JP2006032350A

JP2006032350A - スペクトル照合

Info

Publication number: JP2006032350A
Application number: JP2005205788A
Authority: JP
Inventors: Joon Chok Lee; ジョン・チョク・リー; Kee Yean Ng; キー・ヤーン・ング; Heng Yow Cheng; ヘン・ヨウ・チェン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2006-02-02
Also published as: US20060018118A1; CN1725923A; CN100512587C; TW200604511A

Abstract

【課題】所望のスペクトルパワー分布曲線に従って光を生成する。
【解決手段】光が、所望のスペクトルパワー分布曲線に従って生成される。光スペクトルが、複数の異なる光源(21〜26,121〜126,128,129)によって生成される。光学測定装置(27,127)が、前記複数の異なる光源(21〜26,121〜126,128,129)によって生成された前記光スペクトルを測定する。前記光学測定装置(27,127)は、前記複数の異なる光源(21〜26, 121〜126,128,129)によって生成された全光スペクトル内の光を検出することができる。測定された光スペクトルは、前記所望のスペクトルパワー分布曲線に近似するように、前記複数の異なる光源(21〜26, 121〜126,128,129)によって生成された該光スペクトルを変化させるために、フィードバックとして使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を生成する方法及び装置に関し、特に、所望のパワースペクトル分布曲線に従って光を生成する方法及び装置に関する。

太陽は、地球上における全ての生物にとっての主要な光源である。現在利用可能な更なる光源は、火、白熱灯、蛍光灯、固体ライト発光デバイス等を含む。太陽とは異なる光源は、多くの場合、人工光源と呼ばれる。人工光源は、往々にして、どのような形態においても太陽光と比較して不十分であるとみなされる。

多くの用途の場合に、太陽光は好まれる光源である。このことは、例えば、太陽光は、絵画、織物、インク、紙、木綿などのような対象とする物体についての本来の（正確な）色を、より良好に示すことができることから言える。更に、太陽光は健康のためになる可能性がある。例えば、ビタミンＤ不足及び黄疸の場合には、太陽光にあたることが勧められる。更には、最近の医学的な研究成果は、人体が、一般には太陽光にあたった場合に、具体的には特定の光の色にあたった場合に、より迅速に治癒することを示している。
米国特許第６，３４４，６４１号米国特許第６，４４８，５５０号米国特許第６，５０７，１５９号

しかしながら、多くの用途において、ある特定の場所及び／又は時間が、光源として太陽光を使用することを不可能にさせている。従って、太陽光と同じ光成分に近似する、ある人工光源を利用可能にさせることが望ましい。

国際照明委員会（Commission Internationale de l’Eclairage：ＣＩＥ）標準光のＤ６５は、６５００ケルビン（Ｋ）の色温度による平均的な昼光（daylight）を表すために推奨されている。ＣＩＥ標準光Ｄ６５についてのスペクトルパワー分布（又はスペクトル出力分布、又は分光分布：spectral power distribution（ＳＰＤ））は、紫外線（ＵＶ）から赤外線（ＩＲ）までの非常に広い領域にわたっており、比較的等量における可視スペクトルの全ての波長を含む。

白熱灯の典型的なＳＰＤは、ほとんど赤色であり、ＩＲ領域内にある。白熱灯は、太陽光に近似する１つの人工光源として使用される時には、結果として生じる光は、高い演色評価数（color rendering index：ＣＲＩ）を有する。しかしながら、白熱灯のＳＰＤは、より短い光波長においては、より低いため、白熱灯は、青色をあまり良く演色しない（又は、青色に対する演色性があまりない）。更に、白熱灯は、典型的には、電力効率が比較的低く、１，０００時間の範囲内での短寿命である。

蛍光灯の典型的なＳＰＤは、照明灯において使用される蛍光体のタイプに対応する、鋭く且つ狭いスパイクを示す。典型的には、赤色、緑色、及び青色の蛍光体が、太陽光に近似する１つの人工光源として蛍光灯が使用される時に、使用される。蛍光灯は、青色及び緑色の領域において適度なＣＲＩから高いＣＲＩを有するが、黄色及び赤色の領域においては低いＣＲＩを有する。典型的な蛍光灯は、１０，０００時間の範囲内における適度な寿命をもつ。

たとえ白熱灯と蛍光灯との両方が、異なる色温度又はＳＰＤの光を生成することができるとしても、単一の白熱灯又は蛍光灯は、単一で且つ固定されたＳＰＤ曲線を有する光源しか生成することができない。

ＬＥＤベースの光源システムにおいて、異なるＳＰＤ曲線を、異なる色のＬＥＤからの光出力の総量を調節することによって達成することができる。ＬＥＤ光源は、異なる色の相当な数のＬＥＤが使用される場合には、高いＣＲＩを有する。更また、ＬＥＤベースの光源システムは、典型的には、白熱灯か又は蛍光灯よりも、はるかに長い動作寿命をもつ。更に、ＬＥＤベースの光源システムは、一般に、白熱灯ベースの光システムよりも電力効率が高い。

ＬＥＤの光学性能は、温度、駆動電流、及び経年変化によって変化する可能性がある。ＬＥＤ特性もまた、同じ製造プロセスの場合に、ロット（バッチ）によって変化する。動作中のＬＥＤの光学特性のドリフト（ずれ）は、該ドリフトが色の一貫性に影響を及ぼす可能性があるため、多くの用途の場合に許容することができない。従って、色の一貫性を動的に制御し且つ維持する必要がある。特許文献１、特許文献２、及び特許文献３が、ＬＥＤ光システムにおけるドリフトに対抗して防ぐために使用されるフィードバックシステムの管理の例を提供している。

本発明の一実施形態によれば、光は、所望のスペクトルパワー分布曲線に従って生成される。光スペクトルは、複数の異なる光源によって生成される。光学測定装置が、前記複数の異なる光源によって生成された光スペクトルを測定する。前記光学測定装置は、前記複数の異なる光源によって生成された全光スペクトル内の光を検出することができる。測定された光スペクトルは、前記所望のスペクトルパワー分布曲線に近似するように、前記複数の異なる光源によって生成された該光スペクトルを変化させるための、フィードバックとして使用される。

所望のスペクトルパワー分布曲線に従って光を生成することができる。

図１は、光源１４の簡略化されたブロック図である。光源は、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色（又は黄色）ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６を含む。ＬＥＤドライバ１３は、フォワード電流の振幅を制御し、従って、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６の各々に対する輝度を制御する。代替として、パルス幅変調が使用される時には、ＬＥＤドライバ１３は、信号のデューティーサイクルを制御し、従って、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６の各々に対する輝度を制御する。

光学測定装置２７は、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６により生成された光スペクトルを測定する。光学測定装置２７は、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６によって生成された光スペクトルにおけるフィードバックを、フィードバック制御装置１２に対して提供する。フィードバック制御装置１２は、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５及び濃赤色ＬＥＤ２６によって生成された光スペクトルが、ユーザ入力１１によって要求された光スペクトルに一致するように（又はマッチングをとるように、又は整合するように）、ＬＥＤドライバ１３を制御する。例えば、要求された光スペクトルに対する所望のスペクトルパワー分布曲線は、黒体曲線付近に存在する色温度による白色を提供する。

例えば、太陽光のＳＰＤに一致（又はマッチング、又は整合）させるため、光学測定装置２７は、赤色ＬＥＤ２１、緑色ＬＥＤ２２、青色ＬＥＤ２３、琥珀色ＬＥＤ２４、シアン色ＬＥＤ２５、及び濃赤色ＬＥＤ２６によって生成された全ての光を含む広範囲のスペクトルにおける光強度を測定する。例えば、これを成し遂げるために、光学測定装置２７は、分光計を使用してか、又は様々な波長領域におけるスペクトル応答を有する複数の光学センサによって実行される。例えば、光学測定装置２７は、光センサと赤色フィルタとの組合せ、光センサと緑色フィルタとの組合せ、光センサと青色フィルタとの組合せ、光センサと琥珀色フィルタとの組合せ、光センサとシアン色フィルタとの組合せ、及び光センサと濃赤色フィルタとの組合せによって実行される。

色の広範囲のスペクトルを一致させる能力によって、光学測定装置２７は、目標スペクトルのＳＰＤに一致するように光源１４を制御することができる。目標スペクトルを一致させることは、光源１４に、同色の異なるメタマー（又は変形:metamer）を生成するフレキシビリティを提供する。メタマーは、異なるＳＰＤを有するが、同じ視覚的外観か又は三刺激値を有する色である。

図２と図３とは、太陽光を表すＳＰＤ曲線を有する光を生成するために、どのように光源１４を使用することができるかを示す。図２において、軸３８は、ナノメートル（ｎｍ）での波長を表す。軸３９は、正規化された相対電力を表す。トレース（軌跡）３７は、ＣＩＥ標準光Ｄ６５についてのＳＰＤ曲線を表す。トレース３１は、青色ＬＥＤ２３についての個別のＳＰＤ曲線を表す。トレース３２は、シアン色ＬＥＤ２５についての個別のＳＰＤ曲線を表す。トレース３３は、緑色ＬＥＤ２２についての個別のＳＰＤ曲線を表す。トレース３４は、琥珀色ＬＥＤ２４についての個別のＳＰＤ曲線を表す。トレース３５は、赤色ＬＥＤ２１についての個別のＳＰＤ曲線を表す。トレース３６は、濃赤色ＬＥＤ２６についての個別のＳＰＤ曲線を表す。

図３において、軸３８は、ナノメートル（ｎｍ）での波長を表す。軸３９は、正規化された相対電力を表す。トレース３７は、ＣＩＥ標準光Ｄ６５についてのＳＰＤ曲線を表す。トレース４１は、青色ＬＥＤ２３、シアン色ＬＥＤ２５、緑色ＬＥＤ２２、琥珀色ＬＥＤ２４、赤色ＬＥＤ２１、及び濃赤色ＬＥＤ２６についての組み合わされたＳＰＤ曲線を表す。

本発明の実施形態はまた、光源によって生成される光スペクトルを拡張して、不可視スペクトル領域を含めることもできる。例えば、赤外（ＩＲ）成分と紫外（ＵＶ）成分とを必要とする用途のためのある特定のＳＰＤ曲線を生成するために、ＩＲ発光体とＵＶ発光体との両方を、ＬＥＤ光源に追加することができる。このことは、図４によって図示される。

図４は、光源１１４の簡略化されたブロック図である。該光源は、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色（又は黄色）ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９を含む。例えば、ＵＶ発光体１２８は、ＵＶ・ＬＥＤであり、ＩＲ発光体１２９は、ＩＲ・ＬＥＤである。ＬＥＤドライバ１１３は、フォワード電流の振幅か又は信号のデューティーサイクルを制御し、従って、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９の各々についての輝度を制御する。

光学測定装置１２７は、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９によって生成される光スペクトルを測定する。光学測定装置１２７は、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９により生成された光スペクトルにおけるフィードバックを、フィードバック制御装置１１２に対して提供する。フィードバック制御装置１１２は、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９によって生成された光スペクトルが、ユーザ入力１１１によって要求された光スペクトルに一致するように、ＬＥＤドライバ１１３を制御する。

例えば、太陽光のＳＰＤに一致させるために、光学測定装置１２７は、赤色ＬＥＤ１２１、緑色ＬＥＤ１２２、青色ＬＥＤ１２３、琥珀色ＬＥＤ１２４、シアン色ＬＥＤ１２５、濃赤色ＬＥＤ１２６、ＵＶ発光体１２８、及びＩＲ発光体１２９によって生成された全ての光を含む広範囲のスペクトルにおける光強度を測定する。例えば、これを成し遂げるために、光学測定装置１２７は、分光計によって実行される。代替として、光学測定装置１２７は、光学センサの組合せによって実行される。このことは、図５によって示される。

図５は、様々な波長領域におけるスペクトル応答を有する光学センサの組合せによって実行される光学測定装置を示す。赤色光学センサは、赤色フィルタ６１と光センサ５１とによって実行される。赤色フィルタは、光源によって生成された光の赤色成分のみが通過することを許される。緑色光学センサは、緑色フィルタ６２と光センサ５２とによって実行される。青色光学センサは、青色フィルタ６３と光センサ５３とによって実行される。琥珀色光学センサは、琥珀色フィルタ６４と光センサ５４とによって実行される。シアン色光学センサは、シアン色フィルタ６５と光センサ５５とによって実行される。濃赤色光学センサは、濃赤色フィルタ６６と光センサ５６とによって実行される。ＵＶ光学センサは、ＵＶフィルタ６７と光センサ５７とによって実行される。ＩＲ光学センサは、ＩＲフィルタ６８と光センサ５８とによって実行される。アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）を例えば含むインターフェース６０は、フィードバック制御装置１１２に送られるフィードバック信号を生成する。

６つ及び８つの異なるスペクトルを有する光源が上記に説明されたが、その選択されたスペクトルと使用されたスペクトルの数とは、単なる例示であることが意図される。使用された特定のスペクトルとその異なるスペクトルの数とは、目標ＳＰＣと比較された時に、ある特定の生成されたＳＰＤについて望まれる所望の光スペクトルと精度とによって決定される。一般的には、スペクトルの数を増加させることによって、格差（ギャップ）がより少ない状態でより良くＳＰＤに一致させることができる。

上述の説明は、本発明の単なる例示的な方法と実施形態とを開示し、説明した。当業者であれば理解されるように、本発明を、その思想か又は本質的な特性を逸脱することなく、他の特定の形態において具現化することができる。従って、本発明の開示は、例示的であることが意図されるが、添付の特許請求の範囲において記載される、本発明の範囲を、限定しないことが意図される。

本発明の一実施形態による、光源の簡略化されたブロック図である。太陽光を表す１つのＳＰＤ曲線と、それぞれが、図１内に示された光源内のカラーＬＥＤの色出力を評価する追加の個々のＳＰＤ曲線とを示す。太陽光を表す１つのＳＰＤ曲線と、図１内に示された光源を表す追加のＳＰＤ曲線とを示す。本発明の別の実施形態による、光源の簡略化されたブロック図である。本発明の一実施形態による、光学測定装置の簡略化されたブロック図である。

符号の説明

１２フィードバック制御装置
２１光源、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）
２２光源、緑色ＬＥＤ
２３光源、青色ＬＥＤ
２４光源、琥珀色ＬＥＤ
２５光源、シアン色ＬＥＤ
２６光源、濃赤色ＬＥＤ
２７光学測定装置
５１光学センサ、光センサ
５２光学センサ、光センサ
５３光学センサ、光センサ
５４光学センサ、光センサ
５５光学センサ、光センサ
５６光学センサ、光センサ
５７光学センサ、光センサ
６１光学センサ、フィルタ
６２光学センサ、フィルタ
６３光学センサ、フィルタ
６４光学センサ、フィルタ
６５光学センサ、フィルタ
６６光学センサ、フィルタ
６７光学センサ、フィルタ
１１２フィードバック制御装置
１２１光源、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２２光源、緑色ＬＥＤ
１２３光源、青色ＬＥＤ
１２４光源、琥珀色ＬＥＤ
１２５光源、シアン色ＬＥＤ
１２６光源、濃赤色ＬＥＤ
１２７光学測定装置
１２８光源、紫外線発光体
１２９赤外線発光体

Claims

所望のスペクトルパワー分布曲線に従って、光を生成する方法であって、
複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）による光スペクトルを生成するステップと、
前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）により生成された前記光スペクトルを、光学測定装置（２７、１２７）によって測定するステップであって、該光学測定装置（２７、１２７）は、前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）によって生成された全光スペクトル内の光を検出することが可能となっていることからなる、ステップと、
前記測定された光スペクトルをフィードバックとして使用して、前記所望のスペクトルパワー分布曲線に近似するように、前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）によって生成された該光スペクトルを変化させるステップ
とを含む、方法。
前記所望のスペクトルパワー分布曲線は、あるＣＩＥ標準光であることからなる、請求項１に記載の方法。
前記光学測定装置（２７、１２７）は、様々な波長領域におけるスペクトル応答を有する複数の光学センサ（５１〜５７、６１〜６７）を備えることからなる、請求項１に記載の方法。
前記所望のスペクトルパワー分布曲線は、黒体曲線付近に存在する色温度による白色を提供することからなる、請求項１に記載の方法。
光源であって、
所望のスペクトルパワー分布曲線に従って光スペクトルを生成することが可能な複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）と、
前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）によって生成された前記光スペクトルを測定する光学測定装置（２７、１２７）と、
前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）についてのフィードバック制御装置（１２、１１２）であって、測定された前記光スペクトルに関する前記光学測定装置（２７、１２７）からの情報を使用して、前記所望のスペクトルパワー分布曲線に近似するように、前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）によって生成される光スペクトルを変化させる、フィードバック制御装置
とを備える、光源。
前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）は、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）（２１、１２１）、緑色ＬＥＤ（２２、１２２）、青色ＬＥＤ（２３、１２３）、琥珀色ＬＥＤ（２４、１２４）、シアン色ＬＥＤ（２５、１２５）、及び濃赤色ＬＥＤ（２６、１２６）を含む、請求項５に記載の光源。
前記複数の異なる光源（２１〜２６、１２１〜１２８）は、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）（２１、１２１）、緑色ＬＥＤ（２２、１２２）、青色ＬＥＤ（２３、１２３）、琥珀色ＬＥＤ（２４、１２４）、シアン色ＬＥＤ（２５、１２５）、濃赤色ＬＥＤ（２６、１２６）、紫外線発光体（１２８）、及び赤外線発光体（１２９）を含む、請求項５に記載の光源。
前記光学測定装置（２７、１２７）は、分光計である、請求項５に記載の光源。
前記光学測定装置（２７、１２７）は、様々な波長領域におけるスペクトル応答を有する複数の光学センサ（５１〜５７、６１〜６７）を備える、請求項５に記載の光源。
前記光学測定装置（２７、１２７）は、様々な波長領域におけるスペクトル応答を有する複数の光学センサ（５１〜５７、６１〜６７）を備え、
光学センサ（５１〜５７、６１〜６７）の各々は、フィルタ（６１〜６７）と光センサ（５１〜５７）とを備えることからなる、請求項５に記載の光源。