CN1770942A - 具有强度监控系统的发光二极管照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光源及其控制方法。该光源包括第一合成光源，其包括N个LED、光电探测器和光转向器，其中 N＞1。每个LED在封装中具有发光芯片。发光芯片发射向前方向中的光以及侧面方向中的光。在向前方向中生成的光由耦合到该LED的驱动信号确定。侧面方向中的光的一部分离开封装。光转向器被如此放置，从而使离开每个LED的封装的侧面方向中的光的一部分被散射到光检测器上。光电探测器生成N个强度信号，每个强度信号具有与LED中相应的一个LED在侧面方向中发射的光的强度相关的幅度。

Description

具有强度监控系统的发光二极管照明系统
技术领域
本发明涉及具有强度监控系统的LED照明系统。
背景技术
发光二极管(LED)是取代诸如白炽灯和荧光光源之类的传统光源的具有吸引力的候选者。LED具有更高的光转换效率以及更长的寿命。不幸的是，LDE在相对窄的谱段中发光。因此，为了产生具有任意颜色的光源，通常利用具有多个LED的复合光源。例如，通过将来自红光、绿光和蓝光发射LED的光组合起来，可构建这样的基于LED的光源：其提供的发射在被观察时与特定的颜色相匹配。各种颜色的强度比将光的颜色设置为人类观察者所察觉到的那样。
不幸的是，各个LED的输出随着温度、驱动电流和老化而变化。另外，LED的特性在制造过程中各个生产批次之间是不同的，并且对不同颜色的LED也不同。因此，在一组条件下提供所希望的颜色的光源在条件改变或器件老化时，将会展现出颜色漂移。为了避免这些漂移，必须在光源中结合某种形式的反馈系统，以改变各个LED的驱动条件，从而不管光源中所使用的组成LED中的变化如何，输出光谱都保持在设计值处。
基于LED的白光源被用作显示器和投影仪的背光。如果显示器的尺寸相对较小，则可以使用单独一组LED来照明显示器。这种情形中，反馈光电探测器位于这样的位置：在来自各个LED的光混合后，其收集来自整个显示器的光。
当显示器的尺寸增加时，需要使用LED光源阵列来提供在整个阵列上均匀的照明。这种阵列使得反馈系统复杂了。如果光电探测器位于混合腔中，则收集并分析来自整个显示器的光。因此，反馈系统只能调节每种颜色的总体光强水平。于是，如果某一特定LED正在与提供该颜色的光的其他LED不同地运行，则反馈系统不能只调节该LED。
发明内容
本发明包括一种光源及其控制方法。该光源包括第一合成光源，其包括N个LED、光电探测器和光转向器，其中N＞1。每个LED在封装中具有发光芯片。发光芯片发射向前方向中的光以及侧面方向中的光。在向前方向中生成的光是由耦合到该LED的驱动信号确定的。侧面方向中的光的一部分离开封装。光转向器被如此放置，从而离开每个LED的封装的侧面方向中的光的一部分被散射到光电探测器上。光电探测器生成N个强度信号，每个强度信号具有与LED中相应的一个LED在侧面方向中生成的光的强度相关的幅度。侧面方向中光的强度占向前方向中光的强度的比例是固定的。
附图说明
图1A是现有技术的显示系统的顶视图。
图1B是显示系统的端视图。
图2是合成光源的顶视图。
图3是沿图2所示的线3-3的截面图。
图4是扩展光源的顶视图。
图5是合成光源的顶视图。
图6是图5所示的合成光源是沿线6-6的截面图。
具体实施方式
参考图1A和1B，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式。图IA是现有技术的显示系统100的顶视图。图1B是显示系统100的端视图。显示系统100利用具有红光、绿光和蓝光LED的LED源130来从显示器件170之后的某个位置处照明显示器件170。例如，显示器件170可以包括由透射像素阵列构成的成像阵列。来自LED源130的光在显示器件170后面的腔160中“混合”，以提供显示器件170的均匀照明。该腔的壁通常是反射的。光电探测器110测量腔160中与LED源130中的LED相对应的三个波长处的光强度。控制器120在伺服回路中使用这些测量结果，来调节LED源130中每个LED的驱动电流，从而保持所希望的照明光谱。
当显示器的尺寸增加时，LED必须被LED阵列取代，LED阵列具有由显示器的尺寸和照明显示器所需的光的数量确定的空间范围。从单个LED可以生成的光的数量是存在实际限制的。因此，基于一组RGB LED的照明被限制在相对小的显示器。为了增加超出该限制的可用光，需要多组LED。因为LED的特性在各个生产批次之间相差很大，所以必须在反馈环路中分别控制各组LED，以维持所希望的光谱。因此，在来自各个LED的光被混合在一起后在混合腔中对光进行采样的光电探测器阵列只能提供关于在每种颜色处阵列总体性能的信息。这种信息不足以来调节各个LED的驱动电流。本发明通过提供这样一种LED光源克服了这一问题：其中即使在混合腔中存在多个相同颜色的LED时，也分别测量来自每个组成LED的光。
本发明利用这种观察：LED中生成的光的一部分被截留在LED的有源区中，并且通过芯片的侧面离开LED。一般而言，LED是由分层结构构建的，其中生成光的区域被夹在n型和p型层之间。沿着与顶层或底层的表面成大约90度角的方向行进的光被抽取出去，并且形成LED的输出。在LED顶部的空气/半导体边界以及在LED下面的半导体/衬底边界都是两个具有显著不同的折射率的区域之间的边界。因此，在有源区中以大于临界角的角度生成的光将在这些边界处被内反射，并仍然被截留在这两个边界之间，直至光要么被吸收，要么到达LED芯片的边缘。这种截留光中相当大一部分以小于临界角的角度穿过芯片边缘处的芯片/空气边界，从而离开芯片。
本发明利用这种边缘发射光来提供监控信号。一般而言，在边缘处离开芯片的光的数量占LED中生成的总的光的比例是固定的。精确的比例在芯片之间是不同的；然而，在制造LED时或者在安装了LED之后通过校准光源，可以确定每个芯片的比例值。
现在参考图2和3，其图示了根据共同未决专利申请(美国专利申请10/742,270，该申请被结合于此作为参考)中所描述的发明的一个实施例的RGB合成光源200。图2是合成光源200的顶视图，图3是沿着线3-3的截面图。合成光源200包括三个LED 201～203，它们分别发射红光、绿光和蓝光。每个LED包括芯片，该芯片将其中生成的光中的一部分通过芯片侧面发射出去。LED具有基体，基体包括透光的区域，该透光的区域允许光以不同于在垂直于芯片表面的方向发射的光的方向离开。分别在211～213处示出了LED 201～203中的芯片。
参考图3，在221处示出了离开芯片顶部的光，并且在222处示出了离开芯片侧面的光。为了简化下面的讨论，离开芯片顶部的光被称为“输出光”，而在LED中以大于临界角的角度被一次或多次内反射之后离开芯片侧面的光被称为侧面光。本发明使用收集器230来收集侧面光的一部分。如此收集的光被称为监控光。监控光被引导到光电探测器240上，光电探测器240测量三个感兴趣的光谱区域中的每个区域中的光强度。这种情形中，光电探测器240测量红、蓝和绿色谱段中的光，并生成241处所示的三个信号，它们的幅度是测量出的强度的函数。而这些信号的幅度又是输出光的度量。在下面的讨论中，这些信号被称为监控信号。
光电探测器240可以由3个光滤波器和用于测量每个滤波器所透射的光的3个光电二极管组成。为了简化附图，图中省略了组成的光电二极管和光滤波器。
在图2和3所示的实施例中，收集器230是圆对称的收集器，其具有表面233，该表面将离开LED 201的侧面光的一部分沿向下的方向反射，从而光电探测器监控仅仅来自那一组LED的光。收集器可以是透明的(clear)塑料构成的。表面的反射率可以是该塑料和空气之间的折射率差的结果。或者，表面可以覆盖诸如铝之类的反射材料。
一般而言，监控光与输出光的比在LED之间是不同的。然而，只要该比例的精确值保持不变，就无需确定该值。如上所述，反馈控制器使用监控信号来维持正确的红光、蓝光和绿光强度，以生成所希望的光谱。每个LED具有分离的供电线，LED通过该供电线接收信号，该信号的平均电流水平确定了该LED输出的光。在251处示出了LED 201的供电线。反馈控制器调节到每个LED的驱动电流，直至监控信号与反馈控制器中存储的目标值相等。
可以通过分析合成光源所生成的光与到LED的驱动电流之间的函数关系，来实验地确定目标值。当仅仅使用该组成LED就能获得满意的光谱时，控制器记录监控信号的值。反馈控制器然后调节驱动电流，以在合成光源的正常工作期间将监控信号维持在这些记录的目标值处。例如，如果LED之一老化，并且因此产生较少的光，则与该LED相关联的监控信号的值将减小。反馈控制器然后将增加到该LED的驱动电流，直至监控信号再次匹配该LED的目标值。
上述合成光源可以被组合起来，以构建扩展光源，用于以类似于上面参考图1讨论的方式来对腔进行照明。现在参考图4，其是扩展光源300的顶视图。光源300可以被看作是沿其长度方向具有恒定光强的线性光源。光源300是由多个上面参考图2和3讨论的类型的合成光源构成的。在301～303处示出了示例性的合成光源。
每个合成光源具有六条信号线，它们可以被看作合成总线307。合成总线307包括传输监控信号的三条线和驱动合成光源内各个LED的三条供电线。合成总线通过接口电路连接到控制总线311。在304～306处分别示出了与合成光源301～303相对应的接口电路。
在该实施例中，每个接口电路提供两种功能。第一，接口电路选择性地将监控信号连接到反馈控制器310，并且接收指定要被施加到合成光源中每个LED的驱动电流的信号。接口电路包括允许反馈控制器310选择性地与接口电路通信的地址。
第二，接口电路包括在合成光源没有连接到总线311时将每个LED的驱动电流维持在反馈控制器所指定的水平处的电路系统。为了实现这种功能，接口电路包括保持用于确定到每个LED的驱动电流的值的三个寄存器，以及用于将这些值转换为实际驱动电流的电路系统。可以通过改变通过每个LED的DC电流的大小，或者通过改变使LED在“开”和“关”之间切换的AC信号的占空比，来设置驱动电流。
上述实施例利用光收集器，其收集离开LED侧面的光的一部分，并将这部分光向下引导到光电探测器。这些光收集器是反射器，并且制作起来是相对昂贵的。本发明无需使用抛光的反射器，就可以提供这种光采样功能，并且因此减少了相关成本。本发明基于这样一种观察：可以利用任何一种将侧面光的一部分转向到光电探测器的器件来提供反馈控制器所需的光。对这种光转向器的唯一要求是这部分光不随时间变化，并且反射足够的光来提供对侧面光的精确测量。
现在参考图5和6，其图示了利用根据本发明一个实施例的光转向器的合成光源。图5是合成光源400的顶视图，图6是沿着线6-6的合成光源400的截面图。合成光源400具有401～406处所示的六个LED。来自这些LED中每一个的侧面光的一部分被散射介质转向到光电探测器上。在411～416处分别示出了用于LED 401～406的光电探测器。光转向器410包括透明的介质，其中悬有散射颗粒429。在417和418处分别示出了LED 402和405所使用的散射介质的一部分。
现在参考图6，并且具体地参考离开LED 402中的管芯424的侧面光。这些光中的某一些会被颗粒散射。这些散射光中的一部分将会被引导到光电探测器412，如422处所示。其他颗粒会将侧面光引导到输出光中，如421处所示。这些光中剩余部分将会被转向器的介质或壁吸收，如423处所示。
图5和6所示的实施例利用了432处所示的不透明壁来防止来自一个LED的光到达另一LED所利用的检测器。然而，如果散射介质充分地衰减了光，或者如果相邻的光电探测器不会对可疑光做出响应，则可以省略这些壁。例如，如果相邻的光电探测器对不同颜色的光敏感，则可以省略这些壁。
可以预先制作转向器，并将它们附接在印刷电路板上。因为转向器散射光，并且被转移的确切比例在LED之间可以不同，所以本发明可以容忍大的对准和定位错误。在由于相邻检测器之间的干扰不显著而不需要横壁的实施例中，可以通过在LED之间应用一层散射介质来构建转向器。例如，可以在光电探测器上面提供一层其中悬有散射颗粒的硅橡胶(siliconrubber)，其高度能截住侧面光。
上述实施例利用了由红光、绿光和蓝光LED构成的合成光源。然而，也可以建立利用不同数目及不同颜色的LED的本发明实施例。例如，通过将来自蓝光发射LED和黄光发射LED的光混合，可以构建对人类观察者表现为白色的光源。因此，根据本发明的基于具有两个LED的合成光源的白光光源可以用来提供扩展白光光源。类似地，基于四种颜色的配色方案在印刷领域是已知的。在这种配色方案中，根据本发明的合成光源将具有4个LED。
从前面的描述以及附图中，本领域的技术人员将会清楚对本发明的各种修改。因此，本发明仅仅由所附权利要求的范围限定。
本申请是于2003年12月19日提交的美国专利申请10/742,270的部分继续。

Claims (10)

1.一种包括第一合成光源的光源，所述合成光源包括：
N个发光二极管，每个发光二极管在封装中具有发光芯片，所述发光芯片发射向前方向的光以及侧面方向的光，其中N＞1，在所述向前方向中生成的所述光由耦合到该发光二极管的驱动信号确定，所述侧面方向中的所述光的一部分离开所述封装；
光电探测器；和
光转向器，其被放置来将离开每个所述发光二极管的所述封装的所述侧面方向中的所述光的一部分散射到所述光电探测器上，所述光电探测器生成N个强度信号，每个强度信号具有与所述发光二极管中相应一个发光二极管在所述侧面方向中发射的所述光的强度相关的幅度。
2.如权利要求1所述的光源，其中所述侧面方向中的光的强度与所述向前方向中的光的强度的比例是固定的。
3.如权利要求1所述的光源，其中所述光转向器包括透明的介质，在该介质中分散着光散射颗粒。
4.如权利要求1所述的光源，其中每个所述发光二极管发射的光的波长不同于其他所述发光二极管发射的光的波长。
5.如权利要求1所述的光源，其中所述第一合成光源包括总线和用于控制N个信号的第一接口电路，每个信号确定所述发光二极管中相应一个发光二极管在所述向前方向中要生成的光强，所述接口电路还响应于标识所述第一接口的控制信号，将所述N个强度信号耦合到所述总线。
6.如权利要求1所述的光源，包括第二合成光源，所述第二合成光源包括：
N个发光二极管，每个发光二极管在封装中具有发光芯片，所述发光芯片发射向前方向的光以及侧面方向的光，其中N＞1，在所述向前方向中生成的所述光由耦合到该发光二极管的驱动信号确定，所述侧面方向中的所述光的一部分离开所述封装；
光电探测器；和
光转向器，其被放置来将离开每个所述发光二极管的所述封装的所述侧面方向中的所述光的一部分散射到所述光电探测器上，所述光电探测器生成N个强度信号，每个强度信号具有与所述发光二极管中相应一个发光二极管在所述侧面方向中发射的所述光的强度相关的幅度，和
第二接口电路，用于控制N个信号，每个信号确定所述第二合成光源中的所述发光二极管中相应一个发光二极管在所述向前方向中要生成的光强，所述接口电路还响应于标识所述第二接口的控制信号，将所述N个强度信号耦合到所述总线。
7.如权利要求6所述的光源，还包括与所述总线连接的反馈控制器，所述反馈控制器利用所述第一和第二合成光源中每个光源的所述强度信号来控制所述驱动信号。
8.一种利用来自多个发光二极管的光来照明器件的方法，每个发光二极管在封装中具有发光芯片，所述发光芯片发射向前方向的光以及侧面方向的光，在所述向前方向中生成的所述光由耦合到该发光二极管的驱动信号确定，所述侧面方向中的所述光的一部分离开所述封装，所述方法包括：
将来自每个所述发光二极管的所述侧面方向中的所述光的一部分散射；
测量每个所述发光二极管的所述散射光的强度，以生成每个所述发光二极管的测量强度值；
控制所述发光二极管的所述驱动信号，以将每个所述测量强度值维持在目标值处。
9.如权利要求8所述的方法，其中在所述向前方向中的所述光被用来照明所述器件。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述发光二极管中的一个发光二极管发射的光的颜色不同于所述发光二极管中的另一发光二极管发射的光的颜色。
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