KR100832161B1 - 광학 피드백을 위한 광감지기 구성을 구비하는 ｌｅｄ조명 기구 - Google Patents

광학 피드백을 위한 광감지기 구성을 구비하는 ｌｅｄ조명 기구 Download PDF

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Abstract

백색 광 방출 LED 조명 기구는 적색, 녹색 및 청색 발광 LED의 어레이(102,103,104)와, 원하는 컬러 밸런스를 유지하기 위한 피드백 장치를 통합한다. 피드백 장치는 각 RGB 컬러 성분의 광 출력을 분리하여 측정하도록 배치되고 인에이블되는 포토 다이오드(112,113,114)를 포함한다. 일 실시예에서, 단일의 포토 다이오드 또는 포토 다이오드의 어레이(111)가 LED 어레이의 결합된 출력의 경로에서 위치되는 일부 반사 소자(107)로부터 반사된 광을 차단하기 위하여 배치된다. 개개의 컬러는 LED와 포토 다이오드를 플러스함으로써 또는 컬러 필터(116,117,118)의 사용에 의해 연속적으로 측정된다. 다른 실시예에서, 각 LED(121)는 연관된 포토 다이오드(122)를 가지며, LED 패키지(119) 내로 또는 분리된 패키지(152) 내에 통합된다.

Description

광학 피드백을 위한 광감지기 구성을 구비하는 ＬＥＤ 조명 기구{LED LUMINAIRE WITH LIGHT SENSOR CONFIGURATIONS FOR OPTICAL FEEDBACK}
본 발명은 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드(LED)의 어레이를 가지는 백색 광 방출 조명 기구 및 원하는 컬러 밸런스(색도)를 유지하기 위한 개개 성분의 광출력을 조정하기 위한 제어 시스템에 관한 것이고, 더 세부적으로, 광학 피드백을 위한 특정 광감지기 구성을 가지는 이러한 조명 기구에 관한 것이다.
(RGB LED 조명 기구로도 알려진) 적색, 녹색 및 청색 LED의 어레이를 가지는 백색 광 방출 조명 기구는 효율성 및 저 비용 그리고 광 출력의 색도를 조정하는 능력을 포함하는 여러 가지 이유 때문에 흥미롭다.
검토할 주요한 문제들 중 하나는 각 칩의 일생(life)을 통한 LED의 광 출력 편차 뿐만 아니라 칩 사이의 LED의 광 출력의 편차이다. LED의 광 출력은 온도와 반대로 변하기도 하나 각 컬러에 대해 균일하지는 않다. 게다가, LED 어레이 내의 개개의 칩의 실패로 광 출력은 변할 것이다.
미국 특허 제 6,127,783호는 전자적으로 조정된 컬러 밸런스를 가진 백색 광 방출 조명 기구를 개시한다. 조명 기구는 개개의 컬러에 대해 개별의 전원을 가지는 적색, 녹색 및 청색의 각각으로 복수 개의 LED 및 광 출력을 측정하기 위하여 배치되는 포토 다이오드를 포함한다. 시간 펄스의 시퀀스에 의해 측정되지 않는 각 컬러에 대한 LED를 턴오프하는 전기 제어 회로에 의해 각 컬러의 광 출력이 측정된다. 각 컬러에 대해 측정된 광 출력은 원하는 출력에 비교되며, 이는 사용자 입력에 의해 결정될 수 있으며, 따라서, 각 컬러에 대한 수정이 이루어진다. 미국 특허 제 6,127,783호의 명세서는 본 명세서 내에 참조에 의해 포함된다.
이러한 조명 기구의 출력을 정확히 제어하기 위하여, 총 전달된 광은 정확히 모니터링 되어야 한다. 이는 피드백 루프의 만족스러운 동작을 보증하기 위하여 LED로부터의 충분한 미광(stray light)이 포토 다이오드(들) 상에 떨어지게 허용하며 동일한 퍼센트의 광이 각 LED로부터 샘플링되는 방식으로 포토 다이오드를 배치할 것을 요구한다.
발명의 개요
본 발명은 전체 광 출력이 정확하게 모니터링될 수 있도록 각 LED로부터 동일한 퍼센트의 광이 샘플링되게 RGB LED 조명 기구의 광 경로 내와 광 경로 주변의 선택적으로 다양한 컬러 필터를 갖는 하나 이상의 포토 다이오드의 배치를 위한 여러 가지 광학적 구성을 제공한다. 표준 RGB LED 조명 기구의 광학 시스템에 작은 변경만 필요하고, 효율성 및 다른 성능 명세는 실질적으로 영향받지 않는다. 포토 다이오드가 그렇게 배치됨으로써, 전체 광 출력 및 컬러 밸런스 모두를 조절하기 위한 제어 전자 회로에 피드백 신호를 사용할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 별도의 포토 다이오드는 각 LED 패키지 내로 통합되고, 이는 LED 칩 및 LED로부터 광을 경로 지정하기 위한 렌즈를 포함한다. 포토 다이오드는 직접 또는 간접적으로 LED로부터 광을 수신하기 위한 위치에 놓일 수 있다. 시뮬레이션에 의하면, 만족스러운 동작을 보증하기 위해, 렌즈의 내부 표면으로부터의 반사가 충분한 미광(stray light)이 포토 다이오드 상에 떨어지는 것을 허용하였다.
제 2 실시예에서, 개별의 포토 다이오드 패키지는 각 LED 또는 LED의 작은 그룹(가령, 3개의 LED)에 바로 인접하게 배치되고, 그 입구 틈 또는 LED로 향해진 집광 렌즈는 모니터링된다.
제 3 실시예에서, 일부 반사 소자(통상적으로 약 1%의 반사가 충분함)는 광 경로 내에, 메인 집광 렌즈 뒤에 배치되고, 일부 반사 소자는 LED 어레이의 평면과 광축의 교차점에 또는 교차점 약간 위에 초점을 맞추기 위해, 출력 빔의 작은 부분을 다시 집광 렌즈를 관통하여 반사하도록 배치되고 형성된다. 이 초점에 하나 이상의 포토 다이오드(들)와, 포토 다이오드를 둘러싸는 백색 통합 챔버 및 상기 챔버와 집광 렌즈 사이의 평면 확산 스크린(planar diffusing screen)과 같은 확산기를 포함하는 광감지기 어셈블리가 배치된다. 광감지기 어셈블리는 상당한 영역(하나의 포토 다이오드 패키지의 사이즈의 여러 배)에 걸쳐, 각 LED로부터의 플럭스(flux)가 거의 일정하게 되도록 배치된다. 이러한 실시예가 가장 복잡하지만, 그것이 가장 좋은 성능, 경제성 및 융통성을 제공한다.
각각의 실시예에서, 컬러 필터는 포토 다이오드가 RGB 출력의 특정 스펙트럼 영역에 선택적이 되도록 하기 위해 포토 다이오드와 연관됨으로써, 미국 특허 제 6,127,783호에 개시된 것처럼 LED 및 포토 다이오드를 펄싱(pulsing)할 필요를 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 LED 조명 기구의 일 실시예의 단면을 도시하며, 적색, 녹색 및 청색 방출 LED 어레이의 중심에 배치되는 광감지기 어셈블리 및 어레이의 결합된 광 출력의 경로에 배치되는 일부 반사 소자를 포함한다.
도 2는 도 1의 광감지기 어셈블리의 세부 사항을 도시하며, 포토 다이오드 어레이, 확산기, 통합기 및 임의의 광학적 가변 컬러 필터를 포함한다.
도 3은 도 2의 광감지기 어셈블리의 다른 실시예를 도시하며, 각 포토 다이오드 연관되는 개개의 컬러 필터를 포함한다.
도 4는 LED 어레이의 개개의 LED를 포함하는 실링된(sealed) 패키지를 단면으로 도시하며, 실링된 패키지는 연관된 포토 다이오드를 포함한다.
도 5는 연관된 포토 다이오드를 가지는 실링된 LED 패키지를 단면으로 도시한다.
도 6은 연관된 다이오드를 가지는 세 개의 LED 패키지의 어레이를 도시한다.
도 7은 본 발명의 LED 조명 기구의 다른 실시예의 단면을 도시하며, 이는 일부 반사 소자 및 광감지기 어셈블리가 LED의 어레이와 연관되는 포토 다이오드의 어레이에 의해 대체되는 것을 제외하고 도 1에 도시되어 있는 단면과 유사하다.
도 8은 광학 피드백 및 제어를 포함하는 본 발명의 RGB LED 조명 기구 일 실시예의 광학 및 전기 시스템의 개략도이다.
도 9는 도 7의 조명 기구의 광학 피드백 및 제어부를 위한 로직 시퀀스의 다이어그램이다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 RGB LED 조명 기구의 광학 구성 요소의 일 실시예의 단면이며, LED 어레이(101)는 중심 축 A 주변에 두 개의 동심원 내에 배치되는 개별의 LED 어셈블리(102,103,104)를 포함한다. 각 LED 어셈블리는 실링된 LED 패키지(126) 및 시준기(collimator) 렌즈(120)를 포함한다. 광감지기 어셈블리(105)는 중심 축 A 상에 위치되고, 확산기(109), 통합기(110) 및 포토 다이오드의 어레이(112,113,114)를 포함한다(도 2 및 도 3).
메인 집광 렌즈(106)는 LED 어레이(101)로부터의 광 출력을 타겟 광 가이드(108)로 향하게 한다. 적당한 형태의 일부 반사기(107)는 메인 집광 렌즈(106)와 타겟 광 가이드(108) 사이의 영역에 배치된다. 일부 반사기(107)는 약 1 퍼센트의 총 반사율을 가져야 하며, 이는 대부분의 광학 소자의 반사율보다 작다. 이러한 낮은 반사율은 광학 소자를 종래의 반사방지(anti-reflecting) 코팅으로 코팅함으로써 획득될 수 있다. 가장 좋은 결과는 도 1에 도시되어 있는 약간 비구형 오목 형태로 얻어졌으나, 평면 미러 구성으로도 적당하게 좋은 결과가 획득되었다. 비접촉 글래스 또는 비접촉 플라스틱이 잘 작동할 것이나 불필요하게도 전체 시스템 효율성을 감소시킬 것이다.
광감지기 어셈블리(105)는 LED 어레이의 중심 근처의 축 상에 하나의 원통형 물체로 도 1에 도시되어 있다. 서로 다른 많은 구성이 가능하며, 단일의 또는 다중의 포토 다이오드 및 더 간단한 또는 더 정교한 통합기 구조를 포함한다. 두 개의 대표적인 실시예가 도 2 및 도 3에 도시되어 있으며, 여기서, 광감지기 어셈블리는 확산기(109), 통합기(110) 및 포토 다이오드 어레이(111)를 포함한다.
광감지기 어셈블리(105)는 LED 조명 기구의 컬러 밸런스를 조정하도록 필요한 정보를 제공하기 위해 미국 특허 제 6,127,783호에 설명되어 있는 방식으로 LED 어레이에서 서로 다른 컬러 LED의 펄싱(pulsing)과 동기적으로 판독될 수 있다. 다르게는, LED의 펄싱은 포토 다이오드에 의한 측정을 위한 서로 다른 컬러 LED의 광 출력을 분리하기 위하여 컬러 필터의 사용에 의해 회피될 수 있다. 하나의 가능한 실시예에서, 도 2에 도시되어 있는 단일의 서로 다른 컬러 필터(115)는 광 감지 동안에 서로 다른 컬러 파장 대역으로 주기적으로 튜닝될 수 있다. 다른 가능한 실시예에서, 서로 다른 고정된 컬러 필터(116,117,118)는 도 3에 도시되어 있는 개개의 포토 다이오드(112,113,114)와 연관될 수 있다.
예시적인 광학 서브 시스템(subsystem)은 6개의 (내부) LED 어셈블리 및 12개의 (외부) LED 어셈블리의 두 개의 동심원 -각 어셈블리는 15mm 직경의 시준기 렌즈를 구비함- 과 8각형의 확산기 판(diffuser plate), 간단한 통합기 구조를 구성하는 백색 종이 튜브 -이들도 역시 15mm 직경임- 로 구성된 간단한 광감지기 집합과; 그리고 통합기 챔버 내부에 배치되는 네 개의 포토 다이오드 패키지로 구성된다. 광감지기 어셈블리는 광축 중앙에 위치되고, 시준기의 상부로부터 LED 칩의 레벨까지 아래로 수직으로 확장된다. 메인 집광 렌즈와 타겟 광 가이드 사이에 위치되는 반사방지(anti-reflection) 코팅된 평면 미러가 일부 반사기로 사용되었다. 이러한 장치는 포토 다이오드 어레이를 가로질러 만족스러운 광 균일성을 제공하였다. 더 적은 총 집광의 비용으로도 더 주의 깊고 정확히 조립되는 설계를 사용하여 더 고도의 균일성을 가져오는 더 나은 통합이 가능하다.
중앙에 위치된 광감지기(105)의 대안이 물론 가능하다. 예를 들면, LED 어레이에서 각 LED 패키지는 그것과 연관되는 개개의 포토 다이오드를 가질 수 있다. 이러한 연관에 관하여 서로 다른 두 개의 실시예가 개개의 LED 패키지에 대해 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도 4는 실링된 LED 패키지(119)를 도시하며, 기판(123) 상에 탑재되는 LED 칩(121)을 포함한다. 포토 다이오드(122) 또한 기판(123) 상에 LED 칩(121) 다음에 탑재되며, LED로부터의 광 출력을 측정하도록 배치된다. LED로부터의 광을 전방으로(forward direction) 향하게 하기 위하여, 렌즈(126)가 LED 칩(121) 및 포토 다이오드 칩(122)을 덮고 있다.
도 5는 실링된 LED 어셈블리(126) 내부에 탑재되는 포토 다이오드 칩을 구비하는 대신에, 개별의 포토 다이오드 패키지(152)가 LED 패키지(150)로부터의 광 출력을 측정하기 위하여 배치되는 것 외에는 도 4와 유사한 장치를 도시한다.
도 6은 세 개의 LED 패키지(161,162,163)가 단일 포토 다이오드(164)와 연관 되는 다른 장치를 도시한다.
도 7은 본 발명의 LED 조명 기구의 다른 실시예의 단면을 도시하며, 이는 일부 반사 소자 및 광감지기 어셈블리가 포토 다이오드(176,177,178)의 어레이에 의해 대체되는 것을 제외하고는 도 1에 도시되어 있는 장치와 유사하며, 도 6에 도시되어 있는 방식으로 LED(171,172,173)의 어레이와 연관되어 있다. 물론, 개개의 포토 다이오드(176,177,178)는 도 4의 다른 장치에서 도시되어 있듯이 LED 패키지로 각각 통합되거나, 도 6에 도시되어 있듯이 두 개 이상의 LED 패키지의 그룹과 연관될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 것처럼, LED 어레이로부터의 광은 집광 렌즈(174)에 의해 타겟(175)으로 향한다.
본 발명의 조명 기구의 일 실시예의 광학 및 전기 구성 요소의 개략도인 도 8을 참조하면, 제어기(30)는 포토 다이오드(24)로부터의 피드백을 컬러 포인트 측정으로 바꾸고, 이는 사용자 입력(40)을 통해 제공되는 원하는 설정과 비교된다. 이러한 비교에 기초하여, 제어기(30)는 원하는 컬러 밸런스가 존재하는지의 여부를 결정하고, 이에 따라 각각의 다이오드(10,12,14)에 대한 전류 조절기(11,13,14)를 시그널링한다. 그래서 AC 컨버터(50)로부터의 전력 입력은 전류 출력으로 바뀌고, 이는 원하는 컬러 밸런스를 획득하기 위하여 각각의 적색, 녹색 및 청색에 대한 광 인텐시티를 조절한다. 어레이의 각각의 컬러에 대한 다이오드는 기판(16) 상에 배선에 의해 공통의 전위로 유지된다. 원하는 설정을 위한 사용자 제어는 각각의 컬러를 위한 입력 (41,42,43) 및 결과적인 백색광의 전체 인텐시티를 조절하는 디머(dimmer)(44)를 포함한다.
도 9는 도 8의 조명 기구를 위한 제어 로직을 도시한다. 램프가 켜졌을 때(31), LED에 전력이 제공되고, 시퀀스를 측정하는 것이 개시된다(32). 컬러 포인트 측정은 원하는 세팅과 비교되고(33), 이는 사용자 조정(35)에 의거하여 저장된다(34). 이러한 비교에 기초하여, 컬러 조정이 필요한지의 여부가 결정되고, 그런 경우라면, 조정이 행해지고(37) 시퀀스를 측정하는 것이 반복된다(32). 컬러 조정이 필요하지 않다면(36), 제어기는 시퀀스를 측정하는 것을 반복하기(32) 이전에 사전 결정된 측정 간격(38) 동안 대기할 것이다.
본 발명은 제한된 수의 실시예로 불가피하게 설명되었다. 이러한 설명으로부터, 다른 실시예 및 실시예의 변형이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명의 범주 및 첨부된 청구 범위 내에 완전히 포함되도록 의도되어 있다.

Claims (10)

  1. LED 조명 기구(100)로서,
    복수의 컬러 각각으로 적어도 하나의 LED(102,103,104)를 포함하는 LED(101)의 어레이와,
    상기 LED 어레이의 결합된 광 출력을 타겟 광 가이드(light guide)(108)로 지향시키도록 배치되는 집광(condenser) 렌즈(106)와,
    상기 집광 렌즈로부터의 광 출력의 일부를 상기 LED 어레이 방향으로 다시 반사하도록 배치되는 일부 반사 소자(107)와,
    상기 반사된 광의 적어도 일부를 인터셉트(intercept)하고 측정하도록 배치된 광감지기(105)를 포함하는
    LED 조명 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 어레이(101)에 전류를 공급하기 위한 수단(50) -이에 의해 각각의 컬러에서 상기 LED(102,103,104)는 소정의 광 출력을 가지고, 상기 LED 어레이는 결합된 광 출력을 가짐- 과,
    각 컬러의 상기 반사된 광 출력을 상기 광감지기(105)에 개별적으로 제공하기 위한 수단(32,115)과,
    각 컬러에 대해 측정된 광 출력을 각 컬러에 대해 각각의 원하는 광 출력과 비교하기 위한 수단(33)과,
    상기 비교에 기초하여 각 컬러에서 상기 LED로의 상기 전류를 조정하기 위한 수단(37) -이에 따라 원하는 결합된 광 출력이 달성될 수 있음- 을 더 포함하는
    LED 조명 기구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각 컬러의 상기 반사된 광 출력을 상기 광감지기(105)에 개별적으로 제공하기 위한 상기 수단(32,115)은 상기 광감지기가 각 컬러에 대한 상기 광 출력을 일련의 시간 펄스에서 개별적으로 측정하도록 상기 LED를 선택적으로 턴오프하기 위한 수단을 포함하는
    LED 조명 기구.
  4. 제 2 항에 있어서,
    각 컬러의 상기 반사된 광 출력을 상기 광감지기(105)에 개별적으로 제공하기 위한 상기 수단(32,115)은 각 분리된 LED 컬러의 상기 광 출력을 선택적으로 필터링하기 위한 컬러 필터 수단(115)을 포함하는
    LED 조명 기구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광감지기는 포토 다이오드(112,113,114)의 어레이(111)를 포함하는
    LED 조명 기구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 수단(115)은 상기 개개의 포토 다이오드(112,113,114)와 연관되는 개별의 컬러 필터(116,117,118)를 포함하는
    LED 조명 기구.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 광감지기는 광 확산기(109) 및 광 통합기(110)를 더 포함하는
    LED 조명 기구.
  8. LED 조명 기구(100)로서,
    복수의 컬러 각각으로 적어도 하나의 LED(171,172,173)를 포함하는 LED의 어레이와,
    상기 LED 어레이(171,172,173)의 결합된 광 출력을 타겟 광 가이드(175)로 지향시키도록 배치된 집광 렌즈(174)와,
    광감지기의 어레이(176,177,178) -각 광감지기는 LED 또는 LED의 그룹과 연관되고, 각 광감지기는 그 연관된 LED 또는 LED의 그룹의 상기 광 출력의 적어도 일부를 인터셉트(intercept)하고 측정하기 위하여 배치됨- 를 포함하는
    LED 조명 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    각 광감지기(164)는 세 개의 LED(161,162,163)의 그룹과 연관되는
    LED 조명 기구.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 LED 어레이(171,172,173)에 전류를 공급하기 위한 수단(50) -이에 의해, 각각의 컬러에서 상기 LED는 소정의 광 출력을 가지고, 상기 LED 어레이는 결합된 광 출력을 가짐- 과,
    각 컬러에 대한 상기 측정된 광 출력을 각 컬러에 대한 각각의 원하는 광 출력과 비교하기 위한 수단(33)과,
    상기 비교에 기초하여 각 컬러에서 상기 LED에의 상기 전류를 조정하기 위한 수단(37) -이에 의해, 원하는 결합된 광 출력이 달성될 수 있음- 을 더 포함하는
    LED 조명 기구.
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