TW201818783A - 發光二極體模組的控制方法及系統 - Google Patents

Abstract

一種發光二極體模組的控制方法係由一偵測單元、一資料轉換模組及一訊號調變單元所組成的控制系統來執行。偵測單元用以偵測人體的一生理資訊隨時間的變化，以產生一類比生理訊號。資料轉換模組執行一演算法將類比生理訊號轉換成一光源參數隨時間的變化波形，其轉換過程與一舒適度量化指數有關。訊號調變單元將光源參數隨時間的變化波形調變成一脈衝訊號；再將脈衝訊號傳送至發光二極體模組。藉由脈衝訊號驅動發光二極體模組，使其能配合使用者生理或心理狀態的改變來動態地調整其輸出光的亮度或顏色，而達到改善人體舒適度的效果。

Description

發光二極體模組的控制方法及系統

本發明與一種光源的控制方法及系統有關，特別是與一種整合亮度與色溫調變機制來控制發光二極體模組的方法及系統有關。

目前以發光二極體為光源的照明技術其主要研究方向包括調變光源亮度以及調變光源色溫，以使光源的亮度及色溫穩定。

在調變光源亮度方面，習知照明裝置的調光技術包含脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation，PWM)技術和類比調光技術等，可根據亮度需求調整照明裝置之輸出光線亮度，此兩種方法各有優缺點。脈衝寬度調變技術以高速率啟動和關閉發光二極體，並且其開/關頻率必須比人眼能偵測的速度還快，以免看見閃爍情況。PWM訊號頻率通常會超過100 Hz，確保這個脈衝電流不會被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源供應的啟動和反應時間而定。採用脈衝寬度調變技術時，發光二極體在啟動時以恆定電流運作，關閉時則無電流，所以脈衝寬度調變技術能在改變發光二極體亮度等級時大幅減少發光二極體的色彩變動。然而，此優點的代價在於需要額外的邏輯電路來產生脈衝寬度調變波形。相較於脈衝寬度調變技術，類比調光技術能使用較簡易的電路來提供可變電流給發光二極體， 這也表示發光二極體的穩壓器必須吸收未實際供應給發光二極體的任何額外的電力。 此額外的電力來自於類比調光電路提供的原始電壓與實際供應給發光二極體的電壓之間的差異，此額外的電力會變成廢熱。 此外，採用類比調光技術時，發光二極體的色彩會依據驅動元件的電流而改變，因此不適用於需要一致性色溫的應用。

在調變光源色溫方面，習知的作法是利用一具有類比調光電路或脈衝寬度調變電路的驅動器來控制紅、綠和藍等不同顏色發光二極體的亮度來達到所需要的色溫。

大多數人的觀念認為，發光二極體的亮度及色溫若一直不穩定，會造成此發光二極體壽命的減少以及傷害到人的感官，所以前述調光機制的研究方向大多是偏重在避免亮度及色溫的不穩定。例如，一般利用脈波寬度調變的光源亮度控制器，對光源的亮度進行調變後即維持在固定的亮度值。然而，並非眼睛可察覺的亮度或/及色溫變動皆會使人感到不舒服，已有研究表明，動態照明在改善睡眠品質、治療失眠、減輕時差效應、提供工作效率、降低疲勞等方面可發揮作用。例如：色溫從2000k~8900k，亮度在2300~2600lum具光失眠、睡眠中斷及夜晚遊走等問題的光療功能。

一般的動態照明，大多是根據不同的使用環境，來調制出該使用環境下較佳的發光二極體的亮度及色溫。例如：在住宅，宿舍，賓館等休息場所，可能需改善睡眠品質，則將燈具所提供的色溫動態變化範圍預設在絕對溫度3300K 以下的暖色光範圍中；在商店、餐廳、醫院、候車室等場所，可能需使人感到愉快或安詳，則將燈具所提供的色溫動態變化範圍預設在絕對溫度3300K 到絕對溫度5300K 之間的冷色白光範圍中；在辦公室、會議室、教室、繪圖室、設計室、圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所需使人精力集中，則將燈具所提供的色溫動態變化範圍預設在絕對溫度5300K 以上的冷色光範圍中。

然而，即使是在同一場所中，人體的生理狀況也會隨時間而有所變化。為了使發光二極體的動態照明能普及化，且更方便地應用於改善人體的舒適度，如何因應人體在不同生理狀況下的舒適度改善需求，來動態地調整發光二極體的亮度及色溫，是一個關鍵性的問題。

本發明之一目的在於提供一種發光二極體模組的亮度及色溫控制方法，能即時地感知人體生理狀態的改變，並依據人體生理狀態的改變，來調整發光二極體模組的亮度及色溫的一變動頻率或一頻率變動範圍，以協助人體在當時生理狀態下進一步改善其舒適度。

為了達到上述目的，本發明提供一種發光二極體模組的控制方法，用以控制一發光二極體模組的輸出光變化，方法包括：提供一偵測單元、一資料轉換模組及一訊號調變單元，其中資料轉換模組包括一演算法，演算法與一舒適度量化指數有關；以偵測單元偵測一人體的一生理資訊隨時間的變化，以產生一類比生理訊號；將類比生理訊號輸入資料轉換模組，經由演算法將其轉換成一光源參數隨時間的變化波形；將光源參數隨時間的變化波形輸入訊號調變單元，經由訊號調變單元將其調變成一脈衝訊號；以及訊號調變單元將脈衝訊號傳送至發光二極體模組，以驅動發光二極體模組，並使得發光二極體模組的輸出光能隨著生理資訊的變化而動態地調整。

在一實施例中，上述將類比生理訊號轉換成光源參數隨時間的變化波形的步驟包括：資料轉換模組將類比生理訊號轉換為一亮度隨時間變化波形，其具有一光源工作週期，光源工作週期大於1秒且小於100秒。

在一實施例中，上述提供訊號調變單元的步驟包括：內建一調變機制於訊號調變單元中，其中調變機制是從脈衝寬度調變機制及色溫調變機制所構成的群組中選出。

在一實施例中，上述驅動發光二極體模組的步驟包括： 利用脈衝訊號控制發光二極體模組的輸出光的一亮度值及一閃爍頻率；以及將閃爍頻率控制在一數值範圍內，數值範圍是從0至0.049、0至0.150、0至0.459、0.049至0.150及0.150至0.459所構成的組群中選擇其一。

在一實施例中，上述提供資料轉換模組的步驟包括：內建一舒適度量化指數與閃爍頻率的對應表於資料轉換模組中。

本發明還提供一種種發光二極體模組的控制系統，用以控制一發光二極體模組的輸出光變化，系統包括一偵測單元、一資料轉換模組及一訊號調變單元。偵測單元用以偵測一人體的一生理資訊，以產生一類比生理訊號。資料轉換模組電性連接於偵測單元，並包括一演算法，用以將類比生理訊號轉換成一光源參數隨時間的變化波形，其中演算法應用一舒適度量化指數與一閃爍頻率的對應關係。訊號調變單元電性連接於資料轉換模組，並包括一脈衝寬度調變機制，用以將光源參數隨時間的變化波形調變成一脈衝訊號，並將脈衝訊號輸出至發光二極體模組，以驅動發光二極體模組。

在一實施例中，上述系統更包括一記憶體電性連接資料轉換模組，其中資料轉換模組將光源參數隨時間的變化波形分別輸入訊號調變單元及記憶體。

在一實施例中，上述系統的偵測單元是從心跳偵測器、血壓偵測器、血氧偵測器、呼吸偵測器、麥克風、體溫計及腦波偵測器所構成的群組中選出。

在一實施例中，上述系統更包括一穿戴式裝置，以供偵測單元設置於穿戴式裝置內。

在一實施例中，上述系統更包括一物聯網通訊元件，電性連接偵測單元、資料轉換模組及訊號調變單元。

本發明的發光二極體模組控制方法利用資料轉換模組將生理資訊隨時間的變化資料轉換成光源參數隨時間的變化資料，在資料轉換過程中納入舒適度的量化指數，藉此將光源參數優化，並整合調變色溫以及調變亮度的機制，使發光二極體模組能配合使用者的生理或心理狀態的改變來調整空間照明，藉此達到改善舒適度的效果。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

圖1為本發明之一實施例的發光二極體模組的控制方法的流程，同時顯示其控制系統方塊圖。本實施例提供一發光二極體模組的控制系統100 (步驟S10)，其包括一偵測單元110、一資料轉換模組120、一訊號調變單元130及一記憶體140，四者彼此電性連接，用以執行一種控制方法，藉此控制一發光二極體模組200的輸出光變化。電源300提供發光二極體模組的控制系統100所需的電能。資料轉換模組120包括一演算法121，此演算法121與一人體的舒適度量化指數有關。訊號調變單元130提供一調變機制131。

本實施例的控制方法是利用偵測單元110偵測人體的一生理資訊隨時間的變化，以產生一類比生理訊號S_p (步驟S11)；接著將類比生理訊號S_p 輸入資料轉換模組120，經由演算法121將類比生理訊號S_p 轉換成一光源參數隨時間變化波形S_i (步驟S12)；再將光源參數隨時間變化波形S_i 輸入訊號調變單元130中，經由調變機制131將光源參數隨時間變化波形S_i 調變成一脈衝訊號S_o (步驟S13)；最後，訊號調變單元130將脈衝訊號S_o 傳送至發光二極體模組200，以驅動發光二極體模組200，並使得發光二極體模組200的輸出光能隨著生理資訊的變化而動態地調整 (步驟S20)。

本發明之方法所採用的生理資訊可以是心跳、血壓、血氧量、呼吸率、鼾聲、體溫或/及腦波等。因此，偵測單元110可以是心跳偵測器、血壓偵測器、血氧偵測器、呼吸偵測器、麥克風、體溫計或/及腦波偵測器。類比生理訊號S_p 是這些生理資訊隨時間變化所產生的類比訊號波形。將生理資訊透過演算法121獲得使用者的生理狀態或心理狀態變化，例如情緒、疲勞程度、睡眠程度、專注度、放鬆度等。根據不同的狀態及其程度，提供合適的光源參數。演算法121所需的數據內容可以是單位時間內生理資訊的平均值、最大值、最小值、變異率等。資料轉換模組120利用演算法121將生理資訊隨時間變化所產生的波形進行調整，例如：利用一內建程式設定一延遲時間來調整，或是由使用者自行定義延遲時間來調整，此延遲時間例如為2個變化週期。而得到一光源參數隨時間變化波形S_i ，例如：亮度隨時間變化波形或色溫隨時間的變化波形。此光源參數隨時間變化波形S_i 是一類比形式的光源設定訊號，其包含了與人體舒適感相關的閃爍頻率資料，此「閃爍頻率」即光源亮暗交替的頻率。

在一實施例中，偵測單元110是一血壓偵測器，其偵測人體所產生的類比生理訊號S_p 為一血壓訊號S_p ’ (如圖2A所示)。資料轉換模組120可設一資料庫，用以儲存演算法121所需之資料或數據，例如：執行演算法的軟體程式、血壓的平均值、最大值、最小值及舒適度量化指數。記憶體140電性連接資料轉換模組120。資料轉換模組120將其所產生的光源參數隨時間變化波形S_i 分別輸入訊號調變單元130及記憶體140，藉由記憶體140來記憶光源參數隨時間變化波形S_i 。

本實施例在血壓訊號S_p ’被輸入資料轉換模組120之後，可經由一倒傳遞類神經網路演算法來對血壓訊號S_p ’進行數據分析，以判斷人體處於何種生理狀態，例如：靜止、微動或躁動狀態。為了在該生理狀態下進一步地改善人體舒適度，資料轉換模組120可參考其內建的舒適度量化指數與閃爍頻率的對應表122(如表2)，並根據人體舒適度的改善要求而選擇一建議的舒適度量化指數，再將此建議的舒適度量化指數對應至一建議的閃爍頻率。例如：演算法判斷人體在躁動狀態時，參考表2建議的舒適度量化指數為6，對應的閃爍頻率為0.15Hz。資料轉換模組120隨著時間持續進行前述的轉換過程，即可將血壓訊號S_p ’轉換成如圖2B所示的亮度隨時間變化波形S_i ’。此亮度隨時間變化波形S_i ’可提供一光源工作週期，此光源工作週期大於1秒且小於100秒，其代表建議的閃爍頻率落在0.01~1 Hz的範圍內。

訊號調變單元130的調變機制131包括一脈衝寬度調變機制或/及一色溫調變機制。本實施例將圖2B所示的亮度隨時間變化波形S_i ’進行脈衝寬度調變後所產生的脈衝訊號S_o 是一亮度控制訊號S_o ’，此亮度控制訊號S_o ’的形式如圖2C所示。隨後，訊號調變單元130將此亮度控制訊號S_o ’傳送至發光二極體模組200，藉由亮度控制訊號S_o ’控制發光二極體模組200的輸出光的亮度值B及閃爍頻率F。

圖2D為一閃爍頻率預測模型。以一適用於室內照明的白光發光二極體模組為例，說明其閃爍頻率預測模型的建立方法，用以預測其閃爍頻率在10Hz以下時，使用者對此閃爍頻率的主觀舒適度評價，在本說明書中將此主觀舒適度評價稱為「舒適度量化指數」。首先，建立一階層迴歸模型，其因變數y為舒適度量化指數的平均數，自變數x包含頻率因子、閃爍指數(flicker index)因子，以及此兩因子的交互作用。前述「閃爍指數」因子是指在一週期光輸出變化曲線圖中，高於光輸出平均值的區域面積與總區域面積的比率，詳細的說明請參照北美照明工程協會((Illuminating Engineering Society of North America, IESNA)所出版的照明手冊。利用前述因變數與自變數的實驗資料進行一變異數分析如下表1，再將閃爍指數(flicker index)因子的R平方值變更為不顯著，使自變數x僅受頻率因子影響，建立一較佳的階層迴歸模型為y = -0.892lnx + 4.3062，R² = 0.9793，如圖2D所示，以此為閃爍頻率預測模型。

表1

依據此閃爍頻率預測模型，建立一舒適度量化指數與閃爍頻率的對應表122，如下表2：

表2

在表2中，舒適度量化指數以5分為舒適界線，顯示閃爍頻率低於0.459 Hz時使用者對光源閃爍的主觀感受屬於舒適的程度，以7分為滿意評價界線，頻率需低於0.049Hz。在本實施例中，此閃爍頻率被控制在一數值範圍內，數值範圍是從0至0.049、0至0.150、0至0.459、0.049至0.150及0.150至0.459所構成的組群中選擇其一。

如圖3所示，在第二實施例中，發光二極體模組200包括一紅色發光二極體200R、一綠色發光二極體200G及一藍色發光二極體200B。發光二極體模組的控制系統100a的訊號調變單元130包括一脈衝寬度調變控制器130a及一色溫調變控制器130b，並且電性連接於資料轉換模組120。脈衝寬度調變控制器130a為一具有脈衝寬度調變機制的光源亮度控制器；而色溫調變控制器130b為一具有光源色溫調變機制的控制器。資料轉換模組120電性連接於偵測單元110。本實施例的偵測單元110設置於一穿戴式裝置110a內，用以偵測人體的生理資訊。訊號調變單元130電性連接記憶體140。當訊號調變單元130將光源參數隨時間變化波形S_i 調變成脈衝訊號S_o 後，可以將脈衝訊號S_o 輸出至發光二極體模組200，同時將亮度、色溫等光源參數儲存於記憶體140中。發光二極體模組的控制系統100a還包括一物聯網通訊元件150，其電性連接於穿戴式裝置110a、資料轉換模組120及訊號調變單元130，用以將生理資訊或光源參數隨時間變化資料傳送至網路或雲端。

在第二實施例中，資料轉換模組120將類比生理訊號S_p 轉換為一色溫隨時間的變化波形，再經由色溫調變控制器130b調整色溫隨時間的變化波形的變動頻率，並依建議的色溫值來決定所需的紅光、綠光及藍光亮度比例，藉此產生一紅光亮度隨時間變化波形、一綠光亮度隨時間變化波形及一藍光亮度隨時間變化波形，此三種波形其個別的形式相似於圖2B。在另一實施例中，色溫調變控制器130b亦可與資料轉換模組120整合在一起。

接著，紅光亮度隨時間變化波形、綠光亮度隨時間變化波形及藍光亮度隨時間變化波形分別經由脈衝寬度調變控制器130a調變成紅光亮度控制訊號、綠光亮度控制訊號及藍光亮度控制訊號等脈衝訊號S_o ，此三種控制訊號其個別的形式相似於圖2C。訊號調變單元130再將紅光亮度控制訊號、綠光亮度控制訊號及藍光亮度控制訊號傳送至發光二極體模組200，以調整紅色發光二極體200R、綠色發光二極體200G及藍色發光二極體200B的輸出光亮度比例，藉此調整發光二極體模組200之輸出光的一色溫值。

在一實施例中，將生理資訊透過演算法獲得使用者的情緒狀態變化，再根據不同的情緒狀態，提供合適的光源參數，例如：

「消沉」狀態時，搭配光源色溫5700k，並將閃爍頻率調節為0.1Hz(週期為10秒)，閃爍百分比小於0.4。「閃爍百分比」是指在一光輸出週期變化中，光輸出最高值與最低值的差值與兩者之總和的比率，詳細的說明請參照北美照明工程協會(IESNA)所出版的照明手冊。

「激動」狀態時，搭配光源色溫6500k，並將閃爍頻率調節為0.05Hz(週期為20秒)，閃爍百分比小於0.2。

「焦慮」狀態時，搭配光源色溫3700k，並將閃爍頻率調節為0.02Hz(週期為50秒)，閃爍百分比小於0.15。

「悲觀」狀態時，搭配光源色溫2700k，並將閃爍頻率調節為0.01Hz(週期為100秒)，閃爍百分比小於0.1。

綜上所述，本發明的發光二極體模組控制方法將生理資訊隨時間的變化資料轉換成光源參數隨時間的變化資料，在資料轉換過程中納入舒適度的量化指數，藉此將光源參數優化，並整合調變色溫以及調變亮度的機制，使發光二極體模組能配合使用者的生理或心理狀態的改變來調整空間照明，藉此達到改善舒適度、降低疲勞、或改善睡眠等效果。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100、100a‧‧‧發光二極體模組的控制系統

110‧‧‧偵測單元

110a‧‧‧穿戴式裝置

120‧‧‧資料轉換模組

121‧‧‧演算法

122‧‧‧舒適度量化指數與閃爍頻率的對應表

130‧‧‧訊號調變單元

130a‧‧‧脈衝寬度調變控制器

130b‧‧‧色溫調變控制器

131‧‧‧調變機制

140‧‧‧記憶體

150‧‧‧物聯網通訊元件

200‧‧‧發光二極體模組

200R‧‧‧紅色發光二極體

200G‧‧‧綠色發光二極體

200B‧‧‧藍色發光二極體

300‧‧‧電源

B‧‧‧亮度值

F‧‧‧閃爍頻率

S_i‧‧‧光源參數隨時間變化波形

S_i’‧‧‧亮度隨時間變化波形

S_o‧‧‧脈衝訊號

S_o’‧‧‧亮度控制訊號

S_p‧‧‧類比生理訊號

S_p’‧‧‧血壓訊號

圖1為本發明之第一實施例，發光二極體模組的控制方法流程示意圖及其控制系統方塊圖。

圖2A為本發明之一實施例的血壓訊號示意圖。

圖2B為本發明之一實施例的亮度隨時間變化波形示意圖。

圖2C為本發明之一實施例的脈衝訊號示意圖。

圖2D為本發明之一實施例的閃爍頻率預測模型示意圖。

圖3為本發明之第二實施例，發光二極體模組的控制系統方塊圖。

無

無

Claims (10)

1. 一種發光二極體模組的控制方法，用以控制一發光二極體模組的輸出光變化，該方法包括： 提供一偵測單元、一資料轉換模組及一訊號調變單元，其中該資料轉換模組包括一演算法，該演算法與一舒適度量化指數有關； 以該偵測單元偵測一人體的一生理資訊隨時間的變化，以產生一類比生理訊號； 將該類比生理訊號輸入該資料轉換模組，經由該演算法將其轉換成一光源參數隨時間的變化波形； 將該光源參數隨時間的變化波形輸入該訊號調變單元，經由該訊號調變單元將其調變成一脈衝訊號；以及 該訊號調變單元將該脈衝訊號傳送至該發光二極體模組，以驅動該發光二極體模組，並使得該發光二極體模組的輸出光能隨著該生理資訊的變化而動態地調整。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體模組的控制方法，其中將該類比生理訊號轉換成該光源參數隨時間的變化波形的步驟包括： 該資料轉換模組將該類比生理訊號轉換為一亮度隨時間變化波形，其具有一光源工作週期，該光源工作週期大於1秒且小於100秒。
3. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體模組的控制方法，其中提供該訊號調變單元的步驟包括： 內建一調變機制於該訊號調變單元中，其中該調變機制是從脈衝寬度調變機制及色溫調變機制所構成的群組中選出。
4. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體模組的控制方法，其中驅動該發光二極體模組的步驟包括： 利用該脈衝訊號控制該發光二極體模組的輸出光的一亮度值及一閃爍頻率；以及 將該閃爍頻率控制在一數值範圍內，該數值範圍是從0至0.049、0至0.150、0至0.459、0.049至0.150及0.150至0.459所構成的組群中選擇其一。
5. 如申請專利範圍第1項所述的發光二極體模組的控制方法，其中提供該資料轉換模組的步驟包括： 內建該舒適度量化指數與一閃爍頻率的一對應表於該資料轉換模組中。
6. 一種發光二極體模組的控制系統，用以控制一發光二極體模組的輸出光變化，該系統包括： 一偵測單元，用以偵測一人體的一生理資訊，以產生一類比生理訊號； 一資料轉換模組，電性連接於該偵測單元，並包括一演算法，用以將該類比生理訊號轉換成一光源參數隨時間的變化波形，其中該演算法應用一舒適度量化指數與一閃爍頻率的對應關係；以及 一訊號調變單元，電性連接於該資料轉換模組，並包括一脈衝寬度調變機制，用以將該光源參數隨時間的變化波形調變成一脈衝訊號，並將該脈衝訊號輸出至該發光二極體模組，以驅動該發光二極體模組。
7. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體模組的控制系統，更包括一記憶體電性連接該資料轉換模組，其中該資料轉換模組將該光源參數隨時間的變化波形分別輸入該訊號調變單元及該記憶體。
8. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體模組的控制系統，其中該偵測單元是從心跳偵測器、血壓偵測器、血氧偵測器、呼吸偵測器、麥克風、體溫計及腦波偵測器所構成的群組中選出。
9. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體模組的控制系統，更包括一穿戴式裝置，以供該偵測單元設置於該穿戴式裝置內。
10. 如申請專利範圍第6項所述的發光二極體模組的控制系統，更包括一物聯網通訊元件，電性連接該偵測單元、該資料轉換模組及該訊號調變單元。