JP2005259699A - Ledを利用して白色光を生じるシステム及びその動作方法 - Google Patents

Ledを利用して白色光を生じるシステム及びその動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】長期にわたり不変の白色光を生じることが可能な、高CRIで、色域の広い白色光源を提供する。
【解決手段】照明システムは、少なくとも1つの白色発光ダイオード(110)と複数カラーLED(112)を含む光源(104)と、前記光源から放出される光を検出し、前記光の検出に応答して、前記光源から放出される光を調整するように構成されたスペクトル・フィードバック制御システム(106)とを具備する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード等の半導体光源を用いた照明システムに関し、特に、フィードバック制御システムを備えたシステム、及びその動作方法に関する。
発光ダイオード(LED)は、一般に、単色半導体光源であり、現在、UV〜青から緑、黄、及び、赤までのさまざまな色が利用可能である。液晶ディスプレイなる(LCD)の背面照明のような多くの照明用途では、白色光源が必要とされる。単色LEDを用いて白色光を生じるための2つの一般的なアプローチには、(1)個別赤色、緑色、及び、青色LEDを一緒にパッケージ化し、これらのLEDから放出される光を組み合わせて、白色光を生じるものと、(2)UV、青色、または、緑色LEDに蛍光材料を導入して、LEDの半導体ダイによって放出されるもとの光の一部がより長い波長の光に変換されるようにし、この波長の長くなった光ともとのUV、青色、または、緑色光を組み合わせて、白色光を生じるものがある。第2のアプローチを利用して生産されるLEDは、燐光体ベースの蛍光材料を用いる場合が多く、蛍光体変換白色LEDと呼ばれる。
赤色、緑色、及び、青色LEDの組合せによって生じる光は、色域が広いが、一般に、演色評価数(CRI)が不十分である。このタイプの白色光源の色域は広いが、赤色、緑色、及び、青色LEDには、動作電圧要件の異なる半導体ダイが含まれるので、光源は、蛍光体変換白色LEDよりも複雑な駆動回路要素を必要とする。動作電圧要件が異なるだけではなく、赤色、緑色、及び、青色LEDは、その動作寿命にわたって劣化度が異なり、このため、長期にわたる色制御が困難になる可能性がある。
蛍光体変換白色LEDは、白色光を生じるのに単一タイプの単色LEDだけしか必要とせず、複数LED光源の白色LEDは、全て、同じ動作電圧で駆動可能である。蛍光体変換白色LEDの欠点の1つは、スペクトル出力分布(SPD)が均一でないということである。この欠点により、結果として、演色評価数が比較的悪くなる。さらに、蛍光体変換白色LEDによって生じる色は、動作寿命にわたって、条件変化と共に、そのもとの値から変化する傾向がある。
そこで、本発明は、長期にわたり不変の白色光を生じることが可能な、高CRIであって、色域の広い白色光源を提供することをその目的とする。
白色光を発生するシステム及び方法は、白色、赤色、緑色、及び、青色LEDの組合せを利用して白色光を生じ、フィードバック信号に応答して放出光を調整することを必要とする。白色LEDは、一般に蛍光体変換白色LEDである。蛍光体変換白色、赤色、緑色、及び青色LEDの組合せを用いて白色光を発生すると、CRIが向上した、SPDの広い白色光が得られる。フィードバックに応答して放出光を調整することによって、LEDの性能の経時変化に応じて、白色光の輝度及びクロミナンス特性を制御することが可能になる。
本発明による照明システムは、少なくとも1つの白色LED及び複数色のLEDを含む光源と、光源から出射する光を検出し、光の検出に応答して、光源からの出射光を調整するように構成されたスペクトル・フィードバック制御システムを備えている。スペクトル・フィードバック制御システムには、色特定フィードバック信号を生じるように構成されたカラー・センサと、色特定フィードバック信号に応答して、色特定制御信号を発生するように構成されたコントローラと、色特定制御信号に応答して、色特定駆動信号を発生するように構成された駆動装置を含むことが可能である。
本発明による照明システムを動作させるための方法には、少なくとも1つの蛍光体変換白色LED及び複数色のLEDを含む光源に駆動信号を加えるステップと、駆動信号に応答して発生する光を検出するステップと、検出した光に応答して、フィードバック信号を発生するステップと、光源に加えられる駆動信号を調整するステップが必要とされる。検出光から色特定フィードバック信号が発生させられる。色特定フィードバック信号を用いて、各色毎にカラーLEDの駆動信号を調整し、検出光の輝度及びクロミナンス特性が維持される。
本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例証するために例示された、添付の図面と関連付けてなされる、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
説明全体を通じて、同様の参照番号を用いて同様の構成要素が識別されるものとする。
図1には、液晶ディスプレイ(LCD)・パネルの背面照明に用いられる照明システム100が描かれている。照明システムには、LCDパネル102、光源104、及びスペクトル・フィードバック制御システム106が含まれている。LCDパネルは、LCDディスプレイの分野において周知のところである。LCDパネルについて解説されるが、光の透過を可能にする他の光学媒体を照明システムに用いることも可能である。
光源104は、加えられる駆動信号に応答して、白色光を発生するように構成されている。LCDパネル102に対する光源の配向は、LCDの分野において既知のように、光がLCDの側面に入射するように施されている。LCDパネルの背面照明は、一般に、当該分野において周知のところであり、本明細書ではこれ以上の説明を控えることにする。図1に示す光源は、白色光を放出するLED110(本明細書では「白色LED」と呼ぶ)と、特定の色の単色光を放出するLED112(本明細書では「カラーLED」と呼ぶ)の混合物を含む、複数の発光ダイオード(LED)から構成されている。図1の実施態様の場合、白色LEDは、蛍光体変換白色LEDである。蛍光体変換白色LEDは、LED分野において周知のところである。ある例の場合、蛍光体変換白色LEDは、青色光を放出するLEDと、セリウムで活性化するイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAl12:Ce3+)のような蛍光体を組み合わせたものである。青色LEDは、一般に、ピーク波長が460〜480ナノメートル(nm)の第1の放射線を放出する。蛍光体は、青色放射線を部分的に吸収し、ピーク波長が560〜580nmの第2の広帯域放射線を再放出する。第1と第2の放射線を組み合わせると、白色光が放出される。蛍光体変換白色LEDが、白色LEDに用いられるが、白色光を放出する他のLEDをカラーLEDと併用して、白色光を生じることも可能である。
図1の実施態様の場合、カラーLED112には、それぞれの赤色、緑色、及び、青色スペクトルにおいて単色着色光を放出する赤色(R)、緑色(G)、及び、青色(B)の混合物が含まれる。カラーLEDは、LED分野において周知のところである。図1の実施態様例におけるカラーLEDは、赤色、緑色、及び、青色であるが、他のカラーLEDの組合せを利用することも可能である。例えば、赤色、緑色、及び、青色LEDの代わりに、または、それらに加えて、シアンと琥珀色のLEDを含むカラー混合を利用することも可能である。蛍光体変換白色LED110は、相対的に効率の良い白色光源であるため、光源に利用される。しかし、蛍光体変換白色LEDは、SPDがより短い波長へ偏り、結果として、CRIが比較的悪くなる。赤色、緑色、及び、青色LEDを光源に加えると、(1)光源から放出される白色光のCRIの向上と、(2)白色光の制御及び維持の両方が行えるようになる。図2には、蛍光体変換白色LEDのスペクトル出力分布対赤色、緑色、及び、青色LEDのスペクトル出力分布のグラフが描かれている。
白色LED110及びカラーLED112は、一般に、LCDパネル102のエッジに沿って配置される。図1に示すように、白色LED及びカラーLEDは、白色、赤色、白色、緑色、白色、及び、青色(図1に示すW R W G W B)の繰り返しパターンで分布させられる。図1には、特定のパターンのLED分布が描かれているが、LEDの他のパターン及び/または分布を利用することも可能である。LEDの他のパターン及び/または分布に関する詳細は、用途に特有のものである。
図1に示す光源104には、白色LED110とカラーLED112の混合物が存在するが、主に光源は白色LEDから構成される。図1の光源全域にわたるLEDの分布は、全ての1つの赤色、緑色、または、青色LED毎に1つの白色LEDということになる。もう1つの例では、中間サイズのLCDパネル(例えば、対角線が数インチ)用背面照明システムには、10の蛍光体変換白色LED、2つの赤色LED、4つの緑色LED、及び、2つの青色LEDの分布を含むことが可能である。
図1を参照すると、スペクトル・フィードバック制御システム106には、カラー・センサ120、コントローラ122、及び、駆動装置124が含まれている。カラー・センサは、LCDパネル102及び光源104に対して、光源から放出された後、LCDパネルを通過する光を検出するように配向が施されている。図1の実施態様の場合、カラー・センサは、検出光の輝度及びクロミナンス特性を表わした色特定フィードバック信号を発生する三色センサである。たとえば、カラー・センサは、検出光に関連した三刺激値情報を表わすのに利用可能な1組の電気信号を送り出す。
コントローラ122は、光源104を構成するLED110及び112の駆動を制御する。コントローラは、カラー・センサ120から色特定フィードバック信号を受信し、この色特定フィードバック信号に応答して、色特定制御信号を発生する。色特定制御信号は、光源から所望の色が得られるようにするために発生させる。
駆動装置124は、コントローラから受信した色特定制御信号を光源104を駆動する色特定駆動信号に変換する。例えば、駆動装置は、各色毎にカラーLED112を制御する色特定駆動信号を送り出す。すなわち、駆動装置は、各カラーLED(例えば、赤色、緑色、及び、青色)毎に個別に制御することが可能である。駆動装置によって発生する駆動信号には、LEDに加えられる電圧及び/または電流変化を含むことが可能である。あるいはまた、時間変調を利用して、LEDから放出される光の強度を制御することが可能である。図3には、図1からの駆動装置の拡大図が描かれている。図3に描かれた駆動装置には、それぞれ、赤色、緑色、及び、青色LED用の色特定駆動装置324−1、324−2、及び、324−3、並びに、白色LED用駆動装置324−4が含まれている。色特定駆動装置によって、駆動装置は、各色毎にカラーLEDを制御することが可能になる。
動作時、図1のスペクトル・フィードバック制御システム106は、光源104から出射する光の輝度及びクロミナンス特性を測定し、次に、測定結果に応答して、出射光を所望の色に調整する。このシステムの動作については、図1に関連して詳述される。解説のための駆動装置124から開始すると、駆動装置は、LED110及び112を駆動する駆動信号を加える。例えば、駆動装置は、白色LEDに特定した白色LED特定駆動信号、及び、赤色、緑色、及び、青色LEDに特定した色特定駆動信号を加える。光源のLEDは、駆動信号に応答して、光を発生し、光は、LCDパネル102を通って進行する。カラー・センサ120は、LCDパネルを通過する光を検出し、その検出に応答して、フィードバック信号を発生する。
図1の実施態様の場合、カラー・センサは、赤色、緑色、及び、青色スペクトルに関連した色特定フィードバック信号を出力する。カラー・センサからの色特定フィードバック信号は、コントローラ122によって受信され、所望の輝度及びクロミナンス特性の白色光が生じるように、光源駆動信号を調整するために利用される。所望の輝度及びクロミナンス特性の白色光を実現するため、コントローラは、カラー・センサからの色特定フィードバック信号に応答して、色特定制御信号を発生する。実施態様の1つでは、カラー・センサからの色特定フィードバック信号と基準色情報を比較して、色特定制御信号を発生させる。例えば、カラー・センサからの色特定フィードバック信号と基準色情報との差の関数として、色特定制御信号を発生させる。色特定制御信号を発生するための技法例については、より詳細に後述する。
コントローラ122によって発生する色特定制御信号は、駆動装置124に加えられる。駆動装置は、色特定制御信号を色特定駆動信号に変換する。色特定駆動信号は、次に、光源104のカラーLED112に加えられる。ある特定の実施態様の場合、駆動装置は、各色毎に駆動信号を調整して、所望の輝度及びクロミナンス特性の白色光が生じるようにする。
駆動信号を加え、結果生じる光を検出し、フィードバック信号を発生し、フィードバック信号に応答して、駆動信号を調整するプロセスは、連続プロセスである。このプロセスのフィードバック特性のため、光源104から放出される光がドリフトする可能性があるとしても、各色毎に駆動信号の調整を連続して実施することにより、白色光の所望の輝度及びクロミナンス特性を維持することが可能である。例えば、各色毎に、赤色、緑色、及び、青色LED112を調整することにより、所望の輝度及びクロミナンス特性の白色光を生じさせることが可能である。実施態様の1つでは、所望の白色光を生じさせるには、光源の個々のカラーLEDによって放出される光のドリフト時に、所望の白色光を維持することが必要になる。
例示のため、図1に示すシステム100は、3つの色(「三色」)RGBベースのシステムである。三色表示系の着色光については、3つの色を個別に見分けることができないようにする3つの色の等色化に基づき、三刺激値に関連して解説することにする。三刺激値は、所望の色相に合わせるのに必要な、ある特定の三色表示系における3つの等色光の強度に相当する。三刺激値は、下記の方程式を用いて計算することが可能である。
Figure 2005259699
ここで、
Figure 2005259699
相対スペクトル出力分布Pは、固定基準値に対する、スペクトル全体にわたる各一定間隔波長毎のスペクトル出力である。CIE等色関数x、y、及び、zは、CIE1931標準表色系における関数x(8)、y(8)、及び、z(8)、または、CIE1964補助標準表色系における関数x10(8)、y10(8)、または、z10(8)である。CIE1931測色標準観測者は、その等色特性が、1°〜4°の視野におけるCIE等色関数に対応する理想の観測者であり、CIE1964測色標準観測者は、その等色特性が、視野サイズが4°を超える場合のCIE等色関数に対応する理想の観測者である。反射率R8は、その頂点が検討される表面上に位置する、ある特定の円錐において反射される放射束と、照射される完全拡散反射体によって同じ方向に反射される放射束との比である。放射束は、放射線の形で放出され、伝送され、あるいは、受光されるパワーである。放射束の単位はワット(W)である。完全拡散反射面は、反射率(または透過率)が1に等しい、理想の均等拡散体である。重み関数Wx、Wy、及び、Wzは、相対スペクトル出力分布Pとある特定の組をなすCIE等色関数x、y、及び、zの積である。
図1に示すコントローラ122は、多種多様なやり方で実施して、色特定制御を実現することが可能である。図4(a)及び図4(b)には、図1に描かれた光源において、各色毎に赤色、緑色、及び、青色LEDを調整するために利用可能なコントローラ422の例が描かれている。図4(a)を参照すると、コントローラ422には、基準値発生器430及び制御モジュール432が含まれている。コントローラは、カラー・センサ120(図1)からRGB空間における実測三刺激値(R、G、及び、B)の形で色特定フィードバック信号を受信する。コントローラは、入力基準三刺激値も受信する。入力(Inp)基準三刺激値は、目標白色点(X ref 及びY ref)とルーメン値(L ref)の形をとることが可能である。ユーザが、ユーザ・インターフェイス(不図示)を介して入力基準三刺激値を入力することもできるし、あるいは、他の何らかの方法で、入力基準三刺激値を受信することも可能である。基準値発生器は、入力基準三刺激値をRGB空間における基準三刺激値(R ref、G ref、及びB ref)に変換する。次に、制御モジュールが、実測三刺激値と基準三刺激値との差を求めて、各色毎に、所望の色を得るために駆動信号に施す必要のある調整を反映した、色特定制御信号を発生する。色特定制御信号によって、必要に応じて、カラーLEDが調整され、所望の色の光が放出されることになる。こうして、光源の輝度及びクロミナンス特性が、所望の(すなわち、基準)輝度及びクロミナンス特性に近づくことになる。
CIE1931三刺激値を利用する点を除けば、図4(b)の代替システム400Bは、図4(a)のシステム400Aと同様である。システム400Bには、RGB空間における実測三刺激値を実測CIE1931三刺激値に変換するフィードバック信号変換器434が含まれている。さらに、基準値発生器430が、入力基準三刺激値を基準CIE1931三刺激値に変換する。次に、制御モジュール432が、実測CIE1931三刺激値と基準CIE1931三刺激値の差を求めて、然るべく色特定制御信号を調整する。
図5には、本発明に従って、照明システムを動作させるための方法のプロセス流れ図が示されている。ブロック560では、少なくとも1つの蛍光体変換白色LED及び複数カラーLEDを含む光源に、駆動信号が提供される。ブロック562では、駆動信号に応答して発生する光が検出される。ブロック564では、検出光に応答して、フィードバック信号を発生する。ブロック566では、光源に提供される駆動信号が調整される。
照明システム100は、LCDパネルの背面照明として説明されているが、他の任意の照明用途に利用することも可能であり、決してLCDパネルの背面照明に制限されるものではない。
フィードバック信号を加え、フィードバック信号に応答して、各色毎にカラーLEDを調整するスペクトル・フィードバック制御システム106の他の実施態様も実現可能である。
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、少なくとも1つの白色発光ダイオード(LED)(110)と複数カラーLED(112)を含む光源(104)と、
前記光源から放出される光を検出し、前記光の検出に応答して、前記光源から放出される光を調整するように構成されたスペクトル・フィードバック制御システム(106)とを具備することを特徴とする照明システムを提供する。
好ましくは、前記スペクトル・フィードバック制御システム(106)は、各色毎にカラーLEDを制御するように構成される。
好ましくは、前記少なくとも1つの白色光LED(110)は、少なくとも1つの蛍光体変換白色LEDを含み、前記カラーLED(112)が赤色、緑色、及び、青色LEDを含む。
好ましくは、前記スペクトル・フィードバック制御システム(106)が、さらに、各色毎に着色LEDを制御するのに用いられる色特定フィードバック信号を加えるように構成されたカラー・センサ(120)を含む。
好ましくは、少なくとも1つの白色LED(110)は、蛍光体変換白色LEDである。
好ましくは、前記スペクトル・フィードバック制御システム(106)は、各色毎に着色LEDを制御して、前記光源(104)から放出される光の輝度及びクロミナンス特性を維持するように構成されたコントローラ(122)を含む。
好ましくは、前記スペクトル・フィードバック制御システムが、色特定フィードバック信号を加えるように構成されたカラー・センサ(120)を含む。
さらに、本発明は、照明システムを動作させるための方法であって、少なくとも1つの蛍光体変換白色発光ダイオード(LED)と複数カラーLEDを含む光源に駆動信号を加えるステップ(560)と、前記駆動信号に応答して発生する光を検出するステップ(562)と、前記検出光に応答して、フィードバック信号を発生するステップ(564)と、前記光源に加えられる前記駆動信号を調整するステップ(566)とを有することを特徴とする方法を提供する。
好ましくは、前記光の検出ステップ(562)は、色特定フィードバック信号を発生するステップを含む。
好ましくは、前記駆動信号の調整ステップ(566)は、前記色特定情報に応答して、各色毎にカラーLEDの駆動信号を調整するステップを含む。
本発明の特定の実施態様について解説し、例示してきたが、本発明は、そうして解説され、例示された部分の特定の形態または構成に制限されるものではない。本発明の範囲は、付属の請求項及びその同等物によって定義されるものとする。
本発明による液晶ディスプレイ・パネルの背面照明に用いられる照明システムを示す図である。 蛍光体変換白色光のスペクトル出力分布対赤色、緑色、及び、青色LEDのスペクトル出力分布のグラフである。 白色、赤色、緑色、及び、青色LEDに特定された駆動装置を示す、図1からの駆動装置の拡大図である。 (a)は、図1のコントローラの一例を示す拡大図であり、(b)は、CIE1931三刺激値を利用する、他の1つの例を示す拡大図である。 本発明による照明システムを動作させるための方法の各プロセスを示す流れ図である。
符号の説明
104 光源
106 スペクトル・フィードバック制御システム
110 白色LED
112 カラーLED
120 カラー・センサ
122 コントローラ

Claims (10)

  1. 少なくとも1つの白色発光ダイオードと複数カラーLEDを含む光源と、
    前記光源から放出される光を検出し、前記光の検出に応答して、前記光源から放出される光を調整するように構成されたスペクトル・フィードバック制御システムとを具備することを特徴とする照明システム。
  2. 前記スペクトル・フィードバック制御システムが、各色毎にカラーLEDを制御するように構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  3. 前記少なくとも1つの白色光LEDが、少なくとも1つの蛍光体変換白色LEDを含み、前記カラーLEDが赤色、緑色、及び、青色LEDを含むことを特徴とする、請求項2に記載の照明システム。
  4. 前記スペクトル・フィードバック制御システムが、さらに、各色毎に着色LEDを制御するのに用いられる色特定フィードバック信号を加えるように構成されたカラー・センサを含むことを特徴とする、請求項2に記載の照明システム。
  5. 少なくとも1つの白色LEDが蛍光体変換白色LEDであることを特徴とする、請求項4に記載の照明システム。
  6. 前記スペクトル・フィードバック制御システムが、各色毎に着色LEDを制御して、前記光源から放出される光の輝度及びクロミナンス特性を維持するように構成されたコントローラを含むことを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  7. 前記スペクトル・フィードバック制御システムが、色特定フィードバック信号を加えるように構成されたカラー・センサを含むことを特徴とする、請求項1に記載の照明システム。
  8. 照明システムを動作させるための方法であって、
    少なくとも1つの蛍光体変換白色発光ダイオードと複数カラーLEDを含む光源に駆動信号を加えるステップと、
    前記駆動信号に応答して発生する光を検出するステップと、
    前記検出光に応答して、フィードバック信号を発生するステップと、
    前記光源に加えられる前記駆動信号を調整するステップとを有することを特徴とする方法。
  9. 前記光の検出ステップが、色特定フィードバック信号を発生するステップを含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
  10. 前記駆動信号の調整ステップが、前記色特定情報に応答して、各色毎にカラーLEDの駆動信号を調整するステップを含むことを特徴とする、請求項9に記載の方法。

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