CN103453333A - 具有连续光谱的发光二极管光源 - Google Patents

Abstract

一种具有连续光谱的发光二极管(LED)光源，包含有：LED阵列、LED驱动电路、及混光系统。LED阵列包含有多种LED，多种LED包含有荧光粉转换白光LED、红光LED、绿光LED、及蓝光LED。LED驱动电路耦接于LED阵列，用来提供多个不同的驱动信号给LED阵列中的多种LED。混光系统用来混合LED阵列所产生的多种光以产生输出光。其中，LED驱动电路系调整多个驱动信号以使得输出光的光谱模拟预设连续光谱。本LED光源的优点在于:(1)可更准确地模拟预设连续光谱、(2)功耗较低、(3)色温可调整、及(4)光谱连续性较高。

Description

具有连续光谱的发光二极管光源

技术领域

本发明相关于人造光源，尤指一种可调色温且光谱连续性高的发光二极管光源。

背景技术

感光元件(photosensitive component)可将光信号转换为电信号，以实现照相、摄影等等以光感测为基础的功能，目前已被广泛地应用于各种电子产品之中。举例来说，目前常见的感光元件有互补金氧半导体(CMOS)传感器及电荷耦合装置(CCD)传感器等，而可配备有感光元件的电子产品则有数字相机、数字摄影机、手机、及平板计算机等。

感光元件的供货商一般需使用人造的测试光源来对感光元件进行测试。为了降低测试成本及提升测试的准确度，好的测试光源常需具备以下几个特点:(1)可准确地模拟具有明确定义的连续光谱、(2)具有较低的功耗、(3)具有可调的色温、及(4)具有较高的光谱连续性。

然而，由于大部分的测试光源并无法同时兼具以上所有特点，故目前对感光元件的测试常会有测试成本较高及/或测试准确度较低这两个问题。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种发光二极管(LED)光源，以解决上述问题。

本发明实施例提供一种具有连续光谱的LED光源，包含有：LED阵列、LED驱动电路、及混光系统。LED阵列包含有多种LED，多种LED包含有荧光粉转换白光LED、红光LED、绿光LED、及蓝光LED。LED驱动电路耦接于LED阵列，用来提供多个不同的驱动信号给LED阵列中的多种LED。混光系统用来混合LED阵列所产生的多种光以产生输出光。其中，LED驱动电路系调整多个驱动信号以使得输出光的光谱模拟预设连续光谱。

以上实施例的LED光源兼具以下优点:(1)可更准确地模拟预设连续光谱、(2)功耗较低、(3)色温可调整、及(4)光谱连续性较高。因此，以上实施例的LED光源可降低对感光元件的测试成本及提升测试准确度。

附图说明

图1为本发明的发光二极管(LED)光源一实施例的功能方块图。

图2绘示了D65光源的光谱、图1之LED光源模拟D65光源时的两种可能的光谱、及使用红光、绿光、及蓝光LED来模拟D65光源时的光谱。

图3的表格列举了图1的LED光源在不同情形下，各种光的能量在输出光总能量中所占的比例。

【主要元件符号说明】

100          发光二极管光源

120          发光二极管驱动电路

140          发光二极管阵列

140_W        荧光粉转换白光发光二极管

140_R        红光发光二极管

140_G        绿光发光二极管

140_B        蓝光发光二极管

160          混光系统

具体实施方式

请参阅图1。图1为本发明的发光二极管(LED)光源的一实施例功能方块图。本实施例的LED光源100包含有一LED驱动电路120、一LED阵列140、及一混光系统160。

LED阵列140中包含有一或多个荧光粉转换白光LED(phosphor convertedLED)140_W、一或多个红光LED 140_R、一或多个绿光LED 140_G、及一或多个蓝光LED 140_B，这些LED可交错而均匀地焊在一或多块电路板上。

举例来说，荧光粉转换白光LED 140_W可以是由紫外光LED及受其所激发的红蓝绿荧光粉所组成的白光LED，或是由蓝光LED及受其所激发的黄色荧光粉所组成的白光LED。当然，LED阵列140亦可同时包含有这两种不同组成的荧光粉转换白光LED。

藉由调整其组成成分，荧光粉转换白光LED 140_W可以是色温等于或接近6100K的荧光粉转换冷白光LED、或是色温等于或接近4400K的荧光粉转换暖白光LED。当然，LED阵列140亦可同时包含有这两种不同色温的荧光粉转换白光LED。

此外，红光LED 140_R、绿光LED 140_G、及蓝光LED 140_B的峰波长(peak wavelength)可分别等于或接近670、490、及400纳米(nm)。

混光系统160可以是直向式、侧向式、或其它类的混光系统，其可均匀混和LED阵列140所输出的多种光以产生一输出光LO，并使得输出光LO的颜色均匀度及能量均匀度皆达一定水平以上，举例来说，混光系统160可使前述的均匀度皆达到95%以上。而输出光LO可用来作为对感光元件进行测试的测试光。

LED驱动电路120可提供给LED阵列140中不同种的LED不同的驱动信号，这些信号可包括提供给所有同种类白光LED 140_W的白光LED驱动信号DS_W、提供给所有同种类红光LED 140_R的红光LED驱动信号DS_R、提供给所有同种类绿光LED 140_G的绿光LED驱动信号DS_G、及提供给所有同种类蓝光LED 140_B的蓝光LED驱动信号DS_B。藉由改变这些驱动信号中的至少一者，LED驱动电路120可改变红光、绿光、及蓝光在输出光LO中所占的能量比例，使得输出光LO对应于不同色温的光谱。举例来说，驱动信号DS_R、DS_G、及DS_B可为不同的脉宽调变信号(PWM signal)，在改变或不改变驱动信号DS_W的情形下，LED驱动电路120可改变脉宽调变信号DS_R、DS_G、及DS_B中至少一者的工作周期(duty cycle)，以调整红光、绿光、及蓝光在输出光LO中所占的能量比例。

依据荧光粉转换白光LED 140_W的光谱及一预设连续光谱(特别是依据此二光谱间的差异)，LED驱动电路120可调整其所输出的驱动信号，使得输出光LO的光谱可以模拟(simulate)预设连续光谱。举例来说，预设连续光谱可以是D65光源(Artificial Daylight 6500K)的光谱或是其它色温的标准光源的光谱。图2绘示了D65光源的光谱、图1之LED光源100模拟D65光源时的两种可能的光谱、及使用红光、绿光、及蓝光LED来模拟D65光源时的光谱。由图2及以下几段讨论可以得知，LED光源100可使得输出光LO的光谱与预设连续光谱之间具有相当好的相似度。

透过以下公式得出的f1′值可代表任一人造光源的光谱与任一预设连续光谱间的相似度:

${f1}^{\′}=\frac{{\∫}_{\mathrm{\λ}=400}^{\mathrm{\λ}=1100}\mathrm{abs}[s*\left(\mathrm{\λ}\right)-S\left(\mathrm{\λ}\right)]\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{\mathrm{\λ}=400}^{\mathrm{\λ}=1100}S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

而:

$s*\left(\mathrm{\λ}\right)=s\left(\mathrm{\λ}\right)\×\frac{{\∫}_{\mathrm{\λ}=400}^{\mathrm{\λ}=1100}S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{\mathrm{\λ}=400}^{\mathrm{\λ}=1100}s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$

其中:abs[]代表取绝对值、s(λ)为人造光源的光谱、S(λ)为预设连续光谱、s*(λ)为人造光源的光谱经正规化(normalization)后的光谱。而f1′的值越小，代表人造光源的光谱与预设连续光谱间的相似度越高。

举例来说，假设LED 140_W是色温等于或接近6100K的冷白光LED，若要让输出光LO的光谱模拟D65光源的光谱，LED驱动电路120可调整其输出的驱动信号，使得LED阵列140所输出的冷白光、蓝光、绿光、及红光的能量在输出光LO的总能量中所占的能量比例分别为65.1%、0.0%、15.9%、及19.0%。相较于只含有蓝光、绿光、及红光LED的人造光源与D65光源间高达67.5%的f1′值，LED光源100与D65间的f1′值可低到20.6%，这代表相似度的大幅提升。

若要让输出光LO的光谱模拟色温4000K标准光源的光谱，LED阵列140所输出的冷白光、蓝光、绿光、及红光的能量在输出光LO的总能量中所占的能量比例可分别为50.6%、0.0%、5.0%、及44.4%，相较于只含有蓝光、绿光、及红光LED的人造光源与4000K标准光源间高达72.1%的f1′值，LED光源100与4000K标准光源间的f1′值可降低至36.1%。若要让输出光LO模拟色温8000K标准光源的光谱、LED阵列140所输出的冷白光、蓝光、绿光、及红光的能量在输出光LO的总能量中所占的能量比例可分别为58.4%、13.2%、17.1%、及11.4％，相较于只含有蓝光、绿光、及红光LED的人造光源与8000K标准光源间高达68.0%的f1′值，LED光源100与8000K标准光源间的f1′值可降低至15.3%。

另外，假设LED 140_W是色温等于或接近6100K的冷白光LED，且LED阵列140另包含色温等于或接近4400K的暖白光LED，若要让输出光LO的光谱模拟D65光源的光谱，LED驱动电路120可调整其输出的驱动信号，使得LED阵列140所输出的冷白光、暖白光、蓝光、绿光、及红光的能量在输出光LO的总能量中所占的能量比例分别为28.4%、41.2%、0.0%、22.1%、及8.3%，此时LED光源100与D65标准光源间的f1′值可进一步降低至14.4%。若要让输出光LO的光谱模拟4000K标准光源的光谱、前述能量比例则可为4.3%、62.2%、0.0%、8.4%、及25.1%，此时LED光源100与4000K标准光源间的f1′值可进一步降低至20.4%。若要让输出光LO的光谱模拟8000K标准光源的光谱、前述能量比例则可为16.9%、32.6%、27.5%、19.7%、及3.3%，此时LED光源100与8000K标准光源间的f1′值可进一步降低至14.3%。图3的表格整理了在以上情形中，各种光的能量在输出光LO的总能量中所占的能量比例。

综合以上几段所述，不论是要模拟D65、4000K标准光源、8000K标准光源、或甚至其它标准光源，输出光LO的光谱与受模拟的标准光谱间都可以有相当好的相似度，这将可大幅提升对感光元件测试的准确度。

此外，从以上几段可以看出，LED驱动电路120可调整其输出的驱动信号的工作周期以使得LED阵列140所输出的红光、绿光、及蓝光的总能量低于输出光LO的总能量的55%。举例来说，假设LED阵列140包含有前述的冷白光LED但不包含前述的暖白光LED，在输出光LO的色温等于或接近4000K时，LED阵列140所输出的红光、绿光、及蓝光的总能量会占输出光LO的总能量的(0.0+5.0+44.4)%=49.4%；在输出光LO的色温等于或接近6500K时，前述能量比例会变为(0.0+15.9+19.0)%=34.9%；在输出光LO的色温等于或接近8000K时，前述能量比例会变为(13.2+17.1+11.4)%=41.7%。假设LED阵列140包含有前述的冷白光LED及暖白光LED，在输出光LO的色温等于或接近4000K时，LED阵列140所输出的红光、绿光、及蓝光的总能量会占输出光LO的总能量的(0.0+8.4+25.1)%=33.5%；在输出光LO的色温等于或接近6500K时，前述能量比例会变为(0.0+22.1+8.3)%=30.4%；在输出光LO的色温等于或接近8000K时，前述能量比例会变为(27.5+19.7+3.3)%=50.5%。这些能量比例皆低于55%。

传统仅包含有红光、绿光、及蓝光LED的测试光源都有光谱连续性较差的问题，从图2的例子就可以看出，这些测试光源可能只会在位于或接近红光、绿光、及蓝光LED的主波长之处会有较强的能量，在其它波长处的能量则会太低。相较之下，本实施例的LED阵列140不仅包含有离散的红光LED140_R、绿光LED 140_G、及蓝光LED 140_B，还包含有连续的白光LED140_W，故输出光LO会具有相当好的光谱连续性，亦即在红光、绿光、及蓝光这些波段之外的可见光波段依旧会有足够的能量，这点也可以从图2的例子中看出来。此外，即使需调整输出光LO的色温，输出光LO依旧可以保有良好的光谱连续性。因此，在对感光元件进行测试时，即使LED阵列140中各种LED存在波长位移的情形、及/或使用了具有不理想滤波波形的滤波片，依旧不容易对感光元件或其不同色光的子传感器的响应造成误判。由于能减少误判的发生，为感光元件所计算出的校正曲线也会较为准确。

另外，由于LED具有低功耗(low power consumption)的特性，以上实施例将可降低对感光元件测试所需的电力成本。

综上所述，本实施例的LED光源100至少具备以下几个优点:(1)可更准确的模拟预设连续光谱、(2)具有较低的功耗、(3)具有可调整的色温、及(4)具有较高的光谱连续性。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (10)

1.一种具有连续光谱的发光二极管光源，包含有：

一发光二极管阵列，包含有多种发光二极管、该多种发光二极管包含有一荧光粉转换白光发光二极管、一红光发光二极管、一绿光发光二极管、及一蓝光发光二极管；

一发光二极管驱动电路，耦接于该发光二极管阵列，用来提供多个不同的驱动信号给该多种发光二极管；以及

一混光系统，用来混合该发光二极管阵列所输出的多种光以产生一输出光；

其中该发光二极管驱动电路系调整该多个驱动信号以使得该输出光的光谱模拟一预设连续光谱。

2.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该发光二极管驱动电路系调整该多个驱动信号的工作周期以使得该输出光的光谱模拟该预设连续光谱。

3.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该发光二极管驱动电路系调整该多个驱动信号以改变红光、绿光、及蓝光在该输出光中所占的能量比例，使得该输出光对应于不同色温的光谱。

4.如权利要求3所述的发光二极管光源，其中该发光二极管驱动电路系调整该多个驱动信号以使得该发光二极管阵列所输出的红光、绿光、及蓝光的总能量低于该输出光的总能量的55%。

5.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该荧光粉转换白光发光二极管包含有一蓝光发光二极管及受该蓝光发光二极管所激发的黄色荧光粉。

6.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该荧光粉转换白光发光二极管包含有一紫外光发光二极管及受该紫外光发光二极管所激发的红蓝绿荧光粉。

7.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该荧光粉转换白光发光二极管系为一荧光粉转换冷白光发光二极管。

8.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该荧光粉转换白光发光二极管系为一荧光粉转换暖白光发光二极管。

9.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该荧光粉转换白光发光二极管系为一荧光粉转换冷白光发光二极管，且该多种发光二极管另包含一荧光粉转换暖白光发光二极管。

10.如权利要求1所述的发光二极管光源，其中该预设连续光谱系为D65光源的光谱。

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