專利名稱：具有強(qiáng)度監(jiān)控系統(tǒng)的led照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源。
背景技術(shù)：
發(fā)光二級管(LED)是取代諸如白熾燈及熒光燈光源的常規(guī)光源十分具有吸引力的候選。LED具有更高的光轉(zhuǎn)換效率及更長的使用壽命。但是，LED產(chǎn)生的光在相對狹窄的光譜帶內(nèi)。因此，為了產(chǎn)生具有任意顏色的光源，通常利用一具有多個LED的復(fù)合光源。例如，可通過將來自發(fā)出紅、藍(lán)及綠光的LED的光進(jìn)行組合而構(gòu)造基于LED的光源，其提供被人們感知為匹配一特定顏色的發(fā)光。各種顏色的強(qiáng)度比例設(shè)定了人類觀察者所感知到的光的顏色。
但是，個別LED的輸出隨溫度、驅(qū)動電流及老化而有所不同。此外，LED的特征在生產(chǎn)過程中隨不同的生產(chǎn)批量而變化，且對于不同顏色的LED而言，其特征也不同。因此，在一組條件下提供所要顏色的光源在條件發(fā)生改變或裝置老化時將顯示出色彩偏移。為避免該等偏移，必須將某形式的反饋系統(tǒng)并入到該光源中以改變個別LED的驅(qū)動條件，從而使得盡管該光源中所使用的組件LED具有可變性，但是該輸出光譜保持于設(shè)計值。
基于LED的白色光源是用于顯示器及投影儀的背光中。如果顯示器尺寸相對較小，則可使用單組LED以照明該顯示器。在此情況中，將反饋光探測器置于一位置中以使其可在混合來自個別LED的光之后收集來自整個顯示器的光。
隨著顯示器尺寸的增加，需要一種LED光源數(shù)組以在整個陣列上提供均勻照明。此一陣列使反饋系統(tǒng)變得復(fù)雜。如果將光探測器置于混合腔室中，則將收集并分析來自整個顯示器的光。因此，通過該反饋系統(tǒng)僅可以調(diào)節(jié)每種顏色的總的光強(qiáng)度級。因此，如果一特定的LED的運作不同于提供此顏色光的其它LED，則該反饋系統(tǒng)無法僅調(diào)節(jié)此LED。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種光源及一種控制該光源的方法。該光源包括一包括有N個LED、一光探測器及一收集器(其中N＞1)的第一組件光源。每個LED在一封裝中具有一發(fā)光芯片。該發(fā)光芯片在一前向方向及一側(cè)向方向上發(fā)出光。通過一耦合至該LED的驅(qū)動信號來測定在前向方向上所產(chǎn)生的光。側(cè)向方向的一部分光離開了該封裝。將該收集器放置成使得離開了該等LED中的每一個的封裝的在側(cè)向方向上的一部分光被引導(dǎo)至該光探測器上。該光探測器產(chǎn)生N個強(qiáng)度信號，每個強(qiáng)度信號具有一與該等LED中相應(yīng)的一個在側(cè)向方向上所發(fā)出的光的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的振幅。側(cè)向方向上的光的強(qiáng)度是前向方向上光的強(qiáng)度的一固定部分。在一個實施例中，該等LED中的每一個發(fā)出的光的波長與其它LED發(fā)出的光的波長不同。在一個實施例中，該收集器為圓柱形的，沿一平行于該收集器軸線的線來排列該等LED。在另一實施例中，光探測器包括用于測量通過N個波長濾波器所接收到的光的N個光電二極管，每個波長濾波器使來自該等LED中一個的光通過。在另一實施例中，該等組件光源中的兩個被連接至一與反饋收集器相連的總線上。在此實施例中，各組件光源也包括一控制N個信號的接口電路，每個信號確定該等LED中的相應(yīng)的一個在前向方向上所產(chǎn)生的光強(qiáng)度。該接口電路也將N個強(qiáng)度信號耦合至該總線，以響應(yīng)一識別該第一接口的控制信號。該反饋控制器利用該等組件光源中的每一個的強(qiáng)度信號以控制該等驅(qū)動信號，從而將該等強(qiáng)度信號保持于預(yù)設(shè)的目標(biāo)值。


圖1A為先前技術(shù)中的一顯示器系統(tǒng)的頂視圖。
圖1B為圖1A中所示的顯示器系統(tǒng)的端視圖。
圖2為一組件光源的頂視圖。
圖3為圖2中所示的光源沿線3-3的橫截面圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的延長光源的頂視圖。
圖5為一組件光源的頂視圖。
圖6為圖5中所示的組件光源沿線6-6的橫截面圖。
圖7為一延長組件光源的頂視圖。
具體實施例方式
參考圖1A與1B可更容易地理解本發(fā)明提供其優(yōu)勢的方式。圖1A為一先前技術(shù)顯示器系統(tǒng)100的頂視圖。圖1B為顯示器系統(tǒng)100的端視圖。顯示器系統(tǒng)100利用具有紅、藍(lán)及綠光LED的LED光源130，以從顯示器裝置170的后面位置上照亮顯示器裝置170。例如，顯示器裝置170可包括一由透射像素陣列構(gòu)成的成像陣列。將來自LED源130的光“混合”于顯示器裝置170后面的腔160中，以為顯示器裝置170提供均勻照明。此腔的該等壁通常為反射性的。光探測器110對應(yīng)于LED源130中的該LED測量腔160中的三個波長的光強(qiáng)度?？刂破?20在一伺服回路中使用該等測量以調(diào)整LED源130中各LED的驅(qū)動電流，以保持所要的照明光譜。
隨著顯示器尺寸的增加，該等LED必須由LED陣列所取代，該等LED陣列具有由顯示器尺寸及照明顯示器所需的光的數(shù)量而確定的空間范疇(spatial extent)。從單個LED所產(chǎn)生的光的數(shù)量存在著實際的限制。因此，基于一組RGB LED的照明被限制于相對小型的顯示器。為了增加在此限制之外可獲取的光，需要使用多組LED。因為LED的特性因生產(chǎn)批次不同而顯著不同，所以在反饋回路中必須獨立控制每組LED以保持所要的光譜。因此，在已經(jīng)將來自各LED的光混合在一起之后，取樣該混合腔室中的光的光探測器陣列僅可提供關(guān)于各種顏色中陣列的整體性能的信息。此信息不足以調(diào)整個別LED的驅(qū)動電流。本發(fā)明通過提供一種LED光源而克服了此問題，在該LED光源中該等組件LED中的每一個即使在混合腔室中存在相同顏色的若干LED時也分別接受測量。
本發(fā)明利用了此一觀察，即一LED所產(chǎn)生光的一部分被捕集在該LED的活性區(qū)(active region)中并從該芯片的側(cè)面退出該LED。一般而言，LED是由分層結(jié)構(gòu)而構(gòu)成，其中光產(chǎn)生區(qū)域是夾在n-型與p-型層體之間。提取沿著與頂層或底層表面成約90度的方向行進(jìn)的光，并形成LED的輸出。LED頂部的空氣/半導(dǎo)體邊界及LED下部的半導(dǎo)體/基板邊界均為具有顯著不同的折射率的兩個區(qū)域的邊界。因此，在活性區(qū)中以大于臨界角的角度產(chǎn)生的光線將在該等邊界處發(fā)生內(nèi)反射，并仍被捕集于該等兩個邊界之間直至光被吸收或到達(dá)該LED芯片的邊緣。一大部分的此捕集光線以小于臨界角的角度撞擊(strike)芯片邊緣的芯片/空氣邊界，且因此自該芯片脫離出去。
本發(fā)明利用了此邊緣發(fā)光以提供一監(jiān)控信號。一般而言，于邊緣處退出芯片的光的量是LED中所產(chǎn)生光的總量的固定部分。該確切的部分隨芯片的不同而不同?，F(xiàn)參見圖2及3，例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的RGB組件光源200。圖2為組件光源200的頂視圖，且圖3為沿線3-3的橫截面圖。組件光源200包括三個分別產(chǎn)生紅、綠及藍(lán)光的LED 201-203。每個LED均包括一芯片，該芯片可通過其側(cè)面發(fā)出LED中所產(chǎn)生的光的一部分。該LED具有一包括一透明區(qū)域的體部，該透明區(qū)域允許此光從不同于一沿垂直于該芯片表面方向發(fā)出的光的方向退出。LED 201-203中的芯片分別顯示于211-213處。
參見圖3，離開該芯片頂部的光顯示于221處，且離開該芯片側(cè)面的光顯示于222處。為簡化下文的討論，將該離開該芯片頂部的光稱作“輸出光線”，且將在LED中以大于臨界角的角度經(jīng)過一或多次內(nèi)部反射之后離開該芯片側(cè)面的光稱作側(cè)光。本發(fā)明通過使用一收集器230收集一部分的側(cè)光。將如此收集到的光稱作監(jiān)控光線。將該監(jiān)控光線引導(dǎo)到一測量相關(guān)的三個光譜區(qū)中的每一個的光強(qiáng)度的光探測器240上。在此狀況下，光探測器240測量在紅、藍(lán)及綠色光譜帶中的光，并產(chǎn)生241處所顯示的三個信號，該等信號的振幅為所測得的強(qiáng)度的函數(shù)。該等信號的振幅又是輸出光線的量度。在下文的討論中，將該等信號稱作監(jiān)控信號。
光探測器240可由3個光學(xué)濾光器及用于測量由每個濾光器所透射的光線的3個光電二極管構(gòu)成。為簡化圖式，圖中已省去了該等組件光電二極管及光學(xué)濾光器。
在圖2及3中所顯示的實施例中，收集器230是一個圓形對稱的收集器，其具有一于向下方向反射該離開LED 201的一部分側(cè)光的表面233。該收集器可由透明塑料構(gòu)成。該表面的反射性可取決于塑料及空氣的折射率的差異?；蛘?，可將諸如鋁的反射材料涂覆于該表面上。
一般而言，監(jiān)控光線與輸出光線的比例隨LED的不同而不同。然而，只要此比例保持恒定，則無需確定其精確值。如上文所指出，一反饋控制器利用該等監(jiān)控信號來保持正確的紅、藍(lán)及綠光強(qiáng)度，以產(chǎn)生所要的光譜。每個LED具有一獨立的電源線，該LED于該電源線上接收信號，其平均電流電平?jīng)Q定了該LED的光線輸出。LED 201的電源線顯示于251。反饋控制器調(diào)整了每個LED的驅(qū)動電流，直至該等監(jiān)控信號與存儲在該反饋控制器中的目標(biāo)值相匹配。
可以以實驗方法通過分析由組件光源所產(chǎn)生的光線將該等目標(biāo)值確定為該等LED的驅(qū)動電流的函數(shù)。當(dāng)達(dá)成令人滿意的光譜時，通過控制器來記錄該等監(jiān)控信號的值。然后，在組件光源的正常運作期間，反饋控制器調(diào)整該等驅(qū)動電流以將該等監(jiān)控信號保持于該等記錄目標(biāo)值。如果(例如)該等LED中的一個老化，并因此產(chǎn)生了較少的光線，則與此LED相關(guān)聯(lián)的監(jiān)控信號將在數(shù)值上減少。然后，該反饋控制器將增加此LED的驅(qū)動電流，直至該監(jiān)控信號再次與此LED的目標(biāo)值相匹配。
可將上文所討論的組件光源加以組合，以類似于上文參考圖1所論述的方式來構(gòu)成用于照明一腔室的擴(kuò)展光源?，F(xiàn)參見圖4，其為一根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的擴(kuò)展光源300的頂視圖?？蓪⒐庠?00視為一沿其長度具有恒定光強(qiáng)度的線性光源。光源300是由上文參考圖2及3所論述的類型的復(fù)數(shù)個組件光源所而構(gòu)成。示例性組件光源顯示于301-303。
每個組件光源具有可視為一組件總線307的六個信號線。組件總線307包括傳輸該等監(jiān)控信號的三條線及驅(qū)動該組件光源中的個別LED的三條電源線。該組件總線通過一接口電路連接至一控制總線311。對應(yīng)于組件光源301-303的該等接口電路分別顯示于304-306。
在此實施例中，每個接口電路提供兩個功能。第一，該接口電路選擇性地將該等監(jiān)控信號連接至一反饋控制器310，并接收規(guī)定待施加到該組件光源中的該等LED中的每一個上的驅(qū)動電流的信號。該接口電路包括一允許反饋控制器310選擇性地與接口電路進(jìn)行通信的地址。
第二，當(dāng)組件光源未連接至總線311時，該接口電流包括可將每個LED上的驅(qū)動電流保持于反饋控制器所規(guī)定的電平的電路。為執(zhí)行此功能，該接口電路包括保存決定，每個LED的驅(qū)動電流的值的三個寄存器及用于將該等值轉(zhuǎn)換成實際驅(qū)動電流的電路。可通過改變穿過各LED的DC電流的量值或通過改變“接通”與“斷開”LED的AC信號的占空系數(shù)來設(shè)定該等驅(qū)動電流。
本發(fā)明的上述實施例利用一圓形對稱光收集器來收集來自各LED的側(cè)光并將該光引導(dǎo)到光探測器上。然而，可利用其它形狀的光收集器。現(xiàn)參見圖5及6，其例示了一使用圓柱狀光收集器的組件光源。圖5為組件光源400的頂視圖，且圖6為組件光源400沿線6-6的橫截面圖。組件光源400具有六個LED 401-406。一圓柱狀收集器410收集來自該等LED的側(cè)光，該收集器410將來自每個LED的一部分側(cè)光反射到一光探測器上。LED 401-406的光探測器分別顯示于411-416。圓柱狀光探測器410包括一可利用全部的內(nèi)部反射或反射涂層以提供反射功能的反射性表面417。圓柱狀光收集器410可由施加有光學(xué)反射涂層的透明塑料壓出品構(gòu)成。
圖5及6所顯示的實施例為每個LED使用了獨立的光探測器。該光探測器優(yōu)選地為一覆蓋有光學(xué)濾光器的光電二級管，該光學(xué)濾光器防止測量到來自周圍LED的光線。具有類似于上文所述的光探測器240的單一光探測器的實施例也可以通過將該光探測器置于由光探測器412及415所占據(jù)的位置中并除去其它的光探測器而構(gòu)成。在此等實施例中，圓柱狀光收集器410必須充當(dāng)光導(dǎo)管以將光線從LED 401及403移到該探測器中。然而，此等實施例并非優(yōu)選的，因為從LED 401及403收集光線的效率低于從LED 402收集光線的效率。因此，來自LED 401及403的監(jiān)控信號的信號噪聲比小于來自LED 402的監(jiān)控信號的信號噪聲比。
圖5及6所顯示的實施例利用一個LED三聯(lián)體以在圓柱狀光收集器的各側(cè)產(chǎn)生紅、藍(lán)及綠光。然而，倘若來自一個LED的光線不會被與另一個LED相關(guān)聯(lián)的光探測器探測到，則也可以構(gòu)造出其中將圓柱狀收集器延長以容納額外的LED及光探測器的實施例。此等延長的光源極其適用于目前利用線性光源的應(yīng)用中?，F(xiàn)參見圖7，其為一延長的組件光源500的頂視圖。組件光源500包括排列于圓柱狀光收集器520兩側(cè)的12個LED 501-512。在圓柱狀光收集器520的一側(cè)的該等LED相對于圓柱狀光收集器520另一側(cè)的該等LED是偏移的。此排列提供了類似于參照圖2及3所述的RGB三聯(lián)體。每個三聯(lián)體涉及來自一側(cè)的一個LED及來自另一側(cè)的兩個LED。
該等上述實施例已經(jīng)利用由紅、綠及藍(lán)光LED構(gòu)成的組件光源。然而，也可以構(gòu)造出利用不同數(shù)目及顏色的LED的本發(fā)明的實施例。例如，對于人類觀察者呈白色的光源可通過將來自發(fā)藍(lán)光的LED及發(fā)黃光的LED的光混合而成。因此，可利用基于根據(jù)本發(fā)明的具有兩個LED的組件光源的白色光源來提供一擴(kuò)展白色光源。類似地，基于四種顏色的色彩設(shè)計是印刷技術(shù)所已知的。在此色彩設(shè)計中，根據(jù)本發(fā)明的組件光源可具有4個LED。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)先前的描述及所附圖示中將不難發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的各種修改。因此，本發(fā)明僅由前述權(quán)利要求的范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種包含一第一組件光源的光源，該組件光源包含N個LED，每個LED于一封裝中具有一發(fā)光芯片，所述發(fā)光芯片在一前向方向及一側(cè)向方向上發(fā)光，其中N＞1；通過一耦合至該LED的驅(qū)動信號來確定所述前向方向上產(chǎn)生的所述光線，所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分離開所述封裝；一光探測器；及一收集器，其被安置以將離開所述LED中的每一個的所述封裝的在所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分引導(dǎo)至所述光探測器上，所述光探測器產(chǎn)生N個強(qiáng)度信號，每個強(qiáng)度信號具有一與由所述LED中的一相應(yīng)LED在所述側(cè)向方向上發(fā)出的所述光線的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的振幅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中在所述側(cè)向方向上的光線的強(qiáng)度是在所述前向方向上的光線的強(qiáng)度的一固定部分(fixed fraction)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述收集器為圓形對稱的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述收集器為圓柱狀的，所述LED被沿著一平行于所述收集器的一軸線的線而排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述LED中的每一個LED發(fā)出的光線的波長不同于所述LED中的其它LED發(fā)出的光線的波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光源，其中所述光探測器包含N個光電二級管用來測量通過N個波長濾波器所接收到的光線，每個波長濾波器讓來自所述LED中的一個的光線通過。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中N＝2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中N＝3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述第一組件光源包含一總線及一第一接口電路用來控制N個信號，每個信號確定由所述LED中的一相應(yīng)LED在所述前向方向上產(chǎn)生的光線的強(qiáng)度，所述接口電路進(jìn)一步將所述N個強(qiáng)度信號耦合至所述總線以響應(yīng)一識別所述第一接口的控制信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光源，包含一第二組件光源，所述第二組件光源包含N個LED，每個LED于一封裝中具有一發(fā)光芯片，所述發(fā)光芯片在一前向方向及一側(cè)向方向上發(fā)光，其中N＞1；通過一耦合至該LED的驅(qū)動信號來確定所述前向方向上產(chǎn)生的所述光線，所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分離開所述封裝；一光探測器；一收集器，該收集器被放置以將離開所述LED中的每一個的所述封裝在所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分引導(dǎo)至所述光探測器上，所述光探測器產(chǎn)生N個強(qiáng)度信號，每個強(qiáng)度信號具有一與由所述LED中的一相應(yīng)LED在所述側(cè)向方向上發(fā)出的所述光線的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的振幅以及一用于控制N個信號之第二接口，每個信號確定在所述第二組件光源中的所述LED中的一相應(yīng)LED在所述前向方向上將要產(chǎn)生的光線的強(qiáng)度，所述接口電路進(jìn)一步將所述N個強(qiáng)度信號耦合至所述總線以響應(yīng)一識別所述第二接口的控制信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源，其進(jìn)一步包含一連接至所述總線的反饋控制器，所述反饋控制器利用所述組件光源中的每一個的所述強(qiáng)度信號以控制所述驅(qū)動信號。
12.一種以來自復(fù)數(shù)個LED的光線來照明一裝置的方法，每個LED于一封裝中具有一發(fā)光芯片，所述發(fā)光芯片在一前向方向及一側(cè)向方向上發(fā)光，通過一耦合至該LED的驅(qū)動信號來確定在所述前向方向上產(chǎn)生的所述光線，在所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分離開所述封裝，所述方法包括從所述LED中的每一個收集在所述側(cè)向方向上的所述光線的一部分；測量所述LED中的每一個的所述收集到的光線的強(qiáng)度，以為所述LED中的每一個產(chǎn)生一測量強(qiáng)度值；控制所述LED的所述驅(qū)動信號，以將所述測量得的強(qiáng)度值中的每一個保持于一目標(biāo)值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述前向方向上的所述光線是用來照明所述裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述LED中的一個所發(fā)出的光線與所述LED中的另一個所發(fā)出的光線的顏色不同。
全文摘要
一種光源及一種控制該光源的方法。該光源包括一包括有N個LED、一光探測器及一收集器(其中N＞1)的第一組件光源。每個LED于一封裝中具有一發(fā)光芯片。該發(fā)光芯片在一前向方向及一側(cè)向方向上發(fā)光。通過一耦合至該LED的驅(qū)動信號來確定在該前向方向上所產(chǎn)生的光線。在該側(cè)向方向上的光線的一部分離開該封裝。將該收集器放置以使在該側(cè)向方向上離開每個LED的封裝的光線的一部分引導(dǎo)至該光探測器上。該光探測器產(chǎn)生N個強(qiáng)度信號，每個強(qiáng)度信號具有一與該等LED中的一相應(yīng)LED在該側(cè)向方向上發(fā)出的光線的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的振幅。
文檔編號H05B37/02GK1629698SQ20041009083
公開日2005年6月22日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者吳基延, 鄭興佑, 吳福春 申請人:安捷倫科技公司