(57)【要約】白色光を発光するＬＥＤ照明装置の組み合わせ光出力（色度）を、アレイ内の少なくとも複数のＬＥＤの光出力を測定すべく配置した単一のフォトダイオードによる測定にもとづいて電子的に制御する。このことは、時間パルスのシーケンス中に、各色のＬＥＤの光出力を別個に測定することによって達成される。赤色、緑色、及び青色ＬＥＤのアレイに対しては、測定シーケンス中に３つの時間パルスが存在する。各時間パルス中には、測定する色の電流をオフ状態にする。通常のフォトダイオードの応答時間は極めて短く、このため測定シーケンスは観測者が検出できないくらいに十分短い時間（例えば１０ｍｓ）で実行することができる。色毎に測定した光出力を、ユーザの制御によって設定可能な所望の出力と比較して、必要に応じて各色ブロック用の電源を変化させる。このようにして色度を、光出力を変化させる要素とは無関係に自動的に制御することができる。このユーザ入力は、所望の色度を例えば暖色系の白色（より大きな赤色出力）あるいは寒色系の白色（より大きな青色出力）に変化させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明装置が、
複数色の各色のＬＥＤを少なくとも１つ具えたＬＥＤのアレイと；
前記各色のＬＥＤに電流を供給する手段とを具えて、前記電流が、オフ状態部分を具えた測定期間を有する測定駆動パルスを含み、前記各色のＬＥＤが、通常動作中には公称の連続値であり前記オフ状態部分中には中断されるような光出力を有して、前記アレイ内のすべてのＬＥＤに電流を供給する際に、前記アレイが組み合わせの光出力を有して；
前記照明装置がさらに、前記アレイ内の少なくとも１つのＬＥＤの光出力を測定すべく配置したフォトダイオードと；
前記ＬＥＤのうちの１つの電流をオフ状態にする手段とを具えて、
これにより、前記フォトダイオードが前記測定駆動パルスに応答して、前記各色の光出力を個別に測定することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記測定期間中の平均光出力を、前記通常動作中の公称の連続光出力にほぼ等しくして、目に見えるフリッカを回避するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記測定駆動パルスがさらに、前記オフ状態部分の前及び／または後にブースト部分を具えていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ブースト部分が、前記公称の連続光出力値の１００％以上かつ１３０％未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】
前記ブースト部分の持続時間が約５ｍｓであり、前記オフ状態部分の持続時間が２ｍｓであることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
さらに、ＬＥＤの駆動電流の変化に関連する較正値を、ＬＥＤの光出力の変化と共に記憶する手段を具えていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項７】
前記ＬＥＤに電流を供給する手段がさらに、個々のＬＥＤ毎に分離した電流供給手段を具えていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記測定駆動パルスがさらに、少なくとも１つのブースト部分を具えていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項９】
複数色の各色のＬＥＤを少なくとも１つ具えたＬＥＤのアレイの駆動中のフリッカを低減する方法において、
前記各色のＬＥＤに電流を供給して、前記ＬＥＤが通常動作中に公称の連続値の光出力を有するようにするステップと；
前記ＬＥＤの第１の光レベルを測定するステップと；
前記ＬＥＤのうちの１つに行く前記電流をオフ状態にするステップと；
前記ＬＥＤに供給される残りの前記電流による第２の光レベルを測定するステップと；
前記第１光レベルと前記第２光レベルとの差を特定することによって、前記ＬＥＤのうちの前記１つの光出力を特定するステップと
を具えていることを特徴とするフリッカの低減方法。
【請求項１０】
前記第１光レベルを測定するステップ、前記オフ状態にするステップ、前記第２光レベルを測定するステップ、及び前記光出力を特定するステップを、前記ＬＥＤの各々について周期的に反復することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＬＥＤのうちの１つを、マイクロ秒のオーダーだけオフ状態に切り換えて、目に見えるフリッカを回避することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定の周期を、人間の目の積分時間未満の周期で実行可能であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記周期的な反復中に、平均光出力を一定のままにすることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本願は、先に出願した米国特許番号６，１２７，７８３、２０００年１０月３日公開の部分継続出願であり、参考文献として本明細書に含める。
【０００２】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを有する照明装置に関するものであり、特に、個々の成分を調整して所望のカラーバランス（色度）を維持するための制御システムを有する白色光を発光する照明装置に関するものである。
【０００３】
（従来技術）
米国特許番号５，３０１，０９０は、赤色、緑色、及び青色の各色のＬＥＤを複数具えたＬＥＤのアレイを有するＬＥＤ照明装置を開示している。ＬＥＤを色毎に並列に配線して、色毎に別個の電源を設けて、アレイ上に拡散スクリーンを設ける。このアセンブリ（組立体）の色度は、それぞれの色毎に３個のつまみ（ノブ）によって手動で制御する。
【０００４】
ＬＥＤは一様な明るさではなく、所定の駆動電流に対して光出力がチップ毎にばらつき、そして各チップの寿命期間中にも変化する。また光出力は温度と逆に変化するが、この変化は各色について一様ではない、最後に、所定の色のＬＥＤのブロックでは、１個以上のＬＥＤが故障すれば光出力が変化する。あらゆるＬＥＤのアレイのカラーバランスに影響し得るこれらすべての要因を考えれば、特に白色光を発光する照明装置では、カラーバランスを自動的に監視して調整することが望ましい。
【０００５】
例えば交通信号機におけるように、ＬＥＤのアレイの電流を制御して、所定色にもとづく温度することは既知である。この方式は、複数の色のＬＥＤを有する照明装置においては煩雑なものになる、というのは、温度（従って光強度）が種々の色毎に一様に変化しないからである。米国特許番号６，１２７，７８３は、赤色、緑色、及び青色から成る白色照明装置のカラーバランスを、赤色、緑色、及び青色のチャンネルを単一の光検出器で別々に読み取ることによって監視することを記載している。各測定サイクル中には、２つの色を何マイクロ秒かの期間だけオフ状態にして、この間に第３の色の強度を測定する。この技法はフリッカ（ちらつき）を発生させることが判明している。
【０００６】
先願の米国特許出願０９／６６３，０５０は、他の色をオフ状態にする直前及び直後に他の色の強度を少し増加させることによってこの問題を解決しようとしている。しかし、目に感じるフリッカがまだ存在し、ユーザにとっての不快感をもたらす。
【０００７】
個々の色の光出力を変化させる要素とは無関係に、白色光を発光する照明装置の色度を自動的に制御することが所望される。
【０００８】
さらに、それぞれの色毎のフォトダイオード及びフィルタのようなスペクトル分解をする光測定系に頼ることなしに、色度を自動的に制御することが所望される。
【０００９】
これに加えて、測定サイクル中のあらゆる目に感じるフリッカをなくして、ユーザの不快感をなくすことが所望される。
【００１０】
（発明の開示）
本発明によれば、白色光を発光するＬＥＤ照明装置の組み合わせの光出力（色度）を、アレイ内の少なくとも複数のＬＥＤの光出力を測定すべく配置した単一のフォトダイオードによる測定にもとづいて電子的に制御する。このことは、各色のＬＥＤの光出力を、一連の時間パルス中に別個に測定することによって達成される。赤色、緑色、及び青色のＬＥＤに対しては、測定シーケンス（手順）中に３つの時間パルスが存在する。各時間パルス中には、測定する色用の電流をオフ状態にする。通常のフォトダイオードの応答時間は極めて短く、このため測定シーケンスは、観測者が検出できないくらいに十分短い時間（例えば１０ｍｓ）で実行することができる。
【００１１】
色毎に測定した光出力を、ユーザの制御によって設定可能な所望の出力と比較して、必要に応じて各色ブロック用の電源を変化させる。通常はこのようにして、色度を、光出力を変化させる要素とは無関係に自動的に制御することができる。このユーザ入力は、所望の色度を例えば暖色系の白色（より大きな赤色出力）あるいは寒色系の白色（より大きな青色出力）に変化させることができる。
【００１２】
ウォームアップ（動作準備）段階中の温度依存性の変化を最良に補償するために、電子制御回路はウォームアップ中には、測定シーケンスをより高頻度に行うことができる。安定動作温度に達した後のＬＥＤにおけるより長期的な変化を補償するためには、より低頻度の測定で十分である。
【００１３】
各色のＬＥＤを並列配線している場合には、ＬＥＤの故障は、次の測定シーケンス中に、故障していない残りのＬＥＤに行く電流を変化させることによって自動的に補償することができる。
【００１４】
本発明の１つの好適例によれば、ＬＥＤのアレイを、少なくとも「オフ状態」部分を有する測定駆動パルスを含む電流源によって駆動する。各色のＬＥＤは、通常動作中には公称の連続値である光出力を有し、前記「オフ状態」部分中には駆動を中断（断電）される。前記電流源によって電流を供給する際に、ＬＥＤのアレイが組み合わせの光出力を有する。フォトダイオードは２回の測定を行う。１回目に、フォトダイオードはアレイ内のすべてのＬＥＤの光出力を測定する。２回目に、１つのＬＥＤへの電流を選択的にオフ状態にして、これにより、フォトダイオードが測定駆動パルスに応答して、残りの色についての光出力を測定する。ＬＥＤの光出力の測定値は、１回目の光レベルと２回目の光レベルとの差を特定することによって行う。
【００１５】
本発明のこれら及び他の利点は、以下の図面を参照した実施例の説明より明らかになる。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
図１に示すように、本発明による照明装置は、複数色の各色のＬＥＤを複数具えたＬＥＤ１０、１２、１４のアレイを具えている。この場合には、このアレイは、筐体１８内の配線基板１６上に実装した赤色ＬＥＤ１０、緑色ＬＥＤ１２、及び青色ＬＥＤ１４を具えている。これらのＬＥＤは全体の光出力が白色になるように配置し、色混合を強化するために、筐体１８に装着したディフーザ（光学的拡散器）２２を設ける。アンバー色（黄褐色）のような追加的な色のＬＥＤを使用して、色混合の選択肢を拡張することができる。この混合の光学器にはディフーザ以外の手段を含めることができる。
【００１７】
単一のフォトダイオード２４を、アレイ内のすべてのＬＥＤの光強度を検出すべく配置する。図１では、筐体１８の長さ方向に沿って伸びる光ファイバが光をフォトダイオード２４に送って、フォトダイオード２４がこの光に対応する電流信号を発生して、フィードバック線２６経由でコントローラ３０に送る。小型のアレイについては、図１に示す光ファイバの代わりに、アレイ毎のフォトダイオードを用いる。
【００１８】
また図２に示すように、コントローラ３０がフォトダイオード２４からのフィードバックを色点測定値に変換して、この色点測定値をユーザ入力４０によって与えた設定値と比較する。この比較にもとづいて、コントローラ３０が、所望のカラーバランスが存在するか否かを決定して、これにより、それぞれのダイオード１０、１２、１４用のＬＥＤドライバ／電流調整器（レギュレータ）１１、１３、１５に信号出力する。これにより、電力変換器５０からの電力入力を、赤色、緑色、及び青色のそれぞれの色の光強度を制御する電流出力に変換して、所望のカラーバランスを得る。アレイの各色用のダイオードを基板１６上の配線によって共通電位に保つ。設計した設定のためのユーザ制御器は、それぞれの色用の入力４１、４２、４３、及び結果的な白色光全体の強度を制御する調光器４４を具えている。
【００１９】
図３に、照明装置用の制御の論理を流れ図で示す。ランプをオン状態にすると（３１）、電力がＬＥＤに供給されて測定シーケンスを開始する（３２）。色点測定値を所望の設定値と比較して（３３）、この設定値はユーザの調整（３５）に従って記憶している（３４）。この比較にもとづいて、色調整が必要であるか否かを決定して（３６）、必要である場合には調整を行って（３７）、測定シーケンスを繰り返す（３２）。色調整が不要であると決定した場合には（３６）、測定シーケンスを繰り返す前に（３２）、コントローラが所定の測定間隔だけ待機する（３８）。
【００２０】
図４は制御論理を示すタイミング図であり、照明装置がオン状態である間に実行する。４つのトレースの最上のものは、時間区間（測定間隔）によって分離された３つのパルス（測定シーケンス）を連続して成る測定信号である。第１パルス中には、赤色ＬＥＤをオフ状態にして、これにより前記フォトダイオードが緑色と青色のダイオードを組み合わせた光強度を測定することができ、第２パルス中には、緑色ＬＥＤをオフ状態にして、これにより前記フォトダイオードが赤色及び青色のＬＥＤの光強度を測定することができ、第３パルス中には、青色のＬＥＤをオフ状態にして、これにより赤色と緑色のＬＥＤを組み合わせた光強度を測定することができる。そして制御電子装置が、測定した強度を所望の強度と比較して、必要に応じて、ＬＥＤの１つ以上の群への電流を調整する。
【００２１】
通常のフォトダイオードの応答時間が極めて短く、前記各パルスは、例えば１．０ｍｓにのように観測者が検出できないくらいに短くすることができる。従って、照明装置の通常動作中に測定シーケンスを実行することができる。測定間隔の長さは、光出力の変化に直ちに依存する。この長さは、例えばＬＥＤの温度が変化する速さに依存する。この長さは、１分あるいはそれ未満毎から２、３時間毎までの範囲に及び得るものであり、制御論理は、起動直後の高頻度の測定用、及びこれに続く、安定動作温度に達した際のより低頻度の測定用にプログラムすることができる。
【００２２】
照明装置は、各色のＬＥＤの列（ストリング）を１つ以上具えて、これらの列の出力を個別に測定することが可能である。すべての場合において、個々の色を、専らこれに対応する光出力にもとづいて調整するよりも、シーケンス中のすべての測定にもとづいてカラーバランスを調整することが好ましい。
【００２３】
以上の記述は好適例であり、請求項の範囲を限定するものではない。
【００２４】
図４を参照して上述した各チャンネルにおける駆動パルスは実質的に短く、例えば１〜２ｍｓのオーダーであるが、多くの観測者は、まだ放出光におけるフリッカに気付く。人間の目は、目で受けた光を約１５ｍｓの区間にわたって積分することによって光に反応するので、このことが生じる。従って、敏感な目は、４００μｓくらいの短い期間でも、光の中断を観測することができる。従って、測定シーケンス中の各オフ状態の期間を４００μｓ以下まで短くすることが所望される。この期間は、（図５に示すように、）高速のオフ切り換え及びオン切り換えの能力をもたらす小型のフィルタキャパシタをＤＣ／ＤＣ電源内に具えることによって達成される。
【００２５】
図５に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータシステム４９は、ＬＥＤ発光体１０、１２、１４と小型のフィルタキャパシタ５２との間に小型のフィルタインダクタ５１を具えて、ＬＥＤ発光体のオフ状態時間を低減している。このことは、目に感じるフリッカをなくす助けとなり、そして容易に実現できる。前記オフ状態時間が小さいので、測定期間内の周辺光（環境光）の変化は最小にすることができ、そして測定値から周辺光を除外することがより正確になる。
【００２６】
ＬＥＤ発光体のオフ状態時間を低減する代案の実施例は、測定の期間を１５マイクロ秒未満に制限することである。この期間は、人間の目の前記積分時間以下であり、従って知覚不能である。図６に、１５ミリ秒未満の期間の、ＬＥＤ発光体１０用の基準電流、赤色ＬＥＤ１０を通る電流、及びフォトセンサ２４の出力を示す。測定シーケンスが周期的なパターンを有するので、測定シーケンスはディジタル回路を用いて実現することができる。
【００２７】
フリッカの補償は直接的に行うこともできる。測定期間中に目に見える平均光を一定に保つようにして、測定中の発光体からの光出力を増加させれば、人間の目はフリッカを観測しない。
【００２８】
本発明のこの実施例によれば、各測定シーケンス中に、各チャンネルの駆動パルスを変化させて、こうした発生し得るフリッカを調整する。図７Ａ及び図７Ｂに、本発明の一実施例による、測定シーケンス中の好適な測定駆動パルスを示す。従って測定駆動パルスは、先行するブースト（上昇）部分（図７Ａ）及びこれに続くオフ状態期間を含む。パルスの位置にかかわらずフリッカが消滅する。各測定駆動パルスの選択に影響する、とりわけ３つの制約が存在する。第１には、ＬＥＤのあらゆる長期の損傷を回避するために、各パルスのブースト部分ができる限り低いことが好ましい。第２には、より廉価な構成要素で正確な測定を促進するために、オフ状態あるいは中断の期間ができる限り長いことが好ましい。第３には、目に見えるアーティファクト（歪像）を回避するために、ブースト部分及びオフ状態期間のシーケンス全体がおよそ１５ｍｓであることが好ましい。
【００２９】
本発明の一実施例によれば、図７Ｃに示すように、ＬＥＤにおいて安定して見える光レベルを提供する測定駆動パルスは、公称の光出力の１２０％のブーストを５ｍｓ含み、２ｍｓの完全な電流の中断がこれに続き、そしてさらに公称の光出力の１２０％のブーストが５ｍｓ続く。
【００３０】
本発明の他の実施例によれば、駆動パルスのシーケンスを対称にして、シーケンス中の２つのブースト部分が同一の振幅及び持続時間を示すようにするが、本発明はこうしたものに限定されない。例えば、本発明のさらに他の実施例によれば、測定駆動パルスが、最初のブースト部分及びこれに続くオフ状態期間から成る２つの成分を含む。さらに、本発明の原理によれば、少なくとも１つのブースト部分及び１つのオフ状態部分を有する測定駆動パルスの他の形状を採用することができる。これらのパルスを、人間の目の積分時間内、即ち約１５ｍｓ以内になるように選択することが好ましい。駆動されるＬＥＤの平均光レベルは、通常動作中の公称の連続値と同一である。
【００３１】
本発明の一実施例によれば、光出力を駆動電流におよそ比例させて、駆動電流の増加の特定の％割合が、これに比例する光出力レベルの増加に相当するようにする。従って、例えば、図６Ａに示すように光出力レベルを１２０％に増加させることが望ましい場合には、電流の増加は所定の％割合であり、例えばこれも１２０％である。従って、すべての駆動レベルについて、特定の電流ブーストの％割合を具えた測定駆動パルスシーケンスを採用することが可能である。
【００３２】
しかしＬＥＤは、すべての動作電流において、光出力レベルの変化と駆動電流の変化との間に必ずしも比例関係を示さない。従って、本発明の他の実施例によれば、測定シーケンス中に一定の光出力レベルを維持することにおけるより良好な精度を達成するために、光対電流の関係を照明装置用に較正して、すべての動作レベルにおいて、光レベルの平均が公称のＤＣレベルになるようにブースト電流値を選択する。前記較正した電流対光出力の関係を記憶するために、動作条件の範囲に対する、光出力レベルのあらゆる所望の変化に必要な電流変化の大きさを提供するデータベースを含むように、インテリジェント（知能）制御回路３０を構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバの光ピックアップを有する、本発明による照明装置の実施例の断面図である。
【図２】図１の照明装置のブロック図である。
【図３】図１の照明装置内のコントローラ用の論理シーケンス図である。
【図４】光フィードバックシステムについてのタイミング図である。
【図５】小型のフィルタインダクタを含むように変更したＤＣ／ＤＣコンバータの図式的な図である。
【図６】測定駆動シーケンスを示す図である。
【図７Ａ】オフ切り換え部分の後に補償パルスのある測定駆動シーケンスを示す図である。
【図７Ｂ】オフ切り換え部分の前に補償パルスのある測定駆動シーケンスを示す図である。
【図７Ｃ】オフ切り換え部分の前後に補償パルスのある測定駆動シーケンスを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2004517445.tif 000009
【図７Ｃ】
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【国際公開パンフレット】
2004517445.tif 000011
2004517445.tif 000012
2004517445.tif 000013
2004517445.tif 000014
2004517445.tif 000015
2004517445.tif 000016
2004517445.tif 000017
2004517445.tif 000018
2004517445.tif 000019
2004517445.tif 000020
2004517445.tif 000021
2004517445.tif 000022
2004517445.tif 000023
2004517445.tif 000024
2004517445.tif 000025
2004517445.tif 000026
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517445.tif 000027
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517445.tif 000028
【国際調査報告】
2004517445.tif 000029
2004517445.tif 000030
2004517445.tif 000031
2004517445.tif 000032