適應性自動調光的光電裝置的制作方法

專利名稱：適應性自動調光的光電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電控制技術，具體涉及發光亮度的自動控制技術，特別是自 動根據環境中自然光的亮度對發光器件的發光強度進行自適應調節，適用于固 體發光，氣體發光的日常照明，背光照明，裝飾照明，汽車照明，信息顯示， 標識顯示，光通信和各種特殊照明及顯示領域。
背景技術：
在能源愈來愈為人們所關注的今天，除了尋找低成本可再生的新能源以外， 對現有能源利用的節能技術開發也是各國政府和民間所關注的。前者開源，很
容易吸引人們的眼球；而后者節流，往往被注視不夠。照明用電就占到全球總 能源消耗20%以上，如果能有效地提高現有能源使用效率，如采用新的固體發光 技術如LED等；節約用電，充分利用太陽光等自然光(以下統稱自然光，包括 直射的太陽光，漫射的室內和室內的天然光)。路燈可以做成隨周圍自然光的強 度而調整自身的亮度；工廠里照明燈也可以做成隨室內光線大小可調整；樓道 燈等需要常亮的地方，其亮度也可以調節；裝飾照明和背光照明在環境光亮時 調亮，暗時調暗，保證一定的對比度。在這些場合，如果能充分利用自然光， 就能大大降低點燈時間，從而降低照明能源消耗，而且潛力相當大。
現在的照明方面的節能技術主要有以下幾種。1)手動調光人們根據主觀 需要，如自己判斷亮暗成都，調節加載在發光器件的電流，電壓或相位腳等電 學參數，可以調節發光器件的亮度。因為是手工調節，比較麻煩，主要用于調 節氣氛，起不到多大的節能作用。2)聲光控制技術這主要用在不需要常亮的 樓道里，在有人時通過感知人的腳步聲，同時光電傳感器感知是否環境光線足 夠暗，以便確定受否需要打開照明燈具。通常這里光的亮度是不需要調節的。3) 自動調光技術使用通用光電傳感器，探知環境光的亮度，轉換為電信號，再 通過開關電源調節發光器件發光強度。最后一種是目前最智能化的調光技術， 目前主要用于背光照明和室外信息顯示的控制中。在這些應用中，發光器件和 光電傳感器處于不同的光環境中，光電傳感器受到來自發光器件本身發光干擾 比較小或幾乎不存在，其調光控制技術較為實用。但是在其它照明應用中，如 路燈，家用照明，工廠照明中，由于存在發光器件自身發光和環境中自然光的 相互作用，使得系統控制不精確，甚至導致系統不穩定，影響使用。為了消除 自然光和發光器件之間的相互干擾，需要作復雜的算法系統，成本高，通常只 能用于能承受得其此系統成本的辦公場所，工廠等大范圍的照明。因此，迫切需要一種更為簡單宜用，精確可靠，低成本的能自適應環境光的調光技術和方 法。
本發明在研究各種光源，包括自然光的發光特性，特別是光譜特性的基礎 上，發明了 一種波長選擇性的光電傳感的自適應調光方法和光電裝置。

發明內容
本發明的目的是設計一種光電裝置，使得裝置能簡單地判別探知的光強 度和色彩信號來自于單一來源發光器件或者自然光，而不是兩者的混合，從 而可以使裝置簡單地依據自然光的亮度和色譜特性來對發光器件是否發光，或 發光強度，甚至顏色特性等進行控制，從而充分地利用自然光，節約能源，實 現裝置的自適應調光。
光源一個最重要特種就是其光譜分布，即發光波長和發光強度的關系。 自然光最大的來源就是太陽，經過大氣層的吸收和粉塵顆粒的散射之后，透過 常規建筑玻璃的光譜分布見圖l。可以看出，自然光的最重要特種就是連續從到 波長的藍光到長波長的紅外光波譜分布，紫外光大部分被大氣層所吸收，尤其 是在室內經過建筑玻璃后，進一步被吸收。圖1同時列出了目前幾種主要的人
工照明光源，白熾燈，熒光燈，以及剛開始進入照明領域的白光LED。每種人工
光源總是對應一定的光譜特征曲線，都有比較固定的特征峰，是光源的固有特 征。而且人工點光源的發光強度是可以通過加載在光源上一些電學參數來控制， 如電壓，電流，頻率，相位角等來控制，其強度和電學參數之間的比例關系都 是可以通過試驗測定的。那么，如果能探測到光源在其特征波長或比較窄的波 長范圍內的強度，也就知道該光源整個光譜的強度分布，從而能簡單地區分來 自不同光源的強度貢獻。這樣比較以上幾種光源的特征光譜的強度，就能找到 在自然光和人工光源同時存在的情況下，準確探知到一種光源如自然光的強度， 從而決定是否開啟人工光源以及人工光源的強度。具體說來，對一些單色性較
強的光源，如同時存在白光LED和自然光時，430nm以下的藍光就可以用來確定 自然光的強度，因為在此波段以下，現在通用的藍光激發熒光物質的白光LED 發光強度可以忽略不計。對于一些連續背景的人工光源，如熒光燈和其它氣體 發光裝置，如要對強度進行精確控制，可以通過檢測較窄波長范圍內背景(700nm) 和特征光譜(如430nm，550nm， 600nm任選一個)之間發光強度的關系；在這些 波長范圍內自然光的強度基本是保持不變的，而熒光燈則是倍數關系，從而確 定人工光源和自然光強度的比例關系。在知道自然光的強度之后，通過控制系 統，就可以決定是否開啟人工照明光源以及開啟后流過人工光源的電流大小， 電壓的高低，頻率的快慢，相位角的大小或其它相關電參數的值，從而使總的光強度保持在一個人眼比較舒適的狀態。
本發明設計的自適應調光光電裝置技術方案見圖2。該裝置由以下主要模 塊組成電源，波段選擇單元，光電傳感單元，電信號轉換單元，光源亮度控 制單元，域值調節單元和發光單元。
電源為裝置中各單元件提供工作所需的交流和/或直流電。它包括AC電 源，DC電源，AC/DC， DC/DC所設計的各種線性電源和開關電源，還包括電感， 電容，電池等儲能元件。
波段選擇單元是將需要檢測的光波波長范圍選擇出來的單元件。比較圖1 中各種光源的光譜分布，基于上述方法，可以知道對不同人工光源的照明時， 所需要檢測的光譜波長范圍。在使用波長范圍較窄的光源時，如白光LED，白光 OLED和白熾燈照明，選擇波長400nm左右窄的波帶。在使用波長分布較寬的光 源時如熒光燈用于照明時，即可以選擇700nm左右的波帶進行簡單測定，也可 以如上所述同時測定特征波段和背景強度進行精確測定。該單元件可以采用但 不限于以下幾種形式濾色片，晶體單色器和光柵單色器。
光電傳感單元是利用光電效應將光信號轉換為電信號。可供選擇的光電傳 感單元有以下但不限于以下幾種光電二極管，光電三極管，光敏電阻、光電 倍增器、光電池等。光電傳感單元的響應曲線應和波長選擇單元所選擇的波長 相匹配，即在波長選擇單元所選擇的波長范圍里有盡可能大的響應。如在短波 長范圍應選用Ge基，GaN基光電傳感器，而在長波長范圍應選擇使用Si基光電 傳感器。如果光電傳感單元自身的波長響應曲線足夠窄，或者本身就集成了波 段選擇單元，波段選擇單元可以不使用。
電信號轉換單元的作用是將由光電轉換單元出來的電信號通過電路進一步 轉換成能被光源亮度控制單元所能使用或識別的電信號或變化方向。 一般地， 光電二極管或晶體管出來的信號較弱，需要進一步放大；其輸出信號通常是隨 著光線強度的增強而增大，因此需要將其信號反相，以利于形成穩定的負反饋。 如用PWM控制器進行調光，還需將電路電壓信號轉化為脈寬調制信號。還有如 光敏電阻等光電傳感器其響應曲線是非線性的信號，也需要進一步轉換成線性 或其它易于被系統識別的信號。電信號轉換單元包括但不限于以下幾種反相 器，模數轉換器，比較器等。
光源亮度控制單元的作用是耦合電信號轉換單元的信號，以決定是否加載 發光單元件電源的關斷，以及加載在發光單元件電信號的大小，從而保證環境 一定的照度。亮度控制單元包括但不限于以下幾種P麗控制器，PFM控制器， 電流控制器，電壓控制器，微控制器，可調功率電阻，可控硅等。
域值調節單元的作用是調節來自電信號轉換單元的信號，結合光源亮度控制單元決定發光單元件的開啟或關閉，調節探測的光強度和發光單元件發光強 度的對應關系。它可以是單獨的電子器件，也可以作為電信號轉換單元或/和光 源亮度控制單元的一部分來實現其功能。域值調節也可以做成一個復雜的邏輯 控制器，接受來自各種傳感器的信號，以決定是否開啟光源亮度控制單元和加 載在發光單元件上的電源，如接受聲音傳感器或動作傳感器的信號，從而使裝 置更為智能地工作。
發光單元是在加載電信號后能發出光的器件，如LED, 0LED，白熾燈，熒 光燈，各種氣體燈等。其發光強度隨加載在其上電信號的大小而呈現規律性地 變化。
該裝置可選擇性加上其它傳感器，如探知是否有人的紅外傳感器，或者運 動傳感器，使得裝置開啟發光單元件多一個判據條件，即光源亮度控制單元多 一個耦合開關，使裝置工作更加智能，更加節能。因此，即使環境中自然光足 夠暗，需要開啟發光單元件，但是因為被照明區域沒有人或車的存在，不需要 用光，發光單元仍然不開啟。
該裝置中的各單元件數量可以根據需要進行靈活配置。如對單個發光器件 的控制，只需要以上單元各一組即可完成。而滿足大面積照明的需求，'可以將 以上單元件模塊進行不同組合，以完成復雜系統的自適應調光。
如果對于不同特征波長的光源，也可以通過此方法控制不同波長光強度 比例，從而使得合成的光源重現不同的色溫，營造不同的光環境氣氛。現在LED 光源其單色性都比較好，如紅光LED其中心波長為，藍光的中心波長為，綠光 的中心波長為，在其中心范圍外10-20nm波長范圍是沒有發光強度的。因此， 探測到紅光強度就是來自紅光LED，藍光就是來自藍光LED,綠光就是來自綠光 LED。如果要達到設定的顏色效果，只需將探測到的紅綠藍波長的強度值和設定 的光強比，再通過反饋系統調節通過各個LED等的電流就可以啦。
由以上說明可以知道，本發明設計的適應性自動調光照明裝置有如下特
征
1) 利用不同光源的特征波譜，在有不同光源時，通過測定特征波譜的強 度，可以比較簡單確定單一光源的亮度。
2) 通過波段選擇單元來選擇特征波譜，配以該波段響應好的光電傳感單 元，可以大大地提高特征波譜光強檢出的靈敏度和可靠度。如果選用響應波長 比較窄的光電傳感單元，或者集成了波段選擇單元的光電傳感單元，可以進一 步簡化裝置。
3) 在人工光源和自然光同時存在時，利用人工光源非連續和自然光的連 續分布特征，采用波段選擇單元測定所需要波段的強度，可以區分來自人工光源和自然光對總亮度的各自貢獻。在充分利用自然光的基礎上，可以通過調節 人工光源的強度來保證一定照度，
4) 本發明的光電裝置既可以保證被照明場所一定的照度，又可以充分利 用自然光，達到節約能源。這為適應性自動調光照明裝置提供了一個簡單適用 的方法。
5) 本發明的光電裝置還可以選擇性加上不同傳感器，如偵測人存在的紅 外傳感器，捕捉運動物體的動作傳感器，可以使裝置進一步智能化，真正做到 按需供光。
6) 本發明的光電裝置結構簡單，配置靈活，適應范圍廣。該裝置既可 以用于小面積單燈照明，也可以用于大面積辦公，工廠，路燈，公共場所等照 明，還可以用于顏色氣氛裝飾，背光照明等特殊照明場所。


圖la:自然光的光譜強度分布圖
圖lb:白熾燈的光譜強度分布圖
圖lc:熒光燈的光譜強度分布圖
圖ld:白光LED的光譜強度分布圖
圖2:本發明的適應性自調光光電裝置結構方框圖
圖3:以PWM方式調光的LED照明電路原理圖
圖4:濾光片構成的波長選擇單元和光電傳感單元的結構圖
圖5:經過濾光片后光譜
圖中符號說明l帶濾色片的光電晶體管，IO濾色片，ll是光電晶體管 芯片，12是引出電極，13是承載芯片的載體，14是密封材料；2電信號轉換單 元，21模數轉換器；3白色LED發光器件；4 PWM控制器；5電源，51電感； 6反饋電阻。
具體實施例方式
本發明就LED照明詳細說明本發明的實施方式
實施例一
圖3是適應性自調光方法在以PWM調光LED照明的實現方式。圖3中1 是帶濾色片的光電晶體管，這里的濾色片起著波長選擇單元的作用，光電二極 管起著光電傳感單元的作用。虛線框所表示的器件2起著電信號轉換單元的作 用，包括放大器和21。在數字型控制中，21可以是模數(A/D)轉換器或MCU， 在模擬控制中，它可以是一個簡單的反相器。3是LED發光器件。4是PWM控制 器，和6反饋電阻(起著域值調節單元的作用)共同起著光源亮度控制單元的
7作用。5是電源，它可以是單一的電池或者直流電源，或者交流電源，經過變換 后，按需要給圖中的各個器件的需要進行供電；對于PWM調光的LED的供電， 還需要一個輔助的儲能元件51如電感來一起完成。
圖4顯示了本發明的核心單元1帶濾色片的光電二極管的結構。10為濾 色片，ll是光電晶體管芯片，12是引出電極，13是承載芯片的載體，14是密 封材料。1既可以通過通常的光電二極管封裝工藝實現先封好光電二極管，再 通過安裝所需要濾色片的方法實現；也可以通過改進的工藝，直接將所需要的 濾色片作為光電二極管的光接收窗口。
濾色片lO和光電晶體管ll的選擇對本發明的實施起著至關重要的作用。 結合圖la和圖ld，可以看到，相對于自然光比較連續的波形，LED發出的光比 較集中在窄的波長范圍內。太陽光本身在從300rnn的紫外波段到1000nm的紅外 波長范圍內，其強度的分布都較為均勻，但經過大氣層后，因為水氣，氧氣， 氮氣有不同的吸收帶，還要受窗玻璃的吸收等，實際上在室內的自然光其強度 分布如圖la所示。而LED發出的白光是一種合成光，通常有兩種方式實現，藍 綠紅(RGB)三原色LED合成和藍光LED激發黃色熒光物質，而以后者最為通用。 圖Id所示的是通常使用的藍光激發黃色熒光的白光LED光譜圖。從圖Id可以 看出，白光LED的光譜強度分布在波長為430nm到760nm范圍之間，而這在范 圍外，其光譜強度為0。選取合適的濾色片，使其430nm到760nm的波長不透過， 在這之外的自然光波長能透過，那么通過光電檢測單元檢測到的光強就只有自 然光的強度，而沒有LED光的強度。這樣LED所發出的光對光電檢測單元所產 生的電信號貢獻為O。因此，此時通過光電檢測單元檢測到的信號就是自然光的 信號。圖5顯示通過選擇合適的濾光器件，300-450nm波長范圍和700-lOOOnm 波長范圍內的光能夠通過，而白光LED的波長范圍和這些波長范圍的重疊幾乎 可以忽略不計。加上考慮過濾光強度因素，可以認為透過此濾色片的光強度幾 乎全部是來自自然光，而不包含來自白色LED的貢獻。因此，來自于白色LED 和自然光通過這樣一個波長選擇裝置就很容易分開，而不需要復雜的算法，或 者復雜的系統裝置。這時的光電晶體管11既可用廣光譜相應范圍的Si基光電 晶體管，也可以選用短波長敏感的Ge基，GaN基光電晶體管。
光線的亮度(強度)經濾光片后和光電晶體管1后，其電信號反應的沒 有人工光源LED干擾的自然光的強度。經過2中的放大器放大和21模數轉換器 (A/D轉換器)處理后，變成PWM輸入的控制信號。自然光越強，光電晶體管的 輸出電壓越高，A/D轉換器所輸出的脈沖信號高電位信號越密，經過一個低電位 使能的P麗控制器之后其輸出P麗信號的占空比越低，流經LED上平均電流就 降低，因此其發光亮度變弱。相反地，如果自然光越弱，光電晶體管的輸出電壓越低，A/D轉換器所輸出的脈沖信號高電位信號越疏，P麗信號的占空比越 高，流經LED上平均電流就增大，因此其發光亮度變強。流經LED上脈沖電流 絕對值的大小，可以通過調節反饋電阻41的大小來調節，該絕對值對應的是某 一自然光強度下，白光LED所應發出的光強度，起著域值調節的作用。
實施例二
適應性自調光方法在LED模擬調光照明中的實現同樣參見圖3。信號采集 方式一樣，只是在控制方式略有不同。在模擬控制中，21可變為一個簡單的反 相器。采用21反相器的目的是為了給系統提供一個穩定的負反饋，即自然光越 強時，其輸出的電壓越低。將其輸出電壓作為PWM控制器反饋電阻的的參考電 壓源，其電壓越低，加在反饋電阻上的電流就越小，LED就越暗。這樣實現了一 個穩定的自適應調光系統。
從本發明的原理和裝置以及實例的說明可以看出，本發明提供了一種 基于發光器件特征波譜的適應性自動調光照明的方法和裝置，本方法和裝置具 有簡單，靈活，應用范圍廣等特點。但以上說明也不能限定本發明可實施的范 圍，凡是專業人士在本發明基礎上所作的明顯或不明顯的變化，修飾或改良， 均應視為不脫離本發明的精神實質。
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權利要求
1.一種光電裝置，主要由電源，波段選擇單元，光電傳感單元，電信號轉換單元，光源亮度控制單元，域值調節單元和發光單元等模塊組成。其特征在于電源包括各種AC，DC電源及相應的儲能原件和轉換單元；波段選擇單元包括各種濾色片，晶體單色器和光柵單色器等能將需要檢測的光波波長范圍選擇出來的器件；光電傳感單元將波段選擇單元所選擇出的光信號轉換為電信號；電信號轉換單元將由光電轉換單元出來的電信號通過電路進一步轉換成能為后續器件使用或識別的電信號或變化方向；光源亮度控制單元耦合電信號轉換單元的電信號，以及來自其它傳感器的信號，決定發光單元電源的關斷，以及加載在發光單元電信號的大小；域值調節單元調節探測的光強度和發光單元發光強度的對應關系；發光單元是在加載電信號后能發出光的器件，如LED，OLED，白熾燈，熒光燈，各種氣體燈等。
2. 如權利1所描述的光電裝置，其特征在于含有波段選擇單元，光電傳感單元，光電傳感單元感知特定波段的光強，從而轉為電信號。
3. —種光電裝置，其特征在于感知特定波段的光強，使其能簡單地判別探知的光強度和色彩信號來自于單一來源，依據自然光的亮度和色譜特性來對發光單元是否發光，發光強度，顏色特性等進行控制。
4. 如權利3所描述的確定光源亮度的光電裝置，其特征是通過選定特征波段，測定光源特征波譜的強度，來確定單一光源的亮度。
5. 如權利6所描述的光電裝置，其光電傳感單元自身的波長響應曲線足夠窄，或者本身就集成了波段選擇單元，不使用獨立的波段選擇單元。
6. 如權利1和4所描述的光電裝置，在人工光源和自然光同時存在時，利用人工光源非連續和自然光的連續分布特征，采用波段選擇單元測定所需要波段的強度，可以區分來自人工光源和自然光對總亮度的各自貢獻。在充分利用自然光的基礎上，通過調節人工光源的強度來保證一定照度。
7. 如權利1和6所要求的光電裝置，其特征是該裝置耦合來自其它傳感器的信號，開啟發光器件依據更多的判據條件，從而使裝置工作更加智能化。
8. 如權利1和3所描述的光電裝置，其特征在于域值調節單元的被亮度控制單元，電信號轉換單元所集成。
9. 如權利1和3所描述的光電裝置，對于不同特征波長的單色光源，通過探測其中心波長附近波段的強度，再通過反饋系統調節通過各個單色光源的亮度，達到設定的顏色效果。
全文摘要
本發明設計了一種能進行適應性自動調光的光電裝置。該裝置由以下主要模塊組成電源，波段選擇單元，光電傳感單元，電信號轉換單元，光源亮度控制單元，域值調節單元和發光單元。基于光源的特征波譜，該裝置能簡單地判別探知的光強度和色彩信號來自于何種來源，從而可以簡單地依據自然光的亮度和色譜特性來對發光器件是否發光，或發光強度，或顏色特性等進行控制。本發明的光電裝置結構簡單，配置靈活，適應范圍廣。該系統既可以用于小面積單燈照明，也可以用于大面積辦公，工廠，路燈，公共場所等照明，還可以用于顏色氣氛裝飾，背光照明等特殊照明場所，以充分地利用自然光，節約能源。
文檔編號H05B37/02GK101662861SQ200810042059
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者劉紅超 申請人:劉紅超