JP3717943B2 - 発光ダイオードを内蔵する照明器組立体 - Google Patents
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- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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Description
発明の背景
低レベルの光環境における人間の視力の諸制約により、夜間あるいは暗闇の状態において、あるいは太陽光の直射が妨げられた屋内の区画内で人工照明を生じて視覚を補強するため、白色光照明器システムが長く使用されてきた。従って、照明器は、一般に、照明された関心対象が充分に見える明るさとなるように、かつ色やコントラストなど容易に識別できる充分な視覚特性をもつように、可能な限り日中の発光条件を模倣あるいは再現するように設計されている。
建物内の静止灯、携帯懐中電灯、および車両のヘッドランプおよびカーテシーライト(車両などの自動点灯照明)のような種々の照明システムが、歴史の全過程にわたり進化し、ろうそくおよびオイル、灯油およびガス燃焼具、白熱灯およびハロゲン電球、および蛍光灯その他のアーク放電灯のような広範囲の光源を用いて、汎用照明、スポット照明あるいは投光照明のための白色光を伝統的に作ってきた。白色光は、着色物あるいは印刷イメージを相互に適正なものにする独特な能力と、異なる色を有する隣接した物品または印刷イメージ間の輝度および色のコントラストを保持する同様な独特な能力のゆえに、このような用途においては重要である。例えば、イメージを含む写真が白色光によって照明されている時、海のパノラマの青い写像は火山岩の黒い写像から、何の助けも借りない観察者によって容易に識別される。しかし、深い赤色の照明器で照明されるならば、この2つのイメージは実質的に相互に識別不可能である。別の例は、航空地図あるいは自動車用地図における異なる色の領域を適正に識別する必要から生じる。自動車用地図においては、白色光照明器が、都市部に対する黄色のマーキングと周囲の白い田舎地域間の相違を容易に見分けることを可能にする。濃い黄色の照明器は、この識別を実質的に不可能にする。航空地図においては、白色光照明器が、ある種の管理空域に対する青いマーキングと、下方の地形の緑色パターンとの間の相違を見分けることを可能にするが、濃い赤色の照明器はこの識別を実質的に不可能にする。
更に、色の識別およびコントラストのこれらの問題は、単なる正確に識別することの必要に越えている。例えば、学習の主題が本、雑誌、新聞あるいは地図の如何を問わず、長時間の視覚作業におけるオペレータの眼の酷い疲労および不快を避けるためには、高いコントラストが重要であることは周知の事実である。白色光照明器は更に広範に高いコントラストと良好な色の識別を提供し、これにより上記の煩わしい危険な心理的な副作用を回避する。
白色光照明器の多岐にわたる進化および広範な使用は、早く進歩する技術および色覚恒常(color constancy)として知られる現象と共に、むしろ広範囲の「白」としての不飽和色の受入れを助長してきた。色覚恒常は、ある領域にわたる僅かに不飽和あるいは近似の白色照明のレベルと色が相互の設定における対象の認識される色を実質的に変化させることなく、やや変動し得るという周知の事実を指す。このことの一例は、僅かにアンバー(琥珀色)または緑色のサングラスをかけた観察者に見える戸外の情景の様子である。サングラスを短時間かけた後は、観察者は情景が僅かに着色されたフィルタを透過していることが分からない。別の事例は、住居、商店および公共設備の照明における広範囲の「白い」照明器をそのまま受入れていることである。種々の蛍光灯からの青みを帯びた即ち冷たい白がオフィス・ビルで実質的に一般的であるが、白熱灯の黄色みを帯びた即ち暖かい白が住居の照明では主流である。水銀蒸気灯およびハロゲン化金属灯の明るい青みを帯びた白は工場の組立てラインでは一般的であるが、高圧ナトリウム灯の発光は田舎地域におけるハイウエー投光照明の主流である。横並びに比較されれば明らかとなろうこれら光源のそれぞれの識別し得る色合いにも拘わらず、これら光源は、その発光が照明する物体における相対的な色覚恒常を充分に実質的に保持する不飽和白色に近いので、一般に白色照明器として受入れられている。換言すれば、これら光源は、自然照明条件下ではそれらの明らかな「真の」色に比較的忠実であるように物体を見せる。
人間の色覚の適合性には限度があるが、非常に色彩的な照明器が用いられるか、あるいはある設定において観察される白色照明が強く着色されたフィルタにより変更されると、色覚恒常は妥当しない。このような照明の好例は、濃い色の新規なサングラス対を凝視することによって経験することができる。これらグラスが例えば赤であるならば、通常の部屋の照明ではグラスを外すと白い紙の上の赤インクの線が非常にはっきりと見えたとしても、この線を見分けることはほぼ不可能となる。かかる作用の別の照明は、田舎のある屋外用照明の目的のため使用される低圧ナトリウム灯である。この種のランプは、ある物体または印刷イメージの検出および識別を不可能ではなくとも非常に困難にする高度に飽和した黄色光を出し、その結果、その商業的用途は非常に制限されてきた。以下に述べるように、強い赤またはアンバーの発光ダイオード(LED)を照明器として使用する従来技術の試みは、これらが低圧ナトリウム灯と同様に品質の描写に向かない狭い帯域の光を出すので、同様な問題を生じる。
白色光照明システムの効果を改善するために、組立体を含み内蔵された光源にエネルギまたは燃料を供給するために、種々の支援構造が典型的に採用されている。更に、これらシステムは、典型的に、これらが生じる光を直射し、投射し、強化し、露光し、あるいは散乱する様々な光学的要素を内蔵する。最近の車両のヘッドランプ組立体は、例えば、白熱灯、ハロゲンあるいはアーク放電光源からの白色光をコリメートし分散するよう一緒に働く、封入された電気コネクタ、複雑な射出成形レンズ、および成形された金属被覆反射鏡を一般に含んでいる。車両あるいは制御室における計器パネル用の背光照明器は、典型的に、精巧な光パイプ即ちガイド、光散乱器および光抽出器を含んでいる。
無論、燃料の燃焼により光を直接生成する伝統的な白色光源は、開放火炎が安全でなくあるいは好ましくない、大半の車両、舟艇、航空機、および携帯可能あるいは他の用途にはもはや適さない。従って、これらの光源は、電気的に励起される白色光源によりほぼ完全に置換されてきた。更にまた、多くの近代的な電気的光源、例えば白熱灯およびガス放電灯は比較的非効率であり、従って、制限された電力しか得られず、低電圧しか得られず、あるいは安全理由から高電圧が望ましくない場合に使用される車両、携帯可能および他の独特な照明器に対しては最適ではない。しかし、実用に供し得る代替物が得られないので、これら陸上車両、舟艇、航空機および他の先に述べた分野のための照明器は、ほとんどの場合、低レベル光の状態でオペレータ、乗客あるいは他の観察者を助けるために、低電圧の白熱灯の白色光照明器を使用してきた。乗用車、トラック、バンなどにおいては、白色光照明器が、ドームライト、マップ・ライト、化粧鏡ライト、車内灯、ヘッドランプ、バックアップ・ライト、およびトラック、エンジン・ルームおよび番号プレート用の照明器として用いられる。このような車両においては、白色光照明器は、計器集中パネル、ドア・パネル、あるいはヒータおよび通風制御パネルに見出される如きバックライト式の半透明スクリーンの印刷指標に対しても用いられる。白色光照明器の類似の用途は、オートバイ、自転車、電気自動車および他の陸上車両において見出される。航空機においては、白色光照明器は、客室内において、乗降時および緊急時に床面および出口を照明し、コックピットの各部を照明し、回路ブレーカ・パネルおよび制御パネルを背光またはエッジ光照明する表示ランプとして使用される。船、ボートおよび潜水艦の如き水上舟艇においては、白色光照明器は、ブリッジ、デッキ、キャビンおよび機関空間の照明のために使用される。携帯可能および特殊な照明用途においては、低電圧の白色光照明器が、手に持てる、バッテリ駆動の懐中灯として、保守または採鉱作業用のヘルメット取付け灯または頭部取付け灯として、商業建築物に対する自動的に動作する緊急時照明として、揮発性の環境における照明として、および非常な信頼性、低電圧、効率およびコンパクト性が重要である広範囲の他の状況における照明器として使用される。
先に述べたこれらの白色光照明器は、光源としてほとんどもっぱら白熱灯に依存するが、これは白熱電球が広範囲の形態で作るのに安価であるため、更に重要なこととして、豊富な量の白色光を生じるためである。それにも拘わらず、白熱灯は、照明器組立体を設計する際に考慮しなければならない多くの短所を有する。
白熱灯は、安定した環境においても壊れやすく短寿命であり、その結果、大きな不便、危険および(または)経費で頻繁に交換されねばならない。この交換の必要は、全ての照明器形態に対して、特に車両用として複雑な設計となる。例えば、Skogler等の米国特許第4,087,096号は、車両内部の一部を照明するための支援灯のための担体モジュールを開示している。この担体モジュールは、堅牢な体部と、担体モジュールを後部ミラーに取外し自在に取付けるための1対の取付け突起とを有する。この設計は更に、モジュールを後部ミラーから取外すための工具の挿入を許容するよう特に設計された開口を有する。かかる担体モジュールは、車両所有者により白熱灯を容易に取外しおよび交換できることを保証するためミラー製造者により行われる大きな設計努力の優れた事例である。
本質的な短寿命に加えて、白熱灯は機械的な衝撃や振動から非常に破損しやすい。自動車は、白熱灯、特にその発光を生じるフィラメントに破損を生じ得る運転中に酷い衝撃や大きな振動を受ける。これは、全てが閉鎖時に周期的に酷い衝撃を生じる、エンジン・フード、トランクの蓋、客室のドア、外部ミラー、および後部ハッチまたはゲートに、あるいはその付近に取付けられるランプにとって特に苛酷な問題である。航空機および携帯照明器は同様な環境に遭遇し、従って、別の白色光源は、規則的な間隔でランプを交換することと関連する時間とコストを減じるために非常に有利となる。
白熱灯もまた、熱いガラス球壁面と室温の流体間の接触と関連する熱的/機械的応力による湿気に露出することで容易に破壊され得る。白熱灯はまた、飛来する石などによって容易に破壊される。このため、焼き切れるかあるいは他の恒久的な破損を受ける時に白熱灯固定具の取外しを許容しながら、電球を衝撃、振動、湿気および飛来する異物から保護する究極の措置をとることなく、白熱灯を外部のミラーに組み込むことは非常に困難である。
白熱灯はまた、自動車のような車両に組み込むことを本質的に困難にするある電気的特性を呈する。例えば、白熱光源が電圧源により最初に励起されると、フィラメントに流れる初期電流サージが生じる。通常の動作電流の典型的に12ないし20倍であるこの突入電源は、ランプの寿命を制限し、これが更に頻繁な交換を可能にする照明器構造の必要を拡大する。突入電流はまた、この電流を含む支援電気回路を設計するとき、尋常でない考慮を必要とする。ヒューズ、リレー、機械的スイッチ、あるいは電気的スイッチ、配線ハーネス、およびランプに電気的に接続されるコネクタは、かかる究極の遷移を繰返し運ぶことができなければならない。
更に、白熱灯の電圧/電流(V−I)特性は、光出力と、電圧、電流または電力との間の各関係におけるように、尋常でなく非リニアである。白熱灯の光度、色温度および使用寿命は、印加される電流または電圧の関数として指数的に変動する。電源の変動に対するこのような感応性は、白熱灯の電子的制御を特に難しい問題にする。これらは、DC電力、パルス幅変調DC電力、任意の種類の単純なオン/オフ切換え、あるいはどんなに小さくとも任意の過大電圧条件に連続的に曝されるとき、大きな信頼性および実地使用寿命の低下を更に受けやすい。白熱灯はまた、比較的高い電流負荷と組合わされる時誘導的な共振電圧の遷移のため電子的なスイッチングおよび制御を大きく複雑化する大きなインダクタンスを有する。0.5アンペア、12.8ボルトの白熱灯用の典型的な方形波のDCパルス変調回路は、例えば、スイッチング時間、介在するランプ、および回路残部のインダクタンス、キャパシタンスおよび抵抗に依存する30ボルトもの高さの短時間の遷移を生じ得る。
白熱灯はまた、電力を放射される可視白色光へ変換する際に低い効率を免れない。白熱灯が消費するエネルギの7%以下が典型的な可視光として放射されるが、白熱灯が消費する電気エネルギの大半は熱エネルギの形態で浪費される。このことは、照明システムに利用可能な電力量が制限される車両用、航空宇宙用、船舶用および携帯用の照明器用途に対して厳しい否定的な結果となる。これらの用途においては、電力は、船や航空機の発電機、自動車の同期発電機により、ある遠隔用途あるいは航空宇宙用途の場合の太陽電池によって周期的に再充電され、あるいは他の方法で交換されあるいは再充電可能な懐中電灯の如きAC/DCアダプタで再充電されるバッテリによって提供される。バッテリ電荷を回復させるためのこれら機構が本質的にかさ張り、重く、そして/または高価であるゆえに、可視光の生成時の低い電力変換効率を持つことは照明器にとって非常に不都合である。照明器効率における重要なことの顕著例は、電気自動車である。電動式の自転車、モーベット、オートバイ、自動車、ゴルフ・カート、あるいは乗用または貨物用搬送カートにおいて、電気ヘッドランプ、バックアップ・ランプなどの形態における白色光照明器は、車両の制限された電力使用枠の非常に大きな部分を消費し、従って、これら照明器は高い効率の白色光照明器から最大の利益を受ける。更に効率のよい白色光源が利用可能であったならば、照明器を付勢するのにはるかに少ない電力で済んだであろうし、他のシステムに対して更に多くの電力が利用可能であろう。あるいはまた、改善された照明器による電力の節減は、改善された電源と、エネルギ蓄積機構あるいはエネルギ交換機構を可能にするであろう。
白熱灯と関連する低効率の別の成果として生じるものは、他の電源と比較して等量の生成光に対して大量の熱を生じることである。このことは、典型的に250℃を越える非常に高い電球壁温度と、照明器の支持部材、筺体、光学系あるいは他の近くの車両要素に対する破損または破壊を防止するため放散、対流、あるいは伝導により適正に発散されねばならない大きな熱蓄積を結果として生じる。照明器における通常の白色光源のかかる高熱の特徴は、光をコリメートし指向させるために用いられる専用の反射鏡およびレンズの設計および材料に対して特に著しい影響を及ぼす。光学的な効率を保持しながら熱を拡散する設計上の努力は、重量および空間の要件に本質的に感応する車両、船舶、航空機および携帯可能な用途にとって非常に不利益である、照明器組立体に対する空間および重量の要件を更に付加する。
手に持つ懐中電灯および頭部に付けるランプのような携帯可能な照明器は、白熱灯の白色光源から生じる同様な問題に遭遇し、改善されたシステムから同じ利益を得ることになる。
種々のガス放電、エレクトロルミネセンス、フォトルミネセンス、カソードルミネセンス、化学ルミネセンスおよびサーモルミネセンスを含む、白熱灯およびパイロルミネセンス以外の白色光線を生じる物理的機構が利用可能である。これらの現象を用いる光源の出力は特定のシステムの要件を満たすように調整できるが、これら光源は、低い光度、低い効率、高い電圧要件、制限された環境に対する柔軟性、大きな重量、複雑さ、高いコスト、低い信頼性、あるいは短い使用寿命のゆえに、車両用、船舶用、航空機用あるいは携帯可能な照明器においては使用が限定されてきた。
更に最近では、発光ダイオード(LED)の如き光電発光半導体デバイスを照明器システム用の光源として使用することに大きな関心が示されている。白熱灯に比して強い色表示および比較的低い発光出力のため、前世代のLEDはその用途の大半が表示デバイス、例えばオン/オフおよびマトリックス配列の表示器、などであった。これらの用途は、今日でも依然としてLED市場が主であるが、LED材料、設計および製造における最近の進歩はLED発光効率における著しい向上をもたらす結果となり、それらの最近の商業的形態では、白熱灯よりも高い発光効率を呈している。しかし最も新しいLEDでも、高度に飽和した狭い帯域幅の、明らかに白くない色々な色相の光を発光する。先に述べたように、その色々な仕様の1つにおける光が大半の照明器システムにとって必須のものである。
LEDの固有の色彩性にも拘わらず、これらLEDは、車両用、船舶用、航空機用、および携帯可能な照明器に対する他の従来の低電圧光源に比して、多くの潜在的な利点を提供する。LEDは、衝撃に対して非常に強く、従って、機械的あるいは熱的な衝撃を受けると消え得る白熱灯および蛍光灯に勝る著しい利点を提供する。LEDは、白熱灯では典型的に1,000ないし2,000時間、蛍光灯では、5,000ないし10,000時間に比して、200,000時間ないし1,000,000時間の動作寿命を有する。
何らかの構成色とは異なる見かけ色を有する加法混色(additional color mixture)を生じるため、異なる見かけ色を有する幾つかの飽和光源の狭帯域のスペクトル発光を組合わせることができることが知られている。例えば、プリズムあるいは水滴の離散によって屈折される時に典型的な虹において生じるように白色の太陽光がその構成スペクトルに分解することの観察において、付加色の基本原理は明らかである。従って、太陽の可視白色光は、380ないし780ナノメートルの波長を有する可視スペクトルにおける輻射と関連する全ての色相の加法混色と見なすことができる。
加法混色の重要かつ一般的な事例は、陰極線管(CRT)または液晶ディスプレイ(LCD)要素を有する大部分のカラー・ディスプレイ・スクリーンにおいて用いられる技術である。これらのデイスプレイは、それぞれが単独あるいは組合わせて励起することができる赤、緑および青の色相を有するサブピクセルを含む、アドレス指定可能なピクセル・アレイからなる。CRTの場合は、各サブピクセルは、操作される電子ビームによりカソードルミネセンスを介して励起することができる無機物のリンのドットである。LCDの場合は、各サブピクセルは、切換え可能な液晶シャッタと整合した着色ダイのドットであり、その組合わせがバックライトに対する再構成可能なフィルタとして働く。これらの場合のいずれにおける結果は、認識される黄色を作るために明るい着色された赤のサブピクセルを赤に対して分解できない近さにある隣接する明るい緑と同時に励起できることである。緑のサブピクセルと青のサブピクセルの同様な組合わせは、認識されるシアン色を作ることになる。赤のサブピクセルと青のサブピクセルの同様な組合わせは、認識されるマゼンタ色を作ることになる。赤、緑および青の3つのサブピクセル全てを1つのピクセル内で同時に励起することが、各サブピクセルの明るさが適正に配分されるならば、認識される白色を生じることになる。これらの異なる色の各サブピクセルの明るさの相対的比率が、広範囲の組合わせにおいてアクティブに更に操作することができ、白を含む人間の視覚内で得られる全ての色をほぼ反復する認識される色の連続をもたらす結果となる。不都合なことに、これらの形式のディスプレイは適切な表面輝度を呈し得るが、これらは非常にかさ張り、高価かつ複雑であり、適切量の照明を有効な照明器として使用される距離に投射するものではない。例えば、最も明るく最も大きなテレビジョン・スクリーンでさえ、暗くした部屋を横切って暗い光を投射するに過ぎない。このような暗い光と関連する照明レベルは、新聞を読むにはほとんど不充分であり、詳細な写真における被写体あるいは色を識別するには全く不充分である。しかし、人間の色覚内で得られる全ての色を適切に再現するこのようなRGBディスプレイ・システムの能力は、以下本文において更に詳細に述べる条件等色(metamerism)として知られる重要な現象の優れた事例である。
LEDは、種々の色相で利用可能であり、認識白色を含む種々の認識色を生じるように、赤、青および緑のLEDの出力を適正な比率でCRTに用いられるものと似た方法で組合わせ得ることが公知である。例えば、米国特許第5,136,483号において、Karl−Heinz Schoniger等は、ヘッドランプまたは信号ランプを形成するように配列された12個のLEDを有する発光デバイスを開示している。またSchoniger等は、白色光を生じるためには、赤、緑および青のLEDが同時に使用される必要があることも開示している。しかし、このようなシステムはかなり複雑であり、Schoniger等は、RGBシステムが同じ形式のLEDから別々のLEDへ生じる光出力における著しい変動による望ましくない変動に本質的に弱いことについては言及していない。このようなLEDの変動は、生成される実際の混色と望ましい混色との相対的比率に誤差を生じ、非常な複雑さおよびコストと関連して、システムを大部分の実際用途において不適格にする。
結果として、関心主題を充分に見えるように、かつ充分に明るい色とコントラストを容易に識別できるように照射するのに充分な光度で白色光を生じることが可能である、高い信頼性、低電圧、長寿命のLED照明器を提供することが望ましい。
発明の目的
従って、本発明の主な目的は、有効な白色照明を投射する、励起される時に可視発光が、相互に補完しかつ条件等色の白色照明を形成するよう組合わせる色相を有する2つの形式の複数のLEDを備える照明器組立体を提供することである。
本発明の別の目的は、有効な白色照明を投射し、励起される時に可視発光が、相互に補完しかつ条件等色の白色で照明を形成するよう加法的に組合わせる色相を有する2つの形式の複数のLEDを備える、電力が制限される用途で使用される高効率の照明器組立体を提供することである。
本発明の更に別の目的は、有効な白色照明を投射し、かつ励起される時に可視発光が相互に補完しそのビームが重合して条件等色の白色照明を形成するように加法的に混合する色相を有する2つの形式の複数をLEDを備える、照明器組立体を組み込んだ自動車用後方視ミラーを提供することである。
本発明の更に別の目的は、フォトピック(Photopic)照度閾値により最初から制限された周囲区域において中心区域および中間層(mesonic)の照明内の有効なフォトピック白色照明を投射し、かつ励起される時に発光が加法2値補色混色(additive binary complementary color mixture)または等価2値補色混色(equivalent binary complementary color mixture)を形成する2つのグループまたは形式の複数のLEDを備える昭明器組立体を提供することである。
本発明の更に他の目的は、本発明の照明器組立体を給電するため動作可能な回路を提供することである。
発明の概要
図面を含む明細書から全体として明らかになるであろう上記および他の目的は、軽量の堅牢な照明器を提供するため複数の発光ダイオードを支持部材に配置することにより、本発明によって達成される。
要約すれば、本発明の望ましい実施の形態によって、励起される時に可視発光が相互に補完する色相、例えば青−緑およびアンバーを有し、かつそれらの重なり混合されたビームが充分な強さと色品質とを有効にする条件等色白色照明を形成するように投射される、2つの形式の複数のLEDをハウジング内の支持部材に載置することにより照明器組立体が提供される。
【図面の簡単な説明】
本発明と見なされる主題は、特に指摘され本明細書の結論部分において明確に請求される。本発明は、その更なる目的および利点と共に、同じ番号が類似する構成要素を表わす添付図面に関して以降の記述を参照することによって最もよく理解されよう。
図1は、従来の離散状のLEDを組み込んだ本発明による照明器組立体の断面図、
図2は、複数のLEDをチップ・オン・ボード形態で組み込んだ本発明による照明器組立体の断面図、
図3は、標準光源A、BおよびCに対する相対スペクトル・パワー対波長、ならびにアンバーと青−緑のLEDをプロットしたグラフ、
図4A、図4Bおよび図4Cは、アンバーと青−緑のLEDに対する相対スペクトル・パワー対波長、50%のニュートラル・グレーの目標に対するスペクトル反射率対波長、および結果として生じる反射光に対する相対スペクトル・パワー対波長をそれぞれプロットした一連のグラフ、
図5は、明所視(photopic vision)、暗所視(scotopic vision)ならびに推定薄明視(mesopic vision)に対する標準的な2度の観察者対波長の相対感度をプロットしたグラフ、
図6は、明所視における標準的な2度の観察者対波長に対する等色(color matching)関数の相対応答をプロットしたグラフ、
図7は、完全放射体軌跡(Planckian Locus)の場所、無彩色の白色光に対する改訂SAE J578境界の場所、CIE規格の光源A、BおよびC、ならびに青と赤のLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 均一色度スケール(UCS)図、
図8は、完全放射体軌跡の場所、標準光源A、BおよびCの場所、無彩色の白色光に対する改訂SAE J578境界の場所、赤、緑および青のLEDからの3進加法混色の軌跡、ならびに赤、緑、青のLEDが作るバリエーションの推定軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図9は、完全放射体軌跡の場所、無彩色の白色光に対する標準光源A、B、Cの場所、改訂SAE J578境界の場所、および改訂ケリー(Kelly)チャートから移転された白色境界の近似場所、ならびに濃赤および濃緑のLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図10は、完全放射体軌跡の場所、標準光源A、B、Cの場所、無彩色の白色光に対する改訂SAE J578境界の場所、および完全放射体軌跡と実質的に同軸状であるアンバー592nmおよび青−緑488nmのLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図11は、完全放射体軌跡の場所、標準光源A、B、Cの場所、無彩色の白色光に対する改訂SAE J578境界の場所、改訂ケリー・チャートから移転された白色光境界の近似場所、および完全放射体軌跡と実質的に同軸状である、ある範囲のアンバーと青−緑のLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図12は、完全放射体軌跡の場所、標準光源A、B、Cの場所、無彩色の白色光に対する改訂SAE J578境界の場所、および完全放射体軌跡と実質的に同軸状であるアンバー584nmおよび青−緑483nmのLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図13は、完全放射体軌跡と実質的に同軸状である等価の584nmアンバーおよび等価の483nm青−緑のLEDからの2値加法混色の軌跡を示すCIE 1976 UCS図、
図14Aは本発明の照明器組立体を組み込んだ自動車用の車内後方視ミラーの斜視図、および図14Bおよび図14Cは後方視ミラーへ挿入される事例のミラー要素の断面図、
図15Aおよび図15Bは、自動車用の車内後方視ミラーのマップライトからの照射により標定される領域に対する仕様図、
図16は、本発明による照明器組立体に対する例示的な照明パターン、
図17は、自動車内用の電気表色ミラーにより保持される本発明による照明器マップライトからの光度分布をプロットした3次元斜視チャート、
図18は、自動車内用の電気表色ミラーにより保持される本発明による照明器マップライトからの光度分布をプロットした等高光度チャート、
図19は、自動車車内用の電気表色ミラーにより保持される本発明による照明器マップライトからの目標における照明パターンをプロットした等高照度チャート、
図20は、自動車車内用の後方視ミラーにより保持される本発明による照明器マップライトにより照明される50%のニュートラル・グレー目標の表面照度をプロットした等高マップ、
図21は、本発明の照明器組立体を給電するよう動作可能な電子回路の概略図、および
図22は、典型的なLEDに対する指定最大順方向電流対温度のプロット、および図21の回路により動作される本発明のLEDに対する実験的に決定される順方向電流対温度のプロット、ならびにマイクロプロセッサのソフトウェア制御をも組み込んだ図21の回路により動作される本発明のLEDに対する設計電流対温度のプロットである。
詳細な説明
本発明は、改善された照明器に関し、特に、車両、懐中電灯および特殊照明の如き限られた電力の用途において使用される白色光LED照明器に関する。乗り物とは、自動車、トラック、バン、バス、リクレーション車両(RV)、自転車、オートバイおよびモーベット、原動機付カート、電気自動車、電気カート、電動自転車、船舶、ボート、ホーバークラフト、潜水艦、航空機、ヘリコプタ、宇宙ステーション、スペースシャトルなどを含むがこれに限定しない陸上車両、舟艇、航空機および有人宇宙船を意味する。携帯可能ランプとは、キャンプ用ランタン、採鉱作業、登山、および洞窟探険のような頭部またはヘルメットに付けるランプ、手に持つ懐中電灯、などを意味する。特殊な照明とは、停電、建物内の火災または煙の充満において付勢される緊急時照明、顕微鏡のステージ照明器、建物の正面照明、看板用の背部照明、などを意味する。
本発明は、関心対象を見えるようにかつ容易に識別可能なように充分に明瞭なカラーとコントラストを生じるよう照明するのに充分な照度を有する白色光を生じることができる車両、携帯可能照明、および特殊照明のための高度に信頼し得る、低電圧、長寿命のLED照明器を提供する。本発明のLEDは、非常に予期し得る電子的特性を呈し、DC電源、パルス幅変調DC電源および電子的制御システムでの使用によく適している。LEDは、数百万サイクルに対して機械的あるいは電子的にオン/オフ切換えられる時には、明らかな信頼性あるいは実用寿命の低下を蒙ることがない。LEDからの光度および照度は、広範囲の条件にわたり印加される電流に関して線形応答関数に非常に近似し、その強さの制御を比較的簡単にする。最後に、AllnGaP、AlGaAsおよびGsNのLEDの最近の世代は、ルーメンまたはカンデラ当たりの生成可視光の白熱灯より少ない電力で済み、更にコスト効率のよいコンパクトかつ軽量の照明器配線ハーネス、ヒューズ、コネクタ、バッテリ、発電機、同期発電機、スイッチ、電子制御装置および光学系を結果としてもたらす。明らかに本文の教示から逸脱しない、従って本発明の範囲に含まれる先に述べた特定の用途以外の用途を本発明が有することは認識されるべきであるが、多数の事例がこれまで記述されており、本発明の範囲内に含まれる。
図1および図2は、2つの実質的に異なる形態のLEDを用いる本発明の2つの実施の形態を示しており、図1は従来の離散的なLEDを組み込む実施の形態を示し、図2は個々のLEDチップを組み込む実施の形態を示している。
従来の離散的なLEDは、カラー、サイズ、ビーム幅などの如く全てが当業者に周知の広い選択で入手可能であるT1,T1−3/4、T5、面実装(SMD)の軸リード配線「ポリ配線」およびSuperNova、PirahnaまたはBrewsterランプの如き高電力パツケージのようなLEDデバイスを含む。適切な従来の離散的LEDは、ヒューレット・パッカード社のカルフォルニァ州サンホセに所在するオプトエレクトロニックス事業部、日本国東京に所在するStanley Electronic社、日本国徳島県阿南市に所在するNichia Chemical Industries社、および他の多くの会社の如き製造者から入手可能である。
従来の離散的LED14は、その一般的形状および標準的な印刷回路ボード組立て作業における処理の容易さのゆえに、主な形態が汎用LEDである。図1において、複数の従来の離散的LED14を担持し、これに電力を供給し、これらLED間の空間的関係を支持部材12を含む照明器10が示される。支持部材12の構造は、LED14および照明器10の特定の設計に応じて変化し、従来の印刷回路ボートでよく、あるいは任意に照明器組立体10が組み込まれるハウジング19の一部でよい。支持部材12は、全てのLEDの発光が照明器10からある所定距離にある共通点に整合されあるいは他の方法で集束されるような形状である。従来の離散的LED14は、一般に、各々が金属リード・フレーム17または電気的および機械的な接続および内部の機械的支持部、半導体LEDチップまたは「ダイ」16、チップ16の1つの電極をリード・フレーム17、または他の基板に電気的および機械的に取付けるための導電性接着剤または「ダイ取付け部」(図示せず)、チップ16の他の電極をリード・フレーム17の領域に電気的に接続する細い導体20、あるいはチップ16自体により第1の電極およびダイ取付け部から電気的に分離される他の基板を通常含む予め組立てあるいはパッケージされた「ランプ」からなる。任意に、小型反射板(図示せず)もまた、チップ16に隣接して配置されて、デバイスからの光取出しを更に改善する。最後に、透明で、彩色されあるいは僅かに拡散されたポリマー・マトリックス筺体18が、チップ16、リード・フレーム17、光反射板(図示せず)および導体20を懸架し、密閉して保護し、かつある望ましい光学特性を提供するために用いられる。
従来の離散的LED14においては、ポリマー・マトリックス筺体18が、典型的に、光学的に透明なエポキシ、あるいはLEDチップ16およびリード・フレーム17の上部を湿気の如き環境汚染物から保護することができる任意の数の材料を含んでいる。図1に示されるように、ポリマー・マトリックス筺体18は更に、以下本文で更に詳細に論述するレンズ27と一体に作ることができる。リード・フレーム17の上部はLED半導体チップ16に接続され、リード・フレーム17の下部は筺体18の一端部から延長して支持部材12に取付け、配線23を介して電子制御回路22に対する電気的接続を提供する。回路22は、LED14を励起し、制御し保護するよう、かつこれらLEDが生じる照明を操作して管理するように動作可能である。電子制御回路22の多くの変更例は、当業者にとって周知であり、照明器10の用途に応じて変化することになろう。例えば、懐中電灯のための電子制御回路22は、単にLED14と支持部材12とに直列の「オン/オフ」スイッチ、バッテリ、および抵抗でよい。しかし、以下本文で詳細に述べる自動車用の後方視ミラー組立体の場合は、回路22は少し更に複雑となろう。
大半の従来の離散的LEDの設計においては、筺体18はレンズ27、偏向器28あるいは拡散器29の如き一体の光学要素としても働くが、別個即ち二次光学要素21は、照明器に内蔵されて照明器10の性能あるいは外観を改善することが望ましい。更にまた、従来の離散的LED14間の間隔が個々のチップ16間の間隔より大きくなるように、同じ色または異なる色の1つ以上の個々のLEDチップ16を1つのポリマー・マトリックス筺体18内に内蔵することもできる。
LEDの第2の形態は、もっぱら(プリアタッチされたリード・フレーム、密閉メディア、導線などのない)半導体LEDチップからなる個別LEDチップである。これらは、一般に、ガラス瓶に入れて出荷されあるいは「スティッキイ・バック」と呼ばれる隔膜に接着され、個別LEDチップを支持してこれに電気的接続を行うため中間製造工程において印刷回路ボード、セラミック基板、あるいは他の構造体に直接載置される。複数のLEDがこのように取付けられると、結果は、全体が他の組立体に小物要素として組み込むことができる「チップ・オン・ボード」LEDとなる。本発明に適当な個別LEDチップは、一部を挙げれば、ヒューレット・パッカード、Showa Denko、StanleyおよびCree Researchから入手可能である。図2において、チップ・オン・ボードLED設計が用いられるならば、照明器10は印刷回路ボード、セラミック基板、ハウジング、あるいはLEDチップ16に給電する電気的接続を同時に行いながら個別LEDチップ16を支持することができる他の構造体でよい支持部材12を有する。このような形態では、個別LEDチップ16が支持部材12に載置され、これにより図1における従来の離散タイプのLED14のかさ張るプリ・パッケージされたポリマー・マトリックス筺体18およびリード・フレーム17をなくす。従って、支持部材12において相互に非常に接近して、かつLEDチップ16の発光を強化するため用いられる反射器26、レンズ27、および/または二次光学要素21に非常に接近して個別LEDチップ16を配置する柔軟性によって、更に集積され最適化されたシステムが可能である。このように、1つ以上のLEDチップ16を1つのレンズ27またはレンズ・セット27a(領域AおよびBに示される如き)の焦点にあるいはこの焦点に非常に近づけて配置することができ、結果としてこれから投射される混合ビームの整合性および均一性を改善する。個別LEDチップ16は、非常に小型であり(約0.02cm(0.008インチ)×約0.02cm(0.008インチ)×約0.02cm(0.008インチ)程度)、高精度設備、例えば取り上げ/定置機械によって相互に非常に近づけて配置することができる。このような密なチップの間隔は、製造および組立てと関連する比較的大きなサイズおよび更に大きな公差のゆえに、図1の従来の離散的LED16では不可能である。更に、チップ16を気密パッケージする能力は、照明器10の美的訴求力を改善する究極の設計の柔軟性を可能にする。
チップ・オン・ボード設計では、個別LEDチップ16は細導線20により導電性パッド24に電気的に接続され、導電性のダイ・アタッチ接着剤(図示せず)により導電性パッド25に取付けられる。チップ16および導電性パッド24、25が載置され、支持部材12により相互に離間された関係で保持される。LEDチップ16は、支持部材12および電子回路22にパッド24、25、支持部材12および配線23を介して電気的に接続される。
領域AおよびBにおいて、各レンズ・セット27a下方の個別LEDチップ16の数、色およびパターンはシステムごとに異なり得る。LEDチップのグループ間の間隔が個別チップ間の間隔より大きくなるように、本発明の教示により選択された同じ色または異なる色の1つ以上のチップ16をレンズ・セット27a下方に配置することができる。例えば、領域Aにおいて、図示された3個の個別LEDチップ16のうちの2個は、励起された時アンバー光を発光するタイプでり、3番目のチップは励起された時青−緑の光を発光するタイプであり得る。あるいはまた、2個は青−緑の種類であり1個はアンバーの種類であり得る。また、図2の領域Bに示される如き複数の照明器における別の近くのグループが適当な数の補色LED、例えば青−緑の種類2個を含むならば、領域Aにおける全てのLEDが1つの色、例えばアンバーであり得る。
反射器26は、図1に示される如き先に述べた従来の離散的LED設計において、あるいは図2に示されるLEDアレイのチップ・オン・ボード設計において任意に使用され得る。反射器26は、使用される場合、通常は円錐、パラボーラあるいは楕円形状の反射器であり、典型的には金属または金属被膜された成形プラスチックから作られる。反射器26の目的は、LEDチップ16により発光される光を収集しあるいは収集を助け、この光を他の方法で生じるより更に狭く更に強いビームで照射される領域へ投射することである。チップ・オン・ボードLEDアレイ設計の場合、反射器26は、反射する金属の選択的なメッキ(錫メッキの如き)により一般に導電性パッド25と一体に作られた平坦な反射板であり、LEDチップ16の周囲に放射状に配向される。この場合、無論、組合わされた反射器/導電性パッドは、反射器26と導電性パッド25の双方の先に述べた諸機能を供する。適切な反射器26は当業者には周知であり、米国カルフォルニァ州のSanta RosaのReed Precision Microstructures社の如き広範囲の光学用成形およびコーティング企業から得られる。従来のLED14またはLEDチップ16に使用される1つ以上の反射器26は、構成要素が従来のLED14またはLEDチップ16と実質的に整合するように配向される反射器アレイを作るため組合わせることができる。
図1および図2に示されるように、レンズ27は通常、各々の従来のLED14またはLEDチップ16により発光され任意の反射器26により反射される光を集めてこの光を他の方法で生じるよりも狭く更に強いビームで投射するように働く拡大レンズ/コリメータである。図1に示されるように、従来のLED14を用いる照明器10の場合、レンズ27がポリマー・マトリックス筺体18と一体に作られ、さもなければ、ポリマー・マトリックス筺体18から別個に作られてもよい。レンズ27はまた、個別の従来の離散LED14の中心の周囲に実質的に整合されるレンズ・セット27aの一体アレイとして作られてもよい。
図2に示されるように、個別LEDチップ16をチップ・オン・ボード形態で用いる照明器10の場合は、構成要素がLEDチップ16、反射器26およびパッド24、25と実質的に整合状態に配向されるレンズ・セット27aであるレンズ27を作るため1つ以上のレンズ・セット27aを1つのアレイに組合わせることができる。図2において、レンズ・セット27aは、(個別LEDチップ16に向いた)その凹面がフレネル・レンズにおけるものと類似する放射状のマイクロプリズム構造からなる内部全反射(TIR)コリメート・レンズとして示される。しかし、平凸、両凸、非球面あるいはそのフレネル・レンズ、内部全反射(TIR)レンズ、カタジオプトリックまたはホログラフィック光学素子(HOE)相当物がレンズ・セット27aの典型的な変態であることを理解すべきである。レンズ27またはレンズ・セット27aは、色、F番号、開口比、などの如き当業者には周知の広範囲の光学系で使用される。これらは、US precision lens、Reed Precision Microstructures、3M、Fresnel Optics社Polaroid社を含む色々な製造者から入手可能である。
図1および図2を同時に参照して、1つ以上の二次光学要素21が先に述べた従来の離散的LED設計(図1)あるいはLEDアレイ・ダイ・オン・ボード設計(図2)で用いられる。二次光学要素21は、屈折、反射、散乱、干渉、吸収および拡散の組合わせにより、投射されたビーム形状またはパターン、光度分布、スペクトル分布、配向、発散およびLEDにより生成される光の他の特性に影響する構成要素である。二次光学要素21は、レンズ27、偏向器28および拡散器29の1つ以上を含み、その各々は周知の形態、さもなければマイクログルーブのフレネル相当物、HOE、2値光学系またはTIR相当物、あるいは他のハイブリッド形態でよい。
偏向器28は、ハウジング19に任意に載置あるいは取付けられ、あるいは他の方法でレンズ面27bに取付けられあるいはこれと一体に作られ、コリメートされたビームをLED照明器10で使用されるレンズ27および(または)反射器26の光軸に対して傾斜した方向に適宜指向するために用いられる。偏向器28は、通常は、約35°までの偏差角に対する偏差モードで、あるいは35°を越える偏差角に対するTIRモード(潜望鏡プリズムの如き)で動作する成形された透明なポリカーボネートまたはアクリルのプリズムである。このプリズムは更に、フレネル相当物またはTIR相当物のようなマイクログルーブ形態で設計製作することができる。更にまた、偏向器28として働くように、拡散格子、2値光学系あるいはホログラフの光学素子でこのプリズムを置換することができる。このような場合のいずれにおいても、偏向器28は、光が発光される照明器ハウジング19の開口全体を実質的に覆うシートまたはスラブとして構成される。このような偏向器は、先に述べたレンズ製造者と同じ供給元から入手可能である。
拡散器29は、任意に、ハウジング19に載置されあるいは取付け、レンズ面27bまたは偏向器面28aに取付けあるいは他の方法で一体に作ることもでき、照明器の内部要素を美的に隠して物理的に保護するために、そして/または結果として生じる照明器ビームのスペクトル成分を濾波し、そして/またはビームの強さ分布を狭め、広げあるいは平滑化するために用いられる。これは、例えば、照明器により投射される実効照射の色および輝度の均一性を改善する上で役立ち得る。あるいはまた、拡散器29は、照明器の美観を強調し、内部の照明器要素を外観から隠し、あるいは照明器10により投射される混合光の色を補正するため、独特なスペクトル・フィルタ(ダイクロイックまたは帯域通過フィルタのような着色成分または光学的コーティングの如き)を更に内蔵する。拡散器29は、通常、その打ち出し面または内部構造または組成が屈折、反射、内部全反射、散乱、拡散、吸収または干渉により衝突光を修正する圧縮成形または射出成形された透明ポリカーボネートまたはアクリルの板である。適当にホログラフィック拡散器29は、南カルフォルニアのPhysical Optics社から入手可能であり、2値光学系はアラバマ州のHuntsvilleのTeledyne−Brown社から入手可能である。
実際にできるだけ少ない光学部材を備えることが望ましく、従って、少なくとも2個の部材を1つの一体部に組合わせることができる。例えば、偏向器28は、単に適切な機械加工された成形片をフレネル・レンズまたはTIRコリメータ・レンズの平坦な半部に置くことによって、レンズ27の上面27bに組み込むことができる。先に述べたように、また図2に示されるように、拡散器29はまた、レンズ面27bまたは偏向器面28aに取付けあるいはこれと一体に作ることもできる。光学部材を構成する手順は、個々の色々な種類の光学部材を先に述べたものと置換するように、当業者にとって周知である。全てのこのような組合わせは、本発明の範囲内に含まれることを意図される。明らかに、従来の離散的LED14または個々のチップ16が使用されるかの如何に拘わらず、当業者は、本発明の範囲ないに留まりながら支持部材12の設計において多くの修正がせなされることを理解し、かかる全ての修正は本発明の一部であることを理解すべきである。
本発明によれば、複数の従来の離散的LED14および個別LEDチップ16は、その発光が色の補完性がありかつ相互に異なり、条件等色の白色光を形成するよう合成する認識色相または主波長を呈する2種類からなる。本発明において「条件等色」および「補完性」が何を意味するかを論議するため、光を生成して混合する技術の諸特質と、混合から作られる光が認識される状態を理解しなければならない。しかし、一般には、観察者に到達する光の明瞭な「色」が主としてそのスペクトル・パワー分布と観察者の視覚的応答に依存することが公知である。従って、これらの両者を調べなければならない。
図3は、標準白色光源A(カーブ301)、B(カーブ302)およびC(カーブ303)に対する相対スペクトル・パワー対波長をプロットしたグラフである。標準光源は、国際照明委員会(CIE)により照明する光源が変更される時色の表現における適切な変化に遭遇する表色された物体から結果として得る複雑性を減じる基準として開発された。標準光源Aは、約2856Kの温度のプランク放射器と同じ相対スペクトル・パワー分布を有する光源である。プランク放射器即ち黒体放射器は、その温度のゆえに、プランク則により発光する体部である。真のプランク放射器は、実際の光源ではなく理想的な抽象化であるが、多くの白熱光源はそのスペクトル組成および色が近い近似度を有する光を発光する。例えば、CIEの標準光源Aは、タングステン・ハロゲン灯の如き多くの白熱灯により発光される光と密に近似する。従って、略々と同じ相対スペクトル・パワー分布を有するプランク放射器の温度を引証することによって放射のスペクトル・パワー分布を特徴付けることが便利である。標準光源BおよびCは、「真の」昼光および日光をそれぞれ表わすが、これら光源は昼光および日光のパワーと比較して紫外線領域がパワーが少な過ぎる。
これらの光源の全ては、白色光のバリエーションであり、図3から判るように、広帯域のスペクトル・パワー分布を有する。白熱灯光源は、典型的に、その温度が約1000Kより高い時に発光する固体であり、放射されたパワー量およびこの放射の見かけ色は光源温度に直接関連する。大部分の身近な白熱灯光源は、太陽、ロウソクまたはガス灯からの火炎、およびタングステン・フィラメント灯である。図3におけるCIE標準光源A(カーブ301)、B(カーブ302)およびC(カーブ303)に類似するこのような光源は、広帯域の波長にわたり比較的一定であり、しばしば広帯域光源と呼ばれるスペクトル・パワー分布を持ち、略々無色または白色として認識される色を持つ。白色光光源の発散と、実際の種々の領域における白として事実上認識される関連する範囲の近似白色とが判れば、改訂ケリー・チャートから移転された白色境界内にあり、2,000Kおよび10,000K間の色温度におけるプランク放射器,標準光源A、B,C、D65に近い光源、および蛍光灯F1、F2,F7の如き一般的な光源、高圧ナトリウム灯、キセノン灯、ハロゲン化金属灯、ケロシン灯、またはロウソクを含む黒体カーブに沿って、SAE J578の無色境界内にある色から実質的に識別できず、かつこの色に近似的に等しい色座標または三刺激値を持つならば、色は本発明の範囲内の白と見なされるべきである。これらは全て、当技術において周知であり、以下本文に照合され論述される。
論述した他の光源とは異なり、LEDは狭帯域の光源である。標準光源A、BおよびCに加えて、図3は、1つは592ナノメートル(nm)(カーブ304)、他は488nm(カーブ305)のピーク・スペクトル・パワー放射で狭帯域の放射を出す2つのLEDのスペクトル・パワー分布を示している。同図を調べることにより判るように、LEDの特徴的なスペクトルは更に類似する広帯域光源とは著しく異なる。LEDが(白熱灯、パイロルミネセンスあるいはカソードルミネセンスの代わりに)エレクトロルミネセンスにより光を生成するので、LEDに対する放射スペクトルは非常に狭い帯域からなりまたそのような半導体材料のバンドギャップによって決定される。かかる狭帯域の可視光放射特性は、非常に標準的な様子で明示され、そのことは、本発明においては、顕著な色相、高い色純度即ち約0.8より大きい純度を持つことを意味し、従って非常に色彩に富み明らかに白でない。狭帯域の属性のLED光にも拘わらず、2つの慎重に選択されるLEDの放射の組合わせが色において白に見え、色座標が標準源A、BまたはCと実質的に同じである照明を驚くべく形成し得る。
この理由は、先に述べたように、自己発光源からのような光の見かけの光の色は、光源からの光の特性に加えて、観察者の視覚的応答に依存する。更に、非自己発光の体部または表面(見えるように別個の光源により照射されねばならないもの)の見かけの色は、やや更に複雑であり、観察者の視覚的応答、問題の体部または表面のスペクトル反射率、および体部または表面を照射する光の特性に依存する。図4A(LED光源スペクトル)、図4B(50%ニュートラル・グレー指標に対する反射特性)、および図4C(結果として生ずる反射光のスペクトル・パワー分布P(λ)=S(λ)*R(λ))に示されるように、表面または体部が「ニュートラル・グレー」拡散反射器であるならば、これが必ず暗いが照射する光源と比例的に同じ組成を持つ光を反射することになる。グレー面から反射される光の相対スペクトル・パワー分布が照射光源と同じであるので、照射光源自体と同じ色相を持つように見えることになる。照射光源が白ならば、表面は(その反射率に従って)白、グレーあるいは黒に見える。図4Cは、複数のアンバーと青−緑のLEDから放射され、その後50%のニュートラル・グレー指標表面から反射される光の結果として生じるスペクトル・パワー分布を示している。
先に述べたように、観察者の視覚的応答は放射光および反射光の見かけの色に影響を及ぼす。例えば、人間の目におけるセンサ即ち受容器は全ての光波長に等しく応答せず、異なる受容器は低い光レベルの期間中は他の波長より更に感度が大である。錐状受容器は、高い光レベル即ち昼光の間に活動的であり、色の認識を受け持つ。捍状受容器は、低い光レベルにおいて活動的であり赤色に対してはほとんどあるいは全く感応しないが、青い光に対しては著しい感度を有する。図5は、スペクトル照射効率関数に対する「標準的な観察者」対波長の相対感度をプロットしたグラフである。501により示されるカーブは、明所視(即ち、高い光レベル)条件下で見える刺激に対する標準的な観察者の視覚感度を表わし、カーブ502は、暗所視(即ち、低い光レベル)条件下で見える刺激に対する標準的な観察者の視覚感度を表わす。明らかなように、暗所視応答(501)は、ピークが約555nmの略々ガウス形状を有し、暗所視応答(502)は、約508nmにピークを有する。明所視および暗所視の条件下の相対スペクトル感度間の相違は、暗い間は強調された青応答と低減した赤応答となり、プルキンエ(Purkinje)現象として知られる。暗所視条件は、観察面が数百カンデラ/平方メートルより小さい表面輝度を有する時に存在する。明所視条件は、観察面が約5カンデラ/平方メートル以上の表面輝度を有する時に存在する。遷移範囲は、明所視と暗所視の間に存在し、推定される典型薄明視応答である図5における中間カーブ503により表わされる薄明(即ち、中間光レベル)視として知られる。明所視、暗所視および薄明視間の別の主な相違は、暗所視条件(非常に低い光レベル)における色識別能力が無いこと、および薄明視条件における色識別能力が低下することである。
明所視、薄明視および暗所視条件間の相違は、照明器が低い光レベル条件において領域を照射するために用いられるので、本発明と関連する。このため、照射前は、環境は暗所視条件を表わし、完全照射中(目が増加した照明に適応する時間後)は、環境明所視条件にある。しかし、目が適応しつつある間で適応後でも照明領域の「外縁部」では、環境は薄明視条件にある。これらの異なる照明レベルに対する目の変化する感度は適正な照明器の設計において非常に重要である。
明所視応答中に認識される色は、基本的に、人間の目における3つの異なる種類の錐状受容器に対応する3つの変数の関数である。また、捍状受容器もあるが、これらは低い光レベル時の視覚においてのみ重要となり、典型的には高い光レベルにおける色の評価では無視される。従って、スペクトル・パワー・データの評価が3つの異なるスペクトル加重関数の使用を必要とすることが予期される。図6は、1931年の規格2度の観察者に対するCIEの等色関数の相対応答対波長をプロットしている。
が、一連の変換を介する種々の波長(λ)に対する人間の目における3つの種類の錐状重要器の感度と関連する。図6におけるカーブにより判るように、
は、約450nmにおける適度な感度を有し、505nm付近ではほとんど感度が無く、600nm付近では大きな感度を有する。別の
は、555nm付近を中心とするガウス形状を有し、第3の
は、445nm付近を中心とする著しい感度を有する。
先に述べたように、赤色(700nmにある単色光源、以下本文においてはRで表示する)、緑色(546nmにあり、以下本文ではGで表示する単色光源の如き)、および青色(435nmにあり、以下本文でBで表示する単色光源の如き)を適正な比率で組合わせることにより、実質的にどんな色も正確に整合できることが知られる。所与の色を整合するため必要なR、G、Bの必要な部分は、下記の事例におけるように、先に述べた
によって決定することができる。
最初に、小さな一定幅の波長間隔当たりのパワー量が、整合される色に対する可視スペクトル全体にわたり分光計で計測される。次に、
は、下式を更に用いることにより三刺激値X、Y、Zを計算するため加重関数として使用される。即ち、
X=k[P1x(λ)1+P2x(λ)2+P3x(λ)3+...Pnx(λ)n [1]
Y=k[P1y(λ)1+P2y(λ)2+P3y(λ)3+...Pny(λ)n [2]
Z=k[P1z(λ)1+P2z(λ)2+P3z(λ)3+...Pnz(λ)n [3]
但し、kは定数、P1,2,3,nは整合される色に対する可視スペクトル全体にわたる小さな一定幅の波長間隔当たりの
は各間隔の中心波長における(図6のカーブから得た)等色関数の大きさである。最後に、上記の単色光源R、G、Bの近似的な所望比率は、下式を用いて上記の計算されたX、Y、Zの三刺激値から計算される。即ち、
R=2.365X−0.897Y−0.468Z [4]
G=−0.515X+1.426Y+0.0888Z [5]
B=0.005203X−0.0144Y+1.009Z [6]
従って、図6の等色関数は、小さな一定幅の間隔当たりのパワー量がスペクトル全体にわたる色について既知であるならば、任意の色を整合するため必要なR(赤)、G(緑)およびB(青)の量を決定するため加重関数として使用することができる。実際問題としては、選択された色を整合するため必要なR、GおよびBは700nm、546nmおよび435nmにおける放射をそれぞれ持つ3つの単色光源(レーザの如き)のラジアン強度を与える。
再び図3において、2つの示されたLEDからの組合わされた放射(カーブ304と305)が、著しく異なるスペクトル組成を持つ場合でも、広帯域の白色光光源のように見える理由は、その組合わせた放射が広帯域光源の標準光源B(カーブ302)と同じ三刺激値を持つゆえである(式1−3により計算される如く)。この現象は、条件等色として知られ、本発明の必須の特質である。
条件等色とは、2つの光源または照射された物体が完全に異なる放射あるいは反射されたスペクトル・パワー分布を持つが同じ三刺激値と色座標を持つ色の視覚相を指す。条件等色の結果は、2つの完全に異なる光源対(その関連する異なるスペクトルを持つ)の加法混色が正確に同じ認識色を持つ照明を生じ得ることである。加法混色および条件等色を本発明に対する原理および適用については、当該開示において更に詳細に論述される。
図7は、u′、v′図と共通的に呼ばれるCIEの1976年の均一色度スケール(UCS)である。u′、v′図は、認識可能な色属性、色相および飽和と近似的に相関する数値座標を便利に提供するために用いられる。UCS図はまた、当技術においてよく認識され、理解および使用が比較的容易である形態で、等色計算、混色および条件等色の結果を描写するためにも用いられる。無論、正確な色の認識は、視認条件と観察者の適応および他の特性とに依存することになる。更に、少数を挙げれば、CIE 1931の2度色度学図(x、yチャートと一般に呼ばれる)、CIELAB、CIELUV、ハンターおよびマンセル体系の如き他の色座標系が利用可能である。簡単化のため、本発明については、CIE 1976のUCS体系を用いて以下本文で更に記述される。しかし、本発明の記述のため使用される色体系の如何に拘わらず、本発明の教示が妥当すること、従って、CIE 1976 UCS体系のかかる排他的な使用により限定されものでないことを理解すべきである。
再び図7において、u′、v′図における色の場所がv′およびu′をプロットすることにより得られる。ここで、
u′=4X/(X+15Y+3Z)=4x/(−2x+12y+3) [7]
v′=9Y/(X+15Y+3Z)=9y/(−2x+12y+3) [8]
また、ここで、X、Y、Zは先に述べた三刺激値である(xおよびyはCIE 1931 色度x、y座標に対応し、便利な換算のため提供される)。このように、任意の色は、そのu′およびv′値に関して記述することができる。図7は、プランク軌跡(701)、無色の白色光に対するSAE J578境界(702)、標準光源A(703)、B(704)およびC(705)に対するu′、v′図における各位置を示し、ならびに青(707)および赤(708)のLEDからの2値加法混色(706)の軌跡が示される。明らかなように、黒体放射器に対応する標準光源A(703)、B(704)およびC(705)は、プランク軌跡(701)に沿って存在する。
プランク軌跡は、大きな部分が図の白色、即ち無色領域を横切る、種々の温度におけるプランク放射器の色を結合するu′、v′図におけるカーブである。図示されるSAE J578の無色の白色境界(702)は、先に述べた式6および7を用いてCIE 1931色度x、y座標から転記されたものであり、一般に、どれが自動車用の良好な白色光であるかを規定するために用いられる(使用される多くの自動車用の白色光はこれら境界から外れる)。
図7にも示されるのは、赤(660nm)(708)と青(480nm)(707)のLEDの仮説的な色の加法組合わせにより作り得る色の範囲である。図7は、どれだけプランク軌跡およびこの組合わせにより生じる色が該当するSAE J578無色境界から離れるかを示している。実際に、これらの青と赤のLEDからの2進加法混色の軌跡(706)は、赤とピンクと薄紫と濃紫と青の認識色相を有する。従って、この体系は、本発明の改善された白色光照明器としては適しないことになる。
しかし、白色光照明器は3色票系から実際に構成され得る。先に述べたように、R−G−Bの組合わせは、1976 UCS図におけるほとんどの各認識色を生じることができる。このような体系は複雑で高価となるか、および/またはR−G−B系統に固有の受入れ難い製造のばらつきを免れない。
このことは、図8により最もよく示され、同図もまたCIE 1976 UCS図、プランク軌跡(801)および変換されたSAE J578境界(802)を示す。更に、伝説的R−G−BLED形態の組合わせから作り得る3種の加法混色(803)の軌跡およびこれと関連する推定される製造上のばらつき(804)が示される。それらの製造における種々の制御されないプロセスにより、任意の所与の種類あるいは色(赤、緑および青を含む)のLEDは、その放射強さと光度に関してデバイスごとに大きなばらつきと色相における比較的小さなばらつきを呈する。典型的なLEDの製造文献の参照により確認され得るように、このばらつきは、比較されるLEDが同じ種類および色相である場合でさえ、1つのLEDから別のLEDにおいて、あるいは1つのバッチから別のバッチにおいて200パーセントの変化を表わし得る。式7および8は、色のu′、v′座標のその三刺激値X、Y、Zに対する依存度を明瞭に示し、また式4−6は、光源のパワー(即ち、強さ)に対する相関依存度を示している。このように、R−G−BのLEDの強さおよび色相におけるばらつきは、その混合光のu’、v’の色座標におけるばらつきを生じることになる。従って、光が再現可能に白の如き所望の色を整合するという保証をもって大きな数のR−G−B LED照明器を構成することは非常に難しい。このことは、図8におけるハッチを付した領域により示され、R−G−B LEDの製造ばらつきの軌跡(804)と呼ばれる。
このように、加法混色の比率がLEDおよび照明器組立体の製造中に維持されることを保証する尋常でない処置が案出された場合にのみ、赤、緑、青(RGB)の組合わせによって白色光を再現可能に生成することができる。このことは、使用される各LEDに対する高価な計測、あるいはおそらくはあるプロセス・センサに応答してLED出力を均衡させる有効な電子制御回路の組み込みを含むことになろう。棚卸しおよび取扱いシステムによる3つの異なる種類のLEDを供給する明らかな複雑さと組合わされる、このような試みと関連する余分なコストと複雑性は脅威であり、このような構成を本発明の照明器用途に適合し得ないものにする。
従って、最も広い意味では、本発明は、標準的なLED光源またはその相当物の2つの種類の色から補色を加法混色することによって、略々無色光を生成することに関する。補色とは、加法混色される時指定される略々無色の刺激、例えば基準白の三刺激値を再現する2つの色を意味する。これら2つの補色のそれぞれからの光の比率を適切に調整することによって、条件等色の白色が結果として生じる色を生成するか、あるいはまた、2つの補色の刺激間に結果として生じる他の色を生成する。放射が狭帯域である最も大きな関心の飽和光源はLEDであるが、本発明は、他の適切に選択される狭帯域光源を用いて同様な結果を達成し得ることを明瞭に教示する。
図9は、条件等色の白色光を形成するために、補完的な色相を持つ2つのLEDからの光の加法混色(901および902)がどのように組合わせ得るかを広義に示すCIE 1976 UCS図である。また、改訂ケリー・チャートおよびCIE 1931のx、y色度図から転記された「白い」色の領域の近似的な境界(903)も示される。ケリー・チャートおよび1931のx、y色度図は、示さないが、当技術においては周知である。図9は更に、放射が、約650nm(901)および500nm(902)のピーク波長と、赤および緑の認識色相とを持つ1つ以上のLEDの組合わせを用いる本発明の第1の実施の形態を示す。同図が示すように、この実施の形態は、プランク軌跡(906)上に標準光源A(904)およびB(905)間に置かれた「白色の」光を生じる。
しかし、上記論議から、従来の離散および個別チップLEDに固有の実質的なばらつきが結果として生じる加法混色の座標における変化を生じることを理解すべきである。図9に示される650nmLED(901)は、その光が赤の色相を持つ635ないし680nmの範囲にわたるピーク波長を持つLEDの範囲内に該当し得、図9に示される500nmLED(902)はピーク波長が492nmと530nmの範囲内にありその光が緑の色相を持つLEDの範囲内に該当し得る。当該実施の形態においては、かかるばらつき、特に使用される複数のLEDの著しい強さの製造上のばらつきが、結果として得る混色の座標を、u′、v′図の黄色みのあるピンクかあるいは黄色みのある緑の領域へプランク軌跡に対して実質的に略々直角をなす方向にu′、v′チャートを移動させることになる。好都合なことに、先に論議したように、有効に白として僅かに白でない色の受入れのための人間の視覚系にある裕度がある。赤橙または赤のLED光(600nmないし635nm間または635nmないし680nm間のピーク波長をそれぞれ有する)の補色の緑のLED光(492nmないし530nm間のピーク波長を持つ)との類似の混合、または黄緑または黄色のLED光(530nmないし572nm間のピーク波長を持つ)の紫青または青のLED光(420nmないし476nm間のピーク波長を持つ)との混合を、同様な結果を生じるよう同じように機能させることができ、かつ本発明の当該実施の形態の範囲内に含まれることを理解すべきである。このように、ここで述べたようなシステムは、他のパラメータ(投射する実効照度の如き)もまた満たされなかった場合に、本発明の実施の一形態として機能することになる。
更に望ましい実施の形態が、2つの種類のLEDからの光が重なり合い、白色光を投射する有効な照明器となるのに充分な強さおよび適切な比率で混合するように、592nm(1001)および488nm(1002)のピーク波長と、それぞれアンバーと青−緑の認識色相とを有する2つの異なる形式の複数のLEDから光の2進の補完的組合わせを示すCIE 1976 UCS図である図10に示される。それらのスペクトルは任意の標準光源のスペクトルと非常に異なるが、「標準的な」人間の観察者により見られる時、アンバーのLED(1001)および青−緑のLED(1002)の混合出力が、驚くべきことに標準光源B(1003)またはC(1004)とほとんど同じように見える。図10では、公称的混合のu′、v′座標が、標準光源BおよびCの間で点線(1006)とプランク軌跡(1007)の交点(1005)に生じる。当該実施の形態におけるLEDの色のu′、v′座標がプランク軌跡(1007)およびSAE J578の無色の白の境界の長軸と実質的に同軸である線分の終端点を記し、製造上のばらつきから生じる任意の強さのばらつきがプランク軌跡(1007)に非常に近く、かつ白の他の広く受入れられる定義の境界内の残る軸に沿って色を生じることになる。このことは、照明器と関連する製造プロセスおよび制御エレクトロニクスを著しく単純化し、これが全体的な製造コストを減じて商業化を更に実際的にする。更に、現在入手可能なLEDの多くの種類と色相について、消費される電力に比較して発光される光に関して、本発明に対する2つの望ましい種類のLEDが非常に高い発光効率を持つことを発見した。これらは、カルフォルニァ州のSan Joseに所在するヒューレット・パッカードのオプトエレクトロニックス事業部から入手可能な透明基板AlInGaPアンバーストLEDと、日本国徳島阿南市に所在するNichia Chemical Industries社から入手可能なGaN青−緑LEDとである。
図11は、他の白の定義のコンテキスト内の製造ばらつきの問題を示すことによって、本発明の当該実施の形態を更に増幅する。アンバー(572nm(1103)ないし600nm(1104)間のピーク放射)と青−緑(476nm(1105)ないし492nm(1106)間のピーク放射)間のハッチを付した線(1101および1102)が、条件等色の白色光を生じることが略々可能である当該実施の形態に対するいずれかの終端点におけるLEDの色相ばらつきにおける範囲を示している。LEDが基本的な半導体材料とLEDのスペクトル放射特性に影響を及ぼす1つ以上のドーパントを含むソリッドステート・デバイスであるので、LEDにより放射されるピーク波長を意図的に修正するようドーピングその他のプロセス・パラメータのレベルを調整することができる。更に、先に述べたように、ある不規則なばらつきもまた生じ、加法混色に影響を及ぼす。しかし、本発明の当該実施の形態では、通常のばらつきより大きなばらつきが許される。これは、ハッチを付した線(1101および1102)間およびチャートの単色の軌跡(1107)内の領域の大きな部分がプランク軌跡(1108)、白色に対する改訂ケリー境界に対応するマーク領域(1109)、あるいは無色の白に対する改訂SAE J578境界に対するハッチを付した領域(1110)の如き、白として一般に認識され白と呼ばれる領域と重なる。従って、当該実施の形態のLEDの強さと色相における穏当なばらつきから結果として生じる全ての加法混色は、白領域の1つに該当する。同図は、このように、色相が組合わされた時実質的に白色光を形成する青−緑LEDの色相範囲と補完するアンバーLEDの範囲がどのようであり得るかを明瞭に示している。
本発明の最も望ましい実施の形態は、2つの種類のLEDからの光が有効白色照明を投射するのに充分な強さと適切な比率で重なり合って混合するように、584nm(1201)と483nm(1202)のピーク波長と、アンバーと青−緑の認識色相をそれぞれ有する2つの異なる種類の複数のLEDからの光の2値補完的組合わせを使用する。カラー・チャートにプロットされると、当該実施の形態のLEDにより放射された光のu′、v′座標は、図12に示されるように、標準光源A(1205)、B(1206)、C(1207)にわたるプランク軌跡(1204)の部分と同軸状である線分(1203)を相互接続する終端点を表わしている。
先に論述したように、強さと色相のばらつきは、LEDの製造時に生じる不規則なばらつきの自然な副産物である。しかし、本発明の当該実施の形態の場合、LEDに特有の製造時のばらつきを補償するため照明器組立体に対して集中される集約的な工程中の製造管理および電子的管理の必要が大幅に除かれる。このことは、本発明の望ましいLEDのu′、v′座標をつなぐ線(1203)と、2000Kないし10000Kのプランク軌跡(1204)の部分に最もよく適合する線形近似化との間の実質的に同軸的な関係によって示される。更に、操作する3色ではなく2色にすることだけで、工程管理、棚卸し管理、材料取扱いおよび電子回路設計が更に簡単化される。かかる実質的な簡単化が、製造コストを著しく低減し、本発明の実施の形態のため必要な唯一つの光の色である白色光を生成して投射するための本発明の能力を増大する。
本発明の柔軟性は、先に述べた2値補完LED光混合の終端部材構成要素を合成する加色技術の適用によって更に増大される。この試みは、先に述べた2種類のLEDに対応する実効2値相補を生じるため非補色LEDの部分加法合成を用いることを示す図13を参照することで最もよく理解される。色相1301−1307は、下記のようにLEDからの放射を表わし、色相1301は420nmないし476nm間のピーク波長を持つLEDに対する紫青または青であり、色相1302は476nmないし492nm間のピーク波長を持つLEDに対する青−緑であり、色相1303は492nmないし530nm間のピーク波長を持つLEDに対する緑であり、色相1304は530nmないし572nm間のピーク波長を持つLEDに対する黄緑または黄色であり、色相1305は572nmないし605nm間のピーク波長を持つLEDに対するアンバーであり、色相1306は605nmないし635nm間のピーク波長を持つLEDに対する赤−橙であり、色相1307は635nmないし680nm間のピーク波長を持つLEDに対する赤である。色相1306または1307を持つ1つ以上のLEDと色相1304を1つ以上の1つ以上のLEDからの光の加法混色は、同じ色相と色相1305を持つLED光と実質的に同じ飽和とを持つ光を作るように組合わせることができる。このように、放射が色相1306または1307および1304を特徴とする2種類のLEDからの発光の加法混色によって、図11のアンバーLEDに対する相当物または代替物が合成される。同様に、色相1301を持つ1つ以上のLED、あるいは色相1303を持つ1つ以上のLEDからの光の加法混色は、同じ色相と、色相1302を持つLEDと実質的に同じ飽和とを有する光を作るように合成することができ、これにより図11の青−緑LEDとの相当物または代替物を組合わされる。
LED光の非補完的な部分的組合わせが、上記の2値補完的混色の終端部材の1つに対する相当物または代替物を合成するために用いられる時、この部分的組合わせから結果として生じる光は、その2値補完成分または実効2値補完成分と混合され、レンズおよび(または)他の光学素子を介して投射されて実効条件等色白色照明を形成する。このことは、商業的な実施において重要であり得、その場合市場受容における急激な成長あるいは不充分なLED製造者能力により1つの種類のLEDの場合に長期の供給破壊が一般となる。先に述べたように、このような破壊は、相当補完成分を形成するために更に容易に入手可能な代替的なLEDの部分的な組合わせの使用によって、本発明の場合に緩和される。
図14A−図14Cは、自動車内部の後方視ミラー内部のマップライトとして組み込まれる本発明の照明器を示しているが、本発明の照明器を代替的に安全灯または「パドル」灯として外部の後方視ミラーに組み込めることを理解すべきである。自動車の後方視ミラー130は、後部壁132a、頂部、底部および終端壁を持つ周側壁132bからなるハウジング132が設けられる。周壁物132bは、ミラー要素134を収受するための前部開口を画定する。取付けブラケット(図示せず)は、後方視ミラー130を自動車の前方窓(図示せず)またはヘッドライナ(図示せず)に取付けるために設けられる。ミラー要素134は、図14Bに示される如き従来のプリズム状ミラー要素でよく、あるいは図14Cに示される如き電気光学的防眩(輝きを減じる)ミラー要素でよく、あるいは当技術に周知の液晶減光ミラー要素でよい。図14Bは従来のプリズム状ミラー要素を示すが、ミラー要素134は本発明の範囲から逸脱することなくエレクトロクロミック(electrochromic)防眩ミラー要素を含む当技術で周知の任意のミラー要素を示すことを意図されることを理解すべきである。例えば、図14Cは、それぞれ相互に対面する側に配置された導電層154を有する、前部ガラス要素150と後部ガラス要素152とを有するエレクトロクロミック・ミラーの簡素化された断面図を示す。後部ガラス要素152の裏面に取付けられた反射層156と、2つのガラス要素(150、152)間に配置されたエレクトロクロミック媒体158も示されている。
エレクトロクロミック防眩ミラー要素がミラー要素134として置換される場合、下記の特許表が一般に電子光学デバイス、特にエレクトロクロミック後方視ミラーおよび関連する回路の例示的な教示を行う。1990年2月20日発行のH.J.Bykerの米国特許第4,902,108号「内部に使用される単一コンパートメント、自己消去型溶液相エレクトロクロミック・デバイスの解決法およびその使用法(Single−Compartment,Self−Erasing,Solution−Phase Electrochromic Devices Solutions for Use Therein,and Uses Thereof)」、1992年5月5日発行のBechtel等のカナダ国特許第1,300,945号「自動車用の自動後方視ミラー・システム(Automatic Rearview Mirror System for Automotive Vehicles)」、1992年7月7日発行のH.J.Bykerの米国特許第5,128,799号「可変反射自動車ミラー(Variable Reflectance Motor Vehicle Mirror)」、1993年4月13日発行のH.J.Byker等の米国特許第5,202,787号「電子光学的デバイス(Electro−Optic Device)」、1993年4月20日発行のJ.H.Bechtelの米国特許第5,278,693号「自動後方視ミラー用制御システム(Control System For Automatic Rearview Mirrors)」、1994年1月11日発行のD.A.Theiste等の米国特許第5,278,693号「着色溶液相エレクトロクロミック・ミラー(Tinted Solution−Phase Electrochromic Mirrors)」、1994年1月18日発行のH.J.Bykerの米国特許第5,280,380号「紫外線安定化組成および方法(UV−Stabilized Compositions and Method)」、1994年1月25日発行のH.J.Bykerの米国特許第5,282,077号「可変反射率ミラー(Variable Reflectance Mirror)」、1994年3月15日発行のH.J.Bykerの米国特許第5,294,376号「ビピリジニウム塩溶液(Bipyridinium Salt Solutions)」、1949年8月9日発行のH.J.Bykerの米国特許第5,336,448の号「ビピリジニウム塩溶液を含むエレクトロクロミック・デバイス(Electrochromic Devices with Bipyridinium Salt Solutions)」、1995年1月18日発行のF.T.Bauer等の米国特許第5,434,407号「光パイプを組み込む自動後方視ミラー(Automatic Rearview Mirror Incorporating Light Pipe)」、1995年9月5日発行のW.L.Tonarの米国特許第5,448,397号「自動車用の外部自動後方視ミラー(Outside Automatic Rearview Mirror for Automotive Vehicles)」、1995年9月19日発行のJ.H.Bechtel等の米国特許第5,451,822号「電子制御システム(Electronic Control System)」。これら特許の各々は、本発明と同様に譲渡されており、照合を含むそれぞれの開示は、参考のため全体が本文に援用される。
本発明の実施の一形態によれば、ミラー130のハウジング周側壁132bの底部は、車両の一部が通して照明されるように内部に配置された2つの開口140aおよび140bを有する。2組の複数のLED114は、電源(図示せず)および(または)電子制御部122により励起される時に車両内部の一部が開口140aおよび140bを介して照明されるように、ハウジング130内部に配置される。図14Aに示されるように、開口140aが車両内部の運転手部分を照明し、開口140bが車両の乗客部分を照明するように、開口140aおよび140bが周側壁132bの底部の対向端部に向けて配置される。右側運転形態を備えるある外国車両のため設計されるミラーの場合は、無論、開口140aは車両の乗客部分に対応し、開口140bは運転手部分に対応することになる。
開口140a、140bを介して車両内部を照明するためLED114をハウジング132内に組み込むことは、下記のように従来技術の白熱灯マップライトに勝る多数の利点を有する。
白熱灯照明器は、金属フィラメントを加熱することによって動作し、この熱の大半が輻射し、伝導し、電球から対流伝導する。この熱は、ミラー・ハウジング内部のミラー組立体または他の構成要素、例えば、エレクトロクロミック防眩要素、コンパス、などに対する破損の機会を減じるため放散されねばならない。この熱を放散するための機構は、伝導および対流熱伝達で補助するヒート・シンク、対流を改善する通気またはブロワ、あるいは輻射熱伝達で補助し得るある光学要素またはコーティングの如き特徴部分である。これらの全ては、典型的に、ミラー組立体に重量、体積、コストあるいは複雑さの望ましくない組合わせを付加する。
更に、白熱灯は、全ての方向に等しく光を放射する。このことは、光を車両の乗員に指向させるため大きな反射器を組み込まねばならないような幾つかの問題を生じる。これら反射器は更に、かなりな空間を占有し、重量をミラー組立体に加える。更にまた、反射器により反射されない白熱光源からの光は、運転手にグレア(眩しさ)を生じ得、またグレアおよび(または)アンバー光の組み込みセンサに対する誤った入力を生じることによって任意のエレクトロクロミック防眩層の適正な動作を禁じ得る。一体の光学系を持つ従来の離散形式あるいは別個光学系を持つここの半導体ダイの如何を問わないLEDは非常に小型であり、従って、これら光学系と共に使用される反射器組立体または他の光学系は、ミラー組立体の重量または体積を著しく加えることはない。更に、サイズを更に減じる場合でも、幾つかのLEDチップを1つパッケージに組み込むことができる。
重量がミラー組立体に加わると、より大きな応力がその取付け構造にかかってその共振特性が変化する。特に取付け部が前部窓の内面に接着剤により取付ける形式のものであっても、重量の増加による取付け機構に対するより大きな応力が取付け機構の早期の故障を導き得る。この増加重量はまた共振周波数の減少と振動振幅の増加を生じ得て、車両の運転中ミラーに反射されるイメージの明瞭度を劣化する。安全問題となることに加えて、早期の取付け部の故障あるいは増加した振動の兆候は車両所有車にとって明らかに不快となろう。
自動車が更に複雑になるに伴い、更に多くのオプション要素がミラー・ハウジングに組み込まれつつある。例えば、遠隔キーレス進入システム、コンパス、方向、タイヤ圧、温度などに対する表示が、ミラー・ハウジングへ組み込まれつつある。ミラー・ハウジングには限られた空間しかないから、ハウジング内部の各構成要素の体積を減じることが必要である。白熱灯を冷却しその光をコリメートするために必要な余分な空間は、これらの他の望ましい特徴部材の包含を著しく複雑にする。
反対に、LEDは高温度では動作せず、このため、熱放散問題と、熱放散対策と関連する空間問題を生じることが少ない。
個々のLEDチップが非常に小さく、典型的には約0.02cm×0.02cm×0.02cm(0.008インチ×0.008インチ×0.008インチ)の寸法であるため、これらチップは、従来の離散LEDまたはチップ・オン・ボードLEDがその意図される機能をはるかに大きな効率で行うことができる大部分の白熱フィラメントおよびコリメート用光学系より良好に点光源に近似する。結果として得るLED照明器は、更に均一かつ正確に調整され指向された強さの分布を投射する。
LEDは、典型的に1,000ないし2,000時間の白熱灯寿命と比較して異常に長い寿命を有する。典型的なLEDは、その設計、製造プロセスおよび動作状況に従って、200,000ないし2百万時間の間の期間持続する。LEDはまた、白熱電球よりはるかに堅牢であり、機械的衝撃および振動,熱的衝撃および飛来する異物の衝突に対する抵抗力が大きい。LEDは更に、白熱灯システムに対する実質的な信頼性問題の原因となるオン/オフ切換え遷移状態に実質的に耐え得る。寿命と信頼性の利点は重要であり、その固有の堅牢性と結び付くと、LEDを使用する利点は顕著である。
軍事使用HDBK−217F−1に規定された方法を用いて、アンバーLED(ヒューレット・パッカード社の部品番号HLMT−DL00)を図21の回路からの0.72Wの電力消費、および13.0ボルトで動作するフィリップ形式192ランプと比較すると、計算された故障率における著しい相違を示す。この結果は、白熱灯が同じ期間における99.83パーセントの故障率を持つのに、アンバーLEDは0.17パーセントの故障率を持つことを示す。
外部後方視ミラーにおいては、これらの問題は、更にひどい衝撃および振動条件により、ならびに室外環境の主たるものである雨、雪、温度変動、UV放射露出および湿度などの環境への露出によって更に拡大される。これは、外部の後方視ミラーへの白熱灯の組み込みを、LEDがこれらの要因から保護しなければならないという点で更に困難にする。自動車の内部ミラーのマップライト組立体、あるいは自動車の外部ミラーの安全灯組立体へ組み込まれる白熱灯の故障を防止するためにとられる処置の如何に拘わらず、これらランプはミラー組立体全体を交換する必要なく電球を交換するための手段が提供されねばならないほど短い寿命を有する。不都合なことには、容易な交換を許容する設計は典型的に保護に有効ではなく、早い時期の故障の可能性を増す。このことは、電球を環境要因から保護する作業の設計および製造を困難かつ高価にする。一方、LEDは、非常に長い寿命を持ち、一般に振動、衝撃および他の環境的な影響からの破損に対して非常に抵抗力が大きい。従って、LEDは、ミラー組立体および車両自体の寿命よりはるかに長く持続し、ミラー組立体の設計はLEDを交換するための手段を含む必要はない。
本発明の白色光LED照明器は非常にコンパクトであり得、このため、従来技術の白熱灯システムよりはるかに美的な体裁のある方法で自動車の後方視ミラーに組み込むことができる。
最後に、白熱灯は、最初に励起さた時に、白熱状態まで発熱するまで、従ってLEDの通常の動作電流の12−20倍であり得る突入電流を要するまで、非常に低い電気抵抗を持つ。この突入状態は、非常な熱機械的応力をランプのフィラメントに課し、一般に定格使用寿命の一部(車両の使用寿命よりはるかに短い)で早すぎる故障に寄与する。突入電流はまた、電源、コネクタ、配線ハーネス、ヒューズおよびリレーの如き照明器システム内部またはこれに取付けられた他の電子的構成要素に、これら構成要素の全てがかかる大きな遷移状態への反復される露出に耐えるように設計されなければならないように応力を与える。LEDは、突入電流は持たず、従ってこれらの問題の全てを回避する。
白熱灯に対する「ブルーム時間」、即ち白熱灯がその供給電圧が最初に印加された後完全に明るくなるのに要する時間は、非常に長く、多くのランプで0.2秒を越える。非常に早い応答時間は車両のマップライトでは必須ではないが、以下に述べるように強さと混色の比率の電子制御のためには早い応答特性が有利である。更に、ランプを補助する研究の如きある2値補色条件等色の白色LED照明器の用途は、ストローブのような電子的付勢時に迅速に明るくなる能力から利益を蒙る。
本発明の実施の一形態によれば、各開口140a、140b背後の複数のLED114は、2つのグループからの光が有効な白色照明を投射するよう合成するように、放射が相互に補間する色相を持つ2つの種類のLEDの任意の組合わせ(あるいは、LED光の補完的でない副組合わせから形成される相当2値成分の組合わせ)であり得るが、先に述べたように、開口140aおよび140bのそれぞれに配置された望ましいLED114がアンバーLEDと青−緑LEDの組合わせである。励起されると、これら2つの種類のLEDが補色成分である色相を持つ光を生じ、適正な比率で組合わされる時、その結果として得るビームが重なり合い充分な強さで実質的に白色光を投射する有効な照明器となるように混合する。特に、ヒューレット・パッカード社のオプトエレクトロニックス事業部からの透明基板AlInGaP形式の如き少なくとも2つのアンバーLEDは、開口140aおよび140bのそれぞれにおけるNichia Chemical Industries社からのGaN形式の如き少なくとも1つの青−緑LEDと組合わされるべきであり、最も望ましい組合わせは開口140a、140bのそれぞれにおける2または3個の青−緑LEDに対して3または4個のアンバーLEDである。この組合わせは、マップを読む時に乗客を助けるため車両内部の一部を照明する有効照明により白色光を生じる。
先に述べたように、照明器からある距離においてある面積の有効照明が生じる。有効照明は本発明の重要な特質であり、自動車のマップライトの技術においては、自動車製造者仕様により部分的に決定される。例えば、図15は、1つの自動車製造者が一体型のマップライトを有する後方視ミラー用に受入れ得る照明器として要求するものを示している。照度の測定は、点1−13における運転者側(1501)について記録されねばならない。点1−15における平均照度は、13ルックスより小さくない点の最小限の測定で80ルックスより小さくてはならず、点6−9における平均照度は11.5ルックスより小さくないこれらの点の最小限の測定で30ルックスより小さくてはならず、点10−13における平均強さは30ルックスより大きくてはならない(グレアを避けるため)。照度の測定は、点14−26における乗客側(1502)について記録されねばならず、点14−18における平均照度は、これらの点の最小限の測定が13ルックスより小さくなる80ルックスより小さくてはならず、これらの点の最小限の測定が11.5ルックスより小さくなく点19−22における平均照度は30ルックスより小さくてはならず、点23−26における平均照度は30ルックスより大きくなくてはならない。
図16は、本発明の照明器10がどのように上記仕様を満たすかを略図的に示している。図1の照明器に類似する照明器10の断面図が示されるが、自動車内部のミラーのマップライト用の約55.9cm(22インチ)である距離R1における目標面を照射するのは5つの従来の離散的なT1−3/4LED14(3個のアンバー(16010)および2個の青−緑(1602))による。T1−T7で示される点は、最小および(または)最大の照度要件が典型的に指示される目標における基準点を表わす。同図はまた、補完色相、例えば、青−緑(1602)およびアンバー(1603)を持つ光を発光する複数の2つの異なる種類のLEDからの重なり合うビームを示している。複数のビームは、これらがLEDから外へ出る時に混合し、より大きな照度を生じて条件等色の白色光の2値補完的な加法混色を生じるように重なり合う。本発明の照明器の懐中電灯の如きある用途において、先に述べた種類の単一のアンバーLEDと単一の青−緑LEDからなる複数を用いることが充分であることを理解すべきである。無論、電動自転車のヘッドランプの如き照明器の他の用途は、産業的および規則的な仕様を満たすために更に多くの各種のLEDを必要とする。
有効な照明器に対する重要な基準は、その投射した光が妥当な動作範囲において先に述べた如き白色光の受入れ得る規定に合致しなければならないことである。本発明の補完的な加法混色が照明器の複数の構成的なLEDから投射されたビームの重なりに依存するので、本発明の各照明器が良好に混合された条件等色の白色光に対して最小限の動作距離を持つことを理解することが重要である。実際のLEDアレイおよび所与の実施の形態において使用される関連光学系に従って、この距離は広く変動することになる。典型的には、良好なビーム混合(従って、妥当に均一な白色光を生じる均衡した加法混色光の組合わせ)は、各LEDと複数のその最も近い色成分との間の平均距離(1604)の約10倍の最小動作範囲(1605)を必要とする。良好なビーム混合のためのこの最小動作範囲は、用途の要件と使用される光学系に非常に依存するが、はるかに大きな倍数の補完的LEDのピッチ間隔となり得る。内部の後方視ミラー組立体に組み込まれる図14および図16に示される如き本発明の自動車のマップ・ライト照明器の場合、複数の補完的な従来の離散T1−3/4LED間の典型的な寸法(1604)は約1.02cm(0.4インチ)であり、妥当に均一な白色照明に対する最小距離は約30.5cm(12インチ)である。当該実施の形態における指定目標は約55.9cm(22インチ)離れているので、均一な白色照明のためのかかる最小動作範囲は問題とならない。本発明の照明器がこの指定範囲より短い(ならびに、それ以上の)範囲に照明を投射することに注意すべきである。しかし、投射された光の色および照度レベルは、典型的にはより短い範囲におけるほど均一でない。
LED間のピッチ間隔、照明器における複数のLEDのアレイ・サイズ、および使用されるコリメート用光学系と拡散器の特性が、照明器のビームにおける構成光の分布を決定する。好都合にも、これらは、遠視野強さ分布のほとんどの所要組合わせ、開口、ビーム遮断角、色の均一性、および有効な均一白色照明のための最小動作範囲を満たすように調整することができる。電動自転車のヘッドランプの場合は、有効白色照明に対する所定距離約1.5メートル(5フィート)であり、従来の離散LEDが照明器における複数のLEDとして適する。しかし、計器パネル表示バックライトの場合は、有効な均一照明のための所定距離は、約0.64cm(0.25インチ)以下であり、小さなF数のレンズセットを用いるチップ・オン・ボードLEDアレイはおおよそ確実に要求されよう。
再び図16において、5つのLEDの混合レベル、ならびに照明出力は、距離R1(1603)に依存し、また補完的LED間の距離D(1604)にも依存する。複数のLEDが相互に密にパッケージされるならば、光は比較的短い投射距離で完全に混合し、色の均一性と組合わされたビームの照度が改善される。複数の補完的LED間のピッチ間隔D(1604)は、(チップ・オン・ボードLEDアレイの場合)約0.05cm(0.020インチ)から、スポットライトの約7.6cm(3インチ)あるいは種々の投光照明用途の場合のそれ以上まで広く変動し得るが、できるだけ小さいことが望ましい。従来の離散LEDは、しばしばそれ自体の一体の光学要素組立体を有し、従って、これらがどれだけ相互に密にパッケージされ得るかには制限がある。上記のデータを集めるために用いられる5つのT1−3/4LEDが、約1.0cm(0.4インチ)離れた列で配置された。
従来の離散LEDまたは個別ダイのいずれが用いられるかの如何に拘わらず、光学要素が生成される光を所望の面へ指向して、先に述べたように、レンズ、拡散器、反射器、ホログラフ・フィルム、などの1つ以上の使用によりLEDにより生成される強さの分布に影響を及ぼすように照明器組立体に組み込まれるべきである。
図14ないし図20の自動車のマップライト照明器の場合、Nichia社の2つの青−緑のGaN T1−3/4LEDが24.5ミリアンペアで動作され、ヒューレット・パッカード社の3つのアンバーTS AlInGaP T1−3/4LEDが約35ミリアンペアで動作された。Physical Optics社の10度の打ち出し加工されたホログラフ光整形拡散器(LSD)が照明器のビームを平滑化して分布させるために用いられた。
図17は、本発明の自動車内部のマップライト照明器の実施の形態からの初期の強さ分布のそれぞれの3次元表示を示している。このプロットされた面のガウス特性は、照明器の一次光軸からの付角偏向に関して平滑に変化する単調関数になるように容易に加工される。これと対照的に、多くの従来技術の照明器は強さが不規則になりがちであり、これが照明される目標領域における局在化された視覚の歪みを生じ得る。図18は、同じ照明器について図17に示された強さの情報を増幅する2次元の等強度輪郭プロットである。
LED照明器が効率的であるためには、先に述べたように、条件等色の白色光を生じるよう補色混合が生じるように、複数のLEDから投射されたビームは相互に重なり合わなければならない。更に、照明器は、低い周囲光条件でさえ当該距離における物体または面を有効な視覚的識別が可能な光レベルで照明するため充分な強さを所望の方向に投射しなければならない。有効な視覚的識別は、個々の物体またはイメージ間の色のコントラストと照度のコントラストを必要とし、このことは、色の色覚が生じるために充分な光、即ち明所視または薄明視条件を要求する。明所視は、約5カンデラ/平方メートル(5nit)より大きな面照度を持つ物体または面を見る時に生じるが、薄明視は、約0.5カンデラ/平方メートル(0.5nit)より大きな面照度を持つ物体または面を見る時に妥当に予期することができる。ニュートラル・グレー・ランバート(Lambertian)であり50%以上の反射率を持つ面の場合、従って、それぞれ約30ルーメン/平方メートル(30ルックス)および3ルーメン/平方メートル(3ルックス)の照度で、明所視および薄明視レベルの面照度が生じる。この面から1メートル少ない照明器の場合は、従って、明所視および薄明視に対して要求される強さは、それぞれ30カンデラおよび3カンデラである。強さ、輝度および照度間の関係は当技術において周知であり、本文ではこれ以上詳細に論述しない。
図19は、図17および図18の照明器から投射された照明パターンを照度登高図で示している。示されたデータは、照明器からの目標距離が約55.9cm(22インチ)であった目標から余弦補正された照度計によりとられた。図17、図18および図20における値における如く、示された値は、最初のパワーオンの約30秒以内にとられた初期値を表わす。図19および図15を比較すると、本発明の照明器が自動車内部ミラーのマップライトの自動車製造者の要件に一致しあるいはこれを越えることを示す。製造者により30ルックスより小さいことが要求される外部目標区域における照明レベルが、実際に本発明の場合に約7ルックスに過ぎないことに注目されたい。これは、他の最小照度要件(80ルックスより大きくなければならない目標中心における如き)を損なうことなく達成され、本発明において達成される優れた方向制御を示している。これは、運転者にとって最も注意を乱す光が本発明のLED照明器により従来技術の白熱光よりはるかに少ないという著しい安全上の利点を提供する。この利点は、照明器を要求される場所へ指向することができ、かつ非常に少ない照明が必要でない場所へゆくゆえに、化粧ミラー、読書ランプおよびドーム・ライトにも適用し得る。要約すれば、本発明のLED照明器は、必要な場所へ光を当てかつこの光を必要でない領域から遠ざける際に更に有効である。
図20は、50%の仮説的ニュートラル・グレー・ランバート反射率を持つ目標面の簡素化された輝度マップを示している。面の輝度の明所視レベルが維持される大きな領域(2001)に注目されたい。本発明においては、この区域はまた、投射された照明が先に規定された如き条件等色の白色を持つ最小サイズの区域と一致する。このため、最大の色コントラストおよび輝度コントラストが目標領域の最も厳しい中心部分で一致させられて、あり得る最良の視覚的弁別を観察者に与える。
発明者は、かかる有効明所白の照明区域(50%のニュートラル・グレー目標に対する輝度の明所レベルに対応する)の外側(2002)が加法混色の色を白の受入れ得る定義からやや外れさせることによって達成されることを発見した。驚くべきことに、この区域の外側(2002)では、照明器からの光の色は補助装置のない目に見えるものではない。これは、面の輝度が明所視閾値から薄明視および暗所視の条件へ下がるに伴い、明らかに色を認識する人間の視覚の能力が迅速に外れるゆえである。このため、良好な演色およびコントラストのためには、明所視照度区域全体にわたり白色が投射されねばならず、また周囲の薄明視照明区域に対しても妥当し得る。しかし、経済化のためには(例えば、目標の周囲領域に生成あるいは投射されねばならない所与の色相のLED光の全量を減じるためには)、照明器は、僅かに白くない色を周囲の薄明視および暗所視の照度区域(2002)へ投射させられる。
かかる明所視閾値は一般に約5ニト以上の面輝度と関連するが、これは50%のニュートラル・グレー反射率を持つランバート面に対する約30ルックスの対応する「明所視照度閾値」に変換することができる。50%のニュートラル・グレー・ランバート反射器は、統計的な意味で、照明される実際の物体および面の高い百分位数を表わす適切な基準面である。
電子制御部122は、複数のLED14、16および114の照度を回路を介して励起し、制御し、管理する。当業者は同じ機能を実質的に行うことができる電子回路が多すぎることを理解されようが、図21は、自動車のマップライトに対する現在望ましい回路設計を示している。
Q1(MPSA06)およびQ2(Q2N3904)は、一定電流源を形成する。Q1のベース電流は、マイクロプロセッサのポート0により電流制限抵抗R2を介して供給され、Q2はR1に、従ってアンバーLEDのD1−D3に流れる実質的に一定の電流を維持するようにQ1のベース電流を調整する。この調整点は、Q2のベース−エミッタ接合点のカットイン電圧により設定される。詳細な説明は下記の通り。
LEDのD1ないしD3を励起するため、マイクロプロセッサU1のポート0における電圧は上昇されねばならない。このことは、トランジスタQ1のベースに流れる電流Ib(Qt)を増加させる。このことは、Q1のコレクタ電流を増加させる。Q1のコレクタ電流Ic(Q1)および電流V1からD1−D3に流れる電流は、R1に流れる電流と実質的に同じである。これは、Q1のエミッタ電流IE(Q1)がそのコレクタ電流Ic(Q1)とベース電流IB(Q1)の和に等しく、ベース電流はコレクタ電流より(典型的には、係数100だけ)実質的に小さい。このことは、下記の如き式形態(式9−11)で表わすこともできる。
IE(Q1)=IC(Q1)+IB(Q1) [9]
IB(Q1)<<IC(Q1) [10]
IE(Q1)≒IC(Q1) [11]
R1に流れる電流が増加すると、Q2のベースにおける電圧が増加する。Q2のベース−エミッタ・カットイン電圧VBE(Q1)にいったん達すると、Q2のベース電流IB(Q1)が指数的に増加し始め、これが更にQ2のコレクタ電流IC(Q2)の増加を生じる。Q2は、Q1のベースから電流を分路して、Q1のコレクタ電流における更なる増加を防止する。LED電流は、式12により略々VBE(Q2)/R1アンペアに設定される。
IC(Q1)≒VBE(Q2)/R1 [12]
(摂氏25度で約36mA、VBE=0.68V、およびR=19オーム)
R1に流れる電流が何らかの理由で減少すると、R1における電圧が減少してQ2のベース電流、更にはこのコレクタ電流を減じる。このことは、R2を介してマイクロプロセッサU1により供給される更に多くの電流をQ1のベースへ流れさせ、これがQ1のコレクタ電流およびエミッタ電流を増加させることになる。このことは、R1電流、従ってD1−D3に流れる電流をその元の値へ戻そうとする。
Q2の如きシリコン・トランジスタのエミッタ−ベース・カットイン電圧が約2.5mV/ケルビン度の率(ΔVBE(Q2))で減少するので、Q1のエミッタ、コレクタおよびD1−D3に流れる電流は約(ΔVBE(Q2)/R1)アンペア/ケルビン度の率(この場合、約132μA/ケルビン度)で減少することになる。
Q3(MPSA06)およびQ4(Q2N3904)は、別の一定電流源を形成する。Q3のベース電流は、電流制限抵抗R4を介してマイクロプロセッサのポート1(P1)により供給される。Q4は、R3に、従って青−緑LED D4−D5に流れる実質的に一定の電流を維持するようにQ3のベース電流を調整する。この電流源の動作は、アンバーLED(D1−D3)を駆動する電流源と実質的に同じである。当該設計においては、2つの電流源が用いられて青−緑LEDおよびアンバーLEDの異なる最大電流定格を許容すると共に、独立的なデューティ・サイクル制御、従って2つの色の照明強度を可能にする。ある用途は、単一の電流源あるいは簡単な電流制限抵抗の使用、および(または)青−緑LEDおよびアンバーLEDの直列接続を可能にし得る。所要数のLEDの一連のストリングの順方向低下が供給電圧にあまり近づくならば、複数の電流源もまた要求されることがある。
かかる温度に依存する電流駆動は、正常な(低温)条件においてLEDをその最大順方向電流であるいはその非常に近い電流で駆動させ、温度が上昇してもLEDに過大負荷を与える危険がない。図22は、望ましいアンバーLEDに対する指定最大順方向電流対温度のプロット(2201)、ならびに先に述べた回路における本発明のLEDに対する指数的に決定される順方向電流対温度のプロット(2202)を示している。明らかに判るように、LEDは、−40℃で約42mA、25℃で約36mA、および85℃で31mAで動作され得る。このため、LEDは、低温度ではその最大順方向電流の非常に近くで動作され、前記回路は、温度が85℃まで上昇する時LED D1−D5の順方向電流を仕様内に止まるうに自動的に調整する。このため、図21に示した回路を用いることにより、照明器が主として使用される時(典型的に、夜間は最も低温)、最小周囲光の期間中は、LEDからの出力が最大化され、最大の周囲光、即ち照明器が一般に使用されない時(典型的には、日中は最も高温)である昼光では減少する。LED照明器の利益を最大化しかつこの利益を達成するため要求されるコストおよび複雑さを最小化するためには、LEDを主たる温度条件に対するその最大許容電流定格またはその非常に近くで動作させることが非常に重要である。
高い動作温度で動作される時に結果として生じるこれらLEDの熱的な過大負荷を避ける従来の1つの方法は、最大の指定動作温度におけるLEDに指定されるレベル以内の比較的低レベルで設定される不変電流、例えば80℃において25mAで、LEDを動作させるように恒久的に軽減することであった。しかし、これは、更に大きな容量の回路が用いられた場合にLEDを破損することなくLEDを駆動することが比較的難しい(かつ出力が比較的多い)時、低温度における照明出力を著しく低減させた。
別の従来の方法は、周囲温度を測定し比較的高温度でLEDを自動的に軽減する回路にサーミスタを用いたが、これは回路設計を複雑にし、更に重要なことは、回路のコストを実質的に増加させた。
本発明の回路は、最大許容LED出力が全ての動作温度で達成され、比較的複雑でない回路に比して典型的な夜間温度において略々70%の照明出力の増加を達成することを保証する新規の安価な(従って、商業的に実施可能な)方法である。
LEDは、約0.35アンペア以上多くのアンペアの典型的な白熱灯動作電流よりはるかに低い約30−70mAの動作電流を有する。この比較的低い動作電流は、白熱灯用の電子制御回路に要求される金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタ(MOSFET)よりはるかに安い、例えばMPSA06の如き安価なバイポーラ・トランジスタQ1−Q4をLEDドライバ用に使用することを可能にする。低減する生産コストに加えて、本発明のバイポーラ・トランジスタは、周囲温度が上昇する時にLEDを自動的に軽減する。
当業者が実感するように、マイクロプロセッサU1がLED D1−D5からの出力を管理し操作することができる。例えば、ポート0から任意の電圧を除去することにより、Q1に対するベース電圧はゼロとなり、D1−D3からの発光がなく、D4−D5から発光された光のみが車両の内部を照明することになる。同様に、ポート1からの電圧に除去することができ、アンバー光のみが車両の内部を照明することになる。更に実際に重要なことは、Q1およびQ3に対するベース電流をそれぞれ変調することによって、LED D1−D3またはD4−D5のいずれかの発光をマイクロプロセッサU1により変調できることである。更にまた、青−緑光(または、異なるLEDが上記の条件等色の教示に従って選択されるならば、他の組合わせ)の量に対するD1−D3から生成されるアンバー光の「量」は、ポート0およびポート1からの電圧の変調を単に制御することによって変化させることができる。この比率の制御は、車両内部における特性、例えば色、大きさが、最大の読みやすさを維持するため照明器からの僅かに異なる「白い」色の発光を保証するゆえに、マップライトにおいて特に重要である。パルス幅変調を可能にすることにより、当該回路の設計は、変調データを不揮発性メモリU2(電気的に消去可能なプログラム可能読出し専用メモリー(EEPROM))に記憶すること、およびミラー組立体が取付けられる自動車に応じて容易に変更することを可能にする。更に、時系列マルチプレックス化は、D1−D3およびD4−D5を1つずつ迅速にオン/オフすることを可能にし、その結果これらが実際に決して同時にならないようにする。このように生じる照明は、人間の視覚的応答の時定数が遅く人間の目が迅速に逐次励起される照明器における補色LEDにより投射される照明の迅速に変化する色を認識できないゆえに、依然として無彩色で有効である。当該LED照明器の場合は、LEDがブルーム時間の制限を蒙らないので、オン/オフ時間は非常に早くなりかつ順次化周波数は非常に高くなり得る。加法混色が生じ、従って、混色の2つの加法色成分からの照明の存在間の小さな時間的遅れであっても、車両の照明器からの光は白く見える。
色の操作に加えて、マイクロプロセッサU1は、熱的な軽減の目的のためLED電流をパルス幅変調することができる。内部または外部の温度測定手段(TH1)を備えたマイクロプロセッサU1は、「ソフトウェア制御される温度補償のための設計電流」として表示された図22のカーブ(2203)により示される各温度における製造者の指定した電流定格に非常に正確に追従するように、LED電流を変調することができる。マイクロプロセッサ制御の熱的軽減の場合は、電流制限手段は、ソフトウェア制御のための設計電流の最大値より大きいかあるいはこれに等しい電流を提供しなければならない。図22の事例におけるアンバーLED D1−D3の場合は、電流制限手段は、少なくとも48mAを提供しなければならない。このことは、図21におけるR1の値を14オームに変更することを必要とする。摂氏70°では、マイクロプロセッサU1が、索引テーブル、計算あるいは適正なデューティ・サイクルを決定する他の手段を用いて平均電流を安全レベルに減じるように、図21におけるD1−D3に流れる電流のパルス幅変調を開始する。あるいはまた、図21のR1は、製造者限度より小さい平均電流を維持するため、68mAの駆動電流になるように10オームに設定し、デューティ・サイクルを70%に設定することができる。明らかなように、ピーク駆動電流がLED製造者のピーク電流定格を越えない限り、所望の平均電流を維持するため使用することができる無限数の電流およびデューティ・サイクルの組合わせがある。
本発明については、照明器を組み込んだ後方視ミラーに対して詳細に記述した。しかし、当業者は、本発明の照明器がドーム・ライト、化粧ミラー・ライト、ヘッドランプ、ならびにエンジンおよびトランク・コンパートメント・ライトの如き他の車両用途に用いられることが判るであろう。本発明による照明器を組み込むドーム・ライト組立体または化粧ミラー組立体は、ハウジングと、1つ以上のレンズと、本文の教示による電子制御装置とを備えることになる。ハウジング、レンズおよび電子制御装置に対する僅かな修正は、当業者には明瞭であろう。車両用の実施の形態に加えて、本発明は、高い効率、高い信頼性、長い寿命、低電圧のコンパクトかつ有効な白色光照明器を要求する非車両用の実施の形態におけると共に、本文の教示から逸脱することなく用いられる。このような用途は、一部を挙げれば、手に持つ懐中電灯、採鉱作業または登山用の頭部あるいはヘルメットに取付けるランプ、爆発が危険である揮発性環境用の作業照明、建物上部の如き領域の維持が困難な照明器、商業ビルにおける自動的に付勢される緊急時照明あるいはバックアップ照明、および顕微鏡のステージ照明器を含む。再び、ハウジング、レンズおよび電子制御装置に対する小さな修正は当業者には明らかであろうし、従って、これらの車両用および非車両用の照明器の用途は本発明の範囲内に該当することを理解すべきである。
本発明については、その望ましい実施の形態に従って本文に詳細に記述したが、本発明の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正および変更が当業者により可能である。従って、かかる全ての修正は、請求の範囲に規定される如き本発明の範囲内に含まれるべきものであり、従って、本文に示したた実施の形態を記載する詳細および手段によらず、請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。請求の範囲では、装置および機能の記述が相等の構造を実施するものとして本文に記載された構造を包含することが意図される。このため、釘は木の部品を一緒に固定する円筒状面を用いるが、ねじは木の部品を固定する環境において螺旋状面を用い、釘とねじは相等構造であるとする点において、釘とねじは構造的な相等物ではない。
Claims (5)
- リード・フレームと、
前記リード・フレーム上に設けられ、第1の色相の光を放射する第1のLEDチップ、および前記第1の色相と異なる第2の色相の光を放射する第2のLEDチップと、
前記第1のLEDチップ、前記第2のLEDチップ、および前記リード・フレームの一部を内蔵させる単一のポリマー母材と、
を備え、
前記ポリマー母材はレンズ機能を呈し、
前記第1のLEDチップおよび前記第2のLEDチップは、前記母材の前記レンズを通して光を放射し、
前記第1の色相の光および前記第2の色相の光は、合成されて白色光を生じる、マルチチップ白色光放射離散LEDデバイス。 - 前記リード・フレームは第1、第2および第3のリードを含み、前記第1のLEDチップは前記第1および第2のリードと電気的に接続され、前記第2のLEDチップは前記第1および第3のリードと電気的に接続されている、請求項1に記載のマルチチップ白色光放射離散LEDデバイス。
- 前記第1の色相および前記第2の色相は、前記第1のLEDチップおよび前記第2のLEDチップが所定の比率で励起される時に白色光を生じることができる2値補色対である、請求項1に記載のマルチチップ白色光放射離散LEDデバイス。
- 前記第1のLEDチップおよび前記第2のLEDチップは、該第1のLEDチップおよび該第2のLEDチップが所定の比率で励起される時に、該第1のLEDチップと該第2のLEDチップとの間の距離の10倍の所定の距離において約15ルックスより大きい有効な白色照明を投射できる、請求項1に記載のマルチチップ白色光放射離散LEDデバイス。
- さらに複数の前記第1のLEDチップを含み、各前記第1のLEDチップから投射された照明は実質的に同じ色座標を表す、請求項1に記載のマルチチップ白色光放射離散デバイス。
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