JP4988586B2 - セグメント化された光センサ上の画像マッピングによる光学的フィードバックを備えるｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は照明装置に関し、照明装置は、異なる着色光を放射するＬＥＤ（発光ダイオード）の配列と、照明装置の光出力を制御するための制御システムとを含む。

白色光放射照明装置又はカラーターンテーブル発光装置のような、ＲＧＢ ＬＥＤとしても既知の、着色ＬＥＤの配列を有する照明装置は、幾つかの理由のために関心の的である。例えば、それらは低価格且つ効率的であり、それらの光出力の色度は調節可能である。

しかしながら、ＬＥＤの光出力は、ＬＥＤ毎に並びに各ＬＥＤの寿命に亘って変化する。加えて、ＬＥＤの光出力は温度で逆に変化し、変化は異なる色のために異なる。そのような照明装置からの安定的な光出力を達成するための多くの解決策が試された。それらの解決策では、異なる種類のフィードバック制御が導入されている。よって、光出力は検出され、検出値はＬＥＤの励起を制御するために使用される。１つの従来技術の解決策が米国特許第６，１２７，７８３号に開示されており、そこでは、白色光放射照明装置は、電気的に調節されたカラーバランスを有する。照明装置は、赤色、緑色、及び、青色のそれぞれの複数のＬＥＤを含み、各色のための別個の電源と、全てのＬＥＤの光出力を検出するよう配置された光ダイオードの形態の光センサの配列とを備える。各色の光出力は、電子制御回路によって測定され、それは時間パルスのシーケンスで測定されない色のためのＬＥＤを消す。各色のための測定済み光出力は、使用者入力によって決定され得る所望の出力と比較され、各色のための電流に対する補正が相応して行われる。

ＬＥＤ光のこのようにして提供される光学的フィードバック制御は、各個別のＬＥＤ光色のための或いは各ＬＥＤのためさえもの光出力を測定するために時間パルス化された測定値を必要とする。これはもし全てのＬＥＤがオンであるならば照明装置の混合光出力は光センサ配列に反射されるという事実に起因する。時間パルスは時間がかかり、特に多数のＬＥＤを含む照明装置に関して、照明装置の最大出力を著しく制限する。

上記に記載された従来技術の欠点を解消し或いは低減し、且つ、個別のＬＥＤの異なるＬＥＤ光色又は光出力が時間パルス法を用いてそれらを時間で分離する必要なしに分離される照明装置を提供することが本発明の目的である。

（１）： 照明装置であって、少なくとも１つの色の光を放射するＬＥＤの配列と、当該照明装置の光出力を制御するための制御システムとを含み、該制御システムは、当該照明装置の光出力を検出する検出器ユニットと、前記配列の個々のＬＥＤの出力を制御するために前記検出器ユニットからの情報を使用する制御ユニットとを含み、前記検出器ユニットは、光センサ配列を含み、該光センサ配列上に前記ＬＥＤの配列の画像をマップ化するよう前記光センサ配列の前に配置される結像ユニットを含み、前記光センサ配列はサブ地域に分割され、各サブ地域は前記ＬＥＤの単一の１つからの光出力を検出し、前記サブ地域に対応する信号を生成するために前記光センサ配列に接続される処理ユニットを含む、照明装置。
（２）： 前記生成される信号の各１つは、異なるＬＥＤ光色に対応する、（１）に記載の照明装置。
（３）： 前記生成される信号の各１つは、単一のＬＥＤの光出力に関係する、（１）又は（２）に記載の照明装置。
（４）： 前記生成される信号の各１つは、同一色の光を放射するＬＥＤのクラスタの光出力に関係する、（１）又は（２）に記載の照明装置。
（５）： 前記サブ地域の各１つは、前記光センサ配列の複数の画素から成る、上記のうちのいずれか一つに記載の照明装置。
（６）： 前記結像ユニットは、当該照明装置の内側に反射される光を前記光センサ配列上に集束するよう位置付けられる、上記のうちのいずれか一つに記載の照明装置。
（７）： 当該照明装置の僅かな光出力が前記結像ユニットに向かって反射される出力端面を有するコリメータをさらに含む、（６）に記載の照明装置。
（８）： 前記光センサ配列は、前記コリメータから所定距離に配置される、（７）に記載の照明装置。
（９）： 前記光センサ配列は、ＬＥＤの間に配置される、（７）に記載の照明装置。
（１０）： 前記結像ユニットは、前記光センサ配列の直ぐ近傍に配置される光学的部分を含む、上記のうちのいずれか一つに記載の照明装置。
（１１）： 前記結像ユニットは、前記コリメータと周囲環境との間の界面を構成する光学的部分を含む、（８）に記載の照明装置。
（１２）： 前記結像ユニットは、前記コリメータから所定距離に配置される光学的部分を含む、（８）に記載の照明装置。
（１３）： 前記光学的部分は、前記光センサ配列の直ぐ近傍に配置される、（１１）又は（１２）に記載の照明装置。
この目的は（１）に定められるような本発明に従った照明装置によって達成される。

よって、その特徴によれば、本発明は、異なって着色された光を放射するＬＥＤの配列の配列と、照明装置の光出力を制御するための制御システムとを含む照明装置に関する。制御システムは、照明装置の光出力を検出する検出器ユニットと、配列の個々のＬＥＤの出力を制御するために検出器ユニットからの情報を使用する制御ユニットとを含む。検出器ユニットは、光センサ配列と、結像ユニットと、処理ユニットとを含む。結像ユニットは、ＬＥＤの配列の画像を光センサ配列上にマッピングするよう、光センサの前に配置される。光センサ配列はサブ地域に分割され、各サブ地域はＬＥＤの単一の１つからの光出力を検出する。処理ユニットは、サブ地域に対応する信号を生成するために、光センサ配列に接続される。

単一のＬＥＤに起源する光が１つのサブ地域を照明するよう、サブ地域に光センサ配列をパーティショニングし、且つ、その上にＬＥＤ配列の画像をマッピングすることの故に、光出力を検出しながら全てのＬＥＤを放射させることが可能であり、個々の色からの並びに個々のＬＥＤの出力からさえもの寄与を依然として特定し得る。各サブ地域は１つ又はそれよりも多くのセンサ配列素子から成る。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（２）及び（３）にそれぞれ定められるように、生成される信号は、各１つの色のための合計信号或いは個別の信号、各ＬＥＤのために１つであり得る。これらの実施態様は等しい用途において有用である。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（５）に定められるように、各サブ地域は複数の画素から成る、即ち、個々のＬＥＤは幾つかの画素上に結像される。これは制御にロバストさをもたらす。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（６）に定められるように、結像を行うために、直接照明又は外部反射というよりもむしろ、内部反射が使用される。特別な構成素子又は障害物体が光路内に不要なので、これは有利である。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（７）に定められるように、異なる屈折率の２つの媒体間の界面に自然に存在する僅かな反射が使用される。よって、追加的な反射器素子は不要である。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（８）に定められるように、光センサ配列はコリメータから離間し、その結果、コリメータ内のＬＥＤから離間する。それによって、熱生成ＬＥＤ配列からの熱絶縁は、コリメータ内部の配置に関して単純化される。温度変動に起因する光センサ配列に対する影響を減少するために、絶縁は望ましい。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（９）に定められるように、光センサ配列はＬＥＤと隣り合って配置される。これはコリメータ外部に光学素子がない点で有利であり、１つの素子内にこれらの光学素子を設けることによって、それらは整列が容易である。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（１０）に定められるように、結像光学素子は光センサ配列の頂部に或いは近接して配置される。それによって、光センサ配列の地域の減少が得られる。次いで、これは光放射のために使用されない有効地域を減少する。しかしながら、光センサ配列地域のそのような減少はより小さな画素サイズを条件とすることが留意されなければならず、次いで、それは光センサ配列の種類に依存し得る。

本発明の照明装置の実施態様によれば、（１１）に定められるように、結像ユニットの光学的部分は、コリメータの壁の一部と係合し、その一部を構成する。それによって、結像ユニットの全て或いは少なくとも主要部分が光センサ配列と共に照明装置の周辺に配置される。追加的に、反射光のより大きな部分が、（１２）に定められるように、他の実施態様と比較してコリメータから出て光センサ配列に結合され、その場合には、光学的部分はコリメータから離間する。

他方、後者の実施態様において、光学的部分はより容易に取り付けられる。

本発明のこれらの並びに他の特徴は、以下に記載される実施態様を参照して明瞭に解明されよう。

今や、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に記載する。

図１を参照すると、照明装置１０１は、底板１０５と囲繞壁１０７とを有するカップ形状の支持構造１０３と、底板１０５の頂部上に、或いは、中間取付部、即ち、照明装置１０１の内部上に取り付けられる複数のＬＥＤチップ又はＬＥＤ１０９とを含む。さらに、照明装置１０１は、光学コリメータ１１１と、反射器１１３とを含み、光学コリメータは、支持構造１０３のカップ形状内に配置されＬＥＤ１０９を取り囲み、且つ、切子面付きで誘電的であり、光学コリメータは、対応する平坦表面１１７と係合する平坦表面１１５を備えるコリメータ１１１の頂部上に配置されている。反射器１１３は、支持構造１０３の幅よりも大きな幅まで、その外側端部に向かって広がり、壁１０７の上方端部によって支持されている。反射器１１３も切子面付きであり、照明装置１０１から放射される光出力の最終ビーム成形及び均質化、即ち、色混合のために使用される。光センサ配列１１９が、底板１０５の中心で、即ち、照明装置１０１の長手軸で、底板１０５上に或いはサブ取付部又はＬＥＤ１０９の隣のＰＣＢ上に取り付けられている。シリコンジェルの本体１２３が、ＬＥＤ配列及び光センサ配列１１９を覆っている。本体１２３は、コリメータ１１１の屈折率と一致する屈折率を有し、ＬＥＤ１０９とコリメータ１１１との間の光学的接点を構成している。結像ユニット１２１が、光センサ配列から距離を置いて、光センサ配列１１９の正面に、即ち、図１で見られるときには上に、直線的に配置されている。結像ユニット１２１は、光学的部分、より具体的には、レンズから成り、レンズは、シリコンジェル本体１２３とコリメータ１１１との間の界面に位置付けられている。レンズ１２１の屈折率は、周囲材料よりも高い。代替的な構造において、レンズ１２１の屈折率は、周囲材料の屈折率よりも低くあることも可能であり、レンズの他の形状を必要とする。照明装置１０１は、さらに、図５中に波線によって示されるような制御システム５０１を含む。

制御システム５０１は、実際には、大部分はＰＣＢ（プリント回路基板）上のハードウェアによって構成され、支持構造１０３の底板１０５上にも取り付けられ得る。制御システム５０１は、ＬＥＤ５１５を励起する電源ユニット５１３を介して、図５中では５１５で示されるＬＥＤ１０９に接続され、検出器ユニットを含み、検出器ユニットは、光センサ配列１０９に対応する光センサ配列５０５と、検出器ユニット５０５に接続された処理ユニット５０６とを含む。ブロック図は、最も概略的であり、主として、制御システムの一部の部分を開示する目的を有し、異なる部分の実際の位置と無関係に、全ての構造的に異なる実施態様に等しく関連することが意図されている。光ダイオード配列、ＣＭＯＳセンサ又はＣＣＤのような利用可能な異なる代替的な光センサ配列がある。そのような光センサ配列は、当業者に既知であるようなカラーフィルタを含み得る。

制御システム５０１は、さらに、検出光に基づいて、波線で示されるような照明装置５０３の光出力を制御するための制御ユニット５０７と、制御ユニットに接続された基準値生成装置５０９とを含む。制御ユニット５０７は、コンパレータ５１１を含む。

制御システム５０１は以下のように動作する。検出器ユニット５０６が照明装置５０３の光出力を検出する。上記に説明されたように、検出光はＬＥＤ配列５１５の画像であり、それは典型的には照明装置５０３の内側に反射される光から成る。検出器ユニット５０５の光センサは、複数のサブ地域を有し、各サブ地域は個々のＬＥＤ５１５の光を受光する。処理ユニット５０６が、異なるサブ地域の照明を示す出力信号、異なるＬＥＤ５１５の光出力を生成する。コンパレータ５１１内では、出力信号、即ち、実際の値が、基準値信号、即ち、基準値ユニット５０９によって生成される所望値と比較される。その結果は制御ユニット５０７によって処理され、制御ユニットは、比較結果に基づき、即ち、比較結果に依存して、電源ユニット５１３への制御信号を生成する。よって、各ＬＥＤの光出力は、制御システム５０１を用いて個別に制御され得る。代替的に、ＬＥＤ５１５は全て個別には駆動されないが、クラスタ毎に駆動され、よって、ＬＥＤの書込みスキームを単純化する、即ち、駆動チャネルの数を減少する。その場合には、ＬＥＤのこれらのクラスタの光出力は、制御システム５０１を用いて独立して制御され得る。

図２には、他の実施態様が示されている。図１の実施態様からの相違は、レンズ２２１が光センサ配列２１９の直ぐ近傍に配置されていることである。

代替的に、図１及び２に示される実施態様では、近隣のＬＥＤからの直接光がセンサに達するのを防止することを保証するために（即ち、界面１１５，２１５で反射されることなくセンサに到達する光）、光センサ配列１１９，２１９と周囲ＬＥＤ１０９，２０９との間に光学的遮蔽が配置されている。これはＬＥＤ１０９，２０９の高さと少なくとも等しい高さを備える薄い光遮断（好ましくは反射性）壁によって実現され得る。

図３には、他の実施態様が示されている。上記に記載の実施態様と対照的に、光センサ配列３１９は、コリメータ３１１の外部に取り付けられ、結像ユニット、即ち、レンズ３２１は、コリメータ壁３２５の一部を占めている。換言すれば、レンズ３２１は、コリメータ３１１と空気である周囲媒体との間の界面に配置されている。好ましくは、レンズ３２１は、コリメータ３１１の成形と同時に構成される。ここで、ＬＥＤ３０９から放射される光は、先ず、レンズ３２１と反対側の壁３２５で部分的に反射され、次に、レンズ３２１に到達する前に、コリメータ３１１の出力表面３１５の内側上で反射される。この実施態様では、空間を占める如何なる光センサ配列なしのＬＥＤのための十分な余地がある。他方、ＬＥＤ配列３０９の良好な画像マッピングを得るために、それは光センサ配列３１９の精密な整列を要求する。

図３ａには、他の実施態様が示されている。それは、検出光が一度だけ部分的に反射されるような位置にレンズが移動される点においてのみ、図３に示される実施態様と異なる。換言すれば、界面３１５で反射される光のみが、検出器３１９によって検出される。この構造は、コリメータ３１１及び／又は反射器３１３の他の光学的設計を可能にする。

図４には、他の実施態様が示されている。図３における実施態様と比較される唯一の相違は、図２に示される上記に記載の実施態様におけるのと同様に、レンズ４２１が光センサ配列４１９に近接して配置されていることである。この近さは図３ａの実施態様においても利用され得る。上記に、本発明に従った照明装置の実施態様が記載された。これらは非制限的な実施態様としてのみ見られるべきである。当業者に理解されるように、多くの変更及びさらなる代替的な実施態様が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、処理ユニットは、個々のＬＥＤを表さないが個々の光色を示す出力信号を生成し得る。その場合には、放射光と同一の色を有するＬＥＤを表す信号は、処理ユニットによって組み合わせられる。代替的に、組み合わせることは、検出器ユニット内で既に遂行されるので、同一の色の光を受光する異なるサブ地域によって生成される光が加えられ、検出器ユニットから処理ユニットへの単一の信号出力をもたらす。

結像ユニットは、複数のレンズ及びさらなる素子を含み得るし、並びに、レンズが一切含まないが、代わりに、他の結像素子を含み得る。

図３及び４に示される実施態様において、望ましくない光（背景又は迷光）の検出を減少するために、結像素子とセンサ配列との間にピンホールを加え得る。

追加的に、結像素子からセンサ配列までの或いはピンホールからセンサ配列までの光路は、結像素子又はピンホールを通過するセンサ配列による光の検出を防止するために、光学的に遮蔽され得る。

代替的な実施態様において、ピンホールは光ダイオードをセンサ配列上に結像するために使用される。ピンホールは、コリメータとセンサ配列との間に取り付けられるさらなる光遮断媒体内の小さな光透過地域であり得る。この場合には、結像素子としてレンズは使用されない。代替的に、ピンホールは、コリメータの外側表面に適用される反射層内の小さな光透過地域であり得る。さらに他の構造において、ピンホールは、実際にコリメータを形成する反射機内の小さな光透過地域であり得る。後者の場合には、ＬＥＤが光学的接触状態にある誘電体はドーム形状を有する、即ち、誘電体は、ＬＥＤ及び取付板及び／又はサブ取付部と接触状態にある側から離れて、凸状の外部表面（ＬＥＤからの直接光がセンサから離れて面する）を有し、ドームはコリメータ反射器内に配置される。この場合には、例えば、コリメータと（二次的）反射器との間にガラス板を適用することによって、照明システムの光出力の感知のための多少の反射光をもたらすために、追加的な光学素子が必要とされる。このガラス板は、センサ配列のための鏡面反射をもたらす平坦な底部表面、或いは、平坦な或いはテクスチャ加工された表面を有し得る。テクスチャ加工された表面は、ＬＥＤによって放射される光の混合のさらなる増大、よって、照明システムによって放射される光の均質性の増大の可能性をもたらす。画像のサイズをセンサ配列のサイズに調節するために、ピンホールとセンサ配列との間に追加的な光学素子（即ち、１つ又はそれよりも多くのレンズ）を適用し得る。後者の場合には、望ましくない光の検出を低減するために、再び追加的光学素子とセンサ配列との間に第二ピンホールを適用し得る。

このように、上記の実施態様を用いて説明されたように、単一のＬＥＤに起源する光が１つのサブ地域を照明するよう、サブ地域内の光センサ配列をパーティショニングすること、並びに、その上のＬＥＤ配列の画像をマッピングすることの故に、異なるＬＥＤ光色又は個々のＬＥＤの光出力は、時間パルス法を用いてそれらを時間で分離する必要なしに分離される。

この出願の目的のために、具体的には、添付の請求項に関して、「含む」という語は他の素子又はステップを排除せず、不定冠詞は複数を排除しないことが留意されるべきであり、それら自体は当業者に明らかであろう。さらに、当業者によって理解されるであろうように、上記に記載されたハードウェアは、少なくとも部分的にソフトウェアによっても同様に実現され得る。

本発明に従った照明装置の第一実施態様を概略的に示す断面図である。 本発明に従った照明装置の第二実施態様を概略的に示す断面図である。 本発明に従った照明装置の第三実施態様を概略的に示す断面図である。 本発明に従った照明装置の第四実施態様を概略的に示す断面図である。 本発明に従った照明装置内で利用される制御システムの実施態様を概略的に示すブロック図である。

Claims (11)

1. 照明器具であって、
   少なくとも一つの色の光を放出するＬＥＤのアレイ及び前記照明器具の光の出力を制御するための制御システムを具備すると共に、
   前記制御システムは、前記照明器具の光の出力を検出する検出ユニット及び上記のアレイの個々のＬＥＤの出力を制御するために前記検出ユニットからの情報を使用する制御ユニットを具備すると共に、
   上記の検出ユニットは、
   光センサーアレイ、及び、
   イメージングユニット
   を具備すると共に、
   前記イメージングユニットは、それが上記の光センサーアレイに上記のＬＥＤのアレイのイメージをマッピングするように、上記の光センサーアレイの前方に配置されたものであると共に、
   上記の光センサーアレイは、各々が上記のＬＥＤの単一のものからの光の出力を検出するサブエリアへと分割されたものであると共に、
   上記の検出ユニットは、
   上記のサブエリアに対応する信号を発生させるための上記の光センサーアレイに接続された処理ユニット
   を具備する、照明器具。
2. 請求項１に従った照明器具において、
   上記の発生させられた信号の各々一つのものは、異なるＬＥＤの光の色に対応する、照明器具。
3. 請求項１又は２に従った照明器具において、
   上記の発生させられた信号の各々一つのものは、単一のＬＥＤの光の出力に関係付けられたものである、照明器具。
4. 請求項１又は２に従った照明器具において、
   上記の発生させられた信号の各々一つのものは、同じ色の光を放射するＬＥＤのクラスターの光の出力に関係付けられたものである、照明器具。
5. 請求項１又は２に従った照明器具において、
   上記のサブエリアの各々一つのものは、前記光センサーアレイの複数のピクセルからなる、照明器具。
6. 請求項１又は２に従った照明器具において、
   上記のイメージングユニットは、前記光センサーアレイへと前記照明器具内に内部へ反射させられた光を集束させるために位置決めされたものである、照明器具。
7. 請求項６に従った照明器具において、
   前記照明器具は、さらに、前記照明器具の光の出力のフラクションが前記イメージングユニットへ向かって反射させられたものであるところの出力の末端の表面を有するものであるコリメーターを具備する、照明器具。
8. 請求項７に従った照明器具において、
   前記光センサーアレイは、ＬＥＤと並んで配置されたものである、照明器具。
9. 請求項１又は２に記載の照明器具において、
   上記のイメージングユニットは、前記光センサーアレイの上部に配置されたものである光学的な部分を具備する、照明器具。
10. 請求項７に従った照明器具において、
    上記のイメージングユニットは、前記コリメータ及び周囲の媒体の間における界面を構成するものである光学的な部分を具備する、照明器具。
11. 請求項１０に従った照明器具において、
    前記光学的な部分は、前記光センサーアレイの上部に配置されたものである、照明器具。

Images