JP2006135317A - 強度モニタリングシステムを有するled照明システム - Google Patents
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Abstract
【課題】LED照明システムにおいて個々のLEDごとに光強度をモニタし、調整する。
【解決手段】光源はN個のLED(401〜406)を有する第1の光源構成要素(400)、光検出器(411〜416)、及び光方向変更手段(410)を備える。ただしNは1より大きい。それぞれのLEDはパッケージ内に発光チップを有する。発光チップは前方及び側方に光を放射する。前方に生成された光はLEDに結合された駆動信号によって決定される。側方への光の一部がパッケージから出射する。光方向変更手段(410)は、LEDのそれぞれのパッケージから出射する側方への光の一部が光検出器上に散乱するように配置される。光検出器はN個の強度信号を生成し、各強度信号はLEDのうちの対応するLEDによって側方に放射される光の強度に関連する振幅を有する。
【選択図】図5
【解決手段】光源はN個のLED(401〜406)を有する第1の光源構成要素(400)、光検出器(411〜416)、及び光方向変更手段(410)を備える。ただしNは1より大きい。それぞれのLEDはパッケージ内に発光チップを有する。発光チップは前方及び側方に光を放射する。前方に生成された光はLEDに結合された駆動信号によって決定される。側方への光の一部がパッケージから出射する。光方向変更手段(410)は、LEDのそれぞれのパッケージから出射する側方への光の一部が光検出器上に散乱するように配置される。光検出器はN個の強度信号を生成し、各強度信号はLEDのうちの対応するLEDによって側方に放射される光の強度に関連する振幅を有する。
【選択図】図5
Description
本発明は、個々のLEDごとに光強度をモニタすることができるLED照明システムに関する。
発光ダイオード(LED)は、電球および蛍光光源のような従来の光源に取って代わる候補として魅力的な光源である。LEDは光変換効率が高く、寿命が長い。ただし残念なことに、LEDは、比較的狭いスペクトル帯域内の光を生成する。それゆえ、任意の色を有する光源を生成するために、典型的には、多数のLEDから構成される複合光源が用いられる。たとえば、或る特定の色に一致するように見える放射を与える、LEDを基にする光源は、赤色、緑色および青色を発光するLEDからの光を組み合わせることによって構成することができる。種々の色の強度の比率によって、人が見るような光の色が設定される。
また残念なことに、個々のLEDの出力は、温度、駆動電流および経年変化によって変動する。さらに、LEDの特性は製造工程の製造ロット毎に異なり、またLEDの色によっても異なる。それゆえ、一連の条件下で所望の色を与える光源は、条件が変化するか、あるいはデバイスが経年変化するときに、色ずれを起こすであろう。これらの色ずれを避けるために、光源に或る形態のフィードバックシステムを組み込み、個々のLEDの駆動条件を変更して、光源内で用いられるLED構成要素が変動する場合でも、出力スペクトルが設計値のままになるようにしなければならない。
LEDを基にする白色光源がディスプレイおよびプロジェクタのバックライトに用いられる。ディスプレイのサイズが相対的に小さい場合には、ただ1組のLEDを用いて、ディスプレイを照明することができる。この場合に、フィードバック光検出器が、個々のLEDからの光が混合された後にディスプレイ全体から光を収集する場所に配置される。
ディスプレイのサイズが大きくなるとき、LED光源のアレイを用いて、アレイ全体にわたって照明が一様になるようにする必要がある。そのようなアレイはフィードバックシステムを複雑にする。光検出器が混合空洞内に配置される場合には、ディスプレイ全体からの光が収集され、解析される。それゆえ、そのフィードバックシステムによれば、各色の全体的な光強度レベルしか調整することができない。したがって、或る特定のLEDが、その色の光を供給する他のLEDとは異なる状態で動作しているならば、フィードバックシステムは、そのLEDだけを調整することはできない。
本発明は光源、およびその光源を制御するための方法を含む。その光源は、N個のLEDを含む第1の光源構成要素と、光検出器と、光方向変更手段とを備える。ただし、N>1である。各LEDは、1つのパッケージ内に1つの発光チップを有する。発光チップは前方に、かつ側方に光を放射する。前方に生成される光は、そのLEDに加えられる駆動信号によって決定される。側方への光の一部はそのパッケージから出射する。光方向変更手段は、各LEDのパッケージから出射する、側方への光の一部が光検出器上に散乱するように配置される。光検出器はN個の強度信号を生成し、各強度信号は、複数のLEDのうちの対応するLEDによって側方に放射される光の強度に関連する振幅を有する。側方への光の強度は前方への光の強度の一定の割合になる。
本出願は、2003年12月19日に出願された米国特許出願10/742,270の一部継続出願に対応する。本発明がその利点を提供する態様は、図1Aおよび図1Bを参照することにより、さらに理解しやすくすることができる。図1Aは従来技術のディスプレイシステム100の平面図である。図1Bはディスプレイシステム100の端面図である。ディスプレイシステム100は、赤色、緑色および青色LEDを有するLED光源130を用いて、ディスプレイデバイス170の背後の位置からディスプレイデバイス170を照明する。たとえば、ディスプレイデバイス170は、透過型ピクセルのアレイから構成されるイメージングアレイを備えることができる。LED光源130からの光は、ディスプレイデバイス170の背後にある空洞160内で「混合」され、ディスプレイデバイス170が一様に照明されるようにする。この空洞の壁は典型的には反射性である。光検出器110が、LED光源130内のLEDに対応する3つの波長において、空洞160内の光の強度を測定する。コントローラ120が、サーボループにおいてこれらの測定値を用いて、LED光源130内の各LEDの駆動電流を調整し、所望の照明スペクトルを保持する。
ディスプレイのサイズが大きくなると、それらのLEDを、ディスプレイのサイズおよびディスプレイを照明するために必要とされる光の量によって決定される空間的な広がりを有するLEDのアレイによって置き換えなければならない。単一のLEDから生成することができる光の量には実用上の制限がある。それゆえ、1組のRGB LEDに基づく照明は相対的に小さなディスプレイに限られる。この制限を越えて、利用可能な光を増加させるには、多数の組のLEDが必要とされる。LEDの特性は製造バッチによって大きく異なるので、各組のLEDをフィードバックループにおいて個別に制御して、所望のスペクトルを保持しなければならない。それゆえ、種々のLEDからの光が混合された後に混合空洞内の光をサンプリングする光検出器アレイは、各色のアレイの全体的な性能についての情報しか提供することができない。この情報は、個々のLEDの駆動電流を調整するには不十分である。本発明は、同じ色の多数のLEDが混合空洞内に存在するときでも、LED構成要素それぞれからの光が個別に測定されるLED光源を提供することによって、この問題を克服する。
本発明は、LEDにおいて生成される光の一部がLEDのアクティブ領域内に閉じ込められ、チップの側面を通ってLEDから出射するという観察結果を利用する。一般的に、LEDは、光生成領域がn型層およびp型層間に挟まれる層状構造から形成される。上側層あるいは下側層の表面に対して約90°の方向に進む光が引き出され、そのLEDの出力を形成する。LEDの上側にある空気/半導体界面、およびLEDの下側にある半導体/基板界面はいずれも、著しく異なる屈折率を有する2つの領域間の界面である。それゆえ、臨界角よりも大きな角度でアクティブ領域において生成される光はこれらの界面において内部反射され、その光が吸収されるか、あるいはLEDチップの端面に到達するまで、2つの界面間に閉じ込められたままになる。この閉じ込められた光のかなりの部分は、臨界角未満の角度でチップの端面にあるチップ/空気界面に衝突し、それゆえチップから放出される。
本発明は、この端面から放出される光を利用して、モニタリング信号を与える。一般的に、端面においてチップから出射する光の量は、LEDにおいて生成される光全体のうちの一定の割合になる。その正確な割合はチップによって異なる。しかしながら、チップ毎の割合の値は、LEDが製造される時点で、あるいはLEDが取り付けられた後に光源を較正することによって判定することができる。
ここで図2および図3を参照すると、参照によって本明細書に援用される先に記した同時係属の特許出願に記載される、本発明の一実施形態によるRGB光源構成要素200が示される。図2は光源構成要素200の平面図であり、図3は線3−3を通る断面図である。光源構成要素200は、それぞれ赤色、緑色および青色光を放射する3つのLED201〜203を含む。各LEDはチップを含み、そのチップは、その中で生成された光の一部を、チップの側面を通して放射する。LEDは本体を有し、その本体は、この光が、チップ表面に対して垂直な方向に放射される光の方向とは異なる方向に出射できるようにする透過性領域を含む。LED201〜203内のチップはそれぞれ211〜213で示される。
図3を参照すると、チップの上側から放出される光が221で示されており、チップの側面から放出される光が222で示される。以下の説明を簡単にするために、チップの上側から放出される光を「出力光」と呼び、LEDにおいて臨界角よりも大きな角度での1回あるいは複数回の内部反射の後にチップの側面から放出される光を側面光と呼ぶ。本発明は、収集器230を用いて、側面光の一部を収集する。そのようにして収集される光をモニタ光と呼ぶ。モニタ光は光検出器240上に誘導され、そこで、対象の3つの各スペクトル領域において光の強度が測定される。この場合、光検出器240は、赤色、青色および緑色スペクトル帯の光を測定し、振幅が測定された強度と相関関係にある、241で示される3つの信号を生成する。これらの信号の振幅は出力光の目安でもある。以下の説明では、これらの信号をモニタ信号と呼ぶ。
光検出器240は、3つの光学フィルタ、および各フィルタによって透過される光を測定するための3つのフォトダイオードから構成することができる。図面を簡単にするために、フォトダイオード構成要素および光学フィルタは図面から省略されている。
図2および図3に示される実施形態では、収集器230は円形の対称な収集器であり、その表面233はLED201から下方に放出される側面光の部分を反射して、光検出器によって、その1組のLEDだけからの光がモニタされるようにする。収集器は透明なプラスチックから構成することができる。その表面の反射性は、プラスチックと空気との屈折率に差がある結果として生じることができる。別法では、その表面は、アルミニウムのような反射性材料でコーティングすることができる。
一般的に、出力光に対するモニタ光の比率はLED毎に異なるであろう。しかしながら、この比率の正確な値は、それが一定である限り、判定する必要はない。先に述べられたように、モニタ信号は、フィードバックコントローラが正確な赤色、青色および緑色の光の強度を保持し、所望のスペクトルを生成するために用いられる。各LEDは個別の電源線を有し、その電源線上でLEDは、その平均電流レベルがそのLEDの光出力を決定する信号を受信する。LED201のための電源線は251で示される。フィードバックコントローラは、モニタ信号がフィードバックコントローラに記憶される目標値と一致するまで、各LEDへの駆動電流を調整する。
その目標値は、光源構成要素によって生成される光を解析することにより、LEDへの駆動電流の関数として実験的に決定することができる。そのLED構成要素だけを用いて、満足のいくスペクトルが達成されるときに、そのモニタ信号の値がコントローラによって記録される。その後、フィードバックコントローラは、光源構成要素の通常動作中に、その駆動電流を調整して、モニタ信号をこれらの記録された目標値に保持する。たとえば、LEDのうちの1つが経年変化し、それゆえ生成する光が少なくなる場合には、そのLEDに関連付けられるモニタ信号の値が減少するであろう。その際、フィードバックコントローラは、モニタ信号が再びそのLEDの目標値に一致するまで、そのLEDへの駆動電流を増加させるであろう。
先に説明された光源構成要素を組み合わせて、図1を参照して先に説明されたのと同じようにして空洞を照明するための延長された光源を構成することができる。ここで図4を参照すると、長い光源300の平面図が示される。光源300は、その長さに沿って一定の光強度を有する線光源と見なすことができる。光源300は、図2および図3を参照して先に説明されたタイプの複数の光源構成要素から構成される。例示的な光源構成要素が301〜303で示される。
各光源構成要素は、バス構成要素307と見なすことができる6つの信号線を有する。バス構成要素307は、モニタ信号を伝送する3つの線と、光源構成要素内の個々のLEDを駆動する3つの電源線とを含む。バス構成要素はインターフェース回路によって制御バス311に接続される。光源構成要素301〜303に対応するインターフェース回路が、それぞれ304〜306で示される。
この実施形態では、各インターフェース回路は2つの機能を提供する。第1に、インターフェース回路はモニタ信号をフィードバックコントローラ310に選択的に接続し、光源構成要素内の各LEDに加えられることになる駆動電流を指定する信号を受信する。インターフェース回路は、フィードバックコントローラ310がインターフェース回路と選択的に通信できるようにするアドレスを含む。
第2に、インターフェース回路は、光源構成要素がバス311に接続されないときに、各LED上の駆動電流を、フィードバックコントローラによって指定されるレベルに保持する回路を含む。この機能を達成するために、インターフェース回路は、各LEDへの駆動電流を決定する値を保持する3つのレジスタと、これらの値を実際の駆動電流に変換するための回路とを含む。駆動電流は、各LEDの中に流れるDC電流の大きさを変更することによって、あるいはLEDを「オン」および「オフ」に切り替えるAC信号の通電率を変更することによって設定することができる。
上記の実施形態は、LEDの側面から出射する光の一部を収集し、その光を下方の光検出器へ誘導する光収集器を利用する。これらの光収集器は反射板であり、製造するのに比較的コストがかかる。本発明は、磨き反射板を用いることなく、この光学サンプリング機能を提供し、それゆえ、関連するコストを削減する。本発明は、光検出器への側面光の一部の向きを変える任意のデバイスを用いて、フィードバックコントローラによって必要とされる光を与えることができるという観察結果に基づく。この光方向変更手段に課せられる唯一の要件は、光の割合が経時的に一定であり、側面光の正確な目安を提供するだけの十分な光が反射されることである。
ここで図5および図6を参照すると、本発明の一実施形態による光方向変更手段を利用する光源構成要素が示される。図5は光源構成要素400の平面図であり、図6は線6−6を通る光源構成要素400の断面図である。光源構成要素400は401〜406で示される6つのLEDを有する。光検出器上に媒質を分散させることにより、これらのLEDそれぞれからの側面光の一部の向きが変えられる。LED401〜406のための光検出器はそれぞれ411〜416で示される。光方向変更手段410は、その中に散乱性粒子429を懸濁した透明な媒質を含む。LED402および405によって用いられる散乱性媒質の一部はそれぞれ417および418で示される。
ここで図6を、具体的にはLED402内のダイ424から出射する側面光を参照すると、光の一部が粒子によって散乱するであろう。422で示されるように、この散乱光の一部が光検出器412内に誘導されるであろう。他の粒子は、側面光を誘導して、421で示されるような出力光にするであろう。423で示されるように、その光の残りの部分は、方向変更手段の媒質あるいは壁によって吸収されるであろう。
図5および図6に示される実施形態は、432で示されるような不透明な壁を用いて、1つのLEDからの光が、別のLEDによって用いられる検出器に達するのを防ぐ。しかしながら、散乱性媒質が光を十分に減衰させる場合には、あるいは隣接する光検出器がその問題の光に反応しない場合には、これらの壁は省くことができる。たとえば、隣接する光検出器が異なる色の光に対して感度がある場合には、そのような壁は省くことができる。
方向変更手段は予め製造して、プリント回路基板に取り付けることができる。方向変更手段が光を散乱させるので、かつ伝達される厳密な割合がLED毎に異なる可能性があるので、本発明は、かなりの位置合わせおよび位置決め誤差を許容することができる。隣接する検出器間のクロストークがわずかであるために、検出器間の壁(cross-walls)が不要である実施形態では、LED間に散乱性媒質の層を設けることにより、方向変更手段を構成することができる。たとえば、その中に散乱性粒子を懸濁されたシリコンゴムの層を、側面光を遮断することになる高さまで、光検出器上に定量供給することができる。
上記の実施形態は、赤色、緑色および青色LEDから構成される光源構成要素を利用してきた。しかしながら、異なる数および色のLEDを利用する本発明の実施形態も構成することができる。たとえば、青色発光LEDおよび黄色発光LEDからの光を混合することにより、見る人から白色のように見える光源を構成することができる。それゆえ、本発明による、2つのLEDを有する光源構成要素に基づく白色光源を用いて、延長された白色光源が設けられるであろう。同様に、印刷技術において、4つの色に基づくカラー方式も知られている。そのようなカラー方式では、本発明による光源構成要素は4つのLEDを有することになる。
これまでの説明および添付の図面から、本発明に対する種々の変更が当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。
200 光源構成要素
201〜203 LED
211〜213 チップ
240 光検出器
300 光源
301 第1の光源構成要素
400 光源
401〜406 LED
410 光方向変更手段
412〜416 光検出器
424 発光チップ
201〜203 LED
211〜213 チップ
240 光検出器
300 光源
301 第1の光源構成要素
400 光源
401〜406 LED
410 光方向変更手段
412〜416 光検出器
424 発光チップ
Claims (10)
- 第1の光源構成要素を含む光源であって、前記光源構成要素は、
N個のLEDであって、前記LEDはそれぞれ、1つのパッケージ内に1つの発光チップを有し、前記発光チップは前方および側方に光を放射し、前記Nは1より大きく、前記前方に生成される光は、前記LEDに加えられる駆動信号によって決定され、前記側方への光の一部が前記パッケージから出射する、N個のLEDと、
光検出器と、
前記LEDのそれぞれの前記パッケージから出射する前記側方への光の一部が前記光検出器上に散乱するように配置される光方向変更手段とを備え、前記光検出器はN個の強度信号を生成し、各強度信号は前記LEDのうちの対応するLEDによって前記側方に放射される光の強度に関連する振幅を有することを特徴とする光源。 - 前記側方への光の強度は前記前方への光の強度のうちの一定割合であることを特徴とする請求項1に記載の光源。
- 前記光方向変更手段は、中に光散乱性粒子を分散させた透明な媒質を含むことを特徴とする請求項1に記載の光源。
- 前記LEDはそれぞれ、前記LEDのうちの他のLEDが発光する波長とは異なる波長で発光することを特徴とする請求項1に記載の光源。
- 前記第1の光源構成要素はN個の信号を制御するためのバスおよび第1のインターフェース回路を含み、各信号は前記LEDのうちの対応するLEDによって前記前方に生成される光の強度を決定し、前記第1のインターフェース回路はさらに、前記第1のインターフェース回路を特定する制御信号に応答して、前記N個の強度信号を前記バスに加えることを特徴とする請求項1に記載の光源。
- 第2の光源構成要素をさらに含み、前記第2の光源構成要素は、
N個のLEDであって、前記LEDはそれぞれ、1つのパッケージ内に1つの発光チップを有し、前記発光チップは前方および側方に光を放射し、Nは1より大きく、前記前方に生成される光は、前記LEDに加えられる駆動信号によって決定され、前記側方への光の一部が前記パッケージから出射する、N個のLEDと、
光検出器と、
前記LEDのそれぞれの前記パッケージから出射する前記側方への光の一部が前記光検出器上に散乱するように配置される光方向変更手段であって、前記光検出器はN個の強度信号を生成し、各強度信号は前記LEDのうちの対応するLEDによって前記側方に放射される光の強度に関連する振幅を有する、光方向変更手段と、
N個の信号を制御するための第2のインターフェース回路であって、各信号は前記第2の光源構成要素内の前記LEDのうちの対応するLEDによって前記前方に生成される光強度を決定し、前記第2のインターフェース回路はさらに、前記第2のインターフェース回路を特定する制御信号に応答して、前記N個の強度信号を前記バスに加える、第2のインターフェース回路と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の光源。 - 前記バスに接続されるフィードバックコントローラをさらに備え、前記フィードバックコントローラは前記光源構成要素のそれぞれの前記強度信号を用いて前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項6に記載の光源。
- 複数のLEDからの光でデバイスを照明するための方法であって、各LEDは1つのパッケージ内に1つの発光チップを有し、前記発光チップは前方および側方に光を放射し、前記前方に生成される光は前記LEDに加えられる駆動信号によって決定され、前記側方への光の一部は前記パッケージから出射する、前記方法は、
前記LEDのそれぞれからの前記側方への光の一部を散乱させることと、
前記LEDのそれぞれについて測定された強度値を生成するために前記LEDのそれぞれについて前記散乱光の強度を測定することと、
前記測定された強度値のそれぞれを目標値に保持するように前記LEDの前記駆動信号を制御することと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記前方への光を用いて前記デバイスを照明することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記LEDのうちの1つは、前記LEDのうちの別のLEDによって放射される光とは異なる色の光を放射することを特徴とする請求項8に記載の方法。
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