JP2004533097A - 光帰還用光センサ構造を有する発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Abstract

白色光発光ＬＥＤ装置（１００）は、赤、緑及び青の発光ＬＥＤ（１０２、１０３、１０４）と、所望の色バランスを維持するための帰還装置とを有する。この帰還装置は、ＲＧＢの各色成分の光出力を別々に測定しうるように配置したホトダイオード（１１２、１１３、１１４）を有する。一例では、ＬＥＤアレイの合成出力の光路内に配置された部分反射素子（１０７）からの反射光を捕捉するように、１つのホトダイオード又は複数のホトダイオードのアレイ（１１１）を配置する。ＬＥＤ及びホトダイオードをパルス駆動するか又はカラーフィルタ（１１６、１１７、１１８）を用いることにより、個々の色を順次に測定する。他の例では、各ＬＥＤ（１２１）に関連のホトダイオード（１２２）を設け、このホトダイオードはＬＥＤパッケージ（１１９）内に入れるか、別のパッケージ（１５２）内に入れる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤、緑及び青の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイと、個々の素子の光出力を調整して所望の色バランス（色度）を保つようにする制御システムとを有する白色光発光照明装置に関するものであり、特に光帰還用の特別な光センサ構造を有する上述した照明装置に関するものである。
【０００２】
赤、緑及び青のＬＥＤのアレイを有する白色光発光照明装置（ＲＧＢＬＥＤ照明装置としても既知である）は、効率が良く、価格が低く、光出力の色度を調整する能力が優れているという点を含む種々の理由で関心が高いものである。
【０００３】
解決すべき主要な問題の１つは、ＬＥＤの光出力がチップ毎に且つ各チップの寿命に亙って変化するということである。更に、ＬＥＤの光出力は温度に反比例して変化するが、この変化は各色に対し均一ではない。更に、光出力はＬＥＤアレイ内の個々のチップの故障に応じて変化する。
【０００４】
米国特許第 6,127,783号明細書には、色バランスを電子的に調整する白色光発光照明装置が開示されている。この照明装置は、赤、緑及び青の各色に対し複数のＬＥＤを有しており、各色に対し別々の電源があり、全てのＬＥＤの光出力を測定するのにホトダイオードが配置されている。各色の光出力は電子制御回路により測定され、この電子制御回路は、一連の時間パルスにおいて測定されない色のＬＥＤをターン・オフさせている。各色に対し測定された光出力は、ユーザ入力により決定しうる所望の出力と比較され、これに応じて各色の電流に対する補正が行なわれる。この米国特許第 6,127,783号明細書は参考のために導入したものである。
【０００５】
このような照明装置の出力を正確に制御するためには、発生される全体の光を正確にモニタする必要がある。このようにするには、各ＬＥＤから互いに等しい一部の光を抽出するとともに、これらＬＥＤから充分な量の迷光をホトダイオードに当てて帰還ループの満足な動作を確実にするようにこれらホトダイオードを配置する必要がある。
【０００６】
本発明は、全体の光出力を正確にモニタしうるよいにするために、各ＬＥＤから互いに等しい一部の光を抽出するために、ＲＧＢＬＥＤの光路に及びこの光路を囲んで、（任意ではあるが種々のカラーフィルタを有する）１つ以上のホトダイオードを配置する幾つかの光学構造を提供することにある。これには、標準のＲＧＢＬＥＤ照明装置の光学系を僅かに変更する必要があるだけであり、効率及びその他の動作仕様には殆ど影響を及ぼさない。ホトダイオードをこのように配置すると、全体の光出力と色バランスとの双方を調整するための帰還信号が制御電極に得られる。
【０００７】
本発明の第１例では、ＬＥＤチップとこのＬＥＤチップからの光を指向させるレンズとを有する各ＬＥＤパッケージ内にそれぞれ別々のホトダイオードを収容する。ホトダイオードは、ＬＥＤチップから光を直接的又は間接的に受ける位置に配置することができる。レンズの内面からの反射により充分な量の迷光をホトダイオードに当てて満足な動作を確実にすることを、シミュレーションにより確かめた。
【０００８】
本発明の第２の例では、各ＬＥＤのすぐ近くに又は複数のＬＥＤ（例えば、３つのＬＥＤ）より成る小さな群のすぐ近くに１つの別体のホトダイオードパッケージを配置し、その入射開口又は集光レンズを、モニタすべきＬＥＤの方向に向ける。
【０００９】
本発明の第３の例では、部分反射（代表的には約１％の反射で充分である）素子を主集光レンズの後で光路中に配置し、この部分反射素子は、出力ビームのうちの小部分を反射させて集光レンズに通し、ＬＥＤアレイの平面と光軸との交点に又はこの交点とは僅かに異なる個所に集束させるような形状及び配置とする。この集束個所に、１つ以上のホトダイオードと、これらホトダイオードを囲む白の集光用の部屋（光インテグレータ）と、この部屋及び集光レンズ間の平坦な光拡散スクリーンのような光ディフューザとを有する光センサアセンブリを配置する。この光センサアセンブリは、かなり大きな領域（１つのホトダイオードパッケージの寸法の数倍）に亙って各ＬＥＤからの光束がほぼ一定となるように配置する。この例は最も複雑な例であるが、動作、経済性及び汎用性において最良となる。
【００１０】
各例において、ホトダイオードにカラーフィルタを関連させ、これらホトダイオードをＲＧＢ出力の特定のスペクトル範囲に対して選択性があるようにし、これにより、米国特許第 6,127,783号明細書に記載されているような、ＬＥＤ及びホトダイオードのパルス駆動の必要性を回避するようにすることができる。
【００１１】
図面を参照するに、図１は、本発明によるＲＧＢＬＥＤ照明装置の光学素子の一実施例を示す線図的断面図であり、ＬＥＤアレイ１０１は、中心軸線Ａを囲む個々のＬＥＤアセンブリの２つの同心リングに配置したこれら個々のＬＥＤアセンブリ（１０２、１０３、１０４）を有する。各ＬＥＤアセンブリは、密封したＬＥＤパッケージ１２６とコリメータレンズ１２０とを有する。中心軸線Ａ上には、光センサアセンブリ１０５が位置しており、この光センサアセンブリは、光ディフューザ（光拡散器）１０９と、光インテグレータ（集光器）１１０と、ホトダイオード１１２、１１３、１１４のアレイとを有する（図２及び３参照）。
【００１２】
ＬＥＤアレイ１０１からの光出力は、主集光レンズ１０６により、目標とする光ガイド１０８に向けられる。主集光レンズ１０６と、目標とする光ガイド１０８との間の領域には、適切な形状の部分反射器１０７が配置されている。この部分反射器１０７の総合反射率は約１パーセントとし、殆どの光学素子のものより低くする必要がある。この低い反射率は、光学素子に通常の反射防止被膜を被覆することにより得ることができる。この部分反射器を図１に示すように僅かに非球面の凹面形状にすることにより最良の結果が得られたが、平面鏡の形状によってもかなり良好な結果が得られた。被膜を被覆しないガラス又はプラスチックも同様に機能するが、これによるとシステム全体の効率を不必要に低減させる。
【００１３】
光センサアセンブリ１０５は、ＬＥＤアレイの中心付近における中心軸線上の単一の円筒状物体として図１に線図的に示してある。単一の又は複数のホトダイオードを含み、より簡単な又はより複雑な一体構造とした種々の異なる形態のものも可能である。２つの代表的な実施例を図２及び３に示す。これらの場合、光センサアセンブリはディフューザ１０９と、インテグレータ１１０と、ホトダイオードアレイ１１１とを有する。
【００１４】
ＬＥＤ照明装置の色バランスを調整するのに必要な情報を得るためには、光センサアセンブリ１０５を、米国特許第 6,127,783号明細書に記載されているように、ＬＥＤアレイにおける異なる色のＬＥＤのパルス駆動と同期して読取るようにしうる。或いはまた、ホトダイオードによる測定のために、カラーフィルタを用いて異なる色のＬＥＤの光出力を分離することにより、ＬＥＤのパルス駆動をやめることができる。可能な一実施例においては、図２に示す１つの可変カラーフィルタ１１５を光検出中に異なる光波長帯域に周期的に同調させるようにすることができる。可能な他の実施例においては、図３に示すように、個々のホトダイオード１１２、１１３、１１４に対し固定の異なるカラーフィルタ１１６、１１７、１１８を関連させるようにすることができる。
【００１５】
代表的な光学的サブシステムは、中心軸線（光軸）を囲む６個の（内側）ＬＥＤアセンブリ及び１２個の（外側）ＬＥＤアセンブリの２つの同心リングであって、各ＬＥＤアセンブリは直径が１５ｍｍのコリメータレンズを有しているこれら同心リングと、直径が１５ｍｍの六角形ディフューザプレート、直径が１５ｍｍの簡単なインテグレータ構造体を形成する白紙の筒及びこのインテグレータの筒内に配置した４つのホトダイオードパッケージより成る簡単な光センサアセンブリとをもって構成する。光センサアセンブリは光軸を中心とし、コリメータレンズの頂部からＬＥＤチップのレベルまで垂直方向に延在させた。主集光レンズと目標とする光ガイドとの間に位置し、反射防止被膜を有する平面鏡を部分反射器として用いた。この構成によれば、ホトダイオードアレイにまたがる満足な光の均一性が得られた。より注意深く且つ正確に組合せた設計を用いることにより、全体の光の収集をそれほど犠牲にすることなく、集光をより良好にし、これにより光の均一性を高める。
【００１６】
光センサアセンブリ１０５を中央に配置しないこともできること勿論である。例えば、ＬＥＤアレイにおける各ＬＥＤパッケージがこれに関連する個々のホトダイオードを有するようにしうる。このように関連させた２つの異なる実施例を個々のＬＥＤパッケージに対して図４及び５に示す。
【００１７】
図４は、基板１２３上に装着したＬＥＤチップ１２１を含む密封ＬＥＤパッケージ１１９を示す。基板１２３上には、ＬＥＤチップ１２１の近くにホトダイオードチップ１２２も装着されており、このホトダイオードチップはＬＥＤチップからの光出力を測定するように位置している。又、ＬＥＤチップからの光を前方に向けるレンズ１２６によりＬＥＤチップ１２１及びホトダイオードチップ１２２を被覆している。
【００１８】
図５は、ホトダイオードチップを、密封したＬＥＤアセンブリ１２６内に装着せずに、ＬＥＤパッケージ１５０からの光出力を測定するように別体のホトダイオードパッケージ１５２を配置するという点を除いて図４の構成に類似する構成を示す。ＬＥＤパッケージ１５０は、基板１５３上に装着されレンズ１５６で被覆されたＬＥＤチップ１５１を有する。
【００１９】
図６は、３つのＬＥＤパッケージ１６１、１６２及び１６３のアレイを１つのホトダイオード１６４と関連させた他の構成を示す。
【００２０】
図７は、本発明によるＬＥＤ照明装置の他の実施例を断面図で示し、この実施例は、部分反射素子及び光センサアセンブリの代りに図７に示すようにＬＥＤ１７１、１７２及び１７３のアレイと関連するホトダイオード１７６、１７７及び１７８のアレイを用いた点を除いて図１に示す実施例に類似する。個々のホトダイオード１７６、１７７及び１７８はそれぞれ図４の変形例に示すようにＬＥＤパッケージ内に挿入することもでき、又は図６に示すように２つ以上のＬＥＤパッケージの群と関連させることもできること勿論である。図１と同様に、ＬＥＤアレイからの光は集光レンズ１７４により目標とする光ガイド１７５に指向される。
【００２１】
本発明による照明装置の一実施例における光学及び電気素子の線図である図８を参照するに、制御器３０はホトダイオード２４からの帰還信号２６を色点の測定値に変換し、この値を、ユーザ入力装置４０により与えた所望の設定値と比較する。この比較に基づき、制御器３０は、色バランスが所望のものであるか否かを決定し、これに応じてそれぞれのダイオード１０、１２、１４に対する電流調整器１１、１３、１５に信号を供給する。この際、ＡＣコンバータ５０からの入力電力を電流出力に変換し、この電流出力によりそれぞれの色の赤、緑及び青に対する光の強度を制御し、所望の色バランスを得る。アレイの各色に対するダイオードは基板上の配線により共通電位に保つ。所望の設定に対するユーザ制御には、それぞれの色に対する入力や、得られる白色光の全光度を制御する調光器が含まれる。符号２０は光混合用光学系を示す。
【００２２】
図９は、図８の照明装置に対する制御論理図である。ランプがターン・オンされると（ブロック３１）、電力がＬＥＤに与えられ、測定手順が開始される（ブロック３２）。色点の測定値が、ユーザ調整（ブロック３５）に応じて記憶された（ブロック３４）所望の設定値と比較される（ブロック３３）。この比較に基づいて、色調整が必要であるか否かを決定し（３６）、必要である場合に調整を行ない（ブロック３７）、測定手順を繰返す（ブロック３２）。色調整が必要でないと決定された場合には（ブロック３６）、制御器は、測定手順（ブロック３２）を繰返すまでに予め決定した測定時間間隔の間待つ（ブロック３８）。
【００２３】
本発明は上述した実施例に限定されず、幾多の変更を加え得ること当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】赤、緑及び青発光用ＬＥＤアレイの中央に配置した光センサアセンブリと、このアレイの合成光出力の光路中に配置した部分反射素子とを有する本発明によるＬＥＤ照明装置の一実施例の断面図である。
【図２】ホトダイオードアレイと、ディフューザと、インテグレータと、随意的な可変カラーフィルタとを有する、図１の光センサアセンブリの細部を示す断面図である。
【図３】各ホトダイオードに対し個々のカラーフィルタを有する、図２の光センサアセンブリの他の実施例を示す断面図である。
【図４】ＬＥＤアレイの個々のＬＥＤと、これに関連するホトダイオードとを入れた密封パッケージを示す断面図である。
【図５】密封ＬＥＤパッケージと、これに関連するホトダイオードとを示す断面図である。
【図６】３つのＬＥＤパッケージのアレイと、これらＬＥＤパッケージに関連する１つのホトダイオードとの配置を示す線図である。
【図７】部分反射素子と光センサアセンブリとの代りにＬＥＤのアレイと関連するホトダイオードのアレイを用いたこと以外、図１に示すのと類似する本発明によるＬＥＤ照明装置の他の実施例を示す断面図である。
【図８】光学的帰還及び制御を含む本発明によるＲＧＢＬＥＤ照明装置の一実施例の光学的及び電気的システムを示す線図である。
【図９】図７の照明装置の光学的帰還及び制御部分に対する論理シーケンスを示すブロック線図である。

Claims (10)

1. 複数色の各色に対し少なくとも１つの発光ダイオードを有する発光ダイオードのアレイと、
   発光ダイオードのアレイの合成光出力を、目標とする光ガイドに指向させるように配置した集光レンズと、
   この集光レンズからの光出力の一部を発光ダイオードアレイの方向に戻るように反射させるように配置した部分反射素子と、
   この反射光の少なくとも一部を捕捉して測定するように配置した光センサと
   を具える発光ダイオード照明装置。
2. 請求項１に記載の発光ダイオード照明装置において、更に、
   電流を前記発光ダイオードアレイに供給し、これにより前記各色に対する発光ダイオードが光出力を生じ、発光ダイオードアレイが合成光出力を生じるようにする手段と、
   各色の反射光出力を別々に光センサに供給する手段と、
   各色に対し測定した光出力を各色に対するそれぞれの所望の光出力と比較する手段と、
   この比較に基づいて各色の発光ダイオードに対する電流を調整し、これにより所望の合成光出力を生じうるようにする手段と
   を具える発光ダイオード照明装置。
3. 請求項２に記載の発光ダイオード照明装置において、各色の反射光出力を別々に光センサに供給する前記手段は、発光ダイオードを選択的にターン・オフさせて光センサが各色に対する光出力を一連の時間パルスにおいて別々に測定するようにする手段を有している発光ダイオード照明装置。
4. 請求項２に記載の発光ダイオード照明装置において、各色の反射光出力を別々に光センサに供給する前記手段は、各色の別々の発光ダイオードの光出力を選択的に濾波するカラーフィルタ手段を有している発光ダイオード照明装置。
5. 請求項４に記載の発光ダイオード照明装置において、光センサがホトダイオードのアレイを有している発光ダイオード照明装置。
6. 請求項５に記載の発光ダイオード照明装置において、カラーフィルタ手段が、個々のホトダイオードと関連する別々のカラーフィルタを有している発光ダイオード照明装置。
7. 請求項５に記載の発光ダイオード照明装置において、前記光センサが更に、光ディフューザ及び光インテグレータを有している発光ダイオード照明装置。
8. 複数色の各色に対し少なくとも１つの発光ダイオードを有する発光ダイオードのアレイと、
   発光ダイオードのアレイの合成光出力を、目標とする光ガイドに指向させるように配置した集光レンズと、
   複数の光センサであって、各光センサが１つの発光ダイオード又は複数の発光ダイオードの群と関連しているとともにその関連の１つの発光ダイオード又は複数の発光ダイオードの群の光出力のうちの少なくとも一部を捕捉し且つ測定するようにしたこれら光センサのアレイと
   を具える発光ダイオード照明装置。
9. 請求項８に記載の発光ダイオード照明装置において、各光センサが３つの発光ダイオードより成る群と関連している発光ダイオード照明装置。
10. 請求項８に記載の発光ダイオード照明装置において、更に、
    電流を前記発光ダイオードアレイに供給し、これにより前記各色に対する発光ダイオードが光出力を生じ、発光ダイオードアレイが合成光出力を生じるようにする手段と、
    各色に対し測定した光出力を各色に対するそれぞれの所望の光出力と比較する手段と、
    この比較に基づいて各色の発光ダイオードに対する電流を調整し、これにより所望の合成光出力を生じうるようにする手段と
    を具える発光ダイオード照明装置。