(57)【要約】【課題】精度の高い簡易な照明システムを提供する。【解決手段】３種の光を個別に発光できる発光装置と、該発光装置の発光を制御する制御装置と、前記光を選択的に検出できる光検出装置と、該光検出装置からの出力を基にフィードバック信号を生成し前記制御装置に提供するフィードバック手段とを備える照明システムである。前記フィードバック手段は、前記光検出装置の出力に基づく３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚから、所定の色度ｘ0、ｙ0を基に、ｄxy＝（ｙ0／ｘ0）＊Ｘ−Ｙ、およびｄyz＝Ｙ−（ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0））＊Ｚを生成して前記制御装置に提供し、該制御装置は、前記差分信号ｄxy、およびｄyzがともに可及的にゼロとなるように前記発光装置の発光を制御する。【選択図】図１
2007123153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主要な発光波長域がそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）にある３種の光を個別に発光できる発光装置と、該発光装置の発光を制御する制御装置と、前記発光波長域のそれぞれにある光を選択的に検出できる光検出装置と、該光検出装置からの出力を基に前記発光装置の発光を制御するためのフィードバック信号を生成し前記制御装置に提供するフィードバック手段とを備える照明システムにおいて、
前記フィードバック手段は、前記光検出装置の出力に基づく３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚから、所定の色度ｘ0、ｙ0を基に生成された重みを伴う差分信号：
ｄxy＝（ｙ0／ｘ0）＊Ｘ−Ｙ、および
ｄyz＝Ｙ−（ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0））＊Ｚ
を生成して前記制御装置に提供し、該制御装置は、前記差分信号ｄxy、およびｄyzがともに可及的にゼロとなるように前記発光装置の発光を制御するように構成されることを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記所定の色度ｘ0、ｙ0は、操作者の入力に応じて変更可能であることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記所定の色度ｘ0、ｙ0は、書き換え可能にあるいは書き換え不可能にして、メモリＩＣに格納されることを特徴とする請求項２に記載の照明システム。
【請求項４】
前記フィードバック手段は、前記光検出装置からの前記出力を受けて前記３刺激値を生成する３刺激値変換手段と、前記照射発光素子は前記３刺激値変換手段からの前記３刺激値を受けて前記差分信号を生成する差分信号生成手段とを含み、前記３刺激値変換手段及び前記差分信号生成手段はともに前記光検出装置に近接配置されることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
【請求項５】
前記３刺激値変換手段及び前記差分信号生成手段は、前記光検出装置と共通の基板上に実装されることを特徴とする請求項４に記載の照明システム。
【請求項６】
前記発光装置は、異なる波長域で発光する複数の発光ダイオード素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
【請求項７】
前記光検出装置は、一体をなすカラーセンサにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は相異なる発光波長特性を有する複数のＬＥＤを用いた発光体を備えた照明システムに関し、特に、ＬＥＤの順方向電流を制御して照明システムの照明光の色と輝度とを調整する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤、緑及び青（ＲＧＢ）ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた発光体（以降、本明細書では「ＬＥＤベース発光体」と称する。）は、照明システムとして、ＬＣＤ（液晶表示装置）のバックライトや屋内、屋外などの照明に広く使用されてきた。しかしながら、ＬＥＤの光学特性は、製造ロットなどによる違いに加え、温度や順方向電流や経年の変化で変動し、ＬＥＤベースの発光体の広汎な使用を困難にしていた。そのため、従来、所定品質の照明光を得るため発光体の発する光の輝度と色とを制御する帰還システムが用いられてきた。
【０００３】
照明システムとしての特許文献１に記載のＲＧＢベースＬＥＤ発光体用システムでは、それぞれ複数のＬＥＤからなる赤、緑及び青（ＲＧＢ）のＬＥＤ光源からの光を混合して白色光を照明光として出力している。照明光の一部がフィルタ前置フォトダイオードで検出されＲＧＢ信号に変換される、該ＲＧＢ信号はＣＩＥ１９３１標準の３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ信号に線形変換された後基準３刺激値信号（使用者が入力した輝度と色度から変換された）と比較されて差分信号が求められる。ついで、該差分信号は各ＬＥＤ光源へとフィードバックされ、該差がゼロとなるように各ＬＥＤ光源のＬＥＤの順方向電流が制御される。このようなシステムを採用すると、個別ＬＥＤや個別ＬＥＤ光源の測定が不要となり、ＬＥＤ駆動回路の応答特性への要求も緩和される。
【特許文献１】特開２００４−５２５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の照明システムおいては、それ以前の同様な照明システムにおける問題点のいくつかを解決しているが、ＲＧＢ信号を３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚ信号に線形変換する際の変換精度や前記差分を求める際の比較精度が照明システムの性能を左右するにもかかわらずそれらの精度を確保することが難しい、という問題がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は上記の課題を解決あるいは軽減することにあり、所望の照明光を得るための、精度の高い簡易な照明システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための照明システムは、主要な発光波長域がそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）にある３種の光を個別に発光できる発光装置と、該発光装置の発光を制御する制御装置と、前記発光波長域のそれぞれにある光を選択的に検出できる光検出装置と、該光検出装置からの出力を基に前記発光装置の発光を制御するためのフィードバック信号を生成し前記制御装置に提供するフィードバック手段とを備える照明システムであり。前記フィードバック手段は、前記光検出装置の出力に基づく３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚから、所定の色度ｘ0、ｙ0を基に生成された重みを伴う差分信号、すなわち、ｄxy＝（ｙ0／ｘ0）＊Ｘ−Ｙ、およびｄyz＝Ｙ−（ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0））＊Ｚを生成して前記制御装置に提供し、該制御装置は、前記差分信号ｄxy、およびｄyzがともに可及的にゼロとなるように前記発光装置の発光を制御するように構成される。
【０００７】
また、前記所定の色度ｘ0、ｙ0は、操作者の入力に応じて変更可能であるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の照明システムでは、差分信号を生成することにより共通モードの雑音などに対する対雑音特性が改善され、また零位法の採用により測定感度が向上して、色度の調整が高精度でおこなえる、使用に便利で、精度の高い簡易な照明システムを提供することが出来る。その他の本発明の特徴、効果の詳細については、以下の説明から明瞭となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に記載する本発明の実施形態は、本発明を理解するためのものであり、本発明を実施形態に限定するためのものではない。そのため、装置やその要素の寸法や形状は実際に製造される装置や要素との寸法や形状と特定の幾何学的関係を持つことを意図していない。また、完全に一致するものではないが、本発明の理解に支障がないと考えられる範囲で、同様の機能を発揮する装置やその構成要素には同じ参照番号を付してある。また、以下の実施例の説明では、構成要素を接続する配線や電気，機械的作用要素は発明の理解に必要な範囲のみを記載している。又、従来技術に属する部分の説明は省略されるか簡略化されている。
【００１０】
図１は本発明の１実施例の照明システム１００の概略ブロック図である。照明システム１００はＬＥＤ発光体部１０、光混合部２０、カラーセンサ部３０、３刺激値変換部４０、輝度・色度値生成部５０、差分信号生成部６０、ＬＥＤ駆動制御部７０を備える。
【００１１】
ＬＥＤ発光体部１０は、混合されて所望の色光を与える相異なる複数種（通常３種であり、以下の実施例では３種の場合について説明する。）のＬＥＤ（発光ダイオード）  Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３と、それらに駆動（順方向）電流をそれぞれ供給するＬＥＤドライバであるＲ（赤）−ＬＥＤドライバ１２，Ｇ（緑）−ＬＥＤドライバ１４，Ｂ（青）−ＬＥＤドライバ１６からなる。なお、ＬＥＤ  Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３のそれぞれは一個のＬＥＤから構成されてもよいし、複数のＬＥＤを直列、並列あるいはそれらを混合接続して組合せた複合ＬＥＤでもよい。
【００１２】
光混合部２０は、ＬＥＤ発光体部１０のＬＥＤ  Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３から発せられた光を混合して所望の色光を得るためのものであり、該色光の輝度及び色度を空間的に均一にするための部材で構成されている。光混合部２０に適する部材には、各種の拡散板、反射板、ライトトンネル、ライトパイプ、楔形導光板、タンデム型導光板などがある。
【００１３】
カラーセンサ部３０は、光混合部２０からの色光の一部を導入して分光分析して３刺激値を与えるものであり、相異なる複数種（本説明では３種：赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）とする。）の分光特性を有するセンサ装置３２，３４，３６を備える。各センサ装置３２，３４，３６はそれぞれのフォトダイオードＰ１，Ｐ２，Ｐ３とその出力を検出し３刺激値（ＲＧＢ）を出力するそれぞれのセンサＲセンサ、Ｇセンサ、Ｂセンサをそなえる。フォトダイオードＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、一個のフォトダイオードから構成されてもよいし、複数のフォトダイオードを直列、並列あるいはそれらを混合接続して組合せた複合フォトダイオードでもよい。本願実施例で採用するＣＩＥ１９３１に準拠した色度を導出する場合には、カラーセンサ部３０の分光特性もＣＩＥ１９３１の等色関数を近似したものが好ましい。
【００１４】
３刺激値変換部４０は、カラーセンサ部３０の各センサ装置の出力値（ＲＧＢ）を入力してＣＩＥ３刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚに変換するためのものであり，カラーセンサ部３０の出力値がＣＩＥ３刺激値を与えるようにされる本発明の別実施例では、３刺激値変換部４０は不要であって省略あるいは側路されて、カラーセンサ部３０の出力値が直接差分信号生成部６０に入力される。カラーセンサ部３０がＣＩＥ１９３１の３刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚを与えることが困難な場合においては、カラーセンサ部３０の出力値（本説明では図１に示すようにＲ、Ｇ、Ｂ）を変換するための３行３列の行列〔Ｔ〕により〔Ｘ  Ｙ  Ｚ〕＝[Ｒ  Ｇ  Ｂ〕＊〔Ｔ〕として求められる。ただし”＊”は本明細書において混同なき場合、乗算記号としても用いられる。行列〔Ｔ〕のｉ行ｊ列要素Ｔijにより〔Ｔ〕＝〔Ｔij〕と表記する。
【００１５】
３種類のＬＥＤ  Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３の発光光の光強度Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３、カラーセンサ部３０の出力値Ｒ，Ｇ，Ｂ、ＣＩＥ１９３１の３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれベクトル〔ＤLED〕，〔ＤSENS〕，〔ＤCIE〕で表す。即ち、〔ＤLED〕＝〔Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３〕、〔ＤSENS〕＝〔Ｒ，Ｇ，Ｂ〕、〔ＤCIE〕＝〔Ｘ，Ｙ，Ｚ〕である。また、各ＬＥＤ  Ｄ１、Ｄ２，Ｄ３と各センサ装置３２，３４，３６の分光特性をそれぞれ３つの列ベクトルを有する行列〔ＢLED〕，〔ＢSENS〕，で表し、ＣＩＥ１９３１の等色関数（ｘ(CIE)、ｙ(CIE)、ｚ(CIE)）もまとめて３つの列ベクトル〔ｘ(CIE)〕、〔ｙ(CIE)〕、〔ｚ(CIE)〕からなる行列〔ＢCIE〕で表せば、つぎのとおり（ただし上付き添え字”Ｔ”は転置を表し、上付き”−１”は逆行列を表す。）。（なお、通常、ＣＩＥ１９３１の等色関数はオーバーラインつきのｘ、ｙ、ｚで表されるが、本明細書では、上付き添え字（ＣＩＥ）を有するｘ(CIE)、ｙ(CIE)、ｚ(CIE)が対応して用いられる。）
〔ＤSENS〕＝〔ＤLED〕＊（〔ＢLED〕T＊〔ＢSENS〕）
〔ＤCIE〕＝〔ＤLED〕＊（〔ＢLED〕T＊〔ＢCIE〕）
＝〔ＤSENS〕＊（〔ＢLED〕T＊〔ＢSENS〕）-1＊（〔ＢLED〕T＊〔ＢCIE〕）
＝〔ＤSENS〕＊〔Ｔ〕
∴  〔Ｔ〕＝（〔ＢLED〕T＊〔ＢSENS〕）-1＊（〔ＢLED〕T＊〔ＢCIE〕）
図２は、〔Ｔ〕＝〔Ｔij〕と要素表示した場合の、３刺激値変換部４０の変換操作を示すものである。図２において、一実施例では、アナログ信号としてＲ，Ｇ，Ｂ入力を受信してアナログ演算を施して刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを得る。要素Ｔijの乗算は反転、非反転の増幅器の増幅度を可変することや、単に抵抗値を設定することでも実現できる。また、その実現は、アナログ的でもディジタル的でも良い。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ入力がディジタル化されている場合は、デジタル信号処理装置や、マイクロプロセッサを含む装置の一タスクとして該変換をおこなっても良い。
【００１６】
輝度・色度値生成部５０は、使用者がキーボードやつまみ、ボタンを操作して設定した輝度と色度値（入力値）や、照明システム内外から転送された輝度と色度値をＣＩＥ１９３１に準拠した輝度Ｌ0、色度値ｘ0、ｙ0として差分信号生成部６０に転送する。
【００１７】
差分信号生成部６０では、図２を参照すると容易に理解できるように、３刺激値変換部４０から入力されたＣＩＥ１９３１の３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚと輝度・色度値生成部５０から転送され所望の輝度Ｌ0、色度値ｘ0、ｙ0とにより差分を求め、差分信号ｄxy、ｄyzをＬＥＤ駆動制御部７０に出力する。まず、ＣＩＥ１９３１の刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚと輝度Ｌ，色度値ｘ、ｙの周知の関係は、ｋ＝６８３（ｌｍ／Ｗ）として、
Ｌ＝６８３＊Ｙ＝ｋ＊Ｙ
Ｘ＝（ｘ／ｙ）＊Ｙ
Ｚ＝（（１−ｘ−ｙ）／ｙ）＊Ｙ
である。そこで、所望の色度値ｘ0、ｙ0と所望の輝度Ｌoで上式が成り立てば、所望の色光が照明システムから供給されるわけである。上式が成り立たない程度としての差分をとれば以下の下３式がえられる。
【００１８】
ｄxy＝（ｙ0／ｘ0）＊Ｘ−Ｙ＝α0Ｘ−Ｙ、
ｄyz＝Ｙ−（ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0））＊Ｚ＝Ｙ−β0Ｚ、および
ｄL＝Ｌ−Ｌo＝ｋＹ−Ｌo
そして、ｄxy＝ｄyz＝ｄL＝０を満たす刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚが得られるようにＬＥＤ  Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を制御して、所望の色度の色光が照明システムから供給されるようにする。図２において（ｙ0／ｘ0）＝α0や（ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0）＝β0やｋの乗算は、上記Ｔijの乗算と同様におこなってよい。
【００１９】
ＬＥＤ駆動制御部７０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光の特性を表す後述の行列〔Ａ〕を〔Ａ〕記憶部７２より取り出し、該〔Ａ〕と差分信号生成部６０からの差分信号ｄxy、ｄyz、ｄLの値に基づいて各ＬＥＤの発光強度を制御する。光強度の制御は、ＬＥＤ  Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の順方向電流の増減する方法（ＡＭ法）や、順方向電流を一定として点灯時間を制御する方法（ＰＷＭ法）があり、照明システムにより適宜選択できる。
【００２０】
次に、本発明の実施例の動作をさらに詳細に述べる。
【００２１】
任意の適正な等色関数は別の適正な等色関数の線形変換であるので、以下においては、本発明の趣旨の理解に十分な範囲で、Ｒ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光が直接CIE１９３１-３刺激値Ｘ，Ｙ、Ｚで表されるとして、説明をわかりやすくする。
【００２２】
ＬＥＤ発光体部１０において、Ｒ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光の分光エネルギー分布をそれぞれER(λ)、EG(λ)、EB(λ)とする。各出射光は光混合部２０を経てカラーセンサ部３０のフォトダイオードＰ１、Ｐ２、Ｐ３に受信され検出され３刺激値変換部４０で必要に応じてＣＩＥ１９３１-３刺激値に変換出力されるので、光混合部２０から３刺激値変換部４０の入力端までの校正された等色関数に応じたＣＩＥ１９３１-３刺激値が該出力端にえられる。ここで、一般的に、独立な３等色関数〔ｘ(CIE)〕、〔ｙ(CIE)〕、〔ｚ(CIE)〕に応じて、可視波長域で検出された各出射光の前記３刺激値を、ER(λ)については（ARx、ARy、ARz）、EG(λ)については（AGx、AGy、AGz）、EB(λ)については（ABx、ABy、ABz）と表せる。
【００２３】
ところで、LED制御部７０の指令に応じて、LED発光体部１０において各発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の発光強度を制御するため、順方向電流を増減（振幅変調に対応）したり、発光衝撃比を増減（パルス幅変調に対応）したりするので、ある基準値に対してＲ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光には変調係数PR、PG、PB（以下まとめて（PR、PG、PB）と行ベクトル表示も採用する。）が乗ぜられ、分光エネルギー分布は、それぞれPRER(λ)、PG EG(λ)、PB EB(λ)となる。したがって、混合光の分光エネルギーM(λ)はM（λ）=PRER(λ)＋PGEG(λ)＋PBEB(λ)となり、前記３等色関数に応じて、３刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚは行ベクトル表示して〔Ｘ  Ｙ  Ｚ〕＝〔PRARx＋PGAGx＋PBABx  PRARy＋PGAGy＋PBABy  PRARz＋PGAGz＋PBABz〕となる。行列表示すれば、下記のとおり。ここで、〔Ｗ〕＝〔Ｘ  Ｙ  Ｚ〕T、〔Ｐ〕＝〔PR  PG  PB〕Tで、〔Ａ〕＝〔Ａij〕＝〔〔ARx  AGx  ABx〕  〔ARy  AGy  ABy〕  〔ARz  AGz  ABz〕〕Tである。
【００２４】
【数１】
2007123153.tif 000003
【００２５】
差分信号ｄxyとｄyzとｄLは、実現すべき所定の色度値をｘ0、ｙ0、所定の輝度値をＬ0とすれば、前述のとおり（ただし“＊”を乗算記号（明瞭である場合は省略することもある）として）、ｄxy＝α0＊Ｘ−Ｙ、ｄyz＝Ｙ−β0＊Ｚ、ｄL＝Ｌ−Ｌ0となる（ただし、α0＝ｙ0／ｘ0、および、β0＝ｙ0／（１−ｘ0−ｙ0）である）。また、各出射光の混合光である照明光の輝度Lは定数ｋ＝６８３（ｌｍ／Ｗ）を取って、L＝ｋＹとなる。これらを行列表示すれば、以下のとおり。
【００２６】
【数２】
2007123153.tif 000004
【００２７】
上記の式を変形すれば、下式が得られる。
【００２８】
【数３】
2007123153.tif 000005
【００２９】
ここで、所望輝度値L0と色度値ｘ0、ｙ0が実現される条件として、Ｌ−L0＝ｋＹ−L0＝ｄL＝ｄxy＝ｄyz＝０を与えると帰還ループの収束安定点で変調係数ベクトル〔Ｐ〕T＝〔PR  PG  PB〕は〔Ｐ0〕T＝〔PR0 PG0 PB0〕に収束する。もし、現在変調係数ベクトル〔Ｐ〕Tが〔Ｐ0〕Tと異なるときは、変調係数ベクトルの差分〔ΔＰ〕T＝〔Ｐ〕T-〔Ｐ0〕T＝〔PR−PR0  PG−PG0  PB−PB0〕が下式のように与えられる。ＬＥＤ駆動制御部７０は、Ｒ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光の特性を表す行列〔Ａ〕を〔Ａ〕記憶部７２より取り出して差分〔ΔＰ〕Tを算出して、新しい変調係数ベクトル〔ＰN〕T＝〔Ｐ〕T-〔ΔＰ〕Tに更新する。以下、図示しないコントローラ等により、逐次変調係数ベクトルを更新し続けるわけである。また、実際に設定する〔ＰN〕Tはさらに雑音の除去を行なうために時間積分して平滑化した〔ΔＰ〕Tを使用してもよいことは当業者には容易に理解できよう。
【００３０】
【数４】
2007123153.tif 000006
【００３１】
以上は、一般にマイクロプロセッサを含むデジタル回路により計算して制御するデジタル制御を仮定しているが、アナログ的に近似制御することも可能であることは当業者には理解できよう。
【００３２】
また、本発明の制御においては、LED発光体部１０におけるＲ、Ｇ、Ｂ発光ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のそれぞれの出射光の分光エネルギー分布ER(λ)、EG(λ)、EB(λ)のそれぞれの変化が、変調係数ベクトル〔Ｐ〕Tの要素PR、PG、PBのそれぞれの変化として検出されることに注意を要する。すなわち、変調係数ベクトル〔Ｐ〕Tが安定であっても、温度の変化や物理的外乱その他で変調係数ベクトル〔Ｐ〕Tの調整が必要になるわけである。そのため、ｄxy、ｄyzの検出を採用すると、差分信号生成部での入力Ｘ、Ｙ、Ｚ信号に重畳する共通モードの雑音を相殺する傾向があり、検出精度が高められる利点を備える。特に混合光である照明光を白色光とする場合には、色度値をｘ0＝ｙ0＝１−ｘ0―ｙ0＝１／３とすべく設定するので、設定誤差が含まれるとしても、ｄxyとｄyzの検出における前記雑音の影響の相殺効果は特に高い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の１実施例の照明システムの概略ブロック図である。
【図２】照明システムの３刺激値変換部と輝度・色度値生成部と差信号生成部の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ＬＥＤ発光体部
２０  光混合部
３０  カラーセンサ部
４０  ３刺激値変換部
５０  輝度・色度値生成部
６０  差信号生成部
７０  ＬＥＤ駆動制御部
１００  照明システム
【図１】
2007123153.tif 000007
【図２】
2007123153.tif 000008