專利名稱：具有用于光反饋的光學傳感器結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有紅、綠、和藍發(fā)光二極管(LED)的陣列的發(fā)白光的光源，還涉及一種用于調(diào)節(jié)獨立部件的光輸出以便保持所需色平衡(色度)的控制系統(tǒng)，本發(fā)明尤其涉及這種具有用于光反饋的光學傳感器結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管光源。
發(fā)白光的光源具有紅、綠、和藍發(fā)光二極管(LED)的陣列(也稱為RGB(紅、綠、和藍)發(fā)光二極管光源)，由于高效率、低成本、以及可調(diào)節(jié)光輸出的色度等原因，所以該發(fā)白光的光源受到關(guān)注。
一個需解決的重要問題在于，芯片之間以及在每一芯片的壽命過程中，其中的發(fā)光二極管的光輸出各有不同。發(fā)光二極管的光輸出也會隨溫度反比例變化，但是對于每一顏色這種變化不均勻。此外，在發(fā)光二極管陣列中，單獨芯片的損壞也會改變光輸出。
美國專利6127783披露了一種帶有以電子方式調(diào)節(jié)色平衡的發(fā)白光的光源。該光源包括多個發(fā)光二極管，其中紅、綠、和藍色的每一發(fā)光二極管對于每種顏色帶有獨立的電源，還包括布置成測量所有發(fā)光二極管的光輸出的光電二極管。每種顏色的光輸出有電子控制電路來測量，該電路關(guān)閉在時間脈沖序列中不進行測量的顏色的發(fā)光二極管。對于每種顏色，被測量的光輸出與由使用者輸入來確定的所需光輸出進行比較，并且由此對每種顏色的發(fā)光二極管的電流進行校正。美國專利6127783的說明書在此作為參考引入本發(fā)明的說明書。
為了準確地控制光源的光輸出，全部的發(fā)出的光必須準確地監(jiān)控。這需要如此地設(shè)置光電二極管，即，使得來自每一發(fā)光二極管的光的等量部分被采樣，同時使得來自發(fā)光二極管的足夠的漫射光落在光電二極管上，以確保反饋回路令人滿意的操作。
本發(fā)明提供多種光學結(jié)構(gòu)，以便在RGB發(fā)光二極管光源的光路中或圍繞光路，可選地使用各種濾色器定位一個或多個光電二極管，以實現(xiàn)從每一發(fā)光二極管中采樣獲得等量的光，以便總的光輸出可準確地監(jiān)控。對于標準的RGB發(fā)光二極管光源的光學系統(tǒng)只需要做較少的改變，效率和其它性能規(guī)格基本上沒有影響。通過使光電二極管如此定位，以便反饋信號可用于電子控制裝置，以調(diào)節(jié)總光輸出和色平衡。
在本發(fā)明的第一實施例中，單獨的光電二極管結(jié)合到每一發(fā)光二極管封裝件中，該發(fā)光二極管封裝件包括發(fā)光二極管芯片以及引導來自發(fā)光二極管的光的透鏡。光電二極管設(shè)置就位，以便直接或間接地接收來自發(fā)光二極管的光。離開透鏡表面的反射充分地使光散射，以落在光電二極管上以便確保令人滿意的操作。
在第二實施例中，單獨的光電二極管封裝件定位在緊靠每一發(fā)光二極管或一個小組的發(fā)光二極管(例如三個發(fā)光二極管)附近，其中封裝件的出口孔或聚集透鏡朝向待監(jiān)控的該發(fā)光二極管。
在第三實施例中，部分反射元件(通常1％的反射率是足夠的)位于該光路中，在主聚光透鏡定位成并定形成將小部分的輸出光束經(jīng)該聚光透鏡反向反射，以便聚焦在光軸與發(fā)光二極管陣列的平面的交點處或稍微在交點之上。光學傳感器組件設(shè)置在該交點處，該光學傳感器包括一個或多個光電二極管、圍繞該光電二極管的白光聚集腔、以及例如為在該腔與該聚光透鏡之間的平面散射屏的散射器。該光學傳感器組件如此布置，即，使得在較大的區(qū)域(例如一個光電二極管封裝件的尺寸的幾倍)之上，來自每一發(fā)光二極管的光通量是大致恒定的。盡管本發(fā)明的實施例是最復(fù)雜的，但是其提供了最佳的性能、經(jīng)濟性、和通用性。
在每一實施例中，濾色器與光電二極管相關(guān)，使得它們選擇性地獲得RGB輸出的特定光譜區(qū)域，這樣省去了按照美國專利6127783使得發(fā)光二極管和光電二極管產(chǎn)生脈沖的需要。


圖1示出了本發(fā)明的發(fā)光二極管光源的一個實施例的截面圖，其中光學傳感器組件定位在發(fā)紅、綠、藍光的發(fā)光二極管陣列的中心，并且部分反射元件設(shè)置在該陣列的組合光輸出的光路中；圖2示出了圖1所示的光學傳感器的細節(jié)，其包括光電二極管陣列、散射器、聚集器、和可選的可變?yōu)V色器；圖3示出了圖2所示的光學傳感器的替代實施例，其包括與每一光電二極管相關(guān)的獨立的濾色器；圖4示出了包含獨立的發(fā)光二極管和發(fā)光二極管陣列的密封封裝件，該密封封裝件包括相關(guān)的光電二極管；圖5示出了帶有相關(guān)的光電二極管的密封封裝件的截面圖；圖6示出了帶有相關(guān)的光電二極管的三個發(fā)光二極管封裝件陣列；圖7示出了本發(fā)明的發(fā)光二極管光源的另一實施例的截面圖，其與圖1相似，不同之處在于部分反射元件和光學傳感器組件由與發(fā)光二極管陣列相關(guān)的光電二極管陣列代替；圖8是本發(fā)明的RGB發(fā)光二極管光源的一個實施例的光學和電氣系統(tǒng)的示意圖，其中包括光反饋和控制裝置；以及圖9是用于圖7所示的光源的光反饋和控制部分的邏輯序列的示意圖。
參照附圖，圖1是本發(fā)明的RGB發(fā)光二極管光源的光學部件的一個實施例的示意截面圖，發(fā)光二極管陣列101包括獨立的發(fā)光二極管組件(102、103、104)，其布置成圍繞中心軸線A的兩個同心環(huán)的獨立的發(fā)光二極管組件。每一個發(fā)光二極管組件包括密封的發(fā)光二極管封裝件126和準直透鏡120。光學傳感器組件105位于中心軸線A上，該光學傳感器組件包括散射器109、聚集器110、以及光電二極管陣列112、113、114(見圖2和3)。
主聚光透鏡106將來自發(fā)光二極管陣列101的光輸出引導到目標光導件108。適當形狀的部分反射器107設(shè)置在主聚光透鏡106與目標光導件108之間的區(qū)域中。該部分反射器107應(yīng)具有大約1％的全反射率，這小于大多數(shù)光學部件的全反射率。通過使用常規(guī)的抗反射涂層來進行涂敷，從而獲得這樣低的反射率。使用稍微的非球面的凹形形狀，如圖1所示，可獲得最佳的效果，但是使用平面反光鏡的構(gòu)形也可獲得相當好的結(jié)果。沒有涂敷的玻璃或塑料也可使用，但是必定降低整個系統(tǒng)的效率。
圖1示意性地示出的光學傳感器組件105作為在發(fā)光二極管陣列的中心附近的軸線上的單個圓柱體物件。可采用許多不同的構(gòu)形，其中包括單個或多個光電二極管以及簡單或復(fù)雜的聚集器結(jié)構(gòu)。兩個代表性的實施例如圖2和3所示，其中光學傳感器組件包括散射器109、聚集器110和光電二極管陣列111。
光學傳感器組件105按照美國專利6127783中所述的方式與發(fā)光二極管陣列中的不同顏色的發(fā)光二極管的脈沖產(chǎn)生同步地被讀取，以便提供調(diào)節(jié)發(fā)光二極管光源的色平衡所需的信息?；蛘?，可通過使用濾色器以便分離不同顏色的發(fā)光二極管的光輸出來避免發(fā)光二極管的脈沖產(chǎn)生，以便由光電二極管來測量。在一個可行的實施例中，如圖2所示，單個可變色濾色器115在光感測過程中可周期性地調(diào)諧成不同顏色的波長帶。在另一可行的實施例中，固定的不同顏色的濾色器116、117、118可與獨立的光電二極管112、113、114相關(guān)，如圖3所示。
一個示例性的光學子系統(tǒng)包括圍繞中心(光)軸線布置的由6個(內(nèi))和12個(外)發(fā)光二極管組件形成的兩個同心環(huán)，每一組件具有15mm的直徑的準直透鏡，并且簡單的光學傳感器組件包括六邊形散射板，白紙管形成簡單的聚集器結(jié)構(gòu)，這兩者也具有15mm的直徑；以及四個布置在聚集器腔內(nèi)的光電二極管封裝件。該光學傳感器組件居中地布置在光軸上并且從準直器的頂部向下垂直延伸到發(fā)光二極管芯片的水平面上。帶有抗反射涂層的平面反射鏡定位在主聚光透鏡和目標光導件之間，該平面反射鏡用作部分反射器。這種結(jié)構(gòu)在光電二極管陣列之上獲得了令人滿意的光均勻性。通過使用更精細更準確的組裝結(jié)構(gòu)，在以較低的總的光收集為代價的情況下，可實現(xiàn)聚集程度越好，導致均勻性越高。
當然，替代居中定位的光學傳感器105也是可行的。例如，在發(fā)光二極管陣列中每一發(fā)光二極管封裝件可具有與其相關(guān)的獨立的光電二極管。對于獨立的發(fā)光二極管封裝件的這種相關(guān)的兩個不同的實施例如圖4和5所示。
圖4示出了密封的發(fā)光二極管封裝件119，其包括安裝在底襯123上的發(fā)光二極管芯片121。光電二極管芯片122與發(fā)光二極管芯片121相鄰，也安裝在底襯123上，該光電二極管芯片122定位成便于測量來自發(fā)光二極管的光輸出。透鏡126覆蓋發(fā)光二極管芯片121和光電二極管122，以便沿向前的方向引導來自發(fā)光二極管的光。
圖5示出了與圖4所示相似的結(jié)構(gòu)，其中不同之處在于，光電二極管不安裝在密封的發(fā)光二極管組件126的內(nèi)部，單獨的光電二極管封裝件152定位成以便測量來自發(fā)光二極管封裝件150的光。發(fā)光二極管封裝件150包括安裝在底襯153上并由透鏡156覆蓋的發(fā)光二極管芯片151。
圖6示出了另一結(jié)構(gòu)，其中三個發(fā)光二極管封裝件161、162、163的陣列與單個光電二極管164相關(guān)。圖7示出了本發(fā)明的發(fā)光二極管光源的另一實施例的截面圖，其類似于圖1的結(jié)構(gòu)，不同之處在于，部分反射元件和光學傳感器組件由光電二極管176、177、178的陣列來代替，該光電二極管的陣列與發(fā)光二極管171、172、173的陣列以圖6所示的方式相關(guān)。當然，單獨的光電二極管176、177、178均可按照如圖4所示的替代結(jié)構(gòu)的方式結(jié)合到發(fā)光二極管封裝件中，或者按照如圖6所示的方式與兩個或多個發(fā)光二極管封裝件的組相關(guān)。如圖1所示，來自發(fā)光二極管陣列的光由聚光透鏡174引導到目標175。
參照圖8，本發(fā)明的光源的一個實施例的光學部件和電器部件的示意圖，控制器30將來自光電二極管24的反饋傳送到色點測量裝置，其與通過使用者輸入端40提供的所需設(shè)定值進行比較。基于該比較，控制器30確定是否出現(xiàn)所需的色平衡，并且由此對于相應(yīng)的二極管10、12、14向電流調(diào)節(jié)器11、13、15提供信號。因此來自交流轉(zhuǎn)變器50的電力輸入傳送到電流輸出端，該電流輸出端對于相應(yīng)紅、綠、藍的顏色控制光強度，以便獲得所需的色平衡。陣列中對于每種顏色的二極管通過在底襯16上的電路保持相同的電位。用于所需設(shè)定的使用者控制裝置包括對于相應(yīng)顏色的輸入端41、42、43，以及控制所獲得的白光的總強度的調(diào)光器。
圖9示出了用于圖8所示的光源的控制邏輯部分。當燈打開(31)時，電力供應(yīng)給發(fā)光二極管，并且啟動測量序列(32)。色點測量值與所需的設(shè)定值進行比較(33)，根據(jù)使用者的調(diào)節(jié)(35)來存儲該所需的設(shè)定值(34)?；谠摫容^，確定是否需要進行顏色調(diào)節(jié)(36)，并且如果需要，則進行該調(diào)節(jié)(37)，并重復(fù)該測量序列(32)。如果確定不需要進行顏色調(diào)節(jié)(36)，控制器將在重復(fù)該測量序列(32)之前等待預(yù)定的測量間隔(38)。
本發(fā)明不必以限定數(shù)量的實施例來描述。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見的是，本說明書、其它實施例和實施例的變型完全包含在本發(fā)明及其后附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管光源(100)，其包括包括至少一個發(fā)光二極管(102、103、104)的發(fā)光二極管陣列(101)，所述發(fā)光二極管具有多種顏色中的一種顏色；定位成以便將該發(fā)光二極管陣列的組合光輸出引導到目標光導件(108)的聚光透鏡(106)；定位成以便將來自該聚光透鏡的該光輸出的一部分部分地反射到該發(fā)光二極管陣列的部分反射元件(107)；以及定位成以便截獲并測量該反射光的一部分的光學傳感器(105)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，其還包括用于將電流供應(yīng)給所述發(fā)光二極管陣列(101)的裝置(50)，由此每種所述顏色的所述發(fā)光二極管(102、103、104)具有光輸出，并且該發(fā)光二極管陣列具有組合的光輸出，還包括用于將每種顏色的該反射光輸出單獨地提供給該光學傳感器(105)的裝置(32、115)；用于將對于每種顏色的該被測量的光輸出與對于每種顏色的相應(yīng)的所需光輸出相比較的裝置(33)；以及用于基于所述比較來調(diào)節(jié)供應(yīng)給每種顏色的發(fā)光二極管的所述電流的裝置(37)，由此可實現(xiàn)所需的組合光輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，用于將每種顏色的該反射光輸出單獨地提供給該光學傳感器(105)的該裝置(32、115)包括用于選擇性地關(guān)閉該發(fā)光二極管的裝置，以該光學傳感器在一系列時間脈沖中單獨地測量對于每種顏色的光輸出。
4.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，用于將每種顏色的該反射光輸出單獨地提供給該光學傳感器(105)的該裝置(32、115)包括用于選擇性地濾除每種單獨的發(fā)光二極管顏色的光輸出的濾色器裝置(115)。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，該光學傳感器包括光電二極管(112、113、114)的陣列(111)。
6.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，該濾色器裝置(115)包括與所述獨立的光電二極管(112、113、114)相關(guān)的單獨的濾色器(116、117、118)。
7.如權(quán)利要求5所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，該光學傳感器還包括光散射器(109)和光聚集器(110)。
8.一種發(fā)光二極管光源(100)，其包括包括至少一個發(fā)光二極管(171、172、173)的發(fā)光二極管陣列，所述發(fā)光二極管具有多種顏色中的一種顏色；定位成以便將該發(fā)光二極管(171、172、173)陣列的組合光輸出引導到目標光導件(175)的聚光透鏡(174)；以及光學傳感器(176、177、178)的陣列，每一光學傳感器與發(fā)光二極管或發(fā)光二極管組相關(guān)，每一光學傳感器定位成以便截獲并測量與其相關(guān)的發(fā)光二極管或發(fā)光二極管組的該光輸出的一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，每一光學傳感器(164)與一組三個發(fā)光二極管(161、162、163)相關(guān)。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管光源，其特征在于，其還包括用于將電流供應(yīng)給所述發(fā)光二極管陣列(171、172、173)的裝置(50)，由此每種所述顏色的所述發(fā)光二極管具有光輸出，并且該發(fā)光二極管陣列具有組合的光輸出；用于將對于每種顏色的該被測量的光輸出與對于每種顏色的相應(yīng)的所需光輸出相比較的裝置(33)；以及用于基于所述比較來調(diào)節(jié)供應(yīng)給每種顏色的發(fā)光二極管的所述電流的裝置(37)，由此可實現(xiàn)所需的組合光輸出。
全文摘要
發(fā)白光的發(fā)光二極管(LED)光源(100)設(shè)置有紅、綠、藍LED(102、103、104)的陣列以及保持所需色平衡的反饋裝置。該反饋裝置包括光電二極管(112、113、114)，其定位成便于單獨地測量每種紅、綠、藍顏色分量。在一個實施例中，單個光電二極管或光電二極管陣列(111)定位成便于截獲來自部分反射元件(107)的反射光，該部分反射元件設(shè)置在LED陣列的組合光輸出的路徑上。可通過使LED和光電二極管產(chǎn)生脈沖，或使用濾色器(116、117、118)來順序地測量獨立顏色。在替代實施例中，每一LED(121)具有相關(guān)的光電二極管(122)，每一光電二極管結(jié)合在發(fā)光二極管封裝件(119)或單獨的封裝件中。
文檔編號F21V23/04GK1514919SQ02811453
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者T·M·馬沙爾, T M 馬沙爾, M·D·帕斯利, 帕斯利, F·J·P·舒爾曼斯, P 舒爾曼斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司