具有强度监控系统的LED照明系统 【技术领域】
本发明涉及一种光源。
背景技术
发光二级管(LED)是取代诸如白炽灯及荧光灯光源的常规光源十分具有吸引力的候选。LED具有更高的光转换效率及更长的使用寿命。但是，LED产生的光在相对狭窄的光谱带内。因此，为了产生具有任意颜色的光源，通常利用一具有多个LED的复合光源。例如，可通过将来自发出红、蓝及绿光的LED的光进行组合而构造基于LED的光源，其提供被人们感知为匹配一特定颜色的发光。各种颜色的强度比例设定了人类观察者所感知到的光的颜色。
但是，个别LED的输出随温度、驱动电流及老化而有所不同。此外，LED地特征在生产过程中随不同的生产批量而变化，且对于不同颜色的LED而言，其特征也不同。因此，在一组条件下提供所要颜色的光源在条件发生改变或装置老化时将显示出色彩偏移。为避免该等偏移，必须将某形式的反馈系统并入到该光源中以改变个别LED的驱动条件，从而使得尽管该光源中所使用的组件LED具有可变性，但是该输出光谱保持于设计值。
基于LED的白色光源是用于显示器及投影仪的背光中。如果显示器尺寸相对较小，则可使用单组LED以照明该显示器。在此情况中，将反馈光探测器置于一位置中以使其可在混合来自个别LED的光之后收集来自整个显示器的光。
随着显示器尺寸的增加，需要一种LED光源数组以在整个阵列上提供均匀照明。此一阵列使反馈系统变得复杂。如果将光探测器置于混合腔室中，则将收集并分析来自整个显示器的光。因此，通过该反馈系统仅可以调节每种颜色的总的光强度级。因此，如果一特定的LED的运作不同于提供此颜色光的其它LED，则该反馈系统无法仅调节此LED。
【发明内容】
本发明包括一种光源及一种控制该光源的方法。该光源包括一包括有N个LED、一光探测器及一收集器(其中N＞1)的第一组件光源。每个LED在一封装中具有一发光芯片。该发光芯片在一前向方向及一侧向方向上发出光。通过一耦合至该LED的驱动信号来测定在前向方向上所产生的光。侧向方向的一部分光离开了该封装。将该收集器放置成使得离开了该等LED中的每一个的封装的在侧向方向上的一部分光被引导至该光探测器上。该光探测器产生N个强度信号，每个强度信号具有一与该等LED中相应的一个在侧向方向上所发出的光的强度相关联的振幅。侧向方向上的光的强度是前向方向上光的强度的一固定部分。在一个实施例中，该等LED中的每一个发出的光的波长与其它LED发出的光的波长不同。在一个实施例中，该收集器为圆柱形的，沿一平行于该收集器轴线的线来排列该等LED。在另一实施例中，光探测器包括用于测量通过N个波长滤波器所接收到的光的N个光电二极管，每个波长滤波器使来自该等LED中一个的光通过。在另一实施例中，该等组件光源中的两个被连接至一与反馈收集器相连的总线上。在此实施例中，各组件光源也包括一控制N个信号的接口电路，每个信号确定该等LED中的相应的一个在前向方向上所产生的光强度。该接口电路也将N个强度信号耦合至该总线，以响应一识别该第一接口的控制信号。该反馈控制器利用该等组件光源中的每一个的强度信号以控制该等驱动信号，从而将该等强度信号保持于预设的目标值。
【附图说明】
图1A为先前技术中的一显示器系统的顶视图。
图1B为图1A中所示的显示器系统的端视图。
图2为一组件光源的顶视图。
图3为图2中所示的光源沿线3-3的横截面图。
图4为根据本发明的一个实施例的延长光源的顶视图。
图5为一组件光源的顶视图。
图6为图5中所示的组件光源沿线6-6的横截面图。
图7为一延长组件光源的顶视图。
【具体实施方式】
参考图1A与1B可更容易地理解本发明提供其优势的方式。图1A为一先前技术显示器系统100的顶视图。图1B为显示器系统100的端视图。显示器系统100利用具有红、蓝及绿光LED的LED光源130，以从显示器装置170的后面位置上照亮显示器装置170。例如，显示器装置170可包括一由透射像素阵列构成的成像阵列。将来自LED源130的光“混合”于显示器装置170后面的腔160中，以为显示器装置170提供均匀照明。此腔的该等壁通常为反射性的。光探测器110对应于LED源130中的该LED测量腔160中的三个波长的光强度。控制器120在一伺服回路中使用该等测量以调整LED源130中各LED的驱动电流，以保持所要的照明光谱。
随着显示器尺寸的增加，该等LED必须由LED阵列所取代，该等LED阵列具有由显示器尺寸及照明显示器所需的光的数量而确定的空间范畴(spatial extent)。从单个LED所产生的光的数量存在着实际的限制。因此，基于一组RGB LED的照明被限制于相对小型的显示器。为了增加在此限制之外可获取的光，需要使用多组LED。因为LED的特性因生产批次不同而显着不同，所以在反馈回路中必须独立控制每组LED以保持所要的光谱。因此，在已经将来自各LED的光混合在一起之后，取样该混合腔室中的光的光探测器阵列仅可提供关于各种颜色中阵列的整体性能的信息。此信息不足以调整个别LED的驱动电流。本发明通过提供一种LED光源而克服了此问题，在该LED光源中该等组件LED中的每一个即使在混合腔室中存在相同颜色的若干LED时也分别接受测量。
本发明利用了此一观察，即：一LED所产生光的一部分被捕集在该LED的活性区(active region)中并从该芯片的侧面退出该LED。一般而言，LED是由分层结构而构成，其中光产生区域是夹在n-型与p-型层体之间。提取沿着与顶层或底层表面成约90度的方向行进的光，并形成LED的输出。LED顶部的空气/半导体边界及LED下部的半导体/基板边界均为具有显着不同的折射率的两个区域的边界。因此，在活性区中以大于临界角的角度产生的光线将在该等边界处发生内反射，并仍被捕集于该等两个边界之间直至光被吸收或到达该LED芯片的边缘。一大部分的此捕集光线以小于临界角的角度撞击(strike)芯片边缘的芯片/空气边界，且因此自该芯片脱离出去。
本发明利用了此边缘发光以提供一监控信号。一般而言，于边缘处退出芯片的光的量是LED中所产生光的总量的固定部分。该确切的部分随芯片的不同而不同。现参见图2及3，例示了根据本发明的一个实施例的RGB组件光源200。图2为组件光源200的顶视图，且图3为沿线3-3的横截面图。组件光源200包括三个分别产生红、绿及蓝光的LED 201-203。每个LED均包括一芯片，该芯片可通过其侧面发出LED中所产生的光的一部分。该LED具有一包括一透明区域的体部，该透明区域允许此光从不同于一沿垂直于该芯片表面方向发出的光的方向退出。LED 201-203中的芯片分别显示于211-213处。
参见图3，离开该芯片顶部的光显示于221处，且离开该芯片侧面的光显示于222处。为简化下文的讨论，将该离开该芯片顶部的光称作“输出光线”，且将在LED中以大于临界角的角度经过一或多次内部反射之后离开该芯片侧面的光称作侧光。本发明通过使用一收集器230收集一部分的侧光。将如此收集到的光称作监控光线。将该监控光线引导到一测量相关的三个光谱区中的每一个的光强度的光探测器240上。在此状况下，光探测器240测量在红、蓝及绿色光谱带中的光，并产生241处所显示的三个信号，该等信号的振幅为所测得的强度的函数。该等信号的振幅又是输出光线的量度。在下文的讨论中，将该等信号称作监控信号。
光探测器240可由3个光学滤光器及用于测量由每个滤光器所透射的光线的3个光电二极管构成。为简化图式，图中已省去了该等组件光电二极管及光学滤光器。
在图2及3中所显示的实施例中，收集器230是一个圆形对称的收集器，其具有一于向下方向反射该离开LED 201的一部分侧光的表面233。该收集器可由透明塑料构成。该表面的反射性可取决于塑料及空气的折射率的差异。或者，可将诸如铝的反射材料涂覆于该表面上。
一般而言，监控光线与输出光线的比例随LED的不同而不同。然而，只要此比例保持恒定，则无需确定其精确值。如上文所指出，一反馈控制器利用该等监控信号来保持正确的红、蓝及绿光强度，以产生所要的光谱。每个LED具有一独立的电源线，该LED于该电源线上接收信号，其平均电流电平决定了该LED的光线输出。LED 201的电源线显示于251。反馈控制器调整了每个LED的驱动电流，直至该等监控信号与存储在该反馈控制器中的目标值相匹配。
可以以实验方法通过分析由组件光源所产生的光线将该等目标值确定为该等LED的驱动电流的函数。当达成令人满意的光谱时，通过控制器来记录该等监控信号的值。然后，在组件光源的正常运作期间，反馈控制器调整该等驱动电流以将该等监控信号保持于该等记录目标值。如果(例如)该等LED中的一个老化，并因此产生了较少的光线，则与此LED相关联的监控信号将在数值上减少。然后，该反馈控制器将增加此LED的驱动电流，直至该监控信号再次与此LED的目标值相匹配。
可将上文所讨论的组件光源加以组合，以类似于上文参考图1所论述的方式来构成用于照明一腔室的扩展光源。现参见图4，其为一根据本发明的一个实施例的扩展光源300的顶视图。可将光源300视为一沿其长度具有恒定光强度的线性光源。光源300是由上文参考图2及3所论述的类型的复数个组件光源所而构成。示例性组件光源显示于301-303。
每个组件光源具有可视为一组件总线307的六个信号线。组件总线307包括传输该等监控信号的三条线及驱动该组件光源中的个别LED的三条电源线。该组件总线通过一接口电路连接至一控制总线311。对应于组件光源301-303的该等接口电路分别显示于304-306。
在此实施例中，每个接口电路提供两个功能。第一，该接口电路选择性地将该等监控信号连接至一反馈控制器310，并接收规定待施加到该组件光源中的该等LED中的每一个上的驱动电流的信号。该接口电路包括一允许反馈控制器310选择性地与接口电路进行通信的地址。
第二，当组件光源未连接至总线311时，该接口电流包括可将每个LED上的驱动电流保持于反馈控制器所规定的电平的电路。为执行此功能，该接口电路包括保存决定，每个LED的驱动电流的值的三个寄存器及用于将该等值转换成实际驱动电流的电路。可通过改变穿过各LED的DC电流的量值或通过改变“接通”与“断开”LED的AC信号的占空系数来设定该等驱动电流。
本发明的上述实施例利用一圆形对称光收集器来收集来自各LED的侧光并将该光引导到光探测器上。然而，可利用其它形状的光收集器。现参见图5及6，其例示了一使用圆柱状光收集器的组件光源。图5为组件光源400的顶视图，且图6为组件光源400沿线6-6的横截面图。组件光源400具有六个LED 401-406。一圆柱状收集器410收集来自该等LED的侧光，该收集器410将来自每个LED的一部分侧光反射到一光探测器上。LED 401-406的光探测器分别显示于411-416。圆柱状光探测器410包括一可利用全部的内部反射或反射涂层以提供反射功能的反射性表面417。圆柱状光收集器410可由施加有光学反射涂层的透明塑料压出品构成。
图5及6所显示的实施例为每个LED使用了独立的光探测器。该光探测器优选地为一覆盖有光学滤光器的光电二级管，该光学滤光器防止测量到来自周围LED的光线。具有类似于上文所述的光探测器240的单一光探测器的实施例也可以通过将该光探测器置于由光探测器412及415所占据的位置中并除去其它的光探测器而构成。在此等实施例中，圆柱状光收集器410必须充当光导管以将光线从LED 401及403移到该探测器中。然而，此等实施例并非优选的，因为从LED 401及403收集光线的效率低于从LED 402收集光线的效率。因此，来自LED 401及403的监控信号的信号噪声比小于来自LED 402的监控信号的信号噪声比。
图5及6所显示的实施例利用一个LED三联体以在圆柱状光收集器的各侧产生红、蓝及绿光。然而，倘若来自一个LED的光线不会被与另一个LED相关联的光探测器探测到，则也可以构造出其中将圆柱状收集器延长以容纳额外的LED及光探测器的实施例。此等延长的光源极其适用于目前利用线性光源的应用中。现参见图7，其为一延长的组件光源500的顶视图。组件光源500包括排列于圆柱状光收集器520两侧的12个LED 501-512。在圆柱状光收集器520的一侧的该等LED相对于圆柱状光收集器520另一侧的该等LED是偏移的。此排列提供了类似于参照图2及3所述的RGB三联体。每个三联体涉及来自一侧的一个LED及来自另一侧的两个LED。
该等上述实施例已经利用由红、绿及蓝光LED构成的组件光源。然而，也可以构造出利用不同数目及颜色的LED的本发明的实施例。例如，对于人类观察者呈白色的光源可通过将来自发蓝光的LED及发黄光的LED的光混合而成。因此，可利用基于根据本发明的具有两个LED的组件光源的白色光源来提供一扩展白色光源。类似地，基于四种颜色的色彩设计是印刷技术所已知的。在此色彩设计中，根据本发明的组件光源可具有4个LED。
所属领域的技术人员根据先前的描述及所附图示中将不难发现本发明的各种修改。因此，本发明仅由前述权利要求的范围所限定。