説明

較正機能付きLED光モジュール

【課題】製造誤差や経年劣化による色ずれを補正する機能を備えた、複数色のLEDを備えた光源を提供すること。
【解決手段】光源(10,50)及びその製造方法を開示する。光源(10,50)は基板上に取り付けられた複数のLED(11-13,51-53)及びそれらのLEDからの光を測定するセンサ(15,55)を有する。各LED(11-13,51-53)は他のLEDとは異なるスペクトルの光を放射し、LEDからの光の平均強度はそのLEDに供給される駆動信号によって決定される。センサ(15,55)は複数の信号を生成し、各信号はLEDのうちの対応する1つによって放射される光の強度に比例するセンサ値によって特徴付けられる。コントローラ(14,54)は駆動信号を生成し、各LEDの電流目標値を記憶する。各LEDの駆動信号は、そのLEDのセンサ値が、記憶されたそのLEDの電流目標値に一致するように生成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はLED光モジュールの較正に関する。
【背景技術】
【0002】
発光ダイオード(LED)は、白熱灯ランプや蛍光灯光源のような従来の光源の代わりとして魅力的な候補である。LEDは光変換効率が比較的高く、寿命も比較的長い。しかしながら、LEDによって生成される光はスペクトル帯域幅が比較的狭い。そのため、任意の色の光を生成するためには一般に、複数のLEDを備えた複合光源を使用するか、又は、単一のLEDから得られる光の一部を第2の波長の光に変換し、その光を元のLEDからの光と混合しなければならない。例えば、観察者にとって白であると感じられる光を放射するLEDを利用する白色光源は、各色について正しい強度の光を生成する赤、青及び緑の光を放射するLEDのアレイからの光を合成することによって構成される。同様に、赤、青及び緑のLED出力の強度を変更し、所望の出力が生成されるようにすることによって、他のスペクトル放射の光も、同じアレイから生成することができる。各アレイからの光の強度の変更は、LEDを流れる電流の大きさを変更するか、又は、LEDのオン/オフを切り換える際の、LEDによって生成される光の平均強度を決めるデューティサイクルを変更することによって行うことができる。
【0003】
光源の設計者は通常、標準的な赤、青及び緑の光強度について光源にとって望ましい出力色を知っている。個々のLEDが非常に量産性の高いものであって、その光出力が、LEDの生涯にわたって変更できないものである場合、適当な電流又はデューティファクタで各LEDを駆動する駆動回路を設けることによって、赤、青及び緑のLEDから構成される光源は、個々の色の光の強度を得ることができる。
【0004】
不都合なことに、LED製造プロセスは、特定タイプのLEDであっても、LEDごとに放射量及び効率が大きく異なるLEDを生成する。また、LEDの光出力はLEDが古くなるのに従って、時間の経過によって変化する。LEDが全て同じものであることを想定して設計者がLED照明システムを構成しても、この変化が原因で、感じられる光のスペクトルに色のずれが発生する場合がある。このような変化は、許容されないことが多い。
【0005】
この問題の1つの解決策は、特定のLEDが厳密に正しい放射効率及びスペクトルを有するように、LEDを選別することである。この場合、製造後に、個々のLEDがテストされる。所定の変動範囲内の同じ出力波長及び電流−光変換効率を有するLEDがグループ化される。実際には、LEDは、さらに厳密に調節された既知のパラメータを有するサブタイプに仕分けされる。このようにすると、光源設計者は、サブグループで光源を指定することにより、上で述べた製造ばらつきの問題を回避することができる。不都合なことに、この解決策は、製造歩留まりが低下し、コストが増加する。
【0006】
また、この分類プロセスは、上で述べた経年劣化問題を解決しない。そのため、光源は依然として時間が経てば色ずれを示す。経年劣化問題を補正するために、普通は、センサを使用し、赤、緑及び青の波長において光源からの光の強度が測定される。そして、フィードバック制御システムを使用して、駆動電流、又は、デューティファクタを調節することにより、個々のLEDのカラー出力が所望のポイントに維持される。
【0007】
フィードバックシステムはLEDの経年劣化を補正することが可能であるが、こうしたシステムは、従来の白熱灯バルブの代わりとして設計された単体で使用される光源において実施することが難しい。通常、LEDは互いに近接して、第1の基板上に取り付けられる。各LEDからの光は、レンズ又は他の光学構成によって混合され、出力光となる。出力光にはセンサを設ける必要があり、そのセンサは、LEDから幾らか離れた場所に配置しなければならない。また、コントローラ駆動回路は通常、第2の基板上に取り付けられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、光源、及び、その製造方法を含む。この光源は、基板に取り付けられた複数のLEDと、それらのLEDからの光を測定するためのセンサとを有する。各LEDは、他のLEDとは異なるスペクトルの光を放射する。各LEDは、そのLEDに接続された駆動信号によって決まる平均強度の光を生成する。センサは複数の信号を生成し、各信号は、それらのLEDのうちの対応する1つによって放射される光の強度に比例するセンサ値によって特徴付けられる。LEDは透明なキャップ部材の中に封入される。コントローラは駆動信号を生成し、各LEDの電流目標値を記憶する。各LEDの駆動信号は、そのLEDのセンサ値が、記憶されたそのLEDの電流目標値に一致するように生成される。一実施形態において、コントローラは、コントローラに供給される外部制御信号に応答して、センサ値の現在値を電流目標値として記憶する。一実施形態において、センサは基板上に取り付けられる。一実施形態において、センサは、LEDのうちの1つの側壁から出力される光を測定する。一実施形態において、センサは、透明なキャップ部材の境界から反射された光を測定する。一実施形態において、透明なキャップ部材はレンズを含む。一実施形態において、コントローラは目標値の複数のセットを記憶し、コントローラは、該コントローラに接続された外部信号に応答して、目標値のセットの中から1つを電流目標値として選択する。一実施形態において、外部較正コントローラは、LEDに所定のカラーポイントに対応する光を生成させる。そして、光源におけるコントローラは、センサ値を目標値として記憶する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態による光源を示す図である。
【図2】本発明の他の実施形態による光源50を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明は、製造ばらつきのかなりの部分を補正するためにフィードバックシステムを更に使用することができ、また、最終的に混合された光信号だけを確実に受信できるようなLEDから離れた距離にフィードバックセンサを配置する必要はないという観点に基づく。本発明がその利点を提供する態様は、図1参照すると分かりやすいであろう。図1は、本発明の一実施形態による光源を示している。説明を簡単にするために、光源10は3つのLED11〜13しか備えていない。これらのLEDは、赤、青及び緑の光をそれぞれ放射する。各色の複数のLEDを使用する実施形態について、以下で更に詳しく説明する。
【0011】
各LEDによって生成される光の強度は、各LEDを流れる電流、及び/又は、各LEDのデューティサイクルを変化させる光源コントローラ14によって決定される。コントローラ14は、それらのLEDに適当な駆動電流を供給するために必要な種々の駆動回路、及び、電力変換回路を有する。コントローラ14に入力される電力は、特定の用途に応じて、DCであってもよいし、ACであってもよい。例えば、家庭用の白熱灯の代替用途である場合、入力電力はACであることが望ましく、コントローラ14は、LEDを駆動するためにAC電力をDCに変換するための適当な整流回路を有することが望ましい。これに対し、自動車のバルブや懐中電灯の代替を目的とする光源の場合、光源はDC電力で動作することが望ましい。この場合、コントローラ14は、必要な駆動電流をDC電源から直接供給することが可能な電流源を有することが望ましい。
【0012】
光源10は、LED11〜13に対応するカラー帯域のそれぞれにおいて、センサ15に到達する光の量を示す信号を生成するセンサ15を更に有する。発明の説明を簡単にするために、センサ15は、カラーフィルタを備えた3つのフォトダイオードを有し、各フォトダイオードは、LEDのうちの対応する1つから発せられた光のみを測定するように選択されるものと仮定する。
【0013】
各LEDから十分な光を受けとり、各LEDからの光強度を判定することが可能な十分な信号対雑音比の信号を生成することが可能な場所であれば、センサ15は、どのような場所に配置してもよい。図を簡単にするために、センサ15と光源コントローラ14との間の接続は省略してある。しかしながら、センサ15及びLEDは、光源コントローラ14に電気的に接続されるものと考えなければならない。センサ15は3つの信号を生成し、各信号は、LEDのうちの対応する1つから受信した光の量に較正定数を乗算したものに相当する。この較正定数は、LEDに対するセンサの相対的位置、フィルタにおいて失われる光の量、及び、各フォトダイオードがフィルタを通過する波長の光を電気信号に変換する効率によって決まる。LEDとセンサの任意の特定のセットについて、較正定数は、光源を組み立てた後に固定される。なお、これに関し、構成部品は通常、透明媒体の中に封入され、透明媒体は、遠視野にある光源からの光を混合し、結像するためのレンズ16のような役割もする。種々の較正部品は通常、上で述べた接続を形成するために必要な電気トレースを有する基板18に接続される。
【0014】
ここで、光源10が、色空間における指定されたカラーポイントの光を生成するように設計されているものと仮定する。この目標カラーポイントは、CIEカラー座標のような標準カラースキームにおけるRGB値の特定の組によって特徴付けられる。光源10の製造後に、光源10は、較正センサ22及び較正コントローラ21を含む較正装置に接続される。較正センサ22は、較正センサ22によって受信した光が確実に十分に混合され、遠視野にある光源10によって生成された光を十分に表わすものとなるように、光源10から十分に遠くの距離に配置される。
【0015】
較正センサ22は、較正センサ22に到達する光のCIE色座標におけるRGB値を生成するように調整される。同じ色座標系における目標カラーポイントは、較正コントローラ21にも入力される。較正プロセスにおいて較正コントローラ21は、接続バス17を介してコントローラ14にコマンドを送信することにより、各LEDによって生成される光の量を制御する。このとき、光源コントローラ14は、センサ15からの信号値を読み取り、コントローラ14内の不揮発性メモリに記憶すべきことを命じられる。次に光源コントローラ14は、運転モードに切り替えられる。
【0016】
通常動作中は、光源コントローラ14は、センサ14によって生成される値が較正プロセスにおいて決定され記憶された値に一致するように、駆動電流、及び/又は、デューティサイクルを調節する。なお、光源は、センサ15に関連する較正定数がまだ明確に計算されていない状態で較正される。しかしながら、それらの較正定数は、種々の駆動電流を各LEDに供給したときにセンサ15からの信号の変化を観測し、それらの変化を較正センサ22からの対応するカラー座標における変化に関連付けることにより、較正コントローラ21又は光源コントローラ14によって計算することができる。
【0017】
用途によっては、実際の動作中に光源10のカラーポイントを変更できると有利な場合がある。例えば、人間の観察者にとって白であると感じられる光を出力する光源について考える。光源10は、ユーザが光源10からの光の見た目の色温度を変更することが可能な入力を有する場合がある。センサ15の較正定数が分かっていて、光源コントローラ14が、カラーセンサ出力と、種々の色温度の白色光源に対応する色空間における曲線との間の関係を記憶している場合、光源コントローラ14は、新たな色温度設定において維持しなければならないセンサ15の新たな目標センサ値を決定することができる。所望の色温度は、バス17、又は、独立した色入力19から入力することができる。あるいは、複数強度の白熱灯ランプに使用されるものと同様のやり方で光源のオン・オフが切り替えられるたびに、多数の色温度設定を順番に使用するように光源10をプログラムしてもよい。
【0018】
なお、所望のカラーポイントのそれぞれについて上記の較正プロセスを繰り返し、それらのカラーポイントのそれぞれについてセンサ15から得られる読み値を光源コントローラ14に記憶することにより、複数色の光源を実施することも可能である。そのような実施形態の場合、当然ながら、センサ15の較正定数は必要ない。
【0019】
上記のようにLEDからの光の強度は、駆動電流を変化させることによって制御することもできるし、駆動信号のデューティサイクルを変化させることによって制御することもできる。デューティサイクルを変化させる場合、センサ15は、各フォトダイオードからの信号を平均強度信号に変換するローパスフィルタを有する場合があり、その平均強度信号は、フィードバックループにおける光源コントローラ14によって使用される。
【0020】
本発明の上記の実施形態は、LEDの上に配置されたセンサを使用している。ただし、一般に、センサを基板18上に取り付ける設計は、比較的簡単に構成することができる。上記のように、センサ15は、各LEDについて信号が得られるだけの十分な光が存在する場所であれば、どのような場所に配置してもよい。実際には、センサ15は、1つの光強度センサがLEDのそれぞれに対応する3つの個別の光強度センサとみなすことができる。したがって、センサ15を複数の成分センサに分割し、各成分センサを光源内の異なる位置に配置することで、対応するLEDからの光信号を最適化することができる。
【0021】
なお、レンズ16は、光源の外にある空気の屈折率とは大きく異なる屈折率を有する。したがって、各LEDからの光の一部は、レンズ16と、レンズの外側にある空気との間の接触によって、基板18に向けて反射されることになる。さらに、レンズ16は、複数のLEDからの光の混合を助ける散乱材料を含む場合がある。また、散乱光の一部は、基板18上に取り付けられたセンサによる検出に使用される場合がある。
【0022】
次に図2を参照すると、図2は、本発明の他の実施形態による光源50を示す平面図である。光源50は、赤、青及び緑の光をそれぞれ放射するLED51〜53を有する。これらのLED、及び、各LEDから出力される光の強度を測定するセンサ55は、基板58上に取り付けられ、透明なキャップ部材56の中に封入されている。LEDは、図1を参照して上で説明したコントローラ14と同様の態様で動作するコントローラ54によって駆動される。
【0023】
この実施形態において、センサ55は、各LEDダイの側壁を通過してLEDから出力される光を受け取るように構成される。LEDダイ51〜53はそれぞれ、その内部で生成された光の一部をLEDダイの側壁を通して放射する。この光は、LEDの各層において臨界角よりも大きな角度で反射されることによりLEDの内部に捕捉された光である。この光の一部は、吸収される前に、LEDの側壁に到達する。その光は、臨界角よりも小さな角度で側壁に当たるため、側壁から出力される。各LEDの側壁から出力される光の量は、LEDの上面から放射される光の量に比例するため、この光を使用することにより、LEDの光出力をモニタリングすることができる。
【0024】
センサ55は3つのフォトダイオードを含む。各フォトダイオードは、LEDのうちの対応する1つからの光を受け取る位置に配置される。すなわち、これらのフォトダイオードは、基板58の表面に対して概ね平行な方向に進む光を測定する。各フォトダイオードが、他のフォトダイオードからの光がそのフォトダイオードに到達することを防止できるような十分に小さな錐角からの光だけしか受け取らないように構成される場合、フォトダイオードの正面に配置される波長フィルタは省略してもよい。あるいは、所望の選択性を得るために、フォトダイオードの正面に波長フィルタを使用してもよい。
【0025】
また、図2に示す構成は、センサの上面を通過して受信される光を測定するセンサと共に使用してもよい。そのような構成は、各LEDにおいて生成される光の量をモニタリングするために、上で述べた反射光や散乱光を使用する実施形態において使用される場合がある。
【0026】
本発明の上記の実施形態は、赤、青及び緑の波長帯域の光をそれぞれ放射する3つのLEDを使用している。しかしながら、用途によっては、別の数のLED、及び、別の色を使用してもよい。例えば、4色を使用する光源の演色性は、上で述べた3色を使用する光源の演色性に比べて非常に良好である。
【0027】
上記の本発明の実施形態は、複数の信号を生成するセンサを使用している。各信号は、対応するLEDにおいて生成される光の強度を表している。そのようなセンサを構成する方法は多数存在する。例えば、上記のように、センサは、各LEDに1つのフォトダイオードが対応する複数のフォトダイオードから構成することができる。その場合、あるLEDに対応するフォトダイオードは、そのLEDによって生成される光の一部を受け取ることができなければならない。最も単純なケースでは、フォトダイオードは、そのフォトダイオードに対応するLEDからの光だけしか検出しなる。この構成は、フォトダイオードを適切な位置に配置するか、又は、LEDからの光を遮断するフィルタを使用することによって実現することができる。
【0028】
あるいは、異なるLEDについて検出効率が異なる場合、他のLEDからの光を検出するフォトダイオードを使用してもよい。この場合、各フォトダイオードは、各LEDからの光の加重和を測定する。ここで、第iのフォトダイオードからの信号をSとし、第jのLEDからの光の強度をIとする。その場合、I及びjを1からNまで動かした場合に、S=Wi,j*Iとなる。ただし、Nは、LED及びフォトダイオードの数である。重みWi,jは、光源を較正するときに測定することができる。したがって、この連立方程式を解くことにより、各LEDからの強度が得られる。コントローラ54は、この連立方程式を解くための計算ハードウェアを有する場合がある。
【0029】
種々の周波数においてLEDが変調される場合、単一のLEDを使用して、全てのLEDをモニタリングすることができる。これは、変調周波数のそれぞれにおいて、そのフォトダイオードからの出力信号を測定することによって行われる。
【0030】
本発明の上記の実施形態において、フォトセンサは幾つかのフォトダイオードから構成されていた。しかしながら、フォトトランジスタのような他の光検出器を使用することも可能である。本明細書で使用される場合、フォトセンサとは、デバイスに当たる光の強度の関数である信号を生成する任意のデバイスを言う。
【0031】
本発明に対する種々の変更は、上記の説明及び添付の図面から当業者には明らかであろう。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。
【0032】
本発明の例示的実施形態を以下に列挙する。
1.基板と、
前記基板上に取り付けられ、透明なキャップ部材(15,55)の中に封入された複数のLED(11-13,51-53)であって、各LED(11-13,51-53)が、他のLED(11-13,51-53)とは異なるスペクトルの光を放射し、各LED(11-13,51-53)が、そのLED(11-13,51-53)に接続された駆動信号によって決定される平均強度の光を生成するように構成された複数のLED(11-13,51-53)と、
各信号が、前記LED(11-13,51-53)のうちの対応する1つによって放射される光の強度に比例するセンサ値によって特徴付けられる複数の信号を生成するセンサ(15,55)であって、前記透明なキャップ部材(16,56)の中に封入された少なくとも1つのフォトディテクタからなるセンサ(15,55)と、
前記駆動信号を生成し、各LED(11-13,51-53)の電流目標値を記憶するコントローラ(14,54)であって、前記LED(11-53,51-53)のそれぞれの前記駆動信号を、そのLEDの前記センサ値が、記憶されたそのLEDの前記電流目標値に一致するように生成する、コントローラ(14,54)と
からなる光源(10,50)。
2.前記コントローラ(14,54)は、前記コントローラ(14,54)に結合された外部制御信号に応答して、前記センサ値の現在値を前記電流目標値として記憶する、1に記載の光源(10,50)。
3.前記センサ(15,55)は前記基板上に取り付けられる、1に記載の光源(10,50)。
4.前記センサ(15,55)は、前記LED(11-13,51-53)のうちの1つの側壁から出力される光を測定する、1に記載の光源(10,50)。
5.前記センサ(15,55)は、前記透明なキャップ部材(16,56)の境界から反射された光を測定する、1に記載の光源(10,50)。
6.前記透明なキャップ部材(16,56)はレンズを含む、1に記載の光源(10,50)。
7.前記コントローラ(14,54)は目標値の複数のセットを記憶し、前記コントローラ(14,54)は、該コントローラ(14,54)に接続された外部信号に応答して、前記も区報値のセットのうちの1つを前記電流目標値として選択する、1に記載の光源(10,50)。
8.光源(10,50)を製造する方法であって、
各LED(11-13,51-53)が、他のLED(11-13,51-53)とは異なるスペクトルの光を放射し、各LED(11-13,51-53)が、そのLED(11-13,51-53)に接続された駆動信号によって決定される平均強度の光を生成するように構成された複数のLED(11-13,51-53)を基板に取り付けるステップと、
各信号が、前記LED(11-13,51-53)のうちの対応する1つによって放射される光の強度に比例するセンサ値によって特徴付けられる複数の信号を生成するセンサ(15,55)を設けるステップと、
前記LED及び前記センサ(15,55)を透明なキャップ部材(15,55)の中に封入するステップと、
コントローラを前記基板に取り付けるステップであって、前記コントローラは、前記LED(11-13,51-53)及び前記センサ(15,55)に接続され、前記駆動信号を生成し、各LED(11-13,51-53)の電流目標値を記憶するように構成され、前記コントローラは、前記LED(11-13,51-53)のそれぞれの前記駆動信号を、そのLEDの前記センサ値が、記憶されたそのLEDの前記電流目標値に一致するように生成するように構成される、コントローラを前記基板に取り付けるステップと、
前記LED(11-13,51-53)に所定のカラーポイントに対応する光を生成させるステップと、
前記LED(11-13,51-53)が前記所定のカラーポイントの光を生成するときに、前記コントローラ(14,54)に前記センサ値を前記目標値として記憶させるステップと
からなる方法。
9.前記LED(11-13,51-53)に所定のカラーポイントに対応する光を生成させるステップは、較正された光検出器において前記光源(10,50)からの光を測定し、前記LED(11-13,51-53)によって生成される前記光が所定の精度内で前記所定のカラーポイントに一致することを前記較正された光検出器が示すまで、前記駆動信号を変化させることによって行われる、8に記載の方法。
10.前記較正された光検出器は、前記測定の間に全ての前記LED(11-13,51-53)からの光を受け取るように構成される、請求項9に記載の方法。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板上に取り付けられ、透明なキャップ部材(15,55)の中に封入された複数のLED(11-13,51-53)であって、各LED(11-13,51-53)が、他のLED(11-13,51-53)とは異なるスペクトルの光を放射し、各LED(11-13,51-53)が、そのLED(11-13,51-53)に接続された駆動信号によって決定される平均強度の光を生成するように構成された複数のLED(11-13,51-53)と、
各信号が、前記LED(11-13,51-53)のうちの対応する1つによって放射される光の強度に比例するセンサ値によって特徴付けられる複数の信号を生成するセンサ(15,55)であって、前記透明なキャップ部材(16,56)の中に封入された少なくとも1つのフォトディテクタからなるセンサ(15,55)と、
前記駆動信号を生成し、各LED(11-13,51-53)の電流目標値を記憶するコントローラ(14,54)であって、前記LED(11-53,51-53)のそれぞれの前記駆動信号を、そのLEDの前記センサ値が、記憶されたそのLEDの前記電流目標値に一致するように生成する、コントローラ(14,54)と
からなる光源(10,50)。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate


【公開番号】特開2012−248545(P2012−248545A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−185004(P2012−185004)
【出願日】平成24年8月24日(2012.8.24)
【分割の表示】特願2006−219291(P2006−219291)の分割
【原出願日】平成18年8月11日(2006.8.11)
【出願人】(506200186)アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド (154)
【Fターム(参考)】