JP6693734B2 - 照明装置を制御するためのシステムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置を制御するためのシステムおよびその制御方法に関し、特に照明装置の自動電源制御による照度制御に関する。

固体光源装置の照度出力は、動作温度によって影響され得る。その結果、固体光源装置が室温にあり、一定の電圧が固体光源装置に加えられる場合、固体光源装置からの照度出力は、固体光源装置の公称動作温度において同一の固体光源装置に同じ一定の電圧を加えた場合よりも大きくなり得る。固体光源装置は、産業用の用途で多く用いられる。

例えば、紫外線（ＵＶ）固体光源装置は、インク、接着剤、防腐剤、などを含むコーティングのような感光性媒体を硬化させるために使用され得る。これらの感光媒体の硬化時間は、固体光源装置の照度出力に反応してもよい。その結果、固体光源装置がそれらの公称動作温度から離れた温度で動作する場合、固体光源装置照度レベルの変化に起因して、感光媒体が十分に硬化しないか、または電力消費が増加する。

発明者は、本明細書において上記の欠点を認識し、そして、１個以上の照明装置を制御するためのシステムを開発し、前記システムは、少なくとも１個の照明装置と、少なくとも１個の前記照明装置と熱的に伝導する負の温度係数装置と、負の温度係数装置が負のフィードバックループに含まれる、負フィードバックループを含む増幅器とを含む。

１個以上の照明装置を流れる電流を制御する増幅器の負のフィードバックループに負の温度係数装置を組み込むことにより、より正確に動作し、広範囲の温度にわたって照明装置の照度を制御することも可能である。例えば、照明装置の温度が照明装置の公称作動温度よりも低い場合、照明装置が公称動作温度で動作しているときの照度レベルに対応するために、光照射装置が実質的に一定の照度レベルで出力するように、照明装置を流れる電流は、制限され、または限定され得る。この方法では、照明装置の照度出力は、実質的に一定レベルに制御されてもよい、そのため、感光媒体の硬化がより正確に制御され得る。

本実施形態は、いくつかの利点を提供することができる。具体的には、本提案は、照明システム照明強度の制御を改善し得る。さらに、この提案は、効率的な電流制御を提供することにより、低電力消費を提供し得る。さらにまた、この提案は、感光性媒体の更なる一貫した硬化を提供し得る。上記の利点および他の利点、および本明細書の特徴は、単独でまたは、添付の図面に関連して取られたときに以下の詳細な説明から容易に自明となるであろう。

上記の概要は、さらに詳細な説明に記載されているように、簡略化した形態で概念の選択を紹介するために提供されていると理解されるべきである。これは、請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を特定するものではなく、その範囲は、詳細な説明に準じた特許請求の範囲によって一意に定義されている。さらに、特許請求の範囲に記載された対象は、上記または本開示の任意の部分で述べた任意の欠点を解決する実施形態に限定されるものではない。

図１は、照明システムの概略図を示している。 図２は、照明装置の照度制御システムの概略の例を示している。 図３は、照明装置の照度制御システムの概略の例を示している。 図４は、照明装置の照度制御システムの概略の例を示している。 図５は、選択された照度制御システムの制御パラメータのプロット例を示している。 図６は、選択された照度制御システムの制御パラメータのプロット例を示している。 図７は、照明システム内の照度を制御するための方法の一例を示している。

本明細書は、実質的に一定の（例えば、±５％）照度レベルを出力する照明システムに関する。図１は、照明の配列の照度出力を制御するための増幅器を含む照明システムの一例を示している。照明の配列の照度制御は、図２−４に示される回路例を介して提供され得る。しかしながら、説明した機能を提供し、あるいは示された回路に類似して動作する代替の回路は、この説明の範囲内にも含まれる。照明システムは、図５及び図６のプロットに従って動作するパラメータを含んでいてもよい。十分に一定の照度を提供するための照明システムを制御する方法は、図７に示されている。様々な電気回路図においてコンポーネント間に示された電気的相互接続は、図示されているデバイス間の電流経路を表している。

図１を参照すると、本明細書に記載されたシステムと方法とに従った光反応システム１０のブロック図が示されている。この例では、光反応システム１０は、照明サブシステム１００、コントローラ１０８、電源１０２、冷却サブシステム１８を含む。

照明サブシステム１００は、複数の照明装置１１０を含んでいてもよい。照明装置１１０は、例えば、ＬＥＤである。選択された複数の照明装置１１０は、放射出力２４を提供するために実装されている。放射出力２４は、被加工物２６に向けられている。反射光２８は、（例えば、放射出力２４の反射によって）被加工物２６から照明サブシステム１００に対して向けられ得る。

放射出力２４は、結合した光学素子３０を介して被加工物２６に向けられ得る。結合した光学素子３０は、使用される場合、様々に実装されてもよい。一例として、結合した光学素子は、被加工物２６と放射出力２４を提供する照明装置１１０との間に介在する１個以上の層、材料または他の構造を含んでいてもよい。一例として、結合した光学素子３０は、放射出力２４の質または有効な量の収集、集光、照準あるいはその他を強化するために、マイクロレンズアレイを含んでもよい。別の例として、結合した光学素子３０は、マイクロリフレクタアレイを含んでもよい。このようなマイクロリフレクタアレイの使用の際に、放射出力２４を提供する各半導体装置は、それぞれのマイクロリフレクタ内に、一対一で配置されていてもよい。

層、材料または他の構造体の各々は、選択された屈折率を有していてもよい。適切にそれぞれの屈折率を選択することにより、放射出力２４（および反射放射２８またはいずれか一方）の経路内の層、材料および他の構造物との間の境界での反射は、選択的に制御され得る。一例として、被加工物２６への半導体素子との間に配置され、選択された境界でそのような屈折率の差を制御することにより、被加工物２６への最終的な放射のために、その境界での反射は、その境界での放射出力の伝達を向上させるべく、低減され、排除され、あるいは最小化され得る。

結合した光学素子３０は、様々な目的のために使用され得る。例示の目的は、とりわけ、照明装置１１０を保護するため、冷却サブシステム１８に関連した冷却液を保持するため、放射出力２４を収集し、集光し、または照準し、あるいはそのいずれかを行うため、反射放射２８を収集し、あるいは直接的に除くため、または他の目的のために、単独あるいはそれらの組み合わせを含む。さらなる例として、光反応システム１０は、放射出力２４の効果的な品質または量を強化するように、特に、被加工物２６に供給されるものとして、結合された光学素子３０を採用してもよい。

選択された複数の照明装置１１０は、コントローラ１０８にデータを提供するために、結合された電子機器２２を介してコントローラ１０８に結合され得る、さらに以下に説明するように、コントローラ１０８はまた、例えば、結合された電子機器２２を介してそのようなデータ提供半導体デバイスを制御するように実装され得る。

コントローラ１０８はまた、好ましくは、電源１０２と冷却サブシステム１８のそれぞれに接続され、および制御するために実装されている。また、コントローラ１０８は、電源１０２及び冷却サブシステム１８からデータを受信し得る。

１個以上の電源１０２、冷却サブシステム１８、照明サブシステム１００からコントローラ１０８によって受信されたデータは、様々なタイプのものであり得る。一例として、データは、結合された半導体デバイス１１０に関連する１個以上の特性をそれぞれ表すことができる。別の例として、データは、データを提供する各コンポーネント１２、１０２、１８に関連する１個以上の特性を表すことができる。さらに別の例として、データは、ワークピース２６に関連付けられた１以上の特性を代表するものであってもよい（例えば、被加工物に向けられた放射出力エネルギーあるいはスペクトル成分（複数）の代表）。また、データは、これらの特性のいくつかの組み合わせを表すことができる。

コントローラ１０８は、そのようなデータの受信中に、そのデータに応答するように実現されてもよい。例えば、そのようないずれかの構成要素からそのようなデータに応答して、コントローラ１０８は、一以上の電源１０２、冷却サブシステム１００そして照明サブシステム１８（１以上のそのような結合された半導体デバイスを含む）を制御するように実現されてもよい。

一例として、被加工物に関連する１以上の点で光エネルギーが不十分であることを示す照明サブシステムからのデータに応答して、コントローラ１０８は、（ａ）一以上の半導体装置１１０への電源の電流及び電圧又はいずれか一方の供給を増加する、（ｂ）冷却サブシステム１８を介して照明サブシステムの冷却を高める（すなわち、特定の照明装置が冷却された場合、より大きな放射出力を提供）、（ｃ）電力がこのような装置に供給される間の時間を増加させる、あるいは（ｄ）上記の組み合わせ、のいずれかが実現されてもよい。

照明サブシステム１００の個々の半導体装置１１０（例えば、ＬＥＤデバイス）は、コントローラ１０８によって独立に制御されてもよい。例えば、コントローラ１０８は、第１の強度、波長などの光を放出する１以上の個々のＬＥＤデバイスの第１のグループを制御する間に、異なる強度、波長などの光を放出するように１以上の個々のＬＥＤデバイスの第２のグループを制御してもよい。１以上の個々のＬＥＤデバイスの第１のグループは、半導体デバイス１１０の同じアレイ内であってもよいし、半導体デバイス１１０の複数のアレイからのものであってもよい。

半導体デバイス１１０のアレイは、コントローラ１０８による照明サブシステム１００内の半導体デバイス１１０の他のアレイから、コントローラ１０８によって独立に制御されてもよい。例えば、第１のアレイの半導体装置は、第１の強度、波長などの光を放出するように制御されてもよい、同時に第２のアレイのこれらは、第２の強度、波長などの光を放出するように制御されてもよい。

さらなる例として、第１の組み合わせの条件下で（例えば、特定の被加工物のための光反応および動作条件またはいずれか一方の設定）、コントローラ１０８は、第１の制御方法を実現するために光反応システム１０を操作することができ、一方で、第２の組み合わせの条件下で（例えば、特定の被加工物のための光反応および動作条件またはいずれか一方の設定）、コントローラ１０８は、第２の制御方法を実現するために光反応システム１０を操作することができる。

上述したように、第１の制御方法は、第１の強度、波長などの光を放出する１以上の個々の半導体デバイス（例えば、ＬＥＤデバイス）の第１のグループを操作することを含むことができ、同時に、第２の制御方法は、第２の強度、波長などの光を放出する１以上の個々のＬＥＤデバイスの第２のグループを操作することを含むことができる。ＬＥＤデバイスの第１のグループは、第２のグループのＬＥＤデバイスの同じグループであってもよい、そして、ＬＥＤデバイスの１以上のアレイにまたがってもよい、あるいは第２のグループからの別のＬＥＤデバイスのグループであってもよい、そして、別のＬＥＤデバイスのグループは、第２のグループから１以上のＬＥＤデバイスのサブセットを含むことができる。

冷却サブシステム１８は、照明サブシステム１００の熱挙動を管理するために実装されている。例えば、一般的に、冷却サブシステム１８は、サブシステム１２および、より具体的には、半導体デバイス１１０の冷却を提供する。冷却サブシステム１８はまた、被工作物２６および被工作物２６と光反応システム１０（特に、照明サブシステム１００）との間の空間またはいずれか一方を冷却するために実現されてもよい例えば、サブシステム１８は、空冷または他の液冷（例えば、水）システムであってもよい。

光反応システム１０は、種々の用途に使用することができる。例としては、限定されないが、インク印刷からＤＶＤやリソグラフィーの製作に至るまでの硬化させるアプリケーションを含む。一般に、光反応システム１０に使用されるアプリケーションは、関連付けられたパラメータを有する。これは、アプリケーションは、次のように関連する動作パラメータを含むことができる：１以上の波長において、１以上の期間にわたって適用される放射パワーの１以上のレベルを提供する。アプリケーションに関連付けられた光反応を適切に達成するために、光パワーは、被加工物またはその付近に１以上のパラメータ（一定時間、回数あるいは時間の範囲のすべてまたはいずれか一個）の１以上の所定のレベル以上で供給される必要があり得る。

意図されたアプリケーションのパラメータを追跡するために、放射出力２４を提供する半導体デバイス１１０は、アプリケーションのパラメータ、例えば、温度、分光分布と放射パワーに関連する様々な特性に応じて制御され得る。同時に、半導体デバイス１１０は、半導体デバイスの製造および関連付けられ得る特定の動作仕様を有することができ、とりわけ、破壊を排除すると共にデバイスの劣化を未然に防ぐ、あるいはいずれかのために従うことができる。光反応システム１０の他の構成要素はまた、動作仕様に関連し得る。これらの仕様は、他のパラメータ仕様の中で、温度制御および適用される電力のための範囲（例えば、最大値と最小値）を含んでいてもよい。したがって、光反応システム１０は、アプリケーションのパラメータの監視をサポートしている。

加えて、光反応システム１０は、それぞれの特性や仕様などを含む、半導体デバイス１１０の監視を提供し得る。さらに、光反応システム１０はまた、それぞれの特性や仕様などを含む、光反応システム１０の選択された他のコンポーネントの監視を提供してもよい。

このような監視を提供することは、システムの適切な動作の検証をし得て、それにより、光反応システム１０の動作が確実に評価され得る。例えば、システム１０は、アプリケーションの１以上のパラメータ（例えば、温度、放射電力、等）に関連して望ましくない方法で制御され得て、すべてのコンポーネントの特性は、そのようなパラメータおよび任意のコンポーネントまたはいずれか一方のそれぞれの動作仕様に関連付けられている。監視の提供は、１以上のシステムの構成要素に基づきコントローラ１０８によって受信されたデータに従って応答し行われ得る。

監視は、システムの動作の制御をサポートすることができる。例えば、制御方法は、コントローラ１０８を介して実装されてもよく、１以上のシステム・コンポーネントからのデータに対して受信し、応答する。この制御は、上述のように、直接的に（すなわち、構成要素の制御を重んじるデータに基づいて、構成要素に向けられた制御信号を介して構成要素を制御することによって）、あるいは間接的に（すなわち、他の構成要素の動作を調整するように向けられた制御信号を介して、構成要素の動作を制御することによって）実施することができる。一例として、半導体デバイスの放射出力は、照明サブシステム１００に印加される電力調整のために電源１０２に向けられた制御信号、および冷却調整のために照明サブシステム１００に適用される冷却サブシステム１８に向けられた制御信号を介し、またはいずれか一方を介して間接的に調節され得る。

制御方法は、システムの適切な動作およびアプリケーションのパフォーマンスまたはいずれか一方を有効化し、および向上させるため、またはいずれか一方のために用られ得る。より具体的な例で、制御はまた、アレイの放射出力と動作温度と間のバランスを有効化し、および向上させるため、またはいずれか一方のために、用いられ得る。例えば、半導体装置１１０や半導体装置１１０のアレイの加熱をその仕様を超えて防止するために、アプリケーションの光反応を十分に適切に完了し、被工作物２６に放射エネルギーを向ける間において用いられ得る。

いくつかの用途では、高い放射電力は、被工作物２６に到達し得る。したがって、サブシステム１２は、半導体照明装置１１０のアレイを使用して実施され得る。例えば、サブシステム１２は、高密度、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを使用して実施され得る。
本明細書に詳細に記載されているＬＥＤアレイは使用され得るが、これは、半導体装置１１０およびそのアレイは説明の原理から逸脱することなく、他の発光技術を使用して実施され得ると理解され、他の発光技術の例としては、限定されないが、有機発光ダイオード、レーザダイオード、他の半導体レーザ等である。

複数の半導体デバイス１１０は、アレイ２０、あるいは複数のアレイからなるアレイの形態で提供され得る。アレイ２０は、１以上のあるいは大部分の半導体装置１１０が放射出力を提供するために構成されるように実装され得る。同時に、しかしながら、配列の特性を選択する監視用に提供するために、１以上のアレイの半導体装置１１０が実装され得る。監視装置３６は、アレイ２０内のデバイスの中から選択することができ、例えば、その他の照明装置と同じ構造を有していてもよい。

例えば、発光と監視との間の差は、特定の半導体デバイスに関連する結合された電子機器２２によって決定され得る（例えば、基本的な形で、ＬＥＤアレイは、結合された電子機器が逆電流を供給する監視ＬＥＤと、結合された電子機器が順方向電流を提供する発光ＬＥＤとを有し得る）。

また、結合された電子機器に基づいて、アレイ２０の半導体装置の選択は、多機能デバイスあるいはマルチモードデバイスまたは両方であり得る、ここで、（ａ）多機能デバイスは、複数の特性（例えば、放射出力、温度、磁場、振動、圧力、加速度、およびその他の機械的な力または変形のいずれか）を検出することが可能であり、アプリケーションパラメータまたは他の決定的な要因に応じて、これらの検出機能の間で切り替えられ得る、そして、（ｂ）マルチモードデバイスは、発光、検出および他のいくつかのモード（例えば、オフ）が可能であり、アプリケーションのパラメータや他の決定的な要因に応じたモードの間に切り替えられ得る。

図２を参照すると、電流の量を変化させながら供給することができる第１の照明システム回路の概略図が示されている。照明システム１００は、１以上の照明装置１１０を含む。この例では、照明装置１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。各ＬＥＤ１１０は、アノード２０１とカソード２０２を含む。図１に示したスイッチング電源１０２は、経路または導体２６４を経由して、電圧レギュレータ２０４に４８ＶのＤＣ電源を供給する。電圧レギュレータ２０４は、導体または経路２４２を経由して、ＬＥＤ１１０のアノード２０１に直流電力を供給する。

電圧レギュレータ２０４は、導体または経路２４０を経由して、電気的に発光ダイオード１１０のカソード２０２に結合されている。電圧レギュレータ２０４は、グランド２６０を基準に示されており、一例では、降圧レギュレータであってもよい。電圧レギュレータ２０４は、照明アレイ２０に電力を供給する。コントローラ１０８は、電圧調整器２０４と電気的に通信するように示されている。他の例では、必要に応じて、離散入力発生装置（例えば、スイッチ）は、コントローラ１０８と交換し得る。コントローラ１０８は、命令を実行するための中央処理装置２９０を含む。

コントローラ１０８はまた、電圧調整器２０４および他のデバイスの制御ための入力および出力（Ｉ／Ｏ）２８８を含む。非一時的な実行可能命令は、読み出し専用メモリ２９２に格納されてもよい、そして、変数は、ランダムアクセスメモリ２９４に格納されてもよい。電圧レギュレータ２０４は、ＬＥＤ１１０の調整可能な電圧を供給する。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の形態の可変抵抗器２２０は、コントローラ１０８から、または増幅器２２２からの他の入力装置を介して強度または照度制御信号電圧を受信する。増幅器２２２は、導体２３１を介して、ＦＥＴのゲート２９８に制御信号または出力を供給する。図３に示すように、増幅器２２２は、非反転入力でコントローラ１０８から強度または照度コマンドを受信する。図３に示されるように、負の温度係数装置２２５（例えば、サーミスタ）は、負のフィードバックループまたは増幅器２２２の回路である。さらに、負の温度係数装置は、ヒートシンク２２１を介してＬＥＤ１１０と熱的に伝導している。ＦＥＴのソース２９７は、電気的に電流検出抵抗２５５に結合されている。

本実施例では、ＦＥＴとして可変抵抗器を説明しているが、回路は、可変抵抗器の他の形態を採用してもよいことに注意すべきである。この例では、アレイ２０の少なくとも一つの要素は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオードなどの光を生成する固体発光素子を含む。素子は、基板上の単一のアレイ、基板上の複数のアレイ、相互に接続された複数の基板上の単一または複数のアレイのいずれかでとして構成されてもよい一例では、発光素子のアレイは、Ｐｈｏｓｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製シリコンライトマトリックス（登録商標）（ＳＬＭ）からなり得る。

図２に示す回路は、閉ループ電流制御回路２０８である。閉ループ回路２０８において、可変抵抗器２２０は、導体または増幅器２２２を介した経路２３１を経由して強度電圧制御信号を受信する。電圧レギュレータ２０４によって決定されるように、可変抵抗器２２０とアレイ２０との間の電圧が所望の電圧に制御される。所望の電圧値は、アレイ２０と可変抵抗器２２０との間の電流経路に所望の電圧を提供するレベルで、導体あるいは経路２４２で電圧を制御するコントローラ１０８または他の装置、及び電圧レギュレータ２０４により供給されてもよい。

可変抵抗器２２０は、矢印２４５の方向にアレイ２０から電流検出抵抗２５５への電流の流れを制御する。所望の電圧はまた、照明装置の種類、被工作物の種類、硬化パラメータ、および様々な他の動作条件に応じて調整され得る。電流信号は、導体あるいは経路２３６に沿って、コントローラ１０８あるいは提供される強度電圧制御信号を調整する別の装置にフィードバックされ得る。特に、電流信号が所望の電流と異なる場合、導体２３０を介して渡された強度電圧制御信号は、アレイ２０を介して電流を調整して増加あるいは減少される。アレイ２０を通る電流の流れを示すフィードバック電流信号は、電流検出抵抗２５５を介して流れる電流が変化するにつれて変化する電圧レベルとして、導体２３６を介して導かれる。

一例では、可変抵抗器２２０とアレイ２０との間の電圧は、一定の電圧に調整され、アレイ２０および可変抵抗器２２０を介した電流の流れは、可変抵抗器２２０の抵抗値を調整することによって調整される。このように、可変抵抗器２２０から導体２４０に沿って伝達される電圧信号は、この例では、アレイ２０に進まない。代わりに、アレイ２０および可変抵抗器２２０との間の電圧のフィードバックは、導体２４０に沿って、電圧レギュレータ２０４に進む。

電圧レギュレータ２０４は、アレイ２０に電圧信号２４２を出力する。これにより、電圧レギュレータ２０４は、アレイ２０の下流側の電圧に応答してその出力電圧を調整し、アレイ２０を通る電流の流れは、可変抵抗器２２０を介して調整される。コントローラ１０８は、導体２３６を介した電圧としてフィードバックされた配列電流に応じて可変抵抗器２２０の抵抗値を調整するための命令を含み得る。導体２４０は、ＬＥＤ１１０のカソード２０２、可変抵抗器２２０の入力２９９（例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのドレイン）、そして、電圧調整器２０４の電圧フィードバック入力２９３との間の電気通信を可能にする。したがって、発光ダイオード１１０のカソード２０２、可変抵抗器２２０の入力側２９９及び電圧フィードバック入力２９３は、同電位である。

可変抵抗器は、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、デジタル・ポテンショメータまたは任意の電気的に制御できる、電流制限装置の形態を取ることができる。駆動回路は、使用される可変抵抗器に応じて異なる形態を取ることができる。閉ループシステムは、そのような出力を制御して電圧調整器２０４は、アレイ２０を動作させるために約０．５ Ｖ以上の電圧を残す。レギュレータの出力電圧は、アレイ２０に印加される電圧を調整し、可変抵抗は、アレイ２０を流れる電流を所望のレベルに制御する。

この回路は、アレイ２０からの一定の照度出力の生成を改善することができる。図２の例では、可変抵抗器２２０は、典型的には０．６Ｖの範囲の電圧降下を生成する。しかし、可変抵抗器２２０における電圧降下は、可変抵抗器の設計に依存して、０．６Ｖより少ないかまたは大きくなり得る。

図３を参照すると、照明アレイを通る電流の流れを制御する可変抵抗器に照度または強度制御電圧を供給するための例示的増幅器２２２が示されている。増幅器２２２は、オペアンプ３０２を含む。所望の照度や光量を出力するための制御電圧は、非反転入力３０４の増幅器２２２に入力される。増幅器２２２は、図２に示した可変抵抗器２２０を動作させるために出力３０５を含む。負のフィードバックループ３５０は、第１の抵抗（Ｒ１）３１０、第２の抵抗（Ｒ２）３１２と、第３の抵抗（ＲＴ）３１４を含む３個の抵抗のみを含む。この例では、抵抗器３１４は、負の温度係数装置（例えば、サーミスタ）である。第１の抵抗（Ｒ１）は、照明アレイ温度を最小値から最大値にゲイン変化を設定する。第２の抵抗（Ｒ２）は、勾配最大値を所定の点灯配列平衡温度に設定する。

したがって、増幅器２２２は、負のフィードバックループ３５０における負のフィードバックを含む非反転増幅器である。反転入力３０３と非反転入力３０４とは、非常に高いインピーダンスである。その結果、反転入力３０３あるいは非反転入力３０４には実質的に電流が流れない増幅器の利得は次のように表すことができる。

ここで、Ｖｏは、３０５における増幅器２２２の出力電圧であり、Ｖｉｎは、反転入力３０３での電圧あり、Ｒ１は、抵抗３１０の値であり、Ｒ２は、抵抗３１２の値であり、そしてＲ_Ｔは、負の温度係数装置３１４の抵抗値である。このように、照明アレイの温度が冷えており、かつ、Ｒ_Ｔの値が非常に高い場合、ゲインは１にほぼ等しい。照明アレイの温度が暖かく、かつ、Ｒ_Ｔの値が非常に低い場合、Ｒ１は４９９オームに等しく、Ｒ２は２．３２キロオームに等しいとき、ゲインは１．２２にほぼ等しい。いくつかの例では、増幅器２２２の出力は、自動電力制御（ＡＰＣ）コマンドまたは信号と呼ばれ得る。

これは、Ｒ１、Ｒ２、およびＲＴの値が異なる照明システムの間で変化してもよいことが理解されるべきである。また、増幅器の利得は、本明細書の範囲及び趣旨から逸脱することなく、いくつかの実施形態では異なっていてもよい。

図４を参照すると、実質的に一定の照明アレイの照度出力を提供する第２の照明システム回路の概略が示されている。図４は、図２に示した第１の照明システムの回路と同一の構成要素の一部を含む。図２の要素と同じである図４の要素は、同じ数値の符号が付されている簡潔にするため、図２と図４の間で同一の構成要素についての説明は省略している。しかし、図２の要素の説明は、同じ数字の符号を有する図４の要素に適用される。

図４に示す照明装置は、ＬＥＤ１１０を含む照明アレイ２０を含む。図４のシステムは、可変抵抗器２２０に強度又は照度レベルを供給する外部増幅器２２２が含まれていない。代わりに、コントローラ１０８は、増幅器２２２を実装するためのマイクロコントローラの命令を含む。したがって、図３で説明した増幅器と、その利得は、非一時的な指示を介して、コントローラ１０８内に実装される。さらに、コントローラ１０８は、抵抗値あるいはデバイス４０５の出力を決定してもよく、デバイスの出力に負の温度係数の伝達関数を適用してもよい。負の温度係数の伝達関数は、図５の曲線５０２によって示されるように、低温のために増加させ、高温のために減少する抵抗値を出力してもよい。

代替的に、装置４０５は、コントローラ１０８によって決定される抵抗値を有する負の温度係数装置であってもよい。抵抗値は、利得関数に適用され、照度のコマンドは、導体２３０を介して可変抵抗装置２２０に出力される。このように、図２に示す増幅器２２２のハードウェアは、コントローラ１０８の非一時メモリに記憶された制御命令を介して置換され得る。

したがって、図１−４のシステムは、１以上の光デバイスを含む発光を制御するためのシステムであって、少なくとも１個の照明装置と、少なくとも１個の照明装置と熱的に伝導する負の温度係数装置と、そして、負のフィードバックループを含む増幅器と、を含み、負の温度係数装置は、負のフィードバックループに含まれる。前記システムにおいて、増幅器はオペアンプであり、さらに、可変抵抗装置と、コントローラと、少なくとも１個の照明装置の陰極側と電気的に通信する可変抵抗装置と、を備える。

いくつかの例では、システムは、可変抵抗装置が電界効果トランジスタであるものと、増幅器の出力が電界効果トランジスタのゲートと電気的に通信しているものと、を含む。システムは、電界効果トランジスタのドレインが少なくとも１個の照明装置と電気的に通信しているものを含む。請求項１に記載のシステムは、負のフィードバックループが増幅器の反転入力と増幅器の出力とに電気的に結合するものである。システムは、負の温度係数装置はサーミスタであるものを含む。システムは、照明装置の少なくとも１以上の光が発光ダイオードであるものを含む。

図１−４のシステムはまた、１個以上の照明装置を制御するためのシステムを提供するものであって、少なくとも１個以上の照明装置と、少なくとも１個以上の照明装置と熱的に伝導する負の温度係数装置と、少なくとも１個以上の照明装置の１個以上のカソードと電気的に通信する可変抵抗装置と、負のフィードバックループを含む増幅器と、を備え、負の温度係数装置は、負のフィードバックループに含まれており、増幅器の出力は、可変抵抗装置と電気的に通信しており、負のフィードバックループは、３個の抵抗を含んでいる。

システムは、３個の抵抗が負のフィードバックループにおいて３個の抵抗のみであるものを含む。システムは、負のフィードバックループが増幅器の反転入力と増幅器の出力との間の電気通信を提供するものを含む。システムは、さらに、コントローラ、増幅器の非反転入力と電気的に通信するコントローラを備える。システムは、コントローラが増幅器に電圧を供給するための非一時的記憶装置に格納された命令を含み、前記電圧が少なくとも１個以上の照明装置の所望の照度出力に対応するものを含む。システムをさらに電圧レギュレータ、即ち、少なくとも１個以上の照明装置と電気的に通信する電圧レギュレータを含む。

図５を参照すると、負の温度係数装置の抵抗の一例のプロットと、照明アレイの温度に対する自動パワー制御（ＡＰＣ）の正規化されたゲインが示されている。左の縦軸５１０は、正規化されたＡＰＣゲイン、あるいは図２及び図３の増幅器２２２のゲインを表す。右側の縦軸５１２は、図１に示された照明アレイ２０の発光素子と熱的に伝導している温度感知素子の抵抗を表す。横軸は、プロットの左側からプロットの右側へ照明アレイ温度と温度上昇を表す。

曲線５０２は、負の温度係数素子（例えば、サーミスタ）の出力を表す。示されるように、抵抗は、より冷たい温度で増大し、高い温度で減少する。増幅器の負のフィードバック経路（例えば、図３の３１４）は、負の温度係数装置を配置することによって、増幅器のゲインは、曲線５０４によって示されるように形成され得る。

曲線５０４は、図２及び図３に示す増幅器２２２のゲインを表す。ゲインは、増幅器のゲインが低照明アレイ温度で低いものおよび高照明アレイ温度で高いものであるようにＳに似た形状を示す。この例では、照明アレイが所定の照度レベルを出力しており、周囲温度が２０℃である場合、照明アレイ平衡温度は、５５℃である。平衡温度は、周囲温度は２０℃であり、照明アレイが所定の照度量を出力する照明アレイが通常時に動作する温度である。

これは、増幅器ゲインの傾きは、５５℃の平衡温度が最大であり、５５℃からの任意の変化は、増幅器出力を図２に示した可変抵抗器２２０の抵抗値が増加し、あるいは減少するようにする、ということを観察することができる。したがって、照明アレイに供給される電力は、アレイの温度に応じて調整される。

図６を参照すると、照明アレイ温度における変化で割られた、増幅器ゲインの変化のプロットの一例が示されている。縦軸は、増幅器のゲインの変化を示す。横軸は、照明アレイの温度を示す。

曲線６０４は、照明アレイ温度の変化で割られた増幅器ゲインの変化を示す。曲線６０４は、照明アレイの温度に対する照明アレイ増幅器のゲインの一次導関数として記述され得る。そうすると、最大ゲインの変化は、この特定の例では５５℃であると見て取られる。

ただし、異なる照明アレイ特性のために、最大ゲインの位置は調整され得る。平衡温度についてのゲインを最大化することにより、照明アレイ出力電力は、照明アレイの温度変化の存在下であっても、所望のレベルに戻して照明アレイ照度を駆動するように調整され得る。

図７を参照すると、照明アレイ電力および照度を制御するための例示的な方法が示されている。図７の方法は、図１〜図２、及び図４に示すようなコントローラの非一時的なメモリに格納された命令として含まれ得る。

７０２において、照明アレイが望む強度または照度が決定される。所望の強度は、照明システムごとに、そして被工作物ごとに変化し得る。一例では、所望の強度が制御パラメータファイルから決定され得る、あるいは、オペレータが手動で所望の強度または照度レベルを選択してもよい。制御パラメータファイルは、経験的に決定された照明アレイのための照度の値を含んでもよい。照明アレイ照度または強度が決定された後に、方法７００は７０４に進む。

７０４において、方法７００は、照明アレイを動作させるために、７０２で決定された照度レベルで、電流及び電力またはいずれか一方を決定する。一例では、照明アレイ電力は、関数を索引付けすることを介して、あるいは経験的に決定された電流あるいは所望の照度を介して索引付けされた電力レベルを含んでいるテーブルにより、決定され得る。テーブルまたは関数は、所望の照明アレイの電流および電力またはいずれか一方を出力し、そして７０６に進む。

７０６において、方法７００は、所望の電流又は電力を、照明アレイに流れる電流を制御する可変抵抗器の動作用の制御電圧または電流に変換する。一例では、方法７００は、照明アレイ照度コマンドを決定するための伝達関数を介して所望の電流または電力値を渡す。照度の指令は、電圧またはパラメータの値の形態であってもよい。照度コマンドが決定された後に、方法７００は、７０８に進む。

７０８で、方法７００は、可変抵抗器に制御電圧または電流を供給する増幅器の負フィードバックループ内のデバイスまたは伝達関数に、負の温度係数を適用する（例えば、図５の曲線５０２）。

一例では、負の温度係数素子は、図２及び図３に示す増幅器の負フィードバックループに含まれていてもよい。負の温度係数素子は、照明アレイの温度が変化するにつれて、増幅器のゲインを調整する。一例では、増幅器のゲインは、図３に記載されている。７０６で決定された制御電圧は、増幅器の非反転入力に適用される。

別の例では、照明アレイの温度を表す電圧や抵抗は、コントローラに入力される、そして、電圧または抵抗は、電圧または抵抗を負の温度係数の出力パラメータに変換する伝達関数を介して導かれる。例えば、電圧は、照明アレイの温度を表す制御器に入力されると、電圧は、抵抗値が図５の曲線５０２に類似の伝達関数を有するように、抵抗値に変換される。抵抗値は、その負のフィードバック経路における負の温度係数装置を備えた増幅器を表す伝達関数に適用してもよい。

例えば、コントローラは、図３に示す増幅器を実装することができ、その伝達関数は、デジタルフィルタの形式でメモリに格納される。７０６で決定された制御電圧は、デジタルフィルタに適用される。負の温度係数が照明アレイ電流および電力またはいずれか一方を調整する増幅器の負フィードバック経路に適用された後に、方法７００は、７１０に進む。

７１０で、方法７００は、可変抵抗器に電流又は電圧を供給することによって照明アレイの電流および電力またはいずれか一方を調整する。一例では、電流または電力は、図３に示される増幅器によって調節され得る。別の例では、電流または電力は、アナログ出力、７０８で説明したデジタルフィルタの出力から決定される電流または電圧からの電流または電圧を供給するコントローラを介して調整され得る。

したがって、図７の方法は、デジタルコントローラ又はアナログ回路を介して実装されてもよい。この方法は、様々な照明アレイ温度の存在下で一定レベルに照明アレイ照度を維持するために、増幅器の負フィードバック経路に負の温度係数を適用する。

図７の方法は、１個以上の照明装置を制御させるための方法を提供するものであって、１個以上の発光デバイスと熱的に伝導する熱伝導体の温度を検出し、検出された温度を負の温度係数を有する制御パラメータに変換または転換し、そして、負フィードバック経路内の制御パラメータを含む、コントローラの出力に応答して、１個以上の照明装置を流れる電流を調整する。方法は、検出された温度がサーミスタを介した負の温度係数を有する制御パラメータに変換されるものを含む。

この方法は、１個以上の照明装置を流れる電流がオペアンプを介して調整されるものを含む。方法は、１個以上の照明装置を流れる電流がコントローラの指示を介して調整されるものを含む。方法は、電流の流れを調整することが検出された温度に比例して増幅器のゲインを調整することを含んでいること、を含む。方法は、ゲインが１個以上の照明装置の平衡温度で最大傾斜を有すること、を含む。方法は、電流の流れが１個以上の照明装置から実質的に一定の照度出力を提供するように調整されること、を含む。

本明細書に含まれる実施例の制御と推定ルーチンは、様々な照明システム構成に使用可能であることに注意すべきである。本明細書に開示された制御方法及びルーチンは、非一時メモリ内の実行可能な命令として格納され、各種センサ、アクチュエータ、および他の照明システムのハードウェアとの組み合わせによって、コントローラを含む制御システムにより実施することができる。

本明細書に記載の特定のルーチンは、イベント駆動型、割り込み駆動、マルチタスク、マルチスレッドなどのような１以上の任意の数の処理方法によって表現されてもよい。このようにして、図示された様々なアクション、動作および順序またはそれらのいずれかは、図示されたシーケンスで、並行して、あるいは省略されているいくつかの工程で行われてもよい。同様に、処理の順序は、必ずしも本明細書に記載の例示的な実施形態の特徴及び利点を達成するために必要とされないが、図示及び説明を容易にするために設けられている。

図示のアクション、動作および機能またはそれらのいずれかのうちの１以上が、繰り返し使用される特定の方法に応じて行われてもよい。さらに、説明されているアクション、操作および機能またはそれらのいずれかは、照明制御システムにおけるコンピュータ可読記憶媒体の非一時的なメモリにプログラムされるコードにグラフィカルに表され得る、そして、照明制御システムでは説明されたアクションが電子制御装置と組み合わせた様々な照明システムのハードウェアコンポーネントを含むシステムにおいて命令を実行することによって行われる。

これで説明を終了する。それを読んだ当業者は、精神と説明の範囲から逸脱することなく多くの変更や修正を思い起こさせるだろう。例えば、異なる波長の光を生成する照明源は、本明細書を利用することができる。

Claims (19)

1. １個以上の照明装置を制御するためのシステムであって、
   少なくとも１個の照明装置と、
   少なくとも１個の前記照明装置と熱的に伝導する負の温度係数装置と、
   負のフィードバックループを含む増幅器と、を含み、
   前記負の温度係数装置は、前記負のフィードバックループに含まれ、
   前記増幅器は、少なくとも１個以上の照明装置の平衡温度で最大勾配となるゲインを有する、
   照明装置を制御するためのシステム。
2. 前記増幅器はオペアンプであり、さらに、可変抵抗装置と、コントローラとを有し、
   前記可変抵抗装置は、少なくとも１個の前記照明装置の陰極側と電気的に通信する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記可変抵抗装置は、電界効果トランジスタであり、前記増幅器の出力は、前記電界効果トランジスタのゲートと電気的に通信しているものである、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記電界効果トランジスタのソースは、少なくとも１個の前記照明装置と電気的に通信している、請求項３に記載のシステム。
5. 前記負のフィードバックループは、前記増幅器の反転入力と前記増幅器の出力とを電気的に結合するものである、
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記負の温度係数装置は、サーミスタである、
   請求項１に記載のシステム。
7. 少なくとも１個以上の前記照明装置は、発光ダイオードである、
   請求項１に記載のシステム。
8. １個以上の照明装置を制御するためのシステムであって、
   少なくとも１個以上の照明装置と、
   少なくとも１個以上の照明装置と熱的に伝導する負の温度係数装置と、
   少なくとも１個以上の照明装置の１個以上のカソードと電気的に通信する可変抵抗装置と、
   負のフィードバックループを含む増幅器と、
   前記増幅器に電圧を供給するための非一時的記憶装置に格納された命令を有するコントローラと、を有し、
   前記負の温度係数装置は、前記負のフィードバックループに含まれており、前記増幅器の出力は、前記可変抵抗装置と電気的に通信しており、前記負のフィードバックループは、３個の抵抗を含み、
   前記電圧は、少なくとも１個以上の前記照明装置の所望の放射出力に対応するものである、
   照明装置を制御するためのシステム。
9. ３個の前記抵抗は、前記負のフィードバックループにおいて３個の前記抵抗のみのものである、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記負のフィードバックループは、前記増幅器の反転入力と前記増幅器の出力との間の電気通信を提供するものである、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記コントローラは、前記増幅器の非反転入力と電気的に通信する、
    請求項９に記載のシステム。
12. 電圧レギュレータをさらに有し、前記電圧レギュレータは、少なくとも１個以上の前記照明装置と電気的に通信する、
    請求項９に記載のシステム。
13. １個以上の照明装置を操作する方法であって、
    １個以上の照明装置と熱的に伝導する熱伝導体の温度を検出し、
    負の温度係数を有する制御パラメータに検出された温度を変換し、
    負のフィードバック経路内の制御パラメータを含むコントローラの出力に応答して１個以上の前記照明装置を流れる電流を調整する、ことを含む、
    照明装置を操作する方法。
14. 検出された前記温度は、サーミスタを介して負の温度係数を有する制御パラメータに変換される、
    請求項１３に記載の方法。
15. １個以上の前記照明装置を流れる前記電流は、オペアンプを介して調整されるものである、
    請求項１３に記載の方法。
16. １個以上の前記照明装置を流れる前記電流は、前記コントローラの指示によって調整される、
    請求項１３に記載の方法。
17. 電流の流れを調整することは、検出された前記温度に比例して増幅器のゲインを調整することを含む、
    請求項１３に記載の方法。
18. 前記ゲインは、１個以上の前記照明装置の平衡温度において最大傾斜を有している、
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記電流の流れは、１個以上の前記照明装置から実質的に一定の放射出力を提供するように調節されるものである、
    請求項１３に記載の方法。

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