und Helligkeit (Yo) in Ab- hängigkeit von der Temperatur (T) eines vorgegebenen Temperaturbereichs für jede LED-Farbgruppe gemessen und als Funktion oder Tabelle λp = f(T),
W5o = f(T) und Yo = f(T) für jede LED-Farbgruppe ermittelt werden, b. die Emissionsspektren der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen für die gemessene Temperatur (T) mittels der Gauß'schen Normalverteilung appro- ximiert werden, c. temperaturabhängig optimierte PWM Steuersignale PWM(T) für die pulsweitenmodulierten Steuersignale jeder LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperatureinstellungen oder Farborteinstellungen berechnet werden und d. die temperaturabhängig optimierten PWM Steuersignale PWM(T) für die pulsweitenmodulierten Steuersignale jeder LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperatureinstellungen oder Farborteinstellungen gespeichert werden.
44. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass
a. die temperaturabhängigen Spektren der LED-Farbgruppen gemessen wer- den, b. temperaturabhängig optimierte PWM Steuersignale PWM(T) für die pulsweitenmodulierten Steuersignale jeder LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperatureinstellungen oder Farborteinstellungen berechnet werden und c. die temperaturabhängig optimierten PWM Steuersignale PWM(T) für die pulsweitenmodulierten Steuersignale jeder LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperatureinstellungen oder Farborteinstellungen gespeichert werden.
45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
a. Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung, b. Messung der Temperatur (T) im Gehäuse der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen, c. Ermittlung aktueller temperaturabhängiger PWM Steuersignale PWM(T) für jede LED-Farbgruppe aus den gespeicherten temperaturabhängig optimierten PWM Steuersignalen für die pulsweitenmodulierte Steuersignale jeder LED-Farbgruppe für Lichtmischungsverhältnisse mit vorgegebenen Farbtemperatur- oder Farborteinstellungen, d. Ansteuerung der LEDs der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit den temperaturabhängigen PWM Steuersignalen PWM(T) und e. Rückkehr zum Verfahrensschritt b.
46. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeich- net durch eine Begrenzung der Leistungsaufnahme des LED-Scheinwerfers und/ oder des den LEDs zugeführten Gesamtstromes.
47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsauf- nähme des LED-Scheinwerfers und/oder der den LEDs zugeführte Gesamtstrom temperaturabhängig begrenzt werden.
48. Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit Licht unterschiedlicher Far- be bzw. Wellenlänge abstrahlenden LEDs, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder einen Farbort der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen und durch Ansteuern der zu LED- Farbgruppen jeweils gleicher Farbe zusammengefassten und aus farbigen und weißen LEDs bestehenden verschiedenfarbigen LEDs mittels pulsweitenmodulier- ter Steuersignale eingestellt werden,
gekennzeichnet durch
eine Farbsteuerung der LED-Beleuchtungseinrichtung mittels die Helligkeit (Y) in
Abhängigkeit von der Boardtemperatur (Tb) der auf einer Platine angeordneten LEDs und/oder der Junctiontemperatur mindestens einer LED für jede LED-Farbe oder LED-Farbgruppe bei vorgegebenem Strom im eingeschwungenen Zustand wiedergebenden Temperaturkennlinie (Y = f (Tb)) der LED- Beleuchtungseinrichtung.
49. Verfahren nach Anspruch 48, gekennzeichnet durch eine Ermittlung von Temperaturkennlinien der LED-Beleuchtungseinrichtung durch
Ermittlung der Funktion der Helligkeit (Y) in Abhängigkeit von der Boardtemperatur Tb für jede LED-Farbe bei vorgegebenem Strom im eingeschwungenen Zustand (Y = f (Tb)),
- Normierung der Kennlinen auf (Y (Tbl ) = 1 ), wobei (Tbl ) ein willkürlich gewählter Temperaturwert in der Nähe des späteren Arbeitspunktes ist,
Ermittlung der Parameter (a, b, c, d) für eine lineare Funktion der Form
Y(Tb) = a + b*Tb
ein Polynom zweiten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 oder ein Polynom dritten Grades der Form
Y(Tb) = a + b*Tb + c*Tb2 + d*Tb3
Speichern der Parameter (a, b, c, d) in Leuchtmodulen der LED- Beleuchtungseinrichtung, in der LED-Beleuchtungseinrichtung oder in einem externen Controller.
50. Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise stichprobenhafte Ermittlung von Kalibrier-Korrekturfaktoren für die LED- Beleuchtungseinrichtung durch
- Messung der Helligkeit (Y) und Boardtemperatur (Tb) für jede LED-Farbe unmittelbar nach dem Einschalten der LED-Beleuchtungseinrichtung mit dem Ergebnis Y(TbCaI, tθ),
Messung der Helligkeit (Y) und Boardtemperatur (Tb) für jede LED-Farbe im eingeschwungenen Zustand und Umrechnung der Helligkeit (Y(Tb), t1 ) auf eine Boardtemperatur (Tbl ) mittels der Kennlinie (Y = f(Tb)) mit dem Ergebnis Y(TbI , t1 ),
Bildung von Korrekturfaktoren
kYcal = Y(TbI , t1 ) / Y(Tbcal, tθ)
die für die während der Kalibrierung gemessene Boardtemperatur (Tbcal) gelten.
51. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 48 bis 50, gekennzeichnet durch eine Helligkeitskalibrierung für ein Leuchtmodul der LED- Beleuchtungseinrichtung durch Messung der Helligkeit (Y) und der Boardtemperatur (Tb) für LED-Farbe unmittelbar nach dem Einschalten mit dem Ergebnis Y(Tbcal, tθ),
Umrechnung auf die Helligkeit im statischen Zustand bei einer angenommenen Boardtemperatur (Tbl ) für jede LED-Farbe entsprechend
Y(Tbi ) = Y(Tbcal, tθ) * kYcal
Speichern der auf die angenommene Boardtemperatur (Tbl ) umgerechneten Helligkeiten (Y) der LED-Farben in der LED-Beleuchtungseinrichtung.
52. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 48 bis 51 , gekennzeichnet durch eine Farbkalibrierung der LED-Beleuchtungseinrichtung durch
Messung des Spektrums und hieraus abgeleitete Helligkeit (Y) sowie der Normfarbwertanteile (x, y) für jede LED-Farbe der LED-Beleuchtungseinrichtung,
Umrechnung der Scheinwerferhelligkeit auf eine Boardtemperatur (Tbl ) mittels der Kennlinie (Y = f(Tb)) und Skalierung der Spektren auf (Y = Y(Tb1)),
Speicherung der Kalibrierdaten (x, y) und (Y(Tbi)) für jede LED-Farbe in der LED-Beleuchtungseinrichtung,
- Berechnung der optimalen Lichtstromanteile der LED-Farben aus den gemessenen Spektren für N-Farbtemperaturstützpunkte unter Einsatz der programmgesteuerten Recheneinheit,
Speichern der Lichtstromanteile der LED-Farben für N- Farbtemperaturstützpunkte im Speicher der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder
Speichern der Lichtstromanteile der LED-Farben in Tabellenform in Abhängigkeit vom Zielfarbort (x, y).
53. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 48 bis 52, gekennzeichnet durch eine Farbregelung der LED-Beleuchtungseinrichtung unter Einbeziehung der gespeicherten Kalibrierdaten für N-Farbtemperaturstützpunkte und/oder als Farborttabelle für die Lichtstromanteile der LED-Farben, der Temperaturkennlinien je Farbe und der Helligkeit (Y) und des Farborts ( x, y) für jede LED-Farbe durch
Ermittlung der PWM-Steuersignale für die LED-Farben (PWMA) für den gewünschten Farbort (x, y) und die gewünschte Helligkeit (Y),
Messung der Boardtemperatur (Tb),
Ermittlung der temperaturabhängigen PWM-Korrekturfaktoren für jede LED- Farbe aus den im Speicher hinterlegten Näherungskennlinien (fPWM = MY),
Erfassung der Gesamtleistung der LED-Beleuchtungseinrichtung oder der den einzelnen LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung zugeführten Stromstärke und
- Ansteuerung der LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung mit den PWM-
Korrekturfaktoren bei einer Gesamtleistung der LED-Beleuchtungseinrichtung oder der den LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung zugeführten Stromstärke kleiner als der vorgegebene Maximalwert (Pmax, Imax) oder
- Ermittlung eines Cut Off-Faktors (kCutoff) zur Strom- oder Leistungsbegrenzung für alle LED-Farben aus kCutoff = Pmax / Pneu
bzw.
kCutoff = Imax / Ineu
und Ansteuerung der LEDs der LED-Beleuchtungseinrichtung mit neuen PWM- Faktoren entsprechend PWMT = PWMA * fPWM * kCutoff.
54. Vorrichtung zur temperaturabhängigen Einstellung der färb- oder fotometrischen Eigenschaften einer LED-Beleuchtungseinrichtung mit verschiedenfarbigen LED- Farbgruppen, deren Lichtstromanteile die Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder den Farbort der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abgegebenen Lichtmischung bestimmen,
gekennzeichnet durch
- eine Eingabevorrichtung zur Einstellung der Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder des Farborts der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abzugebenden Lichtmischung und zur Vorgabe von anwendungsspezifischen Zielparametern und deren zulässige Abweichungen von einem Idealwert, eine im Gehäuse der LED-Beleuchtungseinrichtung und/oder im Bereich mindestens einer LED der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen angeordnete Temperatur-Messeinrichtung, die ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Temperatursignal abgibt, eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der LEDs der verschiedenfarbigen LED-Farbgruppen mit pulsweitenmodulierten Stromimpulsen, - einen Speicher mit für jede LED-Farbgruppe gespeicherten Kalibrierdaten für mindestens einen das Emissionsspektrum bestimmenden Wert in Abhängigkeit von der Temperatur und einen mit der Steuereinrichtung und dem Speicher verbundenen Mikroprozessor zur Bestimmung von den Lichtstromanteilen für jede LED-Farbgruppe entsprechenden pulsweitenmodulierten Steuersignalen zur Ansteuerung der
LEDs der LED-Farbgruppen in Abhängigkeit von dem von der Temperatur- Messeinrichtung abgegebenen Temperatursignal.
55. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung zur Einstellung der Lichtfarbe, Farbtemperatur und/oder des Farborts der von der LED-Beleuchtungseinrichtung abzugebenden Lichtmischung und zur Vorgabe von anwendungsspezifischen Zielparametern und deren zulässige Abweichungen von einem Idealwert aus einer Mischeinrichtung oder DMX-Konsole be- steht.
56. Vorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der LED-Farbgruppen mit pulsweitenmodulierten Stromimpulsen einen mit dem Mikroprozessor verbundenen, programmgesteuerten Eingang, einen mit der Eingabevorrichtung verbundenen Lichtmischeingang und einen mit einem Sensor und/oder eine Kalibrations-Handgerät verbundenen Sensor- und/oder Kalibrationseingang aufweist und mit einer Speisespannungsquelle verbunden ist.
57. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Beleuchtungseinrichtung aus einem LED- Scheinwerfer oder einem LED-Lichtpanel besteht.
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