專利名稱:具有強(qiáng)度監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)光二極管照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及具有強(qiáng)度監(jiān)控系統(tǒng)的LED照明系統(tǒng)。
背景技術(shù):
發(fā)光二極管(LED)是取代諸如白熾燈和熒光光源之類的傳統(tǒng)光源的具有吸引力的候選者。LED具有更高的光轉(zhuǎn)換效率以及更長(zhǎng)的壽命。不幸的是,LDE在相對(duì)窄的譜段中發(fā)光。因此,為了產(chǎn)生具有任意顏色的光源,通常利用具有多個(gè)LED的復(fù)合光源。例如,通過(guò)將來(lái)自紅光、綠光和藍(lán)光發(fā)射LED的光組合起來(lái),可構(gòu)建這樣的基于LED的光源其提供的發(fā)射在被觀察時(shí)與特定的顏色相匹配。各種顏色的強(qiáng)度比將光的顏色設(shè)置為人類觀察者所察覺(jué)到的那樣。
不幸的是,各個(gè)LED的輸出隨著溫度、驅(qū)動(dòng)電流和老化而變化。另外,LED的特性在制造過(guò)程中各個(gè)生產(chǎn)批次之間是不同的,并且對(duì)不同顏色的LED也不同。因此,在一組條件下提供所希望的顏色的光源在條件改變或器件老化時(shí),將會(huì)展現(xiàn)出顏色漂移。為了避免這些漂移,必須在光源中結(jié)合某種形式的反饋系統(tǒng),以改變各個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)條件,從而不管光源中所使用的組成LED中的變化如何,輸出光譜都保持在設(shè)計(jì)值處。
基于LED的白光源被用作顯示器和投影儀的背光。如果顯示器的尺寸相對(duì)較小,則可以使用單獨(dú)一組LED來(lái)照明顯示器。這種情形中,反饋光電探測(cè)器位于這樣的位置在來(lái)自各個(gè)LED的光混合后,其收集來(lái)自整個(gè)顯示器的光。
當(dāng)顯示器的尺寸增加時(shí),需要使用LED光源陣列來(lái)提供在整個(gè)陣列上均勻的照明。這種陣列使得反饋系統(tǒng)復(fù)雜了。如果光電探測(cè)器位于混合腔中,則收集并分析來(lái)自整個(gè)顯示器的光。因此,反饋系統(tǒng)只能調(diào)節(jié)每種顏色的總體光強(qiáng)水平。于是,如果某一特定LED正在與提供該顏色的光的其他LED不同地運(yùn)行,則反饋系統(tǒng)不能只調(diào)節(jié)該LED。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種光源及其控制方法。該光源包括第一合成光源,其包括N個(gè)LED、光電探測(cè)器和光轉(zhuǎn)向器,其中N>1。每個(gè)LED在封裝中具有發(fā)光芯片。發(fā)光芯片發(fā)射向前方向中的光以及側(cè)面方向中的光。在向前方向中生成的光是由耦合到該LED的驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定的。側(cè)面方向中的光的一部分離開(kāi)封裝。光轉(zhuǎn)向器被如此放置,從而離開(kāi)每個(gè)LED的封裝的側(cè)面方向中的光的一部分被散射到光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器生成N個(gè)強(qiáng)度信號(hào),每個(gè)強(qiáng)度信號(hào)具有與LED中相應(yīng)的一個(gè)LED在側(cè)面方向中生成的光的強(qiáng)度相關(guān)的幅度。側(cè)面方向中光的強(qiáng)度占向前方向中光的強(qiáng)度的比例是固定的。
圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的顯示系統(tǒng)的頂視圖。
圖1B是顯示系統(tǒng)的端視圖。
圖2是合成光源的頂視圖。
圖3是沿圖2所示的線3-3的截面圖。
圖4是擴(kuò)展光源的頂視圖。
圖5是合成光源的頂視圖。
圖6是圖5所示的合成光源是沿線6-6的截面圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1A和1B,可以更容易地理解本發(fā)明提供其優(yōu)點(diǎn)的方式。圖IA是現(xiàn)有技術(shù)的顯示系統(tǒng)100的頂視圖。圖1B是顯示系統(tǒng)100的端視圖。顯示系統(tǒng)100利用具有紅光、綠光和藍(lán)光LED的LED源130來(lái)從顯示器件170之后的某個(gè)位置處照明顯示器件170。例如,顯示器件170可以包括由透射像素陣列構(gòu)成的成像陣列。來(lái)自LED源130的光在顯示器件170后面的腔160中“混合”,以提供顯示器件170的均勻照明。該腔的壁通常是反射的。光電探測(cè)器110測(cè)量腔160中與LED源130中的LED相對(duì)應(yīng)的三個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度??刂破?20在伺服回路中使用這些測(cè)量結(jié)果,來(lái)調(diào)節(jié)LED源130中每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流,從而保持所希望的照明光譜。
當(dāng)顯示器的尺寸增加時(shí),LED必須被LED陣列取代,LED陣列具有由顯示器的尺寸和照明顯示器所需的光的數(shù)量確定的空間范圍。從單個(gè)LED可以生成的光的數(shù)量是存在實(shí)際限制的。因此,基于一組RGB LED的照明被限制在相對(duì)小的顯示器。為了增加超出該限制的可用光,需要多組LED。因?yàn)長(zhǎng)ED的特性在各個(gè)生產(chǎn)批次之間相差很大,所以必須在反饋環(huán)路中分別控制各組LED,以維持所希望的光譜。因此,在來(lái)自各個(gè)LED的光被混合在一起后在混合腔中對(duì)光進(jìn)行采樣的光電探測(cè)器陣列只能提供關(guān)于在每種顏色處陣列總體性能的信息。這種信息不足以來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流。本發(fā)明通過(guò)提供這樣一種LED光源克服了這一問(wèn)題其中即使在混合腔中存在多個(gè)相同顏色的LED時(shí),也分別測(cè)量來(lái)自每個(gè)組成LED的光。
本發(fā)明利用這種觀察LED中生成的光的一部分被截留在LED的有源區(qū)中,并且通過(guò)芯片的側(cè)面離開(kāi)LED。一般而言,LED是由分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的,其中生成光的區(qū)域被夾在n型和p型層之間。沿著與頂層或底層的表面成大約90度角的方向行進(jìn)的光被抽取出去,并且形成LED的輸出。在LED頂部的空氣/半導(dǎo)體邊界以及在LED下面的半導(dǎo)體/襯底邊界都是兩個(gè)具有顯著不同的折射率的區(qū)域之間的邊界。因此,在有源區(qū)中以大于臨界角的角度生成的光將在這些邊界處被內(nèi)反射,并仍然被截留在這兩個(gè)邊界之間,直至光要么被吸收,要么到達(dá)LED芯片的邊緣。這種截留光中相當(dāng)大一部分以小于臨界角的角度穿過(guò)芯片邊緣處的芯片/空氣邊界,從而離開(kāi)芯片。
本發(fā)明利用這種邊緣發(fā)射光來(lái)提供監(jiān)控信號(hào)。一般而言,在邊緣處離開(kāi)芯片的光的數(shù)量占LED中生成的總的光的比例是固定的。精確的比例在芯片之間是不同的;然而,在制造LED時(shí)或者在安裝了LED之后通過(guò)校準(zhǔn)光源,可以確定每個(gè)芯片的比例值。
現(xiàn)在參考圖2和3,其圖示了根據(jù)共同未決專利申請(qǐng)(美國(guó)專利申請(qǐng)10/742,270,該申請(qǐng)被結(jié)合于此作為參考)中所描述的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的RGB合成光源200。圖2是合成光源200的頂視圖,圖3是沿著線3-3的截面圖。合成光源200包括三個(gè)LED 201~203,它們分別發(fā)射紅光、綠光和藍(lán)光。每個(gè)LED包括芯片,該芯片將其中生成的光中的一部分通過(guò)芯片側(cè)面發(fā)射出去。LED具有基體,基體包括透光的區(qū)域,該透光的區(qū)域允許光以不同于在垂直于芯片表面的方向發(fā)射的光的方向離開(kāi)。分別在211~213處示出了LED 201~203中的芯片。
參考圖3,在221處示出了離開(kāi)芯片頂部的光,并且在222處示出了離開(kāi)芯片側(cè)面的光。為了簡(jiǎn)化下面的討論,離開(kāi)芯片頂部的光被稱為“輸出光”,而在LED中以大于臨界角的角度被一次或多次內(nèi)反射之后離開(kāi)芯片側(cè)面的光被稱為側(cè)面光。本發(fā)明使用收集器230來(lái)收集側(cè)面光的一部分。如此收集的光被稱為監(jiān)控光。監(jiān)控光被引導(dǎo)到光電探測(cè)器240上,光電探測(cè)器240測(cè)量三個(gè)感興趣的光譜區(qū)域中的每個(gè)區(qū)域中的光強(qiáng)度。這種情形中,光電探測(cè)器240測(cè)量紅、藍(lán)和綠色譜段中的光,并生成241處所示的三個(gè)信號(hào),它們的幅度是測(cè)量出的強(qiáng)度的函數(shù)。而這些信號(hào)的幅度又是輸出光的度量。在下面的討論中,這些信號(hào)被稱為監(jiān)控信號(hào)。
光電探測(cè)器240可以由3個(gè)光濾波器和用于測(cè)量每個(gè)濾波器所透射的光的3個(gè)光電二極管組成。為了簡(jiǎn)化附圖,圖中省略了組成的光電二極管和光濾波器。
在圖2和3所示的實(shí)施例中,收集器230是圓對(duì)稱的收集器,其具有表面233,該表面將離開(kāi)LED 201的側(cè)面光的一部分沿向下的方向反射,從而光電探測(cè)器監(jiān)控僅僅來(lái)自那一組LED的光。收集器可以是透明的(clear)塑料構(gòu)成的。表面的反射率可以是該塑料和空氣之間的折射率差的結(jié)果?;蛘撸砻婵梢愿采w諸如鋁之類的反射材料。
一般而言,監(jiān)控光與輸出光的比在LED之間是不同的。然而,只要該比例的精確值保持不變,就無(wú)需確定該值。如上所述,反饋控制器使用監(jiān)控信號(hào)來(lái)維持正確的紅光、藍(lán)光和綠光強(qiáng)度,以生成所希望的光譜。每個(gè)LED具有分離的供電線,LED通過(guò)該供電線接收信號(hào),該信號(hào)的平均電流水平確定了該LED輸出的光。在251處示出了LED 201的供電線。反饋控制器調(diào)節(jié)到每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流,直至監(jiān)控信號(hào)與反饋控制器中存儲(chǔ)的目標(biāo)值相等。
可以通過(guò)分析合成光源所生成的光與到LED的驅(qū)動(dòng)電流之間的函數(shù)關(guān)系,來(lái)實(shí)驗(yàn)地確定目標(biāo)值。當(dāng)僅僅使用該組成LED就能獲得滿意的光譜時(shí),控制器記錄監(jiān)控信號(hào)的值。反饋控制器然后調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流,以在合成光源的正常工作期間將監(jiān)控信號(hào)維持在這些記錄的目標(biāo)值處。例如,如果LED之一老化,并且因此產(chǎn)生較少的光,則與該LED相關(guān)聯(lián)的監(jiān)控信號(hào)的值將減小。反饋控制器然后將增加到該LED的驅(qū)動(dòng)電流,直至監(jiān)控信號(hào)再次匹配該LED的目標(biāo)值。
上述合成光源可以被組合起來(lái),以構(gòu)建擴(kuò)展光源,用于以類似于上面參考圖1討論的方式來(lái)對(duì)腔進(jìn)行照明?,F(xiàn)在參考圖4,其是擴(kuò)展光源300的頂視圖。光源300可以被看作是沿其長(zhǎng)度方向具有恒定光強(qiáng)的線性光源。光源300是由多個(gè)上面參考圖2和3討論的類型的合成光源構(gòu)成的。在301~303處示出了示例性的合成光源。
每個(gè)合成光源具有六條信號(hào)線,它們可以被看作合成總線307。合成總線307包括傳輸監(jiān)控信號(hào)的三條線和驅(qū)動(dòng)合成光源內(nèi)各個(gè)LED的三條供電線。合成總線通過(guò)接口電路連接到控制總線311。在304~306處分別示出了與合成光源301~303相對(duì)應(yīng)的接口電路。
在該實(shí)施例中,每個(gè)接口電路提供兩種功能。第一,接口電路選擇性地將監(jiān)控信號(hào)連接到反饋控制器310,并且接收指定要被施加到合成光源中每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流的信號(hào)。接口電路包括允許反饋控制器310選擇性地與接口電路通信的地址。
第二,接口電路包括在合成光源沒(méi)有連接到總線311時(shí)將每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流維持在反饋控制器所指定的水平處的電路系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這種功能,接口電路包括保持用于確定到每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流的值的三個(gè)寄存器,以及用于將這些值轉(zhuǎn)換為實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流的電路系統(tǒng)??梢酝ㄟ^(guò)改變通過(guò)每個(gè)LED的DC電流的大小,或者通過(guò)改變使LED在“開(kāi)”和“關(guān)”之間切換的AC信號(hào)的占空比,來(lái)設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流。
上述實(shí)施例利用光收集器,其收集離開(kāi)LED側(cè)面的光的一部分,并將這部分光向下引導(dǎo)到光電探測(cè)器。這些光收集器是反射器,并且制作起來(lái)是相對(duì)昂貴的。本發(fā)明無(wú)需使用拋光的反射器,就可以提供這種光采樣功能,并且因此減少了相關(guān)成本。本發(fā)明基于這樣一種觀察可以利用任何一種將側(cè)面光的一部分轉(zhuǎn)向到光電探測(cè)器的器件來(lái)提供反饋控制器所需的光。對(duì)這種光轉(zhuǎn)向器的唯一要求是這部分光不隨時(shí)間變化,并且反射足夠的光來(lái)提供對(duì)側(cè)面光的精確測(cè)量。
現(xiàn)在參考圖5和6,其圖示了利用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光轉(zhuǎn)向器的合成光源。圖5是合成光源400的頂視圖,圖6是沿著線6-6的合成光源400的截面圖。合成光源400具有401~406處所示的六個(gè)LED。來(lái)自這些LED中每一個(gè)的側(cè)面光的一部分被散射介質(zhì)轉(zhuǎn)向到光電探測(cè)器上。在411~416處分別示出了用于LED 401~406的光電探測(cè)器。光轉(zhuǎn)向器410包括透明的介質(zhì),其中懸有散射顆粒429。在417和418處分別示出了LED 402和405所使用的散射介質(zhì)的一部分。
現(xiàn)在參考圖6,并且具體地參考離開(kāi)LED 402中的管芯424的側(cè)面光。這些光中的某一些會(huì)被顆粒散射。這些散射光中的一部分將會(huì)被引導(dǎo)到光電探測(cè)器412,如422處所示。其他顆粒會(huì)將側(cè)面光引導(dǎo)到輸出光中,如421處所示。這些光中剩余部分將會(huì)被轉(zhuǎn)向器的介質(zhì)或壁吸收,如423處所示。
圖5和6所示的實(shí)施例利用了432處所示的不透明壁來(lái)防止來(lái)自一個(gè)LED的光到達(dá)另一LED所利用的檢測(cè)器。然而,如果散射介質(zhì)充分地衰減了光,或者如果相鄰的光電探測(cè)器不會(huì)對(duì)可疑光做出響應(yīng),則可以省略這些壁。例如,如果相鄰的光電探測(cè)器對(duì)不同顏色的光敏感,則可以省略這些壁。
可以預(yù)先制作轉(zhuǎn)向器,并將它們附接在印刷電路板上。因?yàn)檗D(zhuǎn)向器散射光,并且被轉(zhuǎn)移的確切比例在LED之間可以不同,所以本發(fā)明可以容忍大的對(duì)準(zhǔn)和定位錯(cuò)誤。在由于相鄰檢測(cè)器之間的干擾不顯著而不需要橫壁的實(shí)施例中,可以通過(guò)在LED之間應(yīng)用一層散射介質(zhì)來(lái)構(gòu)建轉(zhuǎn)向器。例如,可以在光電探測(cè)器上面提供一層其中懸有散射顆粒的硅橡膠(siliconrubber),其高度能截住側(cè)面光。
上述實(shí)施例利用了由紅光、綠光和藍(lán)光LED構(gòu)成的合成光源。然而,也可以建立利用不同數(shù)目及不同顏色的LED的本發(fā)明實(shí)施例。例如,通過(guò)將來(lái)自藍(lán)光發(fā)射LED和黃光發(fā)射LED的光混合,可以構(gòu)建對(duì)人類觀察者表現(xiàn)為白色的光源。因此,根據(jù)本發(fā)明的基于具有兩個(gè)LED的合成光源的白光光源可以用來(lái)提供擴(kuò)展白光光源。類似地,基于四種顏色的配色方案在印刷領(lǐng)域是已知的。在這種配色方案中,根據(jù)本發(fā)明的合成光源將具有4個(gè)LED。
從前面的描述以及附圖中,本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)清楚對(duì)本發(fā)明的各種修改。因此,本發(fā)明僅僅由所附權(quán)利要求的范圍限定。
本申請(qǐng)是于2003年12月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)10/742,270的部分繼續(xù)。
權(quán)利要求
1.一種包括第一合成光源的光源,所述合成光源包括N個(gè)發(fā)光二極管,每個(gè)發(fā)光二極管在封裝中具有發(fā)光芯片,所述發(fā)光芯片發(fā)射向前方向的光以及側(cè)面方向的光,其中N>1,在所述向前方向中生成的所述光由耦合到該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定,所述側(cè)面方向中的所述光的一部分離開(kāi)所述封裝;光電探測(cè)器;和光轉(zhuǎn)向器,其被放置來(lái)將離開(kāi)每個(gè)所述發(fā)光二極管的所述封裝的所述側(cè)面方向中的所述光的一部分散射到所述光電探測(cè)器上,所述光電探測(cè)器生成N個(gè)強(qiáng)度信號(hào),每個(gè)強(qiáng)度信號(hào)具有與所述發(fā)光二極管中相應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管在所述側(cè)面方向中發(fā)射的所述光的強(qiáng)度相關(guān)的幅度。
2.如權(quán)利要求1所述的光源,其中所述側(cè)面方向中的光的強(qiáng)度與所述向前方向中的光的強(qiáng)度的比例是固定的。
3.如權(quán)利要求1所述的光源,其中所述光轉(zhuǎn)向器包括透明的介質(zhì),在該介質(zhì)中分散著光散射顆粒。
4.如權(quán)利要求1所述的光源,其中每個(gè)所述發(fā)光二極管發(fā)射的光的波長(zhǎng)不同于其他所述發(fā)光二極管發(fā)射的光的波長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述的光源,其中所述第一合成光源包括總線和用于控制N個(gè)信號(hào)的第一接口電路,每個(gè)信號(hào)確定所述發(fā)光二極管中相應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管在所述向前方向中要生成的光強(qiáng),所述接口電路還響應(yīng)于標(biāo)識(shí)所述第一接口的控制信號(hào),將所述N個(gè)強(qiáng)度信號(hào)耦合到所述總線。
6.如權(quán)利要求1所述的光源,包括第二合成光源,所述第二合成光源包括N個(gè)發(fā)光二極管,每個(gè)發(fā)光二極管在封裝中具有發(fā)光芯片,所述發(fā)光芯片發(fā)射向前方向的光以及側(cè)面方向的光,其中N>1,在所述向前方向中生成的所述光由耦合到該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定,所述側(cè)面方向中的所述光的一部分離開(kāi)所述封裝;光電探測(cè)器;和光轉(zhuǎn)向器,其被放置來(lái)將離開(kāi)每個(gè)所述發(fā)光二極管的所述封裝的所述側(cè)面方向中的所述光的一部分散射到所述光電探測(cè)器上,所述光電探測(cè)器生成N個(gè)強(qiáng)度信號(hào),每個(gè)強(qiáng)度信號(hào)具有與所述發(fā)光二極管中相應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管在所述側(cè)面方向中發(fā)射的所述光的強(qiáng)度相關(guān)的幅度,和第二接口電路,用于控制N個(gè)信號(hào),每個(gè)信號(hào)確定所述第二合成光源中的所述發(fā)光二極管中相應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管在所述向前方向中要生成的光強(qiáng),所述接口電路還響應(yīng)于標(biāo)識(shí)所述第二接口的控制信號(hào),將所述N個(gè)強(qiáng)度信號(hào)耦合到所述總線。
7.如權(quán)利要求6所述的光源,還包括與所述總線連接的反饋控制器,所述反饋控制器利用所述第一和第二合成光源中每個(gè)光源的所述強(qiáng)度信號(hào)來(lái)控制所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
8.一種利用來(lái)自多個(gè)發(fā)光二極管的光來(lái)照明器件的方法,每個(gè)發(fā)光二極管在封裝中具有發(fā)光芯片,所述發(fā)光芯片發(fā)射向前方向的光以及側(cè)面方向的光,在所述向前方向中生成的所述光由耦合到該發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定,所述側(cè)面方向中的所述光的一部分離開(kāi)所述封裝,所述方法包括將來(lái)自每個(gè)所述發(fā)光二極管的所述側(cè)面方向中的所述光的一部分散射;測(cè)量每個(gè)所述發(fā)光二極管的所述散射光的強(qiáng)度,以生成每個(gè)所述發(fā)光二極管的測(cè)量強(qiáng)度值;控制所述發(fā)光二極管的所述驅(qū)動(dòng)信號(hào),以將每個(gè)所述測(cè)量強(qiáng)度值維持在目標(biāo)值處。
9.如權(quán)利要求8所述的方法,其中在所述向前方向中的所述光被用來(lái)照明所述器件。
10.如權(quán)利要求8所述的方法,其中所述發(fā)光二極管中的一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)射的光的顏色不同于所述發(fā)光二極管中的另一發(fā)光二極管發(fā)射的光的顏色。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光源及其控制方法。該光源包括第一合成光源,其包括N個(gè)LED、光電探測(cè)器和光轉(zhuǎn)向器,其中 N>1。每個(gè)LED在封裝中具有發(fā)光芯片。發(fā)光芯片發(fā)射向前方向中的光以及側(cè)面方向中的光。在向前方向中生成的光由耦合到該LED的驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定。側(cè)面方向中的光的一部分離開(kāi)封裝。光轉(zhuǎn)向器被如此放置,從而使離開(kāi)每個(gè)LED的封裝的側(cè)面方向中的光的一部分被散射到光檢測(cè)器上。光電探測(cè)器生成N個(gè)強(qiáng)度信號(hào),每個(gè)強(qiáng)度信號(hào)具有與LED中相應(yīng)的一個(gè)LED在側(cè)面方向中發(fā)射的光的強(qiáng)度相關(guān)的幅度。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1770942SQ20051010286
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月1日
發(fā)明者傅淳寧, 柯彥寧, 賀耀成 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司