CN113495403A

CN113495403A - 自适应光源的驱动器

Info

Publication number: CN113495403A
Application number: CN202110755858.9A
Authority: CN
Inventors: A.范德西吉德; N.B.普法伊费尔; Y.马蒂诺夫
Original assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Current assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: TW201733336A; US11086198B2; EP3405836B1; TWI777934B; CN108604042A; US11988942B2; US20210200064A1; KR102452062B1; KR20180103134A; WO2017125280A1; US20190025672A1; JP6821686B2; JP2019505069A; EP3405836A1; CN108604042B; CN113495403B

Abstract

本公开提供了一种自适应光源的驱动器、照明系统和用于提供照明的方法。根据本发明的实施例的方法包括：针对包括多个部分的视场，确定每个部分的光量；在多个时间段上选择性地激励与每个部分相对应的LED，使得在多个时间段期间由每个LED产生的照明的总和与所确定的光量相等。例如通过照相机捕获视场的图像。

Description

自适应光源的驱动器

背景技术

包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器的半导体发光器件是当前可用的最有效的光源之一。目前感兴趣的用于制造能够跨可见光谱范围操作的高亮度发光器件的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，也被称为III族氮化物材料。典型地，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其他合适的基底上外延生长具有不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的堆叠来制备III族氮化物发光器件。堆叠通常包括形成在基底之上的一个或多个掺杂有例如Si的n型层、形成在一个或多个n型层之上的有源区中一个或多个发光层、以及形成在有源区之上的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电接触形成在n型区和p型区上。

由于其紧凑的尺寸和低功耗要求，半导体发光器件是诸如手持式由电池供电的设备（诸如照相机和手机）的照相机闪光灯的光源的有吸引力的候选。

US 2013/0064531 A1公开了一种具有图像形成系统、具有可变照明角度的电子闪光灯和闪光灯控制器的照相机系统。该电子闪光灯包括具有两个或更多个不同焦距的多个固定焦距照明透镜，以及定位于每个照明透镜后面的一个或多个光发射器。闪光灯控制器响应于所选择的图像形成系统的视场选择性地激发光发射器的不同子集。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种光源，其可以例如用作照相机的闪光灯或用于任何其他合适的用途。该光源被配置使得由光源发射的照明图案可以被改变。例如，当被用作照相机闪光灯时，针对照相机视场中的给定场景，该光源可以向场景中未被环境光良好照亮的部分提供更多的光，并且向场景中被环境光良好照亮的部分提供更少的光。

附图说明

图1是图示包括至少一个半导体发光器件作为光源的系统的框图。

图2A、图2B和图2C图示了使用例如图1的系统照亮场景的方法。

图3图示了要照亮的场景。

图4图示了在图3中所图示的场景的三维（3D）图。

图5图示了图3中所图示的场景的闪光强度轮廓。

图6是光源的一个示例的横截面视图。

图7是LED阵列的俯视图。

图8是图7的阵列中的一个LED的横截面视图。

图9图示了在以下附图中的示例中被照亮的场景。

图10A和图11A图示了图9中所图示的场景的不同的照度轮廓。

图10B和图11B图示了施加到图7的阵列中的LED以生成如图10A和图11A中所图示的照度轮廓的电流的量。

图12图示了在照片的拍摄期间执行的时间序列。

图13图示了具有针对阵列中的每个LED的驱动器电路的系统。

图14是用于图13的系统的光源的底座上的焊接连接的俯视图。

图15图示了具有针对阵列中的每列LED的驱动器电路的系统。

图16图示了具有针对LED的阵列的单个驱动器电路的系统。

图17图示了针对具有图16中所图示的单个驱动器的系统照亮场景的方法。

图18图示了针对具有图15中所图示的针对每行LED的驱动器的系统照亮场景的方法。

具体实施方式

尽管在下面的描述中，本发明的实施例被描述为照相机闪光灯，但是其他用途也被考虑并且在本发明的范围内。

所有照相机闪光灯的一个问题是靠近照相机的物体往往过度曝光，而远离照相机的物体没有得到足够的光。本发明的实施例包括例如用于便携设备或电池供电设备的、或用于较大的非电池供电的照相馆闪光灯的诸如照相机闪光灯的光源。根据本发明实施例的光源可以使它们的照度轮廓适应于场景并且向场景中的所有物体传递适量的光。根据本发明的实施例的自适应光源可以包括诸如半导体发光器件的半导体光源，尽管可以使用任何合适的光。

图1图示了根据本发明实施例的自适应光源的示例。图1中所图示的系统可以被包括在智能手机或任何合适的设备中。图1中所图示的系统包括连接到驱动器12的光源10。如下所述，驱动器12向光源10供电。驱动器12连接到微处理器14。微处理器接收来自输入设备18和照相机11的输入。系统还可以包括3D传感器16。输入设备18可以是例如用户激活的输入设备，例如用户按下以拍摄照片的按钮。在一些实施例中，例如在自动拍摄照片的情况下，输入设备18可能不需要用户输入。在一些实施例中可以省略输入设备18。

3D传感器16可以是能够在拍摄照片之前制作场景的3D轮廓的任何合适的传感器。在一些实施例中，3D传感器16可以是飞行时间（ToF）照相机。ToF照相机测量从物体反射的光传输返回到ToF照相机所需的时间。该时间可用于计算到场景中每个物体的距离。在一些实施例中，3D传感器16可以是结构化光传感器。结构化光传感器包括投影设备，该投影设备在场景上投射特别设计的光图案。同样包括在结构化光传感器中的照相机测量从场景的物体反射的光图案的每个部分的位置，并通过三角测量确定到这些物体的距离。在一些实施例中，3D传感器16可以是在设备的主体中彼此间隔一定距离地定位的一个或多个辅助照相机。通过比较如辅助照相机看到的物体的位置，可以通过三角测量确定到每个物体的距离。在一些实施例中，3D传感器16是设备中的主照相机的自动聚焦信号。在扫描照相机镜头的对焦位置时，系统可以检测出场景的哪些部分在哪些位置处于对焦状态。然后通过将对应的镜头位置转换成到对于这些位置对焦的物体的距离来构建场景的3D轮廓。通过常规方法，例如通过测量对比度或通过利用照相机传感器内的相位检测传感器，导出合适的自动聚焦信号。当使用相位检测传感器时，在一些实施例中，为了自适应闪光灯的最佳运转，如下所述，各个相位检测传感器的位置可以对应于由光源10的分开的段照亮的区域。

图2A中图示了使用图1中所图示的系统的方法的一个示例。在块20中，生成输入，例如指示拍摄照片。在块22中，照相机11在闪光灯关闭的情况下拍摄（与照相机的视场相对应的）场景的第一初级图像。在块24中，光源10在低光输出模式（典型地被称为“手电筒模式”）中开启。此时，光源10的照度轮廓保持均匀，其中“均匀”意指场景的所有部分都被用已知的照明轮廓照亮。在块26中，在光源10继续以均匀照度轮廓和低亮度开启的同时捕获第二初级图像。在块27中，系统计算场景的所有部分的最佳亮度以实现最佳曝光。这可以通过从第二图像的各个像素亮度值中减去第一初步图像的像素亮度值，并缩放差异以实现最佳曝光水平来完成。在块28中，在光源10根据在块27中计算出的照度轮廓被激活的情况下，由照相机11拍摄最终照片。

图2B中图示了使用图1中所图示的系统的方法的另一个示例。在块200中，生成输入，例如指示拍摄照片。在块220中，照相机11在闪光灯关闭的情况下拍摄（与照相机的视场相对应的）场景的第一初级图像。在块230中，生成场景的3D轮廓。例如，3D传感器16可以生成场景的3D轮廓，或者3D传感器16可以感测关于场景的数据，并将数据发送到微处理器14，微处理器14可以生成场景的3D轮廓。在块270中，系统计算场景的所有部分的最佳亮度以实现最佳曝光。在块280中，基于在块270中执行的计算，场景由光源照亮。

图2C中示出了使用图1中所图示的系统的方法的另一个示例。在块2000中，生成输入，例如指示拍摄照片。在块2200中，照相机11在闪光灯关闭的情况下拍摄（与照相机的视场相对应的）场景的第一初级图像。在块2300中，生成场景的3D轮廓。在块2400中，光源10在低光输出模式（典型地被称为“手电筒模式”）中开启。此时，光源10的照度轮廓保持均匀，其中“均匀”意指场景的所有部分都被照亮。在块2600中，在光源10处于手电筒模式的情况下捕获第二初级图像。在块2700中，系统基于拍摄的2个图像的输入以及如上文伴随图2A和图2B的文本中所描述的3D轮廓来计算场景的所有部分的最佳亮度以实现最佳曝光。在块2800中，在光源10根据在块2700中计算出的照度轮廓被激活的情况下，由照相机11拍摄最终照片。

在图2A、图2B和图2C的每一个中，输入可以例如是诸如用户按下按钮的用户输入、由微处理器14生成的输入（例如，如果微处理器14被编程为在预定时间或以预定的间隔拍摄照片）或任何其他合适的输入。图3图示了当生成输入时要捕获到照片中的场景。图3中图示的场景包括前景中的第一人30和后景中的第二人32。仅为说明目的选择该场景。具有在距照相机各种距离处的多个物体或人的其他场景也适合用于本发明。

图4图示了图3中所图示的场景的3D轮廓。在图4中，较浅的阴影对应于距照相机较短的距离，较暗的阴影对应于距照相机较大的距离。因此，前景中的人30具有最浅的阴影，表明人30离照相机最近。后景中的人32具有较暗的阴影，表明人32距照相机较远。背景为黑色，表明距照相机距离最远。

定位为远离闪光灯的物体可能会接收较高的光强度；定位为靠近闪光灯的物体可能会接收较少的光。众所周知，光的照度根据距离的平方反比定律（照度〜1/距离²）而减小。利用场景的3D轮廓，可以因此计算出所需的分配到场景的哪些部分的光量。计算所需强度轮廓的算法还可以考虑场景中的每个物体从环境光接收到的照度、通过捕获第一图像收集的信息，并且可以相应地调整闪光灯光的量。例如，已经被良好照亮的物体30（例如因为它们是浅色或反射的）可以接收较少的光；未被良好照亮的物体（例如因为它们是深色或不反射的）可以接收比仅基于它们与光源的距离可计算出的（如由3D轮廓所确定的）更多的光。

数码照相机及其图像处理器典型地包括面部识别算法。在一些实施例中，来自面部识别算法的信息可以用于相比于其他物体而更好地照亮面部。如果没有足够的光来良好地曝光整张照片，则面部会受益于更多的光。如果人过于近并且存在过度曝光的危险，应关闭该特征，使得更多的光不会定向到面部。在一些实施例中，从3D轮廓进行的相对光的计算可以减少朝人眼发送的光量以使照片中的“红眼”最小化。

在一些实施例中，从3D轮廓进行的相对光的计算可以识别离闪光灯非常远并且不能被适当照亮的场景的部分。将最少量的光发送到场景的这些部分，以便使朝场景的有用部分发送的光量最大化，并且因此提供对可用的驱动电流容量的更好利用。

在一些实施例中，用户界面（例如，智能手机上的触摸屏）可以允许用户控制发送到场景的每个部分的相对光量。例如，用户可以开启和关闭闪光灯的自适应特征，可以开启和关闭用于从3D轮廓计算相对光（如上所述）的算法的各个部分，并且可以在场景上手动创建闪光灯重点。

本发明的实施例考虑了若干照明模式。

在一些实施例中，在第一组照明模式中，来自光源10的照明横跨场景分布以实现最均匀有用的被照亮照片。具体地，在一些实施例中，使过度曝光最小化：在前景被环境光良好照亮的情况下，来自光源10的所有光都定向到后景。在一些实施例中，光源充当闪光灯的填补（fill）：在后景被环境光良好照亮的情况下，来自光源10的所有光都定向到前景。在一些实施例中，当前景和后景被环境照明均匀照亮时，来自光源10的光可以大部分发送到背景。在一些实施例中，在前景较暗的情况下，来自光源10的光照亮前景刚好足以得到一张好照片，并且来自光源10的其余光被发送到后景。

在一些实施例中，在第二组照明模式中，所选物体被照亮。具体地，在一些实施例中，结合面部识别，面部可以被进行最高加权以得到最佳照明。在一些实施例中，结合面部识别，面部（或其他物体）周围的背景可以接收较少的光，例如以增强被照亮的面部与最接近面部的背景之间的对比度。在一些实施例中，场景的所选地带（zone）例如通过用户输入来标识。来自光源10的光可以仅定向到所选地带内。所选地带的示例包括放大的图像，或场景的以其他方式识别的部分。在一些实施例中，对于例如名片的照片，来自光源10的光可以以非常高的均匀水平发射。

图5图示了基于图4中所图示的计算来向图3的场景提供的光。在图5中，较浅的阴影对应于来自光源10的更多光，而较暗的阴影对应于来自光源10的较少的光。如图5中所图示的，在与后景人32相对应的区42中提供较多的光，而在与前景人30相对应的区40中提供较少的光。额外的光被提供给后景中的人的面部52。可以将最少量的光提供给人30或人32在其中都未出现的背景（未示出）。

图6、图7和图8图示了可以在图1中所图示的系统中使用的光源10的一个示例。可以使用任何合适的光源，并且本发明的实施例不限于图6、图7和图8中所图示的结构。

尽管在下面的示例中半导体发光器件是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是诸如激光二极管的除LED之外的半导体发光器件以及由诸如其他III-V族材料（III族磷化物、III族砷化物）、II-VI族材料（ZnO）或Si基材料的其他材料体系制成的半导体发光器件可以被使用。

图7是LED 62的正方形阵列60的俯视图。LED 62可以单片（monolithically）生长在单个衬底上。可替换地，LED 62不需要单片生长在单个衬底上，而是可以被切成小块然后布置在底座上，使得相邻的LED非常接近地在一起。在一些实施例中，LED 62之间的间隙小于单个LED 62的尺寸（例如宽度）的1/3。尽管图示了3×3正方形阵列，但是可以使用任何合适数量的LED，并且阵列不必是正方形的，它可以是矩形或任何合适的形状。各个LED的尺寸可以取决于若干设计参数，例如：包括光学透镜在内的构建体积（building volume）、照相机的视场和阵列中的LED的数量。例如，阵列必须包括足够的LED来照亮照相机的总视场（即整个场景）。对于智能手机应用，在一些实施例中，阵列的总宽度可以不大于2mm。对于较大的照相机，在一些实施例中，阵列的宽度可以不大于10mm。尽管各个LED是正方形的，但这不是必需的；可以使用矩形的LED或具有任何合适形状的LED。

图6是光源10的横截面视图。LED 62的阵列60被定位成使得从阵列60提取的大部分光朝向光学器件64发射。在所图示的示例中，光学器件64被与阵列60间隔开。可替换地，光学器件64可以放置在阵列60的顶部。光学器件64可以是使光准直并将光定向到场景的适当区域的任何合适的结构。光学器件64可以是例如透镜、多个透镜、一个或多个菲涅耳透镜、一个或多个折射透镜、一个或多个全内反射透镜元件、一个或多个反射器、一个或多个准直器或任何其他合适的光学器件。在以下示例中，光学器件64是菲涅耳透镜。光源可以是盒子66形状的，其中阵列60设置在盒子的底部，而光学器件64形成盒子的顶部。盒子的内侧壁68、未被阵列60占据的底部的任何部分以及未被光学器件64占据的顶部的任何部分都是光学设计的一部分，并且因此视情况可以是反射的或吸收光的。尽管在图6的器件中单个光学器件设置在多个LED上方，但在其他实施例中，光学器件可设置在每个单独LED上方，或者在小于阵列中的LED总数的LED组上方。

图8是图6和图7中所图示阵列中的单个LED 62的一个示例的横截面视图。可以使用任何合适的LED，并且本发明的实施例不限于图8中所图示的结构。在图8的器件中，大部分光通过生长衬底从LED提取。这样的器件可以被称为倒装芯片器件（flip chip device）。如本领域中已知的，通过在生长衬底70上生长III族氮化物半导体结构来形成图8的LED。生长衬底经常是蓝宝石，但可以是诸如例如非III族氮化物材料、SiC、Si、GaN或复合衬底的任何合适的衬底。其上生长III族氮化物半导体结构的生长衬底的表面可以在生长之前被图案化、粗糙化或纹理化，这可以改善从器件的光提取。生长衬底的与生长表面相对的表面（即在倒装芯片构造中通过其提取大部分光的表面）可以在生长之前或生长之后被图案化、粗糙化或纹理化，这可以改善从器件的光提取。

半导体结构包括夹在n型区和p型区之间的发光区或有源区。可以首先生长n型区72，并且n型区72可以包括具有不同组分和掺杂剂浓度的多个层，多个层包括例如可以是n型或者非有意掺杂的准备层（诸如缓冲层或成核层），以及为针对发光区有效发光所需的特定光学、材料或电学性质而设计的n型或甚至p型器件层。在n型区之上生长发光区或有源区74。合适的发光区的示例包括单个厚或薄的发光层、或包括由阻挡层分隔的多个薄或厚的发光层的多量子阱发光区。然后可以在发光区之上生长p型区76。类似于n型区，p型区可以包括具有不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。

在半导体结构生长之后，在p型区的表面上形成反射的p接触78。p接触78经常包括多个导电层，诸如反射金属和可以防止或减少反射金属的电迁移的防护金属。反射金属通常是银，但可以使用任何合适的一种或多种材料。在形成p接触78之后，去除p接触78、p型区76和有源区74的一部分以暴露其上形成有n接触80的n型区72的一部分。n接触80和p接触78通过间隙82彼此电隔离，间隙82可以填充有诸如硅的氧化物或任何其他合适的材料的电介质。可以形成多个n接触通孔；n接触80和p接触78不限于图8中所图示的布置。如本领域中已知的，可以重新分配n接触和p接触以通过电介质/金属堆叠形成焊盘（未示出）。

如上所述，阵列60中的LED 62可以形成在单个晶圆上，然后从晶圆切成小块作为阵列60，其中阵列中的各个LED 62仍然附接到单个生长衬底部分。可替换地，可以在单个晶圆上形成许多LED 62，然后从晶圆切成小块，使得将已经切成小块的各个LED设置在底座上以形成阵列60。

在半导体结构生长之后或在形成各个器件之后可以使衬底70变薄。在一些实施例中，从图8的器件移除衬底。从图8的器件提取的大部分光通过衬底70（或通过移除衬底70而暴露出的半导体结构的表面）提取。本发明的实施例不限于倒装芯片LED——可以使用任何合适的器件。

波长转换结构84可以设置在从发光器件提取的光的路径中。波长转换结构包括一种或多种波长转换材料，其可以是例如常规的磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI族或III-V族半导体、II-VI族或III-V族半导体量子点或纳米晶、染料、聚合物或发光的其他材料。波长转换材料吸收由LED发射的光并发射具有一个或多个不同波长的光。由LED发射的未转换的光通常是从结构中提取的光的最终光谱的一部分，然而这不是必需的。从结构中提取的光的最终光谱可以是白色、多色或单色的。常见组合的示例包括与发射黄光的波长转换材料相组合的发射蓝光的LED、与发射绿光和红光的波长转换材料相组合的发射蓝光的LED、与发射蓝光和黄光的波长转换材料相组合的发射UV的LED、以及与发射蓝光、绿光和红光的波长转换材料相组合的发射UV的LED。可以添加发射其他颜色光的波长转换材料以调整从结构中提取的光的光谱。波长转换结构84可以包括光散射元件或光漫射元件，例如TiO₂。

在一些实施例中，波长转换结构84是与LED分开制造并且例如通过晶圆键合（wafer bonding）或诸如硅树脂或环氧树脂的合适粘合剂附接到LED的结构。这种预制波长转换元件的一个示例是陶瓷磷光体，其通过例如将粉末磷光体或磷光体的前体材料烧结成陶瓷板而形成，然后可以将其切成单独的波长转换元件。陶瓷磷光体也可以通过例如流延成型（tape casting）形成，这种情况下陶瓷被制造成正确的形状，而不需要切成小块或切割。合适的非陶瓷的预形成的波长转换元件的示例包括：分散在诸如硅树脂或玻璃的透明材料中的粉末磷光体，其被卷起、铸造或以其他方式形成为片材，然后单个化（singulate）成单独的波长转换元件；设置在诸如硅树脂的透明材料中并且层压在LED晶圆或单独LED上的粉末磷光体；以及与硅树脂混合并设置在透明衬底上的磷光体。波长转换元件不需要预形成，它可以是例如与透明粘合剂混合的波长转换材料，其被层压、分配（dispense）、沉积、丝网印刷、电泳沉积或以其他方式定位在由LED发射的光的路径中。

如图8中所图示的，波长转换结构84不需要设置成与LED直接接触；在一些实施例中，波长转换结构84与LED间隔开。

波长转换结构84可以是覆盖阵列中的多个或全部LED的单片元件，或者可以被构造成分开的段，每个段附接到对应的LED。波长转换结构84的这些分开的段之间的间隙可以用光学反射材料填充，以将来自每个段的光发射仅限制到该段。

诸如例如焊料、柱形凸起（stub bump）、金层或任何其他合适的结构的互连（未示出）可以用于将阵列60中的LED 62电连接和物理连接到诸如底座、印刷电路板或任何其他合适的结构的结构。底座可以被配置成使得单独LED 62可以由图1的驱动器12单独控制。由各个LED 62发射的光照亮场景的不同部分。通过改变去往各个LED的电流，可以修改提供给场景的对应部分的光。如上所述计算出的场景的最佳照度轮廓可以通过向每个LED 62提供适当的电流水平来获得。

在诸如移动设备或电池供电设备的一些设备中，图1的自适应光源可用的最大电流量通常受设备电池的容量限制。当限定去往所有LED 62的驱动电流水平时，系统典型地考虑最大可用的电流预算，并由此限定每个LED 62的驱动电流水平，使得总驱动电流不超过最大值，而保持LED之间的强度的正确比例并使总的光输出最大化。

图9图示了在以下图10A和图11A中所图示的示例中要照亮的场景。对于每个示例，提供给每个LED的电流量在图10B和图11B中图示。根据依据上述3D轮廓的计算，由图9中由虚线标识的目标88需要比场景的其余部分更多的光。在图10A和图11A中，提供给某区的光量随阴影的暗度增加而减小。每幅图中所图示的光分布可以是相对的。

图10A图示了当所有LED 62被如图10B所示供应相同量的电流时场景被如何照亮。场景的中心被明亮地照亮，而场景的外边缘则被较少地照亮。因此，该目标的靠近场景中心的部分比目标的靠近场景边缘的部分被更多地照亮。

图11A图示了当六个LED被供应不同的电流水平并且三个LED没有接收到电流时场景被如何照亮。左列中的中心LED 96被供应的电流是围绕LED 96的五个LED 97、98、99、100和101的五倍。如图11B中所图示的，右列中的三个LED没有接收到电流。如图11A中所图示的，场景的右侧（大致对应于目标）比场景的其余部分被更明亮地照亮。

本发明的实施例针对图1的驱动器12以及使用该驱动器照亮场景（例如照相机的视场）的方法。在下面的示例中，光源10是12个LED的阵列60，排列成四列，每列三行。如上所述，本发明的实施例不限于这种布置。下文描述的原理可以被推广到任何合适的发光器件阵列。

图12图示了当利用具有滚动快门的照相机拍摄照片时发生的作为时间函数的事件序列。可以使用任何合适的照相机。在一些实施例中，照相机使用滚动快门。滚动快门指的是一种图像捕获方法，在该方法中通过横跨场景扫描，而不是通过一次捕获整个场景来捕获静止照片。滚动快门照相机通常用数字CMOS传感器实现。“照片”本质上是一组像素118。在拍摄照片时，必须捕获各个像素中的信息。捕获像素中的信息的过程称为积分。利用滚动快门像素不能被全部同时积分，并且因此通常是逐线积分的。例如，图12中的底线120被首先积分，并且顶线122被最后积分。第一线120的积分在时间126开始并在时间130结束。在第一线120的积分在时间126开始之后、并且在它结束之前，下一条线的积分开始，并沿像素的线向上以此类推。最后线122的积分在时间132开始并在时间128结束。图12中仅图示了第一线120和最后线122的积分时间；为了清楚，其间的线被省略。

帧读出124（即照片的拍摄）随着第一线120的积分结束，在时间130开始，并且随着最后线122的积分结束，在时间128结束。自适应闪光灯必须从第一线120的积分开始时的时间126直到帧读出并且像素的最后线的积分结束时的时间128为止照亮与像素相对应的场景。在一些实施例中，自适应闪光灯在时间126之前并且在时间128之后照亮场景，以确保闪光灯在图12中所图示的所有操作期间开启。

以下附图图示了用于如上（例如在图2A、图2B和图2C中的块28、280和2800中，以及在图12的描述中）所述照亮场景的结构和方法的示例。

图13图示了其中驱动器12包括12个单独驱动器电路112的结构，一个单独驱动器电路112控制阵列60中的每个LED。每个驱动器112根据上面在图2A、图2B和图2C中描述的计算来向与该驱动器相对应的LED供应所需的电流量以照亮场景。每个LED可以在时间126到时间128的整个持续时间由其相对应的驱动器供应适当的电流量。如图14所图示的，该方法需要与LED阵列中的LED一样多的驱动器电路112，这可能是昂贵的，并且需要多个焊盘。

图14图示了其上可安装图13的阵列60的底座140。该底座包括用于每个LED的单独的阳极114和阴极116焊盘，以便促进将每个单独的LED连接到单独的驱动器。提供这种数量的焊盘和电流路径可能是昂贵的，并且可能使光源10的制造复杂。

为了减少接触盘和驱动器的数量，已经提出矩阵驱动，例如用于投影应用和显示应用。矩阵驱动指的是将LED阵列连接到例如行和列导电地址线的矩阵。每个LED的一个端子（例如，阳极）连接到行线；另一个端子（例如，阴极）连接到列线。为了激活给定LED，必须开启相对应的行和列。

图15和图16图示了其中单个驱动器电路112控制光源10的阵列60中的多个LED的结构。在图16中，驱动器12包括单个驱动器电路112，其控制阵列60中的所有LED。开关142将驱动器电路112连接到阵列中LED的每行和每列。通过断开和闭合开关142，可以选择性地激活LED。在图15中，单个驱动器112控制每列的三个LED。存在四个驱动器电路，每列一个驱动器电路。开关144将驱动器电路112连接到LED行。通过断开和闭合开关144并激活相对应的驱动器，可以选择性地激活LED。尽管图15的结构图示了驱动器与每列相关联，并且开关与每行相关联，也可以使用相反的情况，驱动器与每行相关联，并且开关与每列相关联。对于不同的LED阵列配置，驱动器的数量将有所不同，使得驱动器的数量可以由列数或行数确定。开关可以是任何合适的结构，包括例如FET开关（诸如例如MOSFET）。

如图16中那样使用单个驱动器电路112，或者如图15中那样使用比阵列中的LED更少的驱动器电路，可以降低器件的成本。使用单个驱动器电路112或比LED更少的驱动器电路可以简化在底座上形成的焊接连接。

在具有比LED更少的驱动器电路的器件（例如图15和16中所图示的器件）中，每个LED产生的光量可以通过时间（即，每个单独LED的开启时间）和/或通过供应给每个LED的电流量来控制。

图17图示了使用例如具有图16中所图示的单个驱动器电路112的系统来驱动光源10的方法。在图17的示例中，通过在每个时间段170-174期间闭合相对应的行/列开关来选择性地激励各个LED。在一个实施例中，在每个块161-164期间连续使用最大可用电流，然而每个LED提取的光由其开启的时间以及由在每个时间段170-174期间开启的LED的数量调制。在给定时间段170-174期间，最大可用电流在所有被激励的LED之间均匀分配。在一些实施例中，取决于所需照度165，在时间段170-174中的一个或多个期间，接通的LED可以取决于接通的LED的数量和LED的最大允许电流密度以小于最大可用电流驱动。然而，如所图示的在每个时间段期间使用最大可用/可允许电流将使可用电流的利用最大化并且可以提高自适应闪光灯的效率。

如上参考图12所描述的总闪光时间160在图17中被图示。总闪光时间160被分成多个块161、162、163和164。尽管图示了四个块，但是可以取决于例如与积分时间和触发不确定性相比必需的总闪光时间而使用更多或更少的块。触发不确定性是发起照片拍摄的准确时刻（图12中的时刻126）（其在照相机单元外部可能不知道）与应当同时被发起的任何外部事件（例如激活闪光灯）之间的可能的时间滞后。在较暗环境中的典型积分时间可以在10ms至100 ms的量级。在一些实施例中，使用最少2个块，因为图12中所图示的照片读出等于每行积分时间的约两倍。使用仅两个块需要自适应闪光灯和照相机（照片开始和结束）之间非常精确的同步。因此，大多数实施例使用多于2个块。

在四个块161、162、163和164的每一个中，选择性地接通LED，以根据图17中所图示的所需照度图案165一并照亮场景，其可以如上在图2A、图2B和图2C中所描述的那样进行计算。所需照度图案165被映射到LED的目标亮度分布，例如直到最后时间段（174b中所示并在下文描述）并包括最后时间段所实现的时间平均亮度分布。（如上所述，该映射的细节将取决于与LED阵列一起使用的主光学器件和/或次光学器件。在图17中，为了简单，空间对应被假定为简单的缩放因子，因此直到最后时间段174b的平均亮度分布与照度图案165看起来相同。）然后，通过在每个时间段期间选择性地接通LED或LED组，可以在块161、162、163和164序列中的每一个期间反复生成时间平均亮度轮廓174b。

曲线166图示了作为每个块的时间的函数的每LED的电流。每个块161、162、163和164在时间167开始并在时间168结束。每个块被分成五个时间段170、171、172、173和174。可以使用更多或更少的时间段。如曲线166所图示的，时间段不需要具有相同的持续时间。在所示的示例中，第一时间段170最长，具有每LED最低的电流，并且最后时间段174最短，具有每LED最高的电流。在每个时间段期间提供给阵列的总电流可以相同，并且可以等于总可用电流，然而这不是必需的。如上所述，在一些实施例中，提供给阵列的总电流在该时间段期间在被接通的LED之间平分。

阵列170a、171a、172a、173a和174a图示了在时间段170、171、172、173和174中的每一个期间如何点亮光源阵列中的LED中的每一个。在阵列170a、171a、172a、173a和174a中，黑色表示LED关闭，并且灰色表示LED开启。阵列170b、171b、172b、173b和174b图示了在时间段170、171、172、173和174中的每一个期间发射的累积平均亮度。换言之，阵列170b、171b、172b、173b和174b图示了所有先前时间段上发射的光的总和除以从块开始所经过的时间。阴影表示产生光的量-较浅的颜色表示该段的更多的供应电流和更多的开启时间，从而产生更多的光，而较深的颜色表示更少的供应电流、更少的开启时间以及由此从相应LED产生的更少的光。

如阵列170a所图示的，在时间段170期间，最右三列中的九个LED以电流I₁被驱动。平均亮度分布170b反映（mirror）LED驱动图170a，因为它是第一时间段。如阵列171a所图示的，在时间段171期间，顶部两行中的八个LED以电流I₂被驱动。平均亮度分布171b对于与LED的顶部两行且最右三列相对应的六个LED更大，因为这些LED在时间段170和时间段171二者期间均接通。如阵列172a所图示的，在时间段172期间，最右两列中的六个LED以电流I₃被点亮。平均亮度分布172b对于顶部两行且最右两列中的四个LED最大，因为这些LED在全部三个时间段170、171和172期间发光。如阵列173a所图示的，在时间段173期间，顶行中的四个LED以电流I₄被驱动。平均亮度分布173b对于LED阵列的顶行且最右列中的两个LED最大，因为这些LED在所有时间段期间都被点亮。如阵列174a所图示的，在时间段174期间，最右列、底部两行中的两个LED以电流I₅被驱动。平均亮度分布174b对于顶行、最右两列和第二行最右列中的三个LED更大，因为这些LED在所有时间段期间都被点亮。

图18图示了使用具有图15中所图示的针对每列LED的驱动器电路112的系统来驱动光源10的方法。在具有针对每列的驱动器电路的结构中，可以通过激活适当的驱动器和适当的开关来选择性地激励各个LED，并且不同的电流量可以被供应给不同的列，但是不同水平的电流不能被供应给单列中的LED-提供给给定列的总电流量在该列中所有被激励的LED之间均匀分配。在该配置中，使用时间调制和电流调制二者，以在自适应闪光灯照亮场景的时间段期间在LED阵列上实现期望的亮度分布。

如上参考图12所描述的总闪光时间160在图18中被图示。如图17中那样，总闪光时间160被分成多个块161、162、163和164。如上所述，尽管图示了四个块，但是可以取决于与积分时间和触发不确定性相比必需的总闪光时间而使用更多或更少的块。

在四个块161、162、163和164中的每一个中，光源被接通以实现图18中所图示的所需图案175。所需照度图案175可以通过所使用的光学器件转换成LED阵列的亮度分布。该目标亮度分布通过将每个块分成时间段并且在每个时间段期间选择性地为单个LED或LED组供电来实现，直到阵列中的每个LED根据图案183b产生其所需的平均亮度为止。换言之，根据图18，来自每个LED的总生成光由该LED在每个时间段期间产生的亮度的积分给出，并且最终亮度分布将是每LED段和立体角发射的总光除以块时间t_int。

曲线180图示了作为每个块的时间的函数的每激活LED的电流。每个块161、162、163、164在时间167开始并在时间168结束。每个块被分成三个时间段181、182和183。可以使用更多或更少的时间段。如曲线180所图示的，时间段不需要具有相同的持续时间。在该示例中，时间段181最长，并且使大部分LED以每列不同的电流设置开启，并且时间段183最短，具有最高的每LED电流。如上所述，提供给每列的总电流在该时间段期间在该列中被接通的LED之间平分。

阵列181a、182a和183a图示了在时间段181、182和183中的每一个期间如何点亮光源阵列中的LED。阵列181b、182b和183b图示了在时间段181、182和183中的每一个期间的累积平均亮度。换言之，阵列181b、182b和183b图示了所有先前时间段上每LED和立体角的发射的光的总和除以从块开始所经过的时间。

如阵列181a所图示的，在时间段181期间，最右三列中的九个LED发射光。每列以不同的电流水平驱动：左数第二列接收最少电流185，左数第三列接收更多电流186，并且最右列接收最多电流187。每列中的全部三个LED被激活，并且因此每列中的全部三个LED发射相同的光量。平均亮度分布181b反映LED驱动图181a，因为它是第一时间段。如由阵列182a所图示的，在时间段182期间，顶部两行中的八个LED以电流I₂被驱动。平均亮度分布182b对于最右列中的顶部两个LED最大，因为这些LED在时间段181和182二者期间均被接通。如由阵列183a所图示的，在时间段183期间，顶行、最左三列中的三个LED以电流I₃被驱动。平均亮度分布183b对于顶行和最右列中的两个LED最大。

图12中所图示的照相机的所有像素应当看到在该像素的积分期间来自光源10的指定的光量。换言之，在像素积分期间，该像素应当用如以上图2A、图2B和图2C中的阶段27、270和2700中所计算的适当的光量来照亮。照相机的像素不在相同的时间段收集光（即，像素的不同行在不同时间被积分）。在具有比LED少的驱动器电路的器件中，每LED的光输出随着时间而变化，如图17和18中所图示。结果，如果上述的块与像素积分不同步，则可以记录明暗条纹。因此，在一些实施例中，闪光序列（即，每个块161、162、163和164是完整的闪光序列）与像素的积分时间同步。当闪光序列和积分时间同步使得闪光序列与积分时间长度相同时，每个像素看到时间调制的LED阵列输出的完整序列（即，完整块161、162、163、164）。具体地，当闪光序列和积分时间同步时，图17和图18中所图示的示例中的每个像素看到其根据图17和图18的所需照度图案165和175的照度值，如经由阵列174b和183b中所图示的成像的累积亮度分布所实现的。

使闪光序列与积分时间同步不要求闪光序列在与线中的任何线开始积分的相同的时间开始，只要闪光序列和积分时间的时间长度相等，使得在给定线的积分期间，被积分的像素暴露于整个闪光序列。在一些实施例中，闪光序列比积分时间短。该较短闪光序列的长度被选择使得像素线的积分时间与整数个闪光序列相等。

尽管上面的示例描述了使用自适应光源作为例如照相机的闪光灯，并且尽管这些示例使用可见光单元，但是其他用途被考虑并且在本发明的范围内。本文描述的方法和结构诸如例如：通过一次接通一个以上的LED使可用于LED阵列的总电流最大化，在LED阵列中的列和行之间切换使得跨LED阵列的时间平均的功率分布（或亮度）与预定功率分布（或亮度）相对应，接通和关闭LED阵列中的各个LED以始终使用阵列可用的总电流而不使各个LED经受低效的高电流密度，以及将照明序列的长度与单独的外部操作（诸如，例如拍摄照片）进行匹配，可以用于任何合适的应用，并且不限于以上示例中描述的闪光灯应用。

已经详细描述了本发明，本领域技术人员将认识到，在给定本公开的情况下，可以对本发明进行修改而不脱离本文描述的发明构思的精神。特别地，来自不同示例或实施例的不同元件可以被组合。并不意在将本发明的范围限于所示出和描述的特定实施例。

Claims

1.一种照明系统，包括：

发光二极管（LED）阵列，包括布置成多行和多列的多个LED，

所述LED阵列中的每个LED位于行和列的唯一组合中，

所述LED阵列中的每个LED可经由对应的第一电气端子和对应的第二电气端子供电，所述第一和第二电气端子包括阳极和阴极，

具有所述对应的第一电气端子的每行LED彼此电连接并且电连接到对应的行开关，

具有所述对应的第二电气端子的每列LED彼此电连接并且电连接到对应的列开关；以及

驱动器，电耦合到所述行开关和所述列开关，

所述LED阵列中的每个LED只有当所述对应的行开关闭合且所述对应的列开关闭合时才被供电，

所述驱动器被配置为选择性地断开和闭合所述行开关和所述列开关，以选择性地为所述LED阵列中的LED供电。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述驱动器被配置为在指定的持续时间内通过以下方式控制所述LED阵列中的LED的强度：

向所述行开关和所述列开关提供固定量的电流；

控制所述行开关和所述列开关断开和闭合的时间；以及

在所述对应的行开关和对应的列开关闭合所针对的LED之间平均分配所述固定量的电流。

3. 根据权利要求2所述的照明系统，还包括处理器，所述处理器被配置为：

接收表示照度图案的照度信号；和

向所述驱动器提供驱动器信号，所述驱动器信号指定所述行开关和所述列开关断开或闭合的时间，以利用所述LED阵列产生所述照度图案。

4. 根据权利要求3所述的照明系统，其中：

所述LED阵列被配置为响应于所述驱动器为所述LED阵列中的LED的至少一些供电而产生光，并且

所述照明系统还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为准直来自所述LED阵列的光以产生准直光。

5. 根据权利要求4所述的照明系统，其中：

所述LED阵列和所述准直透镜被布置为利用所述准直光来照射场景；并且

所述照明系统还包括被配置为捕获所述场景的图像的相机。

6. 根据权利要求5所述的照明系统，其中，所述处理器还被配置为：

从所述相机接收所述场景的初级图像；和

至少部分地根据所述初级图像来确定所述照度图案。

7.根据权利要求6所述的照明系统，其中，所述相机被配置为在所述LED阵列中的所有LED均未被供电的情况下捕获所述初级图像。

8. 根据权利要求7所述的照明系统，其中：

所述初级图像是第一初级图像；和

所述处理器还被配置为：

从所述相机接收所述场景的第二初级图像，所述相机还被配置为在所述LED阵列中的所有LED均被供电的情况下捕获所述第二初级图像；和

至少部分地根据所述第一初级图像和所述第二初级图像来确定所述照度图案。

9.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述LED阵列中的LED的至少一些是设置在单个衬底上的单片器件。

10.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述LED阵列中的LED的至少一些是设置在安装件上的单独器件。

11. 一种用于提供照明的方法，所述方法包括：

提供矩形发光二极管(LED)阵列，所述矩形发光二极管(LED)阵列包括布置成多行和多列的多个LED，所述LED阵列中的每个LED位于行和列的唯一组合中，所述LED阵列中的每个LED可经由对应的第一电气端子和对应的第二电气端子供电，所述第一和第二电气端子包括阳极和阴极，具有所述对应的第一电气端子的每行LED彼此电连接并且电连接到对应的行开关，具有所述对应的第二电气端子的每列LED彼此电连接并且电连接到对应的列开关；以及

驱动器电耦合到所述行开关和所述列开关，使得所述LED阵列中的每个LED只有当所述对应的行开关闭合且所述对应的列开关闭合时才被供电，选择性地断开和闭合所述行开关和所述列开关，以选择性地为所述LED阵列中的LED供电。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括，在指定的持续时间内：

利用所述驱动器向所述行开关和所述列开关提供固定量的电流；

利用所述驱动器控制所述行开关和所述列开关断开和闭合的时间；以及

13. 根据权利要求12所述的方法，还包括：

利用处理器接收表示照度图案的照度信号；和

利用所述处理器向所述驱动器提供驱动器信号，所述驱动器信号指定所述行开关和所述列开关断开或闭合的时间，以利用所述LED阵列产生所述照度图案。

14. 根据权利要求13所述的方法，还包括：

响应于所述驱动器为所述LED阵列中的LED的至少一些供电，利用所述LED阵列产生光，并且

利用准直透镜准直来自所述LED阵列的光以产生准直光。

15. 根据权利要求14所述的方法，还包括：

利用所述LED阵列和所述准直透镜，以所述准直光照射场景；和

利用相机捕获所述场景的图像。

16. 根据权利要求15所述的方法，还包括：

利用所述处理器从所述相机接收所述场景的初级图像；和

利用所述处理器至少部分地根据所述初级图像来确定所述照度图案。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在所述LED阵列中的所有LED均未被供电的情况下，利用所述相机捕获所述初级图像。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述初级图像是第一初级图像；并且还包括：

当所述LED阵列中的所有LED均被供电时，利用所述相机捕获所述场景的第二初级图像；

利用所述处理器从所述相机接收所述场景的第二初级图像，以及

利用所述处理器至少部分地根据所述第一初级图像和所述第二初级图像来确定所述照度图案。

19.一种照明系统，包括：

矩形发光二极管（LED）阵列，包括布置成多行和多列的多个LED，

所述LED阵列中的每个LED位于行和列的唯一组合中，

具有所述对应的第二电气端子的每列LED彼此电连接并且电连接到对应的列开关；

驱动器，电耦合到所述行开关和所述列开关，

所述驱动器被配置为选择性地断开和闭合所述行开关和所述列开关，以选择性地为所述LED阵列中的LED供电；以及

处理器，被配置为：

接收表示照度图案的照度信号；和

向所述驱动器提供驱动器信号，所述驱动器信号指示所述驱动器在指定时间断开或闭合指定的行开关和指定的列开关，以利用所述LED阵列产生所述照度图案。

20.根据权利要求19所述的照明系统，其中，所述LED阵列中的LED的至少一些单片生长在单个衬底上。