专利名称：高效照明的制作方法
高效照明
交叉引用到相关申请本申请与美国申请11/414,455有关，其名称为"Efficient Lighting (高 效照明)"，与本申请文件同时递交申请，在此通过引用也被包含入本申'请。
背景技术：
本发明涉及有效发光，包括节能LED发光的设计。供电给光源(如发光二极管(LED))的各种方法，包括施加一个时 变信号(例如电压或电流方波)来供电给光源。在一些闪光电路(light flashing circuit)里，时变信号低到足以在光强度上产生一个可觉察的变化， 如闪光报警灯。人类视觉的各类研究表明，对于被感觉为离散闪光的闪光， 闪光率应该低于大约20-30Hz的"闪烁融合"频率(flicker-fbsion frequency), 高过这个频率，闪光被看起来就是一个稳定持续的光感觉。在一些调光电 路(light dimming circuit)里，工作周期(duty cycle)被降低以提供一个 调暗的光感觉，而频率足够快(例如>100Hz)到避免可觉察的闪烁。
发明概述 —般来说，高效照明或节能照明，特别是对LED发光照明而言，是 基于一种认识到这两个因素之间相互关系的设计方法光源特征(如LED) 和人类视觉特征。一些类型的光源能够提供快速转换到一个完全亮度水平， 或一个完全黑暗水平。例如，在LEDs内， 一个量子阱可以在小于0.1微 秒内点亮到完全亮度，并且能够在小于O.l微秒内关闭，从而没有电路延 迟效应， 一些LEDs在开启时可以被认为是一个即时恒定强度的光源，并 在关闭时可以被认为是即时黑暗的。电路延迟可能影响到光源多快可以被 打开。例如，LED的寄生电容是电路延迟的一个原因。对一个l平方毫米 LED芯片的封装而言，LED的寄生电容量可能大约超过100微法拉(例如 大约l法拉)。在选择使用何种类型的波形来驱动LED电路时，可以考虑 有关的电路延迟。
人类视觉与特征响应时间有关。例如，在人类视觉里，人类视觉系
统可以保留影像(即保留过去亮度强度的感觉)长达30-50微秒("保留时 间")，并且也有一个短的响应时间去感觉完全亮度，例如大约1-3毫秒("响 应时间")。保留时间大约是闪烁融合频率的倒数。 一种高效或节能照明的 设计方法利用了 LEDs快速响应和在人类视觉系统里大比率的保留时间/响 应时间。 —方面，总的来说，本发明主要提供一个装置，包括 一个包括多 个发光元件的光源，发光元件被排列以照亮视觉的不同区域；和连接到光 源的电路，其被设置成依照第一波形供电给第一子组发光元件，并依照与 第一波形异相的第二波形供电给第二子组发光元件。另一方面，本发明主要提供一种高效照明的方法，包括依照第一 波形供电给第一发光元件，以控制从第一发光元件发出的光强度，从而照 亮视觉的第一区域；并依照与第一波形异相的第二波形供电给第二发光元 件，以控制从第二发光元件发出的光强度，从而照亮视觉的第二区域。本发明包括一个或多个以下特征。发光元件包括发光二极管。发光二极管包括一个发光二极管二维阵列。电路用第一波形供电给阵列的第一组阵列行，并用第二波形供电给 第二组阵列行。 '发光二极管被设置并被排列成提供一个液晶显示器的背光。第一波形包括一个交流电波形，其通过一对接头的第一极性被施加 到第一子组，且第二波形包括这个交流电波形，其通过该接头的与第一极 性相反的极性被施加到第二子组。
『0141交流电波形包括一个正弦波形。
第一波形和第二波形包括矩形波形。
第一和第二波形包括周期波形。第一和第二波形的周期小于闪烁融合频率的倒数。
第一和第二波形的周期大约在3ms和50ms之间。
第一和第二波形的周期大约在20ms和30ms之间。
本发明可以有一个或多个以下优点。使用一个LED，其在小于人类视觉的响应时间上被驱动到完全亮度， 通过使用这样一个工作周期，该工作周期有一个超出响应时间的开启时间 和一个小于人类视觉系统保留时间的关闭时间，能够实现节能。 —个与供电给光源有关的因素是施加信号的时间(例如电压跨步 voltage step)和光源(例如 一个LED的量子阱)接收由信号提供的完全 功率的时间之间的电路延迟。在一些电路里，用来供电给LED的信号频率 很高，在有电路延迟的情况下，LED开启时间比电路延迟时间加上响应时 间还短。在这些情况里，电路提供一个调光效应。通过选择频率和工作周 期，使得LED开启时间至少与电路延迟时间加上响应时间一样长，并且 LED关闭时间比保留时间短，电路可以提供一个LED可觉察的亮度，此 LED总是在规定时间周期内以较低能耗地开启。在一些例子里，电路控制 一组排列的发光元件，使得每个元件照亮视觉的不同区域。这些区域对应 不同部分照明区，如房间。发光元件(例如LEDs)被选择性地照亮以在 "循环时间"内扫描整个发光区。为了节能，供电给LEDs的信号至少满 足以下条件(1)循环时间比保留时间短；(2)每个LED的LED开启时 间比电路延迟时间加上响应时间长。其它相关的条件，将在以下详细描述， 使供电电路能够降低LEDs的闪烁到一个人类视觉系统不能觉察的水平。
「0231 —种方法，其中LED开启时间比电路延迟时间加上响应时间短，相
对一个总是开启的LED而言，可以在规定时间周期内消耗更^能量，但在 提供如总是开启的LED相同的感知亮度时并不节能。与DC驱动光源相比， 在此描述的方法可以实现至少同一感知亮度的高能效照明，。从以下的描述和权利要求，本发明的其它特征和优点将越发明显。
图1是一个控制电路供电给LED的示意图；图2A和2B是电信号波形的曲线图；图3是探测器强度读数的曲线图；图4A和5是包括多个发光元件的发光系统的示意图；图4B和4C是电信号波形的曲线图；图6是显示供电给发光元件子组次序的表格；图7是LCD面板背光的的LED阵列示意图。
发明详述参照图1和2A，控制电路100通过施加控制波形200、电压v(t)到 开关104的输入端(例如一个晶体管)，控制电路100控制电力供应到LED 102。当控制波形200接通该开关时，电流经过以供电给LED 102。图2B 显示一个获得的强度波形202，其表示LED 102发出的光强度I(t)。控制波 形200是一个具有周期T和工作周期D <<25%的方波。获得的强度波形 202有一个"on (开启)时间"T。n TD，在此期间LED发光，和一个"off (关闭)时间"T。ff ~ T(l-D)，在此期间LED不发光。该强度波形的开启 和关闭时间大致是由控制波形的工作周期来确定，但时间可能有些偏斜， 因为由于电路效应和LED的寄生电容和/或电感，强度波形202的特征不 一定与控制波形200的特征完全一样。例如，波形202相对波形200被延
迟一个电路延迟吋间Ted，并且强度波形202的形状不是一个严格的方波。控制电路100可以施加其它形状的控制波形而获得一个形状更接近 于方波形状的强度波形。例如，控制电路100考虑光源的电流-电压(I-V) 特征。在此例子里，当施加电压低于一个阈值电压Ve时，LED有一个可 忽略电流的二极管的I-V特征。当施加电压(由控制波形200控制)高于 阈值电压Ve时，通过LED的电流大约以指数级上升。在一个方法里，控制电路和控制波形被设置成，使得在"on"期间 经过LED的电压近似于Ve而不是0值。与0 "off"电压和V。 "on"电压 之间的电路延迟相比，低于Ve的"off"电压和完全发光运行的V。 "on"
电压之间的电路延迟(例如由于寄生电容)可以被减少。可以使用其他
方法来产生一个大约矩形的强度波形，例如，包括使用波形成型电路来产 生一个强度波形，其具有短暂上升和下降时间以及施加控制波形和获得强 度波形之间的短暂延迟。设置控制电路以供电给光源(如LED)的过程，包括选择波形的on 和off时间，其表示依照人类视觉特征供给光源的动力。例如，以下光探 测器的描述提供一个人类视觉模型的例子，其可以被用来选择波形特征， 当然本发明不受限于此理论。图3显示一个模拟人类视觉的探测器读取的强度曲线图300。在此模 型里，通过在时间t = O时开启一个非常快速的光阀(shutter)(其不花费 太多时间)，探测器接收到一个恒定强度10光通量。在开启光阀之前，探 测器的强度读数是1 = 0。在光陶开启之后，随着时间的推移，光通量的读 数将(大约线性地)增加，并在t:Tu时平稳到读数I-I。。时间Tu表示视 觉响应时间(或饱和时间)。当光阀在t-T,〉Tu关闭时，探测器读数保持 I二I。一段时间Tb，并在t-l + Tb时开始(大约线性地)降低。在超过t-Ts + Tb的一个时间Td之后，探测器读数为1 = 0。时间Tb表示视觉保留时 间(或视觉暂留时间)，Td是衰减时间。以下两个例子描述在重复开启和关闭光阀对探测器的影响，重复开 启和关闭光阀表示依照一个周期波形控制的光源。在第一个例子里，如果光阀被重复性地开启(一段时间KTu)和
关闭(一段时间Tx〈Te)，将会产生一个具有周期Tp二Tm + Tx的开启/关闭
光阀循环，探测器将最终获得一个稳态强度读数KI。。此例子对应一个较 低感知强度(或"暗淡")的光源模型。在此例子里，"关闭时间"L比保
留时间Te短，提供一个无闪烁的恒定感知强度。在第二个例子里，如果光阀被重复地开启(一段时间TpTu)和关 闭(一段时间Ty〈Tb)，会产生一个具有周期Tp-Tm + Ty的开启/关闭光阀 循环，探测器将最终获得一个稳态强度读数1 = 1()。此例子对应一个获取光 源完全感知强度的模型，尽管光源是被周期性地打开和关闭。在此例子里， 为了确保感知到的完全强度，光源开启/关闭的时间间隔(通过光阀开启/ 关闭时间模拟)需要合适选择，使得(1)"开启时间"Ts比响应时间Tu 长，和(2)"关闭时间"Ty比保留时间短(以提供一个无闪烁的恒定感知 强度)。尽管LED可以在一个小于lms (例如大约是O.lms)的短开关时 间(Tled)内被开启或关闭，但从施加电子信号到供电给LED的电路到从 LED发出的完全光之间的电路延迟(Ted)可能大于lms，并且根据电路和 LED的寄生电容禾n/或电感，可能是3ms、 5ms、 10ms或甚至更长。如果电路延迟Ted长于或比得上供电给LED的波形的"on吋间"，那 么经过LED的电压可能达不到一个完全运行电压，使LED有一个比其在 完全运行电压时更低的亮度。在一些例子里，LED的光通量(和产生的亮 度)是一个经过LED的电压的强函数，此电压超过阈值电压(例如3.3
伏)。如果LED开关时间T^ED是lms，电路延迟Tcd是在3至'J 5ms的范围 内，在电路开启LED之后，LED需要花TLED + Ted = 4到6ms来达到完全 强度。如果模拟的人类视觉响应时间Tu是在1到3ms的范围内，将需要 花TLED + Tcd + Tu = 5到9ms来感知完全亮度。在这样的例子里，在一个规 定电压电平上供电给LED的波形的"开启时间"将至少是9ms，以确保 LED的感知亮度几乎是与持续相同电压电平供电给LED的感知亮度相同。 一个更短的"开启时间"可能产生一个更低的感知亮度，通过(1)不预留 足够时间给电压经过LED以达到完全运行电压，和/或(2)不预留足够时 间给人类视觉响应以感知完全亮度。对一套规定开启和关闭时间的供电给LED的波形，另一种提高感知 亮度水平的方法包括提高波形的高电压电平。例如，提高电压有助于克服 寄生电容和电感的影响，以在一个更短时间内获得一个运行电压经过 LED。提高电压也有助于获得一个更高的稳态感知亮度。但是，提高电压 电平会降低已经实现的节能，甚至有可能导致更高能耗。在一个具有多个发光元件的分布式光源里，也可以实现节能，发光 元件被排列以照亮不同视觉区域。参照图4A，控制电路400供电给照亮第 一房间(房间A)的第一发光元件402A，并供电给照亮第二房间(房间B) 的第二发光元件402B。例如， 一个发光元件可以包括一个LED或多个互 连LEDs的阵列。控制电路400依照第一波形供电给第一发光元件402A， 并依照与第一波形异相(out of phase with)的第二波形供电给第二发光元 件402B。例如，控制电路400由一对电接头用一正弦波404A (图4B)驱动 第一发光元件402A，该正弦波是由一个60Hz电力线电压源导出的+12伏 和-12伏交替(图4B)。控制电路400由同一电接头的相反极性用一正弦波 404B (图4C)驱动第二发光元件402B。在房间A，在一个发光周期T期 间，第一发光元件402A发光一段时间T。n，对应高于阈值Vth的正弦波 404A。在房间B，在一个发光周期T期间，第二发光元件402B发光一段
时间T。n，对应高于阈值Vth的正弦波404B。因为一个发光周期是60Hz正 弦波的一个周期(大约16.7ms)，发光元件的关闭时间小于人类视觉系统 的保留时间(大约30 - 50ms)。发光元件的开启时间T。n取决于阈值Vth， 但当电路延迟保持很小时(例如，小于几微秒)，开启时间大约是5-8ms， 其大于人类视觉系统的响应时间(大约l-3ms)。与一个"DC (直流电)发光"方法相比，其中60Hz电力线电压源 被转换成一个恒定DC电压以供电给发光元件，这种典型"AC (交流电) 发光"方法可以节能。AC发光方法可以提供具有更低耗电的同等感知亮 度，因为供电不需要从AC转换成DC。与产生大电流(如>3A)的供电 相比，节电将更高，因为大电流的转换效率更低(例如通常小于60%效 率)。视觉的不同区域可以对应不同空间，如在前述例子里的房间，或陈 列橱的上橱柜和下橱柜，例如，或可以对应视觉的不同重叠区域。参照图5，控制电路500供电给一组发光元件502A- 502G，它们被 排列以在一个照明区域内(例如房间)照亮视觉的不同重叠区域(或"发 光区")。控制电路500以图6所示的顺序同一时间供电给具有3个发光元 件的子组。行A- G对应发光元件502A - 502G，列1 - 7对应重复顺序地 供电给发光元件的7个时隙。控制电路500在第一时隙点亮发光元件502A - 502C，在第二时隙点亮发光元件502B-502D，以此类推，如图6所示。 控制电路500在时间周期T^上扫描整个照明区域，Tw小于人类视觉系统 的保留时间。在每个时隙期间，控制电路500供电给发光元件的相应子组 一段时间，这段时间长于人类视觉系统的响应时间。通过选择供电给如图 6内的表格发光元件子组的波形相位，耗电水平随时间基本上是不变的， 仅有3个发光元件需要在规定时间上供电。排列发光元件以有效照亮视觉的不同区域的另一方面是控制波束形 状，产生各个照明区域的覆盖区。在一个距离发光元件的规定距离上，当 波束扩散(和覆盖区)较小时，照明区域上的光强度较高。例如，图7显示一个LEDs 700 二维阵歹U，其提供一个液晶显示(LCD) 面板702的背光。 一个小发光覆盖区至少可以以两种方式获得(l)LEDs 可以放置在距离面板的一个较短距离(例如小于5cm)，和(2) LEDs 的照射角度可以调小(例如通过选择LED光封装的数值孔径)。如果在 面板700上每个LED的照明覆盖区降低一个系数a.(在直径上)，用来照 明面板的LEDs数目大概可以增加一个系数1/^来覆盖更亮背光的同一区 域。通过使用异相波形供电给LEDs子组，如以上所述，与连续不断供电 的少量LEDs面板背光相比，可以降低用于面板背光的电量。例如，控制 电路704依照第一波形供电给第一集合行706A，依照与第一波形异相的第 二波形供电给第二集合行706B。其它实施例都在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种装置，包括一个包括多个发光元件的光源，发光元件被排列以照亮视觉的不同区域；和连接到光源的电路，该电路被设置成，依照第一波形供电给第一子组的发光元件，并依照与第一波形异相的第二波形供电给第二子组的发光元件。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中发光元件包括发光二极管。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中发光二极管包括一个二维阵列发光二 极管。
4. 根据权利要求3所述的装置，其中所述电路用第一波形供电给第一组阵 列行，并用第二波形供电给第二组阵列行。
5. 根据权利要求2所述的装置，其中发光二极管被设置和被排列成提供一 个液晶显示器的背光。
6. 根据权利要求1所述的装置，其中第一波形包括一个交流电波形，其通 过一对接头的第一极性被施加到第一子组，且第二波形包括该交流电波形， 其通过该接头的与第一极性相反的极性被施加到第二子组。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中交流电波形包括一个正弦波形。
8. 根据权利要求1所述的装置，其中第一波形和第二波形包括矩形脉冲。
9. 根据权利要求1所述的装置，其中第一和第二波形包括周期波形。
10. 根据权利要求9所述的装置，其中第一和第二波形的周期小于闪烁融合频率(flicker-flision frequency)的倒数。
11. 根据权利要求9所述的装置，其中第一和第二波形的周期在大约3ms 和50ms之间。
12. 根据权利要求11所述的装置，其中第一和第二波形的周期在大约20ms 和30ms之间。
13. —种高效照明的方法，包括依照第一波形供电给第一发光元件，以控制第一发光元件发出的光强 度，从而照亮视知觉的第一区域；和依照与第一波形异相的第二波形供电给第二发光元件，以控制第二发光 元件发出的光强度，从而照亮视知觉的第二区域。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中第一和第二波形包括周期波形。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二波形的周期小于闪烁融 合频率的倒数。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二波形的周期大约在3ms 禾口50ms之间。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中第一和第二波形的周期大约在20ms 和30ms之间。
18. 根据权利要求13所述的方法，其中第一波形包括一个交流电波形，其 通过一对接头的第一极性被施加给第一子组，并且第二波形包括这个交流 电波形，其通过该接头的与第一极性相反的极性被施加到第二子组。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中交流电波形包括一个正弦波形。
20. 根据权利要求13所述的方法，其中第一波形和第二波形包括矩形脉冲。
全文摘要
一个光源包括多个发光元件，发光元件被排列以照亮视觉的不同区域。连接到光源的电路(704)被设置成依照第一波形供电给第一子组发光元件(706A)，并依照与第一波形异相的第二波形供电给第二子组发光元件(706B)。
文档编号F21S2/00GK101356859SQ200780001150
公开日2009年1月28日 申请日期2007年4月11日 优先权日2006年4月28日
发明者徐文泰 申请人:香港应用科技研究院有限公司