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技術 LED照明装置を検査して特徴付けるためのシステム及び方法

出願人 ハベル、インコーポレイテッド
発明者 デイビッド、ジョン、レクターティー.ウォーレン、ウィークス、ジュニア
出願日 2020年2月4日 (11ヶ月経過) 出願番号 2020-017131
公開日 2020年6月25日 (6ヶ月経過) 公開番号 2020-098793
状態 未査定
技術分野 LED素子のパッケージ
主要キーワード 用途要件 駆動配置 放射光波長 コンポーネントパッケージ ワット量 Y座標 ケルビン度 業界基準
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

固体照明装置特徴付けるためのシステム及び方法を提供する。

解決手段

発光ダイオードLED)の様々なパラメータを測定するためのシステム及び方法であって、測定されたパラメータに基づいて各LEDを特徴付けるとともに、特徴付けられたLEDのうちの1つ以上を選択して、望ましい全光出力をもたらすべく、選択されたLEDのそれぞれからの放射光が他の選択されたLEDからの光と混ぜ合わされるシステム及び方法。

概要

背景

LEDの製造プロセスにおける最近の技術的進展と、LEDの固有低コスト及びエネルギー効率の良い性質とに起因して、LEDは、照明目的のための、最も一般的とは言わないまでも、最も一般的な光源のうちの1つに急激になってきている。また、LEDは半導体デバイスであるため、LEDは、現在一般的な白熱電球及び蛍光灯よりもかなり弾力的であり、破損耐久性がある。

LEDのこれらの有利な属性を考慮して、照明機器の多くの製造業者は、白熱光源又はコンパクト蛍光光源の代わりに、LED光源を組み込む照明装置、例えば照明器具等を提供することに自分達の労力を注いでいる。

LEDは、電流が特定の方向でLEDに通されるときに光を生み出す半導体デバイスである。光は、特定のLEDを製造するために使用される特定の半導体材料内で生じるエネルギーの変換に起因して生み出される。過去数十年間にわたって行なわれた研究は、基本的な赤、青、及び、緑を含む単色、並びに、これらの基本的な3つの色の間にある無数の色の幅広スペクトル放射するLEDを生み出すことができる能力をもたらしてきた。

LEDを扱うことの大きな利点は多く存在し、エネルギー変換は最も幅広く知られるものの1つである。LEDと白熱及び蛍光などの広く行き渡っている照明技術との直接的な比較は、実現され得るエネルギー節約示唆する。具体的には、白熱光源が最も多くのエネルギーを使用し、蛍光光源が2番目に多いエネルギーを使用し、また、LEDは、最も少ない量のエネルギーを使用し、したがって、3つのうちで最もエネルギー効率が良い。

前述したように、白熱光源及び蛍光光源とは異なり、LEDは、多くの単色光を放射することができ、白色光又は白色に似た様々なものに限定されない。すなわち、使用される特定の半導体材料、及び、使用される製造プロセスや特定のパッケージング等を含む幾つかの他の要因に応じて、LEDは、一般に、狭帯域の色の光、すなわち、狭帯域の波長の光を放射する。例えば、以下の表1は、の7つの認識される色と関連付けられる波長の帯域を与える。

「白色LED」は、しばしば、青色スペクトル可視白色光へダウンコンバートするように、青色「ポンプ」LED及びリン光体を用いて形成される。現在の製造技術に基づき、一貫性のある波長帯域を放射する、すなわち、特定の色温度で放射するLED、又は、同じ光放射特性を経時的に維持するLEDを生み出すことは困難である。これは、2つ以上の別個のLEDからの光を混ぜ合わせて、結果として生じる波長帯域が、所望の相関色温度CCT)で、所望の波長又はその波長付近主波長又はピークを有するようにすることがしばしば必要とされる理由の1つである。

照明のために一般に使用される白色光及び/又は白色に似た様々なものに関して、LED光源により放射される波長の放射帯域又はスペクトルはかなり広い。これは、白色光をもたらすために混ざり合う異なる純度粒径、及び、層厚を有するリン光体を含むことに起因する。

LED光源を使用して白色光を生成するための他の既知の方法は、3つ以上の別個のLED光源、例えば、赤、緑、及び、青(RGB)、又は、赤、緑、青、及び白(RGBW)からのそれぞれの光を混ぜ合わせることである。放射光波長の違いを受け入れるために、LEDは、材料及び製造プロセスの変化を照明産業の必要性と釣り合わせるように「ビニング」されて(binned)パッケージングされる。照明クラスLEDは、色一貫性と色及びルーメン維持とを含む、用途要件及び業界基準によって駆動される。伝統的な白熱ランプ及びガス管ランプが明るさ(例えばワット量により示される)及び色(温白色又は冷白色)によって売られる態様と同様に、LEDは、明度パラメータ(光束)及び色パラメータ色度)に関してビニングされる。

LED照明用途における幾つかの性能要件及び標準規格が米国及び他の場所で定められてきた。これらの標準規格の最初のものは、LEDランプ要件に関する照明技術を義務付けた2007産業政策であった。これは、「ENERGY STAR(登録商標固体照明器具に関するプログラム要件」であった。幾つかの更なる政策/標準規格がその後に公表された。また、これらの文書のそれぞれは、ENERGY−STAR承認LED照明製品のためのCCT、演色指数(CRI;color rendering index)、ルーメン(lumen)及び色維持(color maintenance)に関する要件を含む。

CCT測定における「温度」とは、黒体放射、すなわち、白熱(incandescence)のポイントまで加熱される金属などの固体により放射される光のことである。CCT測定値に関する単位は、度(ケルビン)、すなわち、絶対温度標準的な測定値で表される。具体的には、黒体がより熱くなるにつれて、黒体が放射する光は、一連の色を経て進行する。例えば赤からオレンジを経て黄色へと進み白から青へと至る。一連の色は、色空間内曲線を規定する。図1は、プランキア軌跡(Planckian locus)とも称される黒体曲線がその上に重ね合わされた、平均的な観察者見える色の全範囲を規定するために国際照明委員会CIE)によって形成されたCIE1931色空間を示す。

白熱ランプは、図1に示されるようにスケールのオレンジ又は赤みを帯びた端部へと向かう約2700Kの色を有する光を放射する。白熱電球はフィラメントを加熱することによって動作し、フィラメントはそれが特定の温度に達するときに光を放射するため、フィラメントの温度も光の色温度である。

光のスペクトル成分を測定する特殊な検査機器に起因して、蛍光灯及びLEDなどの非白熱白色光源における色温度を規定することができる。しかしながら、LEDは、半導体デバイスであるとともに、金属フィラメントを加熱することによって動作しないため、LED光源の実際の温度は、同じ色温度の光を放射する白熱電球よりもかなり低い。例えば、2700Kであるように測定される光を放射するLEDは、実際には、約80℃まで温度上昇するにすぎない場合がある。

米国規格協会(ANSI)は、LED光源から放射される光波の色に関する標準規格を発表した。具体的には、2008年に公表された色度標準規格C78.377Aは、2700K(「暖」光と称される)〜6500K(日光)の範囲の8個の公称CCTを規定する。

図2を参照すると、8個の公称CCTのそれぞれが四辺形によって表され、該四辺形の内部は、プランキアン軌跡又は黒体曲線に沿う許容変化及びプランキアン軌跡又は黒体曲線に対して垂直な許容変化の両方を規定する。それぞれの公称CCTに対応するそれぞれの許容変化は、ANSI標準規格(すなわち、ANSI C78.377A)で定められる。

図2の四辺形を見るとともに、図1に戻って参照することにより分かるように、黒体曲線に沿って位置する変化により、X色度値が増大するにつれて、すなわち、変化が黒体曲線の右へ向かうと、光源がより赤みを帯びて見え、或いは、Xが減少するにつれて、すなわち、変化が黒体曲線の左へ向かうと、光源がより青みがかって見える。黒体曲線よりも上側及び下側の変化により、Y値が増大するにつれて光源がより緑がかって見え、或いは、Y値が減少するにつれて光源がピンク色がかって見える。

黒体曲線に沿う変化は度Kで測定され、一方、黒体曲線に対して垂直な変化はDuvとして記録される。Duv範囲は、1931色空間ではなく、CIE1976色空間上で規定される。これは、色空間上の任意の場所で測定される距離が同じ度合いの色差を表す均一なスケールを1976色空間(CIELUV色空間としても知られる)が使用するため、1976色空間の方が光源の色差を評価するのに適しているからである。

CIE1976色空間の軸線は、x、yではなくu’,v’である。Duvは、黒体曲線からの距離であり、したがって、色変化の度合いである。プラスのDuv値は曲線よりも上側であり、一方、マイナスのDuv値は曲線よりも下側である。

以下の表2は、CCT値の許容変化、すなわち、黒体曲線に沿う許容変化、及び、Duv値の許容変化、すなわち、黒体曲線に対して垂直な許容変化を、8個の公称CCT値のそれぞれごとに、ANSIC78.377Aにしたがって与える。例えば、表に示されるように、4500K四辺形は、黒体曲線に沿う4260K〜4746Kの範囲のCCT値又は温度を網羅する。また、4500K四辺形は、曲線よりも上側0.007に至るまで及び曲線よりも下側0.005に至るまで及ぶ。

LED照明、特にLED光源を使用する照明に関連する特定の問題を考慮すると、特定の望ましい光出力効果を得るために別個のLED光源の正確で費用効率が高いグループ分けをもたらす方法及び関連する装置を提供することが望ましい。例えば、以下で更に詳しく説明されるように、現在利用できる個々のLED装置は全てが照明用途にとって理想的な一貫性のある白色光を放射するとは限らず、したがって、光放射の望ましい色を得るために2つ以上のLED光源が一般に混ぜ合わされるため、その色に最も近い色を得るために組み合わさる個々のLEDを正確に選択する方法が望まれる。

また、同じ半導体ウェーハから製造されるLED間でさえ、比較的幅広い色の差異(すなわち、CCT値)が存在し、また、時として、1つのLEDと隣のLEDとで光束の顕著なばらつきが存在するため、LED製造業者は、検査して「ビン」へとグループ化することにより、所定のビン内のLEDの全てが特定の範囲内の明度(color value)と特定の範囲内の光束とを有することが分かるようにした、LEDのグループ分けを提供することに関して割増金を請求する。これらのパラメータの範囲を小さくすればするほど、それに対応して、LED製造業者により請求される割増金が高くなる。

概要

固体照明装置特徴付けるためのシステム及び方法を提供する。発光ダイオード(LED)の様々なパラメータを測定するためのシステム及び方法であって、測定されたパラメータに基づいて各LEDを特徴付けるとともに、特徴付けられたLEDのうちの1つ以上を選択して、望ましい全光出力をもたらすべく、選択されたLEDのそれぞれからの放射光が他の選択されたLEDからの光と混ぜ合わされるシステム及び方法。

目的

LEDのこれらの有利な属性を考慮して、照明機器の多くの製造業者は、白熱光源又はコンパクトな蛍光光源の代わりに、LED光源を組み込む照明装置、例えば照明器具等を提供する

効果

実績

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請求項1

LEDデータを測定して格納する方法において、複数のLEDのそれぞれを所定の駆動条件を伴って駆動させることであって、前記複数のLEDが各LEDを特定するデータを有することと、前記LEDが前記駆動条件を伴って駆動されるときに、前記各LEDの1つ以上の選択されたパラメータを測定することと、1つ以上の測定された前記パラメータと、各LEDを特定する前記データに対応する前記駆動条件とを格納することと、を含む方法。

請求項2

1つ以上の測定された前記パラメータのうちの少なくとも1つは、CCT、Duv、光束、スペクトルパワー分布、及び、順方向電圧から成るグループから選択される請求項1に記載の方法。

請求項3

前記駆動条件は、LED温度駆動電流、順方向電圧、又は、デューティサイクル、及び、使用されるLEDの総数のうちの1つ以上を含む請求項1に記載の方法。

請求項4

測定されて格納された前記パラメータのうちの1つ以上に基づいて、前記複数のLEDのうちの2つ以上の混合出力を計算することを更に含む請求項1に記載の方法。

請求項5

前記駆動条件が照明器具を表し、前記複数のLEDの少なくとも一部は、前記照明器具の所望の光出力を得るために、計算された前記混合出力に基づいて前記照明器具に位置される請求項4に記載の方法。

請求項6

前記複数のLEDのそれぞれを、所定の第2の駆動条件を伴って駆動させることと、前記LEDが前記第2の駆動条件を伴って駆動されるときに、前記各LEDの1つ以上の選択されたパラメータを測定することと、1つ以上の測定された前記パラメータと前記第2の駆動条件とを、各LEDを特定する前記データと共に格納することと、を更に含む請求項1に記載の方法。

請求項7

LEDのグループから2つ以上のLEDを選択する方法であって、複数のLEDの1つ以上の測定されたパラメータを含むデータにアクセスすることと、測定されて格納された前記パラメータのうちの1つ以上に基づいて、前記複数のLEDのうちの2つ以上の混合出力を計算することと、前記混合出力に基づいて、前記複数のLEDから2つ以上のLEDを選択することと、を含む方法。

請求項8

1つ以上の測定された前記パラメータのうちの少なくとも1つは、CCT、Duv、光束、スペクトルパワー分布、及び、順方向電圧から成るグループから選択される請求項7に記載の方法。

請求項9

選択された前記2つ以上のLEDを照明器具内へ位置決めすることを更に含む請求項7に記載の方法。

請求項10

前記データは、LED温度、電流、順方向電圧、デューティサイクル、及び、照明器具で使用されるLEDの総数のうちの1つ以上を含む駆動条件を含む請求項7に記載の方法。

請求項11

前記データは、第1の光出力を有する第1の照明器具を表す第1の駆動条件と、第2の光出力を有する第2の照明器具を表す第2の駆動条件とを含み、前記2つ以上のLEDは、前記混合出力が前記第1又は第2の光出力とどの程度緊密に適合するかに基づいて、前記第1及び第2の照明器具のうちの一方と共に使用するために選択される請求項7に記載の方法。

請求項12

前記混合出力が、方程式を使用して計算される請求項7に記載の方法。

請求項13

前記複数のLEDのそれぞれを駆動条件を伴って駆動させることと、前記LEDが前記駆動条件を伴って駆動されるときに、前記各LEDの1つ以上のパラメータを測定することと、1つ以上の測定された前記パラメータと前記駆動条件とを格納することと、を更に含む請求項7に記載の方法。

請求項14

前記複数のLEDは、1つ以上の測定された前記パラメータ及び前記駆動条件と共に格納される各LEDを特定するデータを有する請求項13に記載の方法。

請求項15

照明製品用の2つ以上のLEDの放射光を混ぜ合わせる方法であって、複数のLEDのそれぞれを所定の駆動条件を伴って駆動させることと、前記LEDが前記駆動条件を伴って駆動されるときに、前記各LEDの1つ以上の選択されたパラメータを測定することと、前記測定されたパラメータと前記駆動条件とを格納することと、測定されて格納された前記パラメータと格納された前記駆動条件とに基づいて、前記複数のLEDから前記2つ以上のLEDを選択することと、を含む方法。

請求項16

前記選択されたパラメータが明度光束値とを含み、前記駆動条件は、駆動温度、駆動電流、及び、前記照明製品で使用されるLEDの数のうちの1つ以上を含む請求項15に記載の方法。

請求項17

測定されて格納された前記パラメータのうちの1つ以上に基づいて、前記複数のLEDのうちの2つ以上の混合出力を計算することを更に含み、前記2つ以上のLEDを選択することが前記混合出力に基づく請求項15に記載の方法。

請求項18

前記駆動条件が既知の照明器具のための典型的な駆動配置に対応し、前記複数のLEDの少なくとも一部は、前記照明器具の所望の光出力を得るために、計算された前記混合出力に基づいて、前記既知の照明器具に位置される請求項17に記載の方法。

請求項19

前記複数のLEDが、それぞれの個々のLEDを特定するデータを有し、前記データは、1つ以上の測定された前記パラメータ及び前記駆動条件と共に格納され、前記混合出力は、加重平均方程式(weightedaverageequation)を使用して計算される請求項17に記載の方法。

請求項20

x,y色度座標及び光束(φ=Y)が、以下の三刺激法方程式を使用して計算され、X=x*(Y/y)Y=YZ=(Y/y)*(l−x−y)ここで、Xmix=X1+X2+X3...xmix=Xmix/(Xmix+Ymix+Zmix)Ymix=Yl+Y2=Y3...,及びymix=Ymix/(Xmix+Ymix+Zmix)Zmix=Z1+Z2+Z3...,φmix=Yl+Y2+Y3...,である請求項17に記載の方法。

優先権の主張

0001

この出願は、2014年1月8日に出願された米国仮出願第61/925,138号に基づき、この仮出願の開示内容は、参照することによりその全体が本願に組み入れられるとともに、この仮出願の優先権が主張される。

技術分野

0002

様々な典型的な実施形態は、一般に、固体照明装置特徴付けるための方法及び装置に関する。特に、特定の実施形態において、本出願は、発光ダイオードLED)の様々なパラメータを測定するための方法及び装置であって、測定されたパラメータに基づいて各LEDを特徴付けるとともに、特徴付けられたLEDのうちの1つ以上を選択して、望ましい全光出力をもたらすべく、選択されたLEDのそれぞれからの放射光が他の選択されたLEDからの光と混ぜ合わされるようにする方法及び装置に向けられる。

背景技術

0003

LEDの製造プロセスにおける最近の技術的進展と、LEDの固有低コスト及びエネルギー効率の良い性質とに起因して、LEDは、照明目的のための、最も一般的とは言わないまでも、最も一般的な光源のうちの1つに急激になってきている。また、LEDは半導体デバイスであるため、LEDは、現在一般的な白熱電球及び蛍光灯よりもかなり弾力的であり、破損耐久性がある。

0004

LEDのこれらの有利な属性を考慮して、照明機器の多くの製造業者は、白熱光源又はコンパクト蛍光光源の代わりに、LED光源を組み込む照明装置、例えば照明器具等を提供することに自分達の労力を注いでいる。

0005

LEDは、電流が特定の方向でLEDに通されるときに光を生み出す半導体デバイスである。光は、特定のLEDを製造するために使用される特定の半導体材料内で生じるエネルギーの変換に起因して生み出される。過去数十年間にわたって行なわれた研究は、基本的な赤、青、及び、緑を含む単色、並びに、これらの基本的な3つの色の間にある無数の色の幅広スペクトル放射するLEDを生み出すことができる能力をもたらしてきた。

0006

LEDを扱うことの大きな利点は多く存在し、エネルギー変換は最も幅広く知られるものの1つである。LEDと白熱及び蛍光などの広く行き渡っている照明技術との直接的な比較は、実現され得るエネルギー節約示唆する。具体的には、白熱光源が最も多くのエネルギーを使用し、蛍光光源が2番目に多いエネルギーを使用し、また、LEDは、最も少ない量のエネルギーを使用し、したがって、3つのうちで最もエネルギー効率が良い。

0007

前述したように、白熱光源及び蛍光光源とは異なり、LEDは、多くの単色光を放射することができ、白色光又は白色に似た様々なものに限定されない。すなわち、使用される特定の半導体材料、及び、使用される製造プロセスや特定のパッケージング等を含む幾つかの他の要因に応じて、LEDは、一般に、狭帯域の色の光、すなわち、狭帯域の波長の光を放射する。例えば、以下の表1は、の7つの認識される色と関連付けられる波長の帯域を与える。

0008

「白色LED」は、しばしば、青色スペクトル可視白色光へダウンコンバートするように、青色「ポンプ」LED及びリン光体を用いて形成される。現在の製造技術に基づき、一貫性のある波長帯域を放射する、すなわち、特定の色温度で放射するLED、又は、同じ光放射特性を経時的に維持するLEDを生み出すことは困難である。これは、2つ以上の別個のLEDからの光を混ぜ合わせて、結果として生じる波長帯域が、所望の相関色温度CCT)で、所望の波長又はその波長付近主波長又はピークを有するようにすることがしばしば必要とされる理由の1つである。

0009

照明のために一般に使用される白色光及び/又は白色に似た様々なものに関して、LED光源により放射される波長の放射帯域又はスペクトルはかなり広い。これは、白色光をもたらすために混ざり合う異なる純度粒径、及び、層厚を有するリン光体を含むことに起因する。

0010

LED光源を使用して白色光を生成するための他の既知の方法は、3つ以上の別個のLED光源、例えば、赤、緑、及び、青(RGB)、又は、赤、緑、青、及び白(RGBW)からのそれぞれの光を混ぜ合わせることである。放射光波長の違いを受け入れるために、LEDは、材料及び製造プロセスの変化を照明産業の必要性と釣り合わせるように「ビニング」されて(binned)パッケージングされる。照明クラスLEDは、色一貫性と色及びルーメン維持とを含む、用途要件及び業界基準によって駆動される。伝統的な白熱ランプ及びガス管ランプが明るさ(例えばワット量により示される)及び色(温白色又は冷白色)によって売られる態様と同様に、LEDは、明度パラメータ(光束)及び色パラメータ色度)に関してビニングされる。

0011

LED照明用途における幾つかの性能要件及び標準規格が米国及び他の場所で定められてきた。これらの標準規格の最初のものは、LEDランプ要件に関する照明技術を義務付けた2007産業政策であった。これは、「ENERGY STAR(登録商標固体照明器具に関するプログラム要件」であった。幾つかの更なる政策/標準規格がその後に公表された。また、これらの文書のそれぞれは、ENERGY−STAR承認LED照明製品のためのCCT、演色指数(CRI;color rendering index)、ルーメン(lumen)及び色維持(color maintenance)に関する要件を含む。

0012

CCT測定における「温度」とは、黒体放射、すなわち、白熱(incandescence)のポイントまで加熱される金属などの固体により放射される光のことである。CCT測定値に関する単位は、度(ケルビン)、すなわち、絶対温度標準的な測定値で表される。具体的には、黒体がより熱くなるにつれて、黒体が放射する光は、一連の色を経て進行する。例えば赤からオレンジを経て黄色へと進み白から青へと至る。一連の色は、色空間内曲線を規定する。図1は、プランキア軌跡(Planckian locus)とも称される黒体曲線がその上に重ね合わされた、平均的な観察者見える色の全範囲を規定するために国際照明委員会CIE)によって形成されたCIE1931色空間を示す。

0013

白熱ランプは、図1に示されるようにスケールのオレンジ又は赤みを帯びた端部へと向かう約2700Kの色を有する光を放射する。白熱電球はフィラメントを加熱することによって動作し、フィラメントはそれが特定の温度に達するときに光を放射するため、フィラメントの温度も光の色温度である。

0014

光のスペクトル成分を測定する特殊な検査機器に起因して、蛍光灯及びLEDなどの非白熱白色光源における色温度を規定することができる。しかしながら、LEDは、半導体デバイスであるとともに、金属フィラメントを加熱することによって動作しないため、LED光源の実際の温度は、同じ色温度の光を放射する白熱電球よりもかなり低い。例えば、2700Kであるように測定される光を放射するLEDは、実際には、約80℃まで温度上昇するにすぎない場合がある。

0015

米国規格協会(ANSI)は、LED光源から放射される光波の色に関する標準規格を発表した。具体的には、2008年に公表された色度標準規格C78.377Aは、2700K(「暖」光と称される)〜6500K(日光)の範囲の8個の公称CCTを規定する。

0016

図2を参照すると、8個の公称CCTのそれぞれが四辺形によって表され、該四辺形の内部は、プランキアン軌跡又は黒体曲線に沿う許容変化及びプランキアン軌跡又は黒体曲線に対して垂直な許容変化の両方を規定する。それぞれの公称CCTに対応するそれぞれの許容変化は、ANSI標準規格(すなわち、ANSI C78.377A)で定められる。

0017

図2の四辺形を見るとともに、図1に戻って参照することにより分かるように、黒体曲線に沿って位置する変化により、X色度値が増大するにつれて、すなわち、変化が黒体曲線の右へ向かうと、光源がより赤みを帯びて見え、或いは、Xが減少するにつれて、すなわち、変化が黒体曲線の左へ向かうと、光源がより青みがかって見える。黒体曲線よりも上側及び下側の変化により、Y値が増大するにつれて光源がより緑がかって見え、或いは、Y値が減少するにつれて光源がピンク色がかって見える。

0018

黒体曲線に沿う変化は度Kで測定され、一方、黒体曲線に対して垂直な変化はDuvとして記録される。Duv範囲は、1931色空間ではなく、CIE1976色空間上で規定される。これは、色空間上の任意の場所で測定される距離が同じ度合いの色差を表す均一なスケールを1976色空間(CIELUV色空間としても知られる)が使用するため、1976色空間の方が光源の色差を評価するのに適しているからである。

0019

CIE1976色空間の軸線は、x、yではなくu’,v’である。Duvは、黒体曲線からの距離であり、したがって、色変化の度合いである。プラスのDuv値は曲線よりも上側であり、一方、マイナスのDuv値は曲線よりも下側である。

0020

以下の表2は、CCT値の許容変化、すなわち、黒体曲線に沿う許容変化、及び、Duv値の許容変化、すなわち、黒体曲線に対して垂直な許容変化を、8個の公称CCT値のそれぞれごとに、ANSIC78.377Aにしたがって与える。例えば、表に示されるように、4500K四辺形は、黒体曲線に沿う4260K〜4746Kの範囲のCCT値又は温度を網羅する。また、4500K四辺形は、曲線よりも上側0.007に至るまで及び曲線よりも下側0.005に至るまで及ぶ。

0021

LED照明、特にLED光源を使用する照明に関連する特定の問題を考慮すると、特定の望ましい光出力効果を得るために別個のLED光源の正確で費用効率が高いグループ分けをもたらす方法及び関連する装置を提供することが望ましい。例えば、以下で更に詳しく説明されるように、現在利用できる個々のLED装置は全てが照明用途にとって理想的な一貫性のある白色光を放射するとは限らず、したがって、光放射の望ましい色を得るために2つ以上のLED光源が一般に混ぜ合わされるため、その色に最も近い色を得るために組み合わさる個々のLEDを正確に選択する方法が望まれる。

0022

また、同じ半導体ウェーハから製造されるLED間でさえ、比較的幅広い色の差異(すなわち、CCT値)が存在し、また、時として、1つのLEDと隣のLEDとで光束の顕著なばらつきが存在するため、LED製造業者は、検査して「ビン」へとグループ化することにより、所定のビン内のLEDの全てが特定の範囲内の明度(color value)と特定の範囲内の光束とを有することが分かるようにした、LEDのグループ分けを提供することに関して割増金を請求する。これらのパラメータの範囲を小さくすればするほど、それに対応して、LED製造業者により請求される割増金が高くなる。

発明が解決しようとする課題

0023

したがって、LED製造業者からLEDを購入する照明装置設計者又は照明装置製造業者が厳しく仕様が定められたLEDに関して請求される割増金を回避できるようにする、或いは最小限に抑えることができるようにする方法及び装置を提供することが更に望ましい。

課題を解決するための手段

0024

前述の問題及び要望を含むがこれらに限定されない、様々な照明装置内に組み込まれるべきLED装置を測定して特徴付けるための現在の方法と関連付けられる問題及び要望に鑑みて、個々のLEDを測定して特徴付けるとともに、多くの特徴付けられた装置を所定の態様でグループにまとめて、光の望ましい色及び明るさを与えるための装置及び方法が提案された。

0025

本出願の1つの態様によれば、1つ以上の典型的な実施形態に係る装置及び方法は、LEDがLED製造業者により規定される所謂「ビン」に属するか否かにかかわらず、LED装置、例えば一群の幾つかのLED装置から選択されるLEDの幾つかの関連するパラメータのうちの1つ以上を測定すること、及び、一群のLED装置からの1つ以上の個々のLED装置の迅速な選択を容易にする態様で各LEDに対応する測定されたデータを格納することを含む。

0026

本出願の1つ以上の典型的な実施形態の第2の態様によれば、特定のランプから該ランプが作動されるときに例えば色及び光束に関して望ましい全光出力を与えるために、2つ以上の個々のLED装置がそれらのそれぞれの格納されたデータに基づいてグループにまとめられる。1つ以上の典型的な実施形態によれば、ランプに組み込まれるべき個々のLEDの数、駆動条件下でのLED装置の温度、LEDの駆動電流、及び、ランプのピッチのうちの1つ以上を組み入れるアルゴリズムが使用される。

0027

本出願の1つ以上の典型的な実施形態の更なる第3の態様によれば、照明装置内に組み込まれるべきLEDは、プランキアン軌跡又は黒体曲線から実質的に逸脱する「ビン」から選択され、或いは、全くビニングされなかった複数のLEDから選択される。例えば、大部分の関連技術のLED特徴付けシステムに関するやり方と同様に、プランキアン軌跡から1ステップ又は2ステップマクアダム(Macadam)楕円内に存在する「ビン」から選択される所定のランプで使用されるべきLED装置を選択するのではなく、本出願のこの態様によれば、LEDは、理想的な黒体曲線から3ステップ、4ステップ、又は、それ以上のステップにあるビンから選択される。

0028

以下、添付図面を参照して、開示される発明の典型的な実施形態を一例として詳しく説明する。

図面の簡単な説明

0029

プランキアン軌跡が重ね合わされた既知のCIE1931色度図模写である。
既知の8個の公称CCT及びANSIC78.377A標準規格により規定される公称CCTのそれぞれの範囲を示す図である。
対応する7ステップマクアダム楕円がそれぞれの公称CCTごとに与えられた、図2に与えられる8個の公称CCTのそれぞれを示す図である。
図4Aは、本出願の典型的な実施形態に係る望ましい色範囲を特定する黒体曲線上に四辺形が重ね合わされた図1に与えられた色度図改訂版である。図4Bは、本出願の典型的な実施形態に係る16個の部分四辺形に分けられた図4Aに示される四辺形の拡大図である。

実施例

0030

本出願と合致する装置及び方法の典型的な実施形態は、以下で詳しく説明される新規な態様のうちの1つ以上を含む。例えば、開示される出願の1つ以上の典型的な実施形態は、個々のLEDが実際の動作条件下で検査されるとともに、それぞれの検査されたLEDと関連付けられる様々な技術的パラメータが例えばコンピュータメモリ装置に格納される方法及び装置を含む。また、別の手段では、複数の実際の動作シナリオ下で1つ以上のLEDがそれぞれ検査され、結果として得られる特性データがそれぞれごとに格納される。
例えば、製造設備が10個の異なる照明器具を製造する場合がある。そのような場合、LEDは、複数の異なる照明器具と関連付けられる実際の動作パラメータを使用して検査されてもよい。

0031

或いは、LEDは、少なくとも2つの異なる実際の動作シナリオプロファイルを使用して検査されてもよく、この場合、それぞれのプロファイルは、1つ以上の照明器具と共に使用するのに適している。更なる他の別の手段において、LED検査システムは、検査データと関連付けられる一意的に特定される格納場所にLEDを物理的に格納することによって、LED検査データを「物理的に」格納してもよい。特定の例示的な実施形態において、本明細書中に記載されるシステム及び方法は、カリフォルニア州のChroma ATEから入手できるModel 58267、ドイツのミュンヘンのInstrument Systemsから入手できるLEDテスター、及び/又は、中国のHopu Optics Technology Co.,Ltd.から入手できるHP6000又はHP8000などの既存の市販のLED検査システムをテキサス州のDell,Inc.から入手できるDELLPOWEREDGE Serversなどの関連するコンピュータ及びコンピュータを含む材料取り扱い装置と共に改変することによって実現されてもよい。

0032

他の例示的な実施形態によれば、一群のLEDから選択されるそれぞれの個々のLEDは、特定の予め規定された条件下でLEDと関連付けられる様々な電気関連又は他の照明関連のパラメータを測定するように構成される機器で検査される。例えば、1つ以上の所定のビンからの一群のLEDは、LED製造業者から入手される。各ビンは、そのビンに関して定められたLEDの色、光束、及び、順方向電圧などのパラメータ又はパラメータ範囲に基づいて、製造業者によって規定される。各LEDには、固有の識別データ、例えば固有の部品番号又はシリアルナンバー割り当てられ或いは既に含まれている。典型的な実施形態によれば、各LEDが1つ以上の特定の動作条件下又は駆動条件下で検査され、また、1つ以上のパラメータが測定される。測定されたパラメータは、LEDの特定の色、光束、波長、スペクトルパワー分布、及び、順方向電圧のうちの1つ以上を含み、これらのそれぞれは、検査されたLEDのために測定されて格納される。

0033

入手されたLEDが検査される特定の動作条件は、LEDが組み込まれるべき特定の照明器具、その照明器具に組み込まれるべきLEDの総数負荷条件下でのLEDの例えば一般的には60℃〜100℃の値の駆動温度、特定のLEDが照明器具内で動作されるときに受ける例えば一般的にはLEDごとに25mA〜2000mAの値の駆動電流、特定の照明器具に関してLEDと関連付けられるピッチ、例えば隣り合うLED間の距離、及び、LEDの放射光又は寿命に影響を及ぼすことが知られている他の関連するパラメータのうちの1つ以上によって規定される。

0034

シリアルナンバー、放射色、光束、順方向電圧、及び、LEDが検査された動作条件などの特定のLEDのための識別子を含む関連データは、コンピュータメモリなどのメモリ装置に格納されて、今後のアクセスのために利用可能にされる。以下で詳しく説明されるように、その後、所定の照明結果を得るために、格納されたデータに基づき、検査されたLEDから多くの特定のLEDが選択される。

0035

図3に示されるように、マクアダム楕円と呼ばれる楕円が、8個のそれぞれの公称CCTごとに、色度図上の許容できる色又はX,Y座標の大部分を包含する。特定のX,Y色点のための「1ステップ」マクアダム楕円が、「標準的な観察者」の1つの標準偏差を包含するように規定される。すなわち、約65%の人は、所定の色、すなわち、そのX,Y座標により規定される色を、それらのX,Y座標を中心とする1ステップマクアダム楕円内の何らかの点と考える。より大きな楕円は、より高いパーセンテージの観察者、すなわち、95%〜99%の観察者が、同じ色を楕円内のある場所の点と考えることができるようにする2つ、3つ、又は、それ以上の標準偏差を囲い入れるように規定される。

0036

言い換えると、任意の特定の色又はCCT座標におけるマクアダム楕円のサイズは、「ステップ」と呼ばれる標準分散に基づく。前述したように、1ステップマクアダム楕円は、該楕円の外周又は外側境界の全ての点が、楕円の中心点から正確に1標準偏差である楕円である。同様に、4ステップマクアダム楕円では、楕円の外周上の各点が、中心から正確に4標準偏差である。

0037

図3に示されるマクアダム楕円は、米国エネルギー省が小型蛍光(CFL電球に関する標準規格として当初設定した7ステップ楕円である。ANSI色度仕様は、既存の蛍光灯標準規格と可能な限り一致するように、且つ現況及び近未来の固体照明(SSL)技術及びカラービニング能力を反映するように開発された。ANSIは、ランプ製造業者が自分達のランプを、所定の特定の色、すなわち、CCTに関して、4ステップ楕円内に存在するように設計することを推奨する。

0038

図4Aは、前述したCIE1931色度図の改変されたコピーである。図示のように、特定の四辺形(Uo)がプランキアン軌跡上で確認され、プランキアン軌跡内では、本出願の一実施形態にしたがって特定の照明用途にとって望ましい色が存在する。この簡略化された例では、八(8)個のLEDから成る特定のロットからの2つのLEDを混ぜ合わせて所望の色を得ることが望ましい。

0039

図4Bは、図4Aで確認された四辺形の拡大図である。この例では、図4Aからの四辺形Uoが、十六(16)個の更に小さい四辺形に、すなわち、プランキアン軌跡よりも下側のU1−U8と、プランキアン軌跡よりも上側のU9−UGとに更に分割されてしまっている。図4Aに示される大きい四辺形を小さい区分又はビンへと分割することは、「ビニング」と称される技術であり、LED製造業者からLEDを購入する際に、より厳しい公差を指定することによって所望の色を確保するべく行なわれる。

0040

具体的には、LEDは、タングステン又はハロゲンなどの他の光源よりも大きいばらつきを示す。したがって、LED製造業者は、一般に、自分達の提供したLEDの一貫した特性を与えるべく、ビニング技術を開発する或いは採用する。すなわち、コンポーネントパッケージング及び駆動回路を経る半導体ウェーハ製造を含むプロセスの全てのステップで、LED、特に白色LEDが非常に厳しい公差に従って製造される場合であっても、側光応答を決定付ける自然なばらつきが材料及びプロセスにおいて存在する。例えば、材料特性ウェーハの表面上にわたって変化し、これらの変化が個々のLEDダイへと伝わる。ビニング技術は、製造プロセスの出力を特徴付けるとともに、ランプ設計者及び/又は製造業者などの顧客がこの出力を用いて取り組んで均一な照明光源を得るための方策を立てることができるようにする。しかしながら、より厳しい公差に従うLEDを購入するのは高くつく。厳密に言えば、LED製造業者は、一組の厳しく規定された公差に合わせてビニングされたLEDに関して常に割増金を請求する。

0041

図4Bを参照するこの典型的な実施形態によれば、所定の所望の色に関するプランキアン軌跡に沿う任意の点では、すなわち、3465K±245Kにおいては、プランキアン軌跡よりも上側の8個の部分四辺形と、プランキアン軌跡よりも下側の8個の部分四辺形とが存在する。したがって、LEDから放射される光の付加的な性質に起因して、プランキアン軌跡に可能な限り近い究極のX,Y座標を得るためには、また更に、既知の単一のLEDが、所望の色に関して、プランキアン軌跡上にちょうど存在するX,Y座標を伴う光を放射しないと仮定すると、当業者であれば分かるように、理想的には、軌跡よりも上側で定められる1つ以上のLEDとプランキアン軌跡よりも下側で定められる1つ以上のLEDとを混ぜ合わせて、ちょうど軌跡線上にある色を得るべきである。

0042

本出願のこの例によれば、四辺形UA,U7からのLEDが特定された。したがって、2つのLEDがそこから選択される8個のLEDは、四辺形UA又は四辺形U7のいずれかの中にX,Y座標を有する。8個のLEDのそれぞれは実際の駆動条件下で検査され、また、それらのLEDのそれぞれのX,Y座標及び放射された光束は、特定の駆動条件と共に、例えば、ランプに組み込まれるべき個々のLEDの数、LED装置の駆動条件下での温度、LEDの駆動電流、及び、ランプのピッチと共に格納された。ランプに組み込まれるLEDの数としては、1つの照明器具で使用されるLEDの総数、又は、LEDの複数のグループを含むとともにそれぞれのグループが1つのランプを形成する1つの照明器具で使用されるLEDのグループの総数を挙げることができる。

0043

他の代わりの手段では、照明器具もLEDピッチ又はLED間隔によって特定される。
この例では、第1の照明器具が1インチピッチを有し、また、色混合がより早く起こる。
他の照明器具では、LEDPCB基板が3インチのピッチ又はLED間隔を有し、また、混合がより長い距離にわたる。この代わりの手段では、又は、必要に応じて他の手段のいずれかにおいては、一群のLEDにおける複数の混合シナリオが計算される。ここでは、色混合がより長い距離にわたるため、最も大きいピッチを有する照明器具に関しては、色がより近いLEDが使用される。同様に、最も小さいピッチを伴う照明器具においては、色がより遠く離れているLEDが一緒に使用される。更なる他の代わりの手段において、照明器具は、例えば8個のLEDが円を囲むような空間域をPCB基板上に有することによって特徴付けられ、また、対向する対の4つのセットを成す部分混合によって混合が行なわれる。

0044

以下の表3は、UA又はU7のいずれかから選択されたLD1〜LD8の8個の異なるLEDのロットのそれぞれごとに測定値を与える。

0045

表3中の「X」列は、所定のLEDにおけるX座標を特定し、「Y」列はYCCT座標を特定し、及び、「光束」列は、所定の8個のLEDのそれぞれごとに測定された光束を特定する。したがって、この例に係る目的は、結果として生じる光が可能な限り3465Kに近くなるように、LD1〜LD8から2つのLEDを選択することである。

0046

当業者であれば分かるように、LEDの混合において結果として生じるX,YCCT座標を計算するための幾つかの方法が存在し、また、ここで使用される簡略化された方法とは異なる方法を利用することは、開示された発明の思想及び範囲から逸脱しない。例えば、三刺激法(tristimulus method)を使用してX,Y座標を計算することができる。簡略化された方法は、ここでは説明を容易にするために選択された。結果として生じるX,Y色度座標を、例えばプログラム計算装置を使用して計算するための更に正確な包括的方法は、発明者によって十分に検討され、最も実用的な状況で使用される。

0047

2つ以上のLEDからの混合光は、以下の方程式1(EQN1)によって本出願のこの実施形態にしたがって計算される。

0048

ここで、Xi及びYiは、X色度座標及びY色度座標を表し、また、Wiは、対応する光束を表す。

0049

以下の表4は、8個のLED、すなわち、LD1−LD8のそれぞれが他の7個のLEDのそれぞれと組み合わされるときにもたらされる計算されたX,YCCT座標を与える。例えば、前記方程式1(EQN1)を使用すると、LD1からの光がLD2から放射される光と組み合わされる或いは混合されるときに、結果として生じるX,Y色度座標はそれぞれ0.4045,0.3899である。

0050

表4からの計算されたX,Y座標を、対応する近似CCT値へ変換するために、McCamyの式として知られる以下の方程式2(EQN2)が使用される。
CCT=449n3+3525n2+6823.3n+5520.33 (EQN2)
ここで、n=(x−0.3320)/(0.1858−y)である。

0051

McCamyの式は、この例にしたがって、すなわち、目標CCTが3465Kであるこの例にしたがって使用される。これは、2856〜6500Kの範囲の色温度に関して、2ケルビン度未満の最大絶対誤差を与えることが知られているからである。より正確な解決策が必要とされれば、当業者は、使用され得る別の変換方法について知るであろう。

0052

以下の表5は、前記EQN2によって計算されるn及び近似CCTの対応する値を与える。

0053

以下の表6は、目標CCT、すなわち、3465Kと、2つの組み合わされたLEDに関する計算された近似CCTとの間の差を与える。

0054

表6に示されるように、この例によれば、3465Kに近いCCT値を得るための、当初の8個のLED、すなわち、LD1−LD8から選択された2つのLEDの最良の組み合わせは、LD4とLD6との組み合わせである。表示されるように、この組み合わせは、目標から2.5度K小さい3462.5Kの近似CCT値を与える。

0055

先に開示された例、すなわち、プランキアン軌跡に近いビンからの8個の検査済みLEDのロットから2つのLEDを選択する例は、簡略化された例であり、単なる例示目的で与えられる。本明細書中に開示される例示的な実施形態によれば、製造業者からLEDが得られたビンが大きな色変化にわたって広がる及び/又はプランキアン軌跡よりも上側及び下側にかなりの距離で存在する場合に、大きな一群の既に検査されたLEDから、例えば数万個のLEDから個々のLEDが選択されるときに、飛躍的な利点が得られる。言い換えると、選択されたLEDがそこから選ばれるLEDは、最終的に望ましい色に関して比較的高い数のステップのマクアダム楕円、例えば4ステップ、5ステップ、6ステップ、又はそれ以上のステップのマクアダム楕円内で特定される。

0056

本出願の方法にしたがって、LED製造業者から購入される全てのそれぞれのLEDごとに検査して対応するデータを格納することにより、照明装置製造業者は、LEDのより安い価格をうまく利用することができる。すなわち、先に概説された例又はその変形例と一致する2つ以上のLED、場合により更に幅広い色変化及び光束値(flux value)を伴う非常に大きな一群のLEDからの2つ以上のLEDを混ぜ合わせることにより、照明製造業者は、予め想定し得たよりもプランキアン軌跡からかなり遠く離れたビンからのLEDを使用することができる。それぞれのLEDに対応する特定のデータ、例えばCCTX,Y座標、光速、順方向電圧、CRI,パワー分布等が、使用されるべき特定の駆動条件、例えば電流、電圧、温度、デューティサイクル波形)等と共に格納されるため、照明製造業者は、より厳しい標準規格を得るべく予め想定し得たよりも正確に且つ費用効率良く、3ステップ、4ステップ、及び、5ステップ、場合によりそれ以上のステップのマクアダム楕円内に存在するビンからのLEDを混ぜ合わせることによって、特定の放射明度をより正確に得ることができる。また、照明器具の結果として生じる所望の特性が知られている場合には、LEDのグループにおける格納データを使用して、そのグループから幾つの照明器具を形成できるのかを決定することができる。したがって、方法を使用して、LEDのグループを解析し、複数の照明器具にわたってLEDを分配させるための最良の方策を決定することができる。例えば、LEDのグループは、測定され得るとともに、結果として生じるデータに基づき、第1の所望の光出力を有する一組の第1の照明器具又は第2の所望の光出力を有する一組の第2の照明器具において、LEDのグループを用いて形成され得る照明器具の最大数に基づいて或いは他の費用的考慮事項、例えば所望の出力をもたらすために必要とされるLEDの総数に基づいて、使用され得る。

0057

特定の典型的な実施形態の前述の詳細な説明は、発明の原理及び発明の実用的な用途を説明し、それにより、他の当業者が様々な実施形態に関して発明を考えられる特定の用途に適するような様々な改変と共に理解できるようにする目的で与えられてきた。この説明は、必ずしも包括的であるように或いは本発明を開示された典型的な実施形態に限定するように意図されていない。具体的に開示されない様々な更なる実施形態を形成するために、本明細書中に開示される任意の実施形態及び/又は要素が互いに組み合わされてもよい。
したがって、更なる実施形態は、想定し得るとともに、この明細書の範囲内及び特許請求の範囲内に包含されるように意図される。明細書は、他の方法で達成されてもよい更に一般的な目標を果たすために特定の実施例を説明する。

0058

この出願で使用される用語「前」、「後」、「上」、「下」、「上方に」、「下方に」、及び、他の方向を示す記述子は、本発明の典型的な実施形態の説明を容易にするべく意図されており、本発明の典型的な実施形態の構造を任意の特定の位置又は方向に限定するべく意図されていない。「ほぼ」又は「約」などの程度の用語は、所定の値の外側の妥当な範囲、例えば前述の実施形態の製造、組み立て、及び、使用と関連付けられる一般的な許容範囲のことであると当業者により理解される。

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