DE102005061204A1

DE102005061204A1 - Beleuchtungsvorrichtung, Beleuchtungssteuergerät und Beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE102005061204A1
Application number: DE102005061204A
Authority: DE
Inventors: Siegmund Kobilke
Original assignee: PerkinElmer Elcos GmbH
Current assignee: Excelitas Technologies Elcos GmbH
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-07-05
Also published as: JP2009521077A; WO2007071397A1; EP1969630A1; CN101331607A; US20090206758A1; TW200738995A

Abstract

Eine Beleuchtungsvorrichtung umfasst auf einem gemeinsamen Substrat (10) zumindest eine LED (11) einer ersten Farbe, vorzugsweise Blau, zumindest eine LED (12) einer zweiten Farbe, vorzugsweise Rot, und bevorzugt zumindest eine LED (13) einer dritten Farbe, vorzugsweise Grün, sowie zumindest eine weiße LED (14). Ein Beleuchtungssteuergerät (8) für eine Beleuchtungsvorrichtung (1) umfasst unterschiedliche steuerbare Energiequellen (83) für LEDs von unterschiedlicher Farbe zur Erzeugung unabhängig gesteuerter Betriebssignale für die LEDs von unterschiedlicher Farbe, verschiedene Ausgangsanschlüsse (84) für die LEDs von unterschiedlicher Farbe, um den LEDs von unterschiedlicher Farbe die unabhängig gesteuerten Betriebssignale zuzuführen, und eine erste Steuereinrichtung (81) zum Erzeugen von Betriebssteuersignalen für die steuerbaren Energiequellen. Ein Beleuchtungssystem umfasst eine oder mehrere der vorstehend genannten Beleuchtungsvorrichtungen und eines oder mehrere der vorstehend genannten Beleuchtungssteuergeräte.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Beleuchtungssteuergerät und ein Beleuchtungssystem, wie in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht.

Für eine wachsende Anzahl von Anwendungen sind Beleuchtungsvorrichtungen von variabler Lichtfarbe erforderlich, die von kleiner Größe, aber hoher Intensität und guter Farbveränderlichkeit und -steuerbarkeit sind. Lichtemitterdioden (LEDs) werden zunehmend für Beleuchtungsvorrichtungen und -systeme eingesetzt. Früher wurden sie typischerweise als Anzeigelampen benutzt, nicht jedoch für Projektions- oder Beleuchtungssysteme, da LEDs typischerweise die erforderliche Intensität fehlt. Dennoch sind LEDs für viele Anwendungen aufgrund ihrer geringen Größe, niedrigen Kosten und einfachen Verwendung wünschenswerte Lichtquellen. Ein weiteres Problem der LEDs besteht darin, dass sie typischerweise kein Farbspektrum hoher Qualität erzeugen können. Weißes LED-Licht wird durch Verwendung entweder einer blauen LED oder einer UV-LED mit einer Phosphorumwandlungsschicht erzeugt. Eine solche Umwandlungsschicht absorbiert Licht aus der blauen oder UV-LED und strahlt vorrangig gelbe und auch rote Lichtkomponenten wieder aus, so dass die Überlagerung von übertragenem Licht und wieder ausgestrahltem gelbem und rotem Licht den Eindruck von weißem Licht vermittelt. In diesem Fall ist die Farbe nicht steuerbar, da das Verhältnis zwischen den verschiedenen Komponenten (durchgelassenes Licht, wieder ausgestrahltes Licht) nicht steuerbar ist.

Ferner ist es bekannt, LEDs mehrerer Farben, insbesondere eine rote, eine grüne und eine blaue LED, eng nebeneinander zu positionieren, um durch die Überlagerung der drei Einzelfarben Licht zu erzeugen, das weißem Licht nahe kommt. Aber die durch eine solche Anordnung erzielten Ergebnisse sind nicht in allen Fällen zufrieden stellend. Oft mangelt es im Bereich der gelben Strahlung (Wellenlänge etwa 580 nm) an Intensität. Außerdem variieren Farbe und Intensität des Lichts einer bestimmten LED je nach Temperatur und Betriebsdauer der LED, wobei Farbe und Intensität einer LED selbst wechselseitig voneinander abhängen können, so dass sich ein Farbgemisch, das anfangs oder früher einmal annehmbar war, im Lauf der Zeit oder mit sich verändernder Intensität verschlechtert.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung, ein Beleuchtungssteuergerät und ein Beleuchtungssystem zur Verfügung zu stellen, die eine steuerbare Beleuchtung von hoher Qualität mit LEDs erzeugen können.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Eine Beleuchtungsvorrichtung umfasst auf einem gemeinsamen Substrat zumindest eine LED einer ersten Farbe, vorzugsweise blau, zumindest eine LED einer zweiten Farbe, vorzugsweise rot, und bevorzugt zumindest eine LED einer dritten Farbe, vorzugsweise grün. Des Weiteren umfasst sie auf dem gemeinsamen Substrat zumindest eine LED von weißer Farbe.

Des Weiteren kann die Vorrichtung einen Temperatursensor und/oder einen Lichtintensitätssensor umfassen.

Ein Beleuchtungssteuergerät für eine oben genannte Beleuchtungsvorrichtung umfasst verschiedene steuerbare Energiequellen für LEDs von verschiedener Farbe zum Erzeugen unabhängig gesteuerter Betriebssignale (Spannungen oder Ströme) für die LEDs von verschiedener Farbe, verschiedene Ausgangsanschlüsse für die LEDs von verschiedener Farbe, um jeweils den LEDs von verschiedener Farbe die unabhängig gesteuerten Betriebssignale zuzuführen, und eine erste Steuereinrichtung zum Erzeugen individueller Betriebssteuersignale für die steuerbaren Energiequellen. Das Betriebssteuersignal kann auch nach Maßgabe eines Temperatursignals und/oder eines Lichtintensitätssignals erzeugt werden, wobei diese Signale bevorzugt von der durch das Steuergerät gesteuerten Beleuchtungsvorrichtung kommen.

Ein Beleuchtungssystem umfasst eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen, wie vorstehend genannt, und ein oder mehrere Beleuchtungssteuergeräte, wie vorstehend angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend werden Gesichtspunkte und Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung ist,
2 ein Spektrum der in der Vorrichtung der 1 erzeugten verschiedenen Lichtkomponenten ist,
3 eine Explosionsansicht der Beleuchtungsvorrichtung ist,
4 eine perspektivische Ansicht der Beleuchtungsvorrichtung ist,
5 eine schematische Darstellung einer anderen Beleuchtungsvorrichtung ist,
6 eine schematische Darstellung einer noch anderen Beleuchtungsvorrichtung ist,
7 eine Schnittansicht einer Beleuchtungsvorrichtung ist,
8 eine schematische Ansicht eines Beleuchtungssteuergeräts ist,
9 die Darstellung von Steuersignalen ist,
10 eine graphische Darstellung ist, die die Farbkoordinaten im Farbraum der Beleuchtungsvorrichtung der 1 zeigt,
11 eine graphische Darstellung ist, die ein typisches Strahlenmuster für die Vorrichtung der 1 zeigt,
12 eine graphische Darstellung ist, die die relative Intensität durch eine Winkelverschiebung der Vorrichtung der 1 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen für gleiche Komponenten und Merkmale verwendet. In 1 symbolisiert 1 die Beleuchtungsvorrichtung, 10 ein Substrat, 11 eine LED einer ersten Farbe, vorzugsweise blau, 12 eine LED einer zweiten Farbe, vorzugsweise rot, 13 eine LED einer dritten Farbe, vorzugsweise grün, und 14 eine LED von weißer Farbe. 15 und 16 symbolisieren Verbindungseinrichtungen für die LEDs. Diese Verbindungseinrichtungen sind so vorgesehen, dass die LEDs einzeln ansteuerbar sind. In der gezeigten Ausführungsform können die LEDs einen gemeinsamen Kontakt, beispielsweise eine gemeinsame Kathode, die über die Anschlussstelle 15 zugänglich ist, aufweisen und können jeweils eigene Kontakte für die Polarität, im gezeigten Beispiel einzelne Anodenkontakte, besitzen, die als mehrere Anschlussstellen 16 für die verschiedenen Farben gezeigt sind. Dementsprechend sind sie einzeln ansteuerbar.
Die Spektra der verschiedenen LEDs sind in 2 gezeigt. 21 steht für die Intensität durch die Wellenlänge von der blauen LED 11. Sie kann ein vergleichsweise scharfes Maximum bei einer Wellenlänge von weniger als 490 nm, bevorzugt von mehr als 400 nm, aufweisen. 22 steht für die Intensität durch die Wellenlänge der roten LED 12. Sie kann eine vergleichsweise scharfe Spitze bei einer Wellenlänge von mehr als 600 nm, vorzugsweise von weniger als 700 nm, aufweisen. 23 steht für die Ausgangsintensität einer grünen LED 13 mit einer vergleichsweise scharfen Spitze bei einer Wellenlänge zwischen 490 und 580 nm. 24 steht für die Ausgangsintensität einer weißen LED. Eine weiße LED kann durch eine blaue oder UV-LED zusammen mit einer ihr zugeordneten Lichtumwandlungseinrichtung ausgebildet sein, wobei diese Umwandlungseinrichtung insbesondere Phosphorsubstanzen zur Absorption des Lichts aus der blauen oder UV-LED umfasst und es über einen möglichst weiten Bereich des sichtbaren Spektrums wieder ausstrahlt. Das Ausgangsspektrum einer weißen LED kann zumindest zwei globale Spitzen, einem im Bereich von blau, die andere im Bereich von grün, gelb oder rot, aufweisen, und zwar vorzugsweise bei einer Wellenlänge zwischen 530 nm und 600 nm. In der Kurve 24 steht die Spitze 24-1 für die Intensität, die durch die grundlegende blaue oder UV-LED der weißen LED erzeugt und ausgestrahlt und durch die Lichtumwandlungseinrichtung durchgelassen wurde. 24-2 steht für die Spitze, die durch das Licht erzeugt wurde, das von der Lichtumwandlungseinrichtung absorbiert und wieder ausgestrahlt wurde. Sie kann vergleichsweise breit sein. Die Spitze 24-2 ist auf einer längeren Wellenlänge als die Spitze 24-1 und kann zwischen der Spitze der roten Kurve 22 und der Spitze der blauen Kurve 21, vorzugsweise auch zwischen der roten Spitze und der grünen Spitze der Kurve 23, liegen. Überraschenderweise hat die Forschung der Erfinder gezeigt, dass das Bereitstellen einer weißen LED zusätzlich zu einer blauen und einer roten LED und möglicherweise einer grünen LED zu besseren Ergebnissen bei der Steuerbarkeit führt als die Hinzufügung einer gelben LED zu rot, blau und möglicherweise grün. Aber es kann eine gelbe LED zusätzlich zu einer weißen LED vorgesehen werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann es je nach den Anforderungen an die Steuerung möglich sein, eine der Farbdioden wegzulassen, insbesondere die grüne LED 13, und daher nur eine blaue LED 11, eine rote LED 12 und eine weiße LED 14 zu verwenden. Jedoch sind in anderen bevorzugten Ausführungsformen eine oder mehrere von jeweils den blauen, roten, grünen und weißen LEDs vorgesehen.
3 zeigt eine Explosionsansicht einer tatsächlichen Konstruktion der Beleuchtungsvorrichtung. 11 bis 14 symbolisieren die vorstehend angegebenen LEDs. Sie sind nahe nebeneinander liegend angeordnet, vorzugsweise so nahe, wie es ihre Konstruktion, Verdrahtung und andere Notwendigkeiten erlauben. 10 ist ein mechanisches Substrat von vorzugsweise guter Wärmeleitfähigkeit. Es kann Kupfer sein oder aufweisen, z. B. als eine Platte von gewünschter Dicke, wie etwa einem Millimeter. 31 ist eine Isolierungsschicht von gleichermaßen guter Wärmeleitfähigkeit. Für bessere thermische Bedingungen kann die Isolierungsschicht 31 teilweise entfernt werden und Chips, insbesondere mit einer isolierten Rückseite, können direkt auf dem Substrat angebracht werden. In diesem Fall enthält die Isolierungsschicht 31 die Verdrahtung für den rückseitigen Kontakt des roten Chips, die Drahtkontaktierungsanschlussstellen und die Kontaktanschlussstellen. 32 symbolisiert ein Verdrahtungsmuster, um die LEDs so zu kontakten, dass sie einzeln angesteuert werden können. 33 ist ein Hilfskörper, der eine Rückhaltefunktion für eine Gusssubstanz 34 besitzen kann, die auf die angebrachten LEDs gegossen worden ist, um sie zu schützen und/oder um Licht zu sammeln, wie es weiter unten in dieser Beschreibung dargelegt ist.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Anordnung in zusammengesetztem Zustand. 61 und 62 symbolisieren einen oder mehrere Sensoren, die später zu erläutern sind. 15 und 16 symbolisieren wie in 1 einzelne Kontakte für einzelne Komponenten. In der gezeigten Ausführungsform ist 15, wie in 1, eine gemeinsame Kathode oder alternativ eine Anode. 16-B, 16-R, 16-G und 16-W sind Anoden oder alternativ Kathoden für die blaue, rote, grüne bzw. weiße Diode. 41 ist ein Sensorkontakt.
Das Verdrahtungsmuster und Kontaktierungsmuster können anders als das in 4 gezeigte sein. Anstatt einer gemeinsamen Kathode kann eine gemeinsame Anode vorgesehen sein. Oder sowohl die Kathoden als auch die Anoden können einzeln vorgesehen und für jede der Dioden in der Reihenfolge zugänglich sein, um die Steuerbarkeit zu verbessern. Gleichermaßen können die Sensoren 61, 62 einzelne Kontakte aufweisen. Die Gesamtgestaltung kann hexagonal oder polygonal oder kreisförmig oder in einer anderen geeigneten Form ausgebildet sein, je nach Konstruktions- und anderen Notwendigkeiten.
5 zeigt eine weitere schematische Anordnung einer Beleuchtungsvorrichtung. Wiederum beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale. 11 bis 14 sind die jeweiligen genannten LEDs. 13-2 kann eine weitere LED von einer bereits vorhandenen Farbe sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung zwei grüne LEDs 13 und 13-2 umfassen. Allgemein gesprochen, können eine oder mehrere der Farb-LEDs (einschließlich der weißen LED) zweimal oder mehrere Male vorgesehen sein. Die LEDs von einer Farbe können einzeln steuerbar oder miteinander verbunden sein, beispielsweise in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Was die physische Anordnung betrifft, so können die LEDs von einer Farbe nicht-nebeneinanderliegend vorgesehen sein, um eine gute Farbmischung zu ergeben.
Die Anordnung der 5 zeigt eine Anordnung der fünf LEDs in einem Fünfeck. 52 steht für Verdrahtungen von den LEDs zu einem Stecker 51 mit einer angemessenen Anzahl von Kontakten. Wiederum können die LEDs eine gemeinsame Kathode oder eine gemeinsame Anode aufweisen oder einzeln zugängliche Anoden und Kathoden für jede Farbe oder sogar für jede Diode einer Farbe, je nach den Anforderungen an die Steuerung, besitzen. Der physische Aufbau der Ausführungsform der 5 kann ähnlich jenem sein, der in den 3 und 4 gezeigt ist, d. h. er kann ein Kupfersubstrat, eine Isolierschicht und darauf ein die LEDs und eventuell vorgesehene Sensoren mit dem Stecker 51 verbindendes Verdrahtungsmuster aufweisen.
6 zeigt eine weitere Beleuchtungsvorrichtung. 11 bis 14 sind die bereits erwähnten Dioden. Vorliegend sind sie in einer quadratischen Gruppierung (2 × 2 LEDs) angeordnet. Eine möglicherweise doppelt vorgesehene LED 13-2 von einer Farbe kann an die Seite der quadratischen Anordnung gesetzt werden. 61 symbolisiert einen Temperatursensor zum Abtasten der Temperatur des Substrats, die der Temperatur der LEDs eng folgt. 62 ist ein Lichtintensitätssensor zum Abtasten der Intensität des auf ihn fallenden Lichts. Der Sensor 62 kann ein Breitbandsensor sein, der zum Abtasten von Intensitäten über das Spektrum hinweg, das von den verschiedenen LEDs vorgesehen wird, imstande ist. Aber gleichermaßen können auch mehrere Intensitätssensoren mit Empfindlichkeiten auf einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich vorgesehen sein. Die Sensoren 61, 62 können entsprechende Kontaktierungseinrichtungen aufweisen, beispielsweise Kontaktierungsstellen 63, 64 oder Kontaktanschlussstifte an einem Stecker 51, wie in 5 gezeigt ist.
Der Temperatursensor 61 kann so nahe wie möglich an den LEDs vorgesehen sein, um die Temperatur zu erfassen, die an den LEDs entsteht. Der Lichtintensitätssensor 62 kann so vorgesehen sein, dass er eine repräsentative Lichtquantität von allen LEDs empfängt. Der Lichtintensitätssensor 62 kann eine Fotodiode oder ein Fototransistor sein oder aufweisen. Der Temperatursensor kann ein Thermistor, ein PTC (positive temperature coefficient)-Widerstand, ein NTC (negative temperature coefficient)-Widerstand oder dergleichen sein. Einer der Sensoren oder alle beide erzeugt bzw. erzeugen Signale, die in einer entsprechenden Steuerung zum Erzeugen der Ansteuersignale für die jeweiligen LEDs auch nach Maßgabe der Temperatur und/oder abgetasteten Lichtintensität ausgewertet werden.
7 ist eine schematische Schnittansicht durch eine Anordnung, wie sie in 4 gezeigt ist. 11 bis 14 symbolisieren die verschiedenen LEDs. 61, 62 symbolisieren einen oder mehrere der Sensoren, der bzw. die vorgesehen sein kann bzw. können. 34 ist eine mehr oder weniger durchsichtige Schutzabdeckung für die verschiedenen LEDs und möglichen Sensoren. Sie kann eine gegossene und aushärtende Substanz sein. Die Verbindung der LEDs und Sensoren mit der Verdrahtung auf dem Substrat kann durch Kontaktierung bzw. Bonden erfolgen, so dass dünne Kontaktierungsdrähte einen mechanischen Schutz erfordern. Dies kann durch Vorsehen einer zunächst flüssigen oder halbflüssigen und dann sich verfestigenden/aushärtenden, mehr oder weniger durchsichtigen Abdeckung 34 zum Einkapseln der LEDs und ihrer Verdrahtung sowie möglicherweise der Sensoren, sofern vorgesehen, erreicht werden. 33 ist ein Hilfskörper, der die Funktion aufweisen kann, den Schutz 34 zurückzuhalten, solange dieser noch flüssig oder halbflüssig ist. Der Hilfskörper kann ringförmig sein und aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Er kann auf die zugängliche Oberfläche der Vorrichtung geklebt sein. Die Innenfläche 72 des Hilfskörpers 33 kann konkave Bereiche aufweisen und/oder zusammen mit der Oberfläche der Vorrichtung eine konkave Struktur bilden. Der Winkel zwischen der Oberfläche 73 der Vorrichtung und der Seitenwand 72 des Hilfskörpers 33 kann stumpf sein. Durch eine derartige Gestaltung erhält die Vorrichtung lichtkonvergierende Eigenschaften.
71 kann eine Diffusoreinrichtung sein. Diese kann eine weitere Gussschicht mit lichtstreuenden Eigenschaften sein. Aus den LEDs emittiertes Licht wird zu dem Hilfskörper, zu den LEDs und zur Oberfläche 73 der Vorrichtung zurück gestreut. Die Seitenwände 72 des Hilfskörpers 33 bzw. der Vorrichtungsoberfläche 73 können reflektierend sein oder reflektierende Bereiche aufweisen. Dann wird das Licht wieder reflektiert, vorzugsweise in eine Richtung nach außen. Dadurch wird die Lichtmischung so verbessert, dass der Eindruck von gleichmäßigem weißem oder farbigem Licht entsteht, auch wenn man sich der Vorrichtung 1 sehr nahe kommt.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines Beleuchtungssteuergeräts 8. Es ist dazu ausgelegt, dass es durch eine Verbindungsstruktur 9 mit einer Beleuchtungsvorrichtung 1 verbunden ist. Die Verbindungsstruktur 9 kann ein Mehrdrahtkabel 97 und beispielsweise einen Stecker 96 aufweisen, der zu einem entsprechenden Stecker auf der Seite des Steuergeräts passt. Auf der Seite der Beleuchtungsvorrichtung 1 können wiederum ein Stecker oder Kontaktierungsanschlussstellen oder andere geeignete Verbindungseinrichtungen vorgesehen sein. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 kann so ausgebildet sein, wie vorstehend beschrieben ist.
Das Steuergerät 8 umfasst mehrere steuerbare Energiequellen 83-R, 83-G, 83-B, 83-W, so dass die jeweiligen Dioden (rot, grün, blau, weiß) auf der Seite der Beleuchtungsvorrichtung mit Energie versorgt werden. Die Energiequellen erzeugen die Betriebssignale und können steuerbare Stromquellen sein, die gesteuerte Ströme erzeugen, oder sie können steuerbare Spannungsquellen sein, die gesteuerte Spannungen erzeugen. Die steuerbaren Energiequellen 83 führen ihre Betriebssignale (Ausgangstrom, Ausgangsspannung) einem Stecker 84 zu, von dem aus sie durch den Stecker 96 und das Kabel 97 einer Beleuchtungsvorrichtung 1 zugeführt werden können.
Weiterhin weist das Steuergerät eine erste Steuereinrichtung 81 zum Erzeugen von Betriebssteuersignalen für die steuerbaren Energiequellen auf. Entsprechend den mehreren LEDs und den mehreren steuerbaren Energiequellen werden mehrere Betriebssteuersignale einzeln erzeugt und den Energiequellen zugeführt, obwohl 8 schematisch nur eine Signalleitung zeigt. Die erste Steuereinrichtung 81 kann von mehr oder weniger komplexer Beschaffenheit sein. Sie empfängt externe Beleuchtungssteuerungsgrößen durch eine Steuereingangseinrichtung 87. Die Eingangseinrichtung kann eine Art au tomatischer Sollwerterzeugung sein und/oder sie kann eine manuelle Einstellung durch Schalter, Potentiometer oder andere geeignete Eingabeeinrichtungen für Benutzer sein oder aufweisen. Die erste Steuereinrichtung 81 kann von vergleichsweise komplexer Beschaffenheit sein. Sie kann Zugriff auf im Voraus gespeicherte Charakteristika der LEDs und auf im Voraus gespeicherte Charakteristika von Lichtmischungseigenschaften besitzen. Beispielsweise können Nachschlagetabellen für die jeweiligen Intensitäten der verschiedenen LEDs und möglicherweise Interpolationseinrichtungen vorhanden sein. Solche Tabellen können in Abhängigkeit von einer Solleinstellungsskala zugänglich sein.
In einer besonderen Ausführungsform kann die erste Steuerung den steuerbaren Energiequellen jeweils Pulsweiten-Modulationssignale (PWM-Signale) durch eine PWM-Steuerung 88 zuführen. Dies hat den Effekt, dass die LEDs beim Einschalten eine vorgegebene bekannte Intensität besitzen und man beim Ansteuern der LEDs nicht in die Nichtlinearität zwischen Ansteuerstrom und Lichtintensität gerät. Aber gleichermaßen kann die Spannungsamplitude oder Stromamplitude durch die Ausgabe der ersten Steuereinrichtung 81 gesteuert werden.
Die erste Steuereinrichtung 81 kann auch ein Temperatursignal und/oder ein Lichtintensitätssignal empfangen, wobei auf diese Signale zurückgegriffen wird, wenn die Betriebssteuersignale vorbereitet werden. Das Temperatursignal und das Lichtintensitätssignal können durch Eingänge 85 bzw. 86 zugeführt werden. Sie können direkt von der Beleuchtungsvorrichtung 1 aus den dort vorgesehenen Sensoren 61, 62 kommen. Diese Sensorsignale können mit Sollwerten oder bisherigen Werten verglichen werden und eine Korrektur kann zum Beispiel nach Maßgabe einer Abweichung zwischen einem Sollwert oder bisherigen Wert und dem abgetasteten Wert stattfinden.
Das Steuergerät 8 kann eine zweite Steuerung 82 aufweisen. Sie kann Teststeuersignale für die steuerbaren Energiequellen zum Erzeugen von Testsignalen für die LEDs erzeugen. Die zweite Steuerung 82 kann mit der ersten Steuerung 81 intermittierend arbeiten, was durch einen Schalter in 8 symbolisiert ist. In einer praktischen Ausführungsform kann eine angemessen programmierte Steuerung vorgesehen sein, um sowohl die Betriebssteuersignale als auch die Teststeuersignale abwechselnd zu erzeugen.
Allgemein gesprochen, können Testsignale auf vorgegebene Art und Weise, d. h. mit vorgegebener Spannungs- oder Stromamplitude oder Pulsweite erzeugt werden. Während die LEDs durch die Teststeuersignale angesteuert werden, wird die Lichtintensität der LEDs durch den Intensitätssensor 62 erfasst und in die erste Steuerung 81 eingegeben. Dort wird der erfasste Wert zum Erzeugen der Betriebssteuersignale eingesetzt, nachdem der Test vorüber und der normale Betrieb wieder aufgenommen ist. Durch diese Technik können Temperaturabhängigkeiten und Auswirkungen aufgrund von Alterung kompensiert werden.
Die während des Testmodus erfasste Intensität kann mit erwarteten oder Sollwerten oder bisherigen Werten verglichen werden, und in Abhängigkeit von dem Vergleich werden Neueinstellungen der jeweiligen Ansteuerwerte während der Betriebssteuerung zur Erzeugung der Betriebssteuersignale vorgenommen. Insbesondere kann entweder eine Spannungs- oder Stromamplitudenkorrektur oder eine Pulsweitenkorrektur je nach der Beschaffenheit der Ausgabe der ersten Steuerung 81 und der Energiequellen vorgenommen werden.
9 zeigt eine bestimmte Weise zur Erzeugung von Steuersignalen. 93 ist eine Zeitdauer normalen Betriebs. 94 ist eine Testzeitdauer. 95 ist eine weitere Zeit normalen Betriebs. Danach kann eine weitere Testzeitdauer 94 folgen, und so weiter. Testzeitdauern können periodisch auftreten, beispielsweise einmal pro Minute, einmal alle zehn Sekunden oder dergleichen. Die Testzeitdauern selbst können vergleichsweise kurz sein, zum Beispiel kürzer als 200 ms. Die LEDs selbst sind vergleichsweise schnelle Vorrichtungen mit Reaktionszeiten von weniger als 100 ns. Gleichermaßen sind die optischen Sensoren vergleichsweise schnell mit Reaktionszeiten von weniger als 10 μs. In vielen Fällen sind die Reaktionszeiten der steuerbaren Energiequellen der einschränkende Faktor. Jedenfalls können die Testdauern so festgelegt werden, dass die aufgrund der Testsignale veränderte Beleuchtung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
9 zeigt eine Ausführungsform, in der Testsignale 92B, 92R, 92G und 92W jeweils für die blaue, rote, grüne und weiße LED erzeugt werden. Diese Testsignale können eine vorgegebene Strom- oder Spannungsamplitude und/oder eine vorgegebene Pulsweise zum entsprechenden Ansteuern der jeweiligen Diode aufweisen. In einer bevorzugten Weise wird während des Tests nur eine LED (oder LEDs von einer Farbe) zugleich angesteuert, wohingegen die anderen LEDs (die LEDs von anderer Farbe) abgeschaltet werden. Dann erfasst der Intensitätssensor nur die Intensität einer Farbe und es kann ein jeweiliges Farbintensitätssignal erfasst werden. Dadurch können Korrekturwerte für alle Farben einschließlich weiß erfasst und individuell für die jeweiligen Farbkomponenten eingesetzt werden, wenn Betriebssteuersignale für den Normalbetrieb in den Zeitdauern 93 und 95 erzeugt werden.
9 zeigt die Teststeuersignale für die verschiedenen Farben, die unmittelbar nacheinander erzeugt werden. Um jedoch die Länge der Testzeitperiode 94 zu verkürzen, können sie intermittierend mit dem Normalbetrieb eines nach dem anderen oder nur für einige und nicht für alle LEDs erzeugt werden, beispielsweise wird nach einer Zeit des Normalbetriebs ein Testsignal 92 für die blaue Diode erzeugt, dann wird wieder der Normalbetrieb aufgenommen, dann wird ein Testsignal 92R für die rote Diode erzeugt, dann wird mit dem Normalbetrieb fortgefahren, und so weiter. Entsprechend der Erzeugung der Testsignale für die verschiedenen Farben werden die verschiedenen Lichtintensitäten erfasst und für die einzelnen Farben getrennt verarbeitet. Die erfassten Werte können mit jeweiligen Sollwerten oder früheren Werten verglichen werden, um jeweilige Korrekturwerte für die einzelnen Farben zu bestimmen. Derartige Korrekturwerte können gespeichert und später zur Erzeugung von Betriebssteuersignalen eingesetzt werden.
Das Steuergerät 8 kann eine digitale Steuerung einschließlich Computerkomponenten wie CPU, RAM, ROM, jeweilige Schnittstellen, einen Bus und dergleichen umfassen. Aber es kann auch eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) mit Zugriff auf bestimmte Charakteristika, Tabellen oder dergleichen sein. In einer Ausführungsform kann das Steuergerät 8 auf demselben Substrat wie die Beleuchtungsvorrichtung 1 ausgebildet sein und von externen Quellen Beleuchtungssollwerte empfangen.
Zusammen mit einer Beleuchtungsvorrichtung 1, wie vorstehend beschrieben, bildet die Steuerung 8 ein Beleuchtungssystem.
Beleuchtungsvorrichtungen und -systeme wie die vorstehend beschriebenen sind fähig, ein steuerbares Licht von hoher Qualität zu erzeugen, das mit einer Standard-RGB-Vorrichtung nicht erzielt werden kann. Die LEDs können auf der Basis von Faktoren wie Wellenlänge und Intensität ausgewählt werden. Unter Verwendung dieser Verteilung zusammen mit zwei grünen LEDs kann eine solche Vorrichtung mehr als 85% des sichtbaren Farbraums 100 abdecken, wie in 10 gezeigt ist. Die äußere elliptische Form 102 repräsentiert alle sichtbaren Wellenlängen, während die innere dreieckige Form 104 die Farben repräsentiert, die unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist, erzeugt werden können. Die gekrümmte Linie 106 in der Mitte wird als „weiße Linie" bezeichnet, da die Linie alle Kombinationen der LEDs auf all den verschiedenen Farbtemperaturen darstellt, die bei einer Kombinierung weißes Licht erzeugen. Gutes „Sonnenlicht"-Weiß kann mit einer Farbtemperatur im Bereich von etwa 5000–6000K erzielt werden.
Eine solche Vorrichtung kann es gestatten, dass ähnliche Ströme an jede dieser LEDs nach dem neuesten Stand der Technik angelegt werden. Die Vorrichtung kann auch mit relativ hoher Energie zur Erzeugung hochintensivem Lichts arbeiten. Die Platzierung und Verwendung der Anoden- und Kathodenanschlussstellen erlaubt es einem Benutzer, eine bevorzugte Menge Strom an jeder LED anzulegen und zu variieren, um die gewünschte Beleuchtung zu erhalten.
Eine solche Vorrichtung kann auch die Neigung aufweisen, Licht in ziemlich unkonzentrierter Art zu erzeugen. Eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform ist ein Lambertscher Emitter mit einer 120°-Blende. Beispielsweise zeigt 11 ein typisches Strahlmuster 110 und 12 zeigt eine relative Intensität 120 durch Winkelverschiebung für eine Vorrichtung, wie sie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist. Für verschiedene Anwendungszwecke, wie etwa eine Projektion, bei der gewünscht wird, einen stärker fokussierten Lichtstrahl zu erzeugen, kann eine Anzahl optischer Elemente verwendet werden, um die Ausgabe der Beleuchtungsvorrichtung einzustellen. Es kann eine beliebige Anzahl optischer Elemente, die im Stand der Technik bekannt sind oder benutzt werden, positioniert werden, um die Ausgabe der Vorrichtung auszurichten, zu fokussieren, zu leiten, zu filtern oder anderweitig zu modifizieren.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) mit zumindest einer LED (11) einer ersten Farbe, vorzugsweise blau, zumindest einer LED (12) einer zweiten Farbe, vorzugsweise rot, und bevorzugt zumindest einer LED (13) einer dritten Farbe, vorzugsweise grün, auf einem gemeinsamen Substrat (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie auf dem gemeinsamen Substrat zumindest eine weiße LED (14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiße LED (14) durch eine blaue oder UV-LED und eine ihr zugeordnete Lichtumwandlungseinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren einen Temperatursensor (63) umfasst, der vorzugsweise auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren einen Lichtintensitätssensor (64) umfasst, der vorzugsweise auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren eine Diffusoreinrichtung (71) über mehreren LEDs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusoreinrichtung auf einer durchsichtigen Abdeckung (34) ausgebildet ist, die mehrere LEDs abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine reflektierende Region (73) umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass LEDs von unterschiedlicher Farbe unterschiedliche Anodenkontakte (15) und/oder unterschiedliche Kathodenkontakte (16) aufweisen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Pulsweiten-Modulationsbetrieb, Stromsteuerbetrieb oder Spannungssteuerbetrieb ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lichtkonvergierungsbereich (72), vorzugsweise einen konkaven Reflektor, ferner vorzugsweise einen reflektierenden und konkaven Bereich des Substrats und/oder eines Hilfskörpers (33) umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehrere LEDs (11, 11-2) von derselben Farbe, einschließlich weiß, umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere LEDs von derselben Farbe nicht-nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Beleuchtungssteuergerät (8) für eine Beleuchtungsvorrichtung (1), wobei die Beleuchtungsvorrichtung mehrere LEDs (11–14) von unterschiedlicher Farbe aufweist und vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche gebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: unterschiedliche steuerbare Energiequellen (83) für LEDs von unterschiedlicher Farbe zum Erzeugen unabhängig gesteuerter Betriebssignale für die LEDs von unterschiedlicher Farbe, unterschiedliche Ausgangsanschlüsse (84) für die LEDs von unterschiedlicher Farbe zum Zuführen der unabhängig gesteuerten Betriebssignale an die LEDs von unterschiedlicher Farbe, und eine erste Steuereinrichtung (81) zum Erzeugen von Betriebssteuersignalen für die steuerbaren Energiequellen.
Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Eingangsanschluss (85) für ein Temperatursignal umfasst, wobei die erste Steuereinrichtung die Betriebssteuersignale nach Maßgabe des Temperatursignals erzeugt.
Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Eingangsanschluss (86) für ein Lichtintensitätssignal umfasst, wobei die erste Steuereinrichtung die Betriebssteuersignale nach Maßgabe des Lichtintensitätssignals erzeugt.
Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren eine zweite Steuereinrichtung (82) zum Erzeugen von Teststeuersignalen für die steuerbaren Energiequellen zum Erzeugen von Testsignalen für die LEDs umfasst.
Gerät nach Anspruch 16, wobei die Teststeuersignale und Testsignale mit den Betriebssteuersignalen und Betriebssignalen intermittierend erzeugt und zugeführt werden.
Gerät nach Anspruch 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung die Teststeuersignale so erzeugt, dass das Testsignal für die LEDs von zumindest einer Farbe reduziert oder abgeschaltet wird, wobei die erste Steuereinrichtung das Lichtintensitätssignal erfasst, während die LED von zumindest einer Farbe das reduzierte oder abgeschaltete Signal empfängt und die erfasste Lichtintensität zum Erzeugen der Betriebssteuersignale einsetzt.
Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinrichtung die Teststeuersignale so erzeugt, dass die Testsignale für die LEDs aller Farben nacheinander reduziert oder abgeschaltet werden, wobei die erste Steuereinrichtung die jeweiligen Lichtintensitätssignale nacheinander erfasst und die nacheinander erfassten Lichtintensitäten zur Erzeugung der Betriebssteuersignale einsetzt.
Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereingabeeinrichtung (87) zum Eingeben einer Außenbeleuchtungssteuerquantität umfasst, wobei die erste Steuereinrichtung die Betriebssteuer signale nach Maßgabe der Außenbeleuchtungssteuerquantität erzeugt.
Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine Pulsweiten-Modulationssteuerung (88) umfasst.
Beleuchtungssystem mit einer oder mehreren Beleuchtungsvorrichtungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 und einem oder mehreren Beleuchtungssteuergeräten nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 21.