JP2007035639A - 照明装置および、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多色光を放射する照明装置の輝度および色位置をコントロールする、改善された方法を提供することおよび、輝度および色位置の改善されたコントロールを有する、多色光を放射する照明装置を提供すること。
【解決手段】照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法であって、当該照明装置は、異なる色を伴う少なくとも２つの光チャネルの光を含む多色光を放射し、各光チャネルは１つの修正されたパルス幅変調信号（修正されたＰＷＭ信号）によってコントロールされ、各修正されたＰＷＭ信号は、強度パルス幅変調信号（強度ＰＷＭ信号）による１つのカラーパルス幅変調信号（カラーＰＷＭ信号）の変調から生じる、ことを特徴とする、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置および、当該照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法に関する。殊に、本発明は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放射された異なる色の光を含む多色光（polychromatic light）を放出する照明装置に関する。

発明の背景
例えばＬＣＤディスプレイのバックライティングに使用される照明装置は通常、多色光を放出する。この光は例えば、ＣＩＥ色度図の白色領域内に色位置を伴う。多色光を生成するために、照明装置は通常、異なる色を伴った光を放出するメイン光源を含む。これは加法混合され、所望の多色光が生じる。多色光の輝度および色位置をコントロールするために、照明装置のメイン光源がコントロールされなければならない。

本発明の１つの課題は、多色光を放射する照明装置の輝度および色位置をコントロールするための、改善された方法を提供することである。

本発明の別の課題は、輝度および色位置の改善されたコントロールを有する、多色光を放出する照明装置を提供することである。

上述の課題は、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法であって、当該照明装置は、異なる色を伴う少なくとも２つの光チャネルの光を含む多色光を放射し、各光チャネルは１つの修正されたパルス幅変調信号（修正されたＰＷＭ信号）によってコントロールされ、各修正されたＰＷＭ信号は、強度パルス幅変調信号（強度ＰＷＭ信号）による１つのカラーパルス幅変調信号（カラーＰＷＭ信号）の変調から生じる、ことを特徴とする、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法によって解決される。さらに上述の課題は、照明装置であって、当該照明装置は少なくとも、異なる色を伴う２つの光チャネルの光を含む多色光を放射し、輝度および色位置は上述の、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法を用いてコントロールされる、ことを特徴とする照明装置によって解決される。さらに上述の課題は、上述の照明装置を有するＬＣＤディスプレイでのバックライティングのための装置によって解決される。

メイン光源によって放出された少なくとも２つのカラーチャネルの光を含む多色光を放出する照明装置が設けられ、ここでメイン光源の輝度はパルス幅変調された信号（ＰＷＭ信号）によってコントロールされる。

ＰＷＭ信号は基本周期Ｔを有する電気信号である。この基本周期Ｔは時間間隔Ｔ_ＯＮを含む。この時間間隔の間、ＰＷＭ信号がイネーブル化される。さらに、基本周期Ｔは時間間隔Ｔ_ＯＦＦを含む。この時間間隔の間、ＰＷＭ信号がディスエーブル化される。比Ｔ_ＯＮ／Ｔ＝Ｔ_ＯＮ／（Ｔ_ＯＮ+Ｔ_ＯＦＦ）は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルｄｃと称され、そこでＰＷＭ信号がイネーブル化される基本周期Ｔの割合をあらわす。有利には、ＰＷＭ信号は矩形波信号である。

その輝度がＰＷＭ信号によってコントロールされるメイン光源は、例えば、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、レーザダイオードまたはエレクトロルミネセンス薄膜である。

異なった色を伴う少なくとも２つのカラーチャネルの光を含む多色光を放出する照明装置の輝度および色位置（color location）をコントロールする方法を以下で開示する。すなわち：
・各光チャネルが、１つの修正されたパルス幅変調信号（修正されたＰＷＭ信号）によってコントロールされ、
・各修正されたＰＷＭ信号が、強度パルス幅変調信号（強度ＰＷＭ信号）による１つのカラーパルス幅変調信号（カラーＰＷＭ信号）の変調から生じる。

多色光の色位置は、カラーチャネルの光を生じさせるメイン光源をコントロールするカラーＰＷＭ信号の異なるデューティサイクルの比によって定められる。照明装置の輝度を所望の値に調整するために、各カラーＰＷＭ信号は次のように調整されなければならない。すなわち、デューティサイクルの比が変化されないように調整されなければならない。殊に、多色光の低い輝度が所望されている場合には、非常に小さいデューティサイクルが望まれるだろう。このような小さいデューティサイクルを提供するために、元来加えられるカラーＰＷＭ信号がさらなるＰＷＭ信号、すなわち強度ＰＷＭ信号によって変調される。カラーＰＷＭ信号の変調は有利には、強度ＰＷＭ信号によってそれを乗算することによって行われる。

ＰＷＭ信号の小さいデューティサイクルは、強度ＰＷＭ信号によるカラーＰＷＭ信号の変調によって得られるので、輝度および色位置をコントロールするために高価な高い解像度のＰＷＭ発生器の使用が有利には回避される。

本発明の有利な実施形態では、強度ＰＷＭ信号は、カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも格段に短い基本周期を有している。有利には、強度ＰＷＭ信号の基本周期は、カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも、少なくとも１オーダー短い。

強度ＰＷＭ信号の基本周期がカラーＰＷＭ信号の基本周期よりも格段に短い場合、非常に小さいデューティサイクルを有する変調されたＰＷＭ信号が生成される。これは、輝度が低い場合にも、多色光の色位置の正確なコントロールを可能にする。

択一的に、有利には、強度ＰＷＭ信号の基本周期をカラーＰＷＭ信号の基本周期よりも格段に長くすることができ、有利には少なくとも１オーダー長くすることができる。

本発明の有利な実施形態では、複数のカラーＰＷＭ信号は同じ強度ＰＷＭ信号によって変調され、修正されたＰＷＭ信号が生成される。これは、必要とされる付加的なＰＷＭ信号が１つだけでよいという利点を有する。これによってコントロールがシンプルになる。

有利には、多色光は、ＣＩＥ色度図の白色領域内に所望の色位置を有する。なぜなら、白色光を放出する照明装置が多くのアプリケーションに対して使用可能であり、例えばＬＣＤディスプレイでのバックライティングのために使用される。

本発明のさらなる有利な実施形態では、多色光は、１つの赤色カラーチャネル、１つの緑色カラーチャネルおよび１つの青色カラーチャネルを含む。これらの３つのメインカラー、赤、緑および青はＣＩＥ色度図内の主な領域に及ぶので、多色光の色位置における大きい変化が有利には得られる。さらに、メインカラーが及ぶＣＩＥ色度図の領域は、ＣＩＥ色度図の白色領域を含む。これは次のことを意味する。すなわち、ＣＩＥ色度図の白色領域内の多色光の各色位置が、カラーチャネルの光を混合することによって得られることを意味する。

択一的に、多色光は有利には１つの黄色カラーチャネル、１つのシアンカラーチャネルおよび１つのマゼンタカラーチャネルを含む。これらのメインカラーも、ＣＩＥ色度図の主な領域に及ぶ。これは赤、緑および青が及ぶ領域とは異なる。しかしこれも白色領域を含む。

以下で、本発明を、図１，２（Ａ）〜２（Ｃ）および３（Ａ）〜３（Ｃ）に関連して異なる実施形態に基づいてより詳細に説明する。

図１に示された実施形態では、照明装置は４つの赤色ＬＥＤ１を含む。これらのＬＥＤは作動中に赤色光を放出し、赤色カラーチャネルを確立する。照明装置はさらに４つの緑色ＬＥＤ２を含む。これらのＬＥＤは作動中に緑色光を放出し、緑色カラーチャネルを確立する。照明装置はさらに４つの青色ＬＥＤ３を含む。これらのＬＥＤは作動中に青色光を放出し、青色カラーチャネルを確立する。これらのカラーチャネルの光は次のように混合される。すなわち、照明装置が白色色位置を伴う多色光を放出するように混合される。

照明装置はさらに電源５を有する。この電源５は、３つの別個の駆動ユニット４に電圧を供給する。これらの駆動ユニットは、１つのカラーチャネルのＬＥＤ１，２，３をそれぞれ駆動させる。各駆動ユニット４は、最大電流Ｉ_ｍａｘで、各カラーチャネルに対して一定の電流信号を提供する。これは相応する修正されたＰＷＭ信号によってイネーブル化されるまたはディスエーブル化される。本実施形態では、赤色カラーチャネルに加えられる最大電流の値Ｉ_{ＭＡＸ，Ｒ}は７０ｍＡであり、緑色カラーチャネルに加えられる最大電流の値Ｉ_{ＭＡＸ，Ｇ}は５０ｍＡであり、青色カラーチャネルに加えられる最大電流の値Ｉ_{ＭＡＸ，Ｂ}も５０ｍＡである。

ＰＷＭ信号を生成するために、４つの出力側７を有するコントロールユニット６が設けられている。１つの出力側７は、赤色カラーチャネルに対するカラーＰＷＭ信号（赤色カラーＰＷＭ信号）を生成するために使用され、１つの出力側７は、緑色カラーチャネルに対するカラーＰＷＭ信号（緑色カラーＰＷＭ信号）を生成するために使用され、１つの出力側７は、青色カラーチャネルに対するカラーＰＷＭ信号（青色カラーＰＷＭ信号）を生成するために使用される。１つの出力側７は、強度ＰＷＭ信号を形成する。強度ＰＷＭ信号は、各カラーＰＷＭ信号を生成するために論理的ＡＮＤゲート８を使用することによって乗算され、結果として各色に対する３つの修正されたＰＷＭ信号が生じる。

図２（Ａ）に示されているように、赤色カラーＰＷＭ信号Ｉ_Ｒ（ｔ）は、矩形波信号である。これは、基本周期Ｔ_Ｒの時間間隔Ｔ_Ｒ，ＯＮの間、イネーブル化される。赤色カラーＰＷＭ信号Ｉ_Ｒ（ｔ）のデューティサイクルｄｃ_Ｒは、ｄｃ_Ｒ＝Ｔ_Ｒ，ＯＮ／Ｔ_Ｒによってあらわされる。赤色カラーチャネルに加えられる平均電流Ｉ_{Ｒ，ＡＶＧ}は、Ｉ_{Ｒ，ＡＶＧ}＝ｄｃ_ＲＩ_ＭＡＸによってあらわされる。緑色カラーＰＷＭ信号（図示されていない）も矩形波信号である。これは基本周期Ｔ_Ｇの時間間隔Ｔ_Ｇ，ＯＮの間、イネーブル化され、結果としてデューティサイクルｄｃ_Ｇ＝Ｔ_Ｇ，ＯＮ／Ｔ_Ｇが生じる。同様に、青色カラーＰＷＭ信号（これも図示されていない）も矩形波信号である。これは、基本周期Ｔ_Ｂの時間間隔Ｔ_Ｂ，ＯＮの間、イネーブル化され、結果としてデューティサイクルｄｃ_Ｂ＝Ｔ_Ｂ，ＯＮ／Ｔ_Ｂが生じる。

図２（Ａ）に示されている赤色カラーＰＷＭ信号Ｉ_Ｒ（ｔ）は、図２（Ｂ）に示されている強度ＰＷＭ信号Ｉ_Ｉ（ｔ）によって乗算される。この強度ＰＷＭ信号は、基本周期Ｔ_Ｉの時間間隔Ｔ_Ｉ，ＯＮの間、イネーブル化され、デューティサイクルｄｃ_Ｉ＝Ｔ_Ｉ，ＯＮ／Ｔ_Ｉを有している。ここでこの基本周期Ｔ_Ｉは、赤色カラーＰＷＭ信号の基本周期Ｔ_Ｒよりも格段に短い。この実施形態では、各カラーＰＷＭ信号は２００Ｈｚの基本周期を有している。また強度ＰＷＭ信号の基本周期は２ＫＨｚである。

赤色カラーＰＷＭ信号Ｉ_Ｒ（ｔ）を強度ＰＷＭ信号Ｉ_Ｉ（ｔ）によって乗算した結果生じる、修正された赤色ＰＷＭ信号Ｉ_ＲＭ（ｔ）が図２（Ｃ）に示されている。強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルｄｃ_Ｉが、赤色カラーＰＷＭ信号のデューティサイクルｄｃ_Ｒよりも短いので、赤色カラーチャネルのＬＥＤ１に加えられる平均電流Ｉ_{ＲＭ，ＡＶＧ}＝ｄｃ_Ｒｄｃ_ＩＩ_ＭＡＸは、修正されていない赤色カラーＰＷＭ信号から生じる平均電流Ｉ_{Ｒ，ＡＶＧ}よりも低い。

さらに、修正された赤色ＰＷＭ信号から生じた平均電流Ｉ_{ＲＭ，ＡＶＧ}は、強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルｄｃ_Ｉを調整することによって正確にコントロールされる。

この実施形態では、多色光の所望された色位置はＣＩＥ色度図の白色領域内にあり、ＬＥＤ１，２，３に加えられる修正されたＰＷＭ信号のデューティサイクルの比の以下の値によって定められる：すなわちｄｃ_Ｒ，Ｍ／ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝０．７５およびｄｃ_Ｂ，Ｍ／ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝０．６５。

照明装置によって放射される多色光の輝度を、色位置をコントロールすることによって調整することが同時に、数値の例と関連して以下で説明されるように行われる。最大強度で（すなわち強度ＰＷＭ信号がデューティサイクルｄｃ_Ｉ＝１を有している）、多色光の色位置が所望の値に調整される。すなわち、この実施形態の赤色カラーＰＷＭ信号はｄｃ_Ｒ＝０．７５のデューティサイクルを有し、緑色カラーＰＷＭ信号はｄｃ_Ｇ＝１のデューティサイクルを有し、青色カラーＰＷＭ信号はｄｃ_Ｂ＝０．６５のデューティサイクルを有する。強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルは１（ｄｃ_Ｉ＝１）なので、相応する、修正されたＰＷＭ信号のデューティサイクルは、カラーＰＷＭ信号のデューティサイクルと同じ値を有している。多色光の低い輝度が望まれている場合には、強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルが低減される。強度ＰＷＭ信号は、乗算によって各カラーＰＷＭ信号を変調するので、各カラーＰＷＭ信号のデューティサイクルは、強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルによって乗算され、相応する修正されたＰＷＭ信号の低減されたデューティサイクルが得られる。従って、修正されたＰＷＭ信号の低減されたデューティサイクルの比が維持され、照明装置によって放出された多色光の色位置は依然として正しい。これは以下で詳細に説明される：この実施形態に従って強度ＰＷＭ信号のデューティサイクルが半分にされると（ｄｃ_Ｉ＝１の代わりに、ｄｃ_Ｉ＝０．５）、修正されたカラーＰＷＭ信号のデューティサイクルｄｃ_Ｒ，Ｍ＝ｄｃ_Ｒｄｃ_Ｉ，ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝ｄｃ_Ｇｄｃ_Ｉおよびｄｃ_Ｂ，Ｍ＝ｄｃ_Ｂｄｃ_Ｉも半分にされ、ｄｃ_Ｒ，Ｍ＝０．７５^＊０．５＝０．３７５，ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝１^＊０．５＝０．５およびｄｃ_Ｂ，Ｍ＝０．６５^＊０．５＝０．３２５になり、デューティサイクルの比は維持され、ｄｃ_Ｒ，Ｍ／ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝０．３７５／０．５＝０．７５およびｄｃ_Ｂ，Ｍ／ｄｃ_Ｇ，Ｍ＝０．３２５／０．５＝０．６５である。

以下で、本発明の利点を、図３（Ａ）〜３（Ｃ）に関連してさらに詳細に説明する。本発明は有利には、低い解像度のＰＷＭ発生器（例えば８ビット解像度ＰＷＭ発生器）によるＰＷＭ信号の生成を許容する。しかも多色光の色位置のコントロールを失うことはない。ＰＷＭ発生器の解像度が制限されているので、このＰＷＭ発生器によって生じるＰＷＭ信号のデューティサイクルは段階的にのみ変化する。

多色光の低い輝度が望まれている場合、カラーチャネルに加えられるＰＷＭ信号のデューティサイクルは低減されなければならず、この低減は大きさΔＴを有するステップにおいてのみ実行される。例えば図３（Ａ）において示されているように、ＰＷＭ信号Ｉ（ｔ）のデューティサイクルの基本値ｄｃ_１＝Ｔ_ＯＮ，１／Ｔが比較的高い場合、デューティサイクルの段階的変化は、ＰＷＭ発生器の制限された解像度のために、デューティサイクルの変化において小さいパーセンテージの不正確性ΔＴ／Ｔ_ＯＮ，１しか生じさせない。

しかし、図３（Ｂ）に示されているように、デューティサイクルの基本値Ｔ_ＯＮ，１が既にかなり低い場合、デューティサイクルの変化における不正確性ΔＴ／Ｔ_ＯＮ，１は、ＰＷＭ発生器の制限された解像度のために、相当な割合の変化になる。この場合には、多色光の輝度が低減される。しかし多色光の色位置のコントロールにおける損失が犠牲にされる。この問題は、より良好な解像度を伴うＰＷＭ発生器（例えば１６ビットＰＷＭ発生器）を使用することによって回避される。高い解像度のＰＷＭ発生器の使用を回避するために、本発明は、カラーＰＷＭ信号よりも格段に高い周波数を有する、付加的な強度ＰＷＭ信号を使用することを提案する。これは図３（Ｃ）に示されているように、カラーＰＷＭ信号によって乗算され、格段に小さいステップサイズΔＴ' を伴う修正されたカラーＰＷＭ信号が得られる。

本発明の範囲は上述された例に制限されない。本発明は、各新規性のある特徴において、および特徴の各組み合わせにおいて実施される。これは殊に、特許請求の範囲に記載された特徴的構成のあらゆる組み合わせを含む。これは、その特徴的構成または特徴的構成のその組み合わせが特許請求の範囲または発明の説明において明確に言及されていない場合にも当てはまる。

本発明の１つの実施形態に相応する照明装置の概略的なブロックダイヤグラムを示している。 本発明の１つの実施形態に相応するカラーＰＷＭ信号、強度ＰＷＭ信号および修正されたＰＷＭ信号を概略的に示した図。さらに図２（Ａ）および２（Ｃ）は、相応するＰＷＭ信号によって赤色カラーチャネルに加えられる平均電流を概略的に示している。 本発明の利点をさらに詳細に説明するために、電気的な矩形波信号を概略的に示している。

符号の説明

１ 赤色ＬＥＤ、 ２ 緑色ＬＥＤ、 ３ 青色ＬＥＤ、 ４ 駆動ユニット、 ５ 電源、 ６ コントロールユニット、 ７ コントロールユニットの出力側、 ８ 論理的ＡＮＤゲート

Claims (14)

1. 照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法であって、
   当該照明装置は、異なる色を伴う少なくとも２つの光チャネルの光を含む多色光を放射し、
   各光チャネルは１つの修正されたパルス幅変調信号（修正されたＰＷＭ信号）によってコントロールされ、
   各修正されたＰＷＭ信号は、強度パルス幅変調信号（強度ＰＷＭ信号）による１つのカラーパルス幅変調信号（カラーＰＷＭ信号）の変調から生じる、
   ことを特徴とする、照明装置の輝度および色位置をコントロールする方法。
2. 前記複数のカラーＰＷＭ信号は同じ強度ＰＷＭ信号によって変調される、請求項１記載の方法。
3. 前記カラーＰＷＭ信号は、乗算によって強度ＰＷＭ信号によって変調される、請求項１記載の方法。
4. 前記多色光は、１つの赤色光チャネル、１つの緑色光チャネルおよび１つの青色光チャネルの光を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記多色光は、１つの黄色光チャネル、１つのシアン光チャネルおよび１つのマゼンタ光チャネルの光を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記強度ＰＷＭ信号は、前記カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも短い基本周期を有している、請求項１記載の方法。
7. 前記強度ＰＷＭ信号は、前記カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも、少なくとも１オーダーだけ短い基本周期を有している、請求項１記載の方法。
8. 前記強度ＰＷＭ信号は、前記カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも長い基本周期を有している、請求項１記載の方法。
9. 前記強度ＰＷＭ信号は、前記カラーＰＷＭ信号の基本周期よりも、少なくとも１オーダーだけ長い基本周期を有している、請求項１記載の方法。
10. 前記多色光は、ＣＩＥ色度図内の所望の色位置を有している、請求項１記載の方法。
11. 前記所望の色位置は、ＣＩＥ色度図の白色領域内にある、請求項９記載の方法。
12. 照明装置であって、
    当該照明装置は少なくとも、異なる色を伴う２つの光チャネルの光を含む多色光を放射し、
    輝度および色位置は請求項１記載の方法を用いてコントロールされる、
    ことを特徴とする照明装置。
13. 前記光チャネルの光は半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、レーザダイオードおよび／またはエレクトロルミネセンス薄膜によって放射される、請求項１２記載の照明装置。
14. 請求項１２記載の照明装置を有するＬＣＤディスプレイでのバックライティングのための装置。

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