JP2009543300A - 光源及び該光源の照明特性を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、１つ以上の照明特性を最適化するための光源、方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びコンピュータプログラムを提供する。とりわけ本発明は、各々が所与の強度比に従って組み合わせられたときに特定の色温度において照射を提供するそれぞれの予め定義された発光スペクトルを持つ、４つ以上の発光素子又は該発光素子の群若しくはアレイを有する光源を提供する。該光源は、最適化されるべき１つ以上の照明特性を選択するための内部及び／又は外部選択モジュールと、最適化された該選択された照明特性を提供するために該光源の駆動パラメータを最適化するための内部及び／又は外部計算モジュールと、を有しても良い。該光源は任意に、予め選択された照明特性を最適化するため、本発明の方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びコンピュータプログラムを用いて、予め定義された選択された駆動パラメータに従って動作するようにハードウェア的に組み込まれても良い。

Description

本発明は、照明の分野に関し、とりわけ光源、並びに該光源の照明特性を最適化するための方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びコンピュータプログラムに関する。

固体半導体及び有機発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光素子の光束の進歩及び改善における前進は、これら素子を、建築用、娯楽用及び道路用の照明を含む、一般的な照明用途における使用に適したものとしてきた。発光ダイオードはますます、白熱電球、蛍光灯及び高輝度放電ランプのような光源と競合するものとなっている。

とりわけ、現在利用されている汎用の光源に匹敵する優れた演色性能を提供する、幾つかの汎用のＬＥＤベースの光源が提案されてきた。例えば、適度に優れた白色光源を提供する、特定のタイプの、蛍光体を塗布されたＬＥＤ（ｐｃＬＥＤ）が開発されており、ここではＬＥＤからの発光が、蛍光体の塗料からの発光を誘導し、時には該発光と結合して、白色光を生成する。

少なくとも３つのＬＥＤの発光を組み合わせることにより白色光を提供する他のＬＥＤベースの光源が一般に開示されており、これらＬＥＤの波長は、開示される光源の演色指数（ＣＲＩ）を最適化するように特に選択される。例えば、Doughtyらに1998年12月22日に与えられた米国特許US5,851,063「Light-Emitting Diode White Light Source」においては、少なくとも３つの多色ＬＥＤから成るシステムが、各ＬＥＤの波長の適切な選択により、最適化されたＣＲＩを持つことが開示されている。該開示されたシステムは、該システムの最適化されたＣＲＩのため、一般的な照明用途に有用であるといえる。米国特許US7,008,078及びUS6,817,735においては、４つの異なるタイプのＬＥＤ、即ち青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤ、橙色ＬＥＤ及び赤色ＬＥＤを含み、それぞれのＬＥＤが、高い効率及び高い演色性能を提供するように選択された波長の所定の範囲内で光を発する光源が開示されている。

更なるＬＥＤベースの光源は、所望の出力を略維持するために、斯かる光源がフィードバック信号の関数として該光源のＬＥＤの出力を調節することを可能とする、フィードバックシステムを有するものとして開示されている。例えば、光源出力色、強度又は動作温度に関連するフィードバック信号が、予め設定された動作条件を略維持するように光源の出力を調節するために利用される。斯かる光源の例は、米国特許US6,411,046、米国特許出願公開2005/0237733、2005/0161586及び2004/0211888、並びに国際特許出願公開WO2004/025998及びWO2004/100611に示されている。

しかしながら、現在の及び登場しつつあるＬＥＤ技術を、一般の照明用途に適合させるためには、依然として幾つかの課題が解決される必要がある。例えば、現在利用可能な汎用光源に匹敵する、更には究極的には凌駕する、汎用のＬＥＤベースの光源を作成するためには、最適化された駆動パラメータを介して斯かるＬＥＤベースの素子の一般的な照明特性を改善し、好適には最適化するための手法が開発される必要がある。即ち、斯かる最適化に導く特定のＬＥＤ波長を選択することにより、ＬＥＤベースの光源のＣＲＩを最適化するＬＥＤベースの技術が開示されているが、これらの波長最適化手法は一般に、既定の相関色温度（ＣＣＴ）に対してのみ適用可能であり、実際には、これらの最適化された光源の製造のために必要とされるビニング（binning）の種類に関連するコストの問題を引き起こし得る。従って、現在利用可能なＬＥＤ及び／又は他の斯かる発光素子を用いた、又は新たに開発された発光素子を用いた、斯かる光源のＣＲＩを改善及び／又は最適化するのみならず、例えば色質スケール（color quality scale、ＣＱＳ）、発光効率及び／又は出力パワーのような斯かる素子の他の選択された照明特性を任意に改善及び／又は最適化することができる、光源の手法に対するニーズがある。

この背景情報は、本発明に関連する可能性があると本出願人が考える情報を明らかにするために提供されたものである。以上の情報のいずれも、本発明に対する先行技術を構成するものと認めることを必ずしも意図したものではなく、そのように解釈されるべきでもない。

本発明の目的は、光源及び該光源の照明特性を最適化するための方法を提供することにある。本発明の一態様によれば、光源であって、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子と、最適化されるべき前記光源の１つ以上の照明特性を選択するための選択モジュールと、各前記それぞれの発光スペクトルを示す値から、前記選択された１つ以上の照明特性を略達成するための前記光源を駆動するための、最適化された駆動パラメータを計算するための計算モジュールと、前記最適化された駆動パラメータに従って、前記４つ以上の発光素子のそれぞれを駆動するための駆動モジュールと、を有する光源が提供される。

本発明の別の態様によれば、光源の１つ以上の照明特性を最適化する駆動パラメータに従って前記光源を駆動する方法であって、前記光源は、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子を有し、前記方法は、前記４つ以上の発光素子のそれぞれについて、それぞれの発光スペクトルを示す１つ以上の値を特定するステップと、最適化されるべき前記光源の前記１つ以上の照明特性を選択するステップと、それぞれの前記１つ以上の値を用いて、前記選択された１つ以上の照明特性を最適化する駆動パラメータを算出するステップと、前記算出された駆動パラメータに従って前記光源を駆動するステップと、を有する方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、光源の１つ以上の選択された照明特性を最適化するための駆動パラメータを決定するように計算モジュールを動作させる命令を組み込まれたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記光源は、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子を有し、前記決定は、前記４つ以上の発光素子のそれぞれについて、前記それぞれの発光スペクトルを示す１つ以上の値を入力として受信するステップと、前記１つ以上の選択された照明特性を、選択された入力として受信するステップと、前記１つ以上の示す値のそれぞれ及び前記選択された入力から、前記１つ以上の選択された照明特性を最適化する駆動パラメータを算出するステップと、前記１つ以上の選択された照明特性に従う前記光源の駆動における利用のため、前記算出された駆動パラメータを出力するステップと、に従うコンピュータ読み取り可能な記憶媒体が提供される。

定義：
「発光素子」なる語は、例えば電位差を加えることにより又は電流を流すことにより起動されたときに、例えば可視領域、赤外領域及び／又は紫外領域のような、電磁スペクトルの領域又は領域の組み合わせにおける放射を発する素子を定義するために用いられる。それ故、発光素子は、単色の、準単色の、多色の又は広帯域のスペクトル発光特性を持ち得る。発光素子の例は、半導体、有機若しくは高分子発光ダイオード、光学的に励起された蛍光体塗布発光ダイオード、光学的に励起されたナノ結晶発光ダイオード、又はその他の当業者により容易に理解される同様の素子を含む。更に、発光素子なる語は、例えばＬＥＤチップのような、放射を発する特定の装置を定義するために利用され、配置される筐体又はパッケージと共に放射を発する特定の装置の組み合わせを定義するためにも同等に利用され得る。

「照明特性」なる語は、本発明の実施例により最適化され得る、所与の光源の特性を定義するために用いられる。斯かる照明特性は、所与の光源の演色指数（ＣＲＩ）、色質スケール（ＣＱＳ）、パワー出力、色度及び発光効率を含み得るが、これらに限定されるものではない。他の斯かる照明特性は、以下の開示を参照することにより当業者には明らかであり、それ自体、本開示の全体的な範囲及び本質から逸脱するものとみなされるべきではない。更に、以上の照明特性の例は、ここで本発明の種々の実施例により更に詳細に定義されるように、いずれかの適切な数学的、解析的、数値的、定量的及び／又は定性的な定義を用いて、本開示の全体的な範囲及び本質から逸脱することなく定義され得ることは、理解されるであろう。

「駆動パラメータ」なる語は、所与の光源を駆動させる、動作させる及び／又は制御するために定義されるいずれかのパラメータ及び／又は属性を定義するために用いられる。本発明の種々の実施例を用いて、これら「駆動パラメータ」は、所与の光源の１つ以上の照明特性を最適化するように決定及び／又は設定され得る。斯かる駆動パラメータは、所与の光源内に含まれる発光素子のデューティサイクル、これら発光素子の相対強度、これら発光素子を駆動させるための電流、駆動メカニズムのタイプ（例えばパルス幅変調、パルス符号変調等）及びそのパラメータ、動作温度又は接合温度等を含み得るが、これらに限定されるものではない。他の斯かる駆動パラメータは、以下の開示を参照することにより当業者には明らかであり、それ自体、本開示の全体的な範囲及び本質から逸脱するものとみなされるべきではない。

ここで利用される「約」なる語は、公称値からの±１０％の違いを指す。斯かる違いは、明示的に言及されているか否かにかかわらず、ここで示されるいずれの値にも常に含まれるものと理解されるべきである。

別段に定義されていない限りは、ここで用いられる全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野における当業者に一般的に理解されるものと同じ意味を持つ。

本発明は、光源並びに該光源の１つ以上の照明特性を最適化するための方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びコンピュータプログラムを提供する。とりわけ、本発明は、４つ以上の発光素子、又はこれら発光素子の群、クラスタ若しくはアレイを有する光源であって、これら発光素子のそれぞれが、所与の強度比に従って組み合わせられたときに、特定の色温度で照明を提供するそれぞれの発光スペクトルを持つ光源を提供する。

本発明の一実施例による光源は、以上に定義されたような最適化されるべき１つ以上の照明特性を選択するための内部及び／又は外部選択モジュール（例えばスイッチ、ボタン、スライド又はスクロールバー、レバー及びその他の斯かる物理的な選択モジュール、ハードウェア的に組み込まれたスイッチ、ソフトウェアアプリケーション／グラフィカルユーザインタフェース選択モジュール、ファームウェアモジュール、ハードウェアモジュール、及び／又はその他の斯かる選択手段）と、該選択された１つ以上の最適化された照明特性を提供するために、同様に以上に定義されたような光源の駆動パラメータを最適化するための内部及び／又は外部計算モジュール（例えばプロセッサ、計算プラットフォーム、通信可能に結合されたパーソナルコンピュータ及び／又はＰＤＡ、リモートコントローラプラットフォーム、及び／又はその他の斯かる計算手段）と、を有しても良い。

一実施例においては、前記光源は、該光源の１つ以上の予め選択された照明特性を最適化するために、本発明の方法、コンピュータ読み取り可能な媒体及び／又はコンピュータプログラムの実施例を用いて、選択された予め定義された駆動パラメータに従って動作するように、ハードウェア的に組み込まれ及び／又は予め設定されていても良い。

本分野において知られているように、赤色、緑色及び青色の発光素子（例えばＬＥＤ）から成る、照明器具のような光源については、特定の色温度を与える発光素子の一意な組み合わせがある。それ故、３つの発光素子を有するシステムについては、斯かる素子のそれぞれの相対強度は最適化されないが、或る程度解決されている。

それに対し、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ少なくとも４つの発光素子又はこれらの発光素子の群、クラスタ若しくはアレイを有する光源においては、所与の色温度に対する該少なくとも４つの発光素子間の強度比の決定は制約の少ない問題であり、従って複数の解を持つ。例えば、１つ以上の赤色発光素子（Ｒ）、１つ以上の黄色発光素子（Ａ）、１つ以上の緑色発光素子（Ｇ）及び１つ以上の青色発光素子（Ｂ）を有する光源については、所与の色温度に対するＲ：Ａ：Ｇ：Ｂの比は、制約の少ない問題である。その結果一般に、これらの解の幾つかは、該光源が利用されるべき用途に最も適した照明特性に依存して、他の解よりも優れた照明特性を提供する。

以下の議論の目的のため、赤色、黄色、緑色及び青色の発光素子を有する光源、即ちＲＡＧＢ光源を参照しながら、例が説明される。ここで、他の色の組み合わせも本開示の全体的な範囲及び本質から逸脱することなく考えられ、以上に定義されたような、種々の異なるタイプの発光素子が同一の光源内に考慮され得ることは、理解されるであろう。

本発明の一態様は、４つ以上の発光素子又はこれら発光素子の群、クラスタ若しくはアレイを有する所与の光源が利用されるべき用途に最も適した１つ以上の照明特性を最適化するための、該所与の光源の駆動パラメータを最適化するための方法、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びコンピュータプログラムを提供する。

一実施例においては、１つの照明特性を最適化するため駆動パラメータが決定される。

一実施例においては、２つの照明特性を同時に最適化するため駆動パラメータが決定される。

一実施例においては、どの照明特性について駆動パラメータが最適化されるべきかを選択するための選択肢が、光源のユーザに与えられる。他の斯かる実施例は当業者には明らかであり、本開示の全体的な範囲及び本質から逸脱することは意図されない。

以下に更に詳細に説明されるように、斯かる最適化においてバランスをとられ得る照明特性は、数例を挙げると、演色指数（ＣＲＩ）、色質スケール（ＣＱＳ）、総出力（明所視）パワー及び発光効率を含み得るが、これらに限定されるものではない。本発明の一実施例においては、ＣＲＩ及び発光効率の両方が相対的な重みを割り当てられ、所与の光源のＲ：Ａ：Ｇ：Ｂのバランスが当該重み付けに対して最適化される。一実施例においては、光源の総出力（明所視）パワー及び色質スケール（ＣＱＳ）値が考慮される。一実施例においては、ＣＲＩ、ＣＱＳ、効率及び出力パワーが全て考慮され、又は代替として、これら特性の各々にそれぞれ割り当てられた重みの関数として選択的に考慮される。他の斯かる実施例及び代替例は、当業者には明らかであろう。即ち、当業者は、以下の説明を参照することにより、以上の及びその他の斯かる照明特性の組み合わせの最適化を含む種々のシナリオが、本開示の全体の範囲及び本質から逸脱することなく考えられ得ることを理解するであろう。例えば、一実施例においては、１つ以上の照明特性が独立に最適化され、他の実施例においては、種々の照明特性が同時に最適化される。

加えて、幾つかの現在利用可能な発光素子に共通する高い温度感度のため、発光素子の強度の最適なバランスは、一般に温度に応じて変化する。例えば、以下に更に議論されるように、ＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤの出力パワーは一般に、該ＬＥＤの基板が加熱されると劇的に降下し、２５℃においてこれらＬＥＤを動作させるシステムについて決定される解は、９５℃において動作する同一のシステムについての解とは、著しく異なるものとなる。それ故、斯かるＬＥＤを用いて略一定の出力を維持するためには、システムの動作温度が上昇するにつれて、例えば該ＬＥＤのデューティサイクルが一般に増大させられる。従って、本発明の一実施例においては、発光素子の挙動に対する温度の影響が最適化ルーチンに含められ、それにより所与のシステムについての解が、当該システムの実際の又は予期される動作温度について最適化される。

当業者は、以上のことはＲＡＧＢシステムに限られるものではないことを理解するであろう。このことは、４つ以上の異なる発光素子、又はこれら発光素子の群、アレイ若しくはクラスタを有しても良い、異なる色の発光素子の種々の組み合わせを含むシステムに、直接に当てはまり得る。

光源
図１及び２を参照しながら、全体として数字１０を用いて参照される、本発明の一実施例による光源が、以下に説明される。光源１０は一般に、それぞれの発光スペクトルに従って、それぞれの色（例えば赤色、黄色、緑色及び青色即ちＲＡＧＢ）の光を発するように構成された、素子１２、１４、１６及び１８のような少なくとも４つの発光素子を有する。例えば、所与の発光素子の発光スペクトルは、ピーク発光波長及び標本帯域幅（例えば、半値全幅又は半値半幅等）等のいずれかの組み合わせにより定義され得る。光源１０は異なる色の４つの別個の発光素子を有するものとして示されているが、本開示の全体の範囲及び本質から逸脱することなく、斯かる素子の種々の組み合わせ、構成、凝集、グループ化及び／又はアレイも考えられ得ることは理解されるべきである。

光源１０はまた例として筐体２０を有し、該筐体を通して、発光素子１２、１４、１６及び１８の結合された出力が投射される。光源１０はまた、内部及び／又は外部電源２４に動作可能に結合されるように構成されたベースユニット２２を有する。任意のユーザインタフェース２６（グラフィカルユーザインタフェース、物理的なハードウェア的に組み込まれたスイッチ装置及び電気的なスイッチ装置等のいずれかの組み合わせを含み得るが、これらに限定されるものではない）もまた、光源１０の１つ以上の照明特性の最適化を選択的に実行しカスタマイズするために利用されても良い。

当業者には明らかであるように、図１に示された光源１０は、単に例として示されたものである。本開示の全体の範囲及び本質から逸脱することなく、種々の光学的構成及び／又は動作構成が考えられ得る。例えば、本図においては４つの発光素子１２、１４、１６及び１８のみが示されているが、以上に示されたような、また以下に更に詳細に説明されるような、最適化された照明特性を提供するため、異なる数の発光素子及び／又は発光素子の組み合わせが、所与の光源１０において組み合わせられ得る。即ち、光源１０は、図示されたような４つの独立した発光素子から、各選択された色について斯かる要素の１つ以上のアレイ（例えば、赤色発光素子のアレイ、黄色発光素子のアレイ、緑色発光素子のアレイ及び青色発光素子のアレイ等）までを、いずれかの組み合わせ及び／又は空間的な構成で、有しても良い。更に、筐体２０は、種々の光学的効果を提供するため、任意の数の光学的及び／又は非光学的な構成要素を有しても良い。これら構成要素は、所望の効果を提供するために種々の組み合わせで利用される、１つ以上の反射面、レンズ及び散光器等を含み得るが、これらに限定されるものではない。

ベースユニット２２は一般に、光源１０を駆動及び／又は制御するための駆動モジュール（例えば回路、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア等）を提供する。即ち、以下に更に議論されるように、ベースユニット２２は、１つ以上の選択された照明特性を最適化するために決定された駆動パラメータに従って、発光素子１２、１４、１６及び１８を駆動するように構成され得る。当業者には理解されるように、斯かる駆動及び／又は制御手段は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア及び／又は固定及び／又は可変制御回路の組み合わせを含み得るが、これらに限定されるものではない。該ベースユニットは、例として電源２４により電源供給され、図１に示されるように光源１０に一体化された単一のモジュール内にカプセル化されても良いし、又は光源１０に動作可能に接続可能な別個のモジュールとして備えられても良い。代替として、駆動及び／又は制御手段／モジュール（例えば回路、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア及び／又はその他の斯かる制御器／駆動器）は、一体型のベースユニット（ユニット２２におけるような）と外部制御ユニット（図示されていない）とに分散されても良い。

一般的に、ベースユニット２２は、光源１０に予めプログラムされているか、又は光源１０のユーザ若しくはプログラマにより選択的に変更可能な、最適化されたパラメータに従って、光源１０を動作させるように構成されていても良い。例えば、一実施例においては、光源１０のベースユニット２２は、光源１０の１つ以上の予め選択された照明特性を最適化するために決定された予め定義された駆動パラメータに従って動作するように、予め設定されていても良い。本実施例においては、該最適化された駆動パラメータは、光源１０の製造の間に定義され、該１つ以上の予め選択された最適化された照明特性を生成するようにハードウェア的に組み込まれていても良いし、又は予めプログラムされていても良い。

一実施例においては、どの照明特性が最適化されるべきかについての制御を該光源のユーザに提供するように構成された、任意のユーザインタフェース２６を介して該光源が操作可能である。図２は、本発明の一実施例による制御パネル２８を示す、該制御パネルは、ユーザインタフェース２６として働く。該パネル２８は、例えば光源１０に一体化されたファームウェアを介して１つ以上の選択された照明特性の最適化を実装するために利用され得るものであり、最適化されるべき光源１０の所望の照明特性を選択するための、例えばスライドバー３０並びに選択スイッチ３２及び３４を有する選択モジュールを提供する。該選択された最適化に起因する光源１０の種々の照明特性を示す値を表示するため、ディスプレイ３６のようなディスプレイもまた例として備えられる。

当業者は、本発明の上述した及びその他の実施例のいずれについても、本開示の全体の範囲及び本質から逸脱することなく、種々の他のタイプのユーザ入力及び／又はインタフェースが考えられ得ることを理解するであろう。例えば、最適化される駆動パラメータが製造の間に光源１０にハードウェア的に組み込まれる実施例においては、最適化のために予め選択された１つ以上の照明特性に従って、各アイテム又は類似するアイテムの各バッチを最適化するために、光源の設計者及び／又は製造者に対してユーザインタフェースが提供されても良い。該インタフェースはまた、コンピュータプログラムの実施例を動作させる、又は本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を有する、設計及び／又は製造システムにハードウェア的に組み込まれても良いし、又は該コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の独立して動作させられる実施例と共に提供されても良い。これらの実施例の動作、利用及び出力に関する更なる詳細は、図３乃至７を参照しながら、以下に更に提供される。

照明特性
以上に提示されたように、本発明は、光源の１つ以上の照明特性の最適化を提供する。該光源は例えば、要素１２、１４、１６及び１８のような、少なくとも４つの発光素子を有する、図１の光源１０のようなものである（例えばＲＡＧＢ照明器具）。本発明の種々の実施例により、以上に説明されたような光源において最適化され得る、幾つかの照明特性を以下に定義する。当業者は、本開示の全体の範囲及び本質から逸脱することなく、最適化のために他の斯かる照明特性が考えられ得ることを理解するであろう。

演色指数（ＣＲＩ）は、光源がどれだけ適切に色を表現するかの尺度である。一実施例においては、所与の光源について、該指数は、「Commission Internationale de l'Eclairage (CIE)」（13.3、1995年）に詳述されている（参照により全体が本明細書に組み込まれたものとする）ように算出される。

とりわけ、本分野において良く知られたこれらのガイドラインは、テストオブジェクト又はサンプルの結果の色シフトに基づいて、光源の演色特性を測定及び規定する方法を提供する。一般に、８個のテスト色サンプルが考慮されるが、光源が利用される用途に依存して１４個以上のものが利用されても良い。

一般に、これらガイドラインに従って算出されたＣＲＩは、テスト光源に対する場合のテスト色サンプルと、該テスト光源のものに近い色度を持つ基準光源に対する場合のテスト色サンプルとの色の差を比較する。本発明の種々の実施例において、斯かる比較は、テスト光源及び基準光源の、既知の算出された（例えば内挿された、シミュレートされた、外挿された等）及び／又は測定された照明特性を用いて、幾つかの数値的、数学的及び／又は実験的方法を利用して算出され得る。例えば、テスト光源の演色特性が基準光源の演色特性に近づくと、演色指数は最高のＣＲＩである１００に近づく。更に、例えば、テスト光源の演色特性が基準光源の演色特性と著しく異なる場合には、演色指数は最小のＣＲＩである０に向かって減少することとなる。

発光効率（ε）は、可視のスペクトルにおける光源の効率の尺度である。一般に、該発光効率は、以下のように算出される：

ここで、Ｄ_{ｃｏｌｏｕｒ［ｉ］}は、特定の発光素子又は発光素子の群、クラスタ若しくはアレイのデューティサイクルであり、ε_{ｃｏｌｏｕｒ［ｉ］}は、特定の発光素子、群又はアレイの発光効率である。例えば、色１乃至４（ｃｏｌｏｕｒ１乃至ｃｏｌｏｕｒ４）は赤色、黄色、緑色及び青色を含むように選択されても良く、これらの色のそれぞれの発光素子のデューティサイクル及び発光効率が、光源の発光効率の算出に利用される。代替として、色１乃至４は、赤色、橙色、緑色、青色及び／又は藍色の種々の色あい、更には種々のタイプの白色発光素子を含み得る、他の色の組み合わせを含み得る。当業者は、以上に列挙された色は例として意図されたものであり、所与の光源について利用される特定の発光素子（以上に示されたように、発光素子の総数は４に限らない）に応じて変更されても良いことを、理解するであろう。

出力パワー（Ｐ_ｏｕｔ）は、測光出力パワーの尺度であり、一実施例においては以下のように定義され得る：

ここでｋは定数であり、ＳＰＤ（λ）は光源の光スペクトルであり、Ｖ（λ）はCIE 15.2、Table 2.1（1996年）により定義された（ここで参照により全体が本明細書に組み込まれたものとする）人間の目の応答曲線である。当業者には知られているように、ｋは典型的に約６８３ｌｍ／Ｗであるが、この値は相対パワーのみを考慮する場合には殆ど重要性を持たない。

一般的に、所与の光源の正味の光スペクトルＳＰＤ（λ）は、一般に各ＬＥＤの光スペクトルの合計によって定義されることができ、即ち４つの発光素子を持つ光源についてＳＰＤ（λ）＝ＳＰＤ_１＋ＳＰＤ_２＋ＳＰＤ_３＋ＳＰＤ_４と定義され得る。ここでもまた、以上に示されたように、所与の光源内の発光素子の総数は４に限定されなくても良く、いずれの場合においても、正味のスペクトルは、発光素子のそれぞれからの個々のスペクトルの全ての合計として定義される。

一実施例においては、Y. Ohnoによる「Toward an Improved Colour Rendering Metric」（SPIE 2005）に記載されている（ここで参照により全体が本明細書に組み込まれたものとする）ように、各スペクトルＳＰＤ_ｉは、以下のように合理的に近似されることができる：

ここで、

であり、λは波長であり、λ_０はピーク波長であり、λ_１／２は半値全幅（ＦＷＨＭ）であり、Ｉ_０は強度である。上述したように、所与の光源の正味のスペクトルを得るために、各発光素子若しくは発光素子の群、クラスタ若しくはアレイについて実験的に導出され得る、又は斯かる発光素子の製造者から得られ得る、一般に提供された各発光素子についての合理的に正確な値を示す、各発光素子についてのそれぞれのパラメータλ_０及びλ_１／２を用いて、スペクトルＳＰＤ_ｉが合計される。

色質スケール（ＣＱＳ）は、米国標準技術局（ＮＩＳＴ）において現在展開されている、ＣＲＩに類似した尺度である。しかしながら、ＣＲＩとは異なり、ＣＱＳは、単なる色の忠実度ではなく、全体の光の質を評価することを意図されている。どのようにＣＱＳが算出されるかについての詳細は、Y. Ohnoによる「Toward an Improved Colour Rendering Metric」（SPIE 2005）に記載されている（ここで参照により全体が本明細書に組み込まれたものとする）。所与の光源についての色質スケールの算出は、当業者により容易に達成可能であり、演色指数の算出の代わりに又は演色指数の算出を補完するものとして、本文脈において同等に適用可能である。

照明特性の選択及び最適化
最適化のための殆どの既存の方法は、最小化に関するものである。本作業において記載される問題は、最大化のものである（例えば最大化されたＣＲＩ、ε、Ｐ_ｏｕｔ、ＣＱＳ等）。単純さのため、該最大化は、例えば

のように表現される、重み付けされた照明特性目的関数の最小化として書き直される。ここで、ＩＣ_ｉはそれぞれの照明特性を表し、σ_ｉは該特性に関連するそれぞれの最適化重みを表す。

一実施例においては、重み付けされた照明特性目的関数は、以下のように表される：

ここで、σ_ｉは、各値の重みパラメータであり、また

であり、ここで（ｘ，ｙ）は光源の色度座標であり、（ｘ_０，ｙ_０）は望ましい色度座標である。

一実施例において、上述の最適化ルーチンは、発光素子の最適な強度比を決定する。該最適化は、各発光素子のデューティサイクル又は各発光素子の駆動振幅等のような最適化された駆動パラメータを選択し、これら最適化された駆動パラメータに従って光源を動作させることにより、実装され得る。当業者には明らかであるように、発光素子を駆動するための電流のような他の駆動パラメータ、駆動メカニズムのタイプ（例えばパルス幅変調、パルス符号変調等）及びそのパラメータ、動作温度又は接合温度等もが、最適化のために考えられ得る。

本方法及びアルゴリズムは１つ以上の特性を最適化することができるため、重み（又は重要度レベル）は一般に、各特性（例えばＣＲＩ、ε、Δｘｙ）に割り当てられる。これらの重みパラメータσ_ｉは、以下の幾つかの方法で決定され得る：
（ａ）試行錯誤。
（ｂ）ＣＲＩ及びεに対して等しい重みを与えるようにσ_１及びσ_２を選択し、Δｘｙ＞０（又はΔｘｙ＞（光源の色度要件に関連する特定の許容値））についてはσ＞＞（σ_１＋σ_２）を選択し、そうでなければσ_３＝０を選択する。
（ｃ）認識される重要度に依存してＣＲＩ／εの任意の重みを選択し、σ_３を選択肢（ｂ）のように選択する。
（ｄ）ＣＲＩのみを最適化するためσ_１＝１、σ_２＝０を選択し、σ_３を選択肢（ｂ）のように選択する。
（ｅ）εのみを最適化するためσ_１＝０、σ_２＝１を選択し、σ_３を選択肢（ｂ）のように選択する。

一実施例においては、出力パワーＰ_ｏｕｔ及び／又はＣＱＳに対して更に最大化が実行されても良い。従って、式（４）は以下のように修正される：

式（６）に対する意味のない解を避けるため、重みパラメータσ_ｉは適切に選択されるべきである。例えば一般に、ＣＲＩ及びＣＱＳの両方を最適化しないように、σ_１＝０又はσ_５＝０と設定し得る。同様に、ε及びＰ_ｏｕｔの両方を最適化しないように、σ_２＝０又はσ_３＝０と設定し得る。

ｆ（ＣＲＩ，ε，Δｘｙ）又はｆ（ＣＲＩ，ε，Δｘｙ，Ｐ_ｏｕｔ，ＣＱＳ）を最小化するため、一実施例においては、J. Lagarias、J. Reeds、M. Wright及びP. Wrightによる「Convergence Properties of the Nelder-Mead Simplex Method in Low Dimensions」（SIAM Journal of Optimisation、9(1)、1998年）に概説される（ここで参照により全体が本明細書に組み込まれたものとする）ような、Nelder-Meadシンプレックス法が利用される。この方法は、Matlabサブルーチン又はその他の斯かる数学的モデリングソフトウェア及び／又はハードウェアを用いて実装され得る。

Nelder-Meadシンプレックス法は一般に、制約のない問題に利用される。しかしながら、本問題には幾つかの制約があるため、該制約外の値について、ゼロに近づけるように目的が修正されている。例えば、各発光素子は、正の強度と、０％と１００％との間のデューティサイクルとを持つ必要がある。他の斯かる制約は、当業者には明らかであろう。

加えて、各発光素子のパワーレベル（一般にミリワット又はルーメンで表される）間の差が、高温において特に顕著となり得る。例えば、以上に説明したように、赤色及び黄色ＬＥＤを生成するために利用されるＡｌＧａＩｎＰ半導体の出力パワーは、高温において著しく減少する。従って、一実施例においては、以上の最適化方法は、達成可能なパワーレベルのみを定義する解をもたらすように設定される。例えば、該最適化は、光源の予測される動作温度における各発光素子の強度を考慮するように設定されても良い。

本発明の種々の実施例において考慮され得る他の効果は、数例を挙げると、スペクトルの広がり、ピーク波長のシフト、及び順電圧変化を含み得るが、これらに限定されるものではない。この種の変化は、最適解のために必要とされる相対強度に影響を与え得るため、以上のモデルにおいて考慮に入れられ得る。

当業者には明らかであるように、最急降下アルゴリズムのような他の導関数ベースのアルゴリズムも、同様の結果をもたらすために利用され得る。例えば、幾つかの他の導関数ベースの最適化方法もが、目的関数（式（３）、（４）及び／又は（６））を評価するために利用され得る。斯かる方法は、場合によっては、ここで提案されたNelder-Mead法よりも効率的なものとなり得るが、導関数の数値的な近似を必要とする。斯かる近似は、評価点から遠い点において不正確となり得る。しかしながらこれらは、同様の結果をもたらすために利用され得る。

動作の方法
図３を参照しながら、本発明の一実施例による、以上に説明されたような光源の照明特性を最適化するための方法１００が、以下のように模式的に説明される。最初のステップ１０２において、装置１０４のような計算装置等に、入力値が入力され保存される。これら入力値は、光源１０に含まれる各発光素子又は発光素子の群、クラスタ若しくはアレイのピーク発光波長（例えばλ_０）、ピーク幅（例えばλ_１／２）、熱劣化及び出力パワーパラメータのいずれかの組み合わせを含み得るが、これらに限定されるものではない。

光源１０の一般的な演色特性及び／又は質特性に関連するパラメータは、種々の構成及び／又は組み合わせにおいて各発光素子に独立に関連するものであるか、光源１０全体として関連するものであるかにかかわらず、いずれかの基準及び／又はテスト光源に関連する属性と共に、以上に説明された種々の最適化計算における利用のために装置１０４に保存される。例えば、所定の演色関数及び／又は質関数は、個々の発光素子及び／又は結合された光源１０の種々の既知の及び／又は測定された出力パラメータを用いて、光源１０の種々の照明特性を算出する（例えば直接計算、サンプル、テスト及び／又はバッチデータからの内挿及び／又は外挿、光学的／電気的なフィードバック測定からの反復計算等）ために保存されても良い。他の斯かる入力パラメータは、当業者には明らかである。

ステップ１０６において、本方法のユーザ（例えば光源の設計者、製造者、利用者等）が、駆動パラメータが最適化されるべき１つ以上の照明特性を選択する。このことは、以上に説明されたように、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又はこれらの組み合わせ（図３において計算装置１０４として模式的に示される）にインタラクティブに結合された、いずれのタイプのユーザインタフェース（例えばグラフィカルユーザインタフェース、電気的パネルインタフェース、物理的なスイッチ等及び／又はこれらの組み合わせ）によって実装されても良い。

ステップ１０２及び１０６によって入力値及び選択が入力されると、計算装置１０６は、ステップ１０８における、以上に説明されたような選択された照明特性を最適化する光源の駆動パラメータの算出に進む。これらパラメータは次いで、ステップ１１０において出力され、任意にステップ１１２においてユーザに視覚的に示され（図２及び５乃至７におけるように）、又は、計算装置１０４が光源に動作可能に結合されている場合には、任意にステップ１１４において光源の出力を制御するために直接に利用される。

例えば、一実施例においては、所与の光源に含まれる発光素子の相対強度は、選択された最適化された照明特性を提供するように光源を駆動するため、パルス幅変調（ＰＷＭ）又は他の同様な駆動手法を介して利用されるデューティサイクルへと変換される。直接駆動最適化の他の例は当業者には明らかであり、それ故本開示の全体の範囲及び本質から逸脱するものとみなされるべきではない。

本発明は以下、具体例を参照しながら説明される。以下の例は本発明の実施例を説明することを意図されたものであり、いずれの態様においても、本発明を限定することを意図されたものではないことは、理解されるであろう。

例
例１：
図４は、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現を示す。本例においては、光源は本発明の実施例によって最適化されておらず、従っていずれの最適化された照明特性をも提供しない。

例２：
図５は、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現を示す。本例においては、光源の駆動パラメータ（例えばデューティサイクル（Duty Cycle））が本発明の実施例によって最適化されており、最適化された出力パワーをもたらしている（即ち、式（６）においてσ_１＝σ_２＝σ_５＝０、σ_４＝１）。結果は、約８０℃の動作温度及び約３５００Ｋの色温度について得られた。

例３：
図６は、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現を示す。本例においては、光源の駆動パラメータ（例えばデューティサイクル）が本発明の実施例によって最適化されており、最適化されたＣＲＩをもたらしている（即ち、式（６）においてσ_４＝１、σ_２＝σ_４＝σ_５＝０）。結果は、約８０℃の動作温度及び約３５００Ｋの色温度について得られた。

例４：
図７は、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現を示す。本例においては、光源の駆動パラメータ（例えばデューティサイクル）が本発明の実施例によって最適化されており、最適化されたＣＲＩ及び発光効率を同時にもたらしている（即ち、式（６）においてσ_１＝σ_２、σ_４＝σ_５＝０）。結果は、約９０℃の動作温度及び約４０００Ｋの色温度について得られた。

例５：
以上に説明されたように、図２は、本発明の一実施例による制御パネル２８の正面図を示し、ここで該制御パネルは、例えば図１の光源１０のようなＲＧＡＢ光源に結合されていても良く、該光源の１つ以上の照明特性の最適化をインタラクティブに制御するための任意のユーザインタフェースを提供する。本例においては、選択スイッチ３２及び３４が、該光源のそれぞれＣＱＳ及び効率の可変の最適化を提供するために設定され、スライドバー３０が、効率よりもＣＱＳに対してかなり高い重みを与えるように位置されている。表示手段３６は、ユーザにより選択された最適化重みにより確立された光源の照明特性の読み取り値を表示する。

本発明の以上の実施例は例であり、種々の態様で変更され得る。斯かる現在の又は将来の変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱としてみなされるべきではなく、当業者には明らかであろう斯かる変更は全て、請求の範囲内に含まれるものと意図される。

本発明の一実施例によるＲＡＧＢ光源の図式的な表現である。 本発明の一実施例による、光源の１つ以上の照明特性の最適化をインタラクティブに制御するための任意のユーザインタフェースを提供するために、光源に動作可能に結合された制御パネルの正面図である。 本発明の一実施例による、例として計算装置により実装された、光源の１つ以上の照明特性を最適化するための方法のステップを示す高レベルのフロー図である。 ＲＡＧＢ光源の最適化されていない照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現である。 最適化された出力パワーを提供するため本発明の一実施例により決定された、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現である。 最適化されたＣＲＩを提供するために本発明の一実施例により決定された、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現である。 最適化されたＣＲＩ及び発光効率を同時に提供するために本発明の一実施例により決定された、ＲＡＧＢ光源の照明特性及び駆動パラメータのグラフィカルな表現である。

Claims (30)

1. 光源であって、
   各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子と、
   最適化されるべき前記光源の１つ以上の照明特性を選択するための選択モジュールと、
   各前記それぞれの発光スペクトルを示す値から、前記選択された１つ以上の照明特性を略達成するための前記光源を駆動するための、最適化された駆動パラメータを計算するための計算モジュールと、
   前記最適化された駆動パラメータに従って、前記４つ以上の発光素子のそれぞれを駆動するための駆動モジュールと、
   を有する光源。
2. 前記照明特性は、前記光源の演色指数、色質スケール、発光効率及び出力パワーを有する群から選択される、請求項１に記載の光源。
3. 前記選択モジュールは、２つ以上の前記照明特性に対してそれぞれの最適化重みを関連付けるように構成され、各前記最適化重みは、前記最適化された駆動パラメータを計算するときに前記計算モジュールによって利用される、請求項１に記載の光源。
4. 各前記それぞれの最適化重みは、略０から１までの値をとる、請求項３に記載の光源。
5. 前記照明特性のうちの所与の１つについての前記それぞれの最適化重みの選択は、予め定義された関係に従って、前記照明特性のうちの他の１つについての前記それぞれの最適化重みを自動的に選択する、請求項３に記載の光源。
6. 前記照明特性のうちの前記所与の１つについての前記それぞれの最適化重みと、前記照明特性のうちの前記他の１つについての前記それぞれの最適化重みとを加算すると１になる、請求項５に記載の光源。
7. 前記照明特性のうちの前記所与の１つ及び前記他の１つはそれぞれ、前記光源の演色指数及び色質スケール、並びに前記光源の発光効率及び出力パワーを有する群から選択される、請求項３に記載の光源。
8. 前記駆動パラメータは、出力強度、相対出力強度、駆動電流、相対駆動電流、デューティサイクル、相対デューティサイクル及び駆動信号変調パラメータを有する群から選択される、請求項１に記載の光源。
9. 前記選択モジュールは、１つ以上のハードウェア的に組み込まれた選択モジュール、１つ以上の物理的な選択モジュール、１つ以上のソフトウェア選択モジュール、１つ以上のファームウェア選択モジュール、及びこれらの組み合わせを有する群から選択される、請求項１に記載の光源。
10. 前記選択モジュールは、前記最適化されるべき前記光源の１つ以上の照明特性をユーザが選択することを可能とするユーザインタフェースを有する、請求項１に記載の光源。
11. 前記光源の１つ以上の動作特性を示すフィードバック信号を前記計算モジュールに供給するため前記計算モジュールに動作可能に結合されたフィードバックモジュールを更に有し、前記計算モジュールは更に、前記１つ以上の動作特性を考慮し、それに従って前記最適化された駆動パラメータを調節するように構成された、請求項１に記載の光源。
12. 前記発光素子のそれぞれは、１つ以上のそれぞれのタイプの発光素子を有する、請求項１に記載の光源。
13. 前記それぞれのタイプの各々は、１つ以上の略赤色の発光素子、１つ以上の略黄色の発光素子、１つ以上の略橙色の発光素子、１つ以上の略緑色の発光素子、１つ以上の略青色の発光素子、及び１つ以上の略白色の発光素子を有する群から選択される、請求項１２に記載の光源。
14. 各前記選択されたタイプは、１つ以上の単一の発光素子、類似する発光素子の群、類似する発光素子のアレイ、類似する発光素子のクラスタ、及びこれらの組み合わせを有する、請求項１２に記載の光源。
15. 前記光源はＲＡＧＢ光源である、請求項１に記載の光源。
16. 各前記それぞれの最適化重みは、重み付けされた照明特性目的関数の最小化として表される自動化された最適化ルーチンにより、前記最適化された駆動パラメータを計算するために前記計算モジュールによって利用される、請求項３に記載の光源。
17. 前記重み付けされた照明特性目的関数は
    

    

    と表され、ここでＩＣ_ｉは前記２つ以上の照明特性のそれぞれ１つを表し、σ_ｉはそれぞれの照明特性に関連する前記それぞれの最適化重みを表す、請求項１６に記載の光源。
18. 前記重み付けされた照明特性目的関数は
    

    

    と表され、前記２つ以上の照明特性のそれぞれ１つは、計算可能な演色指数（ＣＲＩ）、計算可能な発光効率（ε）、及び所望の色度座標からの光源色度の変分（Δｘｙ）を有する、請求項１７に記載の光源。
19. 前記重み付けされた照明特性目的関数は、Nelder-Meadシンプレックス法により最小化される、請求項１６に記載の光源。
20. 光源の１つ以上の照明特性を最適化する駆動パラメータに従って前記光源を駆動する方法であって、前記光源は、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子を有し、前記方法は、
    前記４つ以上の発光素子のそれぞれについて、それぞれの発光スペクトルを示す１つ以上の値を特定するステップと、
    最適化されるべき前記光源の前記１つ以上の照明特性を選択するステップと、
    それぞれの前記１つ以上の値を用いて、前記選択された１つ以上の照明特性を最適化する駆動パラメータを算出するステップと、
    前記算出された駆動パラメータに従って前記光源を駆動するステップと、
    を有する方法。
21. 前記算出するステップは、自動化された最適化ルーチンによって実行される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記自動化された最適化ルーチンは、Nelder-Mead最適化ルーチンを有する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記自動化された最適化ルーチンは、前記光源の駆動モジュールに動作可能に結合され、前記算出された駆動パラメータに従って前記光源を駆動するため前記算出された駆動パラメータを前記駆動モジュールに自動的に伝達するように構成された、計算モジュールにより実装される、請求項２１に記載の方法。
24. 前記選択するステップは、前記光源のユーザインタフェースによって実装される、請求項２０に記載の方法。
25. 前記選択するステップの後に、前記１つ以上の選択された照明特性の各々に対してそれぞれの最適化重みを関連付けるステップを更に有し、前記算出するステップは、各前記それぞれの最適化重みに従って前記駆動パラメータを算出するステップを有する、請求項２０に記載の方法。
26. 各前記それぞれの最適化重みは、重み付けされた照明特性目的関数の最小化として表される自動化された最適化ルーチンにより、前記駆動パラメータを計算するために利用される、請求項２５に記載の方法。
27. 前記重み付けされた照明特性目的関数は
    

    

    と表され、ここでＩＣ_ｉは前記２つ以上の照明特性のそれぞれ１つを表し、σ_ｉはそれぞれの照明特性に関連する前記それぞれの最適化重みを表す、請求項２６に記載の方法。
28. 前記重み付けされた照明特性目的関数は
    

    

    と表され、前記２つ以上の照明特性のそれぞれ１つは、計算可能な演色指数（ＣＲＩ）、計算可能な発光効率（ε）、及び所望の色度座標からの光源色度の変分（Δｘｙ）を有する、請求項２７に記載の方法。
29. 請求項２０に記載のステップを実装するための手段を有するコンピュータプログラム。
30. 光源の１つ以上の選択された照明特性を最適化するための駆動パラメータを決定するように計算モジュールを動作させる命令を組み込まれたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記光源は、各々がそれぞれの発光スペクトルを持つ４つ以上の発光素子を有し、前記決定は、
    前記４つ以上の発光素子のそれぞれについて、前記それぞれの発光スペクトルを示す１つ以上の値を入力として受信するステップと、
    前記１つ以上の選択された照明特性を、選択された入力として受信するステップと、
    前記１つ以上の示す値のそれぞれ及び前記選択された入力から、前記１つ以上の選択された照明特性を最適化する駆動パラメータを算出するステップと、
    前記１つ以上の選択された照明特性に従う前記光源の駆動における利用のため、前記算出された駆動パラメータを出力するステップと、
    に従うコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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