JP2010205530A

JP2010205530A - 多色光源照明システムおよびバックライト装置

Info

Publication number: JP2010205530A
Application number: JP2009049021A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shiba; 俊明司馬; Masato Ishikawa; 真人石川
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】ＬＥＤなどの多色の光源を混合して所望の色度分布の光を生成する照明装置において、光センサの検出情報に基づいて光源の駆動制御を行うために、パルス波で出力されるセンサ信号を平滑化し、より精度の高い比較処理を行う。
【解決手段】本発明は、光センサの検出情報から所定の検出信号を抽出し、抽出した所定の検出信号とパルス幅変調信号に基づいて、比較信号を生成する比較信号生成回路を具備する。得られた比較信号は、目標値となる所定の基準信号と比較され、その比較結果を利用してＬＥＤの駆動電流をＰＷＭ制御する。好ましくは、センサ出力信号を構成するパルス波からピーク値を抽出して保持するピークホールド回路を採用し、ピーク値とパルス幅から比較処理に用いる比較信号を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、多色の光源を用いた照明システムに関し、とくに異なる発光色を有する複数のＬＥＤ（発光ダイオード：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を光源として用いた照明システムに関する。また、かかる照明システムを用いたバックライト装置に関する。

ＲＧＢ（赤、緑、青）など異なる波長帯の光を放出する複数のＬＥＤを並置し、各出射光を混合して面発光させる照明装置において、光センサによってＬＥＤの発光量を測定し、所期の色度分布の発光を得ようとする試みがなされている（例えば特許文献１）。これは、ＬＥＤの経時劣化や温度変化による出力光量の変化を補正する効果を狙ったものであり、各ＬＥＤに対する駆動電流のピーク値やパルス幅を調整して制御するものである。

特開２００４−０２１１４７号公報

ＬＥＤをＰＷＭ（パルス幅変調：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で駆動制御すると、光センサの出力もＰＷＭの波形に対応したものになるので、これを比較信号として使うためには光センサの検出情報を平滑化する必要がある。例えばコンデンサや抵抗などの回路要素を組み合わせて平滑回路を組むことが可能で、これにより直流の信号（例えば電圧信号）に変換することができる。しかしながら、このような平滑回路は、各回路構成要素そのものに起因するバラツキや、温度特性などによって出力信号が安定しない問題があり、結果としてフィードバック制御をしてＬＥＤの発光を調整したにもかかわらず、所期の色度が得られないといったことが起こり得る。

本発明は、従来技術の上記課題に鑑みてなされたもので、以下の特徴を有する。

すなわち、異なる色の光を放出する複数の光源と、光源から放出された光を検出する光センサと、前記複数の光源からの光量を調整するためにパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号出力回路と、を具備し、光センサによって検出された情報に基づいて前記複数の光源の光量を調整する、多色光源照明システムにおいて、前記検出情報から所定の検出信号を抽出し、抽出した当該所定の検出信号と前記パルス幅変調信号に基づいて、比較信号を生成する比較信号生成回路と、比較信号生成回路によって出力された比較信号と所定の基準信号とを比較して、補正信号を生成する補正信号生成回路と、を具備し、前記補正信号に基づいて前記複数の光源からの光量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、各光源をＰＷＭ制御した場合においても、信号の平滑化に伴うバラツキなど従来技術における問題が発生することなく、所期の色度分布をより確実に達成することができる新規で有用な照明システムを提供できる。

本発明に係るバックライト装置の実施形態の例を示す分解斜視図である。センサの感度特性の例を示す図である。本発明に係るバックライト装置およびその制御回路の構成例を示すブロック図である。ＬＥＤの駆動電流のパルス信号の例を示す図である。調光信号、ＬＥＤ駆動電流信号、センサ出力信号およびホールド信号の各信号の関係を示す図である。本発明のＬＥＤ駆動制御の方法を説明するフローチャートである。ピークホールド回路の構成例を示す図である。

本発明の一形態に係るバックライト装置１０の構成例を図１に示す。

本形態のバックライト装置１０は、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の光を放出する複数のＬＥＤをユニットケース２の底部に並列に複数列配設されたＬＥＤアレイ４と、バックフレーム２の側面に配設された光センサ６と、光センサ６と各ＬＥＤアレイ４に電気的に接続された制御回路１２と、ＬＥＤアレイ４が配設されたユニットケース底面から所定の間隔をおいて配設される光学部材８と、光学部材８をユニットケース２との間に固定可能な窓枠状のフロントフレーム１を備える。

ＬＥＤは、バックライト装置１０の光源として機能する。ＬＥＤの発光スペクトルのピークは、赤色ＬＥＤの場合が波長６１０〜６５０ｎｍ、緑色ＬＥＤの場合は波長５１５〜５３５ｎｍ、青色ＬＥＤの場合は波長４４０〜４７０ｎｍの範囲にそれぞれ存在する。ＬＥＤアレイ４は、かかるＲＧＢの発光チップをそれぞれ単色のＬＥＤとしてパッケージングしたものを基板上にアレイ状に並べたものである。

しかしながら、ＬＥＤアレイ４をいかに構成するか、例えばＲＧＢのＬＥＤをいかなる順番に配置するか、１つのアレイ当りのＬＥＤの実装個数およびＬＥＤアレイ４を何列設けるかなどの詳細な構成は、本発明との関係では何ら限定されるものではない。使用するＬＥＤもＲＧＢのものに限らず、黄色やシアンなど他の任意の発光色のＬＥＤを組み合わせて用いることができる。また、各ＬＥＤは、単一のパッケージに多色の発光チップを封入したマルチチップパッケージで構成してもよいし、ＬＥＤ基板上にＲＧＢ等の発光チップを直接実装した形態のものでもよい。

ユニットケース２の底面および側面には、ＬＥＤアレイ４および光センサ６が配置された領域を除く略全体にわたって、白色反射シート等で反射面が形成されており、ＬＥＤから出射された光や後述する拡散板８ｄなどで反射された光を出光部側（フロントフレーム１側）に導く機能をもつ。

本発明においてバックライト装置１０は、図示したようにユニットケース２の底部にマトリックス状に配置した、いわゆる直下式に限定されるものではなく、例えばユニットケース２の少なくとも１つの側面にＬＥＤアレイを配して構成される、いわゆるサイドライト式のものでもよい。この場合には、ユニットケース２の底面にＬＥＤアレイ４からの距離に応じて所定の傾斜をもつリフレクタを配置して、反射光を出光部側（フロントフレーム１側）に導く機構を与えるのが好ましい。

ユニットケース２の底面から所定の距離離れた位置には、拡散シート８ａ、レンズシート８ｂ、拡散シート８ｃなどから構成される光学シートと、拡散板８ｄを重ね合わせた光学部材８が配設されており、大きく開口した窓枠状のフロントフレーム１によって所定の位置に固定される。各ＬＥＤから放出された多色の光は、バックライト装置１０内の中空領域で互いに混合され、白色光となって光学部材８の表面から拡散放射される。このような構成によって、全体にわたって均一な輝度や色度の面発光を得ることができる。また、輝度および色度を充分に均一にするためには、バックライト装置１０を組み立てた状態におけるＬＥＤと光学部材８との距離やＬＥＤの配光角等を調整することによって最適化するのが望ましい。図１は本発明を具現化した例を説明するための模式図に過ぎないため、図示した各部材の寸法や各部材間の距離などは何ら本発明を限定するものではない。

光センサ６は、ＬＥＤから出射された光を検出する機能を有する。光センサ６は、図２に例示したような所定の波長−感度特性を有するシリコン等で形成されたフォトダイオードである。ここで、図の横軸は波長［ｎｍ］、縦軸は相対的な受光感度を表わしている。ＲＧＢの各波長領域に対応してそれぞれ高い感度をもつ受光部は、カラーフィルタにより他の色の光の通過を妨げるようにしている。例えば、赤色の波長領域に高い感度をもつ受光部の近傍、あるいは近接した位置には、緑色と青色の光を遮蔽するカラーフィルタが設けられる。光センサ６は、上述したフォトダイオードに限定されるものでなく、光電子増倍管やＣＣＤ（電荷結合素子）などの受光素子も同様に本発明に適用することができる。

光センサ６の取付けの態様は、図示した特定の形態に限定されず、例えばＬＥＤアレイ４の間に位置するようにユニットケース２の底面に複数の光センサ６を配設してもよい。また、ＬＥＤからの直接光（非反射光）を遮り、一次ないし高次の反射光のみが光センサ６の受光部に入光するように窓部（図示せず）を設けてもよい。

次に、図３を参照して本発明に従ってバックライト装置１０を制御する制御回路１２の構成例について説明する。

バックライト装置１０のケース内において、ＬＥＤの出射光は、光センサ６によって検出される。光センサ６は、図２に例示した感度特性に基づいて入射光に対応する信号４０を出力する。ＬＥＤの出射光の特性は、ＬＥＤドライバ１８によってＬＥＤに対する駆動電流を調整することによって制御することができる。

ＬＥＤの駆動電流は、例えば図４に示したように、そのパルス波１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）のディーティ比（１周期の時間Ｔに対する電流供給時間τの比、すなわちパルス幅τをパルス周期Ｔで割った値）を調整することによって増減させることができる。図示したように、赤色ＬＥＤに対する駆動電流のパルス信号１９Ｒ、緑色ＬＥＤに対する駆動電流のパルス信号１９Ｇ、青色ＬＥＤに対する駆動電流のパルス信号１９Ｂをそれぞれ別異のディーティ比で独立して制御することができる。また、パルス波１９の最大振幅値であるＩ_Ｒ、Ｉ_Ｇ、Ｉ_Ｂがピーク電流値に相当する。

このようにパルス波のディーティ比を調整することによって各ＬＥＤの出射光量を調節すると、光センサ６は、これを受けてこのパルス波の相似形の電気信号を出力する。この出力信号４０は、図３に示したように、電圧ホールド回路１３に入力される。電圧ホールド回路１３は、入力パルス波からピーク値を抽出し、これを所定の時間だけ保持（ホールド）できるような構成となっている。電圧ホールド回路は、種々の公知のものを適用できる。例えば増幅回路で入力信号を増幅し、ダイオードを介してコンデンサなどの容量に通電して充電することによって、ピーク時の電位を保持するような構成を採用することができる。電圧ホールド回路１３によってホールドされた電圧値は、Ａ／Ｄ変換器１４を介してアナログ信号からデジタル信号６０に変換され、コントローラ１６に出力される。

図７に示したピークホールド回路２００を一例としてピークホールド回路の作用を説明する。まずスタート時のホールド値、すなわち出力ＯＵＴと入力ＩＮが比較器ＯＰ１で比較される。ここで入力電圧の方が高いとき、比較器ＯＰ１からＨレベルの信号が出力されてダイオードＤを通じて電気が流れ、コンデンサＣが充電される（矢印２０８）。コンデンサＣにはボルテージフォロワとして設けられたバッファＯＰ２が接続されており、コンデンサＣの電圧を維持しながら出力ＯＵＴに信号を送出する（矢印２０９）ように構成されている。これを繰り返して出力ＯＵＴと入力ＩＮが等しくなるとコンデンサＣに電気が流れなくなり、コンデンサＣへの充電が停止される。その後も回路２００は、コンデンサＣに充電された電圧を出力する（矢印２０９）ため、入力電圧が減少しても「ホールド」された電圧が出力されることになる。

ホールドされた電圧を再調整する際にはリセット手段ＲＥからリセット信号が送出され、コンデンサＣに蓄えられていた電気がトランジスタＴＲを通って放出され（矢印２１０）、ホールド値をリセットすることができる。

なお、上述した構成でピーク電流をホールドすることが可能となるが、時間とともにコンデンサＣに蓄えられた電気が少しずつ散逸することがあるため、図示した回路にさらに抵抗を設けるなどによってこれを防ぐといった構成も採用することができる。このように、ピークホールド回路を具体的にどのように構成するかは本発明との関係で何ら限定すべきものではない。

再び図３を参照し、コントローラ１６は、入力された信号６０に基づいて後述する比較の対象として用いる比較信号を生成する比較信号生成回路と、メモリ１５から読み出した基準値信号７０と比較する比較回路と、比較結果に基づいて補正信号８０を出力する補正信号生成回路とを少なくとも備えている。比較信号は、例えば光センサ６によって出力された検出信号のピーク値に相当する入力信号６０と、ＬＥＤ駆動電流のパルス幅（ディーティ比）を乗ずることによって、生成される。

本発明に従って、上述した手法で比較信号が算出されるが、この比較信号にさらに追加の補正を加えてもよい。例えばＬＥＤの周囲温度の影響を加味してＬＥＤ基板等に近接して取り付けた温度センサ（図示せず）の検出値に基づいて、比較信号をさらに補正するといった応用も可能である。また、制御回路１２を構成する構成要素の一部または全部をマイコンやＩＣなどで構成したり、複数の構成要素を複合化することによって、回路構成を簡略化し、小型化することも可能である。

なお、上述した例では、ＬＥＤ駆動電流は、ＰＷＭによって制御するものとして説明したが、ピーク電流制御とＰＷＭ制御を組み合わせた制御系を採用してもよい。すなわち、所望の調光率に対応する基準信号ピーク値を記憶媒体から読み出して、これによりＬＥＤの駆動電流を増減させることによって一次的な調光を行い、所定の範囲からずれた微差をＰＷＭ制御で二次的な調光を行うといったことも可能である。

図５は、制御回路１２を構成する各ブロックにおける入力／出力信号のタイミングチャートの一例を示しており、図５（ａ）のように、点灯期間Ｔ_１、消灯期間Ｔ_２、点灯期間Ｔ_３の順に調光信号２０を入力した場合を例に説明する。

ＬＥＤドライバ１８から出力されるＬＥＤ駆動電流の信号３０は、ＰＷＭ制御に対応したパルス波形３２である（図５（ｂ））。ＬＥＤは、入力される電気信号に対応して発光するので、光センサ６によって検出され、制御回路１２に対して出力される信号４０も同様の周期をもつパルス波４２となる（図５（ｃ））。本発明では、ここで電圧ホールド回路１３により光センサ出力信号４０のピーク値（最大振幅値）をホールドしている。換言すると、電圧ホールド回路１３の出力信号５０は、そのピークの電圧値が保持されたＤＣ（直流）信号５２となっている（図５（ｄ））。図５（ｃ）において、実線で示したものが光センサの出力信号の波形４２であるが、比較を容易にするためホールドされた信号５２も破線で示している。

このように、パルス波形４２のように表わされる光センサの検出信号４０をいったん電圧ホールド回路１３によってＤＣ電圧化しているため、光センサが検出した信号をより正確にＬＥＤ駆動制御に利用することができる。ホールド回路１３から出力された信号５０は、さらにデジタル化処理されて、調光信号（例えばＬＥＤ駆動電流信号３０）のパルス幅（デューティ比）と乗算することによって、正味のセンサ出力値として扱うことができる。

図５（ｅ）は、従来のようにコンデンサＣおよび抵抗Ｒで平滑化する手法を採用した比較例である。破線で示したパルス波形９０は、光センサの出力信号を示し、実線で示した信号９２は、ＣＲ平滑回路によって平滑化された出力信号を示している。このように、従来の平滑回路を用いて信号の平滑化を行うと、回路構成によって程度の差はあるものの、各回路構成要素の温度特性やバラツキなどが原因となって概ね図示したようなガタつきのある信号になるので、これを比較信号として用いたときに精確さを欠くことになってしまう。

これに対し、センサ出力信号をＤＣ電圧化した本発明では、擬似的な直線信号ではなく、ピーク値をホールドすることによってより正確に比較信号を算出できるので、とくに高演色性が求められる医療用機器などハイエンドのバックライト装置に適用することができるのである。

次に、上記制御回路１２により駆動制御する方法を説明する。図６は、本発明の制御方法を図案化したフローチャートである。

まず、ＬＥＤ駆動回路からＬＥＤ駆動信号（または調光信号）が入力されてＬＥＤが点灯する（または調光される）（処理１０１）。次にＬＥＤの出射光が光センサで検出され、検出信号が制御回路（例えば図３の制御回路１２）に送出される（処理１０２）。パルス波であるセンサからの出力信号のうち、最も振幅の大きい信号値がピークホールド回路によって抽出・保持される（処理１０３）。そして、ピークホールドされた信号は、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル値に変換される（処理１０４）。

デジタル化されたピーク値は、調光信号に基づいて決定されるパルス幅（デューティ比）の値と乗算されて次の比較処理１０７で用いられる比較信号を算出する（処理１０５）。比較処理１０７を実行する比較回路には、この比較信号とともに、メモリなどから読み出された基準値が出力される（処理１０６）。この基準値は、入力された調光信号に対応したセンサ出力値の目標値となる。例えばＬＥＤを最大出力に対して６０％まで調光する場合は、センサ検出値が概ね６０％の値となるように基準値が定められる。このとき必要に応じて、比較値を温度特性など他の要因に基づいてさらに補正を加えてもよい。あるいは、基準値に補正を加えてもよいし、双方に補正を加えてもよいことはいうまでもない。

比較処理１０７では、センサ検出信号から求めた比較値と所定の基準値が比較され、その比較の結果を基に、目標値（基準値）から外れた分だけ補正を加えるパルス幅変調信号を生成する。比較の条件として、比較値と基準値が完全一致に至るまでフィードバックループを繰り返してもよいし、所定の数値範囲内（例えばプラスマイナス３％）であればよい、といったように条件を緩和したものでもよい。

比較結果に基づく補正信号は、再びＬＥＤ駆動回路に回帰し、所定のパルス幅変調信号を生成してＬＥＤを調光する（処理１０８）。こうして駆動電流が微調整されたＬＥＤの出射光を再度センサで検出して同様の信号処理、基準値との比較を行い、所定の輝度・色度が得られるまで繰り返し行われる。

以上の本発明の実施形態に係る説明ではとくに言及しなかったが、本発明に基づく制御回路および制御方法は、ＲＧＢ（赤、緑、青以外の色を含む場合も同様である。）の各色毎に同じものを適用してもよいし、いずれか１つの色（例えば緑）だけに本発明を適用し、その他の色（例えば赤、青）は、緑色のＬＥＤ駆動電流に対する比から算出することもできる。例えば赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤの駆動電流をそれぞれＩ_Ｒ、Ｉ_Ｂとすると、これらは、Ｉ_Ｒ=α_Ｇ、Ｉ_Ｂ＝β_Ｇなどの式から算出してもよい（Ｉ_Ｇは本発明を適用して求められる緑色ＬＥＤの駆動電流であり、α、βは所望の色度分布を得るために定められる任意の定数である。）。

本発明に係る照明システムおよび当該システムを採用したバックライト装置は、各種の情報表示装置、例えば医療用機器やテレビなどに適した液晶ディスプレイとして、または看板照明など広範な用途に適用することができる。

１０バックライト装置
１２制御回路
４ＬＥＤアレイ
６光センサ

Claims

異なる色の光を放出する複数の光源と、
光源から放出された光を検出する光センサと、
前記複数の光源からの光量を調整するためにパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号出力回路と、を具備し、
光センサによって検出された情報に基づいて前記複数の光源の光量を調整する、多色光源照明システムにおいて、
前記検出情報から所定の検出信号を抽出し、抽出した当該所定の検出信号と前記パルス幅変調信号に基づいて、比較信号を生成する比較信号生成回路と、
比較信号生成回路によって出力された比較信号と所定の基準信号とを比較して、補正信号を生成する補正信号生成回路と、を具備し、
前記補正信号に基づいて前記複数の光源からの光量を調整することを特徴とする、多色光源照明システム。
抽出する検出信号が検出情報における最大の振幅値であることを特徴とする、請求項１に記載の多色光源照明システム。
比較信号生成回路がピークホールド回路を具備することを特徴とする、請求項１または２に記載の多色光源照明システム。
請求項１から３のいずれかに記載の多色光源照明システムを具備した、バックライト装置。