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

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

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。

従来技術のディスプレイシステムの平面図である。 ディスプレイシステムの端面図である。 光源構成要素の平面図である。 図２に示される線３−３を通る断面図である。 延長された光源の平面図である。 光源構成要素の平面図である。 線６−６を通る、図５に示される光源構成要素の断面図である。

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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