CN109362148A - Led照明设备以及校准和控制led照明设备的方法 - Google Patents

Led照明设备以及校准和控制led照明设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及LED照明设备以及用于随着温度、驱动电流和时间的变化而校准和控制LED照明设备的方法。提供了照明设备以及用于校准和控制照明设备中的个别LED以便随着驱动电流、温度的变化以及随着所述LED老化的时间而获得所述设备的期望光通量和色度的方法。所述照明设备可以包括磷光体转换LED，所述磷光体转换LED被配置成用于为所述照明设备发出照明，其中，从所述磷光体转换LED发出的所述照明的光谱包括具有第一峰值发射波长的第一部分以及具有不同于所述第一峰值发射波长的第二峰值发射波长的第二部分。所述方法用于校准和控制所述磷光体转换LED光谱的每一个部分，如同所述磷光体转换LED是两个单独的LED。还提供了一种包括一个或多个发射器模块的照明设备，所述一个或多个发射器模块具有改进的热特性和电特性。

Description

LED照明设备以及校准和控制LED照明设备的方法
本分案申请是基于申请号为201580043185.7，申请日为2015年6月25日，发明名称为“LED照明设备以及用于随着温度、驱动电流和时间的变化而校准和控制LED照明设备的方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及包括多个发光二极管(LED)的照明设备，并且更具体地涉及照明设备以及用于校准和控制照明设备中的个别LED以便随着驱动电流、温度的变化以及随着LED老化的时间而获得设备的期望光通量和色度的方法。本文中还提供了一种包括一个或多个发射器模块的照明设备，所述一个或多个发射器模块具有改进的热特性和电特性。
背景技术
以下描述和示例仅作为背景提供并且旨在揭露被认为与本发明有可能相关性的信息。未必旨在承认或不应当解释为承认以下信息中的任何信息构成对本文中所要求保护的主题的可取得专利的特性有影响的现有技术。
在许多不同的市场中，使用LED(发光二极管)来进行照明的灯和显示器变得越来越流行。相比如白炽灯泡或荧光灯泡等传统光源，LED提供许多优点，包括低功耗、长寿命、无危险材料、以及针对不同应用的附加特定优点。当用于进行一般照明时，LED提供机会来调整颜色(例如，从白色到蓝色、到绿色等)或色温(例如，从“暖白色”到“冷白色”)，从而产生不同的照明效果。
尽管LED相比常规光源具有许多优点，但是LED的一个缺点是其输出特性(例如，光通量和色度)随着驱动电流、温度的变化以及随着LED老化的时间而变化。这些效果在将许多不同颜色的发射LED组合到单个封装件中的多颜色LED照明设备中尤其明显。
多颜色LED照明设备的示例是这样的多颜色LED照明设备：在所述多颜色LED照明设备中，两种或更多种不同颜色的LED被组合到同一封装件内以便产生白光或近白光。市场上存在许多不同类型的白光灯，其中一些组合了红色、绿色和蓝色(RGB)LED，红色、绿色、蓝色和黄色(RGBY)LED，磷光体转换白色和红色(WR)LED，RGBW LED等。通过将不同颜色的LED组合到同一封装件内，并使用不同的驱动电流来驱动不同颜色的LED，这些灯可以被配置成用于生成宽色域的颜色点或范围为从“暖白”(例如，大致2600K-3700K)到“中性白”(例如，3700K-5000K)到“冷白”(例如，5000K-8300K)的相关色温(CCT)内的白光或近白光。一些多颜色LED照明设备还使得能够将照明的亮度和/或颜色改变至特定的设定点。当被设定至标准化色度图上的特定调光水平和色度设置(或颜色设定点)时，这些可调节照明设备应当都产生相同的颜色和显色指数(CRI)。
色度图绘制了人眼在色度坐标和光谱波长方面可以感知到的颜色的色域。所有饱和色的光谱波长分布在所勾勒的空间(被称为人类视觉的“色域”)的边缘周围，所述空间包括人眼所感知的所有色调。色域的弯曲边缘被称为光谱轨迹并且与单色光相对应，每一个点都表示单个波长的纯色调。色域的下部分上的直边缘被称为紫色线。尽管这些颜色在色域的边界上，但是它们在单色光中没有对等物。欠饱和颜色出现在图的内部，白色和近白色在中心附近。
在1931CIE色度图中，依据色度坐标(x，y)来绘制人类视觉的色域中的颜色。例如，峰值波长为625nm的红色(R)LED的色度坐标可以是(0.69，0.31)、峰值波长为528nm的绿色(G)LED的色度坐标可以是(0.18，0.73)、并且峰值波长为460nm的蓝色(B)LED的色度坐标可以是(0.14，0.04)。沿着黑体轨迹的色度坐标(即，颜色点)服从普朗克方程E(λ)＝Aλ-5/(e(B /T)-l)。黑体轨迹上或附近的颜色点提供色温范围在约2500K与10,000K之间的一系列白光或近白光。通常通过混合来自两个或更多个不同颜色的LED的光从而实现这些颜色点。例如，可以混合从图1中所示出的RGB LED中发出的光，从而产生色温范围在约2500K至约5000K的基本上白色的光。
尽管照明设备通常被配置成用于产生沿着黑体曲线布置的白色温或近白色温(比如，约2500K至5000K)，但是一些照明设备可以被配置成用于产生个别LED(例如，RGB)形成的色域18(三角)内的任何颜色。组合光的色度坐标(例如，针对3000K白光，(0.437，0.404))限定了设备旨在进行操作的目标色度或颜色设定点。在一些设备中，可以通过变更向个别LED供应的驱动电流比率来改变目标色度或颜色设定点。
通常，可以通过调整向发射LED中的一个或多个发射LED供应的驱动电流水平(在电流调光中)或占空比(在PWM调光中)照明设备的目标色度。例如，包括RGB LED的照明设备可以被配置成用于通过增大向红色LED供应的驱动电流并减小向蓝色和/或绿色LED供应的驱动电流从而产生“更暖”白光。由于调整驱动电流还影响照明设备的流明输出和温度，所以必须仔细地校准和控制目标色度，以便确保实际色度等于目标值。大多数现有技术照明设备无法提供用于控制照明设备的颜色的准确校准和补偿方法。
一些现有技术照明设备还提供调光能力，即，除了(或代替)颜色调节以外，改变发射LED中输出的亮度或光通量的能力。在大多数情况下，通过调整驱动电流水平(在电流调光中)或向所有发射LED供应的驱动电流(在PWM调光中)的占空比来改变调光水平，从而供应目标调光水平。然而，调整所供应的驱动电流改变了照明的色度，并且这种色度改变因不同LED设备和不同调光方法而不同。例如，RGB LED照明设备的色度可能随着驱动电流水平和占空比的变化而相当显著地变化，而磷光体转换白色LED照明设备的色度更加一致。为了维持一致的目标色度，必须通过一系列目标调光水平来仔细地校准一系列目标色度值。
在实践中，由于温度的改变和随着LED老化的时间，现有技术照明设备产生的流明输出和色度经常不同于目标调光水平和目标色度设置。通常，温度的改变影响所有磷光体转换LED和非磷光体转换LED的流明输出和色度。虽然现有技术设备可以执行某种水平的温度补偿，但是由于它们无法认识到温度不同程度地影响不同颜色的LED的流明输出和色度，所以它们无法提供准确结果。此外，这些现有技术设备无法解释磷光体转换LED产生的照明的色度偏移，所述色度偏移由磷光体老化而产生。因此，这些现有技术设备无法在工作条件下以及在LED照明设备的使用期内维持照明设备的期望光通量和期望色度。
仍然需要改进的照明设备以及用于校准和补偿LED照明设备内的个别LED的改进方法，以便随着温度的变化、驱动电流的变化以及随着LED老化的时间而准确地维持照明设备的期望光通量和期望色度。在多颜色LED照明设备中(因为不同颜色的LED不同程度地受温度和老化的影响)以及在使得能够通过调整向LED中的一个或多个LED供应的驱动电流来改变目标调光水平和/或目标色度设置的可调节照明设备中(因为驱动电流的改变内在地影响照明设备的流明输出、颜色和温度)尤其保证了这种需要。
发明内容
以下对照明设备以及用于校准和控制照明设备的方法的各种实施例的描述不应当以任何方式被解释为限制所附权利要求的主题。
根据一个实施例，本文中提供了一种用于校准发光二极管(LED)照明设备中的个别LED从而使得可以随着驱动电流、温度的变化以及随着LED老化的时间而维持设备的期望光通量和期望色度的方法。通常，本文中所描述的照明设备可以包括多个发射LED或者多个发射LED链以及至少一个专用光电检测器。为了简单起见，术语“LED”将在本文中用于指代单个LED或供应有相同驱动电流的串联连接的LED链。尽管本文中所描述的方法中的一些方法可以仅涉及第一LED，但是可以针对包括在照明设备内的每一个发射LED执行所述方法。
根据一个实施例，如本文中所提供的校准方法可以包括：使照明设备经受第一环境温度以及向照明设备的第一LED连续地施加至少三个不同的驱动电流，从而产生三个或更多个不同亮度水平的照明。在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下，所述校准方法可以从所述第一LED产生的照明中获得多个光学测量结果并且从所述至少一个专用光电检测器中获得多个电测量结果。在一些实施例中，所述多个光学测量结果可以包括多个光通量测量结果和色度测量结果，所述光通量测量结果和色度测量结果是从由所述第一LED在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下所产生的照明中获得的。
在一些实施例中，所述多个电测量结果可以包括多个光电流以及多个正向电压，所述多个光电流是由第一LED在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下所产生的照明在光电检测器上感生的，并且多个正向电压是在测量每一个感生光电流之前、期间或之后在光电检测器两端测量的。通常在光电检测器两端通过向光电检测器施加非工作驱动电流来测量正向电压。根据包括在照明设备内的光电检测器的数量、(多个)光电检测器的大小、以及它们的连接方式，施加到光电检测器上用于测量正向电压的非工作驱动电流范围可以在约100μA与约1mA之间。
在一些实施例中，所述校准方法还可以通过在从光电检测器中测量每一个感生光电流之前、期间或之后的某个时间向第一LED施加非工作驱动电流来测量在第一LED的阳极和阴极两端产生的正向电压。根据第一LED的大小，施加到第一LED上用于测量正向电压的非工作驱动电流范围可以在约1mA与约10mA之间。
通常，施加到第一LED上用于获得光通量、色度和感生光电流测量结果的驱动电流可以是工作驱动电流水平(例如，约20mA至约500mA)，并且由此可以基本上大于向光电检测器供应的非工作驱动电流(例如，约0.1mA至约1mA)以及向第一LED供应的用于测量正向电压的非工作驱动电流(例如，约0.1mA至约10mA)。在一些情况下，可以向第一LED连续地施加越来越大的驱动电流水平，以便获得光通量、色度和感生光电流测量结果。在其他情况下，在向第一LED连续地施加逐渐减小的驱动电流水平之后，可以获得光通量、色度和感生光电流测量结果。要是驱动电流彼此不同，那么在光学测量和电测量期间施加驱动电流的顺序在很大程度上不重要。
在一个实施例中，在向第一LED连续地施加第一工作驱动电流、基本上小于第一工作驱动电流的第二工作驱动电流、以及基本上小于第二工作驱动电流的第三工作驱动电流之后，可以从第一LED中获得三个光通量测量结果、三个x色度测量结果、三个y色度测量结果和三个感生光电流测量结果。在一个示例中，第一工作驱动电流可以基本上等于与第一LED相关联的最大驱动电流(例如，根据LED零件号和制造商，约500mA)、第二工作驱动电流可以为最大驱动电流的约30％、并且第三工作驱动电流可以为最大驱动电流的约10％。尽管在本文中提供了示例，但是所述校准方法并不限于任何特定值或任何特定数量的驱动电流水平，并且基本上可以向第一LED施加该LED的工作电流水平范围内的任何值和/或任何数量的驱动电流水平。此外，所述校准方法不限于测量仅CIE 1931 XYZ颜色空间中的色度，并且可以另外地或可替代地测量可以用于描述包括如在本文中所描述的发射LED的组合的LED照明设备的色域的任何颜色空间中的色度。
在第一环境温度下获得光学和电测量值之后的某个时间，可以将获得步骤的结果存储在照明设备内，以便在第一温度下校准第一LED。在一个实施例中，在第一环境温度下获得的光学和电测量值可以存储在校准值表内。
在一些情况下，所述校准方法可以通过以下方式而继续：使照明设备经受不同于第一环境温度的第二环境温度，以及重复以下步骤：向第一LED连续地施加所述至少三个不同的驱动电流；从第一LED在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下所产生的照明中获得多个光学测量结果；从光电检测器中获得多个电测量结果；以及将所述获得步骤的结果存储在照明设备内，以便在第二环境温度下校准第一LED。在一个实施例中，在第二环境温度下获得的光学和电测量值可以存储在校准值表内。
在一个实施例中，第二环境温度可以基本上小于第一环境温度。例如，第二环境温度可以约等于室温(例如，大致25℃)，并且第一环境温度可以基本上大于室温。在一个示例中，第一环境温度可以更接近升高的温度(例如，大致70℃)或最大温度(例如，大致80℃)，所述设备预期在升高的温度或最大温度下进行操作。在替代性实施例中，第二环境温度可以基本上大于第一环境温度。
值得注意的是，施加来校准第一LED的温度的确切值、数量和顺序在某种程度上不重要。然而，通常期望从第一LED中获得光通量和色度测量结果，并在足量的不同驱动电流水平下从(多个)光电检测器中获得光电流测量结果，从而使得这些测量结果与驱动电流之间的非线性关系可以准确地表征为跨第一LED的工作电流水平范围。在一个示例性实施例中，照明设备可以经受从照明设备的工作温度范围内选择的两个(或更多个)基本上不同的环境温度。
根据另一个实施例，在本文中提供了一种具有多个发光二极管(LED)链的照明设备，所述LED链被配置成用于为照明设备产生照明；以及光电检测器，所述光电检测器被配置成用于检测所述多个LED链中的每一个LED链产生的照明。通常，每一个LED链可以包括相同颜色的一个或多个LED。在一些实施例中，每一个LED链可以被配置成用于产生具有不同峰值发射波长的照明。在其他实施例中，两个或更多个LED链可以被配置成用于产生具有相同峰值发射波长的照明。
照明设备可以进一步包括LED驱动器和接收器电路，所述LED驱动器和接收器电路被配置成用于：当LED链经受第一环境温度时，以每次一个LED链的方式向LED链中的每一个LED链连续地施加所述至少三个不同的驱动电流，以便产生不同亮度水平的照明；测量LED链中的每一个LED链在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下所产生的照明在光电检测器上感生的光电流；以及在测量每一个感生光电流之前、期间或之后测量在光电检测器两端产生的正向电压。此外，LED驱动器和接收器电路还被配置成用于重复以下步骤：向LED链中的每一个LED链连续地施加至少三个不同的驱动电流；测量在光电检测器上感生的光电流；以及当LED链经受不同于第一环境温度的第二环境温度时测量在光电检测器两端产生的正向电压。
照明设备可以进一步包括被配置成用于接收光通量测量结果和色度测量结果的接口，当LED链经受第一和第二环境温度时，在接收到LED链中的每一个LED链在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下所产生的照明之后，通过外部校准工具来测量光通量测量结果和色度测量结果。在一个实施例中，所述接口可以是被配置成用于使用射频(RF)、红外(IR)光或可见光来进行通信的无线接口。例如，所述无线接口可以被配置成用于根据ZigBee、WiFi或蓝牙通信协议中的至少一者来进行操作。在另一个实施例中，所述接口可以是被配置成用于通过AC电源、专用导体或一组导体来进行通信的有线接口。
照明设备可以进一步包括存储介质，所述存储介质被配置成用于将针对LED链中的每一个LED链而获得的光电流、正向电压、光通量、和色度测量结果存储在校准值表内。在一些实施例中，存储在存储介质中的光电流、正向电压、光通量和色度测量结果可以包括从LED驱动器和接收器电路以及外部校准工具中获得的测量值。在其他实施例中，测量值可以用于计算校准系数，除了所接收的校准值或代替所接收的校准值，所述校准系数存储在存储介质内。
根据一个实施例，针对每一个LED链，校准值表可以包括：第一多个光电流值，所述第一多个光电流值是当LED链经受第一环境温度并且所述至少三个不同的驱动电流被连续地施加到所述LED链上时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的；第二多个光电流值，所述第二多个光电流值是当LED链经受第二环境温度并且向LED链连续地施加所述至少三个不同的驱动电流时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的；以及多个正向电压值，所述多个正向电压值是在测量每一个光电流值之前、期间或之后在光电检测器两端测量的。
在一些实施例中，LED驱动器和接收器电路可以被进一步配置成用于向每一个LED链施加非工作驱动电流，以及用于在测量每一个感生光电流之前、期间或之后测量在每一个LED链两端产生的正向电压。在这种实施例中，针对每一个LED链，校准值表可以包括：第一多个正向电压值，所述第一多个正向电压值是当LED链经受第一环境温度时在向LED链施加非工作驱动电流之后在LED链两端测量的；以及第二多个正向电压值，所述第二多个正向电压值是当LED链经受第二环境温度时在向LED链施加非工作驱动电流之后在LED链两端测量的。
在一些实施例中，针对每一个LED链，校准值表可以进一步包括：第一多个光通量值，所述第一多个光通量值是当LED链经受第一环境温度时在向所述LED链施加所述至少三个不同的驱动电流之后从LED链中检测到的；以及第二多个光通量值，所述第二多个光通量值是当LED链经受第二环境温度时在向LED链施加所述至少三个不同的驱动电流之后从LED链中检测到的。
在一些实施例中，针对每一个LED链，校准值表可以进一步包括：第一多个x色度值和第一多个y色度值，所述第一多个x色度值和所述第一多个y色度值是当LED链经受第一环境温度时在向所述LED链施加所述至少三个不同的驱动电流之后从LED链中检测到的；以及第二多个x色度值和第二多个y色度值，所述第二多个x色度值和所述第二多个y色度值是当LED链经受第二环境温度时在向LED链施加所述至少三个不同的驱动电流之后从LED链中检测到的。然而，校准值表不限于仅存储来自CIE 1931 XYZ颜色空间的色度值，并且可以另外地或可替代地存储来自包括如在本文中所描述的发射LED的组合的LED照明设备的色域的任何颜色空间的色度值。
在一些实施例中，照明设备可以进一步包括附加光电检测器，所述附加光电检测器被配置成用于检测所述多个LED链的子集产生的照明。在一个示例中，LED链的所述子集可以包括磷光体转换LED链(例如，磷光体转换白色LED链)和参考LED链(例如，蓝色LED链)。
在这种实施例中，LED驱动器和接收器电路可以被进一步配置成用于：当LED链经受第一和第二环境温度时，测量磷光体转换LED链和参考LED链在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下单独产生述照明在附加光电检测器上感生的光电流；以及在测量每一个感生光电流之前、期间或之后测量在附加光电检测器两端产生的正向电压。
在这种实施例中，针对所述子集内的每一个LED链，校准值表可以进一步包括：第一多个光电流值，所述第一多个光电流值是当LED链经受第一环境温度并且所述至少三个不同的驱动电流被连续地施加到所述LED链上时在从LED链中接收到照明之后从附加光电检测器中获得的；第二多个光电流值，所述第二多个光电流值是当LED链经受第二环境温度并且向LED链连续地施加所述至少三个不同的驱动电流时在从LED链中接收到照明之后从附加光电检测器中获得的；以及多个正向电压值，所述多个正向电压值是在测量每一个光电流值之前、期间或之后在附加光电检测器两端测量的。感生光电流以及在附加光电检测器两端测量的正向电压可以作为测量值或所计算的系数而被存储在存储介质内。
根据另一个实施例，在本文中提供了一种用于控制LED照明设备从而使得可以随着温度和驱动电流的变化而维持所述设备的期望光通量和期望色度的第一补偿方法。通常，所述第一补偿方法可以通过以下方式开始：向所述多个发射LED施加对应驱动电流，以便基本上连续地驱动所述多个发射LED产生照明；周期性地关断所述多个发射LED较短持续时间；以及在周期性地关断所述多个发射LED的较短持续时间内，通过以每次一个LED的方式向每一个发射LED施加非工作驱动电流，测量当前在每一个发射LED两端产生的正向电压。如在本文中所使用的，非工作驱动电流可以描述为驱动电流水平，所述驱动电流水平不足以从LED中产生显著照明并且其范围可以在约0.1mA与约10mA之间。
在本文中所描述的第一补偿方法可以进一步包括：使用在每一个发射LED两端测量的正向电压、向每一个发射LED供应的对应驱动电流、将在多个不同温度下的正向电压和驱动电流与色度进行相关的已存储校准值表、以及一种或多种插值技术来确定对每一个发射LED预期的色度值。在一些实施例中，所述方法可以进一步包括：监测照明设备的目标亮度设置和目标色度设置；以及仅当检测到目标亮度设置和目标色度设置中的至少一者的变化时才执行测量和确定步骤。
通常，已存储校准值表可以包括与CIE 1931 XYZ颜色空间、CIE 1931 RGB颜色空间、CIE 1976 LUV颜色空间或各种其他RGB颜色空间(例如，sRGB、Adobe RGB等)相对应的色度校准值。尽管在本文中所描述的第一补偿方法可以仅利用x和y色度校准值，但是本领域的技术人员将理解如何以替代性方式获取来自其他颜色空间的色度值并如何将其用于本文中所描述的方法。如此，第一补偿方法被认为包括来自任何颜色空间的可以用于描述基本上包括如本文中所描述的发射LED的任何组合的LED照明设备的色域的色度校准值。
根据一个实施例，针对每一个发射LED，已存储校准值表可以包括：第一多个x色度值和第一多个y色度值，所述第一多个x色度值和第一多个y色度值是先前当发射LED经受第一温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的；以及第二多个x色度值和第二多个y色度值，所述第二多个x色度值和所述第二多个y色度值是先前当发射LED经受第二温度时在校准阶段期间在向发射LED施加所述多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的。
此外，校准值表可以包括每一个发射LED的第一多个正向电压值和第二多个正向电压值。第一多个正向电压值可以是当发射LED经受第一温度时，在向发射LED施加所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后，在向发射LED施加非工作驱动电流之后，之前在发射LED两端测量的正向电压值。第二多个正向电压值可以是当发射LED经受第二温度时，在向发射LED施加不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后，在向发射LED施加非工作驱动电流之后，之前在发射LED两端测量的正向电压值。
在一个实施例中，每一个发射LED的预期x色度值可以通过以下方式确定：通过在第一多个x色度值与第二多个x色度值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的正向工作电压相对应的第三多个x色度值；如果向发射LED供应的对应驱动电流不同于在校准阶段期间施加到发射LED上的多个不同的驱动电流之一，则生成第三多个x色度值之间的关系；以及根据所生成的关系来确定发射LED的与施加到发射LED上的对应驱动电流相对应的预期x色度值。
在一个实施例中，每一个发射LED的预期y色度值可以通过以下方式确定：通过在所述第一多个y色度值与所述第二多个y色度值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的正向工作电压相对应的第三多个y色度值；如果向LED供应的对应驱动电流不同于在校准阶段期间施加到发射LED上的所述多个不同的驱动电流之一，则生成第三多个y色度值之间的关系；以及根据所生成的关系来确定发射LED的与施加到发射LED上的对应驱动电流相对应的预期y色度值。
在一些情况下，所述计算第三多个x色度值和第三多个y色度值的步骤各自可以包括：使用线性插值技术来在第一与第二多个x和y色度值之间进行插值。在一些情况下，所述生成关系的步骤可以包括：向所述第三多个x和y色度值应用更高阶插值，以便生成x和y色度与在发射LED两端测量的正向电压下的驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，所述生成关系的步骤可以包括：向第三多个x和y色度值应用分段线性插值，以便近似估计x和y色度与在发射LED两端测量的正向电压下的驱动电流之间的非线性关系。在又其他情况下，所述生成关系的步骤可以包括：从LED制造商所提供的数据表中假设典型曲率。
在一些实施例中，第一补偿方法可以进一步包括要实现照明设备的目标亮度设置和目标色度设置而需要从每一个发射LED中获得的相对光通量。通常，使用目标亮度设置、目标色度设置、根据所生成的关系所确定的预期x色度值和预期y色度值来计算每一个发射LED的相对光通量。
在一些实施例中，第一补偿方法可以进一步包括：使用以下各项来确定实现针对发射LED而计算的相对光通量所需要的驱动电流：在每一个发射LED两端测量的正向电压、已存储校准值表、以及一种或多种插值技术；以及使用所确定的驱动电流来驱动每一个发射LED以产生具有所计算的相对光通量的照明。
除了将在多个不同温度下的正向电压与驱动电流进行相关以外，已存储校准值表可以进一步使在多个不同温度下的正向电压和驱动电流与光通量相关。例如，针对每一个发射LED，已存储校准值表可以包括：第一多个光通量值，所述第一多个光通量值是先前当发射LED经受第一温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的；以及第二多个光通量值，所述第二多个光通量值是先前当发射LED经受第二温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的。
针对每一个发射LED，所述确定驱动电流的步骤可以包括：通过在第一多个光通量值与第二多个光通量值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的正向电压相对应的第三多个光通量值；如果针对发射LED所计算的相对光通量不同于第三多个光通量值之一，则生成第三多个光通量值之间的关系；以及通过从所生成的关系中选择与所计算的相对光通量相对应的驱动电流来确定实现所计算的相对光通量所需要的驱动电流。
在一些情况下，可以通过使用线性插值技术或非线性插值技术在第一与第二多个光通量值之间进行插值从而计算第三多个光通量值。通常，基于每一个发射LED的颜色来针对所述发射LED独立地做出线性插值技术与非线性插值技术之间的选择。
在一些情况下，可以通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光通量值上应用更高阶插值，以便生成光通量与驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，可以通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光通量值应用分段线性插值，以便近似估计光通量与驱动电流之间的非线性关系。在又其他情况下，可以通过以下方式来生成所述关系：从LED制造商所提供的数据表中假设典型曲率。
根据另一个实施例，本文中提供了一种照明设备，所述照明设备具有多个发射发光二极管(LED)、存储介质、LED驱动器和接收器电路和控制电路。多个发光二极管(LED)链通常可以被配置成用于为照明设备产生照明。在一些实施例中，每一个发射LED可以被配置成用于产生不同峰值波长的照明。然而，在其他实施例中，发射LED中的一个或多个发射LED可以被配置成用于产生相同峰值发射波长的照明。
存储介质通常可以被配置成用于存储校准值表，所述校准值表针对多个发射LED中的每一个发射LED而在多个温度下将正向电压和驱动电流与色度和光通量进行相关。通常，存储在存储介质中的校准值表可以包括与CIE 1931 XYZ颜色空间、CIE 1931 RGB颜色空间、CIE 1976 LUV颜色空间或各种其他RGB颜色空间(例如，sRGB、Adobe RGB等)相对应的色度校准值。
根据一个实施例，针对每一个发射LED，校准值表可以包括：第一多个x色度值和第一多个y色度值，所述第一多个x色度值和所述第一多个y色度值是先前当发射LED经受第一温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的。针对每一个发射LED，校准值表还可以包括：第二多个x色度值和第二多个y色度值，所述第二多个x色度值和所述第二多个y色度值是先前当发射LED经受第二温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到。
此外，校准值表可以包括每一个发射LED的第一多个正向电压值和第二多个正向电压值。第一多个正向电压值可以是当发射LED经受第一温度时，在向发射LED施加所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后，在向发射LED施加非工作驱动电流之后，之前在发射LED两端测量的正向电压值。第二多个正向电压值可以是当发射LED经受第二温度时，在向发射LED施加不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后，在向发射LED施加非工作驱动电流之后，之前在发射LED两端测量的正向电压值。
此外，校准值表可以进一步包括每一个发射LED的第一多个光通量值和第二多个光通量值。第一多个光通量值可以是先前当发射LED经受第一温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的光通量值。第二多个光通量值可以是先前当发射LED经受第二温度时在校准阶段期间在向发射LED施加多个不同的驱动电流之后从发射LED中检测到的光通量值。
LED驱动器和接收器电路通常可以被配置成用于：向多个发射LED施加对应驱动电流，以便基本上连续地驱动多个发射LED产生照明；周期性地关断多个发射LED较短持续时间；以及在所述较短持续时间内，以每次一个LED的方式向每一个发射LED施加非工作驱动电流，以便测量在每一个发射LED两端产生的工作正向电压。如在本文中所使用的，非工作驱动电流可以描述为驱动电流水平，所述驱动电流水平不足以从LED中产生显著照明并且其范围可以在约0.1mA与约10mA之间。
在一些实施例中，照明设备可以进一步包括锁相环(PLL)，所述锁相环被耦合至AC电源并且被配置成用于与AC电源的频率同步地产生定时信号。在这种实施例中，定时信号可以被供应至LED驱动器和接收器电路，以便周期性地关断多个发射LED较短持续时间。
控制电路可以被耦合至LED驱动器和接收器电路和存储介质。在一些实施例中，控制电路可以被配置成用于判定照明设备的目标亮度设置或目标色度设置是否已经改变，并且如果是，则用于使用以下各项来确定实现目标亮度设置和目标色度设置所需要的新的对应驱动电流：在每一个发射LED两端测量的工作正向电压、校准值表、以及一种或多种插值技术。
在一些实施例中，照明设备可以进一步包括温度传感器，所述温度传感器被配置成用于检测所述多个发射LED周围的环境温度。如果照明设备的目标亮度设置和目标色度设置没有改变，那么控制电路可以被进一步配置成用于仅在环境温度变化指定量时确定实现目标亮度设置和目标色度设置所需要的对应驱动电流。
针对每一个LED链，控制电路可以被配置成用于：通过在第一多个x色度值与第二多个x色度值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的工作正向电压相对应的第三多个x色度值；如果施加到发射LED上的对应驱动电流不同于在校准阶段期间施加到发射LED上的多个不同的驱动电流之一，则生成第三多个x色度值之间的关系；以及根据所生成的关系来确定发射LED的与施加到发射LED上的对应驱动电流相对应的预期x色度值。针对每一个发射LED，控制电路可以被进一步配置成用于：通过在第一多个y色度值与第二多个y色度值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的工作正向电压相对应的第三多个y色度值；如果施加到发射LED上的对应驱动电流不同于在校准阶段期间施加到发射LED上的多个不同的驱动电流之一，则生成第三多个y色度值之间的关系；以及根据所生成的关系来确定发射LED的与施加到发射LED上的对应驱动电流相对应的预期y色度值。
在一些情况下，控制电路可以被配置成用于通过使用线性插值技术来在对应于每一个发射LED的第一与第二多个x和y色度值之间进行插值从而计算所述发射LED的第三多个x和y色度值。在一些情况下，控制电路可以被配置成用于向第三多个x和y色度值应用更高阶插值，以便生成每一个发射LED的x和y色度与驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，控制电路可以被配置成用于向第三多个x和y色度值应用分段线性插值，以便近似估计每一个发射LED的x和y色度与驱动电流之间的非线性关系。
在一些实施例中，控制电路可以被进一步配置成用于计算要实现目标亮度设置和目标色度设置而需要从每一个发射LED中获得的相对光通量。通常，控制电路可以使用目标亮度设置和目标色度设置、以及根据所生成的关系来确定的预期x和y色度值来计算每一个发射LED的相对光通量。
在一些实施例中，控制电路可以被进一步配置成用于使用以下各项来确定实现针对每一个发射LED所计算的所述相对光通量所需要的驱动电流：在发射LED两端测量的工作正向电压、已存储校准值表、以及一种或多种插值技术。在这种实施例中，LED驱动器和接收器电路可以被进一步配置成用于使用所确定的驱动电流来驱动每一个发射LED以产生具有所计算的相对光通量的照明。
在一些实施例中，控制电路可以被配置成用于：通过在第一多个光通量值与第二多个光通量值之间进行插值来计算与在发射LED两端测量的工作正向电压相对应的第三多个光通量值从而确定实现针对每一个发射LED所计算的相对光通量所需的驱动电流；如果针对发射LED而计算的相对光通量不同于第三多个光通量值之一，则生成第三多个光通量值之间的关系；以及通过从所生成的关系中选择与所计算的相对光通量相对应的驱动电流来确定实现所计算的相对光通量所需要的驱动电流。
在一些情况下，控制电路被配置成用于通过使用线性插值技术或非线性插值技术在对应于每一个发射LED的第一与第二多个光通量值之间进行插值从而计算所述发射LED的第三多个光通量值。通常，基于每一个发射LED的颜色来针对所述发射LED独立地做出线性插值技术与非线性插值技术之间的选择。
在一些情况下，控制电路可以被配置成用于通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光通量值应用更高阶插值，以便生成每一个发射LED的光通量与驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，控制电路可以被配置成用于通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光通量值应用分段线性插值，以便近似估计每一个发射LED的光通量与驱动电流之间的非线性关系。在又其他情况下，控制电路可以被配置成用于通过从发射LED的制造商提供的数据表中假设典型曲率来生成所述关系。
根据又另一个实施例，本文中提供了用于控制LED照明设备从而使得可以随着所述LED老化的时间而维持所述设备期望光通量和期望色度的第二补偿方法。通常，第二补偿方法可以通过以下方式开始：基本上连续地向多个LED链施加驱动电流，以便产生照明；测量响应于以每次一个LED链的方式由每一个LED链产生并且由所述光电检测器接收的照明而在所述光电检测器上感生的光电流，；以及通过向光电检测器施加非工作驱动电流来测量在光电检测器两端产生的正向电压。在一些实施例中，第二补偿方法可以进一步包括周期性地关断多个LED链较短持续时间，以及在所述较短持续时间内，每次一个测量在光电检测器上感生的光电流以及在光电检测器两端产生的正向电压。
第二补偿方法可以进一步包括：针对每一个LED链，通过向将在多个不同温度下的正向电压和光电流与驱动电流进行相关的已存储校准值表应用一种或多种插值技术来确定与在光电检测器两端测量的正向电压和当前施加到LED链上的驱动电流相对应的预期光电流值。
在一个实施例中，针对每一个LED链，已存储校准值表可以包括：第一多个存储光电流值、第二多个存储光电流值、以及多个存储正向电压值。第一多个存储光电流值可以是之前当所述LED链经受第一温度并且多个驱动电流被连续地施加到LED链上时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的光电流值。第二多个存储光电流值可以是之前当所述LED链经受第二温度并且所述多个驱动电流被连续地施加到LED链上时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的光电流值。多个存储正向电压值可以是在获得第一和第二多个光电流值中的每一个光电流值之后，之前在光电检测器两端获得的正向电压值。在一些实施例中，第一多个存储光电流值、第二多个存储光电流值、以及多个存储正向电压值可以包括测量值。在其他实施例中，测量值可以用于计算校准系数，除了测量值或代替所述测量值，校准系数存储在已存储校准值表内。
在一个实施例中，可以通过以下方式来确定每一个LED的预期光电流值：通过在对应于LED链的第一多个存储光电流值与第二多个存储光电流值之间进行插值来计算对应于所测量正向电压的第三多个光电流值；生成第三多个光电流值之间的关系；以及从所生成的关系中选择与当前施加到LED链上的驱动电流相对应的预期光电流值。在一些情况下，可以通过以下方式来计算第三多个光电流值：使用非线性插值技术在对应于LED链的第一与第二多个存储光电流值之间进行插值。在一些情况下，可以通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光电流值应用更高阶插值，以便生成LED链的光电流与驱动电流之间的非线性关系。然而，在其他情况下，可以通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光电流值应用分段线性插值，以便近似估计LED链的光电流与驱动电流之间的非线性关系。
第二补偿方法可以进一步包括：针对每一个LED链，如果在预期光电流值与所测量光电流之间存在差异，则调整当前施加到LED链上的驱动电流。在一些实施例中，可以通过以下方式来调整驱动电流：通过将预期光电流值除以测量光电流从而计算LED链的比例因子；将比例因子应用到LED链的期望光通量值上，以便获得经调整的光通量值；以及调整当前施加到LED链上的驱动电流，以便实现经调整的光通量值。
根据另一个实施例，本文中提供了一种照明设备，所述照明设备具有多个发光二极管(LED)链、LED驱动器和接收器电路、光电检测器、存储介质和控制电路。多个发光二极管(LED)链通常可以被配置成用于为照明设备产生照明。所述光电检测器通常可以被配置成用于检测多个LED链产生的照明。所述存储介质通常可以被配置成用于存储校准值表，所述校准值表将在对照明设备的校准期间的多个不同温度下的之前从光电检测器中测量的正向电压和光电流与之前施加到LED链中的每一个LED链上的驱动电流进行相关。
LED驱动器和接收器电路通常可以被配置成用于基本上连续地向所述多个LED链施加驱动电流以便产生照明。此外，LED驱动器和接收器电路可以被进一步配置成用于：测量响应于以每次一个LED链的方式由每一个LED链产生并且由所述光电检测器接收的照明而在光电检测器上感生的光电流，；测量在光电检测器两端产生的正向电压，以便提供当前温度测量结果；以及向控制电路供应所测量光电流和所测量正向电压。
控制电路可以被耦合至LED驱动器和接收器电路、光电检测器、以及存储介质，并且通常可以被配置成用于使用当前温度测量结果和当前施加到每一个LED链上的驱动电流从所存储的校准值表中确定每一个LED链的预期光电流值。此外，控制电路可以被进一步配置成用于如果控制电路针对LED链而确定的预期光电流值不同于LED驱动器和接收器电路针对LED链而测量的光电流，则调整由所述LED驱动器和接收器电路当前施加到每一个LED链上以便产生照明的所述驱动电流。例如，针对每一个LED链，控制电路被进一步配置成用于：通过将预期光电流值除以LED驱动器和接收器电路测量的光电流从而计算比例因子；将比例因子应用到期望光通量值上，以便获得经调整的光通量值；以及调整当前施加到LED链上的驱动电流，以便实现经调整的光通量值。
在一些实施例中，控制电路可以被配置成用于通过使用以下各项来确定每一个LED链的预期光电流值：LED驱动器和接收器电路测量的所述正向电压、LED驱动器和接收器电路当前施加到LED链上以便产生照明的驱动电流、校准值表、以及一种或多种插值技术。
例如，针对每一个LED链，校准值表可以包括：第一多个存储光电流值、第二多个存储光电流值、以及多个存储正向电压值。第一多个存储光电流值可以是之前当LED链经受第一温度并且多个驱动电流被连续地施加到LED链上时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的光电流值。第二多个存储光电流值可以是之前当LED链经受第二温度并且所述多个驱动电流被连续地施加到LED链上时在从LED链中接收到照明之后从光电检测器中获得的光电流值。多个存储正向电压值可以是在获得第一和第二多个光电流中的每一个光电流之前、期间或之后，之前在光电检测器两端测量正向电压值。在一些实施例中，第一多个存储光电流值、第二多个存储光电流值、以及多个存储正向电压值可以包括测量值。在其他实施例中，测量值可以用于计算校准系数，除了测量值或代替测量值，校准系数存储在校准值表内。
在一些实施例中，控制电路可以被配置成用于通过以下方式来确定每一个LED链的预期光电流值：通过在对应于LED链的第一多个存储光电流值与第二多个存储光电流值之间进行插值来计算与LED驱动器和接收器电路测量的正向电压相对应的第三多个光电流值；生成第三多个光电流值之间的关系；以及从所生成的关系中选择与LED驱动器和接收器电路当前施加到LED链上的所述驱动电流相对应的预期光电流值。在一些情况下，控制电路可以被配置成用于通过使用非线性插值技术在所述第一与第二多个存储光电流值之间进行插值从而计算所述第三多个光电流值。在一些情况下，控制电路可以被配置成用于通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光电流值应用更高阶插值，以便生成LED链的光电流与驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，控制电路可以被配置成用于通过以下方式来生成所述关系：向第三多个光电流值应用分段线性插值，以便近似估计LED链的光电流与驱动电流之间的非线性关系。
以上所描述的照明设备和方法通常适合用于校准和控制包括非磷光体转换LED的LED照明设备。除了以上所述的照明设备和方法以外，本文中还提供了用于校准和控制包括至少一个磷光体转换LED的LED照明设备。磷光体转换LED的一个示例是通过以下方式来形成的磷光体转换白色LED：将例如峰值发射波长为约400至500的蓝色LED涂覆或覆盖有用于产生相关色温(CCT)为约3000K的基本上白色的光的磷光体材料(例如，YAG)。LED和磷光体的其他组合可以用于形成能够产生CCT在约2700K至10,000K的范围内的白光或近白光的磷光体转换白色LED。
在磷光体转换白色LED中，LED的光谱含量与磷光体的光谱含量组合，从而产生白光或近白光。组合的光谱可以包括具有第一峰值发射波长(例如，约400至500)的第一部分以及具有基本上不同于第一峰值发射波长的第二峰值发射波长(例如，约500至650)的第二部分。在此示例中，光谱的第一部分由蓝色LED发出的光生成，并且第二部分由穿过磷光体(例如，YAG)的光生成。
随着磷光体转换白色LED老化，磷光体的效率降低，这使磷光体转换白色LED的色度随着时间而似乎“更冷”。为了解释磷光体转换LED中与老化相关的色度偏移，本文中所描述的照明设备可以包括用于分别测量磷光体转换LED的LED部分感生的光电流和磷光体部分感生的光电流的两个不同的光电检测器。在一个示例性实施例中，所述照明设备可以包括第一光电检测器，所述第一光电检测器的检测范围被配置成用于仅检测所述磷光体转换LED发出的所述光谱的所述第一部分；以及第二光电检测器，所述第二光电检测器的检测范围被配置成用于仅检测所述磷光体转换LED发出的所述光谱的所述第二部分。
通常，所述第一和第二光电检测器的所述检测范围可以基于被测量的所述磷光体转换LED的所述光谱来选择。在以上所描述的磷光体转换白色LED包括在所述照明设备内并以如以上所描述的方式实施的示例性实施例中，第一光电检测器的检测范围可以在约400nm与约500nm之间，以便测量蓝色LED部分发出的光感生的光电流，并且第二光电检测器的检测范围可以在约500nm与约650nm之间，以便测量穿过磷光体转换白色LED的磷光体部分的光感生的光电流。第一和第二光电检测器可以包括有时候被配置成用于检测入射光的专用光电检测器和/或发射LED。
在一些实施例中，所述照明设备还可以包括具有落入所述磷光体转换LED发出的所述光谱的所述第一部分内的峰值发射波长的参考LED(例如，蓝色发射LED)。在一些实施例中，如果包括了这种参考LED，那么可以使用参考LED产生的照明在第一和第二光电检测器上感生的光电流，以便在调整磷光体转换白色LED的色度时解释检测器老化。
在一些实施例中，照明设备可以包括除了磷光体转换LED和可选参考LED(其也可以是发射LED)以外的其他发射LED。除了发射LED和光电检测器以外，本文中所描述的照明设备通常还可以包括LED驱动器和接收器电路、存储介质和控制电路。还可以包括未在本文中具体提及的其他部件。
在校准阶段期间，当所述照明设备经受第一环境温度时，所述LED驱动器和接收器电路可以向所述磷光体转换LED和所述参考LED连续地施加多个不同的驱动电流，产生不同亮度水平的照明，每次一个LED。在所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流下，所述LED驱动器和接收器电路测量所述磷光体转换LED产生的所述照明在所述第一和第二光电检测器上感生的光电流，并且在测量每一个感生光电流之前、期间或之后，测量在所述第一和第二光电检测器两端产生的正向电压。一旦获得了感生电流和正向电压测量结果，所述LED驱动器和接收器电路就重复以下步骤：向所述磷光体转换LED连续地施加多个不同的驱动电流；测量在所述第一和第二光电检测器上感生的光电流；以及当所述照明设备经受不同于所述第一环境温度的第二环境温度时测量在所述第一和第二光电检测器两端产生的正向电压。在一些实施例中，所述LED驱动器和接收器电路还可以测量参考LED在所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流和所述第一和第二环境温度中的每一个环境温度下产生的照明在所述第一和第二光电检测器上感生的所述光电流。所述LED驱动器和接收器电路在所述校准阶段期间获得的所述光电流和正向电压测量结果可以存储在所述照明设备的存储介质内的校准值表内。
在对所述照明设备的操作期间，所述LED驱动器和接收器电路可以被配置成用于基本上连续地向所述磷光体转换LED施加驱动电流，以便产生照明；以及用于测量响应于所述磷光体转换LED产生的并由所述第一和第二光电检测器接收的所述照明而在所述第一和第二光电检测器上感生的光电流。具体地，所述LED驱动器和接收器电路可以测量响应于所述磷光体转换LED产生的所述照明而在所述第一光电检测器上感生的第一光电流以及在所述第二光电检测器上感生的第二光电流。所述第一光电流可以与所述磷光体转换LED的所述光谱的所述第一部分相对应，并且所述第二光电流可以与所述磷光体转换LED的所述光谱的所述第二部分相对应。在一些实施例中，所述LED驱动器和接收器电路还可以测量响应于所述参考LED产生的所述照明而在所述第一光电检测器上感生的第三光电流和在所述第二光电检测器上感生的第四光电流。除了感生光电流以外，所述LED驱动器和接收器电路可以测量在测量所述感生光电流之前、期间或之后在所述第一和第二光电检测器两端产生的所述正向电压。
所述控制电路可以被耦合至所述LED驱动器和接收器电路、所述第一和第二光电检测器、和所述存储介质，并且通常可以被配置成用于使用所述LED驱动器和接收器电路在对所述照明设备的操作期间测量的所述正向电压和当前施加到所述磷光体转换LED和所述参考LED上以便产生照明的所述驱动电流从所述校准值表中确定所述磷光体转换LED的预期光电流值。此外，所述控制电路可以被进一步配置成用于：如果所述控制电路针对所述磷光体转换LED而确定的所述预期光电流值不同于所述LED驱动器和接收器电路针对所述磷光体转换LED而测量的所述光电流，则调整所述LED驱动器和接收器电路当前施加到所述磷光体转换LED上以便产生照明的所述驱动电流。
如以下所指出的，例如，所述控制电路可以通过将所述预期光电流值除以所述LED驱动器和接收器电路测量的所述感生光电流来计算所述磷光体转换LED的比例因子；将所述比例因子之一应用到所述磷光体转换LED的期望光通量值上，以便获得经调整的光通量值；以及调整当前施加到所述磷光体转换LED上的所述驱动电流，以便实现所述经调整的光通量值。
在一些实施例中，所述控制电路可以确定所述第一光电检测器上的所述磷光体转换LED的所述光谱的所述第一部分的第一预期光电流值以及所述第二光电检测器上的所述磷光体转换LED的所述光谱的所述第二部分的第二预期光电流值。接下来，所述控制电路可以通过将所述控制电路确定的所述第一预期光电流值除以所述LED驱动器和接收器电路测量的所述第一光电流来计算第一比例因子。可以通过将所述控制电路确定的所述第二预期光电流值除以所述LED驱动器和接收器电路测量的所述第二光电流来计算第二比例因子。在一些实施例中，所述第一和第二比例因子可由所述控制电路用于解释所述磷光体转换LED随着时间产生的所述光通量和色度的变化。
为了补偿与老化相关的光通量变化，所述控制电路可以将所述第二比例因子应用到所述磷光体转换LED的期望光通量值上，以便获得所述磷光体转换LED的经调整的光通量值。接下来，所述控制电路可以调整当前施加到所述磷光体转换LED上的所述驱动电流，以便实现所述经调整的光通量值。在一些实施例中，所述控制电路可以使用所述第一和第二比例因子来确定所述磷光体转换LED的所述色度如何随着时间变化，并且可以基于这种确定来调整施加到所述照明设备中的其他发射LED上的驱动电流，从而维持所述照明设备的期望整体色度或颜色点。
在一些实施例中，所述控制电路可以在却动所述磷光体转换LED的色度时补偿检测器老化。例如，所述控制电路可以确定所述第一光电检测器上的所述参考LED的第三预期光电流值以及所述第二光电检测器上的所述参考LED的第四预期光电流值。可以采用与用于确定所述磷光体转换LED的第一和第二预期光电流值的方式相同的方式来确定所述参考LED的所述第三和第四预期光电流值。接下来，所述控制电路可以通过将所述控制电路确定的所述第三预期光电流值除以所述LED驱动器和接收器电路测量的所述第三光电流来计算第三比例因子。可以通过将所述控制电路确定的所述第四预期光电流值除以所述LED驱动器和接收器电路测量的所述第四光电流来计算第四比例因子。在一些实施例中，所述控制电路可以将所述第四比例因子应用到所述参考LED的期望光通量值上，以便获得所述参考LED的经调整的光通量值。接下来，所述控制电路可以调整当前施加到所述参考LED上的所述驱动电流，以便实现所述经调整的光通量值。
在一些实施例中，所述第三和第四比例因子可以作为参考用于解释所述第一和第二光电检测器的老化。例如，所述控制电路可以通过将所述第一比例因子除以所述第三比例因子来生成所述第一光电检测器的比例因子比率，并且可以通过将所述第二比例因子除以所述第四比例因子来生成所述第二光电检测器的比例因子比率。接下来，所述控制电路可以将针对所述第二光电检测器而生成的所述比例因子比率除以针对所述第一光电检测器而生成的所述比例因子比率，以便生成所述磷光体转换LED的磷光体与LED之比(Phosphor-over-LED Ratio)。然后，所述控制电路可以使用针对所述磷光体转换LED而生成的所述磷光体与LED之比来调整所述磷光体转换LED的色度。一旦确定了所述磷光体转换LED的色度，就可以将所述第二比例因子应用到所述磷光体转换LED的所述期望光通量值上，以便解释随着时间而产生的流明输出变化。
如以上所指出的，本文中还提供了用于校准和控制包括磷光体转换LED和至少两个不同光电检测器的照明设备的方法。根据一个实施例，用于校准包括磷光体转换LED和至少两个不同光电检测器的照明设备的校准方法可以通过以下方式开始：在使所述磷光体转换LED经受第一环境温度之后，向所述磷光体转换LED连续地施加至少三个不同的驱动电流，以便产生不同亮度水平的照明。在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下，所述校准方法可以测量所述磷光体转换LED产生的所述照明在所述第一和第二光电检测器上感生的光电流，以及在测量每一个感生光电流之前或之后在所述第一和第二光电检测器两端产生的正向电压。可以将所述测量步骤的结果存储在所述照明设备内，以便在所述第一环境温度下校准所述磷光体转换LED。
如以上所指出的，所述磷光体转换LED产生的所述照明在所述第一光电检测器上感生的所述光电流可以与所述磷光体转换LED的光谱的第一部分相对应，其中，所述第一部分(例如，LED部分)具有第一峰值发射波长(例如，约400nm至约500nm)。所述磷光体转换LED产生的所述照明在所述第二光电检测器上感生的所述光电流可以与所述磷光体转换LED的所述光谱的第二部分相对应，其中，所述第二部分(例如，磷光体部分)具有基本上不同于所述第一峰值发射波长的第二峰值发射波长(例如，约500nm至约650nm)。通过单独测量磷光体转换LED产生的所述照明在所述第一和第二光电检测器上感生的所述光电流，以及将这些值存储在所述照明设备内，所述校准方法使得能够单独地校准所述磷光体转换LED光谱的不同部分，如同所述磷光体转换LED是两个单独的LED。
在一些实施例中，所述校准方法还可以在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下获得所述磷光体转换LED光谱的所述第一部分和所述第二部分的单独光通量和色度测量结果。通过在所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流下单独测量归属于所述磷光体转换LED光谱的每一个部分的光通量和色度，以及将这些值存储在所述照明设备内，所述校准方法使得能够单独地校准所述磷光体转换LED光谱的不同部分，如同所述磷光体转换LED是两个单独的LED。
一旦针对所述第一环境温度而获得了以上所描述的校准值，所述校准方法就可以重复以下步骤：连续地施加至少三个不同的驱动电流；测量在所述第一和第二光电检测器上感生的光电流；以及在使所述照明设备经受基本上不同于所述第一环境温度的第二环境温度之后测量在所述第一和第二光电检测器两端产生的正向电压。在一些实施例中，还可以在第二温度下针对所述至少三个不同的驱动电流中的每一个驱动电流而获得归属于磷光体转换LED光谱的每一个部分的光通量和色度。可以将测量步骤的结果存储在照明设备内，以便在第二环境温度下校准磷光体转换LED。在一些实施例中，可以针对具有落入磷光体转换LED的光谱的第一部分内的峰值发射波长的参考LED来执行所述校准方法。
根据另一个实施例，用于控制至少包括磷光体转换LED、第一光电检测器和第二光电检测器的照明设备的补偿方法可以包括：基本上连续地向磷光体转换LED施加驱动电流，以便产生照明；以及测量响应于磷光体转换LED产生的并由第一和第二光电检测器接收的照明而在第一和第二光电检测器上感生的光电流。例如，所述补偿方法可以测量响应于磷光体转换LED产生的照明而在第一光电检测器上感生的第一光电流以及在第二光电检测器上感生的第二光电流。第一光电流可以与磷光体转换LED的光谱的第一部分相对应，并且第二光电流可以与磷光体转换LED的光谱的第二部分相对应。除了感生光电流以外，所述补偿方法可以在测量感生光电流之前或之后通过向第一和第二光电检测器中的每一个光电检测器施加非工作驱动电流来测量在第一和第二光电检测器两端产生的正向电压。
一旦从第一和第二光电检测器中获得了感生光电流和正向电压，所述补偿方法就可以通过向将在多个不同温度下的正向电压和光电流与驱动电流进行相关的已存储校准值表应用一种或多种插值技术从而确定磷光体转换LED的与在第一和第二光电检测器两端测量的正向电压和当前施加到磷光体转换LED上的驱动电流相对应的预期光电流值。此外，如果在预期光电流值与测量光电流之间存在差异，那么所述补偿方法可以调整当前施加到磷光体转换LED上的驱动电流。
具体地，所述补偿方法可以确定第一光电检测器上的磷光体转换LED的光谱的第一部分的第一预期光电流值以及第二光电检测器上的磷光体转换LED的光谱的第二部分的第二预期光电流值。接下来，所述补偿方法可以通过将第一预期光电流值除以在测量步骤中在第一光电检测器上感生的第一光电流来计算第一比例因子。所述补偿方法可以通过将第二预期光电流值除以在测量步骤中在第二光电检测器上感生的第二光电流来计算第二比例因子。如以上所指出的，第一和第二比例因子可由所述补偿方法用于解释磷光体转换LED随着时间产生的光通量和色度的变化。
为了补偿与老化相关的光通量变化，所述补偿方法可以将第二比例因子应用到磷光体转换LED的期望光通量值上，以便获得磷光体转换LED的经调整的光通量值。接下来，所述补偿方法可以调整当前施加到磷光体转换LED上的驱动电流，以便实现经调整的光通量值。在一些实施例中，所述补偿方法可以使用第一和第二比例因子来确定磷光体转换LED的色度如何随着时间变化。基于这种确定，所述补偿方法可以调整施加到照明设备中的其他发射LED上的驱动电流，从而维持照明设备的期望整体色度或颜色点。
在一些实施例中，所述补偿方法可以使用参考LED来执行与以上所描述的步骤类似的步骤。例如，所述补偿方法可以基本上连续地向参考LED施加驱动电流以便产生照明；以及测量响应于参考LED产生的并由第一和第二光电检测器接收的照明而在第一和第二光电检测器上感生的光电流。具体地，所述补偿方法可以测量响应于参考LED产生的照明而在第一光电检测器上感生的第三光电流和在第二光电检测器上感生的第四光电流。接下来，所述补偿方法可以通过向将在多个不同温度下的正向电压和光电流与驱动电流进行相关的已存储校准值表应用一种或多种插值技术从而确定参考LED的与在第一和第二光电检测器两端测量的正向电压和当前施加到参考LED上的驱动电流相对应的预期光电流值。
具体地，所述补偿方法可以确定第一光电检测器上的参考LED的第三预期光电流值以及第二光电检测器上的参考LED的第四预期光电流值。接下来，所述补偿方法可以通过将第三预期光电流值除以在测量步骤中在第一光电检测器上感生的第三光电流来计算第三比例因子；并且通过将第四预期光电流值除以在测量步骤中在第二光电检测器上感生的第四光电流来计算第四比例因子。在一些实施例中，所述补偿方法可以将第四比例因子应用到参考LED的期望光通量值上，以便获得参考LED的经调整的光通量值；并且可以调整当前施加到参考LED上的驱动电流，以便实现经调整的光通量值。
在一些实施例中，针对参考LED而生成的第三和第四比例因子可以作为参考用于解释第一和第二光电检测器的老化。例如，所述补偿方法可以通过将第一比例因子除以第三比例因子来生成第一光电检测器的比例因子比率，并且可以通过将第二比例因子除以第四比例因子来生成第二光电检测器的比例因子比率。接下来，所述方法可以将针对第二光电检测器而生成的比例因子比率除以针对第一光电检测器而生成的比例因子比率，以便生成磷光体转换LED的磷光体与LED之比。然后，所述方法可以使用磷光体与LED之比来调整磷光体转换LED的色度。一旦确定了磷光体转换LED的色度，就可以将第二比例因子应用到磷光体转换LED的期望光通量值上，以便解释随着时间而产生的流明输出变化。
本文中还提供了用于发光二极管(LED)照明设备的改进发射器模块的各种实施例。通常，本文中公开的改进发射器模块可以利用被设计成用于改进发射LED之间和发射LED与光电检测器之间的热分离，同时也向热沉提供良好热导率的单层基底或多层基底。多层基底进一步包括多个路由层和介电层，这对将发射LED链连接在一起提供了增强的路由灵活性，并且将发射LED和光电检测器与热沉电隔离。
根据一个实施例，在本文中提供了一种包括一个或多个发射器模块的照明设备，其中，每一个发射器模块通常包括：多个发射LED，所述多个发射LED被配置成用于为照明设备产生照明；以及一个或多个光电检测器，所述一个或多个光电检测器被配置成用于检测所述多个LED产生的照明。通常，所述多个LED和所述一个或多个光电检测器安装在基底上并且被包封在主要光学结构内。热沉被耦合至基底的底部表面，用于发散发射器模块生成的热。
发射器模块可以基本上包括任何数量和颜色的发射LED并且基本上包括任何数量和颜色的光电检测器。在一个示例性实施例中，发射LED包括一个或多个红色LED、一个或多个蓝色LED、一个或多个绿色LED、以及一个或多个白色或黄色LED。发射LED通常可以安排在被主要光学结构的中心附近的阵列中，所述一个或多个光电检测器通常可以安排在所述阵列的外围附近。在一个示例性实施例中，所述一个或多个光电检测器可以包括一个或多个红色、橙色、黄色和/或绿色LED。在一些实施例中，如果发射LED中的一个或多个发射LED有时被配置成用于检测入射光，那么可以省略所述一个或多个光电检测器。
主要光学结构可由各种不同材料形成并且基本上可以具有针对采用期望方式来成形发射LED发出的光来说必要的任何形状和/或尺寸。在一些实施例中，主要光学结构可以具有圆顶形状。然而，本领域的技术人员将理解主要光学结构如何基本上可以具有包封发射LED和一个或多个光电检测器的任何其他形状或配置。在一些实施例中，圆顶的形状、大小和材料通常可以被设计成用于改善发射器模块内的光学效率和颜色混合。
热沉被耦合至基底的底部表面，用于将热量从发射器模块的发热部件处引开。通常，热沉基本上可以包括具有相对高热导率和电导率的任何材料。在一些实施例中，热沉由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成。在一个实施例中，热沉由铜或铜合金材料、或铝或铝合金材料形成。在一些实施例中，热沉可以是范围在约1mm与约10mm之间的相对厚层，并且在一个实施例中，可以为约3mm厚。
基底通常被配置成用于在横向方向上提供相对高的热阻抗并且在所述垂直方向上提供相对低的热阻抗。在一个实施例中，形成基底以便仅包括单个材料层。为了在横向方向上提供相对高的热阻抗，单层基底可由具有相对高的热阻抗或相对低的热导率的材料形成。在一个示例中，基底可由热导率小于约150W/(mK)的材料(例如，氮化铝)、热导率小于约30W/(mK)的材料(例如，氧化铝)、或热导率小于约1W/(mK)的材料(例如，PTFE或其他层压材料)形成。
通常，单层基底可以通过在发射LED中的每一个发射LED和所述一个或多个光电检测器中的每一个光电检测器与热沉之间提供相对低的热阻抗路径来在所述垂直方向上提供相对低的热阻抗。在一些实施例中，低热阻抗路径可以通过将基底的厚度最小化并且使用多根导热线来将LED中的每一个LED和所述一个或多个光电检测器中的每一个光电检测器连接至热沉来实施。例如，基底的厚度范围可以在约300μm与约500μm之间。
所述多根导热线基本上可以包括任何导热材料。在一些实施例中，导热线可由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成。用于导热线的材料可以与用于热沉的材料相同或可以不同。在一个实施例中，导热线由铝、铝合金、铜或铜合金材料形成。所述多根导热线可以通过以下方式形成：穿过基底钻垂直孔(使用机械或光学手段)并使用任何适当方法来使所述孔(或通孔)填满或镀有金属材料。在一些实施例中，每一根导热线可以包括多个(例如，约10至20个)密集的通孔，每一个通孔仅为几百微米宽。
虽然单层基底提供了期望的热特性(例如，发射LED与光电检测器之间的良好热分离、以及到热沉的良好热导率)，但是它无法提供在一些发射器模块中期望的热特性。为了在发射LED与光电检测器与热沉之间提供路由灵活性和电隔离，本发明的优选实施例可以利用多层基底。
根据一个实施例，多层基底可以包括第一路由层、第一介电层、第二路由层和第二介电层。第一路由层可以被耦合至发射LED和所述一个或多个光电检测器的电触头，并且可以在第一介电层上形成。在一些情况下，第一路由层可以具有范围在约10μm至约20μm之间的厚度，并且可由热导率范围在200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料(例如，铜或铝材料、或者其合金)形成。
第一介电层被耦合至第一路由层的底部表面，并且夹在第一路由层与第二路由层之间，用于使发射LED和光电检测器的电触电与热沉电隔离。在一些实施例中，第一介电层可以是厚度在约10μm与约100μm之间的相对薄层，并且可由相对介电常数范围在约3与12之间的介电材料形成。在一个示例中，第一介电层可由氮化铝材料或氧化铝材料形成，但是不限于这种材料。
除了提供电隔离以外，第一介电层通过使用具有相对低的热导率(其小于约150W/(mK))并保持所述层的厚度相对于发射LED与光电检测器之间的间隔很小来在横向方向上提供相对高的热阻抗。在一个示例性实施例中，第一介电层可以具有约30μm的厚度，并且可以在多层基底的上表面上将发射LED和光电检测器至少间隔开200至300μm。这种实施例在垂直方向上提供的热导率将比在横向方向上提供的热导率高至少10倍。
第二路由层被耦合在第一介电层与第二介电层之间，并且通常被配置成用于在第一路由层与安排在主要光学结构之外的外部电触头之间路由信号。向第一路由层一样，第二路由层可以具有范围在约10μm至约20μm之间的厚度，并且可由热导率范围在200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料(例如，铜或铝材料、或者其合金)形成。在一些实施例中，可以在第一介电层内形成通孔，以便在第一路由层与第二路由层之间路由信号。可以根据任何已知的过程来形成这些通孔。
在一些实施例中，第二介电层可以被耦合在第二路由层与热沉之间。在其他实施例中，第三路由层可以被耦合在第二介电层与热沉之间。不像第一和第二路由层(其包括印刷在第一和第二介电层上的金属线)，第三路由层可以基本上连续地延伸横跨热沉的上表面，以便改进所述多根导热线与热沉之间的热接触并且改进在其上的散热。
像第一介电层一样，第二介电层可以被配置成用于通过使用具有相对低的热导率的材料来在横向方向上提供相对高的热阻抗。例如，第二介电层可由热导率小于约150W/(mK)陶瓷材料的(例如，氮化铝)、或者热导率小于约30W/(mK)的陶瓷材料(例如，氧化铝)。然而，第一和第二介电层不限于陶瓷材料、或者升值介电材料。在一些实施例中，可以使用如印刷电路板(PCB)FR4或金属包覆PCB材料等层压材料来形成这些层。然而，因为层压材料的热导率(例如，小于约1W/(mK))大大小于陶瓷材料的热导率，代替陶瓷材料而使用层压材料将减小第二介电层的热导率。
不像第一介电层(其相对很薄)，第二介电层通过利用相对厚的层(例如，约100μm和约1000μm)来向发射器模块提供刚度。此外，第二介电层包括多根导热线，所述导热线垂直地延伸穿过第二路由层与热沉之间的第二介电层，以便在垂直方向上提高热导率。
如以上所指出的，所述多根导热线可由如铜或铝材料或者其合金等热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成，并且可以通过以下方式形成：穿过第二介电层钻垂直孔(使用机械或光学手段)并使用任何适当方法来使所述孔(或通孔)填满或镀有适当金属材料。在一些实施例中，每一根导热线可以包括多个(例如，约10至20个)密集的通孔，每一个通孔为几百微米宽。在一些实施例中，可以在垂直方向上通过增大包括在发射LED下方的导热线的数量来进一步提高热导率。虽然这种途径将提供更好的从LED阵列到热沉的整体热导率，但是它将在发射LED之间提供更差的热分离。
附图说明
在阅读以下详细描述之后并且在参照附图之后，本发明的其他目的和优点将变得明显。
图1是1931CIE色度图的图示，展示了人类颜色感知的色域以及包括多个多颜色LED(例如，红色、绿色和蓝色)的照明设备可实现的色域；
图2是图示，展示了白色、蓝色和绿色LED的相对光通量与结温之间的非线性关系；
图3是图示，展示了红色、橙红色和黄色(琥珀色)LED的相对光通量与结温之间的基本上更加非线性的关系；
图4是图示，展示了红色和橙红色LED的相对光通量与驱动电流之间的非线性关系；
图5是图示，展示了白色、蓝色和绿色LED的相对光通量与驱动电流之间的基本上更加非线性的关系；
图6是根据本发明的一个实施例的用于校准包括多个LED和一个或多个光电检测器的照明设备的改进方法的流程图；
图7是图表，展示了可以根据图6的校准方法来获得并且存储在照明设备内的示例性校准值表；
图8是根据本发明的一个实施例的改进的补偿方法的流程图；
图9是包括四个发射LED的照明设备的示例性定时图，展示了从每一个发射LED中获得(每次一个LED)测量结果(例如，发射器正向电压)的周期性间隔；
图10是图形表示，描绘了在图8的补偿方法中可以如何使用一种或多种插值技术、利用在图6的校准方法期间获得且存储在照明设备内的校准值来确定产生给定LED的期望光通量所需要的驱动电流；
图11是图形表示，描绘了在图8的补偿方法中可以如何使用一种或多种插值技术、使用当前正向电压、当前驱动电流和在图6的校准方法期间获得且存储在照明设备内的校准值来确定一定LED的预期x色度值；
图12是图形表示，描绘了在图8的补偿方法中可以如何使用一种或多种插值技术、使用当前正向电压、当前驱动电流和在图6的校准方法期间获得且存储在照明设备内的校准值来确定一定LED的预期y色度值；
图13是根据本发明的另一个实施例的改进的补偿方法的流程图；
图14是包括四个发射LED的照明设备的示例性定时图，展示了从一个或多个光电检测器中(例如，感测光电流和检测器正向电压)以及从每一个发射LED中(例如，发射器正向电压)获得(每次一个LED)测量结果的周期性间隔；
图15是图形表示，描绘了在图13的补偿方法中可以如何使用一种或多种插值技术、使用当前正向电压、当前驱动电流和在图6的校准方法期间获得且存储在照明设备内的校准值来确定一定LED的预期光电流值；
图16A是示例性照明设备的照片；
图16B是计算机生成的图像，示出了可能包括在图16A的示例性照明设备内的示例性发射器模块的顶视图；
图17A是另一个示例性照明设备的照片；
图17B是计算机生成的图像，示出了可能包括在图17A的示例性照明设备内的示例性发射器模块的顶视图；
图18A是根据本发明的一个实施例的改进发射器模块的侧视图；
图18B是根据本发明的另一个实施例的改进发射器模块的侧视图；
图19是根据本发明的一个实施例的可以包括在照明设备内的电路部件的示例性框图；
图20是根据本发明的一个实施例的可以包括在图19的照明设备内的LED驱动器和接收器电路的示例性框图；并且
图21是示例性图示，描绘了可以如何将磷光体转换LED的光谱分成两个部分，并且示出了磷光体效率如何随着磷光体老化而降低。
虽然本发明易受各种修改形式和替代形式影响，但是在附图中以示例的方式示出并且将在本文中更加详细地描述本发明的特定实施例。然而，应当理解的是，附图及其详细描述并不旨在将本发明限制在所公开的特定形式，而相反，本发明将覆盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神与范围之内的所有修改型式、等效型式和替代型式。
具体实施方式
LED通常包括由掺杂有杂质以便创建p-n结的半导体材料组成的芯片。如在其他二极管中的，电流容易地从p侧或阳极到n侧或阴极流动，而不是在相反方向上流动。电荷载流子(电子或空穴)从具有不同电压的电极流进结中。当电子遇到空穴时，电子落入低能量水平并采用光子(即，光)的形式来释放能量。LED发出的光的波长以及由此其颜色取决于形成LED的p-n结的材料带隙能。
红色和黄色LED通常包括具有相对低带隙能的材料(例如，AlInGaP)并且由此产生更长的光波长。例如，大多数红色和黄色LED的峰值波长分别在约610至650nm和约580至600nm的范围内。另一方面，绿色和蓝色LED通常包括具有更大带隙能的材料(例如，GaN或InGaN)并且由此产生更短的光波长。例如，大多数绿色和蓝色LED的峰值波长分别在约515至550nm和约450至490nm的范围内。
在一些情况下，“白色”LED可以通过以下方式来形成：使例如峰值发射波长为约450至490nm或者更长峰值发射波长(比如，约525nm至约600nm)的绿色LED覆盖或涂覆有磷光体(例如，YAG)，所述磷光体将绿色LED发出的光子向下转换为更低能量水平。在一些情况下，这种LED可以被配置成用于产生相关色温(CCT)为约3000K的基本上白光。然而，熟练的技工将理解可以如何使用不同颜色的LED和/或不同磷光体来产生具有可能不同的CCT的“白色”LED。
当两个或更多个不同颜色LED被组合到单个封装件内时，个别LED的光谱含量被组合来产生混合光。在一些情况下，可以组合不同颜色LED来产生在宽色域的颜色点或范围为从“暖白”(例如，大致2600K至3000K)到“中性白”(例如，3000K至4000K)到“冷白”(例如，4000K至8300K)的CCT内的白光或近白光。白光照明设备的示例包括但不限于组合红色、绿色和蓝色(RGB)LED；红色、绿色、蓝色和黄色(RGBY)LED；白色和红色(WR)LED和RGBW LED的白光照明设备。
本发明通常涉及具有多个发光二极管(LED)和一个或多个光电检测器的照明设备。为了简单起见，贯穿本公开，术语“LED”将用于指代单个LED或供应有相同驱动电流的串联连接的LED链。根据一个实施例，本发明提供了用于校准和步长LED照明设备内的个别LED的改进方法，以便随着驱动电流、温度和/或时间的变化而准确地维持照明设备的期望光通量和期望色度。
尽管不限于此，但是因为不同颜色LED的输出特性随着驱动电流、温度和时间而以不同方式变化，所以本发明特别适合于这样的照明设备(即，多颜色照明设备)，在所述照明设备中，两个或多个不同颜色的LED被组合来产生混合白光或近白光。因为驱动电流的改变内在地影响照明设备的流明输出、颜色和温度，所以本发明还特别适合于这样的照明设备(即，可调节照明设备)：所述照明设备使得能够通过调整向LED中的一个或多个LED供应的驱动电流来改变目标调光水平和/或目标色度设置。
图2和图3展示了针对不同颜色的LED，个别LED的相对光通量如何随着的结温而变化。如在图2和图3中所示出的，来自所有LED的光通量输出通常随着温度的增大而减小。针对一些颜色(例如，白色、蓝色和绿色)，光通量与结温之间的关系是相对线性的(见图2)，而针对其他颜色(例如，红色、橙色以及特别是黄色)，所述关系是显著非线性的(见图3)。LED的色度也由于主波长的偏移(针对磷光体转换LED和非磷光体转换LED两者)和磷光体效率的改变(针对磷光体转换LED)而随着温度变化。通常，绿色LED的峰值发射波长往往随着温度的增大而减小，而红色和绿色LED的峰值发射波长往往随着温度的增大而增大。虽然针对大多数颜色，色度的改变相对于温度来说是相对线性的，但是红色和黄色LED往往表现出更显著的非线性变化。
随着LED老化，来自磷光体转换LED和非磷光体转换LED两者的光通量输出、以及磷光体转换LED的色度也随着时间变化。在寿命初期，光通量可能够增大(变得更亮)或减小(变得更暗)，而在寿命后期，光通量通常减小。如预期的，当LED经受更高驱动电流和更高温度时，流明输出随着时间而降低得更快。随着磷光体转换LED老化，磷光体效率变得更低，并且穿过磷光体的绿光的量增大。这种磷光体效率的降低使磷光体转换LED产生的整体颜色随着时间而显得“更冷”。尽管非磷光体转换LED的主波长和色度并不随着时间而变化，但是光通量随着LED老化而减小，这实际上使多颜色LED照明设备的色度随着时间而变化。
当不同颜色的LED被组合到多颜色照明设备内时，所产生的设备的颜色点通常随着温度的变化以及随着时间而显著变化。例如，当红色、绿色和蓝色LED被组合到白光照明设备内时，所述设备的颜色点可能随着温度升高而显得越来越“更冷”。这是因为红色LED产生的光通量随着温度增大而显著减小，而绿色和蓝色LED产生的光通量保持相对稳定(见图2和图3)。
为了解释温度和老化效应，一些现有技术照明设备尝试随着温度和时间而通过测量发射LED的特性以及增大向发射LED中的一个或多个发射LED供应的驱动电流来维持一致的流明输出和/或一致的色度。例如，一些现有技术照明设备测量照明设备的温度(直接通过环境温度传感器或热沉测量，或直接通过正向电压测量)，并且调整向发射LED中的一个或多个发射LED供应的驱动电流，以便解释与温度相关的流明输出变化。其他现有技术照明设备测量来自个别发射LED的流明输出，并且如果测量值不同于目标值，则增大向发射LED供应的驱动电流，以便解释随着时间而发生的光通量变化。
然而，改变向发射LED供应的驱动电流内在地影响LED照明设备产生的光通量和色度。图4和图5展示了不同颜色的LED(例如，红色、橙红色、白色、蓝色和绿色LED)的光通量与驱动电流之间的关系。通常，光通量随着更大的驱动电流而增大，并随着更小的驱动电流而减小。然而，针对所有颜色的LED，光通量随着驱动电流的变化是非线性的，并且针对某些颜色的LED(例如，蓝色和绿色LED)，这种非线性关系比其他LED基本上更加明显。因为更大的驱动电流内在地导致更高的LED结温(见图2和图3)，所以当驱动电流增大时，照明的色度也变化，以便对抗温度和/或老化影响。虽然针对所有颜色的LED，色度随着电流/温度的变化是相对线性的，但是变化速率对于不同LED颜色而言是不同的，并且甚至从一部分到一部分都不相同。
尽管一些现有技术照明设备可以调整向发射LED供应的驱动电流，但是这些设备由于无法解释以下各项而无法提供准确的温度和老化补偿：某些颜色的LED的光通量与结温之间存在的非线性关系(图2和图3)、所有颜色的LED的光通量与驱动电流之间存在的非线性关系(图4和图5)、以及这些关系因不同颜色的LED而不同的事实。这些设备也无法解释色度随着驱动电流/温度的变化速率因不同颜色的LED而不同。在不解释这些行为的情况下，现有技术照明设备无法对包括在多颜色LED照明设备内的所有LED提供准确的温度和老化补偿。
仍然需要改进的照明设备以及用于校准和补偿包括在LED照明设备内的个别LED的改进方法，以便随着驱动电流、温度的变化以及随着LED老化的时间而维期望光通量和期望色度。因为不同LED颜色随着温度和时间而以不同方式进行响应，所以这种需要尤其与多颜色LED照明设备相关，并且因为驱动电流的变化内在地影响照明设备的流明输出、颜色和温度，所以尤其与提供调光和/或颜色调节能力的照明设备相关。
为了满足这些需要，在本文中提供了改进的照明设备和用于单独地校准和补偿LED照明设备中使用的每一个LED的改进方法。本文中所描述的改进的校准和补偿方法克服了常规方法的缺点，常规方法无法向包括在LED照明设备内的所有LED提供准确的温度和老化补偿。
用于校准照明设备的改进方法的示例性实施例
图6展示了用于校准包括多个LED和至少一个专用光电检测器的照明设备的改进方法的一个实施例。在一些实施例中，图6中所示出的校准方法可以用于校准具有LED(所有LED具有相同颜色)的照明设备。然而，因为不同颜色的LED的输出特性随着驱动电流、温度和时间而以不同方式变化，所以本文中所描述的校准方法特别适合用于校准包括两个或更多个不同颜色的LED的照明设备(即，多颜色LED照明设备)。因为驱动电流的变化内在地影响照明设备的流明输出、颜色和温度，所以本文中所描述的校准方法也特别适合用于校准提供调光和/或颜色调节能力的照明设备(即，可调节LED照明设备)。
以下将参照图16至图20而描述改进的照明设备的示例性实施例，所述图示出了不同类型的LED照明设备，每一个LED照明设备都具有一个或多个发射器模块。如以下所描述的，每一个发射器模块通常可以包括安排在阵列中的多个发射LED、以及关于所述阵列的外围而间隔开的至少一个专用光电检测器。在一个示例性实施例中，发射LED阵列可以包括红色、绿色、蓝色和白色(或黄色)LED，并且所述至少一个专用光电检测器可以包括一个或多个红色、橙色、黄色和/或绿色LED。然而，本发明并不限于任何特定颜色、数量、组合或安排的发射LED或光电检测器。熟练的技工将理解可以如何将本文中所描述的方法步骤应用到具有基本上不同的发射器模块的其他LED照明设备。
如在图6中所示出的，改进的校准方法通常可以通过以下方式开始：使照明设备经受第一环境温度(在步骤10中)。一旦经受此温度，就可以行发射LED施加多个不同的驱动电流水平(在步骤12中)，并且可以在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下从发射LED和(多个)专用光电检测器两者中获得多个测量结果(在步骤14和16中)。具体地，为了从照明设备中获得测量结果的目的，可以向每一个发射LED连续地施加两个或更多个不同的驱动电流水平，每次一个LED。这些测量结果通常可以包括光学测量结果和电测量结果。
例如，可以从每一个发射LED在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下产生的照明中获得多个光学测量结果(在步骤14中)。根据一个实施例，光学测量结果可以包括多个光通量、x色度和y色度测量结果，在两个或更多个不同的驱动电流水平下针对每一个发射LED而获得这些测量结果。然而，本文中所描述的光学测量结果不限于光通量、x色度和y色度，并且在本发明的其他实施例中可以包括附加或替代性光学测量结果。
通常，本文中所描述的色度校准值可以与CIE 1931 XYZ颜色空间、CIE 1931 RGB颜色空间、CIE 1976 LUV颜色空间或各种其他RGB颜色空间(例如，sRGB、Adobe RGB等)相对应。尽管在本文中所描述的校准和补偿方法可以仅获取并利用x和y色度校准值，但是本领域的技术人员将理解如何以替代性方式获取来自其他颜色空间的色度值以及如何将其用于本文中所描述的方法。如此，在本文中所描述的以及在权利要求书中所述的校准和补偿方法被认为包括来自任何颜色空间的可以用于描述基本上包括如本文中所描述的发射LED的任何组合的LED照明设备的色域的色度校准值。
在一个优选实施例中，在如图7中所示出的且以下讨论的大致最大驱动电流水平(根据LED零件号和制造商，通常约500mA)、最大驱动电流的大致30％、以及最大驱动电流的大致10％下从每一个发射LED中测量三个光通量(Luma)测量结果、三个x色度(x chrom)测量结果和三个y色度(y chrom)测量结果。在一些实施例中，可以使用如分光光度计等外部校准工具来从发射LED中获得光通量和x、y色度测量结果。在一些实施例中，如以下关于图19而更加详细地描述的，可以将从外部校准工具中获得的测量值无线地传输至照明设备。
此外，可以在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下从发射LED中的每一个发射LED以及(多个)专用光电检测器中的每一个专用光电检测器中获得多个电测量结果(在步骤16中)。这些电测量结果可以包括但不限于在(多个)专用光电检测器上感生的光电流以及在(多个)专用光电检测器和/或发射LED两端测量的正向电压。不像以上所描述的光学测量结果，可以使用包括在照明设备内的LED驱动器和接收器电路来从(多个)专用光电检测器和发射LED中获得电测量结果。在图19和图20中示出并且以下更加详细地描述了这种电路的示例性实施例。
在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下，LED驱动器和接收器电路测量每一个发射LED单独产生的照明在专用光电检测器上感生的光电流。在一个优选实施例中，当连续地驱动发射LED在至少三个不同的驱动电流水平(例如，最大驱动水平的100％、30％和10％)下产生照明时，可以从每一个发射LED的专用光电检测器中获得三个光电流(Iph_d1)测量结果。在一些实施例中，LED驱动器和接收器电路可以基本上在外部校准工具正测量发射LED在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下产生的照明的光通量和x和y色度的同时获得光电流(Iph_d1)测量结果。
通常，向发射LED施加的用于测量光通量、色度和感生光电流的驱动电流可以是工作驱动电流水平(例如，约20mA至约500mA)。在一些情况下，可以向发射LED中的每一个发射LED连续地施加越来越大的驱动电流水平，以便获得本文中所描述的测量结果。在其他情况下，在向发射LED连续地施加逐渐减小的驱动电流水平之后，可以获得所述测量结果。要是驱动电流彼此不同，那么施加驱动电流水平的顺序在很大程度上不重要。
尽管在本文中提供了示例，但是本发明并不限于任何特定值或任何特定数量的驱动电流水平，并且基本上可以向发射LED施加该LED的工作电流水平范围内的任何值和任何数量的驱动电流水平。然而，通常期望从发射LED中获得光通量和色度测量结果，并在足量的不同驱动电流水平下从光电检测器中获得光电流测量结果，从而使得这些测量结果与驱动电流之间的非线性关系可以准确地表征为跨LED的工作电流水平范围。
虽然增大测量的数量确实提高用于表征非线性关系的准确性，但是其也增加了校准时间和成本。虽然并不能在所有情况下保证校准时间和成本的增加，但是其在一些情况下是有益的。例如，在尝试表征某些颜色的LED(例如，蓝色和绿色LED)的光通量对驱动电流的关系时，附加光通量测量可能是有益的，所述LED往往比其他颜色的LED表现出显著更加非线性的关系(见图4和图5)。由此，在选择用于获得特定颜色的LED的测量结果的期望数量的驱动电流水平时，应当在准确性与校准时间/成本之间达到平衡。
因为增大驱动电流影响发射LED的结温，所以在向发射LED施加每一个工作驱动电流水平之后，可以在每一个发射LED和每一个光电检测器两端立即测量正向电压(在步骤16中)。针对每一个工作驱动电流水平，在获得针对该工作驱动电流水平的光电流测量结果之前或之后，可以在每一个发射LED和每一个光电检测器两端测量正向电压。然而，不像光学测量结果，向发射LED和(多个)专用光电检测器施加相对小的驱动电流，以便测量在其两端产生的正向电压。
在一个优选实施例中，在向发射LED施加所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平(例如，最大驱动水平的100％、30％和10％)以便测量光通量、x色度和y色度之后，可以立即从每一个发射LED中获得三个正向电压(Vfe)测量结果并立即从每一个专用光电检测器中获得三个正向电压(Vfd1)测量结果(在步骤16中)。在测量感生光电流(Iph_d1)之前或之后，可以在所述不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平中下获得正向电压(Vfe和Vfd1)测量结果。通过在向发射LED施加每一个工作驱动电流水平之后立即在在每一个发射LED两端测量正向电压(Vfe)以及在每一个专用光电检测器两端测量正向电压(Vfd1)，Vfe和Vfd1测量结果可以用于提供发射LED和专用光电检测器的结温和如何随着驱动电流的变化而变化的良好指示。
在进行正向电压测量时，向发射LED中的每一个发射LED以及专用光电检测器LED中的每一个专用光电检测器LED供应相对小的驱动电流，每次一个LED，从而使得可以测量在个别LED的阳极和阴极两端产生的正向电压(Vfe或Vfd1)(在步骤16中)。在进行这些测量时，照明设备中的所有其他发射LED优选地被“关断”，以便避免不准确的正向电压测量结果(因为来自其他发射LED的光将在被测量的LED中引起附加光电流)。
如在本文中所使用的，“相对小的驱动电流”可以被广泛定义为非工作驱动电流，或者不足以使LED产生显著照明的驱动电流水平。在进行正向电压测量时，使用正向电压测量结果来补偿温度变化的大多数LED设备制造商向LED供应相对大的驱动电流(例如，足以使LED产生照明的工作驱动电流水平)。不幸的是，在工作驱动电流水平下测量的正向电压往往随着LED的使用期而显著变化。随着LED老化，结内的寄生电阻增大，其反过来使在工作电流水平下测量的正向电压随着时间(不论温度如何)而增大。为此，在获得正向电压测量结果时，在本文中使用相对小的(即，非工作)驱动电流来限制正向电压降的电阻部分。
针对具有一平方毫米结区域的一些常见类型的发射LED，在本文中用于从发射LED中获得正向电压测量结果的最优驱动电流可以为大致0.1至10mA，并且更优选地可以为约0.3至3mA。在一个实施例中，用于从发射LED中获得正向电压测量结果的最优驱动电流水平可以为1mA。然而，更小/更大的LED可以使用按比例更少/更多的电流来将电流密度保持为大致相同。在将显著更小的LED用作专用光电检测器的实施例中，用于从单个光电检测器中获得正向电压测量结果的最优驱动电流水平范围可以在约100μA至约300μA之间。在一个实施例中，用于从多个并联连接的专用光电检测器中获得正向电压测量结果的最优驱动电流水平可以为约1mA。用于从发射LED中或的正向电压测量结果的相对小的非工作驱动电流(例如，约0.3mA至约3mA)以及用于从专用光电检测器中获得正向电压测量结果的相对小的非工作驱动电流(例如，约100μA至约300μA)基本上小于在步骤14和16中用于测量光通量、色度和感生光电流的工作驱动电流水平(例如，约20mA至约500mA)。
在第一温度下获得步骤14至步骤16中所描述的测量结果之后，照明设备经受基本上不同于第一环境温度的第二环境温度(在步骤18中)。一旦经受这种第二温度，就重复步骤12至步骤16(在步骤20中)，以便从发射LED中的每一个发射LED中获得附加多个光学测量结果(在步骤14中)以及从发射LED和专用光电检测器中获得附加多个电测量结果(在步骤16中)。可以在第二环境温度下采用与以上针对第一环境温度而描述的方式相同的方式来获得附加测量结果。
在一个实施例中，第二环境温度可以基本上小于第一环境温度。例如，第二环境温度可以约等于室温(例如，大致25℃)，并且第一环境温度可以基本上大于室温。在一个示例中，第一环境温度可以更接近升高的温度(例如，大致70℃)或最大温度(例如，大致85℃)，设备预期在所述升高的温度或最大温度下进行操作。在替代性实施例中，第二环境温度可以基本上大于第一环境温度。
值得注意的是，施加来校准个别LED的温度的确切值、数量和顺序在某种程度上不重要。然而，通常期望在许多不同温度下获得光通量、x和y色度、以及光电流校准值，从而使得这些测量结果与驱动电流之间的非线性关系可以准确地表征为跨LED的工作温度范围。在一个优选实施例中，照明设备可以经受从照明设备的工作温度范围内选择的两个基本上不同的环境温度。虽然有可能在三个(或更多个)温度下获得本文中所描述的测量结果，但是那样做可能给校准过程增添显著的费用、复杂性和/或时间。为此，通常优选地是，仅在两个不同温度下(例如，约25℃和约70℃)校准发射LED和(多个)专用光电检测器。
在一些实施例中，可以在校准过程期间通过人工地生成温度来使照明设备经受第一和第二环境温度。然而，通常优选的是，第一和第二环境温度为在生产照明设备期间自然发生的环境温度，因为这简化校准过程并大大降低与其相关联的成本。在一个实施例中，在升高的温度下获得的测量结果可以在照明设备相对热(例如，大致50℃至85℃)时在LED老化之后得到，并且在这之后的某个时间(例如，在生产线的尽头)，可以实行室温校准，以便在照明设备相对冷(例如，大致20℃至30℃)时获得测量结果。
一旦获得了校准测量结果，就可以将校准值存储在照明设备内(在步骤22中)，从而使得所存储的值稍后可以用于对照明设备的可能随着驱动电流、温度和时间的变化而发生的光通量和/或色度变化进行补偿。在一个实施例中，校准值可以存储在如例如在图7中所示出的校准值表内。如以下参照图19而讨论的，校准值表可以存储在照明设备的存储介质内。
图7展示了可以根据图6中所示出的校准方法来生成的校准表的一个实施例。在所展示的实施例中，校准表包括在校准方法的步骤10、12、14、18、20和22中在三个不同的驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)和两个不同温度(T0、T1)下从每一个发射LED(例如，白色、蓝色、绿色和红色发射LED)中获得的六个光通量测量结果(Luma)、六个x色度测量结果(x chrom)、和六个y色度测量结果(y chrom)。图7中所示出的校准表还包括在校准方法的步骤10、12、16、20和22中发射LED中的每一个发射LED在三个不同的驱动电流水平和两个不同温度下产生的照明在光电检测器上感生的六个光电流测量值(Iph_d1)。
针对每一个发射LED(例如，每一个白色、蓝色、绿色和红色发射LED)以及每一个环境温度(T0、T1)，图7中所示出的校准表还包括在向发射LED供应三个不同的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平之后，在发射LED两端立即测量的正向电压(Vfe)和在专用光电检测器两端立即测量的正向电压(Vfd1)。如图7中所示出的，在此示例性实施例中，校准方法的步骤10、12、16、18、20和22导致针对每一个发射LED而存储六个Vfe测量结果和六个Vfd1量结果。
图7中所示出的校准表仅表示可以根据本文中所描述的校准方法来存储在LED照明设备内的校准值的一个示例。在一些实施例中，图6中所示出的校准方法可以用于将基本上不同的校准值或者基本上不同数量的校准值存储在LED照明设备的校准表内。
如以上所指出的，本发明不限于图6和图7中所示出的驱动电流水平和驱动电流值的示例性数量。必然有可能通过向发射LED施加更大/更小数量的驱动电流水平来从发射LED和所述至少一个专用光电检测器中获得更大/更小数量的光学和电测量结果。除了图7中所展示的最大驱动电流的10％、30％和100％以外，还有可能使用基本上不同值的驱动电流。
还有可能获得并存储来自发射LED的不同数量的正向电压(Vfe)测量结果、或者来自所述至少一个专用光电检测器的正向电压(Vfd1)测量结果。例如，图7的实施例中所示出的校准表存储来自每一个发射LED的六个正向电压(Vfe)测量结果以及来自每一个专用光电检测器的6*n个正向电压(Vfd1)测量结果，其中，‘n’是包括在照明设备内的发射LED的数量。如以上所指出的，优选地在向每一个发射LED施加每一个工作驱动电流水平(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)之后立即在两个不同环境温度(T0、T1)下获得六个Vfe测量结果和6*n个Vfd测量结果。因为这种实施例提供了对发射器和检测器结温如何随着环境温度的变化和驱动电流的变化而变化的良好指示，所以这种实施例通常是优选的。此外，在对设备的操作期间仅测量检测器正向电压(Vfd1)时，这种实施例使图13中所示出的(以及以下所描述的)补偿方法能够补偿发射器老化。
如在图6和图7中所示出的以及以上所描述的，校准方法可以在给定温度(例如，T0)和给定驱动电流(例如，最大驱动电流的10％)下获得每一个发射LED的仅一个Vfe测量结果和仅一个Vfd1测量结果。在一个替代性实施例中，图6的校准方法可以在给定温度(例如，T0)和给定驱动电流(例如，最大驱动电流的10％)下获得每一个发射LED的多个Vfe测量结果和多个Vfd1测量结果。可以在短时间段(例如，100毫秒)内获得所述多个Vfe和Vfd1测量结果，并且在将在每一个时间段内获得的所述多个Vfe测量结果和所述多个Vfd1测量结果存储在图7的校准表内之前，可以对其进行求平均和过滤。
如在共同转让的美国专利申请序列号13/970,944、13/970,964和13/970,990中所描述的，在另一个替代性实施例中，图6的校准方法可以从每一个发射LED中获得仅两个正向电压(Vfe)测量结果，针对两个不同温度(T0、T1)中的每一个温度获得一个。同样地，可以从专用光电检测器中获得仅2*n个正向电压(Vfd1)测量结果，其中，‘n’是包括在照明设备内的发射LED的数量。然而，在此实施例中，存储在校准表中的正向电压(Vfe和Vfd1)测量结果将仅提供对发射器和检测器结温如何随着环境温度的变化而不随着驱动电流诱导的温度变化而变化的指示。
在本发明的另一个替代性实施例中，图6中所示出的校准方法可以完全忽略发射器正向电压(Vfe)测量结果，并仅依赖于光电检测器正向电压(Vfd1)测量结果来提供温度指示。然而，如果发射LED与(多个)专用光电检测器之间的温度差异在工作温度范围内保持相对一致，那么可以仅忽略Vfe测量结果。为了维持发射LED与(多个)光电检测器之间的一致温度差异，在本文中提供了且以下参照图18A而描述了改进的发射器模块。
在本发明的又另一个替代性实施例中，图6中所示出的校准方法可以用于获得附加测量结果，所述附加测量结果稍后可用于补偿磷光体老化，并且由此随着时间而控制磷光体转换白色LED的色度。
如以上所指出的，本发明的一些实施例可以包括发射器模块内的磷光体转换白色发射LED。可以通过以下方式来形成这些LED：将例如峰值发射波长为约400至500的蓝色LED涂覆或覆盖有用于产生CCT为约3000K的基本上白色的光的磷光体材料(例如，YAG)。LED和磷光体的其他组合可以用于形成能够产生CCT在约2700K至10,000K的范围内的白光或近白光的磷光体转换LED。
在磷光体转换LED中，LED的光谱含量与磷光体的光谱含量组合，从而产生白光或近白光。如在图21中所示出的，组合的光谱可以包括具有第一峰值发射波长(例如，约400至500)的第一部分以及具有基本上不同于第一峰值发射波长的第二峰值发射波长(例如，约500至650)的第二部分。在此示例中，光谱的第一部分由蓝色LED发出的光生成，并且第二部分由穿过磷光体(例如，YAG)的光生成。
随着磷光体转换LED老化，磷光体的效率降低，这使磷光体转换LED的色度随着时间而似乎“更冷”。为了解释磷光体转换LED中与老化相关的色度偏移，在图6中所示出的校准方法的一些实施例中可能期望分别测量磷光体转换LED的LED部分感生的光电流和磷光体部分感生的光电流。由此，本发明的一些实施例可以使用两个不同颜色的光电检测器来测量分别由磷光体转换LED光谱的不同部分感生的光电流。具体地，照明设备的发射器模块可以包括第一光电检测器，所述第一光电检测器的检测范围被配置成用于仅检测磷光体转换LED发出的光谱的第一部分；以及第二光电检测器，所述第二光电检测器的检测范围被配置成用于仅检测磷光体转换LED发出的光谱的第二部分。
通常，第一和第二光电检测器的检测范围可以基于被测量的磷光体转换LED的光谱来选择。在以上所描述的磷光体转换白色发射LED包括在发射器模块内并以如以上所描述的方式实施的示例性实施例中，第一光电检测器的检测范围可以在约400nm与约500nm之间，以便测量蓝色LED部分发出的光感生的光电流，并且第二光电检测器的检测范围可以在约500nm与约650nm之间，以便测量穿过磷光体转换白色LED的磷光体部分的光感生的光电流。第一和第二光电检测器可以包括有时候被配置成用于检测入射光的专用光电检测器和/或发射LED。
如以上所指出的，照明设备的发射器模块优选地包括至少一个专用光电检测器。在一个实施例中，发射器模块可以包括两个不同颜色的专用光电检测器，比如，一个或多个专用绿色光电检测器和一个或多个专用红色光电检测器(见例如图17B)。在另一个实施例中，发射器模块可以仅包括一个专用光电检测器，比如，单个红色、橙色或黄色光电检测器(见例如图16B)。在这种实施例中，发射LED之一(例如，绿色发射LED)有时可以被配置为用于测量磷光体转换LED光谱的一部分的光电检测器。
在以上所描述的且在图6中所示出的校准方法中，所述至少一个专用光电检测器可以在步骤16中用于测量当发射LED在多个不同的驱动电流水平(例如，最大驱动水平的100％、30％和10％)和多个不同温度(例如，T0和T1)下被连续地驱动来产生照明时，发射LED中的每一个发射LED产生的照明在专用光电检测器中感生的光电流(Iph_d1)。在从专用光电检测器中获得光电流测量结果(Iph_d1)中的每一个光电流测量结果之前或之后的某个时间，在专用光电检测器两端测量正向电压(Vfd1)，以便提供对校准的驱动电流水平中的每一个校准的驱动电流水平下的检测器结温的指示。
在图6中所示出的校准方法的一些实施例中，用于获得光电流(Iph_d1)和正向电压(Vfd1)测量结果的专用光电检测器可以是例如红色LED。在校准磷光体转换白色LED时，专用红色光电检测器可以用于测量穿过磷光体(即，图21中所示出的光谱的“第二部分”)的光感生的光电流(Iph_d1)。在一些实施例中，另一个专用光电检测器(或发射LED之一)可以用于测量磷光体转换白色LED的LED部分(即，图21中所示出的光谱的“第一部分”)发出的光感生的光电流(Iph_d2)。此光电检测器可以是例如专用绿色光电检测器或绿色发射LED之一。
如在图7中所示出的，附加光电检测器可以在图6中所示出的校准方法的步骤16中用于测量当该LED在多个不同的驱动电流水平(例如，最大驱动水平的100％、30％和10％)和多个不同温度(例如，T0和T1)下被连续地驱动来产生照明时，磷光体转换白色LED的LED部分产生的照明在附加光电检测器中感生的光电流(Iph_d2)。除了测量磷光体转换白色LED的LED部分感生的光电流以外，绿色发射LED产生的照明感生的光电流(Iph_d2)还可以在步骤16中从附加光电检测器中获得并在图13的补偿方法中用作参考。在从附加光电检测器中获得光电流测量结果(Iph_d2)中的每一个光电流测量结果之前或之后，在附加光电检测器两端测量正向电压(Vfd2)，以便提供对校准的驱动电流水平中的每一个校准的驱动电流水平下的检测器结温的指示。
除了存储磷光体转换白色LED的单独光电流测量结果(Iph_d2和Iph_d1)以外，校准表还可以存储磷光体转换白色LED光谱的LED部分和磷光体部分在校准的驱动电流和温度中的每一者下的单独光通量(Luma)、x色度(x chrom)和y色度(y chrom)测量结果。虽然在图7中没有明确地示出这一点，但是测量归属于磷光体转换白色LED光谱的每一个部分的光通量(Luma)、x色度(x chrom)和y色度(y chrom)以及将这些值存储在校准表内，所存储的校准值稍后可以在本文中所描述的补偿方法中的一种或多种补偿方法期间用于分别控制磷光体转换白色LED的LED部分和磷光体部分的光通量和色度，如同LED是两个不同的LED。
现在已经参照图6和图7而描述了用于校准包括多个发射LED和一个或多个光电检测器的照明设备的示例性方法。尽管图6中所示出的方法步骤被描述为以特定顺序发生，但是可以采用基本上不同的顺序来执行所展示的方法的步骤中的一个或多个步骤。在一个替代性实施例中，例如，在步骤14中从发射LED中获得多个光学测量结果(例如，Luma、xchrom、y chrom)之前，可以在步骤16中从一个或多个光电检测器和发射LED中获得多个电测量结果(例如，Iph、Vfd和Vfe)。在另一个替代性实施例中，外部校准工具可以在与LED驱动器和接收器电路获得电测量结果(在步骤16中)的时间基本上相同的时间获得光学测量结果(在步骤14中)。虽然图6中所示出的校准方法在校准方法结束时(例如，在步骤22中)将校准值存储在照明设备内，但是熟练的技工将认识到在不背离本发明的范围的情况下，可以在校准过程期间的基本上任何时间存储这些值。本文中所描述的校准方法被认为包括所有这种变更和替代性实施例。
本文中所提供的校准方法采用许多方式来改进了常规校准方法。首先，本文中所描述的方法单独地校准每一个发射LED(或LED链)，同时关断当前未被测试的所有其他发射LED。这不仅提高了所存储的校准值的准确性，而且使所存储的校准值能够解释个别LED之间的工艺变化，以及内在地发生在不同颜色的LED之间的输出特性的差异。
在本文中通过在获得正向电压测量结果时，向发射LED和(多个)光电检测器供应与通常在常规校准方法中使用的工作驱动电流水平相反的相对小的(即，非工作)驱动电流来进一步提高准确性。通过使用非工作驱动电流来获得正向电压测量结果，本发明通过确保针对给定温度和固定驱动电流的正向电压不随时间而显著变化(由于使用工作驱动电流来获得正向电压测量结果时在结中存在寄生电阻)来避免不准确补偿。
作为另一个优点，本文中所描述的校准方法在多个不同的驱动电流水平和多个不同温度下从每一个LED中获得多个光学测量结果并从每一个光电检测器中或的多个电测量结果。这通过使得能够对每一个单独LED的光通量由驱动电流之间的非线性关系以及光电流与驱动电流之间的非线性关系进行精确表征从而进一步提高校准准确度。此外，在许多不同环境温度下获得校准值通过使补偿方法(以下所描述的)能够在所存储的校准值之间进行插值来提高补偿准确度，从而使得可以针对当前工作温度而确定准确的补偿值。
作为又另一个优点，本文中所描述的校准方法可以使用不同颜色的光电检测器来测量磷光体转换LED光谱的不同部分(例如，LED部分和磷光体部分)感生的光电流。不同颜色的光电检测器还可以用于测量参考发射LED感生的峰值发射波长落入磷光体转换LED发出的光谱的LED部分内的光电流。通过将这些校准值存储在照明设备内。校准值稍后可以用于检测和解释可能随着时间而在磷光体转换LED中发生的色度偏移。
如以下更加详细地描述的，存储在校准表内的校准值可以在本文中所描述的一个或多个补偿方法中用于调整向发射LED供应的个别驱动电流，以便随着驱动电流的变化、温度的变化和随着LED老化的时间而获得期望光通量和期望色度。例如，光通量(Luma)测量结果可以在一些实施例中用于随着温度的变化而维持一致的流明输出和色度。在一些实施例中，当照明设备的调光水平或颜色点设置改变时，光通量(Luma)测量结果可以连同色度(例如，xchrom、y chrom)测量结果用于获得新的流明输出或新的目标色度。不论所使用的特定光通量或色度设置如何，光电流(Iph)测量结果都可以用于调整向发射LED供应的个别驱动电流，以便解释LED老化效应。在补偿LED照明设备时，虽然可以利用所有这种测量结果来获得大多数准确结果，但是本领域的技术人员将理解本文中所描述的校准值中的一个或多个校准值可以如何用于改进现有技术照明设备执行的补偿方法。
用于控制照明设备的改进方法的示例性实施例
图8至图15展示了用于控制通常包括多个发射LED和至少一个专用光电检测器的照明设备的改进方法的示例性实施例。更具体地，图8至图15展示了可以用于调整向LED照明设备的个别LED供应的驱动电流的改进的补偿方法的示例性实施例，以便随着驱动电流的变化、温度的变化和随着LED老化的时间而获得期望光通量和期望色度。
在一些实施例中，图8至图15中所示出的补偿方法可以用于控制具有LED(所有LED具有相同颜色)的照明设备。然而，因为不同颜色的LED的输出特性随着驱动电流、温度和时间而以不同方式变化，所以本文中所描述的补偿方法特别适合用于控制包括两个或更多个不同颜色的LED的照明设备(即，多颜色LED照明设备)。因为驱动电流的变化内在地影响照明设备的流明输出、颜色和温度，所以本文中所描述的补偿方法也特别适合用于控制提供调光和/或颜色调节能力的照明设备(即，可调节LED照明设备)。
以下将参照图16至图20而描述照明设备的示例性实施例，所述图示出了不同类型的LED照明设备，每一个LED照明设备都具有一个或多个发射器模块。如在图16B、17B、18A和18B中所描述的，每一个发射器模块通常可以包括安排在阵列中的多个发射LED、以及关于所述阵列的外围而间隔开的一个或多个光电检测器。在一个示例性实施例中，发射LED阵列可以包括红色、绿色、蓝色和白色(或黄色)LED，并且一个或多个光电检测器可以包括一个或多个红色、橙色、黄色和/或绿色LED。然而，本发明并不限于任何特定颜色、数量、组合或安排的发射LED和光电检测器。熟练的技工将理解可以如何将本文中所描述的方法步骤应用到具有基本上不同的发射器模块的其他LED照明设备。
根据一个实施例，图8展示了可以用于调整向LED照明设备的个别LED供应的驱动电流的示例性补偿方法，以便随着温度的变化而维持期望光通量和期望色度。在图8中以实线轮廓示出的补偿方法步骤与共同转让的美国专利申请序列号13/970,944、13/970,964和13/970,990的图5中所描述的补偿方法步骤类似，所述专利申请提供了改进的照明设备和温度补偿方法。
然而，之前提交的申请未能公开用于控制照明设备的方法，以便随着时间而维持期望光通量和期望色度，或者以便在改变照明设备的调光水平或颜色点设置时获得新的光通量或新的色度。在图8中以虚线轮廓示出的可选方法步骤通过以下方式来改进了之前提交的申请中所描述的补偿方发：使得能够通过一系列调光水平和一系列颜色点设置来精确地控制光通量和色度。图13中所示出的以及以下所讨论的补偿方法进一步通过以下方式来改进了之前提交的申请中描述的补偿方法：提供一种用于随着LED老化的时间而维持期望光通量和期望色度的方法。图8和图13中所示出的补偿方法可以单独或一起用于随着驱动电流、温度和时间的变化而为照明设备中使用的所有LED提供准确补偿。
如在图8中所示出的，改进的补偿方法通常可以通过以下方式开始：基本上连续地驱动多个发射LED产生照明(在步骤30中)。当照明设备第一次“接通”时，所述LED周围的环境温度随着时间而稳定增大，直到温度稳定为止。在一些实施例中，可以在照明设备“接通”之后不久执行所述补偿方法，并且可以将所述补偿方法重复许多次，直到所述LED周围的温度稳定为止。然而，因为驱动电流的变化以及其他因素影响所述LED周围的环境温度，所以可以在对照明设备的操作期间的其他时间执行图8中示出的补偿方法。
在一个优选实施例中，只有在检测到环境温度的显著变化时才可以执行所述补偿方法(在步骤32中)。如以下参照图20而讨论的，在一些实施例中，可以通过专用温度传感器或附加LED来监测环境温度，所述附加LED被用作温度传感器和光学传感器两者。“显著变化”可以是环境温度的任何增量增大或减小(例如，1℃)并且通常在照明设备的控制电路内被设置为指定量。如果没有检测到任何显著温度变化(步骤32中的“否”分支)，那么所述补偿方法可以继续基本上连续地驱动多个发射LED产生照明(在步骤30中)。否则，所述补偿方法可以继续到步骤36。
在一些实施例中，如果在可调节照明设备中改变了调光水平和/或颜色点设置，那么也可以执行所述补偿方法。为了适应这种变化，所述补偿方法可以监测存储在照明设备的控制电路内的目标亮度(Ym)和目标色度设置(xm，ym)。在一些实施例中，目标亮度(Ym)可以被表示为调光水平的有限集，并且目标色度设置(xm，ym)可以被表示为照明设备的色域内的一系列x、y坐标。在一些实施例中，目标亮度(Ym)和目标色度设置(xm，ym)可以例如作为16位整数值而存储在控制电路的硬件或软件寄存器内，并且可由用户或建筑物控制器通过将替代值存储在照明设备内来进行改变。如果控制电路没有检测到所存储的Ym、xm和ym值的任何变化(步骤34中的“否”分支)，那么所述补偿方法可以继续基本上连续地驱动多个发射LED产生照明(在步骤30中)。否则，所述补偿方法可以继续到步骤36。
如在本文中所使用的，术语“基本上连续地”是指向多个发射LED几乎连续地供应工作驱动电流，除了这样的周期性间隔以外：在所述周期性间隔内，多个发射LED被暂时地“关断”较短持续时间(在步骤36中)。在图8的示例性实施例中，利用周期性间隔来从发射LED中的每一个发射LED中获得正向电压(Vfe)，每次一个LED(在步骤38中)。如在图13和图14中所示出的以及以下更加详细地讨论的，这些周期性间隔还可以用于其他目的。
图9是示例性定时图，展示了根据本发明的一个实施例的在图8中所示出的补偿方法的步骤30、36和38。如在图8和图9中所示出的，使用工作驱动电流水平(在图9中一般被表示为I1)来基本上连续地驱动多个发射LED产生照明(在图8的步骤30中)。通过移除驱动电流或者至少将驱动电流减小至非工作水平(在图9中一般被表示为I0)来以周期性间隔将多个发射LED关闭较短持续时间(在图8的步骤36中)。在周期性间隔之间，随着向LED供应DC电流，照明设备产生连续的照明。
在每一个周期性间隔内，使用相对小的非工作驱动电流(例如，约0.1至10mA，图9中未示出)来驱动一个发射LED，并且测量在该LED两端产生的正向电压(例如，Vfel)。如图9中所示出的，以此方式，在每一个发射LED两端测量正向电压(例如，Vfel、Vfe2、Vfe3和Vfe4)，每次一个LED。在一些情况下，可在时间段内对与每一个单独发射LED相关联的正向电压求平均，将其过滤以便消除错误数据，并将其存储在例如照明设备的寄存器中。
图9提供了用于测量当前正向电压(即，Vfe_当前，或者在对设备进行操作期间在发射LED两端产生的正向电压)的示例性定时图，所述当前正向电压提供对包括在照明设备中的每一个发射LED的当前结温的指示。尽管图9提供了包括四个发射LED(比如，RGBY或RGBW)的照明设备的示例性定时图，但是可以容易地修改本文中所描述的定时图和方法，以便适应更小或更大数量的发射LED。如以下更加详细地描述的，也可以容易地修改在本文中所描述的定时图，以便容纳如例如在图14中所示出的附加测量结果。
在一个替代性实施例中，图8的补偿方法可以在步骤38中测量在一个或多个光电检测器两端产生的检测器正向电压(Vfd_当前)，而不是图8和图9中所示出的发射器正向电压(Vfe_当前)。然而，如果发射LED与(多个)光电检测器之间的温度差异在工作温度范围内保持相对一致，那么检测器正向电压仅可以在当前描述的补偿方法中使用。为了维持发射LED与(多个)光电检测器之间的基本上一致的温度差异，在本文中提供了且以下参照图18A而描述了改进的发射器模块。
在本发明的一些实施例中，如果在步骤32中检测到温度变化，但是在步骤34中没有改变目标亮度(Ym)和目标色度设置(xm，ym)，那么图8中所示出的补偿方法可以继续至步骤46。如在图8和图10中所示出的，所述补偿方可以使用以下各项来确定实现每一个发射LED的期望光通量(Lx)所需要的驱动电流(Ix)：当前正向电压(Vfe_当前)、在图6的校准方法期间生成的已存储校准值表、以及一种或多种插值技术(在图8的步骤46中)。例如，所述补偿方法可以在所存储的光通量校准值之间进行插值，以便在之前校准的(即，已知的)驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下计算将对当前正向电压预期的光通量值。一旦在校准的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下计算了光通量值，如果期望光通量不同于所计算的光通量值之一，则可以使用另一种插值技术来确定产生期望光通量(Lx)需要的未知驱动电流(Ix)。
图10是图形展示，描绘了一种或多种插值技术可以如何用于确定产生所存储的校准值中的期望光通量(Lx)需要的驱动电流(Ix)。在图10中，六个实心点(·)表示在校准期间在三个不同的驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)和两个不同温度(例如，T0和T1)下获得的光通量校准值。如以上所指出的，光通量校准值(·)之前存储在包括在照明设备中的每一个发射LED的校准值表(见例如图7)内。
为了确定产生给定LED的期望光通量(Lx)需要的驱动电流(Ix)，图8的补偿方法在所存储的校准值(·)中的每一个校准值之间进行插值，以便计算应当在使用相同的三个驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)时在当前工作温度(Vfe_当前)下产生的光通量值(△)。如果期望光通量(Lx)不同于计算的光通量值(△)之一，那么图8的补偿方法可以将另一种插值技术应用到计算的光通量值(△)上，以便生成其之间的关系(在图10中通过实线表示)。根据这种关系，可以确定产生期望光通量(Lx)需要的驱动电流(Ix)。
在一些实施例中，用于计算光通量值(△)和用于生成计算的值之间的关系的(多种)插值技术可以取决于被补偿的LED的颜色。例如，蓝色、绿色和白色LED的光通量对结温(或正向电压)关系在工作温度范围内是基本上线性的(见图2)。所述补偿方法因为这种线性关系而能够在当前正向电压下通过在校准的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平下在所存储的校准值之间进行线性插值来计算蓝色、绿色和白色LED的光通量值(△)。然而，红色、橙红色和黄色LED展现了光通量对结温之间的基本上更加非线性的关系(见图3)。针对这些LED，可以使用更高阶插值技术来计算当前正向电压下针对校准的驱动电流水平中的每一个驱动电流水平的光通量值(△)。
在一个实施例中，更高阶插值技术可以采用二次插值的形式，所述二次插值遵循一般方程：
ax2+bx+c＝y (EQ.1)
其中，‘x’是Vf(或温度)；‘y’是光通量；并且‘a’、‘b’和‘c’是系数。如果之前在校准阶段期间在三个不同的温度下获得了正向电压值和光通量值，则可以通过将所存储的校准值插入到EQ.1中以及针对‘a’、‘b’和‘c’而分别对方程进行求解从而精确地确定‘a’、‘b’和‘c’系数。另一方面，如以上所描述的，如果尽在两个不同温度下校准了LED，则可以从LED制造商提供的数据表中获得‘a’系数，而‘b’和‘c’系数跟你局校准值来确定。尽管后一种方法(有时候被称为“普尔曼斯二次插值(Poor Man’s Quadratic Interpolation)”)可能牺牲小量的准确性，但是其可以表示准确性与校准成本之间的可接受权衡。在一些实施例中，校准值表可以存储实际(例如，测量的)光通量校准值或仅存储进行更高阶插值需要的系数。在其他实施例中，测量值和系数的组合可以存储在校准表中。
在一些实施例中，如果期望光通量(Lx)不同于计算值之一，那么可以通过另一种插值技术来确定计算的光通量值(△)之间的关系(图10中的实线)。然而，因为光通量与驱动电流之间的关系针对所有LED颜色来说是非线性的(见图4和图5)，所以优选地通过对计算的光通量值进行更高阶插值来得到所述关系。可替代地，可以使用分段线性插值来表征计算的光通量值之间的非线性关系，或者可以从LED制造商提供的数据表中假设典型曲率。
在一些实施例中，可以基于存储器与处理要求之间的权衡和/或基于被补偿的LED的特定颜色来选择适当的插值技术。如以上所指出的，如蓝色和绿色等一些LED颜色展现出比如红色和橙红色等其他LED颜色相对更加非线性的光通量对驱动电流关系(见图4和图5)。可以通过以下方式来更准确地补偿展现出基本上更加非线性的行为的LED颜色(比如，蓝色和绿色)：获得更多光通量校准值并使用分段线性插值技术，或者获得更少校准值并使用更高阶插值技术或假设的曲率生成光通量与驱动电流之间的非线性关系。
一旦得到了给定LED的光通量与驱动电流之间的关系，就可以从如在图10的示例中所示出的所生成的关系中选择产生期望光通量(Lx)需要的驱动电流(Ix)。然后，所选的的驱动电流可以用于驱动LED产生具有期望光通量的照明(在图8的步骤48中)。对每一个发射LED执行此过程，直到每一个LED被配置成用于在当前工作温度(Vfe_当前)下产生期望光通量(Lx)为止。可以通过以下方式来调整向LED供应的驱动电流，以便满足所选择的驱动电流：或者调整驱动电流水平(即，电流调光)，或者通过脉冲宽度调制(PWM)调光来改变驱动电流的占空比。
在一些实施例中，如果在步骤34中改变了目标亮度(Ym)和/或目标色度设置(xm，ym)，那么图8中所示出的补偿方法可以执行附加步骤(例如，步骤40、42和44)。如以上所指出的，可由用户或建筑物控制器改变目标亮度(Ym)或目标色度设置(xm，ym)，以便调整可调节LED照明设备的调光水平或颜色点设置。如果在步骤34中检测到目标亮度或色度的改变，那么所述补偿方法可以确定当前向发射LED中的每一个发射LED供应的驱动电流(Idrv)(在步骤40中)。当前驱动电流(Idrv)可以从LED驱动器电路中获得。尽管在图8中被展示为在步骤38中测量当前正向电压(Vfe_当前)之后发生，但是在本发明的替代性实施例中，可以在测量正向电压之前确定当前驱动电流(Idrv)。
一旦确定了当前正向电压和当前驱动电流，所述补偿方法就可以使用以下各项来确定对每一个发射LED预期的色度值(xi，yi)(在步骤42中)：在LED两端测量的当前正向电压(Vfe_当前)、向LED供应的当前驱动电流(Idrv)、在图6的校准方法期间生成的已存储校准值表、以及一种或多种插值技术。图11和图12描绘了一种或多种插值技术可以如何用于在当前工作温度(Vfe_当前)和来自已存储校准值表中的当前驱动电流(Idrv)下确定给定LED的预期x和y色度值(xi，yi)。
在图11和图12中，实心点(·)表示在校准期间在三个不同的驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)和两个不同温度(例如，T0和T1)下获得的x和y色度校准值。如以上所指出的，x和y色度校准值(·)存储在包括在照明设备内的每一个发射LED的校准值表(见例如图7)内。为了确定给定LED的预期x和y色度值(xi，yi)，图8的补偿方法在所存储的校准值(·)之间进行插值，以便计算应当在使用相同的三个驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)时在当前工作温度(Vfe_当前)下产生的x和y色度值(△)。在大多数情况下，可以使用线性插值技术来计算当前工作温度(Vfe_当前)下的x和y色度值(△)。然而，如果在多于两个温度下校准了x和y色度值，那么可以使用非线性插值技术来计算当前工作温度(Vfe_当前)下的x和y色度值(△)。
如果当前向发射LED供应的驱动电流(Idrv)不同于校准的驱动电流值之一，那么图8的补偿方法可以将另一种插值技术应用到计算的x和y色度值(△)上，以便生成其之间的关系(在图11和图12中通过实线表示)。根据这种关系，可以确定当前驱动电流(Idrv)而确定预期x和y色度值(xi，yi)。
用于生成计算的x和y色度值(△)之间的关系的插值技术通常可以取决于被补偿的LED的颜色。如以上所指出的，随着驱动电流和温度的色度变化针对不同颜色的LED说是显著不同的。针对红色LED，峰值发射波长随着驱动电流而相对线性地增大，但随着温度而显著增大。绿色LED的峰值发射波长在某种程度上随着驱动电流而非线性地减小并且随着温度而稍微增大。尽管绿色LED的峰值发射波长随着温度而变化非常小，但是其随着驱动电流而非常非线性地减小。在一些实施例中，可以使用分段线性插值技术来生成计算的x和y色度值(△)之间的关系，或者可以从LED制造商所提供的数据表中假设典型曲率。然而，在其他实施例中，在对随着驱动电流而展现出更多显著的非线性色度变化的某些颜色的LED(例如，绿色LED)进行补偿时，可以使用更高阶插值技术来增大准确性。
对每一个发射LED预期的x和y色度可以表示为采用(xi，yi)的形式的颜色点。在包括四个发射LED的照明设备中，补偿方法的步骤42可以导致生成四个预期颜色点：(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)。一旦在步骤42中确定了预期颜色点，所述补偿方法就可以在步骤44中计算实现目标亮度(Ym)和目标色度设置(xm，ym)而需要从发射LED中的每一个发射LED中获得的相对流明。例如，当组合了来自四个发射LED的光时，组合光的目标亮度(Ym)可以表示为：
Ym＝Y1+Y2+Y3+Y4 (EQ.2)
其中，Y1、Y2、Y3和Y4表示四个发射LED的相对流明。可以使用众所知周的颜色混合方程来计算相对流明值(Y1、Y2、Y3和Y4)；可以将目标亮度(Ym)和目标色度(xm，ym)设置在照明设备内；并且可以在补偿方法的步骤42中确定预期颜色点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4，y4)。由于这些方程式众所周知的且容易被熟练的技工理解，所以本文中省略了对这种方程的进一步描述。
一旦计算了每一个发射LED的相对流明(Y1、Y2、Y3和Y4)(在步骤44中)，就在类似于以上所描述的方式的步骤46中确定实现目标亮度(Ym)而应当向每一个发射LED供应的驱动电流。然而，代替确定从每一个发射LED中实现“期望光通量”(Lx)而需要的驱动电流(Ix)，当前实施例确定实现在步骤44中针对每一个发射LED而计算的相对流明值(Y1、Y2、Y3和Y4)而需要的驱动电流(Ix)。一旦在步骤46中确定了个别驱动电流(Ix)，就在步骤48中使用所确定的驱动电流来驱动发射LED产生具有期望光通量和期望色度的照明。
每当检测到显著的温度变化(在步骤32中)和/或改变了目标亮度或目标色度设置(在步骤34中)时，在图8中所示出的补偿方法可以用于调整向发射LED供应的驱动电流。然而，因为驱动电流的变化内在地影响LED结温，所以通常可以重复图8中所示出的方法步骤许多次，直到温度稳定并且目标亮度和色度值保持不变为止。
现在已经参照图8至图12而描述了用于随着驱动电流和温度的变化而控制LED照明设备的补偿方法的一个实施例。尽管本文中所描述的补偿方法参照来自CIE 1931 XYZ颜色空间的目标色度设置和色度校准值，但是本领域的技术人员将容易理解可以如何修改所述补偿方法以便使用来自如CIE 1931 RGB颜色空间、CIE 1976 LUV颜色空间和各种其他RGB颜色空间(例如，sRGB、Adobe RGB等)等其他颜色空间的目标色度设置和色度校准值。为此，在本文中所描述的以及在权利要求书中所述的补偿方法被认为包括可以用于描述基本上包括如本文中所描述的发射LED的任何组合的LED照明设备的色域的任何颜色空间。
相比常规补偿方法，图8中所示出的补偿方法提供了许多优点。如以上所指出的，常规方法通常通过向发射LED施加工作驱动电流水平来测量正向电压。不幸的是，在工作驱动电流水平下测量的正向电压随着LED的使用期而显著变化。随着LED老化，结内的寄生电阻增大，其反过来使在工作电流水平下测量的正向电压随着时间(不论温度如何)而增大。为此，本补偿方法使用相对小的驱动电流(例如，约0.1mA至约10mA)来在关断当前未测试的所有发射LED的同时单独地从每一个发射LED中获得正向电压测量结果。这提高了工作正向电压值的准确性并使得能够对每一个发射LED的温度和过程进行单独补偿。
在执行温度补偿时，常规方法常常依赖于典型值或光通量与驱动电流之间的线性关系。相比而言，本文中所描述的补偿方法在不同驱动电流和不同温度下得到的多个所存储的光通量校准值之间进行插值，以及在当前工作温度(Vfe_当前)下得到每一个LED的光通量与驱动电流之间的非线性关系。这使本补偿方法能够准确且单独地表征包括在照明设备内的每一个LED的光通量对驱动电流关系，并且不论过程如何，都能够提供准确的温度补偿。因此，本文中所描述的补偿方法随着温度变化而提供对光通量的准确控制。
当调光水平或颜色点设置由用户或建筑物控制器改变时，图8中所示出的补偿方法通过以下方式来改进常规补偿方法：提供控制照明设备的亮度和色度的更加准确的方法。当照明设备检测到目标亮度或目标色度的变化时，必须调整向发射LED供应的驱动电流以便实现(多个)新的目标值。本文中所描述的补偿方法增大了通过以下方式来确定新的驱动电流的准确性：在不同温度下得到的多个所存储的色度校准值之间进行插值，以及在当前工作温度(Vfe_当前)下得到每一个发射LED的色度与驱动电流之间的关系。这使本补偿方法能够准确的确定在当前工作温度和当前驱动电流下应当为每一个发射LED产生的预期色度值。因此，本文中所描述的补偿方法提供对色度随着驱动电流变化的准确控制。
虽然图8中示出的补偿方法提供了用于控制LED照明设备的光通量和色度随着驱动电流和温度的变化的准确方法，但是其并不解释LED老化效应。为了减轻这种效应，图13提供了用于随着LED老化时间而维持期望光通量和期望色度的改进方法。如以上所指出的，图8和图13中所示出的补偿方法可以单独或一起用于随着驱动电流、温度和时间的变化而为照明设备中使用的所有LED提供准确补偿。
通常，可以贯穿照明设备的使用期重复地执行图13中所示出的补偿方法，以便解释LED老化效应。可以在基本上任何时间(照明设备第一次“接通”时)，或者以贯穿设备的使用期的周期性或随机间隔执行图13中所示出的方法。在一些实施例中，可以在检测到温度、调光水平或颜色点设置的变化之后执行图13中所示出的补偿方法，以便对在图8的补偿方法中确定的驱动电流值进行微调。
如在图13中所示出的，老化补偿方法通常可以通过以下方式开始：基本上连续地驱动多个发射LED产生照明，例如，通过向多个发射LED中的每一个发射LED施加工作驱动电流(Idrv)(在步骤50中)。如以上所指出的，术语“基本上连续地”是指几乎连续地向多个发射LED施加工作驱动电流，除了这样的周期性间隔以外：在所述周期性间隔内，多个发射LED被暂时地关断较短持续时间(在步骤52中)。在图13中所示出的方法中，周期性间隔可以用于从包括在照明设备内的专用光电检测器(例如，红色光电检测器)或被配置成用于检测入射光的发射LED(例如，红色发射LED)中获得各种测量结果。例如，在步骤54中，周期性间隔用于测量响应于由每一个发射LED产生并且由所述光电检测器接收的照明而在光电检测器上感生的光电流(Iph)，每次一个LED。在步骤56中，周期性间隔用于获得在向光电检测器施加相对小的(即，非工作)驱动电流之后在光电检测器两端产生的正向电压(Vfd)。
图14是示例性定时图，展示了根据本发明的一个实施例的在图13中所示出的补偿方法的步骤50、52、54和56。如在图13和图14中所示出的，使用工作驱动电流水平(在图14中一般被表示为I1)来基本上连续地驱动多个发射LED产生照明(在图13的步骤50中)。通过移除驱动电流或者至少将驱动电流减小至非工作水平(在图14中一般被表示为I0)来以周期性间隔将多个发射LED关闭较短持续时间(在图13的步骤52中)。在周期性间隔之间，随着向发射LED供应DC电流，照明设备产生连续的照明。
在周期性间隔中的一些周期性间隔内，使用工作驱动电流水平(I1)来驱动一个发射LED产生照明，而剩下LED保持“关断”，并且测量来自驱动的LED的照明在光电检测器中感生的光电流(例如，Iph1)。如图14中和图13的步骤54中所示出的，测量发射LED中的每一个发射LED产生的照明在光电检测器上感生的光电流(例如，Iphl、Iph2、Iph3和Iph4)，每次一个LED。尽管图14提供了包括四个发射LED(比如，RGBY或RGBW)的照明设备的示例性定时图，但是可以容易地修改本文中所描述的定时图，以便适应更小或更大数量的发射LED。
在获得光电流(Iph)测量结果之前或之后的某个时间，在光电检测器两端通过向光电检测器施加相对小的非工作驱动电流(例如，约0.1至0.3mA)来测量正向电压(Vfd)(在图13的步骤56中)。此正向电压测量结果(在本文中也被称为Vfd_当前)提供对光电检测器的当前结温的指示。尽管图14的定时图仅示出了从单个光电检测器获得的一个正向电压(Vfd)测量结果，但是可以容易地修改定时图以便适应更大数量的光电检测器。
在一个示例性实施例中，可以在包括使用不同颜色的LED来实施的多个光电检测器的照明设备内利用当前描述的补偿方法。具体地，照明设备的每一个发射器模块可以将一个或多个红色LED和一个或多个绿色LED包括为光电检测器。在这种实施例中，可以通过向每一个光电检测器施加小驱动电流来从所述光电检测器中获得正向电压测量结果(Vfd)(在步骤56中)。在许多情况下，可在时间段内对与每一个发射LED相关联的光电流(Iphl、Iph2、Iph3、Iph4)以及与每一个光电检测器(Vfd)相关联的(多个)正向电压求平均，将其过滤以便消除错误数据，并将其存储在例如照明设备的寄存器中。
除了光电流和(多个)检测器正向电压以外，图14中所示出的周期性间隔可以用于获得如以上关于图8和图9而描述的发射器正向电压(Vfel、Vfe2等)等其他测量结果。周期性间隔还可以用于在本文中未具体展示的其他目的。例如，周期性间隔中的一些周期性间隔可由光电检测器用于检测源自照明设备之外的光，比如，环境光或来自其他照明设备的光。在一些情况下，环境光测量结果可以用于在环境光水平下降至阈值之下时(即，在其变暗时)接通照明设备，以及在环境光水平超过另一个阈值时(即，在其变亮时)关断照明设备。在其他情况下，环境光测量结果可以用于随着环境光水平的变化而调整照明设备的流明输出，例如以便维持房间中的一致亮度水平。如果周期性间隔用于检测来自其他照明设备的光，那么在图13的补偿方发中获得光电流和检测器正向电压测量结果时，检测到的光可以用于避免来自其他照明设备的干扰。
在其他实施例中，周期性间隔可以用于使用两个或更多个不同颜色的光电检测器来测量特定LED的光谱的不同部分。例如，磷光体转换白色LED的光谱可以分成两个部分，并且可以在两个不同的周期性间隔内使用两个不同的光电检测器来分别测量每一个部分。具体地，第一周期性间隔可以用于检测磷光体转换白色LED的第一光谱部分(例如，约400nm至约500nm)在第一光电检测器(例如，绿色光电检测器)上感生的光电流。第二周期性间隔可以用于检测磷光体转换白色LED的第二光谱部分(例如，约500nm至约650nm)在第二光电检测器(例如，绿色光电检测器)上感生的光电流。如以下更加详细地描述的，将磷光体转换白色LED的光谱分成两个部分，以及使用两个不同颜色的光电检测器来单独地测量每一个部分可以使图13的补偿方法检测并解释随着磷光体转换LED老化而发生的色度变化。
一旦测量了光电流和(多个)检测器正向电压，图13中所示出的补偿方法就可以使用以下各项来确定对每一个发射LED预期的光电流(Iph_预期)(在步骤58中)：当前在光电检测器两端测量的当前正向电压(Vfd_当前)、当前向LED施加的驱动电流(Idrv)、在图6的校准方法期间生成的已存储校准值表、以及一种或多种插值技术。图15描绘了一种或多种插值技术可以如何用于在当前工作温度(Vfd_当前)和来自已存储校准值表中的当前驱动电流(Idrv)下确定给定LED的预期光电流(Iph_预期)。
在图15中，实心点(·)表示在校准期间在三个不同的驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)和两个不同温度(例如，T0和T1)下获得的光电流校准值。如以上所指出的，光电流校准值(·)存储在包括在照明设备内的每一个发射LED的校准值表内(见例如图7)。为了确定给定LED的预期光电流(Iph_预期)，图13的补偿方法在所存储的校准值(·)之间进行插值，以便计算应当在使用相同的三个驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)时在当前工作温度(Vfd_当前)下产生的光电流值(△)。
因为光电检测器的发射功率和响应性随着温度而线性地降低，所以光电流随着温度的变化针对所有LED颜色来说是非线性的。为此，非线性插值技术可以用于在当前工作温度下对所有LED颜色计算光电流值(△)。在一些实施例中，非线性插值技术可以是更高阶插值、“普尔曼斯”二次插值、或假设的曲率。在其他实施例中，两重不同的线性插值(例如，发射功率与温度之间的线性插值，以及检测器响应性与温度之间的线性插值)的结果可以乘在一起以便计算当前工作温度下的光电流值(△)。
如果当前向发射LED供应的驱动电流(Idrv)不同于校准的驱动电流值之一，那么图13的补偿方法可以将另一种插值技术应用到计算的光电流值(△)上，以便生成其之间的关系(在图15中通过实线表示)。在一些情况下，对计算的光电流值(△)的更高阶插值可以用于生成光电流与驱动电流之间的非线性关系。在其他情况下，可以使用分段线性插值来表征计算的光电流值之间的非线性关系，或者可以从LED制造商提供的数据表中假设典型曲率。根据所生成的关系，可以针对当前驱动电流(Idrv)而确定预期光电流值(Iph_预期)。
一旦确定了对每一个发射LED预期的光电流(Iph_预期)(在步骤58中)，图13中所示出的补偿方法就通过将对每一个LED预期的光电流(Iph_预期)除以针对每一个LED而测量的光电流(例如，Ipdl)来计算每一个发射LED的比例因子(在步骤60中)。接下来，所述补偿方法将每一个比例因子应用到每一个发射LED的期望光通量值上，以便获得每一个发射LED的经调整的光通量值(在步骤62中)。在一些实施例中，期望光通量值可以是例如在图8中示出的补偿方法的步骤44中计算的相对流明值(Y1、Y2、Y3和Y4)之一，以便解释存储在照明设备内的目标亮度(Ym)和/或目标色度(xm，ym)设置的任何变化。最后，如果在发射LED中的任何发射LED的预期光电流与测量光电流之间存在差异，则调整当前向发射LED施加的驱动电流(在步骤64中)，以便实现经调整的光通量值。
以上所描述的和图13中所展示的补偿方法提供了用于调整向发射LED施加的个别驱动电流的准确方法，避免补偿随着LED老化的时间而发生的流明输出降低。通过准确地控制每一个发射LED产生的光通量，所述补偿方法准确地控制包括多个多颜色非磷光体转换发射LED的LED照明设备的颜色。然而，且如以上所指出的，本发明的一些实施例可以包括发射器模块内的磷光体转换发射LED(例如，白色或黄色LED)。在这种实施例中，可以采取附加步骤来随着时间而控制磷光体转换LED的光通量和色度。
像非磷光体转换LED一样，磷光体转换LED产生的光通量通常随着时间而降低。然而，不像非磷光体转换LED，因为磷光体的效率随着磷光体老化而降低，所以磷光体转换LED也易受色度随着时间而产生的变化的影响。当磷光体转换LED包括在发射器模块中时，图13中所示出的补偿方法可以用于通过分别测量和补偿磷光体老化引起的色度偏移来检测并解释磷光体转换LED中发生的色度偏移。为了做到这一点，两个单独的光电检测器可以包括在发射器模块内用于测量磷光体转换LED光谱的两个不同的部分感生的光电流。在一些实施例中，发射器模块可以包括两个不同颜色的专用光电检测器(例如，图17B中所示出的红色和绿色光电检测器)，用于测量磷光体转换LED光谱(如例如在图21中所示出的)的两个不同部分感生的光电流。在其他实施例中，仅一个专用光电检测器(例如，如图16B中所示出的红色光电检测器)可以包括在发射器模块内，并且发射LED之一(例如，绿色发射LED)有时可以用作附加光电检测器。
为了检测和解释在磷光体转换白色LED中随着时间而发生的色度偏移，必须首先校准磷光体转换LED光谱的不同部分。例如，专用红色光电检测器和专用绿色光电检测器(或绿色发射LED)两者都可以在图6的校准方法的步骤16中用于从磷光体转换白色LED中获得光电流测量结果。红色检测器上白色LED(white LED-on-red detector)光电流测量结果作为“Iph_d1”存储在图7的校准表中。绿色检测器上白色LED(white LED-on-greendetector)光电流测量结果作为“Iph_d2”存储在图7的校准表中。Iph_d2校准值在图7中以斜体字表示，以表明他们是可选值，所述可选值仅可以在磷光体转换LED包括在发射器模块内时获得。
如以上所描述和在图7中所示出的，可以在三个不同的驱动电流(例如，最大驱动电流的10％、30％和100％)下和在两个不同的温度(例如，T0和T1)中的每一个温度下获得磷光体转换白色LED的Iph_d1和Iph_d2校准值。绿色检测器上白色LED光电流(Iph_d2)测量结果指示磷光体转换白色LED的蓝色LED部分(即，图21中所示出的第一部分)发出的光在绿色光电检测器(或绿色发射LED)中感生的光电流。红色检测器上白色LED光电流(Iph_d1)测量结果指示穿过磷光体转换白色LED的磷光体部分(即，图21中所示出的第二部分)的光在红色光电检测器中感生的光电流。
在获得每一个Iph_d1和Iph_d2测量结果之前或之后的某个时间，在专用红色光电检测器和专用绿色光电检测器(或绿色发射LED)两端测量正向电压(Vfd1或Vfd2)，以便提供对校准的驱动电流水平和环境温度中的每一者下的红色检测器结温和绿色检测器结温的指示。Vfd1和Vfd2测量结果可以存储在如图7中所示出的校准表内。
在图13的补偿方法期间，红色检测器上白色LED光电流(Iph_d1)和绿色检测器上白色LED光电流(Iph_d2)可以采用如步骤54中所描述的方式来测量，并且红色检测器上白色LED和绿色检测器上白色LED的预期光电流(Iph_预期)可以采用如步骤56至步骤58中所描述的方式来确定。接下来，如在步骤60中所描述的，在步骤58中确定的预期光电流(Iph_预期)可以分别除以在步骤54中测量的光电流，以便产生红色检测器上白色LED和绿色检测器上白色LED。绿色检测器上白色LED比例因子提供对磷光体转换LED的LED部分的相对流明已经如何随着时间而变化的指示。红色检测器上白色LED比例因子提供对磷光体转换LED的磷光体部分的相对流明已经如何随着时间而变化的指示。在一些实施例中，绿色检测器上白色LED比例因子和红色检测器上白色LED比例因子可以用于控制磷光体转换白色LED的光通量和色度，如同它是两个单独的LED。
例如，可以在步骤62中将红色检测器上白色LED比例因子应用到磷光体转换LED的整体期望光通量值上，以便解释LED和磷光体老化引起的流明变化。在一些情况下，磷光体转换LED的整体期望光通量值可以通过将在图8的补偿方法的步骤40至步骤44中针对磷光体转换LED的LED部分和磷光体部分而分别计算的相对流明值加在一起来确定。如以上参照图6而描述的，为了分别计算LED部分和磷光体部分的相对流明值，图8的补偿方法可以使用之前针对磷光体转换LED光谱的每一个部分而分别存储的光通量、x色度和y色度校准值。
为了解释磷光体转换白色LED随着是时间而产生的色度偏移，可以将绿色检测器上白色LED比例因子与红色检测器上白色LED比例因子进行比较。基于这种比较，可以使用中所周知的颜色混合方程来确定磷光体转换LED的实际色度，并且可以通过调整施加到所有发射LED上的驱动电流来维持照明设备的整体色度。
虽然以上所描述的方法提供了用于随着时间而控制磷光体转换LED的光通量和色度的可接受解决方案，但是在一些实施例中可以通过解释检测器老化而更准确地确定磷光体转换白色LED的色度。例如，给定量的入射光在红色和绿色光电检测器(或绿色发射LED)上感生的光电流通常随着时间而减小。尽管这种减小通常并不大，但是其可能使绿色检测器上白色LED比例因子和红色检测器上白色LED比例因子同样随着时间而减小，这反过来减小了调整磷光体转换白色LED的色度的准确性。在一些实施例中，为了消除这种测量错误的来源，可以调整在步骤60中针对磷光体转换LED而生成的比例因子，以便解释检测器老化。可以例如将蓝色发射LED用作磷光体转换白色LED的参考来实现这一点。
在一些实施例中，专用红色光电检测器和专用绿色光电检测器(或绿色发射LED)两者都可以在图13的补偿方法的步骤54中用于从蓝色发射LED中获得Iph_d1和Iph_d2光电流测量结果。在步骤56中在红色和绿色检测器两端测量正向电压之后，可以重复图13的补偿方法的步骤58和60，以便产生蓝色发射/参考LED的红色检测器上蓝色LED(blue LED-on-red detector)比例因子和绿色检测器上蓝色LED(blue LED-on-green detector)比例因子。在一些实施例中，可以在步骤62中将红色检测器上蓝色LED比例因子应用到蓝色发射/参考LED的期望光通量上，以便调整蓝色发射/参考LED产生的光通量。在一些实施例中，蓝色发射/参考LED的期望光通量值可以是采用如图8的补偿方法的步骤40至步骤44中所描述的方式来计算的相对流明值。
为了在磷光体转换LED比例因子中解释检测器老化，可以将绿色检测器上白色LED比例因子除以绿色检测器上蓝色LED比例因子，以便产生绿色上白色与蓝色比例因子比率(white-over-blue-on-green scale factor ratio，WoBoG)。同样地，可以将红色检测器上白色LED比例因子除以红色检测器上蓝色LED比例因子，以便产生红色上蓝色上白色比例因子比率(white-over-blue-on-green scale factor ratio，WoBoR)。接下来，可以进一步将WoBoR比例因子比率除以WoBoG比例因子比率，以便产生白色磷光体与白蓝泵浦(WPoWB)比率。白色磷光体与白蓝泵浦(WPoWB)比率提供对磷光体转换白色LED的光谱如何随着时间而变化的指示，并且解释可能随着时间变化的检测器响应性的任何降低。在一些实施例中，WPoWB比率可以用于调整磷光体转换LED的整体色度。一旦设置了磷光体转换LED的整体色度，家可以在步骤62中将红色上白色检测器比例因子应用到磷光体转换白色LED的整体期望光通量值上，以便解释老化相关的流明变化。
相比常规补偿方法，图13中所示出的以及以上所描述的补偿方法提供了许多优点。与本文中所描述的其他方法一样，图13的补偿方法提高了通过向(多个)光电检测器施加相对小的驱动电流(例如，约0.1mA至约0.3mA)来测量(多个)检测器正向电压。此外，图13的补偿方法在不同驱动电流和不同温度下得到的多个存储光电流值之间进行插值，以及得到在当前工作温度(Vf_当前)下每一个发射LED的光电流与驱动电流之间的非线性关系。这使本补偿方法能够准确且单独地表征每一个单独LED的光电流对驱动电流关系，由此对包括在照明设备内的所有发射LED提供准确的老化补偿。此外，本文中所描述的补偿方法解释了发射器老化和检测器老化两者，并对磷光体转换白色发射LED老化时发生的色度偏移提供补偿。因此，本文中所描述的补偿方法随着时间而提供对个别发射LED的光通量和色度的准确控制。
改进的照明设备的示例性实施例
可以在具有多个发射LED和一个或多个光电检测器的基本上任何LED照明设备内使用本文中所描述的用于校准和控制照明设备的改进方法。如以下更加详细地描述的，可以在LED照明设备内采用硬件、软件或两者的组合的形式来实施本文中所描述的改进方法。
得益于本文中所描述的改进方法的照明设备可以基本上具有任何形状因数，包括但不限于抛物线型灯(例如，PAR 20、30或38)、直线型灯、泛光灯和迷你反射器。在一些情况下，照明设备可以安装在建筑物的天花板或墙壁中，并且可以连接至AC电源或其他某种AC电源。然而，熟练的技工将理解在由其他电源(例如，电池或太阳能)供电的其他类型的照明设备内可以如何使用本文中所描述的改进方法。
现在将参照图16至图20而描述改进的照明设备的示例性实施例，所述图示出了不同类型的LED照明设备，每一个LED照明设备都具有一个或多个发射器模块。尽管本文中提供了示例，但是本发明不限于任何特定类型的LED照明设备或发射器模块设计。熟练的技工将理解可以如何将本文中所描述的方法步骤应用到具有基本上不同的发射器模块设计的其他类型的LED照明设备。
图16A是包括多个发射器模块(在图16A中未示出)的直线型灯70的照片，所述多个发射器模块彼此间隔开并且通常安排成直线。包括在直线型灯70内的每一个发射器模块包括多个发射LED和至少一个专用光电检测器，所有所述光电检测器安装在公共基底上并被包封在主要光学结构内。主要光学结构可由各种不同材料形成并且基本上可以具有针对采用期望方式来成形发射LED发出的光来说必要的任何形状和/或尺寸。尽管以下将主要光学结构描述为圆顶，但是本领域的技术人员将理解主要光学结构如何基本上可以具有包封发射LED和所述至少一个光电检测器的任何其他形状或配置。
在图16B中示出了可以包括在图16A的直线型灯70内的示例性发射器模块72。在所展示的实施例中，发射器模块72包括四个不同颜色的发射LED 74，所述发射LED被安排在方阵列中并且一起被尽可能靠近地放置在主要光学结构(例如，圆顶)76的中心，以便近似于中心定位的点源。在一些实施例中，发射LED 74中的每一个发射LED可以被配置成用于产生不同峰值发射波长的照明。例如，发射LED 74可以包括RGBW LED或RGBY LED。除了发射LED74以外，专用光电检测器78包括在圆顶76内并被安排在阵列的外围附近的某个地方。专用光电检测器78可以是产生指示入射光的电流的任何设备(比如，硅光电二极管或LED)。
在至少一个实施例中，光电检测器78是峰值发射波长在约550nm至700nm的范围中的LED。具有这种峰值发射波长的光电检测器将不响应于红外光而产生光电流，红外光减小来自环境光源的干扰。在至少一个优选实施例中，光电检测器78可以包括小的红色、橙色或黄色LED。在一些实施例中，专用光电检测器78可以被安排成用于从具有最短波长的发射LED(例如，蓝色和绿色发射LED)中捕获最大量的光，所述最大量的光从圆顶76的表面反射。
在一些实施例中，发射器模块72可以包括磷光体转换白色(W)发射LED74，并且专用光电检测器78可以用于测量穿过磷光体转换LED的磷光体部分的光感生的光电流(Iph_d1)。为了测量磷光体转换LED的蓝色LED部分感生的光电流(Iph_d2)，绿色发射LED 74有时可以被配置为附加光电检测器。这些光电流测量结果可以存储在图7的校准表内，并且可以在图13的补偿方法内用于补偿磷光体老化引起的色度偏移。
图17A和图17B展示了基本上不同类型的照明设备和发射器模块设计。具体地，图17A描绘了具有抛物线形状因数的照明设备80(例如，PAR 38)以及仅一个发射器模块(在图17A中未示出)。因为这些照明设备仅具有一个发射器模块，所以包括在这种设备中的发射器模块通常包括多个不同颜色的LED链，其中，每一个链包括相同颜色的两个或更多个LED。图17B展示了可以包括在图17A中所示出的PAR灯80内的示例性发射器模块82。
在所展示的实施例中，发射器模块82包括发射LED 84的阵列以及多个专用光电检测器88，所有所述光电检测器安装在公共基底上并被包封在主要光学结构(例如，圆顶)86内。在一些实施例中，发射LED 84的阵列可以包括许多不同颜色的LED链，其中，每一个链被配置成用于产生不同峰值发射波长的照明。根据一个实施例，发射LED 84的阵列可以包括四个红色LED的链、四个绿色LED的链、四个蓝色LED的链、以及四个白色或黄色LED的链。每一个LED链被串联地耦合并由相同的驱动电流驱动。在一些实施例中，每一个链中的个别LED可以分散在阵列附近，并且可以被安排成使得在任何行、列或对角线中任何颜色都不出现两次，以便改进发射器模块82内的颜色混合。
在图17B的示例性实施例中，四个专用光电检测器88包括在圆顶86内并被安排在阵列的外围周围。在一些实施例中，专用光电检测器88可以被放置在阵列的每一个边缘附近或中间，并且可以并联连接至照明设备的接收器。通过将专用光电检测器88与接收器并联连接，可以对在每一个光电检测器上感生的光电流进行求和，以便最小化可能分散在阵列附近的类似颜色的LED之间的空间变化。专用光电检测器88可以是产生指示入射光的电流的任何设备(比如，硅光电二极管或LED)。然而，在一个实施例中，专用光电检测器88优选地是峰值发射波长在500nm至700nm的范围中的LED。具有这种峰值发射波长的光电检测器将不响应于红外光而产生光电流，红外光减小来自环境光的干扰。
在至少一个优选实施例中，发射器模块82包括磷光体转换白色(W)发射LED 84以及两个不同颜色的光电检测器，以便测量磷光体转换LED光谱的不同部分。在一个示例中，专用光电检测器88可以包括一个或多个小的红色LED和一个或多个小的绿色LED。在这种示例中，(多个)专用红色光电检测器88可以用于测量穿过磷光体转换LED的磷光体部分的光感生的光电流(Iph_d1)，而(多个)专用绿色光电检测器88可以用于测量磷光体转换LED的蓝色LED部分发射的光感生的光电流(Iph_d2)。这些光电流测量结果(Iph_d1和Iph_d2)可以存储在图7的校准表内，并且可以在图13的补偿方法内用于补偿磷光体老化引起的色度偏移。
在图16A和图17A中所示出的照明设备和在图16B和图17B中所示出的发射器模块仅被提供作为在其中可以使用改进的校准和补偿方法的照明设备的示例。可以在相关美国专利申请号14/097,339和相关美国临时专利申请号61/886,471中找到对这些照明设备和发射器模块的进一步描述，这些专利申请为共同转让的并且通过引用以其全部内容结合在此。然而，本文中所描述的发明性概念不限于任何特定类型的LED照明设备、可以包括在LED照明设备内的任何特定数量的发射器模块、或者可以包括在发射器模块内的任何特定数量、颜色或安排的发射LED和光电检测器。相反，本发明可以仅要求LED照明设备包括至少一个发射器模块，所述至少一个发射器模块包括多个发射LED和至少一个专用光电检测器。在一些实施例中，如果发射LED中的一个或多个发射LED有时被配置成用于提供这种功能，那么可能不需要专用光电检测器。
图18A是包括多个发射LED 92和一个或多个专用光电检测器94的改进的发射器模块90的一个实施例的侧视图，所有所述光电检测器安装在公共基底96上并被包封在主要光学结构(例如，圆顶)98内。热沉100被耦合至基底96的底部表面，用于将热量从发射器模块90的发热部件处引开。热沉100基本上可以包括具有相对高热导率和电导率的任何材料。在一些实施例中，热沉100由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成。在一个实施例中，热沉由铜或铜合金材料、或铝或铝合金材料形成。热沉100可以是范围在约1mm与约10mm之间的相对厚层，并且在一个实施例中，可以为约3mm厚。
发射器模块90可以基本上包括任何数量和颜色的发射LED 92并且基本上包括任何数量和颜色的专用光电检测器94。在一个示例性实施例中，如在图16B和图17B中所示出的，发射LED 92包括一个或多个红色LED、一个或多个蓝色LED、一个或多个绿色LED、以及一个或多个白色或黄色LED。发射LED 92通常可以安排在圆顶98的中心附近，专用光电检测器94通常可以安排在所述阵列的外围附近。在一个示例性实施例中，专用光电检测器94可以包括一个或多个红色、橙色、黄色和/或绿色LED。用于实施专用光电检测器94的LED通常比发射LED 92更小，并且通常被安排成用于捕获从发射LED 92中发出且从圆顶98反射的最大量的光。在一些实施例中，如果发射LED 112中的一个或多个发射LED有时被配置成用于检测入射光，那么可以省略专用光电检测器114。
主要光学结构98可由各种不同材料形成并且基本上可以具有针对采用期望方式来成形发射LED发出的光来说必要的任何形状和/或尺寸。尽管在本文中将主要光学结构98描述为圆顶，但是本领域的技术人员将理解主要光学结构如何基本上可以具有包封发射LED 92和所述至少一个光电检测器94的任何其他形状或配置。在一些实施例中，圆顶98的形状、大小和材料通常可以被设计成用于改善发射器模块90内的光学效率和颜色混合。
在一个实施例中，基底96可以包括如印刷电路板(PCB)FR4材料或金属包覆PCB材料等层压材料。然而，在本发明的至少一个优选实施例中，基底96可由陶瓷材料(或其他某种反光材料)形成，从而使得基底通常可以用于通过将光反射出发射器模块90来改进输出效率。此外，基底96可以被配置成用于在横向方向上(即，基底的平面中的方向)提供相对高的热阻抗或低热阻抗。在一个实施例中，基底96可由热导率小于或等于约150W/(mK)的材料(例如，氮化铝，AlN)形成。在另一个实施例中，基底96可由热导率小于约30W/(mK)的材料(例如，氮化铝Al2O3材料)、或者热导率小于约1W/(mK)的材料(例如，PCB层压材料)形成。基底96在横向方向上提供的高热导率或低热导率有利地隔离发射LED 92和光电检测器94的结温，并避免不准确的Vfe和Vfd测量结果。
在一些实施例中，基底96可以被进一步配置成用于在垂直方向上(即，垂直于基底的平面的方向)提供相对低的热阻抗或高热阻抗。具体地，可以在每一个发射LED 92和每一个光电检测器94与热沉100之间提供相对低的热阻抗路径102。除了改进散热以外，低热阻抗路径102使基底96能够维持在工作条件下的发射器结温与检测器结温之间一致的温度差异。
如以上所指出的，图8中所示出的温度补偿方法的替代性实施例可以使用在(多个)光电检测器两端测量的正向电压(Vfd)而不是在发射LED两端测量的正向电压(Vfe)来提供对当前工作温度的指示。然而，这些替代性实施例指出：如果发射LED与(多个)光电检测器之间的温度差异在工作温度范围内保持基本上一致，那么可以仅使用检测器正向电压(Vfd)。
图18A中所示出的改进的发射器模块90在发射LED 92与专用光电检测器94之间通过向发射LED 92中的每一个发射LED和光电检测器94中的每一个光电检测器提供到热沉100的低热阻抗路径102来维持相对固定的温度差异。可以采用许多不同的方式来实现这一点。在图18A中所示出的特定实施例中，通过以下方式来提供小热阻抗路径102：将基底96的厚度最小化(这最小化了发射LED 92、光电检测器94与热沉100之间的垂直距离)以及通过使用多根导热线102来将发射LED 92中的每一个发射LED和光电检测器94中的每一个光电检测器连接至热沉100。在一个示例中，基底96的厚度(T)范围可以在约300μm与约500μm之间。
通常，多根导热线102基本上可以包括任何导热材料。在一些实施例中，导热线102由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成。用于导热线102的材料可以与用于热沉100的材料相同或可以不同。在一个实施例中，导热线102由铝、铝合金、铜或铜合金材料形成。多根导热线102可以通过以下方式形成：穿过基底钻垂直孔(使用机械或光学手段)并使用任何适当方法来使所述孔(或通孔)填满或镀有金属材料。在一些实施例中，每一根导热线102可以包括多个(例如，约10至20个)密集的通孔，每一个通孔近似为几百微米宽。
如果在照明设备内利用图18A中所示出的发射器模块90，那么可以在图8的温度补偿方法内使用检测器正向电压(Vfd)来提供对发射LED 92的结温的良好指示。因为发射LED92与光电检测器94之间的温度差异是固定的，所以可以在图8的步骤38中测量检测器正向电压(Vfd)(而不是发射器正向电压)，并且可以使用存储在图7的校准表中的检测器正向电压(Vfd)测量结果和发射器正向电压(Vfe)来计算发射器正向电压(Vfe)。这将有利地减小需要在图8的温度补偿方法期间获得的正向电压测量结果的数量。
虽然附图18A中所示出的发射器模块提供期望的热特性，但是其无法在发射LED、光电检测器与热沉之间提供充足的热隔离。针对发射LED和光电检测器两者，通常在LED的背侧提供至阳极、阴极或两者(在倒装芯片LED设计中)的电触头。不能通过使用图18A中所示出的金属线来将触头直接连接至热沉从而将这些触头电耦合至热沉。为了在LED与热沉之间提供电隔离，在图18B中提供了用于将LED链连接在一起以及用于将LED阳极/阴极连接至圆顶之外的外部触头的路由层。
图18B是包括多个发射LED 92和一个或多个专用光电检测器94的改进的发射器模块110的另一个实施例的侧视图，所有所述光电检测器安装在公共基底112上并被包封在主要光学结构98内。图18B中所示出的部件中的许多部件类似于图18A中所示出的部件。使用相同的标号来表示相同部件。
发射器模块110可以基本上包括任何数量、颜色和安排的发射LED 92并且基本上包括任何数量、颜色和安排的专用光电检测器94。发射LED 92和专用光电检测器94可以类似于以上所描述的那些，但是不限于那些。在一些实施例中，如果发射LED 92中的一个或多个发射LED有时被配置成用于检测入射光，那么可以省略专用光电检测器94中的一个或多个专用光电检测器。
主要光学结构98可由各种不同材料形成并且基本上可以具有针对采用期望方式来成形发射LED 92发出的光来说必要的任何形状和/或尺寸。尽管在本文中将主要光学结构98描述为圆顶，但是本领域的技术人员将理解主要光学结构如何基本上可以具有包封发射LED 92和所述至少一个光电检测器94的任何其他形状或配置。在一些实施例中，圆顶98的形状、大小和材料通常可以被设计成用于改善发射器模块110内的光学效率和颜色混合。
热沉100被耦合至基底112的底部表面，用于将热量从发射器模块110的发热部件处引开。热沉100基本上可以包括具有相对高热导率和电导率的任何材料。在一些实施例中，热沉100由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料形成。在一个实施例中，热沉由铜或铜合金材料、或铝或铝合金材料形成。在一些实施例中，热沉100可以是范围在约1mm与约10mm之间的相对厚层，并且在一个实施例中，可以为约3mm厚。
发射器模块110与发射器模块90的不同在于至少一个方面：将发射LED 92和光电检测器94的电触头与热沉100电隔离。在图18B的实施例中通过利用具有多个层的基底112来实现这一点。虽然多层基底112的整体厚度(例如，约300μm至约500μm)可以类似于图18A中所示出的单层基底96，但是在一些实施例中，图18B中所示出的多层基底112通常被形成为包括多个路由层和介电层，所述路由层和介电层不仅在LED的电触头与热沉之间提供电隔离，而且改进了路由灵活性。
根据一个实施例，多层基底112可以包括第一路由层114、第一介电层116、第二路由层118和第二介电层120。第一路由层114可以被耦合至发射LED 92和一个或多个光电检测器94的电触头，并且可以在第一介电层116上形成。第一路由层114可以具有范围在约10μm至约20μm之间的厚度，可由热导率范围在200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料(例如，铜或铝材料、或者其合金)形成，并且可以通过任何众所周知的过程来在第一介电层116的上表面上形成。例如，第一路由层114可以通过将金属线印刷或沉积在第一介电层116的上表面上来形成。
第一介电层116夹在第一路由层114与第二路由层118之间，以便使LED的电触头与热沉100电隔离。在一些实施例中，第一介电层116可以是厚度在约10μm与约100μm之间的相对薄层，并且可由相对介电常数范围在约3与12之间的介电材料形成。在一个示例中，第一介电层116可由氮化铝材料或氧化铝材料形成，但是不限于这种材料。
除了提供电隔离以外，第一介电层116通过使用具有相对低的热导率(其小于约150W/(mK))并保持所述层的厚度相对于发射LED与光电检测器之间的间隔很小来在横向方向上提供相对高的热阻抗。在一个示例性实施例中，第一介电层116可以具有约30μm的厚度，并且可以在基底112的上表面上将发射LED 92和光电检测器94至少间隔开200至300μm。这种实施例在垂直方向上提供的热导率将比在横向方向上提供的热导率高至少10倍。
第二路由层118被耦合在第一介电层116与第二介电层120之间，并且通常被配置成用于在第一路由层114与安排在主要光学结构之外的外部电触头(未示出)之间路由信号。像第一路由层114一样，第二路由层118可以具有范围在约10μm至约20μm之间的厚度，可由热导率范围在200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料(例如，铜或铝材料、或者其合金)形成，并且可以通过任何众所周知的过程来在第二介电层120的上表面上形成。例如，第二路由层118可以通过将金属线印刷或沉积在第二介电层120的上表面上来形成。为了在第一路由层114与第二路由层118之间路由信号，可以在第一介电层116内形成通孔124。可以根据任何已知的过程来形成这些通孔。
在一些实施例中，第二介电层120可以被耦合在第二路由层118与热沉100之间，并且通常可以被配置成用于在所述横向方向上提供相对高的热阻抗并且在所述垂直方向上提供相对低的热阻抗。在一些实施例中，第二介电层120可以是厚度在约100μm与约1000μm之间的相对厚层，所述相对厚层向发射器模块110给予刚度。在一些实施例中，第二介电层120可由相对介电常数范围在约3与12之间并且热导率小于约150W/(mK)的介电材料形成。在一个示例中，第二介电层120可由氮化铝材料或氧化铝材料形成，但是不限于这种材料。
第二介电层120类似于图18A中所示出的基底96，因为第二介电层使用热导率小于约150W/(mK)的材料来实施第二介电层120从而在横向方向上提供相对高的热阻抗，并且通过将多根导热线122包括在内来在垂直方向上提供相对低的热阻抗，所述多根导热线垂直地延伸穿过第二路由层118与热沉100之间的第二介电层120。如以上所指出的，多根导热线122可由热导率范围在约200W/(mK)与约400W/(mK)之间的材料(比如，铜或铝材料，或其合金)形成。多根导热线122可以通过以下方式形成：穿过第二介电层钻垂直孔(使用机械或光学手段)并使用任何适当方法来使所述孔(或通孔)填满或镀有适当的金属材料。在一些实施例中，每一根导热线122可以包括多个(例如，约10至20个)密集的通孔，每一个通孔为几百微米宽。
在一些实施例中，第三路由层126可以被耦合在第二介电层120与热沉100之间。不像第一和第二路由层(其包括印刷在第一和第二介电层上的金属线)，第三路由层126可以基本上连续地延伸横跨热沉100的上表面，以便改进所述多根导热线122与热沉100之间的热接触并且改进在其上的散热。
像图18A中所示出的基底96一样，图18B中所示出的多层基底112在发射LED 92之间以及在发射LED与光电检测器之间提供良好的热隔离，同时提供刚度并维持到热沉100的良好的整体热导率。这允许在图8的补偿方法中使用检测器正向电压(Vfd)测量结果来代替发射器正向电压(Vfe)测量结果，这减小了需要在补偿方法期间获得的正向电压测量结果的数量。
图18B中所示出的多层基底112还提供了单层基底96无法提供的其他优点。例如，基底112包括多个路由层和介电层，这些路由层和介电层对将发射LED 92链连接在一起提供了路由灵活性，并且在发射LED和光电检测器的电触头与热沉100之间提供了电隔离。
在本发明的替代性实施例中，也可以在某种程度上以不同的方式来实施多层基底112。例如，代替将介电材料或陶瓷材料用于层116和120，这些层可以使用如印刷电路板(PCB)FR4材料或金属包覆PCB材料等层压材料。然而，因为层压材料的热导率(例如，小于约1W/(mK))远小于陶瓷材料的热导率，代替陶瓷材料而使用层压材料将减小层120的热导率。不论用于层120的材料如何，可以在本发明的一些实施例中通过增大包括在LED阵列下方的导热线122的数量来增大热导率。虽然这种途径将提供更好的从LED阵列到热沉的整体热导率，但是它将在发射LED之间提供更差的热分离。
图19是照明设备110的框图的一个示例，所述照明设备被配置成用于随着驱动电流、温度和时间的变化而准确的维持期望光通量和期望色度。图19中所展示的照明设备提供了可以用于实施图6中所示出的校准方法和图8和图13中所是处的补偿方法的硬件和/或软件的一个示例。
在所展示的实施例中，照明设备110包括多个发射LED 126和一个或多个专用光电检测器128。在此示例中，发射LED 126包括任何数量的LED的四个链。在典型的实施例中，每一个链具有2至4个相同颜色的LED，所述LED被串联耦合并被配置成用于接收相同的驱动电流。在一个示例中，发射LED 126可以包括红色LED链、绿色LED链、蓝色LED链、以及白色或黄色LED链。然而，本发明不限于任何特定数量的LED链、链内的任何特定数量的LED、或者任何特定颜色或LED颜色的组合。
尽管一个或多个专用光电检测器128在图19中也被展示为包括LED链，但是本发明不限于任何特定类型、数量、颜色、组合或安排的光电检测器。在一个实施例中，如以上关于图16B而讨论的，一个或多个专用光电检测器128可以包括小的红色、橙色或黄色LED。在另一个实施例中，如以上关于图17B而讨论的，一个或多个专用光电检测器128可以包括一个或多个小的红色LED或一个或多个小的绿色LED。在一些实施例中，如果发射LED 126中的一个或多个发射LED有时被配置成用作光电检测器，那么可以省略图19中所示出的(多个)专用光电检测器128中的一个或多个专用光电检测器。如以上所讨论的，多个发射LED 126和(可选的)专用光电检测器128可以包括在发射器模块内。如以上所讨论的，在一些实施例中，照明设备可以包括多于一个发射器模块。
除了包括一个或多个发射器模块以外，照明设备110包括被配置成用于对照明设备进行供电以及控制来自(多个)发射器模块的光输出的各种硬件和软件部件。在一个实施例中，照明设备连接至AC电源112，并且包括用于将AC电源(例如，120V或240V)转换成DC电压(VDC)的AC/DC转换器114。如在图19中所示出的，此DC电压(例如，15V)被供应给LED驱动器和接收器电路124，以便产生向发射LED 126施加的以便产生照明的工作驱动电流。除了AC/DC转换器以外，包括了用于将DC电压VDC(例如，15V)转换成更低电压VL(例如，3.3V)的DC/DC转换器116，所述更低电压用于对包括在照明设备内的低压电路(比如，PLL 118、无线接口120和控制电路122)进行供电。
在所展示的实施例中，PLL 118锁定至AC电源频率(例如，50或60Hz)并产生高速时钟(CLK)信号和同步信号(SYNC)。CLK信号为控制电路122和LED驱动器和接收器电路124提供定时。在一个示例中，CLK信号频率在数十mHz范围(例如，23MHz)内，并且与AC电源频率和相位精确同步。SNYC信号由控制电路122用于创建用于获得以上所描述的各种光学测量结果和电测量结果的定时。在一个示例中，SNYC信号频率等于AC电源频率(例如，50或60Hz)并且也与AC电源具有精确相位对准。
在一些实施例中，可以包括无线接口120，并且其可以用于在制造期间校准照明设备110。如以上所指出的，例如，外部校准工具(在图19中未示出)可以经由无线接口120将光通量和色度校准值传达至被测照明设备。例如，经由无线接口120接收的校准值可以存储在控制电路122的存储介质121内的校准值表中。在一些实施例中，控制电路122可以使用校准值来生成校准系数，除了所接收的校准值或代替所接收的校准值，所述校准系数存储在存储介质121内。
无线接口120不限于仅接收校准数据，并且可以用于传达用于许多其他目的的信息和命令。例如，可以在正常操作期间使用无线接口120来传达命令，所述命令可以用于控制照明设备110或用于获得关于照明设备110的信息。例如，可以经由无线接口120来将命令传达至照明设备110，以便接通/关断照明设备、控制照明设备的调光水平和/或颜色设定点、发起校准程序或将校准结果存储在存储器中。在其他示例中，无线接口120可以用于获得与照明设备110相关联的状态信息或故障状态代码。
在一些实施例中，无线接口120可以根据ZigBee、WiFi、蓝牙或任何其他专有或标准无线数据通信协议来进行操作。在其他实施例中，无线接口120可以使用射频(RF)、红外(IR)光或可见光来进行通信。在替代性实施例中，可以代替无线接口120而使用有线接口来通过AC电源、专用导体或一组导体传达信息、数据和/或命令。
使用从PLL 118处接收的定时信号，控制电路122计算并产生指示要用于每一个发射LED链126的期望驱动电流的值。例如，可以通过如SPI或I2C等符合标准的串行总线来将这种信息从控制电路122传达至LED驱动器和接收器电路124。此外，控制电路122可以提供锁存信号，所述锁存信号指示LED驱动器和接收器电路124同时改变向LED 126中的每一个LED供应的驱动电流，从而防止亮度和颜色假象。
通常，控制电路122可以被配置成用于根据图8和图13中所示出的以及以上所描述的补偿方法中的一种或多种补偿方法来确定实现照明设备的期望光通量和/或期望色度而需要的对应驱动电流。在一些实施例中，控制电路122可以通过执行存储在存储介质121内的程序指令来确定对应驱动电流。在一些实施例中，存储介质可以是非易失性存储器，并且可以被配置成用于存储程序指令连同校准值表(比如，以上关于图7而描述的表)。可替代地，控制电路122可以包括用于确定期望驱动电流的组合逻辑，以及仅可用于存储校准值表的存储介质121。
通常，LED驱动器和接收器电路124可以包括等于包括在照明设备内的发射LED链126的数量的许多(N个)驱动器块130。在本文中所讨论的示例性实施例中，LED驱动器和接收器电路124包括四个驱动器块130，每一个驱动器块被配置成用于从发射LED链126中的不同发射LED链中产生照明。LED驱动器和接收器电路124还包括测量环境温度(可选的)、检测器和/或发射器正向电压以及检测器光电流，以及相应地调整LED驱动电流所需要的电路。每一个驱动器块130接收指示来自控制电路122的期望驱动电流的数据，以及指示驱动器块130应当在何时改变驱动电流的锁存信号。
图20是根据本发明的一个实施例的LED驱动器和接收器电路124的示例性框图。如图20中所示出的，LED驱动器和接收器电路124包括四个驱动器块130，每一个块包括降压转换器132、电流源134和LC滤波器138，用于生成向所连接的发射LED链126a施加的以便产生照明并获得正向电压(Vfe)测量结果的驱动电流。在某些实施例中，当控制器154驱动“输出_使能”信号为高时，降压转换器132可以产生脉冲宽度调制(PWM)电压输出(Vdr)。此电压信号(Vdr)由LC滤波器138进行滤波，以便在所连接的LED链126a的阳极上产生正向电压。LED链的阴极被连接至电流源134，当“Led_接通”信号为高时，所述电流源强迫与“发射器电流”信号提供的值相等的固定驱动电流通过LED链126a。来自电流源134的“Vc”信号向降压转换器132提供反馈，以便输出适当的占空比并使电流源134两端的电压降最小化。
如图20中所示出的，每一个驱动块130包括用于在发射LED链126a两端测量正向电压降(Vfe)的差分放大器137。当测量Vfe时，关闭降压转换器132，并且电流源134被配置成用于拉动相对小的驱动电流(例如，约1mA)通过所连接的发射LED链126a。通过差分放大器137来测量该电流在LED链126a两端产生的电压降(Vfe)。差分放大器137在正向电压测量期间产生与发射LED链126a两端的正向电压(Vfe)降相等的信号。
如以上所指出的，本发明的一些实施例有时使用发射LED(例如，绿色发射LED)之一作为光电检测器。在这种实施例中，当发射LED被配置成用于检测入射光时，驱动器块130可以包括用于测量在发射LED两端感生的光电流(Iph_d2)的附加电路。例如，每一个驱动器块130可以包括跨阻抗放大器135，所述跨阻抗放大器通常用于将输入电流转换为与反馈电阻成比例的输出电压。如图20中所示出的，跨阻抗放大器135的正极端子被连接至降压转换器132的Vdr输出端，而负极端子连接至LED链126a中的最后一个LED的阴极。当“LED_接通”信号为低时，启动跨阻抗放大器135。当“LED_接通”信号为高时，跨阻抗放大器135的输出是三态的。
当测量发射LED感生的光电流(Iph_d2)时，应当关断连接至所有其他发射LED的降压转换器132，从而避免LED电流瞬态产生的视觉假象。此外，还应当关断耦合至被测发射LED的降压转换器132，以便阻止降压转换器内的切换噪声干扰光电流测量值。尽管关断了降压转换器，但是耦合至被测发射LED的降压转换器132的Vdr输出通过LC滤波器138内的电容器被保持为特定值(例如，约2-3.5伏特乘以所述链中的发射LED的数量)。当向被测发射LED的阳极和跨阻抗放大器135的正极端子施加此电压(Vdr)时，跨阻抗放大器产生向差分放大器136的正极端子施加的输出电压(相对于Vdr)。差分放大器136将跨阻抗放大器135的输出电压与Vdr进行比较，并生成差分信号，所述差分信号与在LED链126a两端感生的光电流(Iph_d2)相对应。
除了包括多个驱动器块130以外，LED驱动器和接收器电路124可以包括用于测量正向电压(Vfd)和在一个或多个专用光电检测器128两端感生的光电流(Iph_d1或Iph_d2)的一个或多个接收器块140。尽管图20中仅示出了一个接收器块140，但是LED驱动器和接收器电路124通常可以包括等于包括在发射器模块内的专用光电检测器的数量的多个接收器块140。
在所展示的实施例中，接收器块140包括电压源142，耦合所述电压源，以便向耦合至接收器块的专用光电检测器128的阳极供应DC电压(Vdr)，而光电检测器128的阴极被连接至电流源144。当光电检测器128被配置成用于获得正向电压(Vfd)时，控制器154向电流源144供应“检测器接通”信号，所述电流源强迫与“检测器电流”信号提供的值相等的固定驱动电流(Idrv)通过光电检测器128。
当获得检测器正向电压(Vfd)测量结果时，电流源144被配置成用于拉动相对少量的驱动电流(Idrv)通过光电检测器128。通过差分放大器147来测量该电流在光电检测器128两端产生的电压降(Vfd)，所述差分放大器产生与光电检测器128两端的正向电压(Vfd)降相等的信号。如以上所指出的，电流源144强迫通过光电检测器128的驱动电流(Idrv)通常是相对小的非工作驱动电流。在并联地耦合四个专用光电检测器128的实施例中，非工作驱动电流可以为大致1mA。然而，可以在包括更少/更多数量的光电检测器的实施例中，或不并联地连接光电检测器的实施例中使用更小/更大的驱动电流。
与驱动器块130类似，接收器块140还包括用于测量发射LED发出的光在光电检测器128上感生的光电流(Iph_d1或Iph_d2)的电路。如图20中所示出的，跨阻抗放大器145的正极端子被耦合至电压源142的Vdr输出端，而负极端子被连接至光电检测器128的阴极。当以采用这种方式连接时，跨阻抗放大器145产生相对于Vdr(例如，约0至1V)的输出电压，所述输出电压被供应给差分放大器146的正极端子。差分放大器146将输出电压与Vdr进行比较，并生成差分信号，所述差分信号与在光电检测器128两端感生的光电流(Iph_d1或Iph_d2)相对应。当“检测器_接通”信号为低时，启动跨阻抗放大器145。当“检测器_接通”信号为高时，跨阻抗放大器145的输出是三态的。
如以上所指出的，本发明的一些实施例可以将个别LED分散在LED阵列附近的每一个LED链126内，从而使得相同颜色的两个LED不存在于任何行、列或对角线中(参见例如图17B)。通过将多个专用光电检测器128与接收器块140并联连接，可以对给定颜色的LED在每一个光电检测器128上感生的光电流(Iph_d1或Iph_d2)进行求和，以便使分散在阵列附近的类似颜色的LED之间的空间变化最小化。
如图20中所示出的，LED驱动器和接收器电路124还可以包括多路复用器(Mux)150、模数转换器(ADC)152、控制器154和可选的温度传感器156。在一些实施例中，可以耦合多路复用器150，以便从驱动器块130中接收发射器正向电压(Vfe)和(可选的)光电流(Iph_d2)测量结果，以及从接收器块140中接收检测器正向电压(Vfd)和检测器光电流(Iph_d1和/或Iph_d2)测量结果。ADC 152将从驱动器块130中输出的发射器正向电压(Vfe)和可选的光电流(Iph_d2)测量结果，以及从接收器块140中输出的检测器正向电压(Vfd)和检测器光电流(Iph_d1和/或Iph_d2)测量结果数字化，并向控制器154提供结果。如图20中所示出的，控制器154确定何时获得正向电压和光电流测量结果，并且产生向驱动器块130供应的输出使能、发射器电流和LED接通信号以及向接收器块140供应的检测器电流和检测器_接通信号。
在一些实施例中，LED驱动器和接收器电路124可以包括用于获得环境温度(Ta)测量结果的可选的温度传感器156。在这种实施例中，也可以耦合多路复用器150，以便对环境温度(Ta)以及发送至ADC 152的正向电压和光电流测量结果进行多路复用。在一些实施例中，温度传感器156可以是热敏电阻，并且可以包括在驱动器电路芯片上用于测量LED周围的环境温度或来自发射器模块的热沉的温度。在其他实施例中，温度传感器156可以是用作温度传感器和光学传感器两者以便测量环境光状态或LED发射链126的输出特性的LED。如果包括了可选的温度传感器156，那么温度传感器的输出可以在一些实施例中用于判定在图8的步骤32中是否检测到温度的显著变化。
现在已经参照图19和图20描述了改进的照明设备110的一种实施方式。可以在美国共同转让的美国专利序列号13/970,944、13/970,964和13/970,990中找到对这种照明设备的进一步描述。熟练的技工将理解可以如何在本发明的范围内以替代方式来实施照明设备。
受益于本公开的本领域的技术人员将理解的是，本发明被认为提供了改进的照明设备以及用于校准和步长照明设备中的个别LED的改进方法，以便随着驱动电流、温度和时间的变化而维持期望光通量和期望色度。此外，本文中还提供了具有改进的热特性和电特性的发射器模块。鉴于本说明书，本发明的各个方面的进一步的修改和替代性实施例对本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，以下权利要求书旨在被解释为涵盖所有这种修改和变化，并且相应地，本说明书和附图将被视为是说明性的而不是限制性的。

Claims (19)

1.一种用于控制照明设备的方法，所述照明设备包括多个发射发光二极管(LED)，其中，所述方法包括：
向所述多个发射LED施加对应驱动电流，以便基本上连续地驱动所述多个发射LED产生照明；
周期性地关断所述多个发射LED较短持续时间；
在周期性地关断所述多个发射LED的所述较短持续时间期间，通过以每次一个LED的方式向每一个发射LED施加非工作驱动电流，测量当前在每一个发射LED两端产生的正向电压；以及
使用在每一个发射LED两端测量的所述正向电压、向每一个发射LED供应的所述对应驱动电流、将在多个不同温度下的正向电压和驱动电流与色度进行相关的已存储校准值表、以及一种或多种插值技术来确定对每一个发射LED预期的色度值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述非工作驱动电流范围在约0.1mA与约10mA之间。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：监测所述照明设备的目标亮度设置和目标色度设置；以及仅当检测到所述目标亮度设置和所述目标色度设置中的至少一者的变化时才执行所述测量和确定步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述已存储校准值表包括与CIE 1931XYZ颜色空间、CIE 1931RGB颜色空间、或CIE 1976LUV颜色空间相对应的色度校准值。
5.如权利要求1所述的方法，其中，针对每一个发射LED，所述已存储校准值表包括：
第一多个x色度值和第一多个y色度值，所述第一多个x色度值和第一多个y色度值是先前当所述发射LED经受第一温度时在校准阶段期间在向所述发射LED施加多个不同的驱动电流之后从所述发射LED中检测到的；
第二多个x色度值和第二多个y色度值，所述第二多个x色度值和第二多个y色度值是先前当所述发射LED经受第二温度时在所述校准阶段期间在向所述发射LED施加所述多个不同的驱动电流之后从所述发射LED中检测到的；
第一多个正向电压值，所述第一多个正向电压值是先前当所述发射LED经受所述第一温度时在向所述发射LED施加所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后在向所述发射LED施加非工作驱动电流之后在所述发射LED两端测量的；以及
第二多个正向电压值，所述第二多个正向电压值是先前当所述发射LED经受所述第二温度时在向所述发射LED施加所述不同的驱动电流中的每一个驱动电流之前、期间或之后在向所述发射LED施加非工作驱动电流之后在所述发射LED两端测量的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，针对每一个发射LED，所述确定色度值的步骤包括：
通过在所述第一多个x色度值与所述第二多个x色度值之间进行插值来计算与在所述发射LED两端测量的所述正向电压相对应的第三多个x色度值；
如果向所述发射LED供应的所述对应驱动电流不同于在所述校准阶段期间施加到所述发射LED上的所述多个不同的驱动电流之一，则生成所述第三多个x色度值之间的关系；以及
根据所生成的关系来确定所述发射LED的与施加到所述发射LED上的所述对应驱动电流相对应的预期x色度值。
7.如权利要求6所述的方法，其中，针对每一个发射LED，所述确定色度值的步骤进一步包括：
通过在所述第一多个y色度值与所述第二多个y色度值之间进行插值来计算与在所述发射LED两端测量的所述正向电压相对应的第三多个y色度值；
如果向所述发射LED供应的所述对应驱动电流不同于在所述校准阶段期间施加到所述发射LED上的所述多个不同的驱动电流之一，则生成所述第三多个y色度值之间的关系；以及
根据所生成的关系来确定所述发射LED的与施加到所述发射LED上的所述对应驱动电流相对应的预期y色度值。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述计算第三多个x色度值和第三多个y色度值的步骤各自包括：使用线性插值技术来在所述第一与第二多个x和y色度值之间进行插值。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：向所述第三多个x和y色度值应用更高阶插值，以便生成x和y色度与在所述发射LED两端测量的所述正向电压下的驱动电流之间的非线性关系。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：向所述第三多个x和y色度值应用分段线性插值，以便近似估计x和y色度与在所述发射LED两端测量的所述正向电压下的驱动电流之间的非线性关系。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：从LED制造商所提供的数据表中假设典型曲率。
12.如权利要求7所述的方法，进一步包括：计算要实现所述照明设备的目标亮度设置和目标色度设置而需要从每一个发射LED中获得的相对光通量，其中，使用所述目标亮度设置、所述目标色度设置、根据所生成的关系确定的所述预期x色度值和所述预期y色度值来计算每一个发射LED的所述相对光通量。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
使用以下各项来确定实现针对每一个发射LED而计算的所述相对光通量所需要的驱动电流：在每一个发射LED两端测量的所述正向电压；所述已存储校准值表，所述表进一步将在所述多个不同温度下的正向电压和驱动电流与光通量进行相关；以及一种或多种插值技术；以及
使用所确定的驱动电流来驱动每一个发射LED以产生具有计算的相对光通量的照明。
14.如权利要求13所述的方法，其中，针对每一个发射LED，所述已存储校准值表进一步包括：
第一多个光通量值，所述第一多个光通量值是先前当所述发射LED经受所述第一温度时在所述校准阶段期间在向所述发射LED施加所述多个不同的驱动电流之后从所述发射LED中检测到的；以及
第二多个光通量值，所述第二多个光通量值是先前当所述发射LED经受所述第二温度时在所述校准阶段期间在向所述发射LED施加所述多个不同的驱动电流之后从所述发射LED中检测到的。
15.如权利要求14所述的方法，其中，针对每一个发射LED，所述确定驱动电流的步骤包括：
通过在所述第一多个光通量值与所述第二多个光通量值之间进行插值来计算与在所述发射LED两端测量的所述正向电压相对应的第三多个光通量值；
如果针对所述发射LED而计算的所述相对光通量不同于所述第三多个光通量值之一，则生成所述第三多个光通量值之间的关系；以及
通过从所生成的关系中选择与计算的相对光通量相对应的驱动电流来确定实现计算的相对光通量所需要的驱动电流。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述计算第三多个光通量值的步骤包括：使用线性插值技术或非线性插值技术在所述第一与第二多个光通量值之间进行插值，并且其中，基于每一个发射LED的颜色来针对所述发射LED独立地做出所述线性插值技术与所述非线性插值技术之间的选择。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：向所述第三多个光通量值应用更高阶插值，以便生成光通量与驱动电流之间的非线性关系。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：向所述第三多个光通量值应用分段线性插值，以便近似估计光通量与驱动电流之间的非线性关系。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述生成关系的步骤包括：从LED制造商所提供的数据表中假设典型曲率。
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