(57)【要約】発光変換LED520の色補正を行う。PWM電流駆動下で、発光変換LEDの放射スペクトルの色補正を行うシステムおよび方法が提供される。駆動電流信号の変調は、処理810で定められる。一定の大きさの電流信号は、定められた変調820に基づいて変調される。処理830で変調電流信号が印加され、発光スペクトルの変調が行われる。発光変換LED520の発光スペクトルに色補正を提供する装置が提供される。色補正制御回路、および制御回路に結合された発光変換LEDが提供される。
2006512759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
PWM電流駆動下で、発光変換LEDの発光スペクトルに色温度補正を提供する方法であって、
駆動電流信号の変調を定めるステップと、
前記定められた変調に基づいて、一定の大きさの電流信号を変調するステップと、
前記変調された電流信号を印加して、前記LEDの前記発光スペクトルの色温度補正を行うステップと、
を有する方法。
【請求項２】
変調を定めるステップは、第1のLEDの放射スペクトル色座標組と、第2のLEDの放射スペクトル色座標組とを定めるステップを有し、前記第1の色座標組は、第1のLEDの作動温度でのLEDの放射スペクトルを表し、前記第2の色座標組は、第2の作動温度での前記LEDの作動による、前記LEDの放射スペクトルにおけるCCTシフトを表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
LEDの作動温度が、前記第1のLEDの作動温度から前記第2のLEDの作動温度に変化した際に、前記定められた電流信号変調を前記LEDに印加するステップによって、前記第1の色座標組での前記LED放射スペクトルが、実質的に一定となるように、前記電流信号変調が定められることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記変調は、前記電流信号周波数を変化させるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記変調は、前記電流信号のデューティサイクルを変化させるステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記LEDの前記全光出力は、前記電流信号のデューティサイクルの変化に応じて変化することを特徴とする請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記電流信号周波数は、前記LEDの全光出力を一定に維持するように変化することを特徴とする請求項5に記載の方法。
【請求項８】
前記変調された電流信号を印加するステップは、前記定められた変調に基づいて、電源を選択的に発光変換LEDに結合するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記LEDは、発光変換白色光LEDであることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記LED接合発光強度は、前記発光強度が前記電流信号変調に応じて増大しても、実質的に一定であることを特徴とする請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
発光変換LEDの発光スペクトルに色温度補正を提供する装置であって、
色補正制御回路と、
該制御回路に結合された発光変換LEDと、
を有し、
前記制御回路は、LED駆動電流信号の変調を定めるように配置され、前記定められた変調に基づいて、一定の大きさの電流信号が変調され、前記変調された電流信号が前記LEDに印加され、前記LEDの前記発光スペクトルの色温度が補正されることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記制御回路は、周波数およびデューティサイクルを制御することのできる定電流パルス幅変調回路を有することを特徴とする請求項11に記載の装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記パルス幅変調回路に電力が供給されるように、選択的に配置された電源を有することを特徴とする請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、プロセッサ制御システムを有することを特徴とする請求項11に記載の装置。
【請求項１５】
前記プロセッサ制御システムは、
LED駆動電流信号の変調を定めるステップと、
前記定められた変調に基づいて、一定の大きさの電流信号を変調するステップと、
前記変調された電流信号を前記LEDに印加して、前記LEDの前記発光スペクトルの色温度補正を行うステップと、
を制御することができることを特徴とする請求項14に記載の装置。
【請求項１６】
変調を定めるステップは、第1のLEDの放射スペクトル色座標組と、第2のLEDの放射スペクトル色座標組とを定めるステップを有し、前記第1の色座標組は、第1のLEDの作動温度でのLEDの放射スペクトルを表し、前記第2の色座標組は、第2の作動温度での前記LEDの作動による、前記LEDの放射スペクトルにおけるCCTシフトを表し、前記LEDの作動温度が、前記第1のLEDの作動温度から前記第2のLEDの作動温度に変化した際に、前記LEDに前記定められた電流信号変調を印加するステップによって、前記第1の色座標組での前記LED放射スペクトルが、実質的に一定となるように、前記電流信号変調が定められることを特徴とする請求項15に記載の装置。
【請求項１７】
前記LEDは、白色光発光変換LEDであることを特徴とする請求項11に記載の装置。
【請求項１８】
前記LEDは、InGaN発光変換白色光LEDであることを特徴とする請求項15に記載の装置。
【請求項１９】
定電流PWM駆動発光変換白色光LEDの発光スペクトルに色温度補正を提供するシステムであって、
駆動電流変調を定め、前記発光スペクトルの色補正を行う手段と、
前記定められた変調によって電流信号を変調させる手段と、
前記変調された電流信号を印加して、前記LEDの前記発光スペクトルの色補正を行う手段と、
を有するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを作動させる方法に関する。本発明は、より具体的には発光ダイオードの発光スペクトルの色補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色LEDランプアは、現在、日亜、ルミレッズ(LumiLeds）および他の光半導体製造メーカーから入手することができる。単一チップ白色光LEDは、照明市場では大きな潜在性がある。白色光LEDは、複雑な制御-駆動回路または色混合光学素子が不要で、製作プロセスはほぼ統一化されている。現在のLED系の単一チップの白色光の発生原理は、異なる種類の発光および蛍光材料を用いた波長変換技術に基づいている。原理的に、LED接合からの青色またはUV波長の放射は、励起塗布発光体のスペクトルの下方変換により行われる。例えば、ルミレッズ白色光LEDでは黄色の発光体が利用される。
【０００３】
一般に発光の持続性は、近似的に指数関数e-atまたはべき乗関数t-nで、または2関数の組み合わせにより表される。ここでは、一般性を損なわない限り、発光減衰過程を以下の式で近似する：
【０００４】
【数１】
2006512759.tif 000003
ここでLyは、青色励起またはUV励起が完了したときの初期発光である。
【０００５】
10％程度の持続性が得られる発光時間（減衰時間Tpdとして表される）は、1μs未満から1秒以上まで、使用材料の特性に依存して変化する。現在の高出力PC-LED試料では、測定減衰時間定数（Tp）は、1μs未満である。Tpd≒4Tpであることに留意する必要がある。通常、急速な上昇および減衰を示す蛍光体の場合、従来の媒体レベルのP20黄色／緑発光体のような通常10μs乃至100msの減衰持続時間に比べて、約50％低い輝度効率となる。PC-LEDに用いられるデータ表から、発光上昇時間Tprは、通常、減衰時間よりも数倍短い。pc-白色光LED内の発光は、理想的には約100μs乃至10msの範囲の持続時間となるように設計される。
【０００６】
異なる直流駆動電流の下での白色光発光変換LEDパッケージの一般的なパワー放射スペクトルは、図10に示されている。約460nmでの第1のスペクトル上昇は、LED接合（InGaN）からの放射によるものであり、約500乃至600nmでの広いバンド幅の第2のスペクトル上昇は、約46nmの光子によって励起された黄色発光体からの放射によるものである。
【０００７】
製作過程で、一度発光体材料が色素ドーム周辺にコーティングされると、対応するpc白色光LEDの放射スペクトルが固定される。通常の交流駆動電流の下では、得られる白色光相関色温度（CCT）および演色指標（CRI）は、特定の接合作動温度、例えば25℃ではほぼ一定となる。実験データでは、接合温度が25℃から80Ｃに変化すると、ほぼ800KのCCTの上昇が観測されている。CCTシフトは、発光変換白色光LEDの不適切で好ましくない特性として認識される。LEDのCCTシフトは、LEDで照射される対象物についての、人の色認識に対する影響に一致するシフト効果を示す。
【０００８】
さらに、マルチカラーLED放射のスペクトル成分を変換する現在の方法には、複数の可変電流源が必要となり、方法が複雑化し、高コストである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、これらのおよび他の問題が解決された、pc-白色光LEDを利用する方法を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、パルス幅変調（PWM）電流駆動下で、発光変換LED（PC-LED）の発光スペクトルの色補正を行うシステムおよび方法に関する。まず駆動電流信号の変調が定められる。次に一定の大きさの電流信号が、定められた変調に基づいて変調される。変調された電流信号を利用することで、LEDの放射スペクトルの色温度補正を行うことができる。
【００１１】
本発明の別の態様では、発光変換LEDの放射スペクトルに色温度補正が提供される。装置は、色温度補正回路と、制御回路に結合された発光変換LEDとを有する。
【００１２】
さらに本発明では、定電流PWM駆動発光変換白色LEDの発光スペクトルに色温度補正を行うシステムが提供される。本システムは、放射スペクトルの色温度補正を行う駆動電流変調を定める手段と、所定の変調に電流信号を変調する手段と、変調電流信号を印加してLEDの放射スペクトルの色温度補正を行う手段と、を有する。
【００１３】
本発明の前述のおよび他の特徴と利点は、添付図面を参照して、以下に詳細に示す実施例からより明らかとなろう。詳細な説明および図面は、単なる本発明の例示であって、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の請求項およびそれと等価なものによって定められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図1には、低周波数f1およびToff≫4Tpでの、典型的な駆動電流／青色光放射100と、対応する発光体光出力110を示す。通常、pc-白色光LEDは、一定値で周波数f0の矩形電流下で駆動される。駆動信号のデューティ比は、D=Ton／（Toff+Ton）=Ton／T=Tonf0である。これに対して、LED接合からの青色光放射は、LED応答時間が50ns以下であると仮定すると、通常、f0＜10MHzのときの駆動電流信号に従う。ここでは、f1≒200Hzと仮定している。この条件では、発光の上昇および減衰時間は、時間Toffに比べて十分に短く、無視できる。CIE色チャートに対応する色補正組は、LED接合と発光体の放射を組み合わせて表すように定められる。白色光色座標（xw，yw）は、以下の式によって定められる。
【００１５】
【数２】
2006512759.tif 000004
ここで（xb，yb）および（xy，yy）は、それぞれ青色光および黄色発光の色座標であり、その強度は、それぞれ、
【００１６】
【数３】
2006512759.tif 000005
および
【００１７】
【数４】
2006512759.tif 000006
で表される。
【００１８】
図2および3には、それぞれ、中間範囲の周波数fmidである、Toff＞4Tpのf2200およびToff〜4Tpのf3300での、典型的なLED駆動電流／青色光放射と、対応する発光体光強度210、310を示す。中間周波数範囲では、発光減衰過程が開始されると、LED白色光の色点に影響が生じる。青色光強度がLbTonf0に維持された場合、黄色光強度は、以下の式で表される：
【００１９】
【数５】
2006512759.tif 000007
ここでα＞1である。
【００２０】
白色光色点（xw，yw）は、式（2）、（3）および（5）に基づいて定めても良い。
【００２１】
図4には、Toff＜4Tpの高周波数f4での、典型的なLED駆動電流／青色光放射400と、対応する発光出力410とを示す。高周波数範囲では、発光減衰過程は、LEDの白色光色点に対し実質的に影響を及ぼす。青色光強度が、LbTonf0に維持されたままであるのに対して、黄色光強度は、図2および3に示すような基本シフトと、高周波数駆動信号によるさらなる増大分との一次組み合わせとなる。黄色光強度は、以下の式で表される：
【００２２】
【数６】
2006512759.tif 000008
ここでα＞1である。
【００２３】
白色光色座標点（xw，yw）は、式（2）、（3）および（6）に基づいて定めても良い。PWM駆動電流デューティ比は、駆動電流周波数と独立であるため、デューティサイクルを代わりに用いて、LEDの全光出力の増大に対応させて、CCT色シフトを変調しても良いことに留意する必要がある。さらに、デューティサイクルと周波数変調の両方を一定の大きさのPWM電流信号に適用することも可能であり、色温度シフトを補正しても、光出力は一定に維持される。上述の方法では、変調されたPWM電流信号を用いて、発光変換LEDの放射スペクトルの値と形状を変調することが可能となる。
【００２４】
以下の記載では、「結合」という言葉は、対象物同士の直接的な電気接続、または1または2以上のパッシブまたはアクティブな素子を介しての接続を意味する。「色座標」という言葉は、「白色光色座標」を意味する。
【００２５】
図5には、本発明の実施例の色補正発光変換LEDシステムのブロック図を示す。図5には色補正PC-LEDシステム500が示されており、このシステムは、色補正制御回路600と、発光変換LED520とを有する。図5には、発光変換LED520（以降PC-LEDと言う）に結合された、色補正制御回路600（以降制御回路とも言う）が示されている。制御回路600の実施例を図6を参照して、以降に詳細を示す。
【００２６】
通常、制御回路600は、システムと、PC-LED520の色補正制御を行う装置の組み合わせである。制御回路600は、作動時に、駆動電流信号の変調を定めるように配置され、定められた変調に基づいて一定の大きさの電流信号を変調し、PC-LED520に変調電流信号が印加され、PC-LED520の出力放射スペクトルの色補正が行われる。
【００２７】
PC-LED520は、色補正に適したいかなる発光変換LEDであっても良い。特にPC-LED520は、通常、作動温度でCCTシフトを生じさせる。ただし作動温度誘起CCTシフトが反転されるかどうかに関わらず、いずれかのCCTシフトが必要なときに、本発明をPC-LED520の色変換に利用しても良い。例えば、低コスト白色光PC-LED520が、読書灯や夜間光のような、特定用途向けには好ましくない色座標組を有する場合、LED出力の色調整は、制御回路600を用いて、用途に応じてCCTを上下にシフトさせることにより行っても良い。本説明では、発光変換白色光LEDへの適用について示したが、本発明は、白色光以外のスペクトル出力を有するように設計されたPC-LEDを含む、いかなるPC-LEDに適用しても良いことに留意する必要がある。
【００２８】
図6には、本発明の実施例における色補正制御回路のブロック図を示す。図6には、色補正制御回路600が示されており、この回路は、電源650、PWM変調器660、およびプロセッサ制御回路システム670を有する。図では電源650は、プロセッサ制御システム670およびPWM変調器660に結合されている。図ではさらに、プロセッサ制御システム670は、PWM変調器660に結合されている。制御回路600には、補助的な素子（示されていない）が含まれても良く、例えば電圧および電流整流素子、温度計測器、ユーザー制御器等がある。電源650は、制御または非制御電源負荷に選択的に結合され、電源には各種変調回路が含まれても良い。
【００２９】
作動中、電源650は、プロセッサ制御システム670からの制御信号に基づいて、PWM変調器660に選択的に結合される。パルス幅変調回路信号を発生、制御し、負荷に信号を結合する各種手段および方法は、当業者には明らかであり、ここでは説明しない。
【００３０】
通常、プロセッサ制御システム670は、マイクロコントローラー（図示されていない）のようなプロセッサと、例えば、入力／出力インターフェース、保管されたプロセッサ実行命令（図示されていない）を有するメモリ（図示されていない）および保管データ（図示されていない）のような各種接続素子と、で構成される制御システムである。プロセッサ制御システムは、例えばLED作動温度曲線を参照して式（1）から定められる色座標点のような、所定の照合データを含むメモリを有する。ある実施例（図示されていない）では、プロセッサ制御システム670は、LED作動温度情報を受信するように配置され、計算された色座標のルックアップ表に基づいて、LED温度系色補正が行われる。
【００３１】
作動中、プロセッサ制御システム670の配置は、変調方式を定め、PC-LED520のようなLEDの出力スペクトルにCCTシフトが生じる。プロセッサ制御システム670は、PWM駆動電流信号に対して、周波数および／またはデューティサイクル変調を定めることができる。ある実施例では、図7に示すように、プロセッサ制御システム670は、LED出力に応じて、リアルタイムで測定データを回収する。ある実施例では、プロセッサ制御システム670は、PC-LED520の出力強度のような各種データに基づいて、式（1）による色座標組の計算により変調を定める。プロセッサ制御システム670を実行する各種配置は、当業者には明らかであり、ここでは説明しない。
【００３２】
当業者には、図9に示す、LED列に変調を提供する単純な回路例のような、本発明を実行する別の回路の実施例が認識される。
【００３３】
図7には、本発明の別の実施例における、色認識による色補正発光変換LEDシステムのブロック図を示す。図7には、色補正PC-LEDシステム700を示すが、このシステムは、色補正制御回路600と、発光変換LED520と、色検知システム730とを有する。図7では、色補正制御回路600は、発光変換LED520に結合されている。発光変換LED520は、色検知システム730に光を照射する。
【００３４】
色補正システム700は、色検知システム730の他は、図5の色補正システム500と同じ素子を有する。色検知システムは、PC-LED520のような光源に応答して色を検知するように設計された、いかなるシステムであっても良い。
【００３５】
作動中、色検知システム730は、PC-LED520の発光のCCTを検知するように配置され、検知された発光に基づいて、色補正回路に色信号が提供される。色検知システムは、デジタル変調信号やアナログ信号のような、PC-LED520の発光のスペクトル成分を表す、いかなる形式の色信号を送信しても良い。色検知システム730と制御回路600の間のフィードバック制御ループは、全時間にわたり、各種パラメータ値でPC-LED520の放射スペクトルのCCTを制御することができる。色補正システム700において色検知システム730を実行する各種別の配置は、当業者には公知であり、ここでは説明しない。
【００３６】
以下に示すプロセスは、本発明の範囲内で、1または2以上のステップを結合し、または同時実行しても良い。
【００３７】
図8には、PWM電流駆動下での発光変換LEDの発光スペクトルに色補正を提供する処理を示す。処理800は、ステップ810から始まる。ステップ810では、駆動電流信号の変調が定められる。通常、変調は、周波数またはデューティ比変調であり、矩形波PWM電流信号に印加される。変調は、いかなる時間でも定めることができる。例えば変調は、データ信号、ターンオンサイクルまたはユーザー入力に対する応答で定めても良い。通常、決定は、図5、6および7の色補正制御回路のようなシステムによって行われる。別の方法として、変調の決定は、式（1）の製作者データに基づいて予め定めておいても良く、あるいは、例えばプロセッサ制御システム670のようなプロセッサによって、ルックアップ表を照合することで提供されても良い。変調の決定は、温度、全光出力、発光体組成のような作動条件を変化させて、PC-LEDの所望のCCTのような尺度に基づいて行われる。変調は、座標組（xw，yw）が予め選定された式（1）を用いて、式（2）、（3）、（4）または（5）から同時に定めても良い。
【００３８】
ステップ820では、一定の大きさの電流信号が、ステップ810で定められた変調に基づいて変調される。通常、一定の大きさの電流信号は、電源650のような整流電源によって提供される。ある実施例では、プロセッサ制御システムは、電源650からのPWM変調器660に選択的に結合され、ステップ810で定められた変調に基づいて、変調電流信号が発生する。電流および／または周波数変調を用いて、一定の大きさのPWM電流信号を変調する別の方法は、当業者には明らかであり、ここでは説明しない。
【００３９】
ステップ830では、変調電流信号が印加され、PC-LEDの放射スペクトルの色補正が行われる。変調電流信号は、PC-LED520のようなLEDに印加される。ある実施例では、ステップ820での電流信号変調は、色補正回路600からPC-LED520に伝達される。変調電流信号は、ステップ820で電流信号が変調された以降、いかなる時間においても、印加することができる。変調電流信号のPC-LED520への印加によって、温度誘起ドリフトによるCCTシフトの補正が行われ、または別の目的が実行される。ある実施例では、印加電流信号は、周波数およびデューティ比変調の両方を含み、電流信号が印加されるPC-LEDの全光出力に影響を及ぼさずに、CCTの補正を行うことが可能となる。
【００４０】
本発明の好適実施例について説明したが、当業者には多くの変更や置換が可能である。従って、本発明は、添付の請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】低周波数f1でToff≫4Tpでの、典型的なPC-LED駆動電流／青色光放射と、対応する発光出力を示す図である。
【図２】中間周波数f2でToff≫4Tpでの、典型的なPC-LED駆動電流／青色光放射と、対応する発光出力を示す図である。
【図３】中間周波数f3でToff〜4Tpでの、典型的なPC-LED駆動電流／青色光放射と、対応する発光出力を示す図である。
【図４】中間周波数f2でToff＜4Tpでの、典型的なPC-LED駆動電流／青色光放射と、対応する発光出力を示す図である。
【図５】本発明の実施例の色補正発光変換LEDシステムのブロック図である。
【図６】本発明の実施例の色補正制御回路のブロック図である。
【図７】本発明の別の実施例の、色認識による色補正発光変換LEDシステムのブロック図である。
【図８】PWM電流駆動下での発光変換LEDの発光スペクトルに色補正を提供するプロセスを示す図である。
【図９】LED列に変調を提供する、従来の単純化された回路例を示す図である。
【図１０】白色光発光変換LEDの従来技術のパワー放射スペクトルを示す図である。
【図１】
2006512759.tif 000009
【図２】
2006512759.tif 000010
【図３】
2006512759.tif 000011
【図４】
2006512759.tif 000012
【図５】
2006512759.tif 000013
【図６】
2006512759.tif 000014
【図７】
2006512759.tif 000015
【図８】
2006512759.tif 000016
【図９】
2006512759.tif 000017
【図１０】
2006512759.tif 000018
【国際調査報告】
2006512759.tif 000019
2006512759.tif 000020