JP5311639B2 - Ｌｅｄ発光体システム - Google Patents

Description

本発明は、混合色光を発生するために、複数色の複数のＬＥＤ光源を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）発光体システムに関する。本発明は、ＬＥＤ発光体のための制御方法及びシステムにも関する。

白光または着色光を発生させるために一般的に行われている方法は、混合された色を得るように複数のカラーＬＥＤを混合することである。発生する光は、例えば、使用するＬＥＤの型、カラー比、駆動比、混合比等のような多くのパラメータによって決定される。しかしながら、動作中にＬＥＤの温度が上昇するとＬＥＤの光特性が変化する。例えば、フラックス出力が低下し、ピーク波長がシフトする。

この問題を解消または軽減するために、使用中のＬＥＤの光特性のこれらの変化を補償する種々のカラー制御システムが提唱されている。カラー制御システムまたはアルゴリズムの例は、色座標フィードバック（ＣＣＦＢ）、温度フィードフォワード（ＴＦＦ）、フラックスフィードバック（ＦＦＢ）、または例えば、２００５年９月７日の Proc. SPIE Vol. 5941 ,59410Cに所載のP. Deurenbergらの論文「種々のカラー制御ループを使用するＲＧＢマルチチップＬＥＤモジュールにおけるカラーポイント安定度の達成」（“Achieving color point stability in RGB multi-chip LED modules using various color control loops”）に記載されている最後の２つの組合せ（ＦＦＢ＋ＴＦＦ）を含む。

ＣＣＦＢにおいては、フィルタ付きのフォトダイオードを使用して、実際の混合色光の色座標をフィードバックする。これらの色座標は、所望の混合色光を表す参照値または設定点値と比較される。そして、導出された差に従ってＬＥＤが制御される。

このようなフィードバックシステムは、全てのＬＥＤシステムにおける温度効果を確実に補償できるものと考えられてきた。しかしながら、近年の測定では、ＬＥＤ・センサ組合せの中にはこれが真ではないものがあることが分かった。事実、若干の組合せは、補償しないよりはましな程度の極めて不安定な色出力をもたらしている。フィードバックシステムがこのように不正確に反応する根本的な理由は、センサ感度と人間の目の感度との間にずれが存在し得ることである。即ち、センサの色感度は、人間の目の感度とは一致しない。これは、このフィードバックシステムがセンサドメインにおいては光出力を正確に維持するが、人間ドメインにおいてはそうではないことを意味している。もしＬＥＤが一定波長の光を放出するのであれば、センサ感度と目の感度との差を補償することは容易である。しかしながら、異なる波長においてセンサ感度と目の感度とのずれが異なり、更に、ＬＥＤのピーク波長は温度の上昇と共に増加する。特に、波長が増加するにつれて目の感度は増加するがセンサ感度は低下するようなＬＥＤ波長範囲においては、このずれが増幅され、大きいカラーポイント差がもたらされる。

本発明の目的はこの問題を解消することであり、また、改良された、より色安定なＬＥＤ発光体システムを提供することである。

以下の説明から明白になるこの、及び他の目的は、ＬＥＤ発光体システム、及びＬＥＤ発光体を特許請求の範囲に従って制御する方法及びシステムによって達成される。

本発明の一態様によれば、ＬＥＤ発光体システムが提供される。本ＬＥＤ発光体システムは、混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源、所望の色を有する混合色光を表す設定点値と、ＬＥＤ光源によって発生される混合色光の色を表す第１の制御データとの差に従ってＬＥＤ光源を制御する手段を含み、上記第１の制御データは少なくとも１つのカラーセンサによって供給され、上記ＬＥＤ発光体システムが、各ＬＥＤ光源の温度を導出する手段、及び上記ＬＥＤ光源温度を含む第２の制御データに従って上記設定点値を補償する手段を含むことを特徴としている。

各ＬＥＤ光源の温度に従って対応する設定点値を補償することによって、ＬＥＤ光源の温度の変化に伴うピーク波長のシフトを斟酌することができ、それによって、より色安定な、そして頑丈なＬＥＤ発光体システムが達成される。

ＣＣＦＢ型機能を用いてＬＥＤ発光体システムの温度変化を斟酌する例として、ヒートシンク温度に対してフィードバック信号の利得を補正する（温度変化を斟酌するために）ことを記述しているMuthuらの論文（２００２年）「赤、緑、及び青ＬＥＤをベースとする白光生成：問題点及び制御」から公知である。これは、信号自体を調整することをせずにフィードバック信号と比較するための設定点値を調整するようになっている本発明によるシステムとは対比的である。更に、この論文に記述されているシステムは人間ドメインにセットアップされているが、本発明によるシステムはセンサドメインにセットアップされている。

第２の制御データは、ＬＥＤ光源毎の基準ＬＥＤ光源温度を含むことが好ましい。導出されたＬＥＤ光源温度と基準ＬＥＤ光源温度との差が、ＬＥＤ光源のピーク波長のシフトの量の測度である。シフトは大きい温度範囲に亘って一定であるので現ピーク波長を推定することができ、それによって設定点値を調整するのにこの情報を使用する。

第２の制御データが、異なるピーク波長に対する１つまたは複数のセンサの感度を表すデータ、並びに、ＬＥＤ光源スペクトルを表すデータ（それに基づいて設定点値を相応に調整することを可能にする）を更に含むことが好ましい。

各ＬＥＤ光源の温度を導出するために、導出手段は、ＬＥＤ光源が取付けられているヒートシンクの温度を測定する温度センサを含むことができる。一実施形態においては、導出手段は、少なくとも測定されたヒートシンク温度及び複数のＬＥＤ光源の熱モデルに基づいて、ＬＥＤ光源温度を計算する手段を更に含む。

更に、ＬＥＤ光源によって生成される光の色を検出するために、少なくとも１つのカラーセンサ、好ましくはＬＥＤ光源の色毎の１つのセンサは、フィルタ付きのフォトダイオードであることができる。

本発明の別の態様によれば、混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ発光体を制御する方法が提供される。本方法は、所望の色を有する混合色光を表す設定点値と、ＬＥＤ光源によって発生される混合色光の色を表す第１の制御データとの差に従ってＬＥＤ光源を制御するステップを含み、上記第１の制御データは少なくとも１つのカラーセンサによって供給され、上記方法が、各ＬＥＤ光源の温度を導出するステップ、及び上記ＬＥＤ光源温度を含む第２の制御データに従って上記設定点値を補償するステップを含むことを特徴としている。本方法は、前述した本発明の一態様によって得られるものと類似の長所を提供する。

本発明の更に別の態様によれば、混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ発光体を制御するシステムが提供される。本システムは、所望の色を有する混合色光を表す設定点値と、ＬＥＤ光源によって発生される混合色光の色を表す第１の制御データとの差に従ってＬＥＤ光源を制御する手段を含み、上記第１の制御データは少なくとも１つのカラーセンサによって供給され、上記ＬＥＤ発光体制御システムが、各ＬＥＤ光源の温度を導出する手段、及び上記ＬＥＤ光源温度を含む第２の制御データに従って上記設定点値を補償する手段を含むことを特徴としている。本制御システムは、前述した本発明の諸態様によって得られるものと類似の長所を提供する。

本発明のこれらの、及び他の態様は、本発明の現在では好ましい実施の形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

図１は、従来技術によるＬＥＤ発光体システム１０のブロック図である。この型のＬＥＤ発光体システムは、例えば、前記２００５年９月７日の Proc. SPIE Vol. 5941 ,59410Cに所載のP. Deurenbergらの論文「種々のカラー制御ループを使用するＲＧＢマルチチップＬＥＤモジュールにおけるカラーポイント安定度の達成」に記載されている。

ＬＥＤ発光体システム１０は、ＬＥＤ発光体１２を含む。ＬＥＤ発光体１２は、赤色光を放出するＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源１４ａと、緑色光を放出するＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源１４ｂと、青色光を放出するＬＥＤを含む１つのＬＥＤ光源１４ｃとを含む。各ＬＥＤ光源１４は、ＬＥＤ光源を駆動するための対応するドライバ１６に接続されている。ＬＥＤ発光体システム１０は、例えば、異なるＬＥＤ光源１４の出力を混合することによって白色光を発生させることができ、それを照明（イルミネーションまたはライティング）に使用することができる。また、ＬＥＤ発光体システム１０を、可変色ＬＥＤ発光体システムにしてもよい。

ＬＥＤ発光体システム１０は、ユーザインタフェース１８及び較正マトリックス２０を更に含む。ＬＥＤ発光体１２の所望のルーメン出力及び色を表すユーザ入力は、ユーザインタフェース１８を通して受けられる。ユーザ入力は、例えば、ＣＩＥ 1931色度図内のある位置（カラーポイント）を表すＣＩＥｘ，ｙ，Ｌで指定することができる。ユーザ入力は較正マトリックス２０へ転送され、較正マトリックス２０は選択されたカラーポイントのための色Ｒ、Ｇ、Ｂ毎の名目デューティサイクルを計算する（即ち、ユーザ入力は、ユーザドメイン（定義値）からアクチュエータドメイン（定義値）へ変換される）。

色座標フィードバック機能を実現するために、ＬＥＤ発光体システム１０は更に、３つのカラーセンサ２２ａ−２２ｃ、カラー参照ブロック２４、比較ブロック２６、及びＰＩＤ（比例・積分・微分）コントローラ２８ａ−２８ｃを含む。

各センサ２２ａ−２２ｃは、対応するＬＥＤ光源１４ａ−１４ｃに関連付けられている。即ち、センサ２２ａは赤色光を検出し、センサ２２ｂは緑色光を検出し、そしてセンサ２２ｃは青色光を検出する。カラーセンサ２２は、例えば、フィルタ付きのフォトダイオードであることができる。

ＬＥＤ発光体システム１０の動作中、センサ２２はＬＥＤ発光体１２が発生する混合色光を、それぞれ赤、緑、及び青に対応する３つのセンサ値、即ちフィードバック値（第１の制御データ）に変換する。センサ値はセンサドメイン（定義値）である。

次に、センサ値（実際の色を表す）は、カラー参照ブロック２４から供給される設定点値（所望の色を表す）と比較される（カラー参照ブロック２４は、これらの設定点値を較正マトリックス２０からの入力に基づいて計算する）。即ち参照ブロック２４は、較正マトリックス２０からの名目デューティサイクル（アクチュエータドメイン）を、ある基準温度における設定点値（センサドメイン）に変換する。比較ブロック２６において、色毎に設定点値が対応するフィードバック値と比較され、色Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に得られた差がＰＩＤコントローラ２８へ印加される。次に、ＰＩＤコントローラ２８は、この入力を変更し、導出された差に従ってＬＥＤドライバ１６ａ−１６ｃへ供給する。これは、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ光源１４ａ−１４ｃを調整する（即ち、設定点値とフィードバック値との間の誤差を定常状態の下で０に到達させる）ので、所望の色がＬＥＤ発光体１２から出力される。ＬＥＤ発光体へ印加される前に、ＰＩＤコントローラの出力はセンサドメインからアクチュエータドメイン（デューティサイクル）に変換され、較正マトリックスからの出力（即ち、名目ディユーティサイクル）が乗ぜられる。前述したように、ＣＣＦＢ機能はＬＥＤ発光体システムの色安定度を改善することができるが、全てのＬＥＤ・センサ組合せに対してではない。

図２は、本発明の実施形態によるＬＥＤ発光体システムのブロック図である。図１の従来技術のシステムと図２のシステムとの差は、図２のＬＥＤ発光体システムが、色安定度を更に改善するために温度フィードフォワード機能（ＴＦＦ）を更に含むことである。図２では、ＴＦＦ機能は、温度センサ３０、計算ブロック３２、及び参照ブロック３４によって実現されている。

温度センサ３０は、ヒートシンク３６上に取付けられており、このヒートシンク３６上にはＬＥＤ光源１４も取付けられている。動作中、温度センサ３０はヒートシンクの温度を測定する。この温度測定は計算ブロック３２に印加される。計算ブロック３２は、ヒートシンクの温度、ＬＥＤ光源の熱モデル、及びＬＥＤ光源への電流入力に基づいて、ＬＥＤ光源１４ａ−１４ｃ毎の温度（即ち、接合温度）を計算する。接合温度は、ＬＥＤの内側の活性層の温度である。

この接合温度データ（Ｔ_red、Ｔ_green、及びＴ_blue）は参照ブロック３４へ印加される。図１の参照ブロック２４と同様に、図２の参照ブロック３４は、較正マトリックス２０からの入力に基づいて計算された設定点値を含んでいる。更に、参照ブロック３４はＬＥＤ光源１４毎の基準接合温度を含んでいるので、現接合温度と基準接合温度との差がピーク波長シフトの量の測度（指標）になる。このシフトは大きい温度範囲に亘って一定であるので、ＬＥＤ光源毎の現ピーク波長を推定することができる。

次に、この情報（第２の制御データ）は、ＬＥＤ光源の温度の変化に伴うピーク波長シフトを考慮に入れるために、設定点値を補償するようにブロック３４において使用される。即ち、設定点値は、現在の推定されたピーク波長に関して再計算される。この再計算には、ＬＥＤ光源の色毎に、ピーク波長シフト、センサ感度及びＬＥＤ光源スペクトルに関するデータ、基準温度におけるピーク波長の推定、及びシステムの熱モデルが必要である。従って、比較ブロック２６において、ＬＥＤ発光体１２の所望出力を表す設定点値がＬＥＤ発光体の実際の出力と比較される時には、設定点値は、ＬＥＤ光源１４のピーク波長シフトに関して既に補償されている。

この比較は、センサドメインからアクチュエータドメインへ（即ち、ＰＩＤコントローラとＬＥＤ発光体との間で）変換する時にも適用すべきであるが、逆のバージョンが使用されることに注目されたい。更に、ピーク波長シフトを斟酌するために、計算ブロック３２からの温度も較正マトリックス２０に印加される。

以上のように、本発明の実施形態によるＬＥＤ発光体システムは、ＣＣＦＢ及びＴＦＦの両者を含むカラー制御アルゴリズムを使用する。上述したように、このような補償はより色安定なＬＥＤ発光体システムをもたらす。ＣＣＦＢ＋ＴＦＦカラー制御アルゴリズムを、ＲＧＢ ＬＥＤ発光体システム（上述したような）に適用すると、以下の表１に示すようにＣＣＦＢだけを使用するシステムに比して色安定度が約２ポイント向上する。ＡＧＢ ＬＥＤ発光体システムにおいては、ＣＣＦＢ＋ＴＦＦカラー制御アルゴリズムがＣＣＦＢカラー制御アルゴリズムに比して色安定度を２４ポイントも向上させるので一層重要である。

当業者ならば、本発明が上述した好ましい実施形態に限定されるものではないことを理解することができよう。反対に、特許請求の範囲に記載の範囲内で多くの変更及び変化が可能である。例えば、本発明によるシステム及び方法は、ＲＧＢ、ＡＧＢ、ＲＡＧＢ、リン光体変換ＬＥＤシステム等のような異なるＬＥＤ組合せのために使用することができる。

従来技術によるＣＣＦＢ機能を有するＬＥＤ発光体システムのブロック図である。 本発明の実施の形態によるＬＥＤ発光体システムを示すブロック図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤ発光体システム
１２ ＬＥＤ発光体
１４，１４ａ−１４ｃ ＬＥＤ光源
１６，１６ａ−１６ｃ ドライバ
１８ ユーザインタフェース
２０ 較正マトリックス
２２，２２ａ−２２ｃ カラーセンサ
２４ カラー参照ブロック
２６ 比較ブロック
２８，２８ａ−２８ｃ コントローラ
３０ 温度センサ
３２ 計算ブロック
３４ 参照ブロック
３６ ヒートシンク

Claims (8)

1. 混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）発光体を制御するシステムであって、
   所望の色を有する混合色光を表す設定点値と上記ＬＥＤ光源によって発生された混合色光の色を表す第１の制御データとの差に従って上記ＬＥＤ光源を制御する手段を含み、上記第１の制御データは少なくとも１つのカラーセンサによって供給され、
   上記各ＬＥＤ光源の温度を導出する手段と、
   上記各ＬＥＤ光源の導出された温度と上記各ＬＥＤ光源の基準ＬＥＤ光源温度との間の温度差を決定することにより、上記ＬＥＤ光源の温度を含む第２の制御データに従って上記設定点値を補償する手段であって、上記温度差が複数のＬＥＤ光源の各々の推定されたピーク波長シフトを表し、上記設定点値を上記推定されたピーク波長シフトに基づいて再計算する、上記設定点値を補償する手段と、
   を含むことを特徴とするシステム。
2. 混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源を更に備えた、請求項１に記載のシステム。
3. 上記第２の制御データは、異なるピーク波長に対する上記１つまたは複数のセンサの感度を表すデータを更に含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 上記第２の制御データは、上記ＬＥＤ光源のスペクトル出力を表すデータを更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のシステム。
5. 上記導出手段は、上記ＬＥＤ光源が取付けられているヒートシンクの温度を測定する温度センサを含むことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載のシステム。
6. 上記導出手段は、少なくとも測定されたヒートシンク温度及び複数のＬＥＤ光源の熱モデルに基づいて上記ＬＥＤ光源温度を計算する手段を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 上記少なくとも１つのカラーセンサは、フィルタ付きのフォトダイオードであることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載のシステム。
8. 混合色光を発生するための複数の色の複数のＬＥＤ光源を含むＬＥＤ発光体を制御する方法であって、
   所望の色を有する混合色光を表す設定点値と上記ＬＥＤ光源によって発生される混合色光の色を表す第１の制御データとの差に従って、上記ＬＥＤ光源を制御するステップを含み、上記第１の制御データは少なくとも１つのカラーセンサによって供給され、
   上記各ＬＥＤ光源の温度を導出するステップと、
   上記各ＬＥＤ光源の導出された温度と上記各ＬＥＤ光源の基準ＬＥＤ光源温度との間の温度差を決定することにより、上記ＬＥＤ光源の温度を含む第２の制御データに従って上記設定点値を補償するステップであって、上記温度差が複数のＬＥＤ光源の各々の推定されたピーク波長シフトを表し、上記設定点値を上記推定されたピーク波長シフトに基づいて再計算する、上記設定点値を補償するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。

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