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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Leuchtdioden
(LEDs) sind vielversprechende Kandidaten zum Ersetzen herkömmlicher
Lichtquellen wie zum Beispiel Glühlampen und Leuchtstofflichtquellen.
LEDs haben einen höheren Wirkungsgrad bei der Lichtumwandlung
als Glühlampen und eine längere Lebensdauer als
beide Typen der herkömmlichen Quellen. Außerdem
gibt es heute einige LED-Typen mit einem höheren Umwandlungswirkungsgrad
als Leuchtstofflichtquellen, und unter Laborbedingungen sind sogar
noch höhere Umwandlungswirkungsgrade erreicht worden.
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Leider
erzeugen LEDs Licht in einem relativ schmalen Spektralband. Darum
wird, um eine Lichtquelle mit einer beliebigen Farbe herzustellen,
oft eine Verbundlichtquelle mit mehreren LEDs verwendet. Zum Beispiel
kann eine LED-basierte Lichtquelle mit einer Abstrahlung, die als
mit einer bestimmten Farbe übereinstimmend wahrgenommen
wird, durch Kombinieren von Licht von rot, grün und blau
abstrahlenden LEDs konstruiert werden. Das Verhältnis der
Intensitäten der verschiedenen Farben stellt die Lichtfarbe
ein, wie sie vom menschlichen Beobachter wahrgenommen wird.
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Um
herkömmliche Beleuchtungssysteme ersetzen zu können,
werden LED-basierte Quellen benötigt, die Licht erzeugen,
das dem menschlichen Auge als "weiß" erscheint. Eine Lichtquelle,
die als weiß erscheint und deren Umwandlungswirkungsgrad
mit dem von Leuchtstofflichtquellen vergleichbar ist, kann aus einer
blauen LED hergestellt werden, die mit einer Leuchtstoffschicht überzogen
ist, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Solche
Lichtquellen werden in der folgenden Besprechung als "Leuchtstoffumgewandelte"
Lichtquellen bezeichnet. Wenn das Verhältnis von blauem
zu gelbem Licht richtig gewählt wird, so erscheint die
resultierende Lichtquelle dem menschlichen Beobachter als weiß.
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Leider
stellt die Gleichförmigkeit solcher Leuchtstoff-umgewandelten
Lichtquellen ein Problem dar, besonders wenn zwei weiße
LEDs verwendet werden, um Displays zu beleuchten, die gleichzeitig
durch einen Betrachter betrachtet werden. Nicht alle weißen
Lichtquellen erscheinen gleich. Zum Beispiel strahlen Glühlampen
ein Spektrum ab, das durch einen schwarzen Körper genähert
wird, der auf eine "Farbtemperatur" erhitzt wird. Wenn die Lampen
so betrieben werden, dass die Farbtemperatur hoch ist, so erscheint
das weiße Licht bläulicher. Wenn die Farbtemperatur
niedrig ist, so erscheint das Licht rötlicher und wird
"wärmer" empfunden als das Licht mit höherer Farbtemperatur.
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Weiße
LEDs variieren auch in ihrer effektiven Farbtemperatur je nach dem
konkreten Leuchstoff, der verwendet wird, um das blaue Licht umzuwandeln,
und der Menge an Leuchtstoff, mit der die LED überzogen
ist. Wenn zu wenig Leuchtstoff die LED bedeckt, so erscheint die
Lichtquelle bläulich, da eine größere
Menge an blauem Licht die LED ohne Umwandlung verlässt.
Gleichermaßen erscheint, wenn die Leuchstoffschicht zu
dick ist, die Lichtquelle gelblich, da zu viel von dem blauen Licht
umgewandelt wurde.
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Die
Menge an Leuchtstoff, mit der der LED-Chip überzogen ist,
und die Art und Weise, in der dieser Leuchtstoff beleuchtet wird,
können erheblich während des Herstellungsprozesses
zwischen den Partien sowie zwischen Lichtquellen, die innerhalb
derselben Partie hergestellt werden, schwanken. Infolge dessen können
einzelne LEDs erheblich in ihrer effektiven "Farbtemperatur" schwanken. Wenn
zwei LEDs, die sich erheblich voneinander unterscheiden, zum Beleuchten
von Displays verwendet werden, die gleichzeitig durch einen Betrachter betrachtet
werden, so empfindet der Betrachter die Unterschiede in den abgestrahlten
Spektren oft als störend.
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Es
sind eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen worden, um die
Größenordnung dieses Problems zu verringern. Die
einfachste Lösung ist die Sortierung der LEDs in Gruppen,
die ähnliche Farbtemperaturen haben. Jedoch sind für
ein solches Sortieren zusätzliche Tests notwendig, und
es werden die Bestandsführungsprobleme im Zusammenhang
mit der Herstellung von Lichtquellen vergrößert.
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Eine
andere Lösung beinhaltet das Kombinieren einer weißen
LED mit zwei oder mehr nicht-Leuchtstoff-umgewandelten LEDs, um
eine Lichtquelle herzustellen, in der die zusätzlichen
LEDs verwendet werden, um die effektive Farbtemperatur der Quelle
abzustimmen. Zum Beispiel lehrt die US-Patentanmeldung 11/086,138
ein Schema, wobei zwei rote LEDs mit einer weißen Lichtquelle
kombiniert werden, um eine Lichtquelle mit einer steuerbaren Farbtemperatur
herzustellen. Gleichermaßen lehrt die gleichzeitig anhängige
US-Patentanmeldung 11/523,409 eine Weißlichtquelle mit
steuerbarer Farbtemperatur, die eine weiße LED zusammen mit
roten, blauen und grünen LEDs verwendet, wobei die roten,
blauen und grünen LEDs verwendet werden, um die Farbtemperatur
abzustimmen.
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Diese
Lösungen führen jedoch zu einer Lichtquelle mit
einem niedrigeren Wirkungsgrad der Lichtumwandlung als dem der Leuchtstoff-umgewandelten
weißen LEDs. Der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung ist ein
wichtiger Faktor bei der Gestaltung von Lichtquellen. Für
die Zwecke dieser Besprechung ist der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung
einer Lichtquelle als die Lichtmenge definiert, die je Watt Elektrizität
erzeugt wird, das durch die Lichtquelle verbraucht wird. Die derzeit
verfügbaren Leuchtstoff-umgewandelten Weißlichtquellen
haben einen Wirkungsgrad der Lichtumwandlung erreicht, der besser
ist als der von Leuchtstofflampen, die weißes Licht erzeugen.
Dieser hohe Wirkungsgrad der Lichtumwandlung ist das Ergebnis von
Verbesserungen an den blauen LEDs. Der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung
von anderen LED-Typen ist niedriger, weshalb das Verwenden einer
Kombination aus Leuchtstoff-umgewandelten weißen LEDs und nicht-blauen
LEDs zu einer Lichtquelle mit einem niedrigeren Gesamtwirkungsgrad
der Lichtumwandlung führt.
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Eine
weitere Lösung wird im
US-Patent 7,066,623 gelehrt.
Diese Lösung verwendet eine Anordnung, bei der die verschiedenen
weißen LEDs mit etwas anderen blauen LEDs erzeugt werden,
um LEDs herzustellen, die in der Farbe um die Schwarzkörperkurve
herum variieren. Dann wird eine Verbundlichtquelle mit mehreren
dieser von Weiß abweichenden Lichtquellen hergestellt,
indem jede LED getestet wird und die LEDs so gruppiert werden, dass die
von Weiß abweichenden Eigenschaften der LEDs effektiv ausgelöscht
werden, wenn die LEDs auf einem gleichen Strompegel betrieben werden.
Zumindest eine LED aus jeder Farbgruppierung wird in die Lichtquelle
integriert, um zu gewährleisten, dass die verschiedenen
LEDs auf beiden Seiten der Schwarzkörperstrahlungskurve
liegen. Deshalb erscheint die resultierende LED als reines Weiß mit
einer Intensität gleich der von mehreren weißen
LEDs. Diese Lösung erfordert, dass die LEDs sowohl getestet
als auch sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Der
Abstimmungsprozess ist ineffizient und zeitaufwändig. Außerdem
lässt sich die Farbtemperatur der fertigen Weißlichtquelle
nicht ohne weiteres Sortieren und Gruppieren exakt steuern.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung enthält eine Festkörperlichtquelle
mit einer ersten und einer zweiten Komponent-Lichtquelle und einem
Schnittstellenschaltkreis und ein Verfahren für derer Herstellung. Die
erste Komponent-Lichtquelle strahlt Licht mit einem ersten Farbpunkt
im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf einer Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve
ab. Die erste Komponent-Lichtquelle enthält eine LED, die
Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine erste
Schicht eines ersten lichtumwandelnden Materials, die einen Teil
dieses Lichts in Licht einer zweiten Wellenlänge umwandelt.
Die zweite Komponent-Lichtquelle strahlt Licht mit einem zweiten
Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf der anderen Seite der
Schwarzkörperstrahlungskurve ab. Die zweite Komponent-Lichtquelle
enthält eine LED, die Licht der ersten Wellenlänge
abstrahlt, und eine zweite Schicht des ersten lichtumwandelnden
Materials, die einen Teil dieses Lichts in Licht der zweiten Wellenlänge
umwandelt. Der Schnittstellenschaltkreis betreibt die erste und
die zweite Komponent-Lichtquelle so, dass die Festkörperlichtquelle
einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve
liegt als der erste und/oder der zweite Farbpunkt. Beispielsweise,
kann der Schnittstellenschaltkreis die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle
auch so betreiben, dass die Festkörperlichtquelle einen
Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve
liegt als sowohl der erste als auch der zweite Farbpunkt. In einem
Aspekt der Erfindung enthält die Festkörperlichtquelle
auch eine dritte Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem dritten
Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm abstrahlt, der nicht auf
einer Linie liegt, die den ersten und den zweiten Farbpunkt verbindet,
und der Schnittstellenschaltkreis betreibt die dritte Komponent-Lichtquelle
des Weiteren so, dass der erste, der zweite und der dritte Farbpunkt
ein Dreieck im CIE 1931-Farbraumdiagramm definieren, das einen Teil
der Schwarzkörperstrahlungskurve enthält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Weißlicht-LED des Standes
der Technik.
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2 ist
eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, die einige spezifische
Farbtemperaturpunkte zeigt.
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3 ist
eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, das Punkte zeigt,
die einem Paar weißer LEDs entsprechen.
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4 ist
ein Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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5 ist
eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, das Punkte zeigt,
die einem Satz aus drei weißen LEDs entsprechen.
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6 ist
ein Schaubild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung verwendet zwei der Merkmale von LEDs, die
normalerweise als Nachteile angesehen werden, und wendet sie zum Erzeugen
einer gleichmäßigeren weißen Farbe an. Ein
Merkmal ist die Variabilität zwischen Leuchtstoff-umgewandelten
weißen LEDs, wie oben angesprochen und weiter unten ausführlicher
besprochen. Das zweite Merkmal ist die relativ geringe Lichtleistung
einzelner LEDs, bestenfalls weniger als ein paar Watt, was bedeutet,
dass die meisten interessierenden Lichtquellen mehrere LEDs benötigen,
um Lichtintensitätswerte zu erreichen, die denen von Glüh-
oder Leuchtstofflichtquellen vergleichbar sind. Die Verwendung mehrerer
LEDs, wie die vorliegende Erfindung es verlangt, würde
darum keine erheblich höheren Kosten im Vergleich zu Systemen
bedeuten, die derzeit in Gebrauch sind.
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1 zeigt
eine typische Anordnung des Standes der Technik für eine
Leuchtstoff-umgewandelte LED-Quelle eines Typs, der derzeit allgemein
in Gebrauch ist. Ein Licht abstrahlender Halbleiterchip 12 ist
in einem Hohlraum auf einem Substrat 14 montiert. Teilchen
eines Leuchtstoffmaterials sind in einen transparenten Träger,
in der Regel einer Epoxidharz, eingemischt, und das resultierende
Material 16 wird über dem Chip in dem Hohlraum
angeordnet, um den Hohlraum ganz oder teilweise auszufüllen.
Unter Einwirkung von Wärme und/oder UV-Licht lässt
man das Epoxidharz aushärten. Während des Betriebes strahlt
blaues Licht, das von dem Chip abgegeben wurde, in das Leuchtstoffgemisch
hinein, wobei ein Teil des Lichts von Blau zu Gelb umgewandelt wird, und
die resultierende Mischung aus Wellenlängen verlässt
die Vorrichtung. Das Licht strahlt entweder direkt ab, wie zum Beispiel
der Strahl 17, oder nach einer Reflexion von den Seitenwänden
des Hohlraums, wie zum Beispiel Strahl 18. Die Mischung
aus blauen und gelben Wellenlängen wird vom menschlichen
Beobachter als eine weiße Farbe wahrgenommen. Der Grad
an Bläulichkeit oder Gelblichkeit richtet sich nach der
Verteilung der Leuchtstoffkonzentration, die das Licht antrifft,
das von verschiedenen Punkten über die Fläche
der Quelle hinweg abstrahlt.
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Die
Leuchtstoffkonzentration variiert aus einer Reihe von Gründen
von Bauelement zu Bauelement. Als erstes neigen die Leuchtstoffteilchen
bis zur vollständigen Aushärtung des Epoxidharzes
dazu, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft abzusetzen, wodurch
ein vertikaler Konzentrationsgradient entsteht. Unterschiede beim
Konzentrationsgradienten führen zu Unterschieden beim Anteil
des blauen Lichts, der zu Gelb umgewandelt wird, sowie zu sichtwinkelabhängigen
Schwankungen bei der wahrgenommenen Farbe. Zweitens schwankt auch
die Menge des Leuchtstoffs, die in jede Mulde abgegeben wird, infolge
von Fehlern in der Abgabevorrichtung und/oder infolge des Absetzens
der Leuchtstoffteilchen in dem Vorratsbehälter, aus dem
das Epoxidharz-Leuchtstoffgemisch ausgegeben wird.
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Drittens
schwankt auch die Verteilung der Teilchengrößen
in der Leuchtstoffzubereitung von einer Herstellungscharge zur anderen
für die Leuchtstoffe, die derzeit in weißen LEDs
verwendet werden. Die Leuchtstoffzubereitung enthält eine
Reihe von Leuchtstoffteilchen in Größen, die aus
einem mechanischen Schleifen der Leuchtstoffzubereitung resultieren,
nachdem die Prekursore auf sehr hohe Temperaturen erwärmt
wurden. Die erhaltenen Größenverteilungen variieren
von einer Herstellungscharge des Leuchtstoffs zur anderen. Der Grad,
in dem die Leuchtstoffteilchen das Licht zerstreuen, anstatt das Licht
von Blau zu Gelb umzuwandeln, richtet sich nach der Verteilung der
Teilchengröße. Außerdem richtet sich
der Grad des Absetzens sowohl in dem Vorratsbehälter der
Abgabevorrichtung als auch in den einzelnen LEDs vor dem Aushärten
nach der Teilchengröße. Infolge dessen gibt es
eine beträchtliche Schwankungsbreite von Vorrichtung zu
Vorrichtung in einer einzelnen Produktionspartie sowie von einer
Produktionspartie zur anderen. Darüber hinaus schwanken
die blauen LEDs auch bei der Wellenlänge des erzeugten
Lichts. Das führt zu weiterer Variabilität bei
der Endfarbe der fertigen "weißen" LED.
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2 veranschaulicht
die Schwarzkörperkurve im herkömmlichen CIE 1931-Farbraumdiagramm.
Es ist oft wünschenswert, eine Lichtquelle herzustellen,
deren Lichtabgabe durch einen Farbpunkt charakterisiert werden kann,
der auf die – oder nahe an die – bei 21 gezeigte
Schwarzkörperkurve fällt. Die Kurve 21 ist
der Ort von Farbpunkten, die durch einen schwarzen Körper
erzeugt werden, der auf die Temperaturen erwärmt wurde,
die entlang der Kurve 21 liegen. Für eine Nicht-Schwarzkörperquelle werden
die Orte entlang der Kurve 21 üblicherweise als
die korrelierte Farbtemperatur (correlated color temperature CCT)
der Lichtquelle bezeichnet, da die Abgabefarbe als die gleiche wie
die von einem schwarzen Körper wahrgenommen wird, der auf
die betreffende Temperatur erwärmt wurde.
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Eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf
der Beobachtung, dass weiße LEDs, die aus einer bestimmten
blauen Lichtquelle und Leuchtstoff aufgebaut sind, eine Variabilität
aufweisen, die entlang einer Linie im Farbraum liegt. Die verschiedenen
Faktoren, die dazu führen, dass die CCT der LEDs schwankt,
sind überwiegend das Ergebnis von Veränderungen
im Verhältnis von blauem zu gelbem Licht von LED zu LED
und liegen deshalb auf der Linie, welche die blaue Lichtquelle mit
der Lichtquelle verbindet, die erhalten werden würde, wenn
das gesamte blaue Licht zu Gelb umgewandelt werden würde.
Wenden wir uns nun 3 zu, in der die Punkte entlang
dieser Linie veranschaulicht sind. Eine Lichtquelle, in der kein
Anteil des blauen Lichts zu Gelb umgewandelt wird, ist durch den
Punkt 34 dargestellt. Gleichermaßen ist eine Lichtquelle,
in der das gesamte blaue Licht durch den Leuchtstoff zu gelbem Licht
umgewandelt wird, durch den Punkt 33 dargestellt. In der
Praxis haben die einzelnen LEDs wahrgenommene Farben, die entlang
der Linie 37 liegen. Zwei LEDs, die zu wenig gelbes Licht
haben, sind bei 31A–B gezeigt, und zwei LEDs,
die zu viel gelbes Licht haben, sind bei 32A–B
gezeigt Die LEDs wurden wahrscheinlich konzipiert Farbpunkte zu
haben, die in der bei 39 gezeigten Region liegen.
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Stellen
wir uns eine Lichtquelle vor, die aus zwei LEDs aufgebaut ist, die
Farbpunkte entlang der Linie 37 haben. Wenn eine dieser
LEDs einen Farbpunkt oberhalb der Kurve 21 hat und die
andere einen Farbpunkt hat, der unterhalb der Kurve 21 liegt, so
kann eine Lichtquelle mit einem Farbpunkt in der Region 39 erhalten
werden, indem man die relativen Intensitäten der zwei LEDs
justiert. Deshalb arbeitet diese Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung durch Paaren von LEDs, die oberhalb der Kurve 21 liegen,
mit LEDs, die unterhalb der Kurve 21 liegen, und Variieren
der relativen Intensitäten der LEDs in jedem Paar in einer
solchen Weise, dass die resultierende Verbundlichtquelle einen Farbpunkt
in der Region 39 hat. Infolge dessen werden Verbundlichtquellen
mit sehr gleichmäßigen CCTs erhalten, selbst wenn
der CCT der einzelnen LEDs stark schwankt.
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Da
das Verhältnis der Ansteuerströme zu den zwei
LEDs durch eine Steuereinheit gesteuert wird, die ein Teil der Lichtquelle
ist, ist ein sorgfältiger Abgleich der LEDs zum Erhalten
einer Verbundlichtquelle, die auf der Kurve 21 liegt, nicht
erforderlich. Solange eine LED oberhalb der Kurve liegt und die andere
LED unterhalb der Kurve liegt, können die relativen Ströme
durch die zwei LEDs hindurch so justiert werden, dass ein Farbpunkt
auf, oder sehr nahe an der, Kurve 21 erhalten wird. Dementsprechend
erfordert die vorliegende Erfindung nur ein grobes Screening der
LEDs, um die LEDs in zwei Gruppen zu trennen. Die Lichtquelle wird
dann aus mindestens einer LED aus jeder Gruppe aufgebaut.
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Wie
oben angesprochen, muss fast jede brauchbare Lichtquelle, die dafür
gedacht ist, herkömmliche Lichtquellen zu ersetzen, mehrere
LEDs verwenden, da die Lichtintensität von einer einzelnen LED
zu niedrig ist, um den äquivalenten Beleuchtungspegel zu
erreichen. Darüber hinaus erfordern die derzeitigen Fertigungsverfahren,
dass die LEDs nach der Produktion sortiert werden, um LEDs mit ähnlichen
CCTs zu erhalten. Deshalb erfordert eine Ausführungsform,
in der die LEDs wie oben beschrieben gepaart werden, keine erheblichen
zusätzlichen Kosten für einen höheren
Herstellungsaufwand oder mehr LEDs, die verwendet werden müssen,
um eine Lichtquelle nach derzeitigen Verfahren zu erhalten.
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Wenden
wir uns nun 4 zu, die eine Ausführungsform
einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht. Die Lichtquelle 40 enthält zwei
Gruppen von weißen LEDs 41 und 42, die
aus Produktionspartien ausgewählt sind, die deutlich verschiedene
Blau-Gelb-Verhältnisse haben. Jede Gruppe wird durch einen
separaten Treiber angesteuert, der in der Steuereinheit 45 enthalten ist.
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Alle
LEDs in einer Gruppe werden unter Bedingungen angesteuert, welche
die Verhältnisse der Lichtabgaben der verschiedenen LEDs
relativ zueinander innerhalb der Gruppe konstant halten. Zum Beispiel
sind in einer Ausführungsform die LEDs in jeder Gruppe
so in Reihe geschaltet, dass jede LED in einer Gruppe mit dem gleichen
Strom angesteuert wird. Die Steuereinheit 45 hält
das Verhältnis der Ansteuerströme auf vorgegebenen
Werten, um eine Lichtquelle mit der gewünschten CCT bereitzustellen.
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Die
LEDs in einer Gruppe haben Blau-Gelb-Verhältnisse, die
diese LEDs an einen Punkt unterhalb der Kurve 21 setzen,
und die LEDs in der anderen Gruppe haben Blau-Gelb-Verhältnisse,
die diese LEDs an einen Punkt oberhalb der Kurve 21 auf
der Linie 37 setzen. Die LEDs in jeder Gruppe können
als eine Verbundlichtquelle mit einem Farbpunkt angesehen werden,
der auf der Linie 37 liegt, wobei ein solcher Punkt oberhalb
der Kurve 21 liegt und ein solcher Punkt unterhalb der
Kurve 21 liegt. Die Steuereinheit 45 hält
das Verhältnis der Lichtabgabe von diesen zwei Verbundlichtquellen
auf einem solchen Wert, dass die gewünschten CCT erhalten
wird.
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Es
ist anzumerken, dass die verschiedenen Blau-Gelb-Verhältnisse
der einzelnen LEDs das Ergebnis von Schwankungen im Fertigungsprozess sein
können, oder die Verhältnisse können
absichtlich verschieden gestaltet werden, indem man verschiedene
Mengen an Leuchtstoffen in jeder Gruppe verwendet oder indem man
leicht unterschiedliche Leuchtstoffe verwendet.
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In
der einfachsten Ausführungsform speichert die Steuereinheit 45 das
gewünschte Verhältnis von Ansteuerströmen
für die Verbundlichtquellen bzw. Komponent-Lichtquellen(component
light sources) 41 und 42. Sobald das gewünschte
Verhältnis eingestellt wurde, hält die Steuereinheit 45 lediglich die
Ansteuerströme auf dem gewünschten Verhältnis.
Wenn wir annehmen, dass das Ansteuerverhältnis zu der Zeit
eingestellt wird, wo die Lichtquelle 40 hergestellt wird,
so erscheint die Lichtquelle dem Endverbraucher als eine einfache
Lichtquelle, die an Strom angeschlossen wird und Licht mit einer
festen CCT und Intensität abgibt, wenn sie eingeschaltet wird.
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Wenn
die LEDs mit der gleichen Rate altern, so gibt die einfache Ausführungsform
Licht mit der gewünschten CCT über die Lebensdauer
der Lichtquelle 40 hinweg ab. Jedoch verringert sich die
Gesamtintensität des Lichts von der Lichtquelle 40 im Lauf
der Zeit mit zunehmender Alterung der LEDs. In einer anderen Ausführungsform
enthält die Lichtquelle noch einen Fotodetektor 44,
der das Licht misst, das durch die Komponent-Lichtquellen 41 und 42 erzeugt
wird, und den durchschnittlichen Strom, der jeder Lichtquellenkomponente
zugeführt wird, so justiert, dass das Verhältnis
der Intensitäten des Lichts von den zwei Komponent-Lichtquellen
konstant bleibt, weshalb die CCT konstant bleibt. Darüber
hinaus bleibt die Gesamtlichtabgabe der Lichtquelle 40 über
die Lebensdauer der Lichtquelle hinweg konstant, sofern die anfängliche
Intensität genügend unterhalb der Spitzenausgabeleistung
der LEDs liegt. Im Lauf der Zeit nimmt die Lichtabgabe der LEDs
ab, weshalb der Ansteuerstrom erhöht werden muss. Um den
zusätzlichen Ansteuerstrom bereitzustellen, muss der anfängliche
Ansteuerstrom unterhalb des maximalen Ansteuerstroms für
die LEDs liegen.
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Der
Fotodetektor 44 misst das Licht, das durch jede der Komponent-Lichtquellen
erzeugt wird. Der Fachmann kennt eine Reihe von Schemen zum Messen
der Abgabe von LEDs, weshalb diese Schemen hier nicht im einzelnen
besprochen werden. Schemen auf der Basis des Modulierens der Komponent-Lichtquellen
bei verschiedenen Frequenzen oder Schemen auf der Basis der Verwendung
von Fotodioden, welche die Intensität von Licht in verschiedenen
Wellenlängenbändern messen, könnten verwendet
werden. Für den Zweck der vorliegenden Besprechung genügt
es festzustellen, dass der Fotodetektor 44 ein Signal erzeugt,
das die Intensität von Licht anzeigt, das durch jede der
Komponent-Lichtquellen erzeugt wird. Die Steuereinheit 45 verwendet dann
diese gemessenen Intensitätswerte in einer Servoschleife,
welche die Abgabe von jeder der Komponent-Lichtquellen auf dem richtigen
Pegel hält, indem der durchschnittliche Strom zu jeder Komponent-Lichtquelle
justiert wird.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen basieren darauf, dass
die Steuereinheit 45 Werte speichert, die das Verhältnis
der Ansteuerströme oder die Lichtpegel von den Komponent-Lichtquellen,
die aufrecht erhalten werden sollen, spezifizieren. Für
jeweils zwei gegebene Komponent-Lichtquellen muss dieses Verhältnis
bestimmt werden. Das Verhältnis kann bestimmt werden, indem
man die CCT der Lichtquelle 40 mittels einer Kalibrierungssteuereinheit 48 misst,
die einen kalibrierten Fotodetektor enthält, dessen Ausgabe
durch die Kalibrierungssteuereinheit 48 zum Bestimmen der
momentanen CCT für die Lichtquelle 40 verwendet
werden kann. In diesem System veranlasst die Kalibrierungssteuereinheit 48 die
Steuereinheit 45, verschiedene Ansteuerstromverhältnisse
zu verwenden, indem Signale über den Bus 46 gesendet
werden. Die Kalibrierungssteuereinheit 48 misst die Abgabe
der Lichtquelle 40 für jedes dieser Ansteuerstromverhältnisse.
Die Kalibrierungssteuereinheit 48 bestimmt dann das richtige
Verhältnis anhand des Ausgangssignals des Fotodetektors 47 und übermittelt
dieses Verhältnis an die Steuereinheit 45 mit
Anweisungen, das Verhältnis zu speichern.
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In
Ausführungsformen, in denen die Lichtquelle 40 den
Fotodetektor 44 enthält, könnte der Fotodetektor 47 durch
eine Lichtquelle mit der gewünschten CCT ersetzt werden.
In diesem Fall verwendet die Steuereinheit 45 die Signale
W1 und W2, die mittels des Fotodetektors 44 erzeugt werden, wenn
er mit der Ziellichtquelle beleuchtet wird, als die Zielwerte für
die Servoschleife. Das heißt, die Kalibrierungssteuereinheit 48 signalisiert
der Steuereinheit 45, die Stromwerte der Fotodetektor-Ausgange oder
Fotodetektor-Ausgangssignale zu speichern und diese während
des anschließenden Betriebes beizubehalten.
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Wenden
wir uns wieder 3 zu. Für Weißlichtquellen,
die auf dem Mischen von blauem und gelbem Licht basieren, gibt es
im Allgemeinen nur einen einzigen Schnittpunkt zwischen der Linie,
welche die Farbpunkte von zwei LEDs verbindet, und der Schwarzkörperkurve.
Deshalb gibt es nur eine einzige CCT, die durch eine solche Lichtquelle
erreicht werden kann. Jedoch kann es für eine bestimmte blaue
Quelle möglich sein, zwei CCTs zu haben, die durch einen
deutlichen Temperaturunterschied voneinander getrennt sind, wenn
eine Linie, die sich noch stärker in Richtung der Horizontalen
bewegt, mit einer anderen blauen oder gelben Quelle erreicht werden
könnte. Es mag daher möglich sein, die Ansteuerung
zu den zwei Komponent-Lichtquellen so zu justieren, dass ihre kombinierte
Abgabe mit einer der beiden Farbtemperaturen übereinstimmt.
Der Eingang 46 in die Steuereinheit 45 könnte
dann dafür verwendet werden, eine von zwei "weißen"
Farbtemperaturen auszuwählen, unter der Annahme, dass der
oben beschriebene Kalibrierungsprozess für jede von zwei
verschiedenen Referenzlichtquellen, die an den zwei entsprechenden
Farbtemperaturpunkten liegen, ausgeführt wird. Jedoch lassen
sich Ausführungsformen, die eine beträchtliche
Anzahl deutlich voneinander getrennter CCTs erreichen können, nicht
mit nur zwei Lichtquellenkomponenten herstellen.
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Eine
Lichtquelle, die eine beträchtliche Anzahl deutlich voneinander
getrennter CCTs erreichen kann, lässt sich herstellen,
wenn eine dritte Komponent-Lichtquelle zu den oben besprochenen
Lichtquellen hinzugefügt wird. Wenden wir uns nun 5 zu,
welche die Region des Farbraums veranschaulicht, die unter Verwendung
von 3 Leuchtstoff-umgewandelten Komponent-Lichtquellen erreicht
werden kann. Die ersten zwei Komponent-Lichtquellen liegen auf der
Linie zwischen den oben besprochenen Farbpunkten 33 und 34.
Diese zwei Komponent-Lichtquellen sind bei 54 und 56 gezeigt
und sind in einer Weise aufgebaut, die der oben besprochenen Weise analog
ist. Das heißt, die Lichtquellen 54 und 56 sind aus
Leuchtstoff-umgewandelten Quellen aufgebaut, welche die gleiche
LED und den gleichen Leuchtstoff verwenden, um Licht zu erzeugen,
das als weiß oder fast weiß wahrgenommen wird.
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Eine
dritte Komponent-Lichtquelle mit einem Farbpunkt, der bei 52 gezeigt
ist, wird verwendet, um den Bereich der CCTs zu erweitern, die erreicht
werden können, indem man die relativen Intensitäten
der Komponent-Lichtquellen auf die bei 55 gezeigte Region
justiert. Die Region 55 enthält einen beträchtlichen
Teil der Schwarzkörperkurve, weshalb eine solche Lichtquelle
eine Weißlichtquelle mit einer Auswahl von CCTs bilden
kann, während die Vorteile des Umwandlungswirkungsgrades
der Leuchtstoff-umgewandelten Lichtquellen beibehalten werden.
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Die
dritte Komponent-Lichtquelle muss einen Farbpunkt haben, der nicht
auf derselben Linie wie die übrigen zwei Komponent-Lichtquellen
liegt, und muss deshalb eine andere Leuchtstoffzusammensetzung oder
LED enthalten. Zum Beispiel kann der gelbe Leuchtstoff, der in den
anderen zwei weißen LEDs verwendet wird, mit einem Leuchtstoff
angereichert werden, der einen Teil des blauen Licht zu Grün
umwandelt. Auch hier könnten die Komponent-Lichtquellen
mehrere solcher LEDs enthalten, solange der Durchschnitt der LEDs
einen Farbpunkt ergibt, der ausreichend versetzt ist, um die gewünschte
Region der Schwarzlichtkurze bereitzustellen. Alternativ könnte
die dritte Komponent-Lichtquelle eine Kombination der LEDs sein,
die in den anderen zwei Komponent-Lichtquellen verwendet werden,
zuzüglich einer weiteren LED, die Licht im grünen
Bereich des Spektrums erzeugt. Andere Ausführungsformen,
in denen der gleiche gelbe Leuchtstoff mit einer LED mit anderer
Erregung verwendet wird, können ebenfalls verwendet werden.
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Wenden
wir uns nun 6 zu, die eine Lichtquelle aus
drei Komponenten gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Lichtquelle 60 ist
aus drei Komponent-Lichtquellen 61, 62 und 63 aufgebaut.
Die Komponent-Lichtquellen 61 und 62 ähneln
den oben besprochenen Komponent-Lichtquellen 41 und 42 insofern, als
diese Komponent-Lichtquellen aus LEDs bestehen, die erheblich unterschiedliche
Blau-Gelb-Verhältnisse haben. Die Unterschiede können
das Ergebnis von Produktionsschwankungen oder von bewusst veränderten
Leuchtstoffkonzentrationen sein.
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Die
Komponent-Lichtquelle 63 ist aus mehreren LEDs aufgebaut,
die einen durchschnittlichen Farbpunkt haben, der nicht auf der
Linie liegt, welche die Farbpunkte verbindet, die den Lichtquellen 61 und 62 entsprechen.
Der Farbpunkt für die Lichtquelle 63 ist so gewählt,
dass er genügend von der Linie versetzt ist, welche die
Farbpunkte verbindet, die den Lichtquellen 61 und 62 entsprechen,
um zu gewährleisten, dass mindestens ein Teil der Schwarzkörperstrahlungskurve
innerhalb des Dreiecks enthalten ist, das durch die drei Lichtquellenkomponenten
definiert wird.
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Eine
Steuereinheit 65 steuert die Quellen so an, dass die Verhältnisse
der Intensitäten der Komponent-Lichtquellen zueinander
konstant gehalten werden, und vorzugsweise an einem Punkt auf der Schwarzkörperstrahlungskurve,
welcher der gewünschten CCT entspricht. Da die Lichtquelle 60 LEDs
mit einem unterschiedlichen Leuchtstoffsystem oder von unterschiedlichem
LED-Typ enthält, kann die Komponent-Lichtquelle 63 mit
einer Rate altern, die sich von der Alterungsrate der Komponent-Lichtquellen 61 und 62 unterscheidet.
Deshalb können Ausführungsformen, in denen die
Steuereinheit 65 einen Fotodetektor 64 verwendet,
um die tatsächliche Lichtabgabe von jeder Komponent-Lichtquelle
zu überwachen und die Lichtquellen so zu verstärken, dass
der Farbpunkt auf der gewünschten CCT gehalten wird, hergestellt
werden, um Farbverschiebungen über die Lebensdauer der
Lichtquelle 60 hinweg zu verhindern.
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Die
Lichtquelle 60 kann in einer Weise kalibriert werden, die
der oben besprochenen Weise analog ist. Es ist anzumerken, dass,
da die Lichtquelle 60 einen Bereich von CCTs erreichen
kann, auch Ausführungsformen möglich sind, in
denen die CCT während des Betriebes der Lichtquelle verändert
werden kann. In diesem Fall würde die Steuereinheit 65 eine Kalibrierungskurve
enthalten, welche die Zielwerte bereitstellt, die in der Servoschleife
für die verschiedenen CCTs zu verwenden sind. Signale,
welche die gewünschte CCT spezifizieren, könnten
dann über den Bus 66 gesendet werden.
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Dem
Fachmann fallen anhand der obigen Beschreibung und der begleitenden
Zeichnungen verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung
ein. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung ausschließlich
durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche zu beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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