JP2009518840A - 改良発光ダイオードアレイ - Google Patents

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Abstract

【解決手段】
LEDアレイ及びこのLEDアレイを制御する方法が記述されている。LEDアレイは、１個以上のLED-光学センサ対を含み、このLED-光学センサ対内にて光学センサは組みなすLEDの光出力を測定する。本発明の幾つかの形態において、光学センサは、組みをなすLEDの光とは異なる波長の光を減衰するフィルタを備えている。本発明の幾つかの形態において、LED-光学センサ対は、外来光から少なくとも部分的に遮蔽されている。本発明の幾つかの形態において、複数のLEDセットが備えられ、各LEDセットは、異なる周波数の光を出力し、所望の光出力を提供するために制御可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、限定されるものではないが、その内部の発光ダイオード(LED)のパワー出力を監視し且つ制御する構成を備えたLEDアレイに関する。
公知のようにLEDの出力強度は概して、LEDの温度変化に伴って変化する。一般的に、一定の電流パワーが供給されれば、LEDの出力強度は温度の増加に連れて減少する。使用によってLEDが劣化したとき、一定の駆動電流でも、出力強度の更なる変化（通常は減少）がしばしば見られる。
幾つかの適用例では、LEDによって出力された光強度は重要ではなく、製造者の提示するパワー出力は予期され、そして、信頼できるものである。しかしながら、幾つかの適用例では、所定期間での個々のLEDにより提供されるパワー出力を知ることが重要となる。例えば、LEDアレイのパワー出力が重要となり勝ちな１つの適用例は、歯科処置での合成物の硬化である。
図１は、LEDの出力を監視するための監視システム２を示す。監視システム２は、LED４，このLEDから離れたフォトダイオードセンサ６及び制御回路８を備えている。監視システム２の使用時、LED４の出力はフォトダイオードセンサ６によって測定され、この出力に関するデータが制御回路８に送られる。監視システム２の１つの適用例において、LED４の出力がフォトダイオード６により検出され、所望の出力が得られるようにLED４の入力は制御回路８よって制御可能となっている。
監視システム２は簡便である利点を有するが、多数の欠点を有する。例えば、監視システム２は、LED装置のコンパクトさが重要となる分野には適していない。例えばこのような分野では、歯科治療や肌トリートメントにて使用される合成樹脂を硬化するためにLEDが使用され、LEDアレイはその処置領域に非常に近接する。また、離れたフォトダイオードセンサは背景光やアレイ内の他のLED（有れば）により出射された光等の外来光を記録し、測定の正確さを減少させる。
付け加えて、一般的に光検出器は光の多くの波長に対して敏感である。LEDアレイ内の分離した出射LEDチップから、１個以上の出射波長を含んだLEDアレイを遠隔的に監視することは、各LEDチップの型のため、光出力測定器の間にて混乱を導くことになる。例えば、１つの特定の光検出器は第１波長の光を出力する第１LEDから出力された光を検出するものであるが、検出を意図しない第２波長の光を出力する第２LEDから出力された光をも検出する。
LEDアレイは多くの適用分野を有し、これらの適用分野は、例えば歯科治療にて使用される合成物又は樹脂の硬化、歯科処置にて使用されるゲルのホワイトニング作用の活性化、ＵＶ光の使用による抗菌機能、そて、虫歯の撮像を含む。これら目的の少なくとも幾つかのためにLEDアレイの使用することは公知であるが、公知の装置には多数の問題がある。
また、LEDアレイは、娯楽用の照明、建築用の照明、医学又は歯科用の照明等、種々の照明のための光源として、新規且つ多様な適用が可能となる。ここでは波長の正確な混合（カラー）や、これら波長の強度が重要となり、そして、コンパクト化且つ安価を共に図る取り組みが望まれている。このような適用分野において、コンパクトで且つ制御が容易な多数の波長（カラー）の光源を有することはしばしば重要となる。また、要求されたときには光を弱くし且つ異なる波長の相対強度を変更可能とすることも重要となる。このような課題を効率良く達成するには、有効な光学的フィードバックが要求される。所望のカラーを出力するために異なる波長の光を混合する際、単一色の光源の強度が小さく変動しても、混合されたカラー源全体のカラー表示に関して重大な影響をもたらすことに留意すべきである。
前述の適用分野において、要求された光強度を達成するためには多数のLEDを使用することがしばしば必要となる。これを達成するための１つの取り組みは、多数個詰め込まれたLEDを使用することである。しかしながら、これは多くの適用分野にて、その装置の使用を困難にする。例えば、歯科への適用では、装置は患者の口腔内で使用されなければならない。代替の取り組みは、小さく且つ低パワーの装置を使用することであるが、このことはその使用時間を長くする傾向にある。これは魅力的ではない。例えば、歯科の患者の口腔内で合成物を硬化する際、その処置時間の増加は魅力的ではない。更に、使用に際し、非常に長い露光時間が付与されても、パワーレベルの閾値に達しない限り、所望の作用（例えば硬化）は開始されない。
LEDから高いパワー密度レベルを得るためには小さな領域に多数のLEDを設けることが知られている。一般的には、LEDは受け取った電力パワーの５〜２０％を光に変換する。従って、一般的には、LEDが受け取った電気エネルギの８０〜９５％が熱として浪費される。明らかに、小さな領域に多数のLEDを使用することは発生熱量の増加となり、このことは或方法により対処しなければならない。一般的に、このようなシステムに使用される熱管理システムは装置の全体サイズを大幅に増加させる。
歯科や医学等の他の分野、又は工業分野でのLEDアレイの使用に関し、他の問題は許容されるパワーレベルに関しての関連の規制に従うべきことである。１つの取り組みは使用前に、LEDアレイを較正することである。しかしながら、このような較正では、装置の使用中、検出されるべき装置のパワー出力を変化させることができない。従って、使用時、LEDの出力が安全限度を超えたレベルまで増加したか否かを検査する方法は無い。この問題を解決する１つの解決策は、装置の再較正をなすため、時々、装置の使用を停止することである。しかしながら、これは、装置の使用停止が適切な使用に有害となるような場合、は受け入れられるものではない。他の解決策は、使用時、パワー出力が危険な及び／又は非合法のレベルに上昇しないことを確実なものとすべく、関連の規制又は安全性の検討結果から許容されたパワーレベルよりも十分に低いパワーレベルにて装置を作動させることである。
本発明の目的は、従来技術のシステムの問題の少なくとも幾つかを処理し、従来技術の装置及び方法の代替となる装置及び方法を提供することにある。
本発明は発光ダイオードアレイを提供し、この発光ダイオードアレイは、複数の発光ダイオードと、１個以上の光学センサと、１個以上のフィルタとを備え、１個以上の光学センサは１個以上の発光ダイオードと組みをなして１個以上の発光ダイオード−光学センサ対を形成し、各発光ダイオード−光学センサ対の光学センサは、組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置され、そして、１個以上のフィルタの各々は発光ダイオード−光学センサ対の１個と組みをなし、各フィルタは組みをなす発光ダイオード−光学センサ対の発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有する光を減衰すべく配置されている。本発明の１つの形態において、１個以上の発光ダイオード−光学センサ対は外来光から少なくとも部分的に遮蔽されている。外来光は、発光ダイオードアレイ内の他の発光ダイオードからの光や背景光、実際には、光学センサと対をなす発光ダイオード以外の光源から光を含む。
本発明は発光ダイオードアレイを提供し、この発光ダイオードアレイは複数の発光ダイオードと、１個以上の光学センサとを備え、１個以上の光学センサは１個以上の発光ダイオードと組みをなして１個以上の発光ダイオード−光学センサ対を形成し、各発光ダイオード−光学センサ対の光学センサは、組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置され、１個以上の発光ダイオード−光学センサ対は外来光から少なくとも部分的に遮蔽されている。外来光は発光ダイオードアレイの他の発光ダイオードからの光や背景光、実際には、光学センサと対をなす発光ダイオード以外の光源から光を含む。本発明の１つ形態においては１個以上のフィルタが備えられており、１個以上のフィルタの各々は発光ダイオード−光学センサ対の１個と組みをなし、各フィルタは組みをなす発光ダイオード−光学センサ対の発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有する光を減衰すべく配置されている。
上述したように本発明の幾つかの形態は１個以上のフィルタを含んでいる。フィルタの使用により、発光ダイオード−光学センサ対の発光ダイオードの光とは波長が異なる波長を有する外来光は、フォトダイオードセンサに到達する前に減衰可能となる。フィルタの使用は、発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードの全てが同一波長の光を出力しないとき、又は、発光ダイオード−光センサ対の発光ダイオードの出力がオフ又は低強度光であるときに、特に有利なものとなる。本発明の幾つかの形態において、フィルタは組みをなす光学センサの表面に組み込まれている。代替の構成において、個々のフィルタは関連の発光ダイオード−光センサ対における発光ダイオードと光センサとの間に位置付けられている。
本発明の１つの形態において、光学センサは発光ダイオードアレイの発光ダイオードに組み込まれ、これにより、発光ダイオードアレイの発光ダイオード及び光センサは同一パッケージ内に設けられている。本発明の他の形態において、発光ダイオードアレイの光学センサ及び発光ダイオードは同一の一体的な装置の一部として提供される。
本発明の１つの形態において、光学センサはフォトダイオードである。しかしながら、当業者は他の適切な光学センサを知っており、それらの光学センサの詳細は省略する。
本発明の形態においてはシールドを含んでおり、このシールドは多くの異なる形態をとることができる。例えば、スクリーンが使用可能である。このようなスクリーンは関連する発光ダイオード−光センサ対を部分的に遮蔽するか、又は、その全体を遮蔽する。本発明の１つの形態において、光学センサは、個々の発光ダイオードからの光を光学センサに向けて通過可能する開口を除き、装置の残りから全体的に遮蔽されている。代替的又は付け加えて、発光ダイオード−光センサ対は発光ダイオードアレイの残りに対して沈下位置に配置可能である。代替的又は付け加えて、フォトダイオードはその周囲の回路要素よりも薄い基板を有するべく選択され、これにより、フォトダイオードは発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードの下側に位置付けられ、対をなす発光ダイオード以外の発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードから受け取る光量は減少される。代替的又は付け加えて、発光ダイオード−光センサ対にキャップを付けることができる。本発明の幾つかの形態において、発光ダイオード−光センサ対の全てが同一程度に遮蔽されることはなく、実際上、１個以上の発光ダイオード−光センサ対は遮蔽不要であってもよいことに留意すべきである。
複数の発光ダイオードは１個上の基板の同一側に取付け可能であり、これにより、発光ダイオード−光センサ対の発光ダイオードは発光ダイオードアレイ内の残りの発光ダイオードと同様に、実質的に同一の方向に光を通過させる。更に、光学センサは、複数の発光ダイオードと同様に１個以上の基板の同一側に取付けられている。代替の構成においては、光学センサが取付けられるフレームを備えており、使用時、フレームは、光学センサと組みをなす発光ダイオードに近接して位置付けられるべく発光ダイオードアレイに取付けられている。
本発明の１つの形態において、発光ダイオード−光学センサ対の一部を形成する発光ダイオードの幾つか又はその全てが発光ダイオードアレイの通常の機能の一部として使用可能である。本発明の他の形態において、発光ダイオード−光学センサ対の一部を形成する発光ダイオードの幾つか又はその全てが発光ダイオードアレイの通常の機能の一部として使用不能に遮蔽されている。
発光ダイオードアレイは、光学センサの少なくとも１個の出力に基づき、発光ダイオードの少なくとも幾つかの出力パワーを制御する制御回路を備えることができる。制御回路は、発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードの出力を監視可能である。ここでの監視は、連続的、周期的、又は、制御アルゴリズムが監視の要求を判定している間又はその時々に実施可能である。明らかに、監視の実施が多くなれば、発光ダイオードの出力は所望の出力により正確に一致する。しかしながら、監視が減少すれば、発光ダイオードアレイに関する演算負荷は低減する。
発光ダイオードは１個以上の発光ダイオードグループを含むことができ、各発光ダイオードグループは発光ダイオード−光センサ対の一部を形成する少なくとも１個の発光ダイオードを含んでいる。他の実施例においては、発光ダイオードグループはその全てではなく、その幾つかが発光ダイオード−光センサ対の一部を形成する少なくとも１個の発光ダイオードを含んでいる。
本発明の１つの形態において、１つのグループ内の各発光ダイオードは実質的に同一である。このような構成において、１つのグループ内の全ての発光ダイオードが同一又は同様な入力電流を有するなら、各発光ダイオードの出力は実質的に同一となる。従って、このようなグループ内における１個の発光ダイオードの出力を（例えば、光センサを使用して）測定すれば、この測定値はそのグループ内の各発光ダイオードの出力を示すことになる。
本発明の１つの形態において、１つのグループ内の全ての発光ダイオードよりも少ない数の出力が測定され、この測定結果に基づき、そのグループ内の各発光ダイオードの入力が制御される。１つの実施例においては、１つのグループ内の１個だけの発光ダイオードの出力が測定され、この測定結果に基づき、そのグループ内の各発光ダイオードの入力が制御される。
本発明の１つの実施形態において、発光ダイオードグループは列として配置されている。しかしながら、発光ダイオードグループは他の配置であってもよい。１つのグループ内の発光ダイオードは発光ダイオードアレイのあちこちに任意の形で分散させることもできる。
本発明の１つの形態において、各発光ダイオードグループ内の各発光ダイオードはそのグループ内の他の発光ダイオードと同一であり、そのグループ内の他の発光ダイオードに対する電流と同一又は同様な電流により駆動されるが、異なるグループ内の発光ダイオードは異なるものであるか及び／又は異なる電流により駆動可能である。従って、複数の発光ダイオードグループが備えられ、各発光ダイオードグループは異なる波長及び／又は強度の光を出力し、これにより、その使用中、光の出射体制の正確な適合及び／又は変更が可能となる。このような発光ダイオードアレイの自由度は非常に高い。
１個以上の光学センサは、所定期間内での１個以上の発光ダイオードの出力エネルギを判定可能とするため、１個以上の積分器と組みをなすことができる。この状況において、１つの積分器は、１つの光学センサによって検出されるエネルギのプロファイルに基づき、発光ダイオードアレイ内の１つの発光ダイオードによって出力された光エネルギ量を判定すべく配置される装置である。例えば、デジタル装置において、エネルギ出力は、読込みの時間間隔に関するデータとともに個別のパワー出力測定値から判定可能である。また、当業者は類似の積分器が使用可能であることを認識している。１つの積分器を使用することにより、所定期間での個別の発光ダイオード又は発光ダイオードグループによって出力された光エネルギの判定が可能となる。このような構成は、全体の光投与量が光エネルギのピークパワーよりも重要である処置分野にて有用となる。
発光ダイオードアレイは冷却手段を備えることができる。一例としての冷却手段はヒートシンク、ヒートパイプ、蒸発型の冷却システム、又は、直接的な流体冷却、即ち、空冷を含む。
発光ダイオードアレイは１個以上の安全装置を含むことができる。例えば、１個以上の発光ダイオードの出力パワーが所定の安全レベルを超えたなら、その発光ダイオードの入力が減少されるような１つの安全モニタが設けられる。例えば、１個以上の発光ダイオードの温度を監視するために温度センサを使用でき、その温度が所定温度を超えたなら、１個以上の発光ダイオードへのパワー入力が減少される。
また、本発明は光出射装置を提供し、この光出射装置は前述した発光ダイオードアレイを備えている。この発光ダイオードアレイはフィンガ、例えば、可撓性フィンガの端に設けることができる。代替的又は付け加えて、発光ダイオードアレイからの光は光ガイドを経由して走ることができる。本発明は、発光ダイオードの光強度の制御が可能となり、それ故、光強度を監視する手段としての外部のフォトダイオードを使用するシステムと比較した場合、光ガイドとの光結合に関し、比較的に高い効率が可能となるので、光ガイドを備えた出射装置のための発光ダイオードとして組み込むのに好適する。
大きな光出射装置を形成するために、装置は同様な又は他の装置とともに張り付け可能である。
装置は、発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードを冷却する冷却手段を含むことができる。一例としての冷却手段はヒートシンク、ヒートパイプ、蒸発型の冷却システム、又は、直接的な流体冷却、即ち、空冷を含む。
本発明は更に、複数の発光ダイオードの出力を制御すべく使用されるフィードバックシステムを備えることができ、ここでは、１個以上の発光ダイオードが１つの光センサと組みをなして１つの発光ダイオード−光センサ対を形成し、各発光ダイオード−光センサ対の光センサは組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置され、フィードバックシステムは１個以上の光センサの出力に基づき、発光ダイオードの少なくとも幾つかの出力パワーを制御する制御回路を含んでいる。
発光ダイオードは１個以上の発光ダイオードグループを含むことができる。各グループは１つの発光ダイオード−光センサ対の一部を形成する少なくとも１個の発光ダイオードを含むことができる。１つのグループ内の各発光ダイオードは実質的に同一である。
本発明の１つの形態において、フィードバックシステムは１つのグループ内の１個以上の発光ダイオードの出力を測定し、そのグループ内の他の発光ダイオードが同一の能力を有するかを判定する。そのグループ内の全ての発光ダイオードの出力は同様に制御され、測定されているグループ内の発光ダイオードの出力は所望の出力を有するまで監視される。そして、グループ内の全ての発光ダイオードが所望の出力を有するものと推定される。
本発明の１つの形態において、フィードバックシステムは、所定期間内での１個以上の発光ダイオードの出力エネルギを判定可能とする１個以上の積分器を含む。
本発明は更に、発光ダイオードを制御する制御方法を提供し、ここでは、発光ダイオードアレイは複数の発光ダイオードと、１個以上の発光ダイオードと組みをなして１個以上の発光ダイオード−光センサ対を形成する１個以上の光学センサとを備え、各発光ダイオード−光センサ対の光学センサが組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置されている。そして、制御方法は、１個以上の光学センサの出力に基づいて、発光ダイオードの少なくもと幾つかの出力パワーを制御する工程を含んでいる。
発光ダイオードは１個以上のグループをなし、１つのグループ内の各発光ダイオードはが実質的に同一である。更に、制御方法は、１つのグループ内の発光ダイオードの全てよりも少ない数の出力を測定する工程と、測定した出力に基づき、グループ内の各発光ダイオードの入力を制御する工程とを含んでいる。本発明の１つの形態において、制御方法は、１つのグループ内の発光ダイオードの１個だけの出力を測定し、この測定した出力に基づき、そのグループ内の各発光ダイオードの入力を制御する工程を含む。
更に、制御方法は、所定期間における１個以上の発光ダイオードのエネルギ出力を示す出力を提供するため、１個以上の光センサの出力を積分する工程を含む。
更に、制御方法は、発光ダイオード−光センサ対における発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有した光を減衰するため、光学センサに到達した光を濾波する工程を含む。本明細書の何れかにて論じられるように、これには様々な多数の濾波構成が可能である。
更に、制御方法は、１個以上の発光ダイオード−光センサ対を外来光から部分的に遮蔽する工程を含む。本明細書の何れかにて論じられるように、これには様々な多数の遮蔽構成が可能である。
発光ダイオードアレイは、発光ダイオードアレイ内の少なくとも幾つかの他の発光ダイオードの光とは異なる波長の光を出力する発光ダイオードを含む。更に、制御方法は、発光ダイオードアレイの所望のカラー出力を達成するため、発光ダイオードの入力を制御する工程を含む。
本発明の発光ダイオードアレイ及び光出射装置は、限定されるものでないが、合成物及び樹脂の硬化、例えば、歯科処置や、CDやDVDの製造にて樹脂の硬化等の工業的処理、歯科処置にて使用されるゲルのホワイトニング作用の活性化、抗バクテリア、抗菌、抗ウイルス又は抗寄生生物のための作用等、自動車の照明、交通信号等の信号、娯楽用照明、建築用照明、波長の正確な混合（カラー）、そして、波長の強度が重要となり及び／又はコンパクト且つ安価にして組込みが必要となる照明形態等の多くの分野にて使用可能である。
本発明の装置及び方法はその一例が添付の概略図面を参照して以下に説明される。
図２，３は本発明での使用に好適したLEDアレイ１０を示す。
LEDアレイ１０は６４個の発光ダイオード(LED)１２を備え、これらLED１２は８個ずつ８列にして配置されている。例えば、１つの列は参照符号１４で示されている。本発明の一実施形態において、１つの列中のLED１２は同一であって、同様又は同一の入力電流が供給され、これにより、１つの列中のLED１２は同一のパワー及び波長出力を有すべきものである。本発明の一実施形態において、異なる列中のLED１２は異なるものであるか、及び／又は異なる入力が供給され、これにより、異なる列は異なる波長及び／又はパワー出力を有する光出力を提供する。
例えば、LEDアレイ１０は、赤、青、緑及び紫外線の光に加えて、他の色の光を出力する列を有することができ、他の色はLEDアレイ１０によって発現される光品質を改善するために選択可能である。例えば、LEDアレイ１０から白色光を発生させるとき、他の色は琥珀色又は黄色である。
図２，３に示されるように、LED１２の列１４には、第１及び第２フォトダイオードセンサ１６，１８が備えられている。各フォトダイオードセンサはその列中の１個のLEDと対をなし、LED-フォトダイオード対２０を形成する。１つの列１４中の各LED１２が同一で且つ同一又は同様や入力電流を有するものであるなら、各フォトダイオードセンサは、１つの列中の各LED１２の出力測定を効果的に測定するものとなる。
LEDアレイ１０内において、各LED-フォトダイオード対２０は、その対のLEDにより出射された光以外に、フォトダイオードセンサにて検出される光の量を低減するため、部分なスクリーン２２を使用して他のLEDから遮蔽されている。
図２，３には複数のスクリーン２２が示されているが、これらスクリーン２２に代えて、又は、これらスクリーン２２とともに他の遮光形態を備えることも可能である。例えば、LED-フォトダイオード対２０はキャップで覆われてもよいし、又は、LEDアレイ１０内において、他のLEDに対する沈下位置に位置付けられていてもよい。明らかに、LEDアレイ１０内にて、LED-フォトダイオード対２０が他のLED１４からより完全に遮蔽されていればいるほど、フォトダイオードセンサの出力は測定すべきLEDの出力に正確に一致する。
付け加えて、沈下位置にLED-フォトダイオード対２０を配置する代わりに、フォトダイオードセンサがその回りの回路要素よりも薄い基板を有し、LEDアレイ内のLEDよりも低い位置へのフォトダイオードセンサの位置付けを選択することも可能である。このことは、そのフォトダイオードセンサが対をなすLED以外のLEDアレイのLEDから受け取る光量の低減効果をもたらす。
図２ａは、図２，３のLEDアレイ１０の変形例であるLEDアレイ１０’を示す。LEDアレイ１０’はスクリーンの配置を除き、LEDアレイ１０と同一である。LEDアレイ１０’はLEDアレイ１０と同様に、部分的なスクリーン２を含んでいる。LEDアレイ１０’は更に付加的なスクリーン２３を備え、このスクリーン２３はフォトダイオードセンサ１６，１８の各々を覆っている。それ故、LEDアレイ１０’によって提供される遮蔽は、LEDアレイ１０によって提供されるものよりも広範囲なものとなる。
図２，２ａに示されたスクリーン構成が種々に改良可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、スクリーン２３は、フォトダイオードセンサ１６，１８と組みをなすLEDの全てを覆うように延長することもできる。このようなスクリーン構成は遮蔽効果を更に増加させるものではあるが、フォトダイオードセンサ１６，１８と組みをなすLEDからの光がLEDアレイのパワー出力の一部として使用されないので、LEDアレイの有効パワー出力を低減することになる。
図２，３を参照して説明した例では、LEDアレイのLEDは実質的に同一のLEDの列にして配置されている。しかしながら、同一のLEDが列にして配置される必要はなく、同一LEDからなるセットをLEDアレイ内に任意のパターンにして配置可能である。
更に、図２，３を参照して説明したように、各LEDセットは８個のLEDからなる列を備え、２個のLED-フォトダイオード対を含んでいる。勿論、各LEDセット当たり、異なる数のLED-フォトダイオード対を備えることも可能である。正確さ及び確実さの要求が高ければ、各セットに備えられるフォトダイオードセンサの数もまた増加可能である。逆の場合、各セットに備えられるフォトダイオードセンサの数は減少可能である。
提供されるフォトダイオードセンサの数が各LEDセットにとって同一である必要が無いことに留意すべきである。実際には、セット中の幾つかが監視せずに使用されても適切であれば、セット中の少なくとも幾つかにLED-フォトダイオード対を備えないことも可能である。
従って、本発明の一実施形態において、LEDアレイは多数のLEDセットを含んでいて、各セット内のLEDは実質的に同一である。これらセット中の少なくとも幾つかは１個以上のLEDを含み、このLEDは１個以上のLED-フォトダイオード対と組みをなす。LED-フォトダイオード対の出力はそのセットの各LEDの出力を示す。各セットのLEDの同一性を確認するため、製造ステージ中、較正工程を付加することも可能である。
各LED-フォトダイオード対２０は、LEDアレイ１０を制御すべく使用されるフィードバック回路の一部を形成する。図４は、LEDアレイ１０を制御する制御回路２４のブロック図を示す。
制御回路２４は複数のLED制御ユニットを含み、１つのLED制御ユニットはLEDの各セットに備えられている。簡略化を図るため、制御回路２４は参照符号２６，２６’，２６’’で示された３個のみのLED制御ユニットを備えている。付け加えて、マスタコントローラ２８は各LED制御ユニットのための制御信号を供給する。
各LED制御ユニット２６，２６’，２６’’はそのセット内のLEDのための制御信号を供給する。上述したように、各フォトダイオードセンサはそのセット中の各LEDの出力を示す１個のLEDの出力を測定する。この測定結果は対応するLED制御ユニットに送られる。対応するLED制御ユニット内の演算部は所望の強度と測定した強度とを比較する。測定強度が所望の強度に一致するなら、LED制御ユニットは作動しない。測定強度が所望の強度に一致しないなら、LED制御ユニットは、要求される出力に必要なだけLEDに供給される電流を増減する。
本発明の一実施形態において、フィードバック回路は周期的に作動し、LEDに供給される電流を必要に応じて変更し、LEDの出力を確実に一定（又は一定ではない所望のレベル）に維持させる。本発明の他の実施形態において、フィードバック回路は、制御回路による監視工程が必要であると判定されている間、また、判定されたしたときに作動される。明らかに、断続的な監視工程間の時間間隔が短い程、LED出力は所望の出力により正確に合致する。更に、監視工程は、類似の技術を使用することにより連続しても実施可能である。勿論、本発明にて使用可能な多くの制御アルゴリズムが当業者にとって明らかであり、その使用可能な制御アルゴリズムの詳細は省略する。
本発明の１つの実施形態において、LEDに供給されるべき電流を推定する第１推定値の演算に温度が入力として使用される。これは、LEDが最初に通電されたとき、LEDの過剰な駆動や如何なる明滅も望まれないとから、有効である。一般的に、LEDの効率は温度が低下するに連れて改善されるで、LEDの温度が低下するとき、LEDは所定の光強度を出力するために少ない電流を要求する。測定温度に関連した電流入力を有することは、事実上要求される電流に近似した要求電流の初期推定を可能にする。LEDが一旦光を出射したとき、前述したように要求出力を提供すべく電流入力を調整するために、必要なら前述のフィードバック回路を使用可能である。
前述したように、本発明の１つの実施形態において、LEDの各セットは少なくとも１個のLED-フォトダイオード対を含み、各LED-フォトダイオード対は余分な光が測定に影響するのを阻止するため、少なくとも部分的に遮蔽されている。このようなシステムは、LEDの各セットを独立して監視し且つ制御可能にする。従って、例えばLEDの各セットが異なる波長を有しているならば、波長毎の全体の出力を独立して監視し且つ制御可能である。
また、LED制御ユニットは１つの演算を実施することができ、この演算にて、LEDの出力強度は時間に亘って積分され、所定時間内での所定のLEDセットから出力された光エネルギの測定量（ある分野では「投与量」として知られている）を得ることができる。積分は、読込みの間隔の間、パワー出力が一定であると仮定してパワー出力を断続的に読込み、読込んだパワー出力と間隔とを積算し、この積算結果を積分期間に亘って加算する形態である。勿論、このような積分工程を実施する種々のやり方は当業者にとって知られており、その詳細は省略する。
LED制御ユニットは、LEDの制御下にて、LEDがLEDアレイを介し、ある所定の光の投与量を出力するようにプログラムされている。このようにしてフォトダイオードセンサは、制御の対象としてよりも、光出力のモニタとして使用可能であり、LEDの光出力における増減は投与量を演算するための入力として使用される。例えば、これはパワーの正確なピークレベルよりも全体的な投与量が重要となる医療処置や、合成物、即ち、樹脂の硬化において有用である。
図４の実施例において、LED制御ユニット２６，２６’，２６’’の各々はマスタコントローラ２８によって更に制御される。マスタコントローラ２８は、LEDの各セットにより出射された光強度、LEDが駆動される期間を制御可能である。マスタコントローラ２８は振動アルゴリズムを含むことができ、LEDセットの強度を変化させ、そして、異なる波長間での可能となる切換えをなす。また、マスタコントローラ２８は、各LED制御ユニットがLEDアレイ中の１個以上のLEDの出力を検査すべきときを判定する。１つのプロセス中に使用される特別な合成物、即ち、ゲルはその硬化や、ホワイトニングを最適にするために個々の投与プロファイルを有する。このようなマスタコントローラ２８の使用はLEDアレイにおける取り扱いの自由度を高くする。
LED制御ユニットは安全モニタを含むことができ、このような安全モニタは、LEDの出力が所定の許容最大レベルを超えたなら、そのLEDへの電流入力を減少させ（通電停止）、これにより、最大パワーレベルを設定する規制に従うことができる。
更にまた、LED制御ユニットは１個以上の温度センサからデータを得ることもでき、これにより、LEDアレイの一部の温度が許容最大レベルを超えたなら、１個以上のLEDセットへの電流入力を減少可能となる（通電停止）。これは、例えばLEDアレイが患者の口腔内に挿入されることを意図した歯科の分野において、LEDアレイの温度が患者を不快にするレベルまで許容されるのは明らかに望ましいものではないので、有用なものとなる。
組込み型の較正センサシステムがLEDパワーを正確に制御し且つ所望のパワーレベルに迅速に調整可能とするために、温度センサを使用可能である。
LEDの温度依存性が大きい状況において、較正センサシステムは、ヒートシンク温度が上昇したとき、その強度を一定に維持すべくLEDへの電流を急速に増加させるために必要となる。しかしながら、最大のLED入力電流に達したとき、較正センサシステムは電流の調整から光出力の監視に切換え可能であり、これにより、（強度よりも）全体の投与量が重要な医学等への適用が可能となる。これは、その適用に際し、光の全体投与量が監視される程、温度の制御が重要ではない安価なシステムの製造に繋がる。
図５は、本発明の１つの態様としての光出射システム３０を示す。光出射システム３０はLEDアレイ１０を含み、このLEDアレイ１０は前述の形態を有する。
LEDアレイ１０は銅製の取付けブロック３２に取付けられており、この取付けブロック３２自体は末端フィンガ３４の端に取付けられている。例えば、末端フィンガ３４は患者の口腔内への挿入に適する。末端フィンガ３４は可撓性を有し、多数の位置へLEDアレイを操ることができる。
末端フィンガ３４は熱管理システム３６に取付けられており、この熱管理システム３６はLEDアレイ１０から熱を安全に放熱可能な位置まで取り除く。熱管理システム３６は、ヒートシンク、ヒートパイプ、蒸発型の冷却システム、直接的な流体即ち空気の冷却システム又はこれらの組合せ等、多数の形態の１つをとることができる。当業者は上述した中から何れかを実施することができ、また、使用可能な他の熱管理システムも知っている。従って、ここでは、適切な熱管理システムの議論は省略する。
LEDアレイ１０には熱管理システム３６、末端フィンガ３４及び取付けブロック３２を介して制御電子機器を含む印刷回路基板３８が接続されている。また、印刷回路基板３８には電源４０に接続され、コネクタ４２を有する。このコネクタ４２は例えば、代替電源を提供するか、又は、制御電子機器を遠隔的にプログラムするために使用可能である。
図６は光出射システム３０’を示し、この光出射システム３０’は前述の光出射システム３０と同様なものである。光出射システム３０’は、LEDアレイ１０’、銅製の取付けブロック３２’、熱管理システム３６’、印刷回路基板３８’、電源４０’及びコネクタ４２’を含み、これらは前述の光出射システム３０の対応する部位と同一又は同様なものである。取付けブロック３２’は熱管理システム３６’に直接に結合され、末端フィンガ３４は省略されている。必要に応じてLEDアレイ１０’の光出力を導く光ガイド４４’が備えられている。
光出射システム３０’は、例えばLEDアレイによって発生される熱に関し、安全性の観点からシステムの末端にLEDアレイを有するのが適切でない状況において適切なものとなる。
光ガイド４４’は如何なる形態であってよい。実際上、各々がその適用のために構成された交換可能な多数の光ガイドが提供可能となっている。
本発明の変形例において、LEDアレイはマウスガードの形態にて提供され、このマウスガードは使用時、所望の投与量の光放射に対して大きな領域を露出させるために、患者の歯列を覆って配置される。このようなマウスガードは例えば、上述した形態での治療やホワイトニング又は抗菌性を付与するため使用される。
本発明は、一般的に医学や歯科への適用に関して説明されている。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明のLEDアレイは多くの照明分野にも使用可能であり、この照明分野は限定されるものでないが、娯楽用照明、建築用照明、自動車の照明、交通信号等の信号照明を含んでいる。
医学や歯科の分野に関する限りにおいて、本発明は歯科医や歯科衛生士等の医療専門家や、家庭での未訓練の個人による使用に好適すべく構成可能である。
LEDアレイは８×８配列の６４個のLEDを含んでいるが、LEDアレイは如何なるサイズを有するものであってもよい。例えば、出願人は１６００個のLEDを含んだLEDアレイを製造しており、このLEDアレイでは８０×２０の配列で配置され、２０個のフォトダイオードセンサを含んでいる。
図７は、図２、２ａ，３のLEDアレイ１０の変形例としてのLEDアレイ１０’’を示す。LEDアレイ１０’’は、各LED-フォトダイオード対２０のLEDとフォトダイオードセンサとの間にフィルタ１７が備えられていることを除き、LEDアレイ１０と同一である。フィルタ１７は、対応するLEDによって出力された光波長に一致するバンド幅内の光を通過させる。このようにして、LED-フォトダイオード対のLEDの波長以外の波長を有する周囲の光はフォトダイオードセンサに到達する前に減衰される。図７の構成は、LEDアレイ中のLEDの全てが同一の波長を有するものではないときに特に有用となる。この場合、LED-フォトダイオード対のLEDに近接した１つのLEDによって出射された光が異なる波長を有し、そして、この光がフォトダイオードセンサによって出力される信号に影響を及ぼす状況にあっても、このような光は減衰される。また、図７の構成は、LED-フォトダイオード対のLEDが光を出射しないか又は低い強度の光を出射し、フォトダイオードセンサに到達する過度な光がフォトダイオードセンサの出力に重大な影響を及ぼすときに有用である。
図７において、フィルタは別個の回路要素として示され、LED-フォトダイオード対のLEDとフォトダイオードセンサとの間に位置付けられている。この構成は本質的なものではない。例えば、フィルタは、フォトダイオードセンサの表面上に一体的に組み込み可能である。
図２，２ａ，３を参照して説明した実施例において、LEDアレイのLEDは実質的に同一のLEDからなる列にして配置されている。しかしながら、列中に同一のLEDを配置する必要はない。同一LEDのセットは、LEDアレイ内に任意のパターンで配置可能である。
図８は、本発明の１つの実施例としてのLEDアレイ５０の平面図である。このLEDアレイ５０は４個のLEDグループを備え、各LEDグループは４個のLEDからなっている。各LEDグループのLEDは分散して配列されている。第１LEDグループは赤のLED５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを含む。第２LEDグループは緑のLED５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４２ｄを含む。第３LEDグループは青のLED５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄを含む。第４LEDグループは黄のLED５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄを含む。LEDアレイ５０は更に、フォトダイオードセンサ６０，６２，６４，６６と、これらフォトダイオードセンサとそれぞれ組みをなすフィルタ６１，６３，６５，６７とを含む。
LEDアレイ５０における各LEDグループは、１つのLED-フォトダイオード対を含む。詳しくは、LED５４ａとフォトダイオードセンサ６０、LED５４ｂとフォトダイオードセンサ６２、LED５６ｄとフォトダイオードセンサ６４、LED５８ｃとフォトダイオードセンサ６６は第１、第２、第３及び第４LED-フォトダイオード対をそれぞれ形成する。また、LEDアレイ５０はLED-フォトダイオード対の回りに部分的なシールド７０を備えている。
LEDアレイ５０の使用において、フォトダイオードセンサ６０，６２，６４，６６は、緑、赤、青及び黄の光を表す信号をそれぞれ出力する。これら信号はコントローラに供給され、このコントローラは所望の光出力を提供するため、LEDグループに供給される電流を制御する。
前述の実施例において、フォトダイオードセンサはLEDアレイと同様に基板上に位置付けられている。これは本質的なことではない。例えば、LEDアレイとともに使用されるフレームを備えることができ、このフレームにはフォトダイオードセンサが一体的に組み込まれている。使用時、フォトダイオードセンサが監視対象のLEDの近傍に位置付けられるべく、フレームはLEDアレイの上面に載置される。この構成は、LEDアレイ内に泡を閉じ込める可能のあるカプセル化材料の使用に起因した幾つかの問題を解消する利点を有する。このような構成において、フォトダイオードセンサを含むフレーム及びLEDアレイは互いに貼付けられ、一体化したLED-検出アレイを提供する。例えば、図９は一例としてのフレーム８０を示し、このフレーム８０は複数の光学センサ８２を備え、これら光学センサ８２はシールド８４により分離されている。フレーム８０は窓８６を形成し、このフレーム８０ともに使用されるLEDアレイのLEDからの光はフレーム８０の窓を通じて通過可能である。勿論、シールド８４は異なる形態をとることができ、又は、シールドが要求されないか、フレームが使用されるLEDアレイによりシールドが提供されている場合には、シールドは完全に省略可能である。図９は、２個の光学センサ８２のみを示しているが、勿論、それ以上の光学センサであってよく、これ光学センサはフレーム回りの他の箇所に配置可能である。
１つの適用例において、本発明のLEDアレイは液晶ディスプレイ(LCD)のバックライトとして使用可能である。例えば、（赤、緑及び青のLED等の）LEDグループは密集した集団とし配置され、各LED集団は光学モニタを備えている。集団は大きなパネル内に分布されて大きな照明パネルを形成する。
本発明の他の適用において、LEDアレイは燐光塗膜とともに使用でき、この燐光塗膜はLEDアレイによって出力された光を異なる波長を有した光に変換するために使用される。このような適用においては、LEDアレイ自身によって出力された光が光学センサにより監視可能となるように、燐光塗膜によって出力された光を濾波するフィルタを含むことができる。
LEDの出力を監視する公知の監視システムを示した図である。 本発明のLEDアレイを斜視図である。 図２のLEDアレイの変形例を示した斜視図である。 図２のLEDアレイの平面図である。 図２，２ａ，３のLEDアレイのための制御システムの一例を示したブロック図である。 本発明のLEDアレイを使用した光出射システムの側面図である。 図５のシステムの変形例を示した図である。 本発明の１つの形態であるLEDアレイの平面図である。 本発明の１つの形態であるLEDアレイの平面図である。 本発明の一実施例にて使用されたフレームの斜視図である。

Claims (30)

  1. 複数の発光ダイオードと、１個以上の光学センサと、１個以上のフィルタとを備え、
    前記１個以上の光学センサは１個以上の発光ダイオードと組みをなして、１個以上の発光ダイオード−光学センサ対を形成し、
    前記各発光ダイオード−光学センサ対の光学センサは、組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置され、
    前記１個以上のフィルタの各々は前記発光ダイオード−光学センサ対の１個と組みをなし、前記各フィルタは組みをなす発光ダイオード−光学センサ対の発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有する光を減衰すべく配置されている、発光ダイオードアレイ。
  2. 前記フィルタは、組みをなす光学センサの表面に組み込まれている請求項１の発光ダイオードアレイ。
  3. 複数の発光ダイオードと、１個以上の光学センサとを備え、
    前記１個以上の光学センサは１個以上の発光ダイオードと組みをなし、１個以上の発光ダイオード−光学センサ対を形成し、
    前記各発光ダイオード−光学センサ対の光学センサは、組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置され、
    前記１個以上の発光ダイオード−光学センサ対は、外来光から少なくとも部分的に遮蔽されている、発光ダイオードアレイ。
  4. １個以上のフィルタを更に備え、
    前記１個以上のフィルタの各々は前記発光ダイオード−光学センサ対の１個と組みをなし、前記各フィルタは組みをなす発光ダイオード−光学センサ対の発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有する光を減衰すべく配置されている、請求項３の発光ダイオードアレイ。
  5. 前記フィルタは、組みをなす光学センサの表面に組み込まれている請求項４の発光ダイオードアレイ。
  6. 前記１個以上の発光ダイオード−光学センサ対は、外来光から少なくとも部分的に遮蔽されている、請求項１又は２の発光ダイオードアレイ。
  7. 前記発光ダイオード−光学センサ対の遮蔽を提供するために１個以上のスクリーンを更に備える、請求項３〜６の何れかの発光ダイオードアレイ。
  8. 前記１個以上のスクリーンは部分的なスクリーンである、請求項７の発光ダイオードアレイ。
  9. 前記発光ダイオード−光学センサ対の少なくとも１個は、前記発光ダイオードアレイの残部に対しての沈下位置に設けられている、請求項１〜８の何れかの発光ダイオードアレイ。
  10. 前記複数の発光ダイオードは１個上の基板の同一側に取付られている、請求項１〜９の何れかの発光ダイオードアレイ。
  11. 前記光学センサは、前記複数の発光ダイオードのように前記１個以上の基板の同一側に取付られている、請求項１０の発光ダイオードアレイ。
  12. 前記発光ダイオードアレイを部分的に覆うフレームを更に備えており、前記１個以上の光学センサの少なくとも１個は前記フレームに取付られている、請求項１〜１０の何れかの発光ダイオードアレイ。
  13. 前記光学センサの少なくとも１個の出力に基づいて、前記発光ダイオードの少なくとも幾つかの出力パワーを制御する制御回路を更に備えている、請求項１〜１２の何れかの発光ダイオードアレイ。
  14. 前記発光ダイオードは１個以上の発光ダイオードグループをなす、請求項１〜１３の何れかの発光ダイオードアレイ。
  15. 前記各発光ダイオードグループは、１つの発光ダイオード−光学センサ対の一部を形成する少なくとも１個の発光ダイオードを含む、請求項１４の発光ダイオードアレイ。
  16. １つグループ内の各発光ダイオードは実質的に同一である、請求項１４又は１５の発光ダイオードアレイ。
  17. １つのグループ内における発光ダイオードの全てよりも少ない数の出力が測定され、この測定に基づいて前記グループ内の各発光ダイオードの入力が制御される、請求項１４〜１６の何れかの発光ダイオードアレイ。
  18. 前記１個以上の光学センサは、所定期間内での前記１個以上の発光ダイオードのエネルギ出力を判定可能とするために積分器と組みをなす、請求項１〜１７の何れかの発光ダイオードアレイ。
  19. 発光ダイオードアレイ内の異なる発光ダイオードは異なる波長の光を出力する、請求項１〜１８の何れかの発光ダイオードアレイ。
  20. 請求項１〜１９の何れかの発光ダイオードアレイを備えた光出射装置。
  21. 前記発光ダイオードアレイは可撓性フィンガの端に設けられている、請求項２０の光出射装置。
  22. 前記発光ダイオードアレイからの光は光ガイドを経由して走る、請求項２１の光出射装置。
  23. 前記発光ダイオードアレイ内の発光ダイオードを冷却する冷却手段を更に備える、請求項２０〜２２の何れかの光出射装置。
  24. 複数の発光ダイオードと、１個以上の発光ダイオードと組みをなして１個以上の発光ダイオード−光センサ対を形成する１個以上の光学センサとを備え、各発光ダイオード−光センサ対の光学センサが組みをなす発光ダイオードの光出力を測定すべく配置されている発光ダイオードアレイの制御方法であって、前記１個以上の光学センサの出力に基づいて、前記発光ダイオードの少なくもと幾つかの出力パワーを制御する工程を含む、発光ダイオードアレイの制御方法。
  25. 前記発光ダイオードは１個以上のグループをなし、１つのグループ内の各発光ダイオードが実質的に同一であり、
    前記制御方法は更に、
    １つのグループ内の発光ダイオードの全てよりも少ない数の出力を測定する工程と、
    測定した出力に基づき、前記グループ内の各発光ダイオードの入力を制御する工程と
    を含む、請求項２４の発光ダイオードアレイの制御方法。
  26. 所定期間での１個以上の発光ダイオードのエネルギ出力を示す出力を提供するため、前記１個以上の光センサの出力を積分する工程を更に含む、請求項２４又は２５の発光ダイオードアレイの制御方法。
  27. 前記発光ダイオード−光センサ対の発光ダイオードの光とは異なる波長出力を有した光を減衰するために、前記光学センサに到達した光を濾波する工程を更に含む、請求項２４〜２６の何れかの発光ダイオードアレイの制御方法。
  28. １個以上の前記発光ダイオード−光センサ対を外来光から部分的に遮蔽する工程を更に含む、請求項２４〜２７の何れかの発光ダイオードアレイの制御方法。
  29. 前記発光ダイオードアレイは、前記発光ダイオードアレイ内の少なくとも幾つかの他の発光ダイオードの光とは異なる波長の光を出力する発光ダイオードを含む、請求項２４〜２８の何れかの発光ダイオードアレイの制御方法。
  30. 前記発光ダイオードアレイの所望のカラー出力を達成すべく、前記発光ダイオードの入力を制御する工程を更に含む、請求項２９の発光ダイオードアレイの制御方法。
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