JP2009518799A - 照明ユニットの特徴を決定する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、照明ユニットの特徴を決定し、各々が異なる波長特徴を有する少なくとも２つの光束センサを有し、照明ユニットにより出射される光を測定するように備えられ、２つの測定を行う少なくとも２つ光束センサと、その測定及びセンサの波長特徴に基づいて照明ユニットについての主波長及び実際の光束を計算する手段とを有する装置に関する。本発明においては、光源についての所定のデータを必要とせず、又は温度測定を用いるような付加測定を実行することなく、主波長及び実際の光束の直接測定を行う。本発明はまた、そのような装置を用いるシステム及び照明ユニットの特徴を決定する対応する方法に関するものである。

Description

本発明は、照明ユニットの特徴を決定する装置及び方法に関する。本発明はまた、そのような装置を有する照明システムに関する。

混合色を得るように複数の着色ＬＥＤを組み合わせることは、照明装置において白色光又は着色光を生成する一般的な方法である。生成された光は、用いられるＬＥＤの種類により及び混合比により決定される。しかしながら、ＬＥＤの光学的特性は、ＬＥＤの構成要素の寿命の間に変化し、使用中にＬＥＤの温度が高くなるとき、光束出力は減少し、ピーク波長はシフトする。その結果、照明装置から出射される光は、温度及び構成要素のエージングに応じて、強度及び波長が変化する。

この課題を克服する又は緩和するために、使用中にＬＥＤの光学特性における変化を補償するように、種々の色制御システムが提案されてきている。例えば、光源からの数量（光強度）及びスペクトル（波長）情報を測定するシステムについては、米国特許第６，６１７，７９５号明細書に開示されている。それらの情報はまた、光源における数値及びスペクトル変化を補償するための情報を用いる外部の制御器に供給される。上記のシステムは、高信頼性の測定結果を得るように、光センサ及び熱センサの両方を用いる。このことは、それらのセンサが光源に結合された熱伝導性支持部材に熱的に結合される必要があるため、開示されているシステムを制限する。更に、光源における数値及びスペクトル変化についての妥当な補正を得るように、光源の最初の品質、光源が温度変化に対してどのように反応するか、及び光源が時間経過につれてどのように変化するかについて認識される必要がある。
米国特許第６，６１７，７９５号明細書

従って、本発明の目的は、従来技術の装置及びシステムの短所を実質的に克服する一方、コスト、空間及び製造の利便性に関する更に改善することができる光源の特徴を決定する装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１及び１５のそれぞれに記載している照明ユニットの特徴を決定する装置及び方法により達成される。更に、そのような装置を用いる有利な照明システムについては、請求項８に記載している。従属請求項には、本発明に従った有利な実施形態について記載している。

本発明の特徴に従って、少なくとも２つの光束センサであって、それらの光束センサの各々は、異なる波長特徴を有し、照明ユニットから出射される光を測定するように備えられている、光束センサと、前記測定及びそれらのセンサの波長特徴に基づいて照明ユニットのために主波長及び実際の光束を計算する手段と、を有する照明ユニットの特徴を決定する装置を提供する。

本発明は、異なる波長特徴を有する（少なくとも）２つの光束センサを有する照明ユニットからの光を測定することにより、それらのセンサの波長特徴のデータと共にそれらの測定が、光源についての所定のデータを必要とすることなく、又は温度測定を用いる等の付加測定を実行することなく、照明ユニットの主波長及び実際の光束を直接、計算するように用いられることが可能である。異なる波長特徴は、これに関連して、光束センサの各々が異なるスペクトル応答性（波長感度）を有することを意味すると理解される必要がある。

本発明の好適な実施形態においては、少なくとも２つの光束センサは、異なる波長依存性を有し、各々のセンサについて波長依存性光束測定をもたらす。異なる波長依存性は、これに関連して、光束センサの各々が異なるスペクトル応答性（波長感度）を有することを意味すると理解される必要がある。光束センサについてのこの異なるスペクトル応答性のために、測定結果は、光束センサの各々について異なり、それ故、少なくとも２つの光束センサによる波長依存性測定に基づく照明ユニットについての主波長及び実際の光束、並びに光束センサの波長依存性の容易な計算を可能にする。従って、この本発明の特徴は、温度測定を用いるような付加測定を実行することなく、又は光源についての所定のデータを必要とすることなく、主波長及び実際の光束を直接、計算することができる。波長依存性光束測定は、好適には、フィルタリングされたセンサにより行われ、異なるフィルタウィンドウが、その適用を適切にするように光束センサのスペクトル応答を調整するように用いられる。そのようにフィルタリングされたセンサは、安価な標準的な構成要素であり、それにより、その装置は、コストパフォーマンスが高いように実現されることが可能である。

他の好適な実施形態においては、光束センサの少なくとも一は、上記のように、波長依存性であり、波長依存性光束測定をもたらし、光束センサの少なくとも他の一は、波長非依存性又は実質的に波長非依存性であり、波長非依存性光束測定をもたらす。実質的に波長非依存性光束測定は、好適には、実質的に平坦なスペクトル応答を有するセンサ、即ち、対象の波長に亘って実質的に波長非依存性感度を有するセンサによりもたらされる。典型的な照明ユニットにおいては、この対象の波長領域は約３８０ｎｍ乃至７５０ｎｍの範囲内にある。この実施形態においては、実質的に平坦なスペクトル応答を有するセンサは、照明ユニットにより出射される光についての全光束を与え、実質的に平坦なスペクトル応答を有するセンサと共に、フィルタリングされたセンサは較正値に匹敵する波長シフトを与える。

好適には、波長及び光束を計算するように、計算手段は、各々の式が、異なるセンサについての測定及び波長依存性を有する、少なくとも２つの連立方程式を解くように適合され、主波長及び実際の光束は未知である。例えば、２つのセンサが用いられる場合、２つの連立方程式は一次結合により解くことができ、それ故、主波長及び実際の光束の両方を与える簡単な計算を与える。

好適には、センサｉの波長感度は、式で表される。この式の最も単純な形は、基本的には次式のようであり、
φ_ｉ＝φ_ｓ（ｃ_ｉ＋α_ｉλ_ｓ）
ここで、φ_ｉは波長依存性光束測定を表し、φ_ｓは実際の光束を表し、ｃ_ｉ及びα_ｉはセンサの波長依存性を表す定数であり、λ_ｓは主波長を表す。しかしながら、本発明で用いられるセンサは、それと異なるように挙動することが可能である。例えば、それらの定数の１つ又は両方は、φ_ｓの指数関数又は二乗依存性を有することが可能である。光束センサの一が実質的に波長非依存性光束センサである実施形態においては、センサの波長依存性を表す定数α_ｉは、波長の非依存性光束センサについて０である。

更に、各々の式は、好適には、センサについての光損失を表す、更なる定数Ｋ_ｉを有し、それ故、φ_ｉは更にＫ_ｉに依存する。定数Ｋ_ｉは、好適には、単独の構成ステップにおいて決定される。光損失は、一般に、少なくとも１つの光源の位置に対するセンサの位置に関連する。

その装置は、前記光束センサにおける温度依存性を補償するように温度センサを更に有することが可能である。このことは改善された測定精度を与え、一部の場合には、光束センサのスペクトルセンサに影響する温度変化を更に補償する。

本発明の他の特徴に従って、前記照明ユニットの特徴における変動を補償するように、前記装置により決定される波長依存性光束及び波長非依存性光束の少なくとも一に従って、照明ユニットと、その照明ユニットの特徴を決定する上記の装置と、照明ユニットの出力を調整する手段とを有する照明システムを提供する。

照明ユニットの出力を調整する手段は、例えば、所望の色点及び／又は色温度を実施の測定と比較し、例えば、環境の温度及び照明ユニットのエージングに関連する強度及び波長変動について照明ユニットの出力を調整するように備えられることが可能である。それにより、エージング又は環境の温度に拘わらず、所望の設定を維持することが可能である。

照明ユニットは、例えば、色可変照明ユニットであることが可能であり、照明ユニットは、ＬＥＤベースの照明ユニットであることが可能である。更に、照明ユニットは、異なる色の少なくとも２つの光源であって、各々の光源は、例えば、少なくとも１つのＬＥＤを有する、光源を有し、それ故、異なる色温度において白色光又は着色光を生成することを可能にする。異なる色の光源を有する照明ユニットのより高精度の制御及び調整を与えるように、一度に１つの色について、好適には、順次に決定されることが可能である。このことは、色の各々について、主波長及び実際の光束の両方を決定することを可能にする。色の各々について新しい波長及び実際の光束を与える場合、最初の（又は、所望の）全色点が維持されるように、新しい色点を計算することが可能である。換言すれば、主波長λ_ｓ及び実際の光束φ_ｓについて必要な補正を独立して適用することが可能である。更に、各々の色について光束をスケーリングすることにより、照明システムについての全光束を計算することができる。

実施形態のタイプに応じて、それらの決定及び調整を継続的に行うことが可能である。このことは、例えば、環境の温度における速い変化の場合に、直接、調整することができる。

更に、強度及び波長変動についての照明ユニットの出力の調整は、用いられる色補正調整アルゴリズムに応じて直接的に又は間接的に行われることが可能である。直接的な調整は、例えば、照明ユニットからの好ましい出力を表す設定値に対する補償を表すことが可能であり、ここでは、差分を０に近づける必要があり、他方、間接的な調整は、照明ユニットからの好ましい出力を表す設定値の補償又は再計算を表すことが可能である。

本発明の他の特徴に従って、光源の特徴を決定する方法であって、異なる波長特徴を各々、有する、少なくとも２つの光束センサにより照明ユニットから出射される光を測定するステップと、２つの光束を測定するステップと、前記測定及びそれらのセンサの波長特徴に基づいて、照明ユニットについての主波長及び実際の光束を計算するステップと、を有する方法を提供する。この方法は、上記のような本発明の特徴と同様の有利点を提供することができる。

本発明の上記の及び他の特徴については、以下に、本発明の現在の好適な実施形態を示す添付図を参照して、詳述する。

図１においては、本発明の現在の好適な実施形態に従った照明システム１００を示している。照明システム１００は、３つの異なる着色光源、即ち、３つのＬＥＤ Ｌ_１乃至Ｌ_３を有する照明ユニット１０１と、照明ユニット１０１の特徴を決定する装置１０２と、照明ユニット１０１から出射される光を調整する調整手段１０３と、を有する。調整手段１０３は、装置１０２及び照明ユニット１０１の両方に結合されている。

更に、装置１０２はまた、センサＳ_１及びＳ_２の各々について波長依存性光束測定を行う２つの波長依存性光束センサＳ_１及びＳ_２と、その測定及びそれらのセンサの波長依存性に基づいて、ＬＥＤの各々についての主波長及び実際の光束を計算する、センサＳ_１及びＳ_２に結合されている計算手段１０４と、を有する。

照明システム１００の動作中に、所望の色に対応するユーザ入力が、最初に入力される。所望の色は、照明ユニット１０１からの出力の調整により（３つのＬＥＤ Ｌ_１乃至Ｌ_３、例えば、１つの赤色、１つの緑色及び１つの青色のＬＥＤからの出力量を調整することにより）得られる。勿論、４つ以上のＬＥＤ、及び／又は少なくとも２つのＬＥＤを用いることが可能である。

しかしながら、上記のように、ＬＥＤの出力は、温度及び構成要素のエージングに依存して、動作中に強度及び波長において変動する傾向にある。それ故、照明システムの動作中に、ＬＥＤの各々からの光は、例えば、ＬＥＤの各々についての出力を時間シフトさせることにより、２つの波長依存性光束センサＳ_１及びＳ_２を用いて独立して測定される。その後、計算手段１０４は、ＬＥＤの各々についての主波長及び実際の光束を計算する。

その装置の動作について、ここで詳細に説明する。センサの各々についての式は、上記のように、基本的には次式のようであり、
φ_ｉ＝φ_ｓＫ_ｉ（ｃ_ｉ＋α_ｉλ_ｓ）
ここで、φ_ｉは波長依存性光束測定を表し、φ_ｓは実際の光束を表し、Ｋ_ｉはセンサの光損失を表し、ｃ_ｉ及びα_ｉはセンサの波長依存性を表す定数であり、λ_ｓは主波長を表す。

しかしながら、２つの波長依存性光束センサＳ_１及びＳ_２に代えて、その装置１０２は、上記の波長依存性光束測定を行う一の波長依存性光束センサＳ_１と、波長非依存性後続測定を行う他の一の波長非依存性光束センサＳ_２とを有することが可能である。それらの２つのセンサＳ_１及びＳ_２により、下で説明するように、それらの測定及びそれらのセンサの波長特徴に基づいて、ＬＥＤの各々についての主波長及び実際の後続を計算することがまた、可能である。

図２は、２つの例示としての光束センサＳ_１及びＳ_２について応答可能である相対的な波長依存性をグラフで示している。例えば、赤色、緑色及び青色の３つのＬＥＤ光源を有する照明ユニットを特徴付けるように、２つの光束センサの両方が、それらの色の各々についての光束を測定する（例えば、図４に関連付けて更に説明するように、一の光源がある時間に光を出射する時間多重化により）。ＬＥＤの各々についての主波長λ_ｓ及び実際の光束φ_ｓは、装置１０２が２つのセンサＳ_１及びＳ_２を有する場合には、上記のような、２つの光束センサの式（ｉ＝１及びｉ＝２）を結合させることによる一次結合を用いて計算されることが可能であり、次式のように表される。

φ_ｉ＝（Ｋ_２α_２φ_１−Ｋ_１α_１φ_２）／Ｋ_１Ｋ_２（α_２ｃ_１−α_１ｃ_２）
λ_ｓ＝φ_１／φ_ｓＫ_１α_１−ｃ_１／α_１
一次結合は、２つの光束センサＳ_１及びＳ_２は異なる波長依存性（即ち、センサについての波長依存性の定数ｃ_１及びα_１の少なくとも１つ）を有するために、可能である。センサの波長依存性の定数についての知識が、勿論、必要である。

しかしながら、上記のように、一の波長依存性光束センサＳ_１及び一の実質的に波長非依存性光束センサＳ_２、即ち、対象の波長領域に亘って実質的に平坦な感度応答性を有するセンサを有することが可能である。図３は、グラフが実質的に平坦なスペクトル応答を有する一の光束センサＳ_２及び他の一のフィルタリングされた光束センサＳ_１についての応答性に関連する波長依存性を示す場合について示している。この場合、波長に亘って実質的に平坦な応答を有する光束センサＳ_２は色の全てについての光束を与え、波長依存性応答を有する光束センサ、即ち、光束センサＳ_１は、光束センサＳ_２と共に、計算値に比べて波長シフトを与える。このことは、上記の式の特別な場合であり、センサＳ_２についての波長依存性は０であり、即ち、α_１＝０である。

照明装置１００を再び参照するに、主波長及び実際の光束の正確な解散の後、ＬＥＤの各々について、主波長及び実際の光束の計算を継続して実行し、新しい値を初期の値と比較し、その差分に応じて、照明ユニットの温度及びエージングに関連する強度及び波長変動ついて照明ユニットの出力を調整することにより、適切な調整が行われることが可能である。それにより、エージング及び環境の温度に拘わらず、そしてＬＥＤもついてのビニング（ｂｉｎｎｉｎｇ）、エージング及び／又は温度感度データの知識を有することなく、最初の色設定を維持することが可能である。現在好適な実施形態について、３つの光源を用いて説明されているが、当業者は、その方法は２つ又はそれ以上の光源（ＬＥＤ）により機能することを理解することができる。更に、測定精度を高くするように、センサの数を増加させることが可能である。

装置１０２が１つの波長依存性光束センサＳ_１及び１つの波長非依存性光束センサＳ_２を有する、他の実施形態においては、照明システムは、最初に較正され、基準ラムダ値及び基準絶対光束値を得ることが可能である。それらの基準値は、計算手段１０４に記憶されていることが可能である。全ての将来の測定においては、その場合、較正係数が計算されるそれらの値を参照する。この場合、光束センサＳ_２は絶対光束を測定し、この値を、最初の較正において測定された較正値と比較する。このことは、較正手段１０４が、調整手段１０３と協働して、例えば、温度のための、又はＬＥＤ Ｌ_１乃至Ｌ_３の寿命劣化のための絶対光束における増加又は減少を補償することを可能にする。絶対光束値が、光束センサＳ_２による測定により得られるとき、最初の較正において計算された基準ラムダ値に対して比較して、ラムダシフトを計算することが可能である。それらの値の両方により、温度及び寿命に亘って、照明システム１００の実質的に一定の色の出力を維持することが可能である。基準値はまた、２つの波長依存性光束センサが上記のように使用されるときに、用いられることが可能である。

ここで、図４を参照するに、図１の照明システムで用いられることが可能である時間多重化測定切り換えパターンを示している。図４に示すような切り換えパターンは順次切り換えパターンであり、ｔ_１において、ＬＥＤ Ｌ_１乃至Ｌ_３全てはオフに切り換えられる。ｔ_１とｔ_２との間のある時間に、計算手段１０４は光束センサＳ_１及びＳ_２をサンプリングし、それにより、環境光に関連する光束情報を得る。この環境光束情報は、必要に応じて、環境照明についての後続の測定を調整するように用いられることが可能である。当業者が理解しているように、より高精度を達成するように測定の各々についての複数のサンプリングを実行することが可能である。ｔ_２において、赤色ＬＥＤ Ｌ_１はオンに切り換えられ、計算手段１０４は光束センサＳ_１及びＳ_２をサンプリングする。後続して、ｔ_３において、赤色ＬＥＤ Ｌ_１はオフに切り換えられ、緑色ＬＥＤ Ｌ_２がオンに切り換えられる。計算手段１０４は、緑色ＬＥＤ Ｌ_２についての測定を行うように、もう一度、光束センサＳ_１及びＳ_２をサンプリングする。同じ測定ステップが、青色ＬＥＤ Ｌ_３について繰り返される。その後、計算手段１０４は、ＬＥＤの各々についての色点を計算し、それらを好ましい色点と比較し、好ましい色が得られるようにそれらのＬＥＤの各々に対して駆動信号を調整する。

所定の切り換えパターンの何れかの他の種類を用いることが可能であることが理解できる。例えば、図４に示している切り換えパターンに比べて、逆のタイプの切り換えパターンであって、ＬＥＤ Ｌ_１乃至Ｌ_３の全てをオフに切り換えることに代えて、ＬＥＤの１つのみが一度にオフに切り換えられる、切り換えパターンを用いることが可能である。連立方程式により、その場合、異なる色のＬＥＤの各々について、個別の色点を計算することが可能である。しかしながら、このことは、更に複雑なデコンボリューション処理を必要とし、また、計算手段１０４は、より複雑な信号処理を実行するように適合される必要がある。コストに関しては、このことは好ましくないが、どの種類の切り換えパターンが用いられるべきかをデザイン及び実施方法について判定されることを可能にする。更に、パルス幅変調（ＰＷＭ）システムにおいて、略１００％の高い有効なＰＷＭを得るように、２つ以上のＰＷＭ周期に亘って切り換えパターンを“伸長させる”ことが可能である。そのシーケンスはまた、アクティブにされる前に、一部のＰＷＭ周期をスキップすることが可能である。

当業者は、本発明が上記の好適な実施形態に限定されるものではないことを理解することができる。それとは対照的に、特許請求の範囲における範囲内で、多くの修正及び変形が可能である。例えば、環境温度の変化に関連する光束センサのスペック取る応答における変動を補償するように温度センサを用いることが可能である。更に、本発明は、有利であることに、ＯＬＥＤ、ＰＬＥＤ、有機ＬＥＤ、レーザ、ＣＣＦＬ、ＨＣＦＬ、プラズマランプ又はそれらの組み合わせ等の他の種類の光源と共に用いられることが可能である。

本発明の現在の好適な実施形態に従った照明システムのブロック図である。 本発明の現在の好適な実施形態に従った２つのフィルタリング光束センサについての応答可能である相対的な波長依存性を示すグラフである。 本発明の他の好適な実施形態に従った実質的に平坦なスペクトル応答を有する１つのフィルタリング光束センサ及び１つの光束センサについての応答可能である相対的な波長依存性を示すグラフである。 照明ユニットが３つの異なる色の光源を有する測定周期を示す図である。

Claims (15)

1. 照明ユニットの特徴を決定する装置であって：
   各々が異なる波長特徴を有し、前記照明ユニットから出射される光を測定するように備えられ、２つの測定を行う、少なくとも２つの光束センサ；及び
   前記測定及び前記光束センサの波長特徴に基づいて、前記照明ユニットについての主波長及び実際の光束を計算する手段；
   を有する装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記光束センサの少なくとも２つは異なる波長依存性を有し、各々のセンサについて波長依存性光束測定を行う、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記光束センサの少なくとも１つは波長依存性光束測定をもたらす波長依存性を有し、前記光束センサの少なくとも１つは波長非依存性光束測定をもたらす波長依存性を有する、装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の装置であって、前記計算手段は、少なくとも２つの連立方程式を解くように更に適合されている、装置であり：
   各々の式は、異なるセンサについての測定及び波長特徴を有し；そして
   前記主波長及び前記実際の光束は未知である；
   装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置であって、前記センサのうちのセンサｉについての前記式は、
   φ_ｉ＝φ_ｓ（ｃ_ｉ＋α_ｉλ_ｓ）
   であり、ここで、φ_ｉは光束測定を表し、φ_ｓは実際の光束を表し、ｃ_ｉ及びα_ｉは前記センサの波長特徴を表す定数であり、λ_ｓは主波長を表す、装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の装置であって、前記装置は、前記光束センサにおける温度依存性を補償するように、温度センサを更に有する、装置。
7. 請求項４又は５に記載の装置であって、各々の式は、前記センサについての光損失を表す定数Ｋ_ｉを更に有し、前記定数Ｋ_ｉは、好適には、信号計算ステップにおいて決定される、装置。
8. 照明ユニット；
   前記照明ユニットの特徴を決定するための請求項１乃至７に記載の何れかの装置に従った装置；
   前記照明ユニットの特徴における変動を補償するように、前記装置により決定される前記主波長及び前記実際の光束の少なくとも一に従って、前記照明ユニットの出力を調整する手段；
   を有する照明システム。
9. 請求項８に記載の照明システムであって、前記照明ユニットは色可変照明ユニットである、照明システム。
10. 請求項８又は９に記載の照明システムであって、前記照明ユニットは、発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースの照明ユニットである、照明システム。
11. 請求項８乃至１０の何れか一項に記載の照明システムであって、前記照明ユニットは、異なる色の少なくとも２つの光源を有する、照明システム。
12. 請求項８乃至１１の何れか一項に記載の照明システムであって、前記決定は、一度に１つの色について、好適には、順次に行われる、照明システム。
13. 請求項８乃至１２の何れか一項に記載の照明システムであって、前記決定及び調整は連続的である、照明システム。
14. 請求項８乃至１３の何れか一項に記載の照明システムであって、前記調整は直接的又は間接的である、照明システム。
15. 光源の特徴を決定する方法であって：
    各々が異なる波長特徴を有し、２つの測定を行う少なくとも２つの光束センサにより前記照明ユニットから出射される光を測定するステップ；及び
    前記測定及び前記光束センサの波長特徴に基づいて、前記照明ユニットについての主波長及び実際の光束を計算するステップ；
    を有する方法。

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