DE60213804T2 - Beleuchtungsvorrichtung mit leuchtdioden und lichtsensoranordnungen für optische rückkopplung - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung mit leuchtdioden und lichtsensoranordnungen für optische rückkopplung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine, weißes Licht emittierende Leuchte mit einem Array aus roten, grünen und blauen Leuchtdioden (LEDs) sowie einem Steuersystem zur Einstellung des Lichtstroms der einzelnen Komponenten, um ein gewünschtes Farbgleichgewicht (Chromatizität) aufrechtzuerhalten, genauer gesagt, auf eine solche Leuchte mit bestimmten Lichtsensorkonfigurationen zur optischen Rückkopplung.
  • Weißes Licht emittierende Leuchten mit Arrays aus roten, grünen und blauen LEDs (ebenfalls bekannt als RGB-LED-Leuchten) sind aus mehreren Gründen, einschließlich Leistungsfähigkeit und geringer Kosten sowie der Fähigkeit, die Chromatizität des Lichtstroms einzustellen, interessant.
  • Eines der zentralen Probleme, denen es sich zuzuwenden gilt, ist die Schwankung des Lichtstroms der LEDs von Chip zu Chip sowie über die gesamte Lebensdauer jedes Chips. Der Lichtstrom der LEDs variiert ebenfalls invers mit der Temperatur, was jedoch nicht gleichmäßig bei jeder Farbe der Fall ist. Zudem variiert der Lichtstrom mit dem Ausfall einzelner Chips innerhalb eines LED-Arrays.
  • US 6 127 783 offenbart eine, weißes Licht emittierende Leuchte mit elektronisch eingestelltem Farbgleichgewicht. Die Leuchte weist mehrere LEDs in jeder der Farben Rot, Grün und Blau mit einer getrennten Stromversorgung für jede Farbe sowie eine Photodiode auf, welche so angeordnet ist, dass sie den Lichtstrom sämtlicher LEDs misst. Der Lichtstrom jeder Farbe wird von einem elektronischen Steuerkreis gemessen, welcher die LEDs für die nicht in einer Zeitimpulsfolge gemessenen Farben abschaltet. Der gemessene Lichtstrom für jede Farbe wird mit einer gewünschten, abgegebenen Lichtmenge, die durch Benutzereingaben bestimmt werden kann, verglichen, und es werden Korrekturen des Stroms für jede Farbe entsprechend vorgenommen.
  • Um die abgegebene Lichtmenge einer solchen Leuchte genau zu steuern, muss das gesamte, abgegebene Licht genau kontrolliert werden. Dadurch besteht die Notwendigkeit, die Photodioden so anzuordnen, dass von jeder LED ein gleicher Anteil Licht ausgewählt wird, wobei genügend Streulicht von den LEDs auf die Photodiode(n) fallen kann, um einen zufrieden stellenden Betrieb der Rückkopplungsschleife sicherzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht mehrere optische Konfigurationen vor, um eine oder mehrere Photodioden, optional mit verschiedenen Farbfiltern, in und um den Lichtweg einer RGB-LED-Leuchte zu positionieren, um zu erreichen, dass von jeder LED ein gleicher Anteil Licht ausgewählt wird, damit der gesamte Lichtstrom genau kontrolliert werden kann. Es sind lediglich geringfügige Modifikationen bei einem optischen Standardsystem für eine RGB-LED-Leuchte erforderlich, und Leistungsfähigkeit sowie weitere Leistungsdaten werden im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Bei so angeordneten Photodioden werden Rückkopplungssignale an die Steuerelektronik abgegeben, um sowohl den gesamten Lichtstrom als auch das Farbgleichgewicht zu regulieren.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein teilweise reflektierendes Element (typischerweise ist eine Reflektion von etwa 1% ausreichend) in dem Lichtweg hinter der Hauptkondensorlinse positioniert, wobei das teilweise reflektierende Element so positioniert und geformt ist, dass es einen kleinen Teil des Ausgangsstrahls durch die Kondensorlinse reflektiert, um diesen auf oder geringfügig über dem Schnittpunkt der optischen Achse mit der Ebene des LED-Arrays zu fokussieren. In diesem Fokus ist eine Lichtsensoranordnung vorgesehen, welche eine oder mehrere Photodioden, eine weiße, integrierende Kammer, welche die Photodioden umgibt, sowie einen Diffusor, wie z.B. einen planaren Streuschirm, zwischen der Kammer und der Kondensorlinse aufweist. Die Lichtsensoranordnung ist so angeordnet, dass die Strahlungsleistung von jeder LED über eine signifikante Fläche (welche mehrmals die Größe eines Photodiodenbausteins ausmacht) nahezu konstant ist. Obgleich dieses Ausführungsbeispiel das aufwändigste ist, bietet es die beste Leistung, Wirtschaftlichkeit und Vielseitigkeit.
  • In jedem der Ausführungsbeispiele können den Photodioden Farbfilter zugeordnet sein, um diese für einen bestimmten Spektralbereich der abgegebenen RGB-Lichtmenge selektiv zu machen, womit die Notwendigkeit, die LEDs und Photodioden, wie in US 6 127 783 beschrieben, mit Impulsen zu beaufschlagen, verhindert wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer LED-Leuchte der vorliegenden Erfindung, welche eine Lichtsensoranordnung, die im Mittelpunkt eines Arrays aus rotes, grünes und blaues Licht emittierenden LEDs positioniert ist, sowie ein, in dem Lichtweg des kombinierten Lichtstroms des Arrays angeordnetes, teilweise reflektierendes Element umfasst;
  • 2 – Einzelheiten der Lichtsensoranordnung von 1, welche ein Photodiodenarray, einen Diffusor, einen Integrator sowie ein optionales, variables Farbfilter aufweist;
  • 3 – ein alternatives Ausführungsbeispiel der Lichtsensoranordnung von 2, welche einzelne, jeder Photodiode zugeordnete Farbfilter aufweist;
  • 4 – einen Querschnitt eines dicht verschlossenen Bausteins, welches eine einzelne LED des LED-Arrays enthält, wobei der dicht verschlossene Baustein eine zugeordnete Photodiode umfasst;
  • 5 – einen Querschnitt eines dicht verschlossenen LED-Bausteins mit einer zugeordneten Photodiode;
  • 6 – ein Array aus drei LED-Bausteinen mit einer zugeordneten Photodiode;
  • 7 – ein Schemaschaltbild des optischen und elektrischen Systems eines Ausführungsbeispiels der RGB-LED-Leuchte der vorliegenden Erfindung, welches eine optische Rückkopplung und Steuerung umfasst; sowie
  • 8 – eine graphische Darstellung der logischen Reihenfolge für die optische Rückkopplung und Steuerung der Leuchte von 7.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der optischen Komponenten einer RGB-LED-Leuchte der vorliegenden Erfindung, wobei ein LED-Array 101 einzelne LED-Anordnungen (102, 103, 104) aufweist, welche in zwei konzentrischen Ringen aus einzelnen LED-Anordnungen um eine zentrale Achse A angeordnet sind. Jede LED-Einheit umfasst einen dicht verschlossenen LED-Baustein 126 und eine Kollimatorlinse 120. Auf der zentralen Achse A ist eine Lichtsensoranordnung 105, welche einen Diffusor 109, einen Integrator 110 und ein Array aus Photodioden 112, 113, 114 (2 und 3) umfasst, angeordnet.
  • Eine Hauptkondensorlinse 106 leitet den Lichtstrom von dem LED-Array 101 zu einem Ziel-Lichtleiter 108. Ein Teilreflektor 107 entsprechender Form ist in dem Bereich zwischen der Hauptkondensorlinse 106 und dem Ziel-Lichtleiter 108 angeordnet. Der Teilreflektor 107 sollte eine Gesamtreflektivität von etwa 1 Prozent aufweisen, welche geringer als diese der meisten optischen Elemente ist. Diese geringe Reflektivität kann durch Beschichtung des optischen Elements mit einer konventionellen Antireflexschicht erreicht werden. Die besten Ergebnisse wurden bei einer geringfügig asphärischen Form, wie in 1 dargestellt, erhalten, wobei jedoch auch mit einer Planspiegelkonfiguration recht gute Resultate erreicht wurden. Unbeschichtetes Glas und unbeschichteter Kunststoff können ebenfalls eingesetzt werden, reduzieren jedoch unnötig die Gesamtleistungsfähigkeit des Systems.
  • Die Lichtsensoranordnung 105 ist in 1 als einzelnes zylindrisches Objekt auf der Achse in der Nähe des Mittelpunkts des LED-Arrays schematisch dargestellt. Es sind viele verschiedene Konfigurationen, einschließlich einzelner oder mehrerer Photodioden, sowie einfachere oder kompliziertere Integratorstrukturen möglich. Zwei beispielhafte Ausführungsbeispiele sind in den 2 und 3 dargestellt, wobei die Lichtsensoranordnung einen Diffusor 109, einen Integrator 110 und ein Photodiodenarray 111 aufweist.
  • Die Lichtsensoranordnung 105 kann in der in US 6 127 783 beschriebenen Weise synchron mit der Impulsgabe der verschiedenfarbigen LEDs in dem LED-Array gelesen werden, um die Informationen zu liefern, welche erforderlich sind, um das Farbgleichgewicht der LED-Leuchte einzustellen. Alternativ kann eine Impulsgabe der LEDs durch die Verwendung von Farbfiltern verhindert werden, um den Lichtstrom der verschiedenfarbigen LEDs zur Messung durch die Photodioden zu isolieren. In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann ein in 2 dargestelltes, einzelnes variables Farbfilter 115 bei Lichtmessung periodisch auf verschiedenfarbige Wellenlängenbereiche abgestimmt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können verschiedene Farbfestfilter 116, 117, 118, wie in 3 dargestellt, einzelnen Photodioden 112, 113, 114 zugeordnet werden.
  • Ein exemplarisches, optisches Teilsystem besteht aus zwei konzentrischen Ringen aus sechs (inneren) und 12 (äußeren) LED-Anordnungen um eine zentrale (optische) Achse, wobei jede Anordnung eine Kollimatorlinse von 15 mm Durchmesser aufweist, sowie einer einfachen Lichtsensoranordnung, die sich aus einer hexagonalen Diffusorplatte, einem weißen Papierrohr, welches eine einfache Integratorstruktur bildet, beide ebenfalls mit einem Durchmesser von 15 mm, sowie vier, im Innern der Integratorkammer angeordneten Photodiodenbausteinen zusammensetzt. Die Lichtsensoranordnung wurde auf der optischen Achse zentriert und erstreckt sich vertikal von den Oberseiten der Kollimatoren bis hinunter zu der Ebene der LED-Chips. Als Teilreflektor wurde ein zwischen der Hauptkondensorlinse und dem Ziel-Lichtleiter positionierter, planarer Spiegel mit einer Antireflexschicht verwendet. Diese Anordnung sah eine zufrieden stellende Lichtgleichmäßigkeit über das gesamte Photodiodenarray vor. Unter Verwendung einer sorgfältigeren und genau zusammengesetzten Ausführung ist auf Kosten einer geringeren Gesamtlichtan sammlung eine bessere Integration möglich, was in einer höheren Gleichmäßigkeit resultiert.
  • Alternativen zu dem zentral positionierten Lichtsensor 105 sind selbstverständlich möglich. Zum Beispiel kann jeder LED-Baustein in dem LED-Array eine einzelne, diesem zugeordnete Photodiode aufweisen. In den 4 und 5 sind für einzelne LED-Bausteine zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer solchen Zuordnung dargestellt.
  • 4 zeigt einen dicht verschlossenen LED-Baustein 119, welcher einen LED-Chip 121 aufweist, der auf einem Substrat 123 angebracht ist. Ebenfalls auf dein Substrat 123 neben dem LED-Chip 121 montiert ist ein Photodiodenchip 122, welcher so positioniert ist, dass er den Lichtstrom von der LED misst. Zur Abdeckung des LED-Chips 121 und des Photodiodenchips 122 ist Linse 126 vorgesehen, um Licht von der LED in einer Vorwärtsrichtung zu leiten.
  • 5 zeigt eine ähnliche Anordnung wie diese von 4, mit der Ausnahme, dass, an Stelle der Positionierung des Photodiodenchips im Innern der dicht verschlossenen LED-Anordnung 126, ein separater Photodiodenbaustein 152 so positioniert ist, dass er den Lichtstrom von dem LED-Baustein 150 misst. In dem LED-Baustein 150 ist LED-Chip 151 untergebracht, welcher auf dem Substrat 153 montiert und von Linse 156 bedeckt ist.
  • 6 zeigt eine weitere Anordnung, bei welcher ein Array aus drei LED-Bausteinen 161, 162 und 163 einer einzelnen Photodiode 164 zugeordnet ist.
  • 7 zeigt ein Schemaschaltbild der optischen und elektrischen Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer Leuchte der vorliegenden Erfindung, wobei die Steuereinheit 30 die Rückkopplung von der Photodiode 24 in Farbpunktmessungen umwandelt, welche mit gewünschten, über Benutzereingaben 40 vorgesehenen Einstellungen verglichen werden. Auf Grund des Vergleichs entscheidet die Steuereinheit 30, ob das gewünschte Farbgleichgewicht vorhanden ist und übermittelt den Stromreglern 11, 13, 15 für die jeweiligen Dioden 10, 12, 14 eine entsprechende Information. Eine von dem Wechselstromumrichter 50 aufgenommene Leistung wird somit in Stromabgaben umgewandelt, welche die Lichtintensität für die jeweiligen Farben Rot, Grün und Blau steuern, um das gewünschte Farbgleichgewicht zu erhalten. Die Dioden für jede Farbe des Arrays werden durch Verdrahten auf dem Substrat 16 auf einem gemeinsamen Potential gehalten. Benutzersteuerungen für die gewünschten Einstellungen umfassen Eingänge 41, 42, 43 für die jeweiligen Farben sowie einen Dimmer 44, welcher die Gesamtintensität des sich ergebenden, weißen Lichts steuert.
  • 8 zeigt die Steuerlogik für die Leuchte von 7. Bei Einschalten (31) der Lampe wird den LEDs Energie zugeführt und eine Messfolge ausgelöst (32). Farbpunktmessungen werden mit gewünschten Einstellungen, die in Folge von Benutzereinstellungen (35) gespeichert sind (36), verglichen (33). Auf Grund dieses Vergleichs wird ermittelt (36), ob Farbeinstellungen erforderlich sind; wenn ja, werden Einstellungen vorgenommen (37), und die Messfolge wird wiederholt (32). Sollte festgestellt werden, dass Farbeinstellungen nicht erforderlich sind (36), wartet die Steuereinheit vor Wiederholen der Messfolge (32) auf ein vorgegebenes Messintervall (38).
  • 7
    • optical feedback
    optische Rückkopplung
    20
    Mischoptik
    30
    intelligente Steuerung
    40
    Benutzersteuerungen Dimmung Farbe
    50
    Leistungswandler
  • 8
    • 31
    Lampe einschalten
    32
    Messfolge
    33
    Vergleichen mit gespeicherten Farbpunkteinstellungen
    34
    neue Einstellungen speichern
    35
    Benutzereinstellung
    36
    Korrektur erforderlich?
    Yes
    Ja
    37
    RGB-Lichtstärken einstellen
    No
    Nein
    38
    auf Messintervall warten

Claims (7)

  1. LED-Leuchte (100) mit einer LED-Kette (101) mit mindestens einer LED (102, 103, 104) in jeder der mehreren Farben, einem Sensor, welcher so angeordnet ist, dass er den Lichtstrom von sämtlichen LEDs misst, sowie einer Kondensorlinse (106), welche so positioniert ist, dass sie den kombinierten Lichtstrom der LED-Kette auf einen Ziel-Lichtleiter (108) lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein teilweise reflektierendes Element (107) so positioniert ist, dass es einen Teil des Lichtstroms von der Kondensorlinse zu der LED-Kette reflektiert, – wobei der Lichtsensor (105) so positioniert ist, dass er zumindest einen Teil des reflektierten Lichts auffängt und misst.
  2. LED-Leuchte nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist: – Mittel (50), um der LED-Kette (101) elektrischen Strom zuzuführen, wobei die LEDs (102, 103, 104) in jeder der Farben eine Lichtleistung vorsehen und die LED-Kette einen kombinierten Lichtstrom aufweist, Mittel (32, 115), um dem Lichtsensor (105) den reflektierten Lichtstrom jeder Farbe getrennt zuzuführen, – Mittel (33), um den gemessenen Lichtstrom für jede Farbe mit einem für jede Farbe jeweils gewünschten Lichtstrom zu vergleichen, sowie – Mittel (37), um den elektrischen Strom auf Grund des Vergleichs auf die LEDs in jeder Farbe einzustellen, wobei ein gewünschter, kombinierter Lichtstrom erreicht werden kann.
  3. LED-Leuchte nach Anspruch 2, wobei die Mittel (32, 115), um dein Lichtsensor (105) den reflektierten Lichtstrom jeder Farbe getrennt zuzuführen, Mittel aufweisen, um die LEDs selektiv abzuschalten, so dass der Lichtsensor den Lichtstrom für jede Farbe in einer Zeitimpulsfolge getrennt misst.
  4. LED-Leuchte nach Anspruch 2, wobei die Mittel (32, 115), um dem Lichtsensor (105) den reflektierten Lichtstrom jeder Farbe getrennt zuzuführen, Farbfiltermittel (115) aufweisen, um den Lichtstrom jeder separaten LED-Farbe selektiv auszufiltern.
  5. LED-Leuchte nach Anspruch 4, wobei der Lichtsensor eine Reihe (111) von Photodioden (112, 113, 114) aufweist.
  6. LED-Leuchte nach Anspruch 5, wobei die Farbfiltermittel (115) getrennte Farbfilter (116, 117, 118) aufweisen, welche den einzelnen Photodioden (112, 113, 114) zugeordnet sind.
  7. LED-Leuchte nach Anspruch 5, wobei der Lichtsensor zusätzlich einen Lichtdiffusor (109) und einen Lichtintegrator (110) aufweist.
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