JP2012248545A - 較正機能付きｌｅｄ光モジュール - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ光モジュールの較正に関する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態による光源を示す図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_ｉとし、第ｊのＬＥＤからの光の強度をＩ_ｊ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_ｉ＝Ｗ_ｉ，ｊ＊Ｉ_ｊ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Ｗ_ｉ，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。

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。

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。

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。

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。

Claims (1)

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)。

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