照明装置、照明控制设备、照明系统的制作方法

专利名称：照明装置、照明控制设备、照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种照明装置、 一种照明控制设备和一种照明系统。
技术背景越来越多的应用需要尺寸小、强度高且颜色可变性和可控性良好的具有可变的光颜色的照明装置。发光二极管(LED)越来越多地用于照 明装置和系统中。以前，LED通常用作指示灯，但并没有用于投影或照 明系统中，因为LED通常缺乏所需要的强度。然而，由于LED尺寸小、 成本低且易于使用，LED是许多应用的理想光源。LED的另一问题是其 通常不能产生高质量的色谱。LED白光是通过使用蓝色LED或紫外 (UV ) LED和磷光转换层来产生的。此类转换层从蓝色或UV LED吸 收光且显著地重新发射黄光和红光分量，以使得所透射的光与所重新发 射的黄光和红光的叠加呈现白光的效果。此处，颜色为不可控制的，因 为各种分量(所透射的光，所重新发射的光)之间的比率为不可控制的。 还已知紧密地并置多个颜色的LED (确切地说，红色、绿色和蓝色 LED),以便通过三个单色的叠加来产生接近白光的光。但通过此类布置 实现的结果并不在所有情况下令人满意。常常，黄色辐射的范围(约580 nm波长)内光强度较弱。另外，来自特定LED的光的颜色和强度均随 LED的温度和使用寿命而变化，其中一个LED的颜色和强度之间可相 互关联的，以使得最初或曾经可接受的颜色混合可能会随时间或随变化 的强度而退化。 发明内容本发明的目的是提供能够用LED呈现高质量、可控制的照明的一种 照明装置、 一种照明控制设备和一种照明系统。此目的根据独立权利要求的特征来实现。附属权利要求针对本发明的优选实施例。一种照明装置在共用衬底上包括至少一个第一颜色的LED,优选 为蓝色；至少一个第二颜色的LED，优选为红色；和至少一个第三颜色 的LED，优选为绿色。此外，所述照明装置在所述衬底上包括至少一个 白色LED。所述装置可进一步包括温度传感器和/或光强度传感器。 一种用于如上文所提到的照明装置的照明控制设备包括用于不同 颜色的LED的不同可控制电源，其用于产生用于所述不同颜色的LED 的独立控制的操作信号(电压或电流)；用于不同颜色LED的不同的输 出端子，其分别用于将独立控制的操作信号供应到所述不同颜色的LED; 以及第一控制构件，其用于为可控制电源产生独立的操作控制信号。操 作控制信号也可根据温度信号和/或光强度信号来产生，这些信号优选地 来自由控制设备控制的照明装置。一种照明系统包括一个或一个以上如上文所提到的照明装置和一个 或一个以上如上文所提到的照明控制设备。


下文将参照附图来描述本发明的各方面和实施例，附图中；图1是照明装置的示意性图示，图2是在图1的装置中产生的各种光分量的光谱，图3是照明装置的分解图，图4是照明装置的透视图，图5是另一照明装置的示意性图示，图6是又一照明装置的示意性图示，图7是照明装置的截面图，图8是照明控制设备的示意图，图9是控制信号的图示，图IO是展示图1的照明装置的颜色空间中的颜色坐标的曲线图，图11是展示图1的装置的典型射束图案的曲线图，图12是展示图1的装置的相对强度与角位移的曲线图。
具体实施方式
在本说明书中，相同附图标记将用于相同组件和特征。在图1中，1 表示照明装置，IO表示衬底，ll表示第一颜色的LED (优选为蓝色)， 12表示第二颜色的LED (优选为红色)，13表示第三颜色的LED (优选 为绿色)，且14表示白色LED。 15和16表示用于LED的连接构件。提 供这些连接构件以使得可分别地驱动所述LED。在所展示的实施例中， LED可具有共用触点，例如通过衬垫可接达的共用阴极15，且可分别具 有自身极性触点，在给定实例中是分别的阳极触点，所述触点展示为用 于多个颜色的多个衬垫16。因此，可分别地驱动所述LED。图2中展示各种LED的光谱。21表示来自蓝色LED 11的光强随波 长分布。所述强度可在低于490nm (优选地，高于400nm)的波长处具 有相当明显的最大值。22表示红色LED 12的光强随波长分布。所述强 度可在高于600nm(优选地，低于700nm)的波长处具有相当明显的峰 值。23表示绿色LED 13的输出强度，其在490nm与580 nm之间的波 长处具有相当明显的峰值。24表示白色LED的输出强度。白色LED可 通过蓝色或紫外(UV) LED以及相关联的光转换构件来形成，确切地 说，所述转换构件包括用于从蓝色或紫外(UV) LED吸收光且有可能 在较广的可见光谱范围重新发射光的磷光物质。白色LED的输出光谱可 具有至少两个整体峰值， 一个在蓝色mA^范围中，另一个在绿色、黄 色或红色范围中(优选地，在530 nm与600 nm波长之间)。在曲线24 上，峰值24-1表示由白色LED的基础蓝色或紫外(UV) LED产生且发 射，并透过光转换构件的光强度。24-2表示从光转换构件吸收且由光转 换构件重新发射的光所产生的峰值。所述峰值可为相当宽的。峰值24-2 所处的波长比峰值24-1长，且可位于红色曲线22的峰值与蓝色曲线21 的峰值之间，优选地也处于红色峰值与曲线23的绿色峰值之间。令人讶的是，发明人的研究已展示，在蓝色和红色LED以及可能的绿色LED 以外提供白色LED比将黄色LED添加到红色、蓝色和可能的绿色在可 控性方面呈现更好效果。但可除白色LED以外还提供黄色LED。在特定实施例中且取决于控制要求，有可能省略彩色二极管中的一 个(确切地说，绿色LED13)，且因此仅使用蓝色LED 11、红色LED 12 和白色LED14。然而，在其它优选实施例中，提供蓝色、红色、绿色和 白色LED中的每一种的至少一个。图3展示照明装置的真实构造的分解图。11到14表示上文所提到 的LED。所述LED以紧密并置方式布置，且在其构造、布线和其它必 要性允许的情况下优选地尽可能紧密。IO是具有优选良好导热性的机械 衬底。所述机械衬底可为铜或包括铜，例如，作为所需厚度(例如l毫 米)的板。31是具有类似良好导热性的绝缘层。为了获得较好的热条件， 可部分地去除绝缘层31,且可将芯片(尤其具有绝缘背侧)直接安装到 衬底10上。在这种状况下，绝缘层31含有用于红色芯片的背侧触点、 线接合衬垫和触点衬垫的布线。32表示用于接触LED以使得可分别地 驱动所述LED的布线图案。33是辅助体，其可具有用于铸造物质34的 保持功能，所述铸造物质34铸造到经安装的LED上以用于保护LED和 /或用于使光会聚，如本说明书的下文进一步描述。图4展示处于组装状态的布置的透视图。61和62表示一个或多个 传感器，稍后将解释。图1中，15和16表示用于个别组件的个别触点。 在所展示的实施例中，图1中，15是共用阴极或者阳极。16-B、 16-R、 16-G和16-W是分别用于蓝色、红色、绿色和白色二极管的阳极或者阴 极。41是传感器触点。布线图案和接触图案可与图4中所展示的不同。不用共用阴极，而 是提供共用阳极。或者，可分别地提供阴极和阳极两者且所述阴极和阳 极可由二极管中的每一个接达以便增强可控性。类似地，传感器61、 62 可具有独立接触。总体布局取决于构造和其它必要性，可为六角形、或多角形、或圆形，或以其它方式适当地成形。图5展示照明装置的另一示意性布置。再次，相同附图标记指代相 同特征。如果11到14是分别提到的LED。那么13-2可为已经提供的颜 色的另一LED。举例来说，所述装置可包括两个绿色LED 13和13-2。 一般来说，彩色LED (包含白色LED)中的一个或一个以上可被提供两 次或多次。一个颜色的LED可以是被分别控制的或可连接到彼此，例如， 串联或并联连接到彼此。对于实体布置来说，可以非并置方式提供一个 颜色的LED以便呈现良好的颜色混合。图5的布置展示五个LED的五角形布置。52是从LED到具有适当 数目的触点的连接器51的布线。再次，取决于控制要求，LED可具有 共用阴极或共用阳极，或可具有每一颜色或甚至一个颜色的每一个二极 管可个别接达的阳极和阴极。图5的实施例的实体建造可与图3和图4 中所展示的类似，即，具有铜衬底、绝缘层和其上将LED和可能提供的 传感器与连接器51连接的布线图案。图6展示另一照明装置。11到14是已提到的二极管。所述二极管 在此处以正方形矩阵(2x2个LED)布置。可能加倍提供的一个颜色的 LED 13-2可放在正方形布置的旁边。61表示用于感测衬底温度的温度传 感器，所述温度传感器严密追踪LED的温度。62是用于感测冲击到其 上的光的强度的光强度传感器。传感器62可为能够感测如由各种LED 提供的光谱上的强度的宽波段传感器。但同样，可提供对特定波长或波 长范围具有敏感性的多个强度传感器。传感器61、 62可具有相应的接触 构件，例如，连接器51处的接合衬垫63、 64或触点插脚，如图5中所 展示。温度传感器61可被提供为与LED尽可能靠近，以便感测正施加到 LED上的温度。光强度传感器62可被提供以使得其接收来自所有LED 的光的代表性光通量。光强度传感器62可以是或包括光电二极管或光电 晶体管。温度传感器可为热敏电阻、PTC (正温度系数热敏电阻)、NTC(负温度系数热敏电阻)或类似物。这些传感器中的一者或两者产生信号， 所述信号可在相应的控制中经评估以用于也根据温度和/或经感测的光强度而产生用于各自LED的驱动信号。图7是穿过如图4中所展示的布置的截面示意图。11到14表示各 种LED。 61、 62表示可提供的传感器中的一个或一个以上。34是用于 各种LED和可能的传感器的有些透明的保护盖。其可为铸造和固化物 质。LED和传感器到衬底上的布线的连接可通过接合来形成，因此细接 合线可需要机械保护。这可通过提供起初是液体或半液体且接着硬化/ 固化的有些透明的盖34以用于包封LED及其布线和可能提供的传感器 来实现。33是可具有保持保护盖34 (只要其为液体或半液体)的功能的 辅助体。辅助体可为环形且可为具有良好导热性的材料。所述辅助体可 粘合到装置的可接达表面。辅助体33的内表面72可具有凹入形部分和/ 或可与装置的表面一起形成凹入形结构。装置的表面73与辅助体33的 侧壁72之间的角度可为钝角。通过此类布局，所述装置获得光会聚特性。71可为漫射体构件。所述漫射体构件可为具有光散射特性的另一铸 造层。从LED发射的光经散射回到辅助体、到达LED且到达装置的表 面73。辅助体33的侧壁72和装置表面73可分别为反射性的或可具有 反射性部分。接着，光再次优选地向外部反射。通过所述布置，光的混 合增强，以使得甚至在紧密靠近装置1时也提供均匀的白光或彩色光的 效果。图8展示照明控制设备8的示意图。所述照明控制设备8适于经由 连接结构9连接到照明装置1 。连接结构9可包括多线电缆97和(例如) 连接器96，所述连接器96与控制设备侧相应的连接器匹配。在照明装 置1侧上，也可提供连接器、或接合衬垫或其它适当的连接构件。照明 装置1可如上文所描述来形成。控制设备8包括多个可控制电源83-R、 83-G、 83-B、 83-W，其用 于照明装置侧上的将要被供应电力的各自二极管(红色、绿色、蓝色、白色)。电源产生操作信号且可为产生受控电流的可控制电流源或产生受控电压的可控制电压源。可控制电源83将其操作信号(输出电流、输出 电压)供应到连接器84,可从所述连接器84经由连接器96和电缆97 将操作信号供应到照明装置1。控制设备进一歩具有第一控制构件81，其用于产生用于可控制电源 的操作控制信号。对应于多个LED和多个可控制电源，独立地产生多个 操作控制信号且将其供应到电源，但图8仅示意性地展示了一个信号线。 第一控制构件81可具有有些复杂的性质。所述第一控制构件81经由控 制输入构件87接收外部照明控制量。输入构件可以是某种自动目标值供 应，和/或可以是或包括通过针对用户的开关、电位计或其它适当输入构 件的手动装置。第一控制构件81可具有相当复杂的性质。所述第一控制 构件81可使用LED的预存储特征和光混合特性的预存储特征。举例来 说，可提供用于各种LED和可能的插入构件的相应强度的査找表。此类 表可依赖于目标设置的等级而可使用。在特定实施例中，第一控制器可经由脉宽调制(PWM)控制器88 将PWM信号分别供应到可控制电源。这将在接通状态具有以下作用-LED具有给定的已知强度，且在驱动LED时，LED将不会工作在驱动 电流与光强度之间的非线性区。但同样，电压幅值或电流幅值可经由第 一控制构件81的输出来控制。第一控制构件81也可接收温度信号和/或光强度信号，这些信号在 准备操作控制信号时引用。温度信号和光强度信号可分别经由输入端子 85和86来供应。这些输入可直接来自照明装置1处所提供的传感器61、 62。这些传感器信号可与额定值或先前值比较，且可例如根据额定值或 先前值与所感测的值之间的偏差进行校正。控制设备8可包含第二控制器82。所述第二控制器8可产生用于可 控制电源的测试控制信号，以用于产生用于所述LED的测试信号。第二 控制器82可与第一控制器81间歇性地操作，通过图8中的开关来表现。在实际实施例中，可提供经适当编程的控制器以用于以交替方式形成操 作控制信号和测试控制信号。一般来说，测试信号可以预定方式产生，例如，预定电压或电流幅值或脉宽。当由测试控制信号驱动LED时，LED的光强度由强度传感 器62获得且反馈给第一控制器81。在所述第一控制器81处，所获得的 值用于在测试结束且重新开始正常操作之后产生操作控制信号。通过此 技术，可对温度依赖性和由老化引起的影响进行补偿。在测试模式期间获得的信号强度可与预期值或额定值或先前值比 较，且取决于所述比较，在产生操作控制信号的操作控制期间对各自驱 动值进行重新调整。确切地说，取决于第一控制器81和电源的输出特性， 可对电压或电流幅值进行校正或对脉宽进行校正。图9展示形成控制信号的特定方式。93是正常操作的时间周期。94 是测试时间周期。95是正常操作的另一时间周期。其后可紧跟另一测试 时间周期94，等等。测试时间周期可周期性地出现，例如，每分钟一次， 每十秒一次等。测试时间周期本身可相当短，例如，比200ms短。LED 本身是具有小于100ns响应时间的相当快速的装置。同样，光学传感器 相当快速且具有小于10 ps的响应时间。在许多状况下，可控制电源的 响应时间将是限制因素。无论如何，测试周期可经形成以使得由测试信 号引起的照明变化不会被人眼识别。图9展示分别产生用于蓝色、红色、绿色和白色LED的测试信号 92B、 92R、 92G和92W的实施例。这些测试信号可具有预定电流或电 压幅值和/或预定脉宽以用于相应地驱动各自二极管。以优选方式，在测 试期间， 一次仅驱动一个LED (或一个颜色的LED)，而断开其它LED (其它颜色的LED)。接着，强度传感器仅感测一个颜色的强度，且可获 得相应颜色的强度信号。通过此方式，可获得包含白色的所有颜色的校 正值，且所述校正值可在产生时间周期93和95中的正常操作的操作控 制信号时分别地用于各自颜色分量。图9展示一个接一个产生的用于各种颜色的测试控制信号。然而， 为了縮短测试时间周期94的持续时间，可一个接一个或与正常操作间歇 地仅针对一些而不是所有LED产生所述测试控制信号，举例来说，在正 常操作的时间之后，产生用于蓝色二极管的测试信号92B,接着再次重 新开始正常操作，接着产生用于红色二极管的测试信号92R，接着继续 正常操作，等等。对应于用于各种颜色的测试信号的产生，获得各种光 强度且针对个别颜色单独地处理所述光强度。所获得的值可与相应额定 值或先前值比较，以确定用于个别颜色的各自校正值。可存储此类校正 值且将其进一步用于产生操作控制信号。控制设备8可包括数字控制器，其包含计算机组件，如CPU、 RAM、 ROM、相应接口、总线和类似物。但其也可为有权限使用特定特征、表 或类似物的ASIC (专用集成电路)。在一个实施例中，控制设备8可在 与照明装置1相同的衬底上形成且从外部源接收照明目标值。控制器8与如上？:所描述的照明装置1 一起形成照明系统。如上文所描述的照明装置和系统能够产生高质量的可控制光，所述 光无法用标准RGB装置得到。LED可基于如波长和强度等因素而选择。 通过使用此分布，以及两个绿色LED，此类装置可覆盖85%以上的可见 颜色空间100，例如图10中所示。外部椭圆形形状102表示所有可见波 长，而内部三角形形状104表示可通过使用如参照图1所描述的装置来 产生的颜色。中间的曲线106被称作为"白线"，因为所述线表示通过组 合来产生白光的所有各种色温下的LED的所有组合。可用约5000 K到 6000K的范围内的色温得到良好的"日光"白色。此类装置可允许将类似电流施加到这些现有技术的LED芯片的每 一个。所述装置也可以相对高的功率运行以产生高强度光。阳极和阴极 衬垫的放置和使用允许用户容易地对每一个LED施加并调整所需的电 流大小，以获得所需照明。此类装置往往也可以完全不聚集的方式产生光。依据一个实施例的装置是具有120。张角的朗伯(Lambertian)发射体。举例来说，对于如 参照图1所描述的装置，图11展示其典型射束图案110，且图12展示 相对强度120与角位移。对于需要产生较聚焦光束的各种应用，如投影， 可使用许多光学元件来调整照明装置的输出。此项技术中已知或使用的 许多光学元件中的任一个可经定位以校准、聚焦、导向、滤波或以其它 '方式修改装置的输出。
权利要求
1.一种照明装置(1)，其在共用衬底(10)上包括至少一个第一颜色的LED(11)，优选为蓝色，至少一个第二颜色的LED(12)，优选为红色，以及优选地至少一个第三颜色的LED(13)，优选为绿色，其特征在于包括在所述共用衬底上的至少一个白色LED(14)。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述白色LED (14)由 蓝色或UV LED和相关联的光转换构件形成。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于进一步包括温度传 感器(63)，所述温度传感器(63)优选地布置于所述共用衬底上。
4. 根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于进一步包括优选 地布置于所述共用衬底上的光强度传感器(64)。
5. 根据权利要求1-4任一所述的装置，其特征在于进一步包括在多 个所述LED上方的漫射体构件(71)。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述漫射体构件形成于 覆盖多个LED的透明盖(34)上。
7. 根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述衬底包括反射 区域(73)。
8. 根据权利要求l-7任一所述的装置，其特征在于不同颜色的LED 具有不同阳极触点(15)和/或不同阴极触点(16)。
9. 根据权利要求1-8任一所述的装置，其特征在于其适于脉宽调制 操作、电流控制操作或电压控制操作。
10. 根据权利要求l-9任一所述的装置，其特征在于包括光会聚部分 (72)，所述光会聚部分优选为凹形反射器，进一步优选为所述衬底和/ 或辅助体(33)的反射性且凹形的部分。
11. 根据权利要求1-10任一所述的装置，其特征在于包括两个或两 个以上相同颜色的LED (11,11-2)，所述相同颜色包含白色。
12. 根据权利要求1-11任一所述的装置，其特征在于两个或两个以 上相同颜色的LED以非相邻方式布置。
13. —种用于照明装置(1)的照明控制设备(8)，所述照明装置包 括多个不同颜色的LED (11到14)且优选地根据前述任一权利要求所 述来建造，其特征在于包括用于不同颜色的LED的不同可控制电源(83)，其用于产生用于 所述不同颜色的LED的独立控制的操作信号，用于所述不同颜色的LED的不同的输出端子(84)，其用于将所 述独立控制的操作信号供应到所述不同颜色的LED，以及第一控制构件(81)，其用于产生用于所述可控制电源的操作控制 信号。
14. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于包括用于输入温度信 号的输入端子(85)，其中所述第一控制构件根据所述温度信号产生所述 操作控制信 号。
15. 根据权利要求13所述的设备，其特征在于包括用于输入光强度 信号的输入端子(86)，其中所述第一控制构件根据所述光强度信号产生 所述操作控制信号。
16. 根据权利要求13到15任一所述的设备，其特征在于进一步包括 第二控制构件(82)，所述第二控制构件用于产生用于所述可控制电源的 测试控制信号，以使控制电源产生用于所述LED的测试信号。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中所述测试控制信号和测试信 号与所述操作控制信号和操作信号间歇性地产生且供应。
18. 根据权利要求15或17所述的设备，其特征在于所述第二控制构 件产生所述测试控制信号以使得用于至少一个颜色的所述LED的所述 测试信号减小或断开，其中所述第一控制构件在至少一个颜色的所述 LED,所述减小或断开的信号时获得所述光强度信号，且使用所述获得的光强度来产生所述操作控制信号。
19. 根据权利要求18所述的设备，其特征在于所述第二控制构件产 生所述测试控制信号以使得用于所有颜色的所述LED的所述测试信号 连续减小或断开，其中所述第一控制构件连续地获得所述不同的光强度 信号，且使用所述连续地获得的光强度来产生所述操作控制信号。
20. 根据权利要求13到19中任一所述的设备，其特征在于包括控制 输入构件(87)，所述控制输入构件用于输入外部照明控制量，其中所述 第一控制构件根据所述外部照明控制量产生所述操作控制信号。
21. 根据权利要求13到20中任一所述的设备，其特征在于所述控制 构件包括脉宽调制控制器(88)。
22. —种照明系统，其包括一个或一个以上根据权利要求1到12中 任一所述的照明装置和一个或一个以上根据权利要求13到21中任一所 述的照明控制设备。
全文摘要
一种照明装置在共用衬底(10)上包括至少一个第一颜色的LED(11)，优选为蓝色；至少一个第二颜色的LED(12)，优选为红色；以及至少一个第三颜色的LED(13)，优选为绿色；以及至少一个白色LED(14)。一种用于照明装置(1)的照明控制设备(8)包括用于不同颜色的LED的不同可控制电源(83)，其用于产生用于不同颜色的所述LED的独立控制的操作信号；用于不同颜色的所述LED的不同输出端子(84)，其用于将所述独立控制的操作信号供应到不同颜色的所述LED；以及第一控制构件(81)，其用于产生用于所述可控制电源的操作控制信号。一种照明系统包括一个或一个以上上文所提到的照明装置和一个或一个以上上文所提到的照明控制设备。
文档编号F21V9/10GK101331607SQ200680047527
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月21日
发明者西格蒙德·考毕克 申请人:珀金埃尔默伊尔克斯股份有限公司