Beschreibung

Verfahren und Anordnung zur Einstellung eines Farborts sowie Leuchtsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Einstellung eines Farborts sowie ein Leuchtsystem.

Zur Einstellung und Stabilisierung eines Farborts werden drei Farben benötigt. Jede dieser Einzelfarben ist durch drei Farbvalenzen XYZ beschrieben. Die Mischung dreier Farben ist durch ein Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten eindeutig bestimmt.

Für beleuchtungstechnische Anwendungen sind auf drei

Einzelfarben basierende Leuchtsysteme im Hinblick auf deren Leuchtcharakteristik nicht zufriedenstellend, insbesondere wird von einem Betrachter eines solche Leuchtcharakteristik als nicht angenehm empfunden.

Daher können in Leuchtsystemen mehr als drei Einzelfarben eingesetzt werden. Bei einer Mischung von mehr als drei Einzelfarben für einen Farbort, ergibt sich ein überbestimmtes Gleichungssystem.

Als Leuchtquellen werden in einem Leuchtsystem unterschiedliche Lichtmittel, insbesondere Leuchtdioden und/oder Kombinationen von Leuchtdioden verschiedener Wellenlängen eingesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zur besonders effiziente Einstellung eines Farborts eines Leuchtsystems umfassend mehr als drei Leuchtquellen anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts angegeben

- bei dem n Leuchtquellen vorgesehen sind, von denen n-3 Leuchtquellen voreingestellt werden oder voreingestellt sind; - bei dem ein Farbortunterschied der n Leuchtquellen von einem Sollfarbort bestimmt wird;

- bei dem die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird.

Der Farbort ist insbesondere bestimmt in Form von Koordinaten eines Farbraums. Die Intensitäten der 3 Leuchtquellen können derart modifiziert werden, dass eine Koordinate in dem Farbraum, auch bezeichnet als SoIl- Farbwert, eingestellt oder erreicht wird.

Hierbei sei angemerkt, dass jede Leuchtquelle mehrere Leuchtmittel, z.B. LEDs, umfassen kann. Vorteilhaft kann jede Leuchtquelle mehrere LEDs mit jeweils im wesentlichen gleicher Wellenlänge umfassen. Auch ist es möglich, dass eine Leuchtquelle mehrere LEDs unterschiedlicher Wellenlängen aufweist.

Die Voreinstellung der n-3 Leuchtquellen kann vorteilhaft offline vorgenommen werden, indem optische wie physikalische Parameter (Wellenlängen der Leuchtquellen, Abstrahlcharakteristika, physikalische Bauform) sowie das Leuchtsystem (Ausdehnung, Abstände der Leuchtquellen zueinander, etc.) umfassend die Leuchtquellen berücksichtigt werden. Hierdurch kann das überbestimmte Gleichungssystem (3 Leuchtquellen reichen aus um den Farbort einzustellen) derart reduziert werden, dass

effizient eine Sollfarbort mittels der verbleibenden 3 Leuchtquellen eingestellt werden kann.

Eine Weiterbildung ist es, dass der Farbortunterschied der n Leuchtquellen anhand mindestens eines Sensors bestimmt wird, wobei der mindestens eine Sensor insbesondere einer der folgenden Sensoren ist:

- ein Helligkeitssensor, insbesondere ein Vχ- bewerteten Helligkeitssensor; - ein Temperatursensor;

- ein Farbsensor.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass für jede Leuchtquelle bzw. für eine Gruppe von Leuchtquellen mindestens je ein Sensor vorgesehen ist.

Insbesondere kann ein Sensor für das Leuchtsystem umfassend die Leuchtquellen vorgesehen sein, der eine Gesamtintensität eines Farborts sowie eine Temperatur ermittelt.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Einstellung des Farborts anhand der n Leuchtquellen derart erfolgt, dass mindestens eine der Zielgrößen - Color Rendering Index;

- Color Quality Scale;

- eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung einen vorgegebenen Wert möglichst gut erreicht.

Entsprechend kann eine Zielwertoptimierung im Hinblick auf mindestens eine der genannten Zielgrößen erfolgen, wobei diese Optimierung zweckmäßig vorab durchgeführt und in einer oder für eine Steuer- und/oder Regeleinheit zur Einstellung der Leuchtquellen hinterlegt oder abgespeichert wird.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass eine Optimierung hinsichtlich der mindestens einen Zielgröße vorab durchgeführt wird und insbesondere als eine Ansteuerinformation für die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen bereitgestellt wird.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Einstellung der mindestens einen Zielgröße anhand der n Leuchtquellen mittels mindestens einer der folgenden Parameter erfolgt: - Lichtstrom;

- Beleuchtungsstärke;

- Lichtstärke;

- Leuchtdichte.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung spannen die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen ein Dreieck in einem CIE x-y-Diagramm auf, wobei das Dreieck insbesondere eine möglichst große Fläche aufweist.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die n Leuchtquellen ein breites Leuchtspektrum abdecken.

Eine Ausgestaltung ist es, dass die n Leuchtquellen oder ein Teil der n Leuchtquellen nur geringe bis keine überlappungen in deren jeweiligen Spektren aufweisen.

Somit ist es vorteilhaft möglich, dass ein Teil der Leuchtquellen jeweils einen eigenen Beitrag zum Gesamtspektrum liefert, der sonst von zumindest einem Teil der übrigen Leuchtquellen nicht geliefert wird.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Leuchtquelle mindestens eine Leuchtdiode umfasst.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die 3 nicht voreingestellten Leuchtquellen iterativ so eingestellt werden, dass der Sollfarbort erreicht wird.

Somit kann das Verfahren als sich zu bestimmten Zeitpunkten wiederholende Regelung eingesetzt werden.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass zur Einstellung des Sollfarborts zusätzlich ein relativer oder ein absoluter Sollfarbort und/oder eine Helligkeitsinformation einstellbar vorgegeben wird.

Beispielsweise kann vorteilhaft ein Benutzer, z.B. bei einer Lampe oder Leuchte umfassend die Leuchtquellen, eine Gesamthelligkeit sowie einen Farbton (z.B. im Rahmen eines vorgegebenen Bereichs) einstellen. Auf dem daraus resultierenden Sollfarbort werden die Leuchtquellen eingestellt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Anordnung zur Einstellung eines Farborts umfassend eine Prozessoreinheit oder einen Rechner, die bzw. der derart eingerichtet ist, dass das hierin beschriebene Verfahren damit durchführbar ist.

Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zur Einstellung eines Farborts umfassend - mehr als drei Leuchtquellen, wobei eine erste

Gruppe drei Leuchtquellen umfasst und eine zweite Gruppe die restlichen Leuchtquellen umfasst;

- mindestens einen Sensor zur Ermittlung eines Farbortunterschieds der Leuchtquellen von einem Sollfarbort;

- eine Einheit zur Bestimmung einer Einstellung der Leuchtquellen der ersten Gruppe zur Erreichung des Sollfarborts.

Hierbei kann die Anordnung insbesondere als eine Steuer- und/oder Regelungseinheit (oder ein Color Management System) ausgeführt sein bzw. eine solche umfassen.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass eine Einheit zur Bestimmung des Farbortunterschieds anhand des mindestens einen Sensors vorgesehen ist. Diese kann mit der Einheit zur Bestimmung einer Einstellung der Leuchtquellen der ersten Gruppe zusammen ausgeführt sein.

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass eine Ansteuereinheit zur Einstellung der Leuchtquellen vorgesehen ist.

Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der mindestens eine Sensor einen der folgenden Sensoren umfasst:

- ein Helligkeitssensor, insbesondere ein V _λ - bewerteten Helligkeitssensor;

- ein Temperatursensor;

- ein Farbsensor.

Auch wird zur Lösung der Aufgabe ein Leuchtsystem angegeben umfassend eine Anordnung wie hierin beschrieben.

Weiterhin kann das Leuchtsystem als ein Leuchtmodul, eine Lampe, Leuchte oder als ein Scheinwerfer ausgeführt sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig.l eine Möglichkeit zur Regelung bzw. Einstellung eines Sollfarborts mittels eines Color Management Systems;

Fig.2 Ansteuerkurven zur Erreichung einer optimierten Farbwiedergabe des Leuchtsystems umfassend mehrere

(5) Leuchtquellen;

Fig.3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts.

Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht insbesondere eine Einstellung sowie eine fortwährende und/oder iterative Regelung eines Farborts mittels eines Color-Management- Systems, wobei vorzugsweise mehr als drei Leuchtdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden.

Es wird beispielhaft angenommen, dass ein Leuchtsystem n

Leuchtquellen, die vorzugsweise als LEDs ausgestaltet sind, aufweist .

Zunächst werden die n Leuchtquellen anhand mindestens einer der folgenden Parameter bestimmt:

- Lichtstrom;

- Beleuchtungsstärke;

- Lichtstärke;

- Leuchtdichte.

Dabei kann ein Verhältnis der vorstehend genannten Parameter für die n Leuchtquellen derart eingestellt werden, dass mindestens eine der folgenden vorgebbaren Zielgrößen - Color Rendering Index (CRI);

- Color Quality Scale (CQS);

- eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung möglichst gut erreicht wird.

Hierzu kann eine geeignete Optimierung eingesetzt werden.

Beispielhaft ist es möglich, die n Leuchtquellen so auszuwählen bzw. vorzugeben, dass diese eine entsprechend günstige und bei einem Leuchtsystem für einen Betrachter als angenehm empfundene spektrale Verteilung aufweisen.

Dies kann erreicht werden, indem Leuchtquellen eingesetzt werden, die jeweils einen gegenüber den anderen

Leuchtquellen ergänzenden Beitrag im Leuchtspektrum des Leuchtsystem darstellen. Hat beispielsweise eine Leuchtquelle, z.B. eine LED, eine sehr begrenzte spektrale Ausdehnung innerhalb des gewünschten Spektrums des Leuchtsystems, so können weitere LEDs vorgesehen sein, deren Spektren ergänzend in einem anderen Frequenzbereich liegen. Das Gesamtspektrum ergibt sich somit aus der überlagerung der Spektren der einzelnen Leuchtquellen.

Insbesondere kann eine (im wesentlichen) weiße Leuchtquelle mit entsprechend breitem Spektrum vorgesehen sein.

Somit kann bei der Einstellung des Farborts des Leuchtsystems erreicht werden, dass aufgrund des entsprechend optimierten Spektrums das Leuchtsystem die eingestellte oder vorgewählte Farbe auf für den Betrachter angenehme und gleichmäßige Art und Weise wiedergibt.

Vorzugsweise werden n-3 bestimmte Parameter als Farbvalenzen Y4...Yn vorgegeben.

Basierend auf den vorgegebenen n-3 Leuchtquellen, die jeweils bestimmte Farbvalenzen aufweisen, kann ein Farbortunterschied, z.B. eine Farbortdifferenz, vom zum einzustellenden Sollfarbort bestimmt werden. Hierzu besteht insbesondere die Möglichkeit, dass ein Sollfarbort sowie eine Helligkeit des Leuchtsystems z.B. von einem Benutzer eingestellt wird.

Zur Bestimmung der Farbortdifferenz wird eine

Sollfarbvalenz Y-Gesamt vorzugsweise auf 100% bzw. auf den vom System zu erreichenden Wert (Helligkeitsvorgabe des Benutzers) gesetzt.

Die 3 Leuchtquellen mit ihren vorgegebenen Farben stehen nun zur Verfügung, um eine Einstellung auf den Sollfarbort zu erreichen. Hierzu sind diese 3 Leuchtquellen

insbesondere so vorzugeben, dass durch sie eine möglichst große Fläche (z.B. ein möglichst großes Dreieck) in einem CIE-x-y-Diagramm aufgespannt wird.

Die Parameter zur Einstellung der 3 Leuchtquellen können wir folgt bestimmt werden:

Diese Gleichung ermöglicht die farbmetrische Berechnung der zu setzenden lichttechnischen Größen oder Parameter Yi, Y ₂ und Y ₃ zur Einstellung des Differenzfarborts bzw. zur Erreichung des Sollfarborts.

Hierbei sei angemerkt, dass jede der 3 Leuchtquellen auch mehr als ein Lichtmittel bzw. mehr als eine LED umfassen kann. Hierbei können beispielsweise mehrere LEDs mit im wesentlichen gleicher Farbvalenz zu einer Leuchtquelle zusammengefasst sein. Dementsprechend können auch mehrere LEDs verschiedener Farbvalenzen zu einer Leuchtquelle gemäß der vorliegenden Beschreibung zusammengefasst sein.

Eine Messung der mindestens einen Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems erfolgt mittels mindestens eines Sensors umfassend insbesondere:

- mindestens einen Helligkeitssensor, insbesondere mindesten einen V^-bewerteten Helligkeitssensor;

- mindestens einen Temperatursensor;

- mindestens einen Farbsensor.

Basierend auf der gemessenen mindestens einen Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems können Farbvalenzen der einzelnen Farben der Leuchtquellen sowie eine

notwendige Verschiebung (x, y) zur Erreichung des Sollfarborts bestimmt werden.

Weiterhin kann eine Regelung iterativ, kontinuierlich und/oder zu bestimmten Zeitpunkten dergestalt erfolgen, dass eine Steuereinheit (Color Management System) die zu setzenden Farbvalenzen Y neu ermittelt (anhand erneuter Messung der mindestens einen Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems) und somit beispielsweise auf eintretende änderungen der Sperrschichttemperaturen der LEDs durch Nachregelung auf bzw. Stabilisierung des Sollfarborts reagiert .

Für den Fall, dass eine Leuchtquelle eine regelbare Weißlichtquelle umfasst, kann der Fall eintreten, dass zur Erreichung des Sollfarborts die Einzelfarben in Abhängigkeit von dem Sollfarbort nicht gesondert benötigt werden. Somit ist eine gemeinsame Nutzung eines Steuerkanals möglich.

Der hier beschriebene Ansatz erlaubt bei einer Verwendung von mehr als 3 Leuchtquellen (jede Leuchtquelle kann dabei insbesondere mindestens eine Leuchtdiode umfassen) , wobei die 3 Leuchtquellen vorteilhaft unterschiedliche Farben aufweisen und einen möglichst großen Farbraum aufspannen, dass ein frei vorgegebener Farbort innerhalb des Farbraums mittels einer Regelung von drei Farben stabilisiert werden kann und ein auf eine oder mehr Zielgrößen optimiertes Spektrum ermittelbar ist.

Zudem kann eine Optimierung des Spektrums im Hinblick auf bestimmte Zielgrößen insbesondere einmalig vorab bestimmt werden. Eine derartige Optimierung kann beispielsweise aufwändig und zeitintensiv sein und kann vorteilhaft somit nicht auf dem Leuchtmodul selbst erfolgen. Die Optimierung dient als Input für die Regelung (Color Management System) zur Erreichung bzw. Einstellung des Sollfarborts anhand der

frei einstellbaren Leuchtquellen. Die Lösung des Gleichungssystems zur Einstellung des Sollfarborts mittels dreier Leuchtquellen kann schnell und effizient auf dem Leuchtmodul durchgeführt werden.

Fig.l zeigt eine Möglichkeit zur Regelung bzw. Einstellung eines Sollfarborts mittels eines Color Management Systems 101. Als Eingangsgröße 102 dient hierbei eine Gesamtintensität eines Sollfarborts umfassend einen Sollfarbort mit zugehöriger Helligkeit. Eine weitere Eingangsgröße 103 für das Color Management System 101 stellt eine optimierte Intensität der Farben der n Leuchtquellen gemäß einer Ansteuerkurve wie in Fig.2 gezeigt dar. Ausgehend von n Leuchtquellen werden beispielhaft die Intensitäten der Leuchtquellen 4 bis n anhand der Ansteuerkurven gemäß Fig.2 von dem Color Management System 101 ermittelt anhand einer vorab bestimmten Optimierung nach mindestens einer Zielgröße. Diese Vorgabe wird zur Einstellung der verbleibenden Leuchtquellen 1 bis 3 verwendet, um den Sollfarbort zu erreichen .

Das Color Management System 101 umfasst eine Einheit 104 zur Differenzfarbortbestimmung und eine Einheit 105 zur Berechnung der Intensitäten der Einzelfarben Yl, Y2, und Y3. Somit stellt das Color Management System 101 als Ausgangssignal die Intensitäten Yl bis Yn der Leuchtquellen 1 bis n bereit, die von einem Treiber 108 zur Einstellung der Leuchtquellen, hier der LED Lichtquellen 106, eingesetzt werden.

Mindestens ein Sensor 107 wird eingesetzt, um den Sollfarbort des Leuchtsystems umfassend die LED Lichtquellen 106 zu ermitteln. Der aktuelle Farbort für jede LED bzw. Leuchtquelle und/oder der Gesamtfarbort mit zugehöriger Temperatur wird an das Color Management System 101 weitergeleitet. Dort wird eine Differenz zum

Sollfarbort bestimmt und entsprechend werden die Intensitäten der Leuchtquellen Yl, Y2 und Y3 ermittelt und zusammen mit den für die Temperatur hinterlegten Intensitäten für die Leuchtquellen Y4 bis Yn an den Treiber 108 zur Einstellung der LED Lichtquellen weitergeleitet.

In Fig.2 sind Ansteuerkurven zur Erreichung einer optimierten (und vorteilhaft vorab bestimmten) Farbwiedergabe des Leuchtsystems dargestellt.

Entlang der Abszisse ist die Farbtemperatur in Kelvin und entlang der Ordinate ist die Helligkeit der jeweiligen Leuchtquelle, einzustellen per Pulsweitenmodulation PWM, in Prozent angegeben.

Beispielhaft sind in Fig.2 Ansteuerkurven für 5 Leuchtdioden gezeigt. Eine Ansteuerkurve 201 zeigt den Verlauf für eine weiße LED, eine Ansteuerkurve 202 zeigt den Verlauf für eine grüne LED, eine Ansteuerkurve 203 zeigt den Verlauf für eine rote LED, eine Ansteuerkurve 204 zeigt den Verlauf für eine gelbe LED, wobei ab ca. 4700K die Ansteuerkurve 204 eine Helligkeit von etwa 0% aufweist, und eine Ansteuerkurve 205 zeigt den Verlauf für eine blaue LED, wobei die Ansteuerkurve 205 bis ca. 4700K eine Helligkeit von etwa 0% aufweist.

Ab 4700K ist eine Kanalumschaltung von der gelben LED auf die blaue LED möglich.

Der Verlauf der Ansteuerkurven 201 bis 205 kann beispielsweise mittels einer Simulation des Leuchtsystems ermittelt werden.

Fig.3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Einstellung eines Farborts.

In einem Schritt 301 erfolgt vorteilhaft abhängig von dem jeweiligen Leuchtsystem eine Zielwertoptimierung dergestalt, das Parameter der n Leuchtquellen so ausgewählt oder bestimmt werden, dass ein vorgegebener Zielwert möglichst gut erreicht wird. Beispielsweise kann als Parameter mindestens eine der folgenden Größen dienen: Lichtstrom; Beleuchtungsstärke; Lichtstärke; und/oder Leuchtdichte. Beispielhaft kann mindestens eine der folgenden Zielgrößen zur Zielwertoptimierung eingesetzt werden: Color Rendering Index; Color Quality Scale; und/oder eine anwendungsabhängige spektrale Verteilung.

In einem Schritt 302 werden anhand der Zielwertoptimierung Farbvalenzen Y4 bis Yn der n-3 Leuchtquellen vorgegeben.

In einem Schritt 303 erfolgt eine Messung mindestens einer Steuer- und/oder Regelgröße des Leuchtsystems. Insbesondere kann für jede Leuchtquelle mindestens eine solche Steuer- und/oder Regelgröße ermittelt werden.

In einem Schritt 304 wird ein Vergleich zwischen der gemessenen Steuer- und/oder Regelgröße und einer Sollvorgabe, insbesondere einem Soll-Farbwert, durchgeführt. Die ermittelte Abweichung wird dadurch überwunden und der Soll-Farbwert eingestellt, indem eine

Einstellung der 3 nicht vorgegebenen Leuchtquellen erfolgt (Schritt 305) . Optional kann nach Schritt 305 zu Schritt 303 verzweigt und somit eine iterative Regelung bzw. Einstellung des Sollfarborts erreicht werden.

Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere durchgeführt werden in einem Leuchtsystem, z.B. einer Leuchteinheit oder Leuchtmodul umfassend eine Prozessoreinheit bzw. einen Rechner oder eine Regeleinheit zur Bestimmung und Einstellung des Sollfarborts. Dabei kann das Leuchtsystem mehrere Leuchtquellen umfassen, deren jede insbesondere mindestens eine LED aufweist.

Das beschriebene Leuchtsystem bzw. Leuchtmodul ist insbesondere einsetzbar in einem Scheinwerfer und/oder in einer Lampe und/oder Leuchte. Die Helligkeit bzw. der Farbton kann vorzugsweise in gewissen Grenzen von dem Benutzer vorgegeben werden. So kann beispielsweise ein Farbton von bläulichem bis hin zu rötlichem Licht ermöglicht werden, wobei die Lampe anhand des hier vorgestellten Ansatz den jeweils gewählten Farbton und die zugehörige Helligkeit beibehält.