JP2009500786A - Ｌｅｄ照明器具の光出力を制御する制御システム - Google Patents

Abstract

この発明は、少なくとも１つのＬＥＤから成る単色ＬＥＤ群を有するＬＥＤ照明器具の光出力を制御する制御システムに関する。前記制御システムは、スペクトルフィルタと、光検出器とを有し、従って、前記光検出器は、スペクトル的にフィルタをかけられた前記ＬＥＤ群からの光を受け取る。前記光検出器は、制御装置に供給される応答信号を生成する。前記制御装置は、少なくとも部分的に前記応答信号に基づいて前記ＬＥＤ群の光出力を制御する。前記制御システムは、前記フィルタによって受け取られるＬＥＤ光の入射角を制限するよう構成される入射角制限装置を更に含む。

Description

本発明は、少なくとも１つのＬＥＤから成る単色ＬＥＤ群を有するＬＥＤ照明器具の光出力を制御する制御システムに関する。

本発明は、光検出装置にも関する。

ＲＧＢのＬＥＤ照明器具としても知られているカラー発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを持つ照明器具は、様々な色の光を生成し、それは、適切に組み合わされる場合、白色光を生成する。用途によっては、ＲＧＢの組み合わせによって生成される他の色も好ましく、他の用途では単色照明器具が用いられる。ＲＧＢのＬＥＤ照明器具は、例えば、ＬＣＤのバックライティング、市販の冷蔵庫の照明及び白色光照明に用いられる。

ＬＥＤをベースにした照明器具による照明には、問題点がある。なぜなら、個々のＬＥＤの光学特性は、温度、順方向電流及び経年劣化によって変化するからである。更に、等しいように作られている個々のＬＥＤの特性にもばらつきがある。より詳細には、同じＬＥＤ製造工程のロットによっても、メーカによっても、それらには著しいばらつきがある。従って、ＬＥＤ照明器具から放射される光の質には、著しいばらつきがあるおそれがあり、適当な光出力制御システムなしには所望の色及び所要の光度の光は得られないであろう。

米国特許番号第6,630,801号公報は、各々が独立したドライバによって駆動される複数のＬＥＤから成る、赤色、緑色及び青色のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ照明器具を開示している。各ＬＥＤ光源から放射される光は、各々のフィルタをかけられるフォトダイオード(filtered photodiode)及びフィルタをかけられないフォトダイオード(unfiltered photodiode)によって検出される。応答信号は、各ＬＥＤ光源の色度座標と相関している。各ＬＥＤ光源の色度座標と、所望の混色光の対応座標との間の差に応じて、各々のＬＥＤ光源を駆動する順方向電流が調節される。この方法は、ＬＥＤ照明器具のばらつきがあるＬＥＤ特性を或る程度までは補償するが、スペクトルシフトと、スペクトル広がり(spectral broadening)と、輝度変化とを区別することが出来ない。

この問題を解決する改善された方法は考えられている。これらの方法は、狭帯域フィルタ、好ましくは、例えばファブリペロ・エタロン(Fabry-Perot etalon)のような干渉フィルタを利用する。しかしながら、このようなフィルタの応答は、かなり改善される解決策の基盤は形成するが、フィルタがＬＥＤなどの拡散光源によって照明される場合、望ましくないように、スペクトル的に広がる。

本発明の目的は、干渉フィルタの上記の不利な点を改善する制御システムを提供することにある。

本発明によれば、この目的は、請求項１に規定されているような制御システムによって達成される。

本発明の或る態様によれば、少なくとも１つのＬＥＤから成る単色ＬＥＤ群を有するＬＥＤ照明器具の光出力を制御する制御システムが供給される。前記制御システムは、
− 前記ＬＥＤ群から放射される光を受け取るよう構成されるスペクトルフィルタと、
− 前記フィルタと光学的に接続され、前記フィルタを通過したスペクトル的にフィルタをかけられた光を検出し、応答信号を生成するよう構成される光検出器と、
− 前記光検出器と接続され、少なくとも部分的に前記応答信号に基づいて前記ＬＥＤ群の光出力を制御するよう構成される制御装置と、
− 前記フィルタによって受け取られるＬＥＤ光の入射角を制限するよう構成される入射角制限装置とを有する。

干渉フィルタの応答、即ち透過率は、受け取られる前記光の入射角に依存する。これは、前記フィルタへの入射角が異なる場合は異なる波長が通されることを意味する。前記フィルタをかけられた光のスペクトルは、前記入射角を適切に制限することによって、望ましく、狭いままにされる。本発明は、干渉フィルタに限定されず、任意のタイプのフィルタが用いられ得ることに注意されたい。しかしながら、請求項２及び３に規定されているような本発明の実施例によれば、狭帯域フィルタ、とりわけ、干渉フィルタが好ましい。なぜなら、これらのフィルタにおいては、狭める効果が有利であるからである。しかしながら、音響光学チューナブルフィルタ（参考文献：E.G. Bucher及びJ.W. CarnahanのApplied Spectroscopy vol. 53, 603 (1999)参照）、共鳴格子フィルタ（参考文献：F. LemarchandのOptics Letters, vol 23, 1149 (1998)参照）、及びフォトニック結晶をベースにしたフィルタ（参考文献：W.NakagawaのOptics Letters, vol. 27, 191 (2002)参照）などの他のタイプのフィルタもまた有用である。

請求項１の範囲は、単一の色又は多数の色を供給する１つ以上のＬＥＤ群、及び１つ以上のフィルタを対象として含むことにも注意されたい。複数のフィルタが用いられる場合、各フィルタには透過部(transparent portion)が設けられる。

請求項４に規定されているような制御システムの実施例によれば、前記フィルタと位置合わせされる透過部を持つ吸収層が設けられる。前記透過部に隣接する前記層の吸収特性のために、前記透過部をまっすぐ通り抜けるのに十分な小さい入射角を持つ光線だけ、又は少なくとも実質的には前記光線だけが、前記フィルタに到達する。前記透過部を囲む壁部における反射によって大きい角度の光線が前記フィルタに到達することは防止される。

請求項７に規定されているような制御システムの実施例によれば、前記光検出器、前記フィルタ及び前記入射角制限装置が互いに積み重ねられる層状構造が形成される。

以下、下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様、特徴及び利点を説明し、明らかにする。

図１は、本発明による制御システムの実施例を含むアプリケーションの例としてＲＧＢのＬＥＤ照明器具１を示している。制御システムは、照明器具１の出力を制御するよう構成され、照明器具１に組み込まれる。分かりやすくするために、非常に少ない素子しか持たない基本構造が示されている。従って、照明器具１は、１つの赤色、１つの緑色及び１つの青色のＬＥＤ群、即ちＬＥＤ光源２乃至４を持つ。各群２乃至４は、１つのＬＥＤから成り、ドライバ装置８の各々のドライバ５乃至７によって駆動される。制御システムは、制御装置９と、各ＬＥＤ群２乃至４のための２つの光検出器１０、１１と、各ＬＥＤ群２乃至４のためのスペクトルフィルタ１３とから成る。ＬＥＤ群２乃至４のうちの２つのための光検出器及びフィルタは破線だけで示されている。各光検出器１０、１１は、当業界で一般に知られているような適切な増幅及び信号変換回路を具備すると仮定されている。光検出器１０、１１は、フォトダイオードであるが、勿論、電荷結合素子又はフォトトランジスタなどの他の光検出素子であってもよい。

ここで、主に、赤色の制御の動作及び構造を説明する。他の色のための動作及び構造は、同様である。各光検出器１０、１１は、制御装置９の対応する入力部に接続される出力部を持つ。フィルタ１３は、狭帯域フィルタ、好ましくはファブリペロ・エタロンであり、例として、そのフィルタ特性Ｓｆ１が、ＬＥＤのスペクトルＳｐと一緒に、図２において概略的に示されている。フィルタ１３は、光検出器１０、１１のうちの第１光検出器１０の前に配設される。入射角制限装置１９は、フィルタ１３の前に配設される。光検出器１０、１１のうちの第２光検出器１１は、赤色ＬＥＤ２からのフィルタをかけられていない光を受け取る。

制御装置９は、ドライバコントローラ１６、リファレンスジェネレータ(reference generator)１７及びユーザ入力ユニット１８から成る。ユーザ入力ユニット１８は、リファレンスジェネレータ１７に接続され、リファレンスジェネレータ１７は、ドライバコントローラ１６に接続される。

この制御システムは、以下のように動作する。

各光検出器１０、１１は、応答信号を生成し、応答信号のレベルは、光検出器１０、１１を照明する光の量に関連する。スペクトル的にフィルタをかけられる光検出器１０は、フィルタ１３を通ったスペクトル的にフィルタをかけられた光を検出する。制御装置９は、ＬＥＤ２を制御／駆動するのに応答信号を使用し、ＬＥＤ２の発光のスペクトル及び輝度が応答信号に依存して調節されるようにする。高い制御精度を得るため、フィルタ１３に到達する光の入射角を制限するのに入射角制限装置１９が用いられる。このようにして制限される入射角は、狭いフィルタ応答を供給し、狭いフィルタ応答は、制御精度に寄与する。何の制限もないと、フィルタ応答において幾つかのピークが現れるかもしれず、これは、制御装置９に不明瞭な信号が供給されることをもたらし得る。換言すると、フィルタ１３を照明する光の拡散ビームに対して広がったフィルタ応答が生じるであろう。広がったフィルタ応答の発生は、制限装置１９を用いることで、少なくとも所望の程度までは防止される。以下で、これを更に説明する。

入射角制限装置１９の構造は図３に図示されている。この図は、光検出器と、フィルタと、制限装置とが組み合わされた構造物を示している。この組み合わされた構造物は、別個の光検出装置ともみなされ得るが、制御システムの一部を構成していてもよい。光検出器２０は、下部層２１に形成される。フィルタは、下部層２１の上に配置される中間層２３として設けられる。フィルタ層２３は、狭帯域ファブリペロ・エタロンとして形成される。図５を参照すれば、ファブリペロ・エタロン２３は、下部鏡２２と、上部鏡２６と、中間誘電体層２４とから成る。フィルタ２３の透過は、フィルタの表面法線(surface normal)を基準にした入射光の角度に依存し、これは、

で表わされ得る。ここで、kは、共鳴の次数を示す整数であり、λは、透過光のピーク波長であり、nは、誘電体層２４の屈折率であり、dは、誘電体層２４の厚さであり、Θは、入射角である。従って、ＬＥＤのような拡散光源２８が用いられる場合、フィルタ応答は広がり、前記フィルタ応答においては、図６に概略的に図示されているように、通過光に多数のピークが現れる。

制限装置は、フィルタ層２３の上に上部層２５として形成される（図４）。制限装置２５は以下のように形成される。中間層２３の上に吸収層２５として吸収材が配置される。吸収材の配置後、吸収層２５の上にフォトレジスト層が配置され、そこにパターンが形成され、それを介して、酸素プラズマで、吸収層２５を貫通する孔２７がエッチングされる。エッチングプロセスは、フィルタ層２３の上面において、即ち、ファブリペロ・エタロンの上部鏡２６の下で停止される。孔２７は、孔２７を通ってフィルタ層２３に到達し、フィルタ層２３を通過する光が、光検出器２０を照明するようにして、配置される。各孔２７が、制限素子２７を構成する。吸収材は、全ての可視光又は略々全ての可視光を吸収するようなものであるよう選ばれる。例えば、オプトエレクトロニクスアプリケーション用に設計されている無着色黒色ポリイミドである、Darc400という商品名で知られている化合物、又は化合物PSK 1000が、吸収層２５に適している。

それ故、図４においてΘ_maxで示されている十分に小さい入射角で入射する光線は、孔２７をうまく通り抜け、下にあるフィルタ層２３に到達する。大きすぎる入射角を持つ光線は、孔２７の内壁２９に到達し、そこで、吸収材によって吸収される。

光線が制限装置２７を通過することが許容される最大入射角Θ_maxは、透過部の幅と、吸収層２５の高さとの間の比、より詳細には、Θ_max = arctan(a/h)によって決定され、ここで、aは、孔２７の直径であり、hは、孔２７の深さである。上記のように、フィルタ層２３のファブリペロ・エタロンの透過波長は、入射角Θ_maxに依存する。制限装置１９によって制限されるような透過波長の許容偏差(allowed variation)は、

で表わされることができ、ここで、k、λ、n及びdは、上で定義されており、aは、好ましくは円形である透過領域の直径であり、hは、孔２７の内壁２９のような透過部の吸収側壁の高さである。フィルタ応答の望ましくない広がりを防止する比a/hの例は、以下のように与えられる。λ= 400nmと仮定しよう。 k = 2で許容Δλ_maxが5nmである場合は、8.8μmの高さhと、2μmの直径aを持つ孔が用いられ得る。λ= 600nmであり、k = 2でΔλ_maxが5nmである場合は、10.8μmの高さhと、2μmの直径aを持つ孔が用いられ得る。

上に記載されているのは、本発明による制御システムの実施例である。この実施例は、これに限定されない単なる例とみなされるべきである。当業者には明らかであろうように、本発明の範囲内で多くの修正例及び代わりの実施例が考えられる。

この出願のための、とりわけ、添付した特許請求の範囲に関しての、「有する」という動詞及びその語形変化の使用は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の要素又はステップを除外しないことに注意されたい。これは、当業者には明らかであろう。

本発明の実施例による制御システムを持つＬＥＤ照明器具の概略的なブロック図である。 図１のＬＥＤ照明器具において生じ得るスペクトル状態を例示するスペクトル図を概略的に示す。 図１の制御システムの一部の概略的な斜視図である。 図３に示されている部分の概略的な断面図である。 ファブリペロ・エタロンフィルタ層を概略的に示す。 フィルタ層の応答を概略的に示す。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのＬＥＤから成る単色ＬＥＤ群を有するＬＥＤ照明器具の光出力を制御する制御システムであって、
   − 前記ＬＥＤ群から放射される光を受け取るよう構成されるスペクトルフィルタと、
   − 前記フィルタと光学的に接続され、前記フィルタを通過した、スペクトル的にフィルタをかけられた光を検出し、応答信号を生成するよう構成される光検出器と、
   − 前記光検出器と接続され、少なくとも部分的に前記応答信号に基づいて前記ＬＥＤ群の光出力を制御するよう構成される制御装置と、
   − 前記フィルタによって受け取られるＬＥＤ光の入射角を制限するよう構成される入射角制限装置とを有する制御システム。
2. 前記入射角制限装置が、前記フィルタと位置合わせされた光透過部を有する光吸収層である請求項１に記載の制御システム。
3. 前記透過部が、前記吸収層における貫通孔を構成する請求項２に記載の制御システム。
4. 前記入射角が、前記吸収層の厚さと、前記透過部の幅との間の比に依存する請求項２又は３に記載の制御システム。
5. 前記フィルタが干渉フィルタである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の制御システム。
6. 前記フィルタが狭帯域フィルタである請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御システム。
7. 前記光検出器と、前記フィルタと、前記入射角制限装置とが、基板上に重ねて配置される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の制御システム。
8. 光にスペクトル的にフィルタをかけるよう構成されるスペクトルフィルタと、
   前記フィルタと光学的に接続され、前記フィルタを通過した、スペクトル的にフィルタをかけられた光を検出し、応答信号を生成するよう構成される光検出器と、
   前記フィルタによって受け取られる光の入射角を制限するよう構成される入射角制限装置とを有する光検出装置。
9. 前記入射角制限装置が、前記フィルタと位置合わせされた光透過部を有する光吸収層である請求項８に記載の光検出装置。
10. 前記透過部が、前記吸収層における貫通孔を構成する請求項８又は９に記載の光検出装置。

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