TWI382543B - 具有強度監視系統之led照明系統 - Google Patents

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TWI382543B
TWI382543B TW093135128A TW93135128A TWI382543B TW I382543 B TWI382543 B TW I382543B TW 093135128 A TW093135128 A TW 093135128A TW 93135128 A TW93135128 A TW 93135128A TW I382543 B TWI382543 B TW I382543B
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Fook Chuin Ng
Kee Yean Ng
Heng Yow Cheng
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Avago Tech Ecbu Ip Sg Pte Ltd
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Description

具有強度監視系統之LED照明系統
本發明係關於一種光源。
發光二極體(LED)係取代諸如白熾燈及螢光燈光源之習知光源十分具有吸引力的候選。LED具有更高的光轉換效率及更長的使用壽命。但是，LED產生的光在相對狹窄的光譜帶內。因此，為了產生具有任意顏色之光源，通常利用一具有多個LED之複合光源。例如，可藉由將來自發出紅、藍及綠光之LED的光進行組合而構造基於LED之光源，其提供被人們感知為匹配一特定顏色之發光。各種顏色之強度比例設定了人類觀察者所感知到的光的顏色。
但是，個別LED之輸出因溫度、驅動電流及老化而有所不同。此外，LED的特徵在生產過程中因不同的生產批量而變化，且對於不同顏色的LED而言，其特徵亦不同。因此，在一組條件下提供所要顏色的光源在條件發生改變或裝置老化時將顯示出色差。為避免該等偏移，必須將某形式的反饋系統併入至該光源中以改變個別LED之驅動條件，從而使得儘管該光源中所使用之組件LED具有可變性，但是該輸出光譜保持於設計值。
基於LED之白色光源係用於顯示器及投影儀之背光中。若顯示器尺寸相對較小，則可使用單組LED以照明該顯示器。在此情況中，將反饋光偵測器置於一位置中以使其可在混合來自個別LED的光之後收集來自整個顯示器之光。
隨著顯示器尺寸的增加，需要一種LED光源陣列以在整個陣列上提供均勻照明。此一陣列使反饋系統變得複雜。若將光偵測器置於混合腔室中，則將收集並分析來自整個顯示器的光。因此，藉由該反饋系統僅可調節每種顏色之總的光強度級。因此，若一特定LED的運作不同於提供此顏色光之其它LED，則該反饋系統無法僅調節此LED。
本發明包括一種光源及一種控制該光源之方法。該光源包括一包括有N個LED、一光偵測器及一集光器(其中N>1)之第一組件光源。每一LED在一封裝中具有一發光晶片。該發光晶片在一前向方向及一側向方向上發出光。藉由一耦合至該LED的驅動訊號來測定在該前向方向上所產生之光線。該側向方向之一部分光離開了該封裝。將該集光器放置成使得離開了該等LED中之每一LED的封裝的在側向方向上之一部分光被引導至該光偵測器上。該光偵測器產生N個強度訊號，每一強度訊號具有一與該等LED中相應的一LED在側向方向上所發出的光的強度相關聯之振幅。側向方向上光之強度是前向方向上光之強度的一固定比例。在一實施例中，該等LED中之每一LED發出的光的波長與其它LED發出的光的波長不同。在一實施例中，該集光器為圓柱形的，沿一平行於該集光器軸線的線來排列該等LED。在另一實施例中，光偵測器包括用於量測藉由N個波長濾波器所接收到的光之N個光電二極體，每一波長濾波器使來自該等LED中一者的光通過。在另一實施例中，該等 組件光源中之兩者被連接至一與反饋集光器相連之匯流排上。在此實施例中，各組件光源亦包括一控制N個訊號之介面電路，每一訊號判定該等LED中之一相應的LED在前向方向上所產生的光強度。該介面電路亦將N個強度訊號耦合至該匯流排，以響應一識別該第一介面之控制訊號。該反饋控制器利用該等組件光源中之每一者的強度訊號以控制該等驅動訊號，從而將該等強度訊號保持於預設之目標值。
參考圖1A與1B可更容易地理解本發明提供其優勢之方式。圖1A為一先前技術顯示器系統100之俯視圖。圖1B為顯示器系統100之端視圖。顯示器系統100利用具有紅、藍及綠光LED之LED光源130，以自顯示器裝置170之後面位置上照亮顯示器裝置170。例如，顯示器裝置170可包括一由透射像素陣列構成之成像陣列。將來自LED源130之光"混合"於顯示器裝置170後面的腔160中，以為顯示器裝置170提供均勻照明。此腔之該等壁通常為反射性的。光偵測器110對應於LED源130中之該LED量測腔160中之三個波長的光強度。控制器120在一伺服迴路中使用該等量測以調整LED源130中各LED之驅動電流，以保持所要的照明光譜。
隨著顯示器尺寸的增加，該等LED必須由LED陣列所取代，該等LED陣列具有由顯示器尺寸及照明顯示器所需之光的數量而判定的空間範疇(spatial extent)。自單個LED所產生之光的數量存在著實際的限制。因此，基於一組RGB LED之照明被限制於相對小型的顯示器。為了增加在此限 制之外可獲取的光，需要使用多組LED。因為LED的特性因生產批次不同而顯著不同，所以在反饋迴路中必須獨立控制每組LED以保持所要之光譜。因此，在已將自各LED的光混合在一起之後，取樣該混合腔室中之光的光偵測器陣列僅可提供關於各種顏色中陣列的整體效能之資訊。此資訊不足以調整個別LED之驅動電流。本發明藉由提供一種LED光源而克服了此問題，在該LED光源中該等組件LED中之每一LED即使在混合腔室中存在相同顏色之若干LED時亦分別接受量測。
本發明利用了此一觀察，即：一LED所產生光之一部分被捕集在該LED之活性區(active region)中並自該晶片之側面退出該LED。一般而言，LED係由分層結構構成，其中光產生區域係夾在n-型與p-型層體之間。提取沿著與頂層或底層表面成約90度的方向行進之光，並形成LED的輸出。LED頂部之空氣/半導體邊界及LED下部之半導體/基板邊界均為具有顯著不同折射率之兩區域的邊界。因此，在活性區中以大於臨界角的角度產生的光線將在該等邊界處發生內反射，並仍被捕集於該等兩個邊界之間直至光被吸收或到達該LED晶片之側邊。一大部分的此捕集光線以小於臨界角之角度衝撞(strike)晶片側邊的晶片/空氣邊界，且因此自該晶片脫離出去。
本發明利用了此側射發光以提供一監視訊號。一般而言，於側邊處退出晶片之光的量係LED中所產生光的總量之固定比例。該確切比例因晶片而異。現參見圖2及3，例 示了根據本發明一實施例的RGB組件光源200。圖2為組件光源200之俯視圖，且圖3為沿線3-3之橫截面圖。組件光源200包括分別產生紅、綠及藍光之三個LED 201-203。每一LED均包括一晶片，該晶片可藉由其側面發出LED中所產生之光的一部分。該LED具有一包括一透明區域之體部，該透明區域允許此光從不同於一沿垂直於該晶片表面方向發出的光之方向退出。LED 201-203中之晶片分別顯示於211-213處。
參見圖3，離開該晶片頂部之光顯示於221處，且離開該晶片側面之光顯示於222處。為簡化下文的討論，將該離開該晶片頂部之光稱作"輸出光線"，且將在LED中以大於臨界角的角度經過一或多次內部反射之後離開該晶片側面之光稱作側光。本發明藉由使用一集光器230收集一部分的側光。將如此收集到的光稱作監視光線。將該監視光線引導至一量測相關的三個光譜區中之每一者的光強度的光偵測器240上。在此狀況下，光偵測器240量測在紅、藍及綠色光譜帶中的光，並產生241處所顯示的三個訊號，該等訊號之振幅為所測得的強度之函數。該等訊號之振幅同樣為輸出光線之量度。在下文之討論中，將該等訊號稱作監視訊號。
光偵測器240可由3個光學濾光器及用於量測由每個濾光器所透射之光線的3個光電二極體構成。為簡化圖式，圖中已省去了該等組件光電二極體及光學濾光器。
在圖2及3中所顯示之實施例中，集光器230係一圓形對稱 之集光器，其具有一於向下方向反射該離開LED 201的一部分側光之表面233。該集光器可由透明塑膠構成。該表面之反射性可取決於塑膠及空氣的折射率之差異。或者，可將諸如鋁之反射材料塗覆於該表面上。
一般而言，監視光線與輸出光線之比例因LED而異。然而，只要此比例保持恆定，則無需判定其精確值。如上文所指出，一反饋控制器利用該等監視訊號來保持正確的紅、藍及綠光強度，以產生所要之光譜。每一LED具有一獨立的電源線，該LED於該電源線上接收訊號，其平均電流位準決定了該LED之光線輸出。LED 201之電源線顯示於251。反饋控制器調整了每一LED之驅動電流，直至該等監視訊號與儲存在該反饋控制器中的目標值相匹配。
可藉由按該等LED的驅動電流之函數來分析由組件光源所產生之光線以實驗方法來判定該等目標值。當達成令人滿意之光譜時，藉由控制器來記錄該等監視訊號的值。然後，在組件光源之正常運作期間，反饋控制器調整該等驅動電流，以將該等監視訊號保持於該等記錄目標值。若(例如)該等LED中之一者老化，並因此產生了較少的光線，則與此LED相關聯之監視訊號的值將會減少。然後，該反饋控制器將增加此LED之驅動電流，直至該監視訊號再次與此LED之目標值相匹配。
可將上文所討論之組件光源加以組合，以類似於上文參考圖1所論述之方式來構成用於照明一腔室之擴展光源。現參見圖4，其為一根據本發明之一實施例的擴展光源300之 俯視圖。可將光源300視為一沿其長度具有恆定光強度之線性光源。光源300係由上文參考圖2及3所論述之類型的複數個組件光源所構成。示例性組件光源顯示於301-303。
每一組件光源具有可視為一組件匯流排307之六個訊號線。組件匯流排307包括用於傳輸該等監視訊號之三條線及用於驅動該組件光源中之個別LED的三條電源線。該組件匯流排藉由一介面電路連接至一控制匯流排311。對應於組件光源301-303之該等介面電路分別顯示於304-306。
在此實施例中，每一介面電路提供兩個功能。第一，該介面電路選擇性地將該等監視訊號連接至一反饋控制器310，並接收規定待施加至該組件光源中之該等LED中的每一LED上的驅動電流之訊號。該介面電路包括一允許反饋控制器310選擇性地與介面電路進行通信之位址。
第二，當組件光源未連接至匯流排311時，該介面電流包括可將每一LED上的驅動電流保持於反饋控制器所規定的位準之電路。為執行此功能，該介面電路包括保存決定每一LED的驅動電流的值之三個暫存器及用於將該等值轉換成實際驅動電流之電路。可藉由改變穿過各LED之DC電流的量值或藉由改變"接通"與"斷開"LED的AC訊號之工作週期校正因子(duty factor)來設定該等驅動電流。
本發明之上述實施例利用一圓形對稱光集光器來收集來自各LED之側光並將該光引導至光偵測器上。然而，可利用其它形狀之光集光器。現參見圖5及6，其例示了一使用圓柱狀光集光器之組件光源。圖5為組件光源400之俯視 圖，且圖6為組件光源400沿線6-6之橫截面圖。組件光源400具有六個LED 401-406。一圓柱狀集光器410收集來自該等LED之側光，該集光器410將來自每一LED之一部分側光反射至一光偵測器上。LED 401-406之光偵測器分別顯示於411-416。圓柱狀光偵測器410包括一可利用全部的內部反射或反射塗層以提供反射功能之反射性表面417。圓柱狀光集光器410可由施加有光學反射塗層之透明塑膠壓出品構成。
圖5及6所顯示之實施例為每一LED使用了獨立的光偵測器。該光偵測器較佳為一覆蓋有光學濾光器之光電二極體，該光學濾光器防止量測到來自周圍LED之光線。具有類似於上文所述之光偵測器240的單一光偵測器之實施例亦可藉由將該光偵測器置於由光偵測器412及415所佔據的位置中並除去其它的光偵測器而構成。在此等實施例中，圓柱狀光集光器410必須充當光導管以將光線自LED 401及403移至該偵測器中。然而，此等實施例並非較佳的，因為自LED 401及403收集光線之效率低於自LED 402收集光線之效率。因此，來自LED 401及403之監視訊號的訊雜比小於來自LED 402之監視訊號的訊雜比。
圖5及6所顯示之實施例利用一LED三聯體以在圓柱狀光集光器之各側產生紅、藍及綠光。然而，倘若來自一LED的光不會被與另一LED相關聯之光偵測器探測到，則亦可構造出其中將圓柱狀集光器延長以容納額外LED及光偵測器之實施例。此等延長之光源極其適用於目前利用線性光 源之應用中。現參見圖7，其為一延長的組件光源500之俯視圖。組件光源500包括排列於圓柱狀光集光器520兩側之12個LED 501-512。在圓柱狀光集光器520之一側的該等LED相對於圓柱狀光集光器520另一側之該等LED係偏移的。此排列提供了類似於參照圖2及3所述之RGB三聯體。每一三聯體涉及來自一側之一LED及來自另一側之兩個LED。
該等上述實施例已利用由紅、綠及藍光LED構成之組件光源。然而，亦可構造出利用不同數目及顏色之LED的本發明之實施例。例如，對於人類觀察者呈白色之光源可藉由將來自發藍光之LED及發黃光之LED的光混合而成。因此，可利用基於根據本發明的具有兩個LED之組件光源的白色光源來提供一擴展白色光源。類似地，基於四種顏色之色彩設計係印刷技術所已知的。在此色彩設計中，根據本發明之組件光源可具有4個LED。
熟習此項技術者根據先前的描述及所附圖示將不難發現本發明之各種修正。因此，本發明僅由以下的申請專利範圍之範疇來限定。
100‧‧‧顯示器系統
110‧‧‧光偵測器
120‧‧‧控制器
130‧‧‧LED光源
160‧‧‧腔
170‧‧‧顯示器裝置
200‧‧‧組件光源
201-203‧‧‧LED
211-213‧‧‧LED 201-203之晶片
230‧‧‧集光器
233‧‧‧表面
240‧‧‧光偵測器
241‧‧‧訊號
251‧‧‧電源線
300‧‧‧光源
301-303‧‧‧組件光源
304-306‧‧‧介面電路
307‧‧‧組件匯流排
310‧‧‧反饋控制器
311‧‧‧控制匯流排
400‧‧‧組件光源
401-406‧‧‧LED
410‧‧‧光集光器
412、415‧‧‧光偵測器
417‧‧‧反射性表面
500‧‧‧組件光源
501-512‧‧‧LED
520‧‧‧光集光器
圖1A為先前技術中的一顯示器系統之俯視圖。
圖1B為圖1A中所示的顯示器系統之端視圖。
圖2為一組件光源之俯視圖。
圖3為圖2中所示的光源沿線3-3之橫截面圖。
圖4為根據本發明之一實施例的延長光源之俯視圖。
圖5為一組件光源之俯視圖。
圖6為圖5中所示的組件光源沿線6-6之橫截面圖。
圖7為一延長組件光源之俯視圖。
300‧‧‧光源
301-303‧‧‧組件光源
304-306‧‧‧介面電路
307‧‧‧組件匯流排
310‧‧‧反饋控制器
311‧‧‧控制匯流排

Claims (15)

  1. 一種包含一第一組件光源之光源，該第一組件光源包含：N個LED，每一LED於一封裝中具有一發光晶片，該發光晶片透過該發光晶片之一上表面在一前向方向上發光及透過該發光晶片之一側面在一側向方向上發光，其中N>1；藉由一耦合至該LED的驅動訊號來判定該前向方向上產生的該光線，該側向方向上的該光線之一部分離開該封裝；一光偵測器；及一集光器，其被安置以將離開該等LED中之每一者的該封裝的該側向方向上的該光線之一部分主要引導至該光偵測器上，該光偵測器產生N個強度訊號，每一強度訊號具有一與由該等LED中之一相應LED在該側向方向上發出的該光線的強度相關聯之振幅且獨立於該光源中任何其他LED發出之光線的強度。
  2. 如請求項1之光源，其中在該側向方向上的光線之強度為在該前向方向上的光線之強度的一固定比例(fixed fraction)。
  3. 如請求項1之光源，其中該集光器為圓形對稱。
  4. 如請求項1之光源，其中該集光器為圓柱形，該等LED被沿著一平行於該集光器之一軸線的線而排列。
  5. 如請求項1之光源，其中該等LED中之每一LED發出之光線的波長不同於該等LED中之其它LED發出之光線的波長。
  6. 如請求項5之光源，其中該光偵測器包含N個光電二極體，以用來量測藉由N個波長濾波器所接收到之光線，每一波長濾波器使得來自該等LED之一的光線通過。
  7. 如請求項1之光源，其中N=2。
  8. 如請求項1之光源，其中N=3。
  9. 如請求項1之光源，其中該第一組件光源包含一匯流排及一用來控制N個訊號之第一介面電路，每一訊號判定由該等LED中之一相應LED於該前向方向上產生的光線之強度，該介面電路進一步將該等N個強度訊號耦合至該匯流排以響應一識別該第一介面之控制訊號。
  10. 如請求項1之光源，其中該集光器係被安置以相鄰於該N個LED之該等側面。
  11. 一種包含一第一組件光源之光源，該第一組件光源包含：N個LED，每一LED於一封裝中具有一發光晶片，該發光晶片在一前向方向及一側向方向上發光，其中N>1；藉由一耦合至該LED的驅動訊號來判定該前向方向上產生之該光線，該側向方向上之該光線的一部分離開該封裝；一光偵測器；及一集光器，該集光器被放置以將離開該等LED中之每一LED的該封裝的該側向方向上的該光線之一部分引導至該光偵測器上，該光偵測器產生N個強度訊號，每一強度訊號具有一與由該等LED中之一相應LED在該側向方向上發出的該光線的強度相關聯之振幅，其中該第一組件 光源包含一匯流排及一用來控制N個訊號之第一介面電路，每一訊號判定該等LED中之一相應LED在該前向方向上將要產生之光線的強度，該第一介面電路進一步將該等N個強度訊號耦合至該匯流排以響應一識別該第一介面電路之控制訊號，該光源更包含一第二組件光源，該第二組件光源包含：N個LED，每一LED於一封裝中具有一發光晶片，該發光晶片在一前向方向及一側向方向上發光，其中N>1；藉由一耦合至該LED的驅動訊號來判定該前向方向上產生之該光線，該側向方向上之該光線的一部分離開該封裝；一光偵測器；及一集光器，該集光器被放置以將離開該等LED中之每一LED的該封裝的該側向方向上的該光線之一部分引導至該光偵測器上，該光偵測器產生N個強度訊號，每一強度訊號具有一與由該等LED中之一相應LED在該側向方向上發出的該光線的強度相關聯之振幅；以及一第二介面電路，用於控制該等N個訊號，每一訊號判定在該第二組件光源中的該等LED中之一相應LED在該前向方向上將要產生之光線的強度，該第二介面電路進一步將該等N個強度訊號耦合至該匯流排以響應一識別該第二介面電路之控制訊號。
  12. 如請求項11之光源，其進一步包含一連接至該匯流排之反饋控制器，該反饋控制器利用該等組件光源中之每一 者的該等強度訊號以控制該等驅動訊號。
  13. 一種以來自複數個LED之光線來照明一裝置的方法，每一LED於一封裝中具有一發光晶片，該發光晶片透過該發光晶片之一上表面在一前向方向上發光及透過該發光晶片之一側面在一側向方向上發光，藉由一耦合至該LED的驅動訊號來判定在該前向方向上產生的該光線，在該側向方向上的該光線之一部分離開該封裝，該方法包括：收集主要來自該等LED中之每一LED在該側向方向上的該光線之一部分；量測該等LED中之每一LED的該收集到的光線之強度，以為該等LED中之每一LED產生一量測強度值，且該量測強度值係獨立於該等LED中之任一其他LED之量測強度值；控制該等LED之該等驅動訊號，以將該等量測所得強度值中的每一個保持於一目標值。
  14. 如請求項13之方法，其中在該前向方向上之該光線係用於照明該裝置。
  15. 如請求項13之方法，其中該等LED中之一者所發出之光線與該等LED中之另一者所發出之光線的顏色不同。
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