JP2009524187A - 色制御照明装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば、異なる主要色のＬＥＤ(L1,L2,L3,L4)などの複数の発光器を含む色制御照明装置1に関する。異なる誘電フィルタ層21で覆われたフォトダイオード20からなる光検出器D1,D2,D3は、関連するスペクトル範囲全体において延在する個別振動検出感度曲線を用いて、発光器L1,L2,L3,L4の光出力を測定する。制御ユニット14において、照明装置1の実際の色点が計算され、発光器L1,L2,L3,L4の放射は、例えばＣＩＥ三刺激値などを用いて与えられる目標色点(X,Y,Z)_targetと一致させるために、独立して適合される。

Description

本発明は、発光器及び光検出器を有する照明装置に関する。更に、本発明は、このような照明装置に関して適した光検出器、及びこのような照明装置を監視する方法、に関する。

広範囲の色を生成することが可能である照明装置（ランプ）を設計するために、異なる色を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用され得る。これらのＬＥＤは、全ての可能な線形組合せにより実現され得る色全域を示す色空間における副領域を規定する。しかし、高出力ＬＥＤにおいて消費される電力は、185℃に近い活動領域の温度上昇を導く。温度が上昇すると、ＬＥＤの強度は低下し、スペクトル位置は、人間の目にとって目立つほどに且つ不所望にシフトする。したがって、ランプによって放出される実際の色点を決定することは、ランプの動作において、ＬＥＤの主要色の最新のスペクトル情報を必要とする。

米国特許出願書類US2003/111533A1号により、赤、緑及び青色のＬＥＤがそれぞれの光出力に基づくフィードバックループで個別に制御される照明装置が知られる。光出力の測定は、特定の制限されたスペクトル帯域の光のみを通過させる異なる色フィルタの後部に配置される光感知素子を用いて達成される。ＬＥＤによって放出されるスペクトルがこのようなスペクトル帯域の外側に含まれる場合、対応するセンサは、測定に対して実質的に何も貢献しない。

この状況に基づき、本発明の目的は、照明装置の色の、簡素で且つ信頼性の高い監視及び制御のための手段を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載の照明装置、請求項１０に記載の光検出器、及び請求項１５に記載の方法によって達成される。好ましい実施例は、従属項に開示される。

第１の態様に従うと、本発明は以下のコンポーネントを含む照明装置に関する。
ａ）少なくとも１つの発光器。発光器は単一の又はいくつかの、同一又は別個のランプの組合せであり得る。更に、照明装置全体の光出力は、１つより多い発光器が存在する場合、全ての発光器の光出力の重ね合わせであることを理解される。
ｂ）上述の発光器の光出力を測定する少なくとも１つの光検出器であって、当該光検出器の検出感度曲線が前記発光器のスペクトル範囲全体において振動状(oscillating)（擬似周期的(quasi-periodic)）に延在する、光検出器。発光器の「光出力」は、そのスペクトルによって、すなわち単位波長毎の波長依存発光強度（単位：W/m³）として、通常規定される。測定において、このスペクトルは、測定装置のスペクトル検出感度曲線と重畳される。
ｃ）上述の光検出器に接続され、前記光検出器からの（測定された光出力を示す）測定信号を受信し、前記発光器の光出力の特性値を決定するように構成される、処理ユニット。特性値は、例えば、発光器の色点、又は色再生指数を含み得る。

説明される照明装置は、発光器のスペクトル範囲全体において延在する検出感度曲線を利用する。発光器によって生成され得る全ての放射スペクトルに関して、光検出器は、したがって、照明装置の光出力の測定に寄与する。このことは、最大量の情報が、実際の光出力の特性解析に関して入手可能であることを保証する。

本発明の更なる展開に従うと、照明装置は、異なる放射スペクトルを有する少なくとも２つの発光器を含む。このことは、発光器の相対的強度を変化させることにより異なる色点を生成することを可能にする。異なる放射スペクトルを有する発光器の実際の数は、照明装置において任意に多くあり得る。好ましくは、照明装置は、異なる放射スペクトル（例えば、赤、緑及び青において最大値を有する）３つ（以上）の発光器を含む。この場合、色空間全体の大きな副空間を含み得る３つの主要色が入手可能である。

少なくとも２つの発光器が存在する場合、処理ユニットは、具体的には、前記発光器を、これらの共通光出力が、前記光出力の所与の特性値、特に所与の色点に最適に一致するように、閉制御ループで独立して駆動させるように構成され得る。この点において、「最適な一致」は、照明装置の光出力が、(i)所定の特性値に性格に一致する、又は(ii)前記特性値に可能な限り近くに近づく（例えば、使用される発光器を用いて可能な限り近くまで、色距離の所定の測定基準を用いて、所定の色空間における所与の色点に近づく）、ことを意味する。照明装置の発光のフィードバック制御を達成するための処理ユニットの適切な設計は、当業者によって直ちに設計され得る。適された制御器の例は、更に、文献(例えば、米国特許出願書類第US2005/122065A1号、第US2003/111533A1号、第US2005/062446A1号を参照)において確認され得る。

本発明の別の実施例において、照明装置は、好ましくは、発光器の光出力を測定するための個別のスペクトル検出感度曲線を有する少なくとも２つの発光器を含み、前記検出感度曲線のそれぞれは、発光器により扱われるスペクトル範囲全体において振動状に延在する。光検出器の個別の振動状（疑似周期的）検出感度曲線は、個別の光検出器の測定が、独立しており、また異なるスペクトルを識別することが可能であるために互いに十分に区別可能であることを保証する。

異なるスペクトル検出感度曲線を有する光検出器の数が多いほど、これらの共通測定値によって達成され得るスペクトル解像度は良好になる。好ましくは、照明装置は、異なる検出感度曲線を有する３つの光検出器を含み、この理由は、この数が、精度と費用との間において良好な妥協を提供するからである。当然、より多くの光検出器の数も使用され得る。

発光器が原理的にいかなる種類のランプ（又はランプの群）であり得る一方で、これらがＬＥＤ、蛍光体変換ＬＥＤ、レーザー、蛍光体変換レーザー、色付き蛍光灯、フィルタされる（色付き）ハロゲンランプ、及び／又はフィルタされる（色付き）超高性能（ＵＨＰ）ランプを含むことが好ましい。

照明装置の光検出器は、具体的には、誘電層を用いて覆われるフォトダイオードとして実施化され得る。この実施例は、以下に更に詳細に個別に説明される。

光検出器がフォトダイオードである場合、このフォトダイオードが、発光器が装着される基板に一体化されることが好ましい。この基板は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であり得る。

原理的に、発光器及び光検出器のいかなる幾何学的配置も可能である。好ましい実施例において、光検出器は、発光器間において分布されて配置される。発光器が例えば１つの平面に行列状の構成で配置されるＬＥＤである場合、１つの光検出器は、各２つの隣接する発光器の間に配置され得る。

好まし実施例において、処理ユニットは、様々な動作条件における各発光器の少なくとも１つの特性値と光検出器の対応する測定信号との間の較正された関係を含む記憶手段（例えば、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ、及びハードディスクなど）を含む。望まれる場合、処理ユニットは、特定の発光器の実際の色点を、この発光器がオンにされ、他の全ての発光器がオフにされる場合、直ちに決定し得る。

第２の態様に従うと、本発明は、例えば可視光の範囲又は少なくとも500nmから700nmの波長範囲などの、所与のスペクトル範囲において振動状に延在する検出感度曲線を特徴とする光検出器に関する。このような光検出器は、とりわけ、上述の種類の照明装置において有利に使用され得る。

スペクトルの識別は、具体的には、検出感度曲線が、２つの近接する局所最大値の間で、少なくとも１０％の、好ましくは前記２つの局所最大値の小さいほうの少なくとも２０％の量だけ、（関連するスペクトル範囲において）振動する場合、上述の種類の光検出器を用いて達成され得る。言い換えると、検出感度曲線の最小値が、最も小さい近接する局所最大値の９０％、好ましくは８０％より小さい場合である。

好ましい実施例において、光検出器は誘電層を用いて覆われるフォトダイオードを含む。誘電層の誘電率及び／又は特定の厚さを適切に選ぶことによって、異なる疑似周期的フィルタリングの振る舞いが達成され得、これにより、誘電層及びフォトダイオードの組合せが所望な振動状検出感度曲線（oscillating sensitivity curve）を呈するようにされる。

上述の誘電層は、好ましくは、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２及び／又は二酸化チタンＴｉＯ_２を含む。窒化ケイ素(Ｓｉ_３Ｎ_４)も可能である。

誘電層の厚さは、好ましくは、50nmから2.5μmの範囲、最も好ましくは100nmから800nmの範囲にある。誘電層は、フォトダイオード全体において均一の厚さを有し得る。代替的に、誘電層の厚さは、例えばこの層がくさび形状を有する場合、異なり得る。

本発明は、更に、例えばＬＥＤなどの、少なくとも１つの発光器を有する照明装置を監視する方法に関する。当該方法に従うと、発光器の光出力は、発光器のスペクトル範囲全体において振動状に延在する検出感度曲線を用いて測定される。

当該方法の更なる展開において、少なくとも２つの発光器が上述のやり方で測定され、その後発光器は、これらの共通発光が、所与の特性値、特に所与の色点に最適に一致するように、測定された光出力に基づき独立して制御される。

当該方法は、一般的に、上述の種類の照明装置と実行され得るステップを含む。したがって、当該方法の詳細、有利な点及び改良に関する更なる情報については上述の記載に参照がされる。

本発明のこれら及び他の点は、後述の実施例から明らかであり、これらの実施例を参照して説明される。これらの実施例は、添付の図面を援用して例として説明される。

図面における同様な参照符号は、同一の又は同様なコンポーネントを参照する。

図１は、本発明に従う照明装置１の１つの実施例を概略的に示す。装置は、基板１２において配置され光学系１１に一体化される、例えば緑、赤、青及び琥珀色などの異なる色を有する４つのＬＥＤ（又はＬＥＤの列）を含む。４つのＬＥＤの間において、３つの光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３が、ＬＥＤ（Ｌ１−Ｌ４）の光出力を測定するために配置される。光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３は、誘電フィルタ層２１で覆われるフォトダイオード２０によって実施化される。一般的に、照明装置は、ｋ個のセンサ及びn個の主要色の発光器からなり得、すなわち、図は、ｋ＝３及びｎ＝４の特定の場合を示す。

図３は、光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３の３つの誘電フィルタ層に関して任意の単位でのスペクトルフィルタ応答Ｓ（すなわち、所与の強度を有し、波長λの単色照明の下でフィルタを通過する信号）を示す。応答曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３が擬似周期的に振動し、関連するスペクトル範囲全体において、すなわち400nm未満の波長λから800nmを超える範囲に延在することが確認され得る。示される応答曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３は、具体的には、1μmから2.5μmの厚さを有するＳｉＯ_２の単層を有する単層誘電フィルタフォトダイオードに対応する。光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３全体のスペクトル検出感度は、関連付けられるフォトダイオード２０のスペクトル検出感度によって乗算されるフィルタ層２１の示されるフィルタ応答曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３によって決定される。

図１は、基板１２の表面に概略的に光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３を示す。これらの低い複雑性により、単層誘電フィルタ（ＳＤＦ）を有するこのようなセンサは、基板１２へ容易に一体化され得る。このことは、図２に更に詳細に示される。サブマウント又は基板１２は、例えばＳｉからなり得る。ｎドープ領域２３及びｐドープ領域２２は、例えばＳｉＯ₂からなり得る単層誘電層２１によって覆われるフォトダイオード２０を構成する。誘電材料（及び誘電率）及びその厚さを適切に選ぶことによって、光検出器全体のスペクトル検出感度曲線が所望に適合され得る。

図１は、光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３の信号が増幅器１３によって増幅され、その後、制御ユニット１４の一部である「色点計算ユニット」１５へ送信されることを更に示す。制御ユニット１４は、更に、「色制御ユニット」１６及びＬＥＤ駆動装置１７を含む。色制御ユニット１６は、測定された信号(Ｓ_１,Ｓ_２,Ｓ_３)_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}から色点計算ユニット１５によって決定される色点を、外部入力１８によって提供される目標色点(Ｘ,Ｙ,Ｚ)_{ｔａｒｇｅｔ}と比較し、この場合、色点は、例えば、ＣＩＥ三刺激値によって表わされ得る。この比較の結果に基づくと、色制御ユニット１６は、調整された駆動信号を、ＬＥＤ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４）に接続されるＬＥＤ駆動装置１７へ送信し、ＬＥＤ駆動装置１７は、電流（直流、ＰＷＭなど）の平均振幅をこれらの駆動信号へ調整することによってＬＥＤの平均光を調整する。

上述される照明装置１を用いると、時間分割多重（ＴＤＭ）技術が、主要色、すなわちＬＥＤ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４）のいずれかのスペクトルを特性化するために使用され得る。この技術に従うと、４つの主要色の異なる色点の測定は、１つの色のみをオンにし他をオフに切り替えることによって順次的に実行される。例えば緑のＬＥＤ（Ｌ１）のみがオンにされる場合、光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３からの以下の３つの信号（例えば光電流）が測定される。

これらの式において、因数Ｆ_１、Ｆ_２、及びＦ_３は、センサユニットＤ１、Ｄ２及びＤ３のそれぞれの実際のフィルタ関数に対応する。因数ｇ_１、ｇ_２、及びｇ_３は定数であり、因数ｐ_ｓ(λ)は、光検出器Ｄ１、Ｄ２及びＤ３に関して同一であると仮定されるフォトダイオードのスペクトル検出感度曲線に対応する。Ｆ_ｉ(ｉ＝１;２;３)は、光検出器（図３参照）のスペクトルフィルタ応答曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３に応答することを特記されるべきである。最後に、因数ｐ_Ｌ１は、活動中のＬＥＤ（Ｌ１）の放射スペクトルである。

異なる光学フィルタＦ_１、Ｆ_２、及びＦ_３が使用されるので、信号Ｓ_１１ないしＳ_１３は、互いに相違する。したがって、信号は、ピーク波長、ピーク高さ、又はパルス幅が放射光において変化している場合、変化する。

較正工程において、考慮されるＬＥＤのスペクトルデータが（個別の分光計によって）測定され、得られるセンサ信号Ｓ_１１ないしＳ_１３とＬＥＤの色点を関連付けるのに使用され得る。図４は、ベクトル(Ｓ_１１,Ｓ_１2,Ｓ_１３)の、独立して決定された関連付けられる三刺激値(Ｘ,Ｙ,Ｚ)への生じるマッピングを例示する。個のマッピングは、較正によって得られ、制御器１４に記憶される３次元テーブルによって計算され得る。

記憶されるデータを可能限り少なく維持するために、立方体に分割される３次元色空間を考慮し得、この場合、各立方体は、特定の色点(Ｘ,Ｙ,Ｚ)を表わす。この場合、(i)このような立方体の中央を記述し、(ii)例えば、最小二次距離（図４）によって実際のセンサ値(Ｓ_１１,Ｓ_１2,Ｓ_１３)へ最良に一致させる３値(Ｓ＊_１１,Ｓ＊_１2,Ｓ＊_１３)を発見するために、あるアルゴリズムが使用され得る。

本発明の原理は、好ましくはＬＥＤ又は蛍光体変換ＬＥＤに基づく、多主要色ランプに適用され得る。本発明によって克服される課題のいくつかは、
−温度の変化、電流の変化、ＬＥＤ、蛍光体又は駆動電気装置の経年変化によって発生する色点の変化は、測定及び補正され、安定した色点を生じさせる。
−パルス幅変調（ＰＷＭ）駆動に関して何の要件もない。
−センサの量は、主要色の量によって決定されないが、所望な測定精度によって決定される。したがって、センサの量は、ランプにおけるＬＥＤの量よりも少なくあり得る。
−ＬＥＤのビン又は種類が変更された場合に必要となる（通常小さい帯域の一致フィルタ系に関して）一致されたフィルタの再設計の回避。

本発明によって達成される有利な点は、
−ＬＥＤの容易な特性解析、
−単層誘電フィルタを用いた、複雑性の低いセンサ、
−センサが、シリコンサブマウントへ容易に一体化され得ること、
−時間分割多重（ＴＤＭ）色特性解析において（ｎ−1個の主要色がオフにされる）、ｋ＝３個のフィルタされたセンサのみが、装置のｎ＞３個の主要色のそれぞれのピーク位置、高さ及び半幅を決定すること、
−スケーラブルであること：ｋ＞３より大きいフィルタセンサを使用することによりＬＥＤ毎のより高いスペクトル解像度が導かれること、
−フィルタされたセンサが、疑似周期的フィルタ特性により、使用される主要色に依存しないこと、
−全てのＬＥＤがスイッチオフにされる場合、環境光の補償が可能であること、
である。

したがって、本発明は、ＬＥＤに基づく光源において精度の高い色点安定性に関する非常に簡素な解決法を提供する。各主要な色のスペクトル情報は、単層誘電フィルタ（ＳＤＦ）を有するセンサを用いて達成される。フィルタは、波長の関数として疑似周期的広帯域応答を有し、したがって、異なる主要色の感知に関して使用され得る。本発明の可能な応用例は、とりわけ、
−１つより多い主要色を有する光装置を用いた高品質且つ長時間安定光生成を可能にする能動的色フィードバック制御、及び
−高品質且つ長時間安定光生成に関する外部フィードバックとしての照明システム、
である。

最後に、本文書において、「有する・備える」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載される以外の要素又はステップの存在を排除せず、単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除せず、単数の処理器又は他のユニットは、いくつかの手段の機能を満たし得ることを指摘される。本発明は、全ての新規な特徴的な構成、及びこれら特徴的な構成の全ての組合せに含まれる。更に、請求項における参照符号は、請求項の範囲を制限するように解釈されるべきでない。

図１は、本発明に従う照明装置の概略図を示す。 図２は、単層誘電フィルタをＳｉ基板に一体化されたフォトダイオードを概略的に示す。 図３は、異なる厚さの単層誘電フィルタを有するフォトダイオードの３つの例示的なフィルタ応答曲線を示す。 図4は、測定結果のベクトルの、色空間における対応する点へのマッピングを例示する。

Claims (16)

1. 照明装置であって、
   ａ）少なくとも１つの発光器と、
   ｂ）前記発光器の光出力を測定する少なくとも１つの光検出器であって、当該光検出器の検出感度曲線が前記発光器のスペクトル範囲全体において振動状に延在する、光検出器と、
   ｃ）前記光検出器に接続され、前記光検出器からの測定信号を受信し、前記発光器の前記光出力の特性値を決定するように構成される、処理ユニットと、
   を含む照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、
   当該照明装置が、異なる放射スペクトルを有する少なくとも２つの発光器を含むことを特徴とする、照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置において、
   前記処理ユニットが、前記発光器を、これらの共通光出力が、前記光出力の所与の特性値、特に所与の色点に最適に一致するように、閉制御ループで独立して駆動させるように構成されることを特徴とする、照明装置。
4. 請求項１に記載の照明装置において、
   当該照明装置が、個別のスペクトル検出感度曲線を有する少なくとも２つの発光器を含むことを特徴とする、照明装置。
5. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記発光器が、ＬＥＤ、蛍光体変換ＬＥＤ、レーザー、蛍光体変換レーザー、色付き蛍光灯、フィルタされる（色付き）ハロゲンランプ及びフィルタされる（色付き）ＵＨＰランプからなる群から選択される、照明装置。
6. 請求項１に記載の照明装置において、
   当該照明装置が、請求項１０に記載の光検出器を含むことを特徴とする、照明装置。
7. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記光検出器が、前記発光器が装着される基板に一体化されるフォトダイオードを有することを特徴とする、照明装置。
8. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記処理ユニットが、前記発光器の前記光出力の少なくとも１つの特性値と前記光検出器の対応する信号との間の較正された関係を含む記憶手段を含むことを特徴とする、照明装置。
9. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記特性値が、前記発光器の可能な色点、又は色再生指数を含むことを特徴とする、照明装置。
10. 所与のスペクトル範囲において振動状に延在する検出感度曲線を有する光検出器。
11. 請求項１０に記載の光検出器において、
    前記検出感度曲線が、各２つの近接する局所最大値の間で、少なくとも１０％の、好ましくは前記２つの局所最大値の小さいほうの少なくとも２０％の量だけ、振動することを特徴とする、光検出器。
12. 請求項１０に記載の光検出器において、
    当該光検出器が、誘電層で覆われたフォトダイオードを有することを特徴とする、光検出器。
13. 請求項１２に記載の光検出器において、
    前記誘電層が、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２及び／又は二酸化チタンＴｉＯ_２を含むことを特徴とする、光検出器。
14. 請求項１２に記載の光検出器において、
    前記誘電層が、50nmから2.5μmの、好ましくは100nmから800nmの範囲の厚さを有することを特徴とする、光検出器。
15. 少なくとも１つの発光器を有する照明装置を監視する方法であって、前記発光器の光出力が、前記発光器のスペクトル範囲全体において振動状に延在する検出感度曲線を用いて測定される、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    少なくとも2つの発光器が、測定され、且つこれらの共通発光が所与の特性値特に所与の色点に最適に一致するように、当該測定される光出力に基づき独立して制御されることを特徴とする、方法。

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