JP4684271B2 - 色空間の限られた領域で光を発する効率的な固体光源 - Google Patents

Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、白熱電球および蛍光灯に基づく従来の光源における魅力的な代替候補である。ＬＥＤは、白熱光よりも高いエネルギ変換効率を有し、白熱光器具および蛍光灯器具の両方よりもかなり長い寿命を有する。また、ＬＥＤに基づく照明器具は、蛍光に伴う高い電圧を必要としない。

残念ながら、ＬＥＤは、前述した従来の光源に代わるものとしての広範囲に及ぶそれらの受け入れを妨げる多くの欠点を有する。第１に、大型の従来の光源の出力に等しい出力を有するＬＥＤは市販されておらず、そのため、高出力ＬＥＤ光源は、所望の出力を供給するために多数の個々のＬＥＤを組み合わせる必要がある。

第２に、ＬＥＤは狭い光帯域の光を発する。そのため、人間の観察者が特定の色を有すると知覚できる光源を形成するために、異なる発光スペクトルを有するＬＥＤを同一光源へと組み合わせなければならず、あるいは、蛍光体変換層を利用してＬＥＤ発生光の一部を異なるスペクトルの光へと変換しなければならない。例えば、白色光を発するように知覚されるＬＥＤは、スペクトルの赤色、青色および緑色領域で発光スペクトルを有するＬＥＤの出力を組み合わせることにより、あるいは、青色発光ＬＥＤと出力光の一部をスペクトルの黄色領域の光へと変換する蛍光体層とを利用することにより構成することができる。

最初の手法は、出力光が幅広い色の中の任意の色を有すると知覚される場合にほぼ同じ最大強度で光を発する３つのタイプのＬＥＤを必要とする。特定の色帯域のＬＥＤを形成するコストは、他の色帯域のＬＥＤに関連するコストよりもかなり高い。その結果、光源のコストは、最も高いコストを有するＬＥＤタイプのコストによって左右される。

蛍光体変換は、光源が光の１つの色を供給しなければならない場合に、この問題への解決策を与えることができる。例えば、前述したように、白色光源は、青色光の一部を黄色光へ変換する蛍光体層で青色ＬＥＤを覆うことにより形成することができる。変換される光の一部が正確に選択される場合、人間の観察者は、その光を白色であると知覚する。そのような光源のコストは、青色ＬＥＤのコストによって左右される。今日、費用効率の高いこの種の白色光源が販売されているが、これらの光源は１つの「色温度」の白色光しか発しない。

多くの用途では、光源の色温度を制御できること、あるいは、白色光源によって供給される範囲近辺の狭い範囲で出力色を変えることができることが必要とされる。例えば、医師は、多くの場合、ライトボックスから構成されるバックライト付きディスプレイを用いてＸ線を観察し、ライトボックスは、Ｘ線が置かれる当該ボックスの１つの面を均一に照明する白色光源を収容している。これらのディスプレイと併せて２つの異なるカラー光源が使用され、特定のタイプのＸ線が表示されることにより特定の色が決定される。

従来技術のライトボックスは、光源として蛍光灯を利用する。蛍光は変化可能な色度点を与えないため、ユーザは、２つの異なる観察ライトボックスを保持しなければならない。この構成により、一般に診療所内の多くの異なる検査室内に配置される観察ボックスのコストがかなり高くなる。また、第２のボックスは、検査室内でかなりの量の壁空間を占める。

本発明は、第１および第２の成分光源と、ミキシング装置と、コントローラとを有する光源を含む。第１の成分光源は、色制御信号の組に応じてＣＩＥ １９７６色空間の所定の二次元領域内で変化できる知覚色を有する光を発する。第２の成分光源は白色光を発する。ミキシング装置は、第１および第２の成分光源からの光を組み合わせて、知覚出力色を有する出力光信号を生成する。コントローラは、光源の外部の１つの信号源からの入力信号に応じて色制御信号の組を生成し、入力信号によって決定されるＣＩＥ １９７６色空間内の１つの点で知覚出力色を維持する。第２の成分光源は、青色スペクトル領域および黄色スペクトル領域で光を発するＬＥＤから構成することができる。第１の成分光源はＬＥＤの第１、第２および第３のグループを含むことができ、各グループは、対応するスペクトル領域の光を発する複数のＬＥＤを含む。

本発明は、２つの異なるカラー設定のうちの一方でＸ線を表示するようになっている光源に関連して更に容易に理解できる。ここで、２つの光設定のうちのいずれかを用いてＸ線フィルム２５を観察するための観察ステーション２０を示す図１および図２を参照されたい。図１は観察ステーション２０の側面図であり、図２は観察ステーション２０の平面図である。観察ステーション２０は、複数のＬＥＤ２１からの光によって照明されるライトボックス２４を含む。ＬＥＤの組はＬＥＤの複数のグループと見なすことができ、その場合、各グループは、他のグループとは異なる出力スペクトルを有する光を発する。また、ＬＥＤの組は、各グループに特有のスペクトルで光を発する複数のＬＥＤを含む。ＬＥＤからの光は、光が内部反射によって捕捉されるように所定の角度でライトボックス２４に入射する。ライトボックス２４の上面は透明である。

下面２７は、反射し、光が臨界角よりも小さい角度で上面２６と衝突するように光の一部を所定の角度で反射する散乱中心２８を含む。光は、上面を通じてライトボックス２４から出て、Ｘ線フィルムを照らす。散乱中心は、ライトボックス２４の上面が均一に照明されるように分布されている。なお、ライトボックス２４の上面も同様に散乱中心を含むことができる。

本発明の１つの実施形態において、ライトボックス２４は、透明プラスチックから成る固体シートである。下面上の散乱中心は、プラスチックの表面をエッチングすることにより或いは粗面化することにより形成される。なお、ライトボックス２４の上面が粗面化される実施形態も構成できる。そのような実施形態において、下面は、滑らかなままで反射コーティングにより覆われてもよい。

ライトボックス内の光の色は、各スペクトルでライトボックス２４内の光の強度を測定する検出器２３によって抽出される。検出器２３は、複数の光検出器から構成することができる。各光検出器は異なる帯域通過フィルタを含むことができる。コントローラ２２は、様々な光検出器からの信号を処理して、各スペクトル領域でライトボックス内に存在する光の強度を決定する。１つの実施形態において、検出器２３は、スペクトルの赤色領域、青色領域および緑色領域でライトボックス内の光を測定する。

コントローラ２２は、各ＬＥＤに対する駆動信号を調整して、ライトボックス内の光がＣＩＥ １９７６空間の所定の色度点にあるようにする。特に、コントローラ２２は、複数の所定の色のうちの１つと一致するように光を調整する。コントローラ２２への入力信号を介して特定の色がユーザにより指定される。例えば、コントローラ２２は、それぞれが所定の色のうちの１つに対応する複数の位置を有する手動スイッチを含むことができる。スイッチは、コントローラ２２内のデータプロセッサにより読み取られる。

１つの実施形態において、コントローラ２２は、Ｘ線フィルムを観察するために使用される２つの標準的な色度点のうちの一方に対応する照明を行なう。ここで、様々な色温度で白熱光源に対応するＣＩＥ １９７６色空間の曲線１１を示す図３を参照されたい。１３および１４に示される点は、Ｘ線を表示するために使用される色、すなわち、Ｐ４５（ｘ＝０．２５５，ｙ＝０．３１００）およびＰ１０４（ｘ＝０．２８０およびｙ＝０．３０４）に対応している。１２に示される領域は、３つの市販の赤色、緑色および青色ＬＥＤの強度の比率を調整することにより到達できる領域である。

なお、色が変化し得る領域１２は、点１３および１４間を切り換える光源を与えるために必要とされる大きさよりも十分に大きい。前述したように、この更なる変動性はかなり高くつく。なぜなら、ＬＥＤの全てが比較的高い強度で光を発生させる必要があるからである。異なるスペクトル範囲で光を供給するＬＥＤは、大きく異なる電力変換効率およびコストを有する。例えば、スペクトルの緑色領域のＬＥＤは、スペクトルの赤色部分のＬＥＤよりもかなり高価である。また、赤色発光ＬＥＤは更に高い光変換効率を有する。

本発明の１つの実施形態は、白色ＬＥＤ光源とかなり低い出力のＲＧＢ光源とから構成される複合光源が、所望の出力のＲＧＢ ＬＥＤ光源だけを利用する光源を形成するために必要とされる価格よりもかなり低い価格で所望の色度点を包含するのに十分な色空間の限られた領域で色を変えることができる光源を形成できるという所見に基づいている。

この点で、白色ＬＥＤ光源が特に魅力的である。なぜなら、これらのＬＥＤは、今日、フラッシュ光等の電球の代わりとして大量に製造されているからである。１つのタイプの白色ＬＥＤでは、青色光の一部を黄色光へ変換する蛍光体層で青色ＬＥＤが覆われる。リンからの残りの青色光と黄色光との組み合わせが白色のように見える。

なお、これらの白色ＬＥＤは、１ワット当たりの光変換効率が蛍光光源よりも高い。ＬＥＤディスプレイを照明するために使用される典型的な蛍光光源は、約１６７Ｎｉｔｓ／Ｗの変換効率を有する。従来のＲＧＢ ＬＥＤディスプレイは１１０Ｎｉｔｓ／Ｗの変換効率を有する。前述した白色ＬＥＤは２００Ｎｉｔｓ／Ｗの光変換効率を有する。そのため、白色ＬＥＤ光源と従来のＲＧＢ光源との組み合わせは、蛍光光源の変換効率に非常に近い変換効率を有する光源を形成でき、かなりの量の色変化をもたらすことができる。

ここで、白色ＬＥＤと白色ＬＥＤ光源の出力強度にほぼ等しい出力強度を有する従来のＲＧＢ光源とから構成される光源を用いて到達できる色空間の領域を示す図４を参照されたい。ＲＧＢ ＬＥＤの強度を変えることにより光源の知覚色を変えることができる領域が３１で示されている。この領域は、ＲＧＢ ＬＥＤが多くても光源からの全ての光の半分しか供給しないため、ＲＧＢ ＬＥＤにおいて殆ど電力を要することなく２つのＸ線観察色を組み入れるのになお十分である。

赤色、青色および緑色のスペクトル領域で光源の相対強度を測定する検出器により生成される検出信号に応じてＲＧＢ光源のＬＥＤの強度を変えるためのコントローラは、大量生産されており、そのため、魅力的な価格で入手できる。したがって、本発明に係る光源の構造においては、そのような市販のコントローラを利用するのが有利である。

従来のＲＧＢコントローラを利用する本発明に係る光源の１つの実施形態を示す図５を参照されたい。光源４０はＬＥＤの４つの組を含む。４５で示される白色ＬＥＤの組は、予め設定された電流で作動する。４２〜４４で示される赤色、青色および緑色ＬＥＤの組はそれぞれカラーコントローラ４１によって制御される。カラーコントローラ４１は、ＬＥＤの４つの全ての組によって発せられる光を測定するカラーセンサ４６を含む。カラーセンサ４６は、様々なＬＥＤからの光が混合する機会がある場所に配置されている。

カラーセンサ４６は、赤、青および緑にわたる光帯域でカラーセンサ４６により受けられる光の強度を示す信号を生成する。カラーセンサ４６は、３つのフォトダイオードから成る組によって構成することができ、その場合、各フォトダイオードは、そのフォトダイオードに到達する光を対象の光帯域のうちの１つの光に制限する対応する帯域通過フィルタを有する。しかしながら、多くの他の形態のカラーセンサが当分野で知られており利用することができる。

カラーセンサ４６の出力は、カラーコントローラ４１を含むチップから生成される目標明度と比較される。光源４０において、これらの信号は、光源コントローラ４８に記憶され、ユーザからの入力によって選択される。ユーザ入力は、色度点および強度値の両方を含むことができる。色度点は、予めプログラムされた色度点の所定の組のうちの１つを指定することにより選択できる。

コンパレータ４７は、パルス幅変調発生器４９を利用するＬＥＤ組４２〜４４を通じて流れる平均電流を調整するために用いられる誤り信号を出力する。ＬＥＤは、非常に速いために人間の眼では気付くことができない速度でＯＮ／ＯＦＦされる。観察者には、ＬＥＤによって生成される平均光だけが見える。ＬＥＤを通じて流れる平均電流は、ＬＥＤがＯＮする各周期で時間のパーセンテージをセットすることにより設定される。パルス幅変調発生器４９は、誤り信号を最小にするためにＬＥＤの各組ごとにデューティファクタを調整する。電流ドライバの組５１〜５３はＬＥＤの各組に対して電流を供給する。

光源４０は、従来のＬＥＤカラーコントローラ４１を効果的に使用するが、白色ＬＥＤを駆動させるために別個の電流源を必要とする。この電流源は可変ではなく、そのため、それぞれの特定のカラー設定で光の強度を変えることができない。他の手段として、電流源５４は、光源コントローラ４８によって動作される別個の強度制御装置を有する可変電流源であってもよい。しかしながら、そのような構成はコストがかかる。

ここで、本発明に係る光源の他の実施形態を示す図６を参照されたい。光源７０は図５に示される光源４０と類似していることから、以下の説明を簡略化するため、光源４０の要素によって果たされる機能に類似する機能を果たす光源７０の要素については、同じ参照符号を付して、ここで更に説明しない。光源７０は、白色ＬＥＤがカラーＬＥＤ配列のうちの１つに組み込まれている点で光源４０と異なっている。この実施形態において、白色ＬＥＤは、青色光の一部を黄色光へ変換する蛍光体を含む青色ＬＥＤから構成されている。そのため、白色ＬＥＤは青色ＬＥＤの組に含まれる。すなわち、ＬＥＤ鎖６１内のＬＥＤは、白色ＬＥＤ６２と青色ＬＥＤ６３との混合体である。白色ＬＥＤは鎖６１内で均一に分布されていることが好ましい。

この構成によれば、別個の電流源および強度制御機構が必要なくなる。カラーコントローラ４１は、それが図５に示される実施形態で行なったように正確にＬＥＤの３つの組を扱うことができる。ユーザは、所望の光強度および色度点の識別情報を、赤、青および緑の目標値の形態で光源コントローラ６８へ供給する。強度は、目標値の相対値を一定に維持しつつ目標値の全てを増大し或いは減少することによりそれぞれ増大され或いは減少される。

以上の説明および添付図面から、本発明に対する様々な変更が当業者に明らかとなる。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定されなければならない。

観察ステーション２０の側面図である。 観察ステーション２０の平面図である。 様々な色温度で白熱光源に対応するＣＩＥ １９７６色空間の曲線１１を示す。 白色ＬＥＤと白色ＬＥＤ光源の出力強度にほぼ等しい出力強度を有する従来のＲＧＢ光源とから構成される光源を用いて到達できる色空間の領域を示す。 従来のＲＧＢコントローラを利用する本発明に係る光源の１つの実施形態を示す。 本発明に係る光源の他の実施形態を示す。

Claims (7)

1. 色制御信号の組に応じてＣＩＥ １９７６色空間の所定の二次元領域内で変化できる知覚色を有する光を発する第１の成分カラー光源と、
   白色光を発する第２の成分光源と、
   前記第１および第２の成分光源からの光を組み合わせて、出力知覚色を有する出力光信号を生成するミキシング装置と、
   前記光源の外部の１つの信号源からの入力信号に応じて前記色制御信号の組を生成し、前記入力信号によって決定される前記ＣＩＥ １９７６色空間内の１つの点で前記出力知覚色を維持するコントローラと、
   を備え、
   前記第２の成分光源は、複数のモノクロＬＥＤと直列な複数の白色ＬＥＤを備え、
   前記モノクロＬＥＤは、光スペクトルの青色領域で光を発するとともに、
   前記出力知覚色は、所定の数の出力色のうちの１つから選択され、前記出力色のうちの前記１つが前記入力信号によって決定される、
   光源。
2. 前記第１の成分光源がＬＥＤの第１、第２および第３のグループを備え、各グループは、対応するスペクトル領域の光を発する複数のＬＥＤを備える、請求項１に記載の光源。
3. ＬＥＤの前記第１、第２および第３のグループは、光スペクトルの赤色、青色および緑色領域の光を発する、請求項２に記載の光源。
4. 各グループの前記ＬＥＤが直列に接続され、前記コントローラは、ＬＥＤの各グループを通じて流れる平均電流を制御する、請求項２に記載の光源。
5. 前記第２の成分光源は、前記グループのうちの１つの前記ＬＥＤと直列に接続される複数のＬＥＤを備える、請求項４に記載の光源。
6. 前記ミキシング装置は、前記出力光信号によって均一に照明される透明な平面を備える、請求項１に記載の光源。
7. 前記出力色のうちの２つがＣＩＥ １９７６色ダイアグラムにおけるＰ４５およびＰ１０４である、請求項１に記載の光源。

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