TWI390760B - 具藉由映射在分割之光感測器上之影像之光學回授之發光二極體光源 - Google Patents

具藉由映射在分割之光感測器上之影像之光學回授之發光二極體光源 Download PDF

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Description

具藉由映射在分割之光感測器上之影像之光學回授之發光二極體光源
本發明係關於一種光源，其包含一發射帶有不同色光之LED(發光二極體)陣列，及一用於控制該光源之光輸出的控制系統。
具有若干有色LED陣列之發光體，亦已知為RGB LED發光體(例如，發白光發光體或可調色發光體)由於若干原因而令人感興趣。舉例而言，其成本低且有效，並且其光輸出之色度係可調整的。
然而，該等LED之光輸出因LED而異，同時在各LED之壽命上也有所不同。另外，該等LED之光輸出與溫度呈反變化，且變化因色彩不同而不同。已嘗試過諸多解決方案以達成自該等發光體之穩定光輸出。在彼等解決方案中已引入了不同類型的回授控制。因此，偵測光輸出且將該等偵測用於控制對該等LED之激勵。US 6,127,783中揭示了一種先前技術解決方案，其中一發白光之光源具有一電力調整過之色彩平衡。該光源包括：複數個每種色彩為紅、綠及藍之LED，其中每種色彩有一獨立電源；及一光電二極體形態的光感測器陣列，其經配置以偵測所有LED之光輸出。每種色彩之光輸出係藉由一電子控制電路量測，該電子控制電路關閉色彩在一時間脈衝序列中未經量測之LED。將所量測之每種色彩之光輸出與一可由使用者輸入判定之理想輸出相比較，且對每一色彩之電流作出相應修正。
因此，所提供之對LED光之光學回授控制需要時間脈衝量測來為每一個別LED光色甚至為每一LED量測光輸出。此係歸因於若所有LED接通，則光源之混合光輸出反射至該光感測器陣列的事實。該時間脈衝係耗時的且顯著限制了光源之最大輸出，尤其限制含有大量LED之發光體的最大輸出。
本發明之一目標在於消除或減少上述先前技術之缺陷，且提供一種其中不同LED光色或個別LED之光輸出係獨立地而無須藉由一時間脈衝方法按時間將其分開之光源。
此目標係藉由一種如請求項1中所定義之根椐本發明之光源達成。
因此，根據本發明之一態樣，本發明係關於一光源，其包含一發射帶有不同色光之LED陣列及一用於控制該光源之光輸出的控制系統。該控制系統包含一偵測該光源之光輸出的偵測單元及一使用來自偵測單元之資訊而控制該陣列之個別LED輸出的控制單元。該偵測單元包含一光感測器陣列、一成像單元及一處理單元。該成像單元係配置於該光感測器陣列之前方，使得其將該LED陣列之一影像映射於該光感測器陣列上。該光感測器陣列分為若干子區域，每一子區域偵測來自該等LED之一單一LED的光輸出。該處理單元連接至該光感測器陣列以用於產生對應於該等子區域之信號。
由於該光感測器陣列於子區域之劃分及以使得源自一單一LED之光照射一子區域的方式將該LED陣列之一影像映射於該光感測器陣列上，因此在偵測光輸出時所有LED均發光且仍能夠識別來自一單一色彩且甚至來自一個別LED之貢獻係可能的。每一子區域包含一或多個感測器陣列元件。
分別如請求項2及3中所定義，根據本發明之光源的實施例，所產生之信號可為每一用於每一色彩之扼要信號，亦可為每一用於各LED之個別信號。此等實施例在同等應用中適用。
如請求項5中所定義，根據本發明之光源之一實施例，每一子區域係由複數個像素組成，意即，一個別LED成像係於若干像素上。此為控制提供穩固性。
如請求項6中所定義，根據本發明之光源之一實施例使用內反射而非直接照明或一外部反射器來執行成像。此係有利的，因為在光徑上不需要額外組件及阻擋物。
如請求項7中所定義，根據本發明之光源之一實施例使用兩種不同折射率之介質之間之介面上自然存在的部分反射。因此，無須額外的反射器元件。
如請求項8中所定義，根據本發明之光源之一實施例，光感測器陣列與該準直儀有一距離，且因此與準直儀內之LED有一距離。藉此，相對於配置於準直儀內部之方式，簡化了與產生熱之LED陣列之熱絕緣。該絕緣係理想的，以便減少熱波動對光感測器陣列之影響。
如請求項9中所定義，根據本發明之光源之一實施例，光感測器陣列與該等LED並排配置。此係有利的，因為在準直儀之外部無光學組件，且藉由將該等光學組件提供於一組件中，更易於使其對準。
如請求項10中所定義，根據本發明之光源之一實施例，成像光學元件係置放於該光感測器陣列之上或其附近。藉此可獲得一光感測器陣列之區域之減少。此接著減少不用於發光之有效區域。但應注意的是，該光感測器區域之減少可由一較小像素尺寸調節，該像素尺寸又可視光感測器陣列之類型而定。
如請求項11中所定義，根據本發明之光源之一實施例，成像單元之光學部件係與準直儀之壁的一部分嚙合，或其構成準直儀之壁的一部分。藉此，所有成像單元或成像單元之至少一主要部分連同該光感測器陣列置放於光源之周邊。另外，與請求項12中所定義之其中光學部件與準直儀有一距離之另一實施例相比較，反射光之一較大部分自該準直儀耦合至光感測器陣列。
另一方面，在後一實施例中，光學部件更易安裝。
本發明之此等及其它態樣自下文所描述之實施例中是顯而易見的，且將參看該等實施例對其作出說明。
參看圖1，一光源101包含：一杯形支持結構103，其具有一底板105及一環繞壁107；複數個LED晶片或LED 109，其安裝於該底板105之上或在一中間子基板上，意即在該光源101之內部。此外，光源101包含：一光學準直儀111，其配置於該支持結構103之杯形內，且環繞LED 109，且其為琢面且介電的；及一反射器113，其配置於具有一嚙合該反射器113之一相應平坦表面117之平坦表面115的準直儀111之上。反射器113向其外端加寬至一大於支持結構103之寬度的寬度，且由壁107之上端支持。反射器113亦為琢面的，且用於最終光束成形及均化，意即自光源101發出之光輸出之色彩混合。一光感測器陣列119靠近LED 109且在底板之中心(意即在光源101之縱軸上)安裝於底板105上或於一子基板或PCB上。一矽膠主體123覆蓋該LED陣列及該光感測器陣列119。該矽膠主體123具有一匹配準直儀111之折射率之折射率，且組成LED 109與準直儀111之間之光學接觸。一成像單元121配置於光感測器陣列119之正前方(意即如圖1中所示在光感測器陣列119之上方)並與其有一距離。該成像單元121由一光學部件、且更特定言之為一透鏡組成，其定位於矽膠主體123與準直儀111之間的介面上。該成像單元121之折射率高於環繞材料之折射率。在另一組態中，成像單元121之折射率可低於環繞材料之折射率，此需要有另一形狀之透鏡。該光源101進一步包含一如圖5中由虛線所示之控制系統501。
實際上在很大程度上由一PCB(印刷電路板)上之硬體組成之控制系統501亦可安裝於支持結構103之底板105上。控制系統501經由一電源單元513(激勵LED 515)連接至LED 109(在圖5中表示為515)，且包含：一偵測器單元，其包含一對應於光感測器陣列119之光感測器陣列505；及一處理單元506，其連接至該偵測單元505。該方塊圖係最為示意性的且主要具有揭示該控制系統之某些部件之目的，且其意在均等相關於所有結構上不同之實施例而無論不同部件之實際位置如何。存在可用之不同替代性光感測器陣列，例如一光電二極體陣列、一CMOS感測器或一CCD。該等光感測器陣列可包括熟習該項技術者所已知之濾色器。
該控制系統501進一步包含：一控制單元507，其用於基於所偵測之光控制光源503之光輸出(由虛線展示)；及一參考產生單元，其連接至該控制單元507。控制單元507包含一比較器511。
該控制系統501以如下方式操作。偵測單元505偵測光源503之光輸出。如上所述，所偵測到的光為該LED陣列515之一影像，其通常已由光源503之內部反射的光形成。該偵測單元505之光感測器陣列具有複數個子區域，其中每一子區域接收一個別LED 515之光。該處理單元506產生表示不同子區域之照明(意即不同LED 515之光輸出)的輸出信號。在該比較器511中，將該等輸出信號(意即實際值)與該參考單元509所產生之參考信號(意即理想值)加以比較。由控制單元507處理該等結果，該控制單元基於(意即依賴)該比較結果產生控制信號至電源單元513。因此，每一LED之光輸出可藉由控制系統501而個別地加以控制。或者，該等LED 515並非全部為個別驅動而是按群集驅動，從而簡化該等LED之佈線圖，意即減少驅動通道之數目。在該狀況下，可藉由控制系統501獨立地控制此等LED群集之光輸出。
圖2展示另一實施例。其與圖1之實施例的區別在於：透鏡221係緊鄰光感測器陣列219配置。
或者，在圖1及圖2中所展示之實施例中，於光感測器陣列119、219與環繞LED 109、209之間，配置一光學屏蔽(optical shield)，以確保防止來自相鄰LED之直射光到達感測器(意即，未反射至介面115、215而到達感測器之光)。此可藉由一具有至少等於LED 109、209之高度的薄光阻擋(宜為反射)壁實現。
圖3展示另一實施例。與上述實施例相比較，光感測器陣列319係安裝於準直儀311之外部，且成像單元(意即透鏡321)佔據準直儀壁325之一部分。換言之，透鏡321係配置於準直儀311與環繞介質(其為空氣)之間的介面上。透鏡321宜係與準直儀311之模塑同時建構。此時，自LED 309發出之光首先部分地反射至相對於透鏡321之壁325上，且隨後在到達透鏡321之前，反射至準直儀311之輸出表面315的內部。在此實施例中，存在用於LED之全部空間，而無佔據空間之任何光感測器陣列。另一方面，其需要光感測器陣列319之精確對準，以獲得LED陣列309之一良好影像映射。
圖3a展示另一實施例。其不同於圖3所展示之實施例之處僅在於：透鏡被移動至一使得所偵測到的光僅發生一次部分反射的位置。換言之，偵測器319僅偵測於介面315處反射之光。此組態致能準直儀311及/或反射器313之其它光學設計。
圖4展示另一實施例。其與圖3之實施例相比，唯一不同處在於：正如上述圖2中所示之實施例，透鏡421係靠近光感測器陣列419配置。此一靠近亦可用於圖3a之實施例中。上文中已描述根據本發明之光源之實施例。此等僅應被視為非限制性實例。如熟習此項技術者所瞭解：在本發明之範疇中，多種修改及其它替代實施例係可能的。
舉例而言，處理單元可產生不表示個別LED而表示個別光色之輸出信號。然後由處理單元組合表示具有相同發光色彩之LED的信號。或者該組合可已於偵測單元內執行，使得由接收相同色彩光之不同子區域所產生之信號相加，且自偵測器單元提供一單一信號輸出至處理單元。
該成像單元可包含多個透鏡及進一步組件，亦可根本不包含透鏡而以其它成像元件代替之。
在圖3及圖4中所示之實施例中，可於成像元件與感測器陣列之間應用一針孔以減少對不必要光(本底光或雜散光)之偵測。
另外，可光學屏蔽自成像元件至感測器陣列或自針孔至感測器陣列之光徑以防止感測器陣列對未穿經成像元件或針孔的光的偵測。
在另一實施例中，使用一針孔將光電二極體成像於感測器陣列上。該針孔可為一安裝於準直儀與感測器陣列之間的進一步光阻擋介質中的小型光透射區域。在該種狀況下，不使用透鏡作為成像元件。或者，該針孔為一應用至準直儀之外表面的反射層中的小型光透射區域。在又一組態中，針孔為一實際形成準直儀之反射器中的小型光透射區域。在後種狀況下，與LED光學接觸之介電質具有一圓頂形狀，意即介電質具有遠離與LED以及安裝板及/或基板相接觸之側面的凸起的外表面(背離LED)，該圓頂係位於準直反射器內。該種狀況下，需要一額外光學元件以提供一些用於感測照明系統之光輸出的反射光，例如，藉由在準直儀與(次級)反射器之間應用玻璃板。此玻璃板可具有一平坦底部表面以為感測器陣列提供鏡面反射，且具有一平坦或織紋頂部表面(textured top surface)。織紋頂部表面給出進一步增強LED所發出之光之混合，且因此增強照明系統所發出之光的均質性的可能性。可於針孔與感測器陣列之間應用額外光學元件(意即，一或多個透鏡)來調整影像之尺寸至感測器陣列之尺寸。在後種狀況下，可於額外光學元件與感測器陣列之間再次應用一第二針孔以減少對不必要光之偵測。
因此，如藉由上文實施例所述，由於該光感測器陣列於子區域中之劃分及以使得源自一單一LED之光照射一子區域的方式使該LED陣列之一影像映射於該光感測器陣列上，因此將不同LED光色或個別LED之光輸出分開而無須藉由一時間脈衝法按時間將其分開係有可能的。
應注意的是，出於本申請案之目的，且更特定言之關於附加之申請專利範圍，詞語"包含"不排除其它元件或步驟；詞語"一"或"一個"不排除複數個，其本身對一熟習此項技術者而言係顯而易見的。另外，如一熟習此項技術者所瞭解的，上述硬體至少部分地亦可在軟體中得以實現。
101‧‧‧光源
103‧‧‧支持結構
105‧‧‧底板
107‧‧‧環繞壁
109‧‧‧LED
111‧‧‧光學準直儀
113‧‧‧反射器
115‧‧‧準直儀之平坦表面
117‧‧‧反射器之平坦表面
119‧‧‧光感測器陣列
121‧‧‧成像單元
123‧‧‧矽膠主體
209‧‧‧LED
215‧‧‧介面
219‧‧‧光感測器陣列
221‧‧‧透鏡
309‧‧‧LED/LED陣列
311‧‧‧準直儀
313‧‧‧反射器
315‧‧‧輸出表面
319‧‧‧光感測器陣列
321‧‧‧透鏡
325‧‧‧準直儀壁
419‧‧‧光感測器陣列
421‧‧‧透鏡
501‧‧‧控制系統
503‧‧‧光源
505‧‧‧光感測器陣列/偵測單元
506‧‧‧處理單元
507‧‧‧控制單元
509‧‧‧參考單元
511‧‧‧比較器
513‧‧‧電源單元
515‧‧‧LED
圖1為一根據本發明之一光源之一第一實施例的示意剖視圖；圖2為一根據本發明之一光源之一第二實施例的示意剖視圖；圖3為一根據本發明之一光源之一第三實施例的示意剖視圖；圖4為一根據本發明之一光源之一第四實施例的示意剖視圖；及圖5為一用於根據本發明之光源中之一控制系統之一實施例的示意方塊圖。
101．．．光源
103．．．支持結構
105．．．底板
107．．．環繞壁
109．．．LED
111．．．光學準直儀
113．．．反射器
115．．．準直儀之平坦表面
117．．．反射器之平坦表面
119．．．光感測器陣列
121．．．矽膠主體
123．．．成像單元/透鏡

Claims (11)

  1. 一種光源，其包含一發射至少一色彩光的LED陣列及一用於控制該光源之光輸出的控制系統，其中該控制系統包含一偵測該光源之該光輸出的偵測單元，及一使用來自該偵測單元之資訊以控制該陣列之個別LED輸出的控制單元，該偵測單元包含：一光感測器陣列；及一成像單元，其配置於該光感測器陣列之前方，使其將該LED陣列之一影像映射於該光感測器陣列上；其中該光感測器陣列分為若干子區域，每一子區域偵測來自該等LED之一單一LED的光輸出；及一處理單元，其連接至該光感測器陣列，以用於產生對應於該等子區域之信號。
  2. 如請求項1之光源，其中該等產生之信號中之每一信號對應於一不同之LED光色。
  3. 如請求項1或2之光源，其中該等產生之信號中之每一信號係關於一單一LED之光輸出。
  4. 如請求項1或2之光源，其中該等產生之信號中之每一信號係關於一發出相同光色之一LED群集的光輸出。
  5. 如請求項1或2之光源，其中該等子區域中之每一子區域係由該光感測器陣列之複數個像素組成。
  6. 如請求項1或2之光源，其中該成像單元經定位以將在該光源內部反射之光聚焦至該光感測器陣列上。
  7. 如請求項6之光源，其中該光源進一步包含一準直儀，該 準直儀具有一輸出端表面，在該表面上，該光源之該光輸出的一部分朝向該成像單元反射。
  8. 如請求項7之光源，其中該光感測器陣列係與該等LED一起配置。
  9. 如請求項1或2之光源，其中該成像單元包含一配置於該光感測器陣列頂端的光學部件。
  10. 如請求項7之光源，其中該成像單元包含一構成該準直儀與該周圍媒介之間之一介面的光學部件。
  11. 如請求項10之光源，其中該光學部件係配置於該光感測器陣列頂端。
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