CN1917731A - 校准的led光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光源和用于制造光源的方法。光源包括安装在衬底上的多个LED和用于测量来自LED的光。每一个LED发出具有与其它LED不同光谱的光，来自那个LED的光的平均强度由耦合到那个LED的驱动信号确定。传感器产生多个信号，每一个信号由与LED中的对应的一个LED发出的光的强度成比例的传感器值表征。控制器产生驱动信号，并且存储用于每一个LED的当前目标值。产生用于每一个LED的驱动信号，使得用于那个LED的传感器值匹配用于那个LED所存储的当前目标值。

Description

校准的LED光模块
技术领域
本发明涉及一种LED光模块。
背景技术
发光二极管(LED)是用于置换诸如白炽灯和荧光光源的传统光源有吸引力的后备产品。LED具有更高的光转换效率和更长的工作寿命。遗憾的是，LED产生相对窄谱带中的光。因此，为了产生具有任意色彩的光源，通常利用具有多个LED的复合光源或部分来自单个LED的光必须转换成第二波长的光，该第二波长的光与来自初始LED的光混合。例如，提供由人类观察者感知为白色的发光的LED基白光源能够通过组合来自红色、蓝色和绿色发光LED阵列的光而构成，该LED阵列在每一个色彩处产生正确强度的光。类似地，其它光谱发射的光能够通过改变红色、蓝色和绿色LED输出的强度以产生所需色彩的输出而从相同阵列生产。来自每一个阵列的光强度能够通过改变通过LED的电流的大小或通过用确定由LED产生的平均光强度的占空比切换LED的开和关而变化。
光源设计者通常知道依据标准化的红色、蓝色和绿色光强度知道所需的光源输出色彩。如果单个LED是高可再用的，并且具有在LED的工作寿命期间不变化的光输出，则通过向驱动每一个LED的驱动电路提供适合的电流或占空因素而能够利用由红色、蓝色和绿色LED构成的光源提供来自单个色彩的光强度。
遗憾的是，LED制造工艺使得即使对于具有特定类型的LED，LED的发光和效率从一个LED到另一个LED也有显著变化。此外，经过一段时间，随着LED老化，LED的光输出变化。如果设计者通过假定LED都相同而构建LED发光系统，变化导致色彩在所感知的光谱中移位。这种变化通常不可接受。
这个问题的一种解决方案包括选择LED，使得所选定的LED精确地具有正确的发光效率和光谱。其中，在制造之后测试单个LED。在一些预定的变化内具有相同的输出波长和电流光转换效率的LED组成在一起。实质上，LED分类成具有更紧密地被控制的已知参数的子类型。光源设计师能够接着依据子组指定光源以避免上述制造可变性的问题。遗憾的是，这种解决方案减少了产量，并且增加了成本。
此外，分类法没有解决上述老化问题，因此，光源随着其老化还会显示其色彩的偏移。为了校正老化问题，通常使用传感器来测量来自红光、绿光和蓝光波长处的光源的光强度。反馈控制系统接着针对单个LED调节驱动电流或占空因子以维持在所需点处的色彩输出。
尽管反馈系统能够校正LED的老化，这种系统难以按照为代替传统白炽灯泡而设计的独立光源来进行实施。LED通常互相靠近地安装在第一衬底上。来自单个LED的光由透镜或其它光学装置混合以产生输出光。传感器必须位于输出光中，因此，必须位于离LED一定的距离。控制器驱动电路还通常安装在第二衬底上。
发明内容
本发明包括光源和制造这种光源的方法。这种光源包括安装在衬底上的多个LED和用来测量来自LED的光的传感器。每一个LED发出的光具有与其它LED不同的光谱，每一个LED产生的光的平均强度由连接到这个LED的驱动信号所确定。所述传感器产生多个信号，每一个信号由与所述多个LED中对应的一个LED发出的光的强度成比例的传感器值表征，LED封装在透明帽件中。控制器产生所述驱动信号，并且针对于每一个LED存储当前目标值。针对所述多个LED的每一个LED产生所述驱动信号的方式是，使得针对这个LED的所述传感器值匹配用于这个LED的所述存储的当前目标值。根据一种实施方式，响应于耦合到所述控制器的外部控制信号，所述控制器存储所述传感器值的当前值作为所述当前目标值。根据一种实施方式，所述传感器安装在所述衬底上。根据一种实施方式，所述传感器测量离开所述多个LED中一个LED的侧壁的光。根据一种实施方式，所述传感器测量从所述透明帽件的边界反射的光。根据一种实施方式，所述透明帽件包括透镜。根据一种实施方式，所述控制器存储多组目标值，其中，响应于连接到所述控制器的的外部信号，所述控制器针对所述当前目标值选择所述多组目标值中的一组。根据一种实施方式，外部的校准控制器使LED发出与预定的色位对应的光。然后，使光源中的控制器将传感器值作为目标值存储。
附图说明
图1示出根据本发明一个实施例的光源；
图2是根据本发明另一个实施例的光源50的俯视图。
具体实施方式
本发明基于以下观察：反馈系统还能够用来校正很大一部分制造可变性和反馈传感器不需要定位在离LED一定的距离处，该距离要足以保证其仅仅接收最终的混合光信号。本发明提供其优点的方式能够参照图1更容易地理解，图1示出根据本发明第一实施例的光源。为了简化下面论述，光源10仅仅具有以11-13示出的三个LED。这些LED分别发出红光、蓝光和绿光。每一个色彩都利用多个LED的实施例将在下面更详细论述。
由每一个LED产生的光级通过光源控制器14确定，光源控制器14改变通过每一个LED的电流和/或每一个LED的占空比。控制器14包括各种驱动电路和向LED供应适合驱动电流所需的功率转换电路。输入到控制器14的功率可以是DC或AC，这取决于具体的应用。例如，在置换白炽灯供家庭使用的情况下，输入功率将是AC，并且控制器14将包括适合的整流电路以将AC功率转换成用于驱动LED的DC。相比之下，意用于在汽车或闪光灯中代替灯泡的光源将在DC功率下的操作。在这种情况下，控制器14将包括从DC电源直接流出的电流源以提供所要求的驱动电流。
光源10还包括传感器15，传感器15产生表示在对应于LED11-13的每一个色彩波段中到达该传感器的光量的信号。为了简化本论述，假定传感器15包括具有彩色滤波器的三个光电二级管，颜色滤波器的选择使得每一个光电管测量仅仅源自LED中对应的一个LED的光。
传感器15能够置于任何位置，在该位置传感器15接收来自每一个LED的足够的光，以提供具有足够信号噪声比的信号，以允许确定来自每一个LED的光强度。为了简化附图，传感器15和光源控制器14之间的连接已经省略。然而，可以理解到传感器15和LED电连接到光源控制器14。假定传感器15产生三个信号，每一个信号表示从其中对应的一个LED接收的光量乘以校准常数。校准常数取决于传感器相对于LED的相对布置、光电二极管的规格、在滤波器中损耗的光量和每一个光电二极管将具有通过滤波器波长的光转换成电信号的效率。对于任何特定组的LED和传感器，一旦光源被组装，校准常数是恒定的。在这方面，应当注意部件通常封装在透明的介质中，该介质还用作透镜16，用于混合和成象来自远场光源的光的透镜16。各种部件通常连接到衬底18，该衬底18包括需要进行上述连接的电迹线。
考虑光源10设计成提供具有色彩空间中特定色位的光的情况。目标色位由诸如CIE色标等的标准化方案中的特定组的RBG值表征。在已经制造光源10之后，光源10连接到校准装置，该校准装置包括校准传感器22和校准控制器21。校准传感器22以离光源10一足够距离定位，以保证由校准传感器22接收的光很好地混合，并且表示远场光源10产生的光。
校准传感器22被校准，使得校准传感器22为到达色彩传感器22的光提供CIE色标中的RBG值。将相同色标系统中的目标色位输入到校准控制器21。在校准处理中，校准控制器21通过经由连接总线17向控制器14发送命令而控制由每一个LED产生的光量。在校准过程中，校准控制器改变由LED产生的光级直到由校准传感器22感测的光级匹配目标值。这时，光源控制器14被指令读取来自传感器15的信号值，并将其存储在控制器14内的非易失性存储器中。光源控制器14接着切换至运行模式。
在正常操作过程中，光源控制器14调节驱动电流和/或占空比，使得由传感器15产生的值匹配在校准处理中所确定的存储值。应当注意，光源被校准，而没有明确地计算与传感器15相关的校准常数。然而，这些校准常数能够通过观察当各种驱动电流供应到每一个LED时来自传感器15的信号变化，并且使这些变化与来自校准传感器22中的对应色标中的变化相关联，而由校准控制器21或光源控制器14计算。
在一些应用中，在实际操作过程中能够改变光源10的色位会是有利的。例如，考虑提供由人类观察者感知为白色的光的光源。光源10能够提供允许使用者改变来自光源10的光的视在色温的输入。如果传感器15的校准常数是已知，光源控制器14存储色彩传感器输出和对应于具有不同色温的白光光源的色彩空间中的曲线之间的关系，那么，光源控制器14能够确定必须在新的色温环境下维持的传感器15的新的目标传感器值。所需的色温能够在总线17上或在单个的色彩输入19上输入。或者，每当光源10以类似于用于多强度白炽灯的方式接通、断开，能够对光源10编程以步进通过许多色温环境
应当注意，彩色光源也能够通过针对每一个所需的色位重复上述校准处理，并且针对每一个色位将所得到的来自传感器15的读数存储在光源控制器14中。在这种实施例中，传感器15的校准常数不明确地需要。
如以上提及，来自LED的光强度能够通过改变驱动电流或通过改变驱动信号的占空比而被控制。如果改变占空比，则传感器15能够包括低通滤波器，以将来自每一个光电二极管的信号转换成平均强度信号，接着该平均强度信号由光源控制器14用在反馈环路中。
本发明的上述实施例利用置于LED之上的传感器。然而，一般来说，传感器安装在衬底18上的设计更容易构建。如以上提及，传感器15能够置于有足够的光以为每一个LED提供信号的任何位置。实际上，传感器15能够视为三个单独的光强度传感器，一个对应于每一个LED。因而，传感器15能够分成部件传感器，每一个部件传感器接着能够位于光源内不同的位置，以优化来自对应LED的光信号。
还应当注意，透镜16的折射率显著不同于光源外部空气的折射率。因而，来自每一个LED的光的一些部分将由透镜16和透镜外部的空气之间的界面向衬底18反射回来。此外，透镜16可以包括便于来自LED的光混合的散射材料。散射光的一部分也会被安装在衬底18上的传感器检测到。
现在参考图2，图2是根据本发明另一个实施例的光源50的俯视图。光源50包括三个分别发射红光、蓝光和绿光的LED51-53。LED和测量离开每一个LED的光强度的传感器55安装在衬底58上，并且封装在透明帽件56中。LED被类似于以上参照图1论述的控制器14的方式操作的控制器54驱动。
在这个实施例中，传感器55设计成接收通过LED管芯侧壁离开每一个LED的光。LED管芯51-53中的每一个发射一些在其中产生通过管芯侧壁的光。该光是通过以大于临界角的角度反射离开LED中的层而被捕集在LED内的光。一些这种光在其被吸收之前到达LED的侧壁。由于光以小于临界角的角度照射在侧壁上，光从侧壁出去。离开每一个LED侧壁的光量与从LED的顶面射出的光成比例，因而，该光信号能够用来监视LED的光输出。
传感器55包括三个光电二极管。每一个光电二极管定位成接收来自其中对应的一个LED的光。即，光电二极管测量以大致平行于衬底58表面的方向传播的光。如果每一个光电二极管构建成使得光电二极管仅仅接收来自锥角角度的光，该角度足够小以防止来自其它LED的光到达光电二极管，光电二极管前面的波长滤波器可以省略。或者，波长滤波器可以用在光电二极管的前面以提供所需的选择性。
图2所示的布置还能够与测量通过传感器顶面而接收的光的传感器一起使用。这种布置能够用在使用上述反射或漫射的光监视每一个LED中产生的光量的实施例。
本发明的上述实施例利用三个分别发出在红色、蓝色和绿色波长带中的光的LED。然而，还能够利用其它数量的LED和不同色彩，这取决于特定的应用。例如，基于四个色彩的光源能够提供比如上所述的基于三个LED的光源更好的显色性的光源。
上述本发明的实施例利用产生多个信号的传感器。每一个信号表示在对应的LED中产生的光强度。有许多能够构建这种传感器的方法。例如，如以上提及，传感器能够由多个光电二极管构建，一个对应于一个LED。在这情况下，对应于特定LED的光电二极管必须能够接收由该LED产生的一些光。在最简单的情况下，光电二极管仅仅检测来自对应LED的光。这个能够通过适当地定位光电二极管或通过包括阻挡来自LED的光的滤波器而实现。
或者，如果对于不同的LED，检测效率不同，则能够使用检测来自其它LED的光的光电二极管。在这情况下，每一个光电二极管测量来自每一个LED的光的加权和。用Si表示来自第i个光电二极管的信号，用Ij表示来自第j个LED的光的强度。那么，Si＝Wi，j*Ij，i和j从1运行到N，其中N是LED和光电二极管的数量。当光源被校准时，能够测量权重Wij。因此，能够求解方程组，得出来自每一个LED的强度。控制器54能够提供用于求解所讨论的方程组的计算硬件。
如果LED在不同频率下调节，则通过在每一个调节频率下测量来自该光电二极管的输出信号，可以使用单个LED来监视所有的LED。
在本发明的上述实施例中，光传感器由光电二极管构建。然而，能够利用诸如光电晶体管的其它光传感器。如在此处使用，光传感器是任何一种装置，该装置所产生的信号作为照射到该装置上的光的强度的函数。
对于本领域的技术人员，从前述描述和附图中可以明显地得到本发明的各种修改。因而，本发明仅仅由权利要求书的范围限定。

Claims (10)

1.一种光源，包括：
衬底；
多个LED，安装在衬底上，并且封装在透明帽件中，每一个LED发出具有与其它LED不同的光谱的光，每一个LED产生的光的平均强度由连接到这个LED的驱动信号所确定；
传感器，所述传感器产生多个信号，每一个信号由与所述多个LED中对应的一个LED发出的光的强度成比例的传感器值表征，所述传感器包括封装在所述透明帽件中的至少一个光电检测器；
控制器，所述控制器产生所述驱动信号，并且存储用于每一个LED的当前目标值，产生用于所述多个LED的每一个LED的所述驱动信号，使得用于这个LED的所述传感器值匹配用于这个LED的所述存储的当前目标值。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，响应于耦合到所述控制器的外部控制信号，所述控制器作为所述当前目标值存储所述传感器值的当前值。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述传感器安装在所述衬底上。
4.根据权利要求1所述光源，其中，所述传感器测量离开所述多个LED中一个LED的侧壁的光。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，所述传感器测量从所述透明帽件的边界反射的光。
6.根据权利要求1所述的光源，其中，所述透明帽件包括透镜。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述控制器存储多组目标值，其中，响应于连接到所述控制器的的外部信号，所述控制器针对所述当前目标值选择所述多组目标值中的一组。
8.一种用于制造光源的方法，所述方法包括：
将多个LED连于衬底，每一个LED发出具有与其它LED不同的光谱的光，每一个LED产生的光的平均强度由连接到所述LED的驱动信号确定；
提供产生多个信号的传感器，每一个信号由与所述多个LED中对应的一个LED发出的光的强度成比例的传感器值表征；
将所述多个LED和所述传感器封装在透明帽件中；
将控制器连于所述衬底，所述控制器连接到所述多个LED和所述传感器，所述控制器产生所述驱动信号，并且存储用于每一个LED的当前目标值，产生用于每一个LED的所述驱动信号，使得用于这个LED的所述传感器值匹配用于这个LED的所述存储的当前目标值；
使所述多个LED产生对应于预定色位的光；
当所述多个LED产生所述预定色位的光时，使所述控制器存储所述传感器值作为所述目标值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，使得所述多个LED产生对应于所述预定色位的光是通过在校准光检测器中测量来自所述光源的光，并且改变所述驱动信号直到所述校准光检测器表示由所述多个LED产生的所述光在预定的精度内匹配所述预定色位。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述测量过程中，所述校准光检测器接收来自所有所述多个LED的光。
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