CN102714904A

CN102714904A - 具有亮度反馈控制的稳定光源

Info

Publication number: CN102714904A
Application number: CN2009801619463A
Authority: CN
Inventors: C.皮西奥托; G.E.蒙特戈梅里; J.迪卡洛
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2012-10-03
Also published as: US20120025715A1; EP2489244A4; US9024535B2; EP2489244B1; EP2489244A1; WO2011046552A1

Abstract

一种具有恒定的亮度的光学照明设备，其中驱动电流由控制器单元控制。温度控制光电检测器间接地监测亮度，并且在发生了亮度改变时通知控制器，使得控制器可以对驱动电流做出适当的调整。还公开了一种调节去往光源的驱动电流的方法，以使亮度能够保持固定并且与周围温度的波动无关。温度补偿光电检测器感测从漫射器透镜反射的光的数量，并且把输出反馈到控制器电路，该控制器电路调节去往光源的驱动电流。所述照明设备可以应用于校准成像系统（比如数字照相机）以及用于扫描器件。

Description

具有亮度反馈控制的稳定光源

背景技术

本发明总体上涉及成像器件和光源（比如发光二极管（LED）），并且更特别地涉及具有与周围温度的改变无关的稳定的已知亮度（辉度（brightness））的光源，以用于校准例如在数字照相机以及其他成像或处理器件中的光传感器。

精密光源具有多种多样的应用，包括在制造过程期间校准数字照相机或曝光计。为了可用于这样的应用，所述光源需要具有恒定的光度，即在某一单位面积上的强度随着时间并且随着诸如温度之类的周围条件的改变而需要是恒定的。大多数LED具有良好的照明特性并且常常被用作精密光源，这部分地是由于其尺寸、制造成本、光谱稳定性、以及发出不同波长的光的能力。然而，正如一般而言对类似器件和光源适用的那样，LED的光度随着温度和老化这二者而发生变化。当初始地施加电流时，存在对器件的立即内部加热，从而导致光度的快速改变。即使被允许“预热”以达到平衡的操作热状态，器件的温度并且因此光度也随着周围温度的改变而变化。另外，令器件在延长的时段中接通以保持恒定的温度缩短了有用的寿命并且可能是昂贵的。为了克服温度变化，可以测量各LED的温度并且对驱动电流进行适当的校正，例如在美国专利6,127,784中所描述的那样。当有多个LED（例如>100）正被使用时这种技术也可能是昂贵的，并且另外，温度的测量不一定足以精确地推断出光输出。此外，即使被保持在恒定的温度，光度也将随着器件的老化而变化。另一种技术可以是测量在每个光源处的导通电阻（或电压降）以推断出温度，并且因此推断出对应的光输出。并且又一种技术将是把光源保持在固定的或恒定的温度以确保有恒定的光输出。由于存在显著的自加热，因此这样的温度调节在器件被冷却（而不是被加热）的情况下将工作得最好，这与加热系统相比通常更昂贵，并且这仍然无法补偿亮度的老化漂移或者多个光源的成本。

虽然下面的讨论主要集中于针对这些问题的经济的长久的解决方案，但是除了用于设置数字照相机的灵敏度的具有恒定亮度水平的已校准光源之外，本发明也可用于许多其他类型的应用。举例来说，本发明可以被用于稳定图像投影系统中的一个或多个光投影器的输出。

对于本领域技术人员而言，通过这样的器件与如参照附图在本申请的剩余部分中所阐述的本发明的代表性实施例的比较，常规和传统方法的更多限制和缺点将变得显而易见。

附图说明

为了更好地理解本发明以及其更多特征，参照了将结合附图阅读的以下描述，其中：

图1是示出根据本发明的光源和控制设备的第一优选实施例的示意图。

图2是示出用于实施本发明的优选实施例的示例性操作的流程图。

图3是结合了本发明的光源的一个实施例的顶部透视图。

具体实施方式

现在将详细参照在附图中示出的本发明的代表性实施例，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。此外，在下面的详细描述中，阐述了许多细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言下述将是显然的，即可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。

本发明尤其提供一种系统设计，其响应于如由温度控制光电二极管测量的检测光输出而调节去往一个或多个光源（优选地是LED）的电流。图1描绘精密照明设备100，其包括光源103、光学光漫射器101、光电检测器102、温度调节加热器104、以及控制器电路105。光源103被描绘为白炽灯，但是其在优选实施例中是安装在印刷电路板上的包括多个LED的阵列。如在2005年2月8日提交的、标题为“Imaging Device Analysis Systems and Imaging Device Analysis Methods”的、顺序号为11/054,209的美国申请（在下文中称作’209申请）所示，所述LED可以被配置在简单的紧密封装的发光器件阵列中，所述发光器件被配置成发出具有相同波长和强度的光。光学光漫射器101可以包括简单的磨砂玻璃板或半透明聚碳酸酯塑料透镜，二者都具有相当高的透射效率，与波长无关，并且被设计成消除辐射光108中的热点（其中由各个LED构成的阵列被采用作为光源103）。目的是在漫射器101的表面上给出基本上均匀的光强度，其随着时间和温度而保持恒定。光学漫射器101的其他配置可以被利用来输出光108以作为均匀波前。辐射光107的一部分被从漫射器101反射或反向散射，并且被光电检测器102拾取。在’209申请（其拷贝被结合在这里以作参考）中所示的示例性实施例中，光电检测器102感测反射光的强度，并且生成与落在器件上的检测光成比例的输出信号111。合适的光电检测器将包括光电二极管、光电晶体管或CDS单元。从光电检测器102生成的输出信号111被施加到控制器电路105，其响应于反射光107的强度而经由多个单独电路112调整光源103的驱动电流。随着所测量的光强度开始下降，控制器105在驱动电流中做出对应的改变以保持如由光电检测器102测量的恒定的亮度。由于反射光107代表来自许多单独光源103的组合光输出，因此每个LED对总体的漫射光输出的贡献基本上相等。通过测量组合光输出，单个器件的故障或部分故障仅仅把光输出下降1/n，其中n是所存在的单独光源的数目。但是由于反射光107代表复合输出，因此可以对其他单独的器件做出成比例的改变以将总亮度提高1/n。

已经知道LED的亮度特性对于近似35℃的周围温度改变会下降50%或更多。由于知道光电检测器对于周围温度的任何改变会显示出输出电压的类似改变，因此光电检测器102被优选地进行温度稳定以将其与类似的温度摆动绝缘，并且确保由控制器105施加的补偿精确地调整如由光电检测器102测量的任何亮度改变。图1中所示的加热器电路和温度传感器器件104是由热敏电阻器或类似器件调节的简单加热器，以保持光电检测器102的周围环境温度被紧密地控制。通过把加热器温度设置为略高于预期的最高周围温度，只需要简单的加热器即可保持光电检测器102的恒定操作温度。在’209申请中所示或如图3中所描绘的物理外壳中，只需要在电路板123的安装光电检测器102的位置下方安装功率晶体管来保持所期望的温度。其他物理周围环境可能需要烤箱外壳以把光电检测器102的温度保持恒定。用于感测光电检测器102的周围温度的热敏电阻器、热电偶、或温度感测集成电路（仅被总体上示出为框104）在直接邻近光电检测器102安装的情况下将工作得最好，这是因为所感兴趣的是光电检测器102的温度而不是所述物理外壳内的某一其他温度。当然，其他物理配置以及周围条件中的普遍预期的温度摆动将需要更精巧的设置来把光电检测器102保持在所期望的固定温度。但是在给出’209申请中所示的优选实施例的情况下，可以容易地把在光电检测器102处的温度摆动保持在 ±1℃以下，以把辐射光输出108保持在所期望的固定强度。（在’209申请所描绘的优选实施例和图3中所示的实施例中，光电检测器102被安装在LED阵列的中心。为了防止所述光电检测器从邻近的LED直接拾取光，围绕光电检测器102已安装了不透明的管状开端遮罩113，使得其只检测来自多个单独的LED 103的反射光107而不是来自各LED 103的直接光。这在图1和图3中被图示为光屏蔽113。）。

设备100的另一优点在于，其将保持稳定的固定光输出，不仅随着周围温度的改变是这样，而且随着由于光源本身的老化或者由于一个或多个单独器件的故障而导致的输出亮度的改变也是这样。虽然LED通常具有超出100,000小时的寿命，但是它们最终会发生故障并且需要被更换。因此，随着输出108出于无论什么原因而开始下降，光电检测器102的输出111告诉控制器105，亮度正在下降，正如反射光107的下降所表明的那样，并且驱动电流112自动地提高各LED 103的操作点以保持恒定的亮度。

该特定发光设备的又一优点在于，由于能够利用光电检测器102间接地感测输出光108，因此有可能具有多个亮度设置。为了获得如由光电检测器102测量的所期望的亮度，源103的发光器件的数目例如可以在对应于低输出设置的20个、对应于中等设置的40个、以及对应于高设置的60个之间变化。通过在控制器电路105内进行适当的调整，这样的设置是可能的。在图3所示的实施例中，对于高输出亮度设置，所有20个LED都将被加电。对于中等设置，邻近光电检测器102的6个LED可以被关断，并且对于最低设置，每隔一个LED可以被关断。（控制概念可能将是尝试保持均匀的光前并且在漫射器处的变化尽可能小，即最小化任何“热点”。）在另一实施例中，控制器105可以被设置成向发光器件103输出适当的驱动电流。这可以利用校准仪器来完成，或者可以通过简单地从低到中等以及到高调节驱动电流来完成。这简单地取决于对于特定应用所需要的期望强度。

在所述优选实施例中，控制器105是遵循PID算法来保持光电检测器102的温度稳定性并且遵循一种不同的算法来控制驱动电流112的微控制器。当然可以把任何数目的商业上可用的微控制器用于这种目的，比如由Microchips Inc.（其位于218 Henry Avenue，St. Louis，MO 63011 USA）制造的型号为PIC16F877的微控制器。

通过设置关于可以合理地预期为光源103加电的驱动电流112的数量的预置极限，有可能在超出这些极限时（不管是+还是-）设置警报。这在图1中被示意性地示出为具有警报输出线120的电流传感器110。虽然这被示出为控制器105外部的器件，但是大多数微控制器具有内建到所述器件本身中的这种功能。并且警报输出线120可以是连接到视觉警报灯或某一其他器件的简单的通/断驱动器。当输出120接通时，这向用户表明，是换出光源103或者以其他方式调查电流为什么已超出预置阈值的时候了。

图2是示出根据本发明的优选实施例的用于控制光源103的亮度的示例性操作200的流程图。在初始步骤210，将初始驱动电流施加到光源103。立即由光电检测器102在220处检测到所生成的光。在步骤230，光电检测器102检测反射光107的亮度，并且生成与所检测到的光级成比例的输出信号111，其在步骤240被反馈到控制器电路105。在步骤250，控制器105向上或向下调整去往光源103的驱动电流112，直到亮度被调整到预定的设置。

虽然已经参照某些实施例描述了本发明的多个方面，但是本领域技术人员将会理解，在不背离本发明的代表性实施例的范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用等同物来替换。举例来说，虽然设备100已被表征为用于校准例如在数字照相机中的光传感器，但是它也可以应用于其中在诸如激光打印机或扫描仪之类的扫描光学单元中偏转聚焦光束的光学器件。另外，可以做出许多修改以使特定情形适于本发明的代表性实施例的教导而不背离其范围。因此意图是，本发明的实施例不限于在这里所公开的特定实施例，而是本发明的代表性实施例包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims

1. 具有恒定的亮度输出的光学照明设备，包括：

具有所期望的亮度输出的多个发光器件；

光漫射器，其被定位成接收所述发光器件的输出；

光电检测器，其适于接收从所述光漫射器反射的光能，并且用于生成与在所述光电检测器处接收到的入射光的数量成比例的输出信号；

光学绝缘器，其被定位在所述发光器件与所述光电检测器之间以阻止所述光电检测器接收直接来自所述发光器件的光；

控制器电路，用于响应于来自所述光电检测器的输出信号而可变地控制去往所述发光器件的驱动电流；

与所述光电检测器邻近的用于感测在该处的温度的温度传感器；

与所述光电检测器邻近的温度补偿装置，用于把所述光电检测器的温度保持在预定的固定设置，从而允许来自所述发光器件的输出亮度是恒定的并且与周围温度的改变无关。

2. 如权利要求1所述的光学照明设备，其中，所述多个发光器件还包括被配置在紧凑阵列中的多个发光二极管（LED）。

3. 如权利要求2所述的光学照明设备，其中，所述光电检测器还包括被定位在所述LED阵列的中心附近的光电二极管。

4. 如权利要求3所述的光学照明设备，还包括：

电流传感器，用于感测去往所述多个LED的驱动电流，并且用于在所感测到的驱动电流超出预定电流阈值时生成警报信号。

5. 如权利要求4所述的光学照明设备，其中，所述温度传感器还包括热敏电阻器。

6. 一种调节去往多个发光源的驱动电流以将其亮度保持在与周围温度的改变无关的恒定水平的方法，所述方法包括：

控制去往所述多个发光源的驱动电流以得到具有预定亮度的输出光；

使所述输出光穿过光学漫射器，并且把来自所述光学漫射器的输出光的反射部分光学地耦合到光电检测器，同时使所述光电检测器免于接收直接来自所述发光源的输出光；

在所述光电检测器处生成与在所述光电检测器处接收到的输出光的反射部分的亮度成比例的信号；

根据光电检测器信号，调整去往所述多个发光源的驱动电流，使得所述输出光的亮度保持在预定的固定水平；以及

测量在所述光电检测器处的周围温度，同时应用加热或冷却以用于把所述光电检测器的温度保持为恒定的。

7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述多个发光源包括被配置在紧凑阵列中的多个LED。

8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述光电检测器还包括被定位在所述LED阵列的中心附近的光电二极管。

9. 如权利要求8所述的方法，还包括：

感测去往所述多个发光器件的驱动电流；以及

当所感测到的驱动电流超出预定阈值时生成警报信号。

10. 一种成像器件校准设备，包括：

具有预定亮度输出的多个发光二极管，其被布置在紧凑阵列中；

光漫射器，其被定位成接收所述发光二极管的输出；

光学绝缘器，其被定位在所述发光二极管与所述光电检测器之间以阻止所述光电检测器接收直接来自所述发光二极管的光；

处理电路，用于响应于来自所述光电检测器的输出信号而可变地控制去往所述发光二极管的驱动电流以允许所述成像器件的校准；

与所述光电检测器邻近的温度传感器，用于感测周围环境温度；

与所述光电检测器邻近的温度补偿装置，用于把所述光电检测器的温度保持在预定的恒定温度，从而使所述光电检测器的响应对于周围温度的改变基本上不敏感，并且因而允许把来自所述发光二极管的输出亮度调节成恒定的并且与所述成像器件校准设备的周围温度的改变无关。

11. 如权利要求10所述的成像器件校准设备，其中，所述光学绝缘器被配置为至少在一端开放的不透明管状遮罩。

12. 如权利要求11所述的成像器件校准设备，其中，所述光电检测器还包括被定位在所述发光二极管阵列的中心附近的光电二极管。

13. 如权利要求10所述的成像器件校准设备，其中，所述处理电路还被配置成具有对应于所述发光二极管的阶梯式亮度设置的多个驱动电流设置。

14. 用于调节去往具有所期望的亮度的LED阵列的驱动电流并且用于稳定所述亮度以使其与周围温度的波动无关的设备，所述设备包括：

光漫射器，其被定位成接收从所述LED生成的光；

光电检测器，其适于仅仅接收从所述光漫射器反射的以及反向散射的光能，所述光电检测器用于生成与在所述光电检测器处接收到的入射光的数量成比例的输出信号；

控制器电路，用于响应于来自所述光电检测器的输出信号而可变地调节去往所述LED的驱动电流；

与所述光电检测器邻近的温度传感器；

与所述光电检测器邻近的温度补偿装置，用于把所述光电检测器的温度保持在预定温度，从而允许所述LED的输出亮度是恒定的并且与周围温度的改变无关。

15. 如权利要求14所述的设备，其中，所述温度传感器包括温度感测集成电路。

16. 如权利要求15所述的设备，其中，所述光电检测器被定位在所述LED阵列的中心，并且被封闭在开端不透明管状遮罩内以使其免于接收来自所述LED的直接光。