CN101438093A - 具有由分段的光传感器上的图像映射产生的光学反馈的led光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光源，其包括发射至少一种颜色光的LED的阵列，以及用于控制该光源的光输出的控制系统。该控制系统包括用于检测该光源的光输出的光敏元件阵列。成像单元设置在该光敏元件阵列的前面以便其将所述LED阵列的图像映射到所述光敏元件阵列上。将该光敏元件阵列分为多个子区域，每个子区域检测从单个LED输出的光。该控制系统将该子区域的输出用于控制该光源光输出。由此，能够对不同LED光颜色或各个LED的光输出起作用而不必通过时间脉冲方法将其在时间上分离。

Description

具有由分段的光传感器上的图像映射产生的光学反馈的LED光源
技术领域
本发明涉及一种包含发射不同颜色光的LED(发光二极管)阵列的光源，以及用于控制该光源的光输出的控制系统。
背景技术
由于若干种原因，人们对具有彩色LED阵列的光源，也称作RGB LED光源，诸如白色发光光源或色彩可调光源，感兴趣。例如，它们成本低而效率高，并且其光输出的色度可调节。
然而，在LED与LED之间，LED的光输出不同，并且对于每个LED的使用寿命也不同。另外，LED的光输出随着温度反向变化，并且对于不同的颜色该变化也不同。为了使这种光源实现稳定的光输出已经尝试了许多解决办法。在这些解决办法中，引入了不同类型的反馈控制。由此，检测光输出并将该检测用于控制LED的增能。在US6,127,783中披露了一种现有技术的解决办法，其中白色发光光源具有电调节的色彩平衡。该光源包括为红、绿和蓝色的每一种颜色的多个LED，并具有针对每种颜色的分离电源，以及设置为检测所有LED的光输出的光电二极管形式的光敏元件阵列。每种颜色的光输出通过电子控制电路测量，该电子控制电路使在一个序列的时间脉冲内没有被测量到的颜色的LED关断。每种颜色的被测量的光输出与所需要的输出进行比较，该比较可以由用户输入确定，并对每种颜色的电流进行相应的校正。
由此提供的LED光的光反馈控制需要时间脉冲测量以测量每种独立LED光颜色的光输出，或者甚至是对每个LED进行测量。这是由于这样的事实，即如果所有的LED都用于该混合，那么该光源的光输出被反射到光敏元件阵列。时间脉冲耗费时间并且严重地限制了光源的最大输出，特别是对于包含大量LED的光源。
发明内容
本发明的目的在于消除或减少现有技术的上述缺点，并提供一种光源，其中使不同的LED光颜色或各个LED的光输出分开而不必通过时间脉冲方法的方式使它们在时间上分离。
该目的通过如权利要求1所限定的根据本发明的光源来实现。
由此，根据其一个方面，本发明涉及一种光源，其包括发射不同颜色光的LED阵列，以及用于控制该光源的光输出的控制系统。该控制系统包含检测该光源的光输出的检测单元和利用来自检测单元的信息控制该阵列的各个LED的输出的控制单元。该检测单元包含光敏元件阵列，成像单元，以及处理单元。该成像单元设置在该光敏元件阵列的前面以便其将所述LED阵列的图像映射到所述光敏元件阵列上。将该光敏元件阵列分为多个子区域，每个子区域检测从单个所述LED输出的光。该处理单元连接到所述光敏元件阵列用于产生与所述子区域相对应的信号。
由于将光敏元件阵列分隔为多个子区域并以使源自单个LED的光照射到一个子区域的方式在其上映射LED阵列的图像，因此能够在检测该光输出的同时使所有的LED发射并且还能够分辨各种颜色的贡献，甚至是各个LED的贡献。每个子区域由一个或多个传感器阵列元件构成。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求2和3所分别限定的，所产生的信号可以是每一种颜色的总信号，或者是单个信号，其对于每个LED有一个信号。这些实施例在等价的应用中是有用的。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求5所限定的，每个子区域由多个像素构成，即，单个LED在若干个像素上成像。这为该控制提供了健壮性。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求6所限定的，将内反射，而不是直接照明或者外部反射器，用于进行成像。由于没有额外的组件并且在光路上没有遮挡物体是必需的，因此这是有利的。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求7所限定的，使用在两种不同折射率的介质之间的界面处的自然存在的部分反射。由此，不需要附加的反射器元件。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求8所限定的，使光敏元件阵列远离准直器，并因此远离准直器内的LED。由此与设置在准直器内部相比，简化了对LED阵列所产生的热的热绝缘。为了降低由于热波动而对光敏元件阵列产生的影响，该绝缘是合乎需要的。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求9所限定的，将光敏元件阵列与LED并排设置。这是有利的，因为在准直器外面没有光学组件，并且通过将这些光学组件提供为一个组件，它们更易于对准。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求10所限定的，将成像光学元件设置在光敏元件阵列顶部或靠近光敏元件阵列设置。由此可实现光敏元件阵列面积的减小。这进而又减小了没有用于发光的有效面积。注意，尽管这样，光敏元件面积的减小可能以较小的像素尺寸为条件，其反过来可能取决于光敏元件阵列的类型。
根据本发明的光源的实施例，如权利要求11所限定的，成像单元的光学部件与准直器的壁的一部分啮合或构成准直器的壁的一部分。由此，所有或至少主要部分的成像单元设置在该光源的外围与该光敏元件阵列结合。另外，与其他实施例相比，较大部分的反射光在准直器之外与光敏元件阵列耦合，如权利要求12所限定的，其中该光学部件远离该准直器。
另一方面，在后一实施例中，该光学部件更易于安装。
本发明的这些和其他方面将通过参考下述的实施例变得清楚并结合下述的实施例进行阐述。
附图简要说明
现在参考附图详细描述本发明，其中：
图1是根据本发明的光源的第一实施例的示意性截面图；
图2是根据本发明的光源的第二实施例的示意性截面图；
图3是根据本发明的光源的第三实施例的示意性截面图；
图4是根据本发明的光源的第四实施例的示意性截面图；以及
图5是在根据本发明的光源中使用的控制系统的实施例的示意性框图。
具体实施方式
参考图1，光源101包括杯形支撑结构103，多个LED芯片或LED 109，该支撑结构103具有底板105和环绕壁107，该LED芯片或LED 109安装在底板105的顶部上或安装在中间的下支架(submount)上(即在光源101的内侧上)。另外，光源101包括光学准直器111，以及反射器113，该光学准直器111设置在该杯形支撑结构103内并围绕LED 109，并且其是有刻面的并且是绝缘体，该反射器113设置在具有平坦表面115的准直器111的顶部上，该平坦表面115与反射器113的对应平坦表面117接合。反射器113朝向其外端变宽为大于支撑结构103的宽度的宽度，并且被壁107的上端支撑。反射器113也是有刻面的并且用于对从光源101发射的光输出的最终光束进行整形和均匀化，即颜色混合。光敏元件阵列119安装在底板105上或安装在与LED 109相邻的下支架或PCB上并位于底板的中心处，即在光源101的纵轴处。硅胶的主体121覆盖LED阵列和光敏元件阵列119。主体121具有与准直器111的折射率相匹配的折射率，并构成LED 109和准直器111之间的光接触。成像单元123设置在光敏元件阵列119的正前方一定距离处，即如上面图1所示。成像单元123由光学部件组成，并且尤其是由透镜组成，其定位在硅胶主体121和准直器111之间的界面处。透镜123的折射率高于包围材料的折射率。在可替换的构造中，透镜123的折射率可以低于包围材料的折射率，这需要另一种形状的透镜。光源101还包括如图5的虚线所示的控制系统501。
实际上很大程度上由PCB(印刷电路板)上的硬件构成的控制系统501也可以安装在支撑结构103的底板105上。控制系统501通过为LED 515提供激励的电源单元513连接到LED 109，在图5中用515表示，并包含检测器单元，该检测器单元包含对应于光敏元件阵列119的光敏元件阵列505，以及连接到检测单元505的处理单元506。框图大部分是示意性的，并且主要出于披露控制系统的某些部件的目的，并且其打算对于所有结构不同的实施例同等相关而不考虑不同部件的实际位置。存在不同的可替换可用光敏元件阵列，诸如光电二极管阵列，CMOS传感器或CCD。这些光敏元件阵列可以包括彩色滤光器，如本领域技术人员所了解的那样。
控制系统501还包括用于根据所检测的光对光源503(用虚线示出)的光输出进行控制的控制单元507和连接到控制单元507的参考产生单元509。控制单元507包括比较器511。
控制系统501如下那样运行。检测单元505检测光源503的光输出。如上面解释的那样，被检测的光是LED阵列515的图像，其典型地由光源503的内反射光形成。检测单元505的光敏元件阵列具有多个子区域，其中每个子区域接收单个LED 515的光。处理单元506产生表示不同子区域的照明(即不同LED 515的光输出)的输出信号。在比较器511中，输出信号(即实际值)与参考单元509产生的参考信号(即所需要的值)进行比较。通过控制单元507对结果进行处理，控制单元507根据比较的结果(即依赖于比较的结果)为电源单元513产生控制信号。由此，可以借助于控制系统50个别地控制每个LED的光输出。可替换地，LED 515并不都是个别地驱动，而是成组地驱动，由此简化了LED的布线方案，即减少了驱动通道的数量。在这种情况下，这些组的LED的光输出可以借助于控制系统501独立地控制。
在图2中示出了另一实施例。与图1的实施例的不同在于将透镜221靠近光敏元件阵列219设置。
可替换地，在图1和2所示的实施例中，将遮光元件设置在光敏元件阵列119、219和环绕LED 109、209之间以确保阻止直接来自相邻的LED的光到达传感器(即没有在界面115、215处反射就到达传感器的光)。这可以通过具有至少等于LED 109、209的高度的高度的薄的遮光(优选为反射)壁来实现。
在图3中示出了另一实施例。与上述实施例相比，光敏元件阵列319安装在准直器311外部并且成像单元(即透镜321)占据了准直器壁325的一部分。换句话说，将透镜321设置在准直器311和包围介质之间的界面处，该介质为空气。优选地，透镜321与准直器311的模制同时构成。此处，首先使从LED 309发射的光在与透镜321相对的壁325上部分地反射，然后在到达透镜321之前在准直器311的输出表面315的内侧反射。在本实施例中存在用于LED而不存在占据空间的任何光敏元件阵列的全空间。另一方面，其需要光敏元件阵列319的精确对准以便得到LED阵列309的良好图像映射。
在图3a中示出了另一实施例。其与图3所示的实施例的不同仅在于将透镜移动到该被检测的光仅被部分反射一次的位置。换句话说，通过检测器319检测仅在界面315处反射的光。这种构造使得能够进行准直器311和/或反射器313的其他光学设计。
在图4中示出了另一实施例。与图3的实施例相比其不同仅在于将透镜421靠近光敏元件阵列419设置，正好与图2所示的上述实施例类似。该靠近也可以用于图3a的实施例。上面，已经描述了根据本发明的光源的实施例。这些仅被看作非限定性的实例。如本领域技术人员所理解的那样，在本发明的范围内能够有许多改进和进一步的可替换实施例。
例如，处理单元可以产生不代表个别LED而代表个别光颜色的输出信号。然后将代表具有相同的发射光颜色的LED的信号通过该处理单元组合。可替换地，该组合可以在检测单元内已经实现，以便增加接收相同颜色的光的不同子区域产生的信号并提供从检测器单元输出到处理单元的单个信号。
该成像单元可以包含多个透镜和其他组件，也可以完全没有透镜而用其他成像元件取代。
在图3和4所示的实施例中，可以在成像元件和传感器阵列之间提供针孔以减少对不想要的光(背景或杂散光)的检测。
另外，从成像元件到传感器阵列或从针孔到传感器阵列的光路可以被光学遮蔽以防止传感器阵列对还没有穿过成像元件或针孔的光进行检测。
在可替换实施例中，将针孔用于对传感器阵列上的光电二极管成像。该针孔可以是在安装在准直器和传感器阵列之间的另外的遮光介质内的小的透光区域。在这种情况下，没有透镜被用作成像元件。可替换地，针孔是在提供到准直器的外侧表面上的反射层内的小的透光区域。在又一构造中，针孔是在实际上形成准直器的反射器内的小的透光区域。在后一情况下，与LED光学接触的绝缘体具有圆顶形状，即绝缘体具有远离与LED和安装板和/或下支架相接触的侧面的凸的外表面(朝向远离LED)，该圆顶位于准直反射器内。在这种情况下需要附加的光学元件以提供一些反射光用于检测该照明系统的光输出，例如通过在准直器和(第二)反射器之间提供玻璃板。该玻璃板可以具有平坦的底表面以提供传感器阵列的镜面反射，以及或者平面或者粗糙的顶表面。粗糙的顶表面给出了进一步提高LED发射的光的混合的可能性，并由此提高了照明系统发射的光的均匀性。可以在针孔和传感器阵列之间提供附加的光学元件(即，一个或多个透镜)以将图像的尺寸调节到传感器阵列的大小。在后一情况下，可以在该附加的光学元件和传感器阵列之间再提供第二针孔以减少对不想要的光的检测。
由此，如通过上面的实施例所解释的，由于将光敏元件阵列分隔为多个子区域并且以这样的方式在其上映射LED阵列的像，使源自单个LED的光照射一个子区域，将不同LED光颜色或个别LED的光输出分离而不必通过时间脉冲方法的方式将其在时间上分离。
注意，出于本应用的目的，并且特别是关于附加的权利要求，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，术语“一”并不排除多个，其实质上对本领域技术人员而言是显而易见的。另外，如本领域技术人员所理解的那样，至少一部分上述硬件也可以通过软件来实现。

Claims (13)

1.一种光源，其包括发射至少一种颜色光的LED的阵列，以及用于控制该光源的光输出的控制系统，其中该控制系统包括检测该光源的光输出的检测单元和利用来自该检测单元的信息控制所述阵列的各个LED的输出的控制单元，所示检测单元包括：
-光敏元件阵列；以及
-成像单元，其设置在所述光敏元件阵列前面以便其将所述LED阵列的图像映射到所述光敏元件阵列上；其中将所述光敏元件阵列分为多个子区域，其每个子区域检测从所述LED中单独一个输出的光；以及
-处理单元，其连接到所述光敏元件阵列用于产生与所述子区域相对应的信号。
2.根据权利要求1的光源，其中所述产生的信号中的每一个对应于不同的LED光颜色。
3.根据权利要求1或2的光源，其中所述产生的信号中的每一个与单个LED的光输出相关。
4.根据权利要求1或2的光源，其中所述产生的信号中的每一个与发射相同颜色光的一组LED的光输出相关。
5.根据任一前述权利要求的光源，其中所述子区域中的每一个由光敏元件阵列的多个像素构成。
6.根据任一前述权利要求的光源，其中将所述成像单元定位为将光源的内反射光聚焦到光敏元件阵列上。
7.根据权利要求6的光源，其中该光源还包括具有输出端表面的准直器，该光源的一部分光输出在该输出端表面处被朝向该成像单元反射。
8.根据权利要求7的光源，其中该光敏元件阵列设置在距该准直器一定距离处。
9.根据权利要求7的光源，其中该光敏元件阵列设置在该LED之间。
10.根据任一前述权利要求的光源，其中所述成像单元包括靠近该光敏元件阵列设置的光学部件。
11.根据权利要求8的光源，其中所述成像单元包含构成该准直器和该周围环境之间的界面的光学部件。
12.根据权利要求8的光源，其中该成像单元包含距该准直器一定距离设置的光学部件。
13.根据权利要求11或12的光源，其中该光学部件靠近该光敏元件阵列设置。
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