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CN101688646A - 具有可调整的光束形状的基于led的照明器 - Google Patents

具有可调整的光束形状的基于led的照明器 Download PDF

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CN101688646A CN200880020234A CN200880020234A CN101688646A CN 101688646 A CN101688646 A CN 101688646A CN 200880020234 A CN200880020234 A CN 200880020234A CN 200880020234 A CN200880020234 A CN 200880020234A CN 101688646 A CN101688646 A CN 101688646A
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Abstract

提出一种照明器(1)，其包括光源(10)和光学元件(20)。光源(10)设置在第一阵列(11)和第二阵列(12)中，同时光学元件(20)设置在第一部分(21)和第二部分(22)中。第一“光源”阵列(11)和第一“光学元件”部分(21)形成第一组(31)，第二阵列(12)和第二部分(22)形成第二组(32)。该照明器(1)的特征在于，每组的光学元件(20)设置成具有不同的光束成形特性，并且阵列(11，12)设置成是可单独寻址的。这在需要或希望对光束形状进行控制的照明应用中是特别有利的。有利的是，本发明提供一种不需要利用可调整的光学系统就能够调整光束形状的照明器(1)。此外，光源的控制带宽限制了可用于调整光束形状的速度。

Description

具有可调整的光束形状的基于LED的照明器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的一种照明器。本发明还涉及根据权利要求13前序部分的一种光束成形方法。这种照明器和光束成形方法在需要或希望对光束形状进行控制的照明应用中是有用的。
背景技术
能够调整发射光束形状的照明器可用在许多应用中。光束成形特征在静态以及动态应用中都引起人们的兴趣。静态应用中的可调整的光束形状在正常情况下通过许多预置方式来实现，例如“聚光灯”、“泛光灯”或“环境光”。在利用动态光束控制的应用中，正常情况下能够在连续的范围内调整该光束形状。
在常规的照明器中，通过利用光源和光学系统来产生发射光束。光学系统通常是反射器系统，但也可以是折射系统、衍射系统或漫射系统。传统上，通过对光源和光学系统的相对位置进行调整来控制光束形状。以手电筒为例，通过将灯泡相对于抛物面反射器(或者透镜相对于灯泡)重新定位来控制光束的形状——在狭窄范围内聚焦对(vs.)宽范围扩散。应用可切换的折射元件(例如液晶透镜和电润湿透镜)或者可切换的漫射体是用于调整由照明器发射的光束的形状的可替换的公知技术。
现有技术中用于调整由照明器发射的光的光束形状的缺点在于所使用的可调整的光学系统(或者通过机械运动，或者通过电力控制)。而可移动的系统易于磨损和撕裂，可电力控制的系统通常非常复杂和昂贵。而且，可机械移动的和可电力控制的光学系统的带宽通常被限制为可用于调整该光学系统的频率。典型地，对于可机械移动的系统来说，带宽是10-100Hz，对于旋转系统来说，达到10kHz，对于微机械系统(MEMS)来说，达到100kHz-1MHZ，以及对于可电力控制的系统来说，达到50-1000Hz。
发明内容
本发明的目的在于提供所阐述的这种照明器，其能够调整光束形状达到极高的频率。这一目的利用如权利要求1所限定的根据本发明的照明器来实现。根据第一方面，本发明的特征在于将每组光学元件设置成具有不同的光束成形特性，并且第一光源阵列和第二光源阵列被设置成是可单独寻址的。有利的是，本发明提供一种不需要利用可调整的光学系统就能够调整光束形状的照明器。此外，能够调整发射光的光束形状所用的速度现在被限制为光源的控制带宽。
在本发明的实施例中，这些光源从下面的组中选择，所述组包括无机LED、有机LED和半导体激光器。这些光源的控制带宽典型地在从1MHz到1GHz的范围内。
在实施例中，第一阵列的光源分散插入在第二阵列的光源之间。该实施例有利地实现了具有公共对称中心的不同的光束形状。此外，第一和第二组因此是分散插入的，使观察者不能辨认出例如两个不同光束形状的物理来源。
在另一个实施例中，至少一个“光源”阵列设置在能够发射第一原色光的第一子阵列和能够发射第二原色光的第二子阵列中。在实施例中，第一子阵列的光源分散插入在第二子阵列的光源之间。有利的是，能够彼此独立地控制和调整颜色和光束形状。考虑到该照明器利用加色混合这一事实，因此术语“原色”必须被理解成包括由该照明器中的光源所发射的光的任何颜色(即光谱)。因此“原色”既包括窄带宽光谱并因此是高度饱和的颜色，也包括大带宽光谱并因此是所发射的光的不饱和颜色。因此，附加的混合“原色”的范围明显不限于例如高度饱和的红色、绿色和蓝色光源。相反，该范围扩展为混合例如暖白色和冷白色光源。
在根据本发明的又一个实施例中，第一光源阵列设置为发射第一原色的光，而第二光源阵列设置为发射第二原色的光。有利的是，能够同时控制和调整颜色和光束形状。
在实施例中，照明器包括光导，该光导包括第一小平面和第二小平面，第一小平面设置成将该光源发射的光耦合到该光导中，第二小平面设置成将光耦合到该光导外面，有利的是，能够实现非常薄的照明器。在实施例中，光学元件的光束成形特性设置成将该光源发射的光进行准直。有利的是，该光导将源自不同光源的光进行混合，使观察者不能辨认出光的不同的物理来源。
在实施例中，凹槽(indentation)包括侧面的小平面，其适合反射入射光线。有利的是，不发生在光源处由于吸收或散射造成的光损失，从而确保良好的光效率。
在实施例中，凹槽以层叠分布的方式设置在光导的平面内。有利的是，层叠的凹槽之间的距离控制光混合的程度(在应用多原色光源时形成例如更均匀的彩色光束)。
根据第二方面，本发明提供依照权利要求13前序部分的一种用于控制由照明器发射的光束形状的方法。该方法的特征在于将每组光学元件设置成具有不同的光束成形特性，以及将第一光源阵列和第二光源阵列设置成是可单独寻址的。有利的是，本发明提供一种不需要利用可调整的光学系统就能够调整照明器的光束形状的方法。此外，将能够调整发射光的光束形状所用的速度限制为光源的控制带宽。
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中显而易见并且参考所述实施例进行说明。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点公开在下面结合附图的、对示例性且优选的实施例所进行的描述中。
图1示出了根据本发明的包括LED和透镜的照明器的正视图
图2示出了根据本发明的基于光导的照明器
图3示出了贯穿该基于光导的照明器的横截面
图4示出了基于光导的照明器的不同构形
图5A示出了基于光导的照明器的另一个实施例的顶视图，该照明器具有设置在方格网阵列中的多个光源
图5B示出了沿着与图5A中的照明器平行的截面而得到的示意性横截面视图，该图示出了矩形的向内耦合的凹进部分的光束成形性质
图5C示出了沿着与图5A中的照明器垂直的截面而得到的示意性横截面视图，该图示出了用于使光在垂直于该光导的方向上准直的示例性光束成形结构
图5D示出了沿着与图5A中的照明器垂直的截面而得到的示意性横截面视图，该图示出了用于使光在垂直于该光导的方向上准直的示例性光束成形结构
具体实施方式
图1示出了根据本发明的照明器1的正视图，该照明器1包括彼此以光学关系设置的多个光源10和光学元件20。光源10用正方形、三角形和菱形来表示，而光学元件20用实线圆、虚线圆和点线圆来表示。光源10设置在至少第一阵列11和第二阵列12中。而且，光学元件设置在至少第一部分21和第二部分22中。第一光源阵列11和第一光学元件部分22形成第一组31。类似地，第二阵列12和第二部分22形成第二组32。为了控制由照明器1发射的光的光束形状，第一组31中的光学元件20(即第一部分21)设置成具有与第二组32中的光学元件(即第二部分22)不同的光束成形特性。而且，每组中的光源10都设置成是可单独寻址的。也就是说，对第一“光源”阵列11的控制与对第二“光源”阵列12的控制无关。
该方法的优点在于以下事实：现在可以通过控制单独的“光源”阵列11、12来调整由照明器1发射的光的光束形状。光源10通常具有大的控制带宽(接通-断开、减低亮度)。这当然适用于LED(无机和有机)和激光二极管，对于LED和激光二极管来说，控制带宽典型地处于从1MHz到1GHz的范围内。
在本发明的实施例中，所有的光源10都发射相同的光谱，其范围可以是从单个饱和原色(红、绿、蓝等)到全白光谱。不同组31、32中的光学元件20的特性确定了所发射的光的光束形状。例如，考虑能够在“聚光方式”和“泛光方式”之间切换的基于LED的照明器1。高度集中且聚焦的光束表现为“聚光方式”的特性；而扩散广的光束形状表现为“泛光方式”的特性。例如在第一组31中的LED前面装配准直器(能够实现“聚光方式”)并在第二组32中装配发散透镜(能够实现“泛光方式”)实现了照明器1的切换能力。
透镜、准直器和漫射体都可以起到光学元件20的作用。举例来说，图1中的实线圆可以代表正透镜，虚线圆代表负透镜，点线圆代表准直器。光学元件20的选择和光束成形特性(如焦距、准直角，或散射角——例如通过散射粒子在漫射体中的尺寸或形状而受影响)可取决于光源10的发射特性和所希望的照明器1的光束图案。LED典型地发射大的角分布(例如Lambertian)的光，但激光二极管典型地发射准直光束。因此，一方面包括LED和准直器/透镜的组31、32和另一方面包括激光二极管和透镜/漫射体的组在实践中都能产生良好的结果。
第一阵列11的光源10分散插入在第二阵列12的光源10之间将引起根据本发明的照明器1的外行观察者的兴趣。因此，使第一组31和第二组32分散插入，从而使观察者不能辨认出例如“聚光和泛光方式”的物理来源。从技术观点出发，该实施例有利地实现了具有公共对称中心的不同的光束形状。许多平铺结构(tiling)存在分散插入的两个或更多个阵列、部分和组。对于特定平铺结构的选择构成设计考虑因素。因此，本发明的范围覆盖任何可能的平铺结构，不管其是对称的、非对称的，还是准对称的。
在实施例中，光源10发射具有不同光谱的光。能够区分出几种构形。在本发明的实施例中，每个光源10都能够发射多个原色。举例来说，包括例如三个晶片的LED包(package)能令人满意地发挥作用，其中每个晶片(i)发射原色并且(ii)是可单独寻址的。在另一个实施例中，光源10只发射单原色。存在几种用于将这种单色光源10装配在照明器1中的布置。
在一个实施例中，第一“光源”阵列11设置成发射第一原色的光，第二“光源”阵列12设置成发射第二原色的光。将每个阵列与具有不同光束成形特性的光学元件10结合，以形成第一组31和第二组32，这具有同时调整颜色和光束形状的优点。因此，照明器1可以从例如白色的“聚光方式”切换到蓝色的“泛光方式”。可替代地，同时应用这两种模式可以在例如零售环境中形成所希望的照明效果。白色的“聚光方式”使消费者能够详细地检查待售物品，而彩色的“泛光方式”形成增强零售环境的气氛和/或布置(其范围从精品店到功能性自助式零售)的环境照明。
在本发明的实施例中，照明器1包括如图2(顶视图)和图3(横截面)中所示的光导50。光导50包括至少一个第一小平面51和至少一个第二小平面52，该第一小平面设置成将光源10发射的光耦合到该光导中，该第二小平面设置成将光耦合到该光导外面。光导50包括透明材料，典型地是玻璃或塑料，其引导光线15并使得不同原色的光线或者源自各独立光源10的光线能够混合。将侧面发射的LED用作光源10并且将准直器用作光学元件20有利地实现了非常薄的照明器1(典型厚度是LED包的高度的1-3倍，即对于准直度为2×45度的光束宽度或更宽的照明器来说，其厚度是1-5mm)。将LED安装在具有两个平行的电连接层的PCB(未示出)上允许对其进行单独的或成组的控制。在实施例中，光导50中的凹槽允许定位光源10和光学元件20。有利的是，光学元件20构成准直器以控制由照明器1发射的光的光束形状。准直符合(accommodate)照明器1的防眩要求，因为这些要求规定从光导50耦合到外面的光不应当具有太大的出射角。这些凹槽具有第一小平面51，其允许由LED发射的光耦合到光导50中。而且，这些凹槽具有第二小平面52，其用于将该光耦合到该光导外面。此外，这些凹槽具有侧面的小平面53，其适合于例如通过TIR或涂层反射入射光线15。
图2描绘了光源10和光学元件20的非常简单的平铺结构。出于清楚的原因，图2仅参照有限数量的光源10和光学元件20描绘了组31、32。事实上，在该平铺结构中，第一组31包括行201、203、205和207，而第二组32包括行202、204、206。然而，许多平铺结构存在分散插入的两个或更多阵列、部分和组。选择特殊的平铺结构仅构成一个设计考虑因素。因此，本发明的范围覆盖任何可能的平铺结构，无论其是对称的、非对称的，还是准对称的。
有利的是，由第一LED发射出的并通过光导50附带的凹槽的第一小平面51而进入光导50的光将不会透过容纳第二LED的凹槽。将凹槽以层叠分布的方式设置在该光导的平面内，所有的第一“向内耦合的”小平面51沿一个方向定向并且所有的第二“向外耦合的”小平面52沿着相反的方向定向，这致使所有的光线15或者被侧面的小平面53(通过TIR)反射或者被第二小平面52反射。有利的是，不发生由于在光源10处的吸收或散射而出现的光损失，从而确保了良好的光效率。有利的是，层叠的凹槽之间的距离控制光混合的程度(当应用多原色光源10时形成更加均匀的光束)。
在另一个实施例中，至少一个“光源”阵列11、12设置在能够发射第一原色光的第一子阵列101和能够发射第二原色光的第二子阵列102中(图1和4)。因此，对单组31、32中的各个子阵列101、102的寻址能够调整由照明器1发射的光束的颜色而不改变其形状。有利的是，将第一子阵列101的光源10分散插入在第二子阵列102的光源10之间能够实现光束的均匀的色混合。尽管图4描绘了用于基于光导的照明器1的这种配置，但是本发明的范围同样覆盖具有这种构形的基于非光导的照明器。
在图5A中示出了照明器1的另一个实施例，其包括光导50和多个光源10，在这里光源10是全向光发射LED的形式，其位于相对应的凹槽/凹进部分处，该凹槽/凹进部分在光导50的平面内具有正方形的横截面。矩形/正方形凹槽的表面形成第一“向内耦合的”小平面51a-d(参见图5B)。在邻近每个凹槽的位置提供相关的第二“向外耦合的”小平面52a-d。这些向外耦合的部分每个都包括四个区域a-d，其具有在相对于中心定位的凹槽成45°、135°、225°和315°的方向上延伸的沟槽形状的第二“向外耦合的”小平面52。该凹槽在光导50的平面内的矩形/正方形横截面使非准直光源10发射的光在光导50的平面内准直，并因此将其分成沿着如图5A中示意性示出的两个正交轴的四个分隔开的光线15a-d(仅示出了一条光线15)，所述非准直光源10如全向LED。下面将结合图5B更详细地描述凹槽的准直性质。
如在图5A中可以看到，按照使光线15的方向与直接邻近凹槽的四个区域中的第二“向外耦合的”小平面52的方向基本上重合的方式将凹槽定向。因此，通过第一“向内耦合的”小平面51而向内耦合到光导50中的光线15将或者入射到不使光向外耦合的平行沟槽，或者入射到使光向外耦合的垂直定向的凹槽(图中仅示出一条光线15)。由特殊的光源10所发射的光的向外耦合不一定发生在与另一个光源相关的光导的向外耦合部分，如图5A中所示。相反，来自光源10的光能够在与该光源相关的遵循反射的向外耦合部分中被向外耦合，从而使该光源发射的光线15在该光导的平面内改变方向。
现在转到图5B，将讨论用于在光导50的平面内实现可接受的准直度的图5A中矩形凹槽/凹进部分的尺寸设定。对于点光源来说，进入第一“向内耦合的”小平面51a-d的四条光线15a-d中的每一条都在2×45度内准直(在空气中)。然而对于有限的光源来说，凹槽的向内耦合的小平面51a-d(假定是正方形横截面)的长度D应当是光源10的直径d的大约2.5倍，以便产生60度的截止角Θcut-off，如图5B中示意性示出的(这对于最小化以＞60度的角离开照明器1的光所引起的眩光是很重要的)。为了实现在光导50的平面内比2×45度更窄的准直，需要附加的光学元件20，如常规的准直器管(collimator funnel)。
参考图5C和5D，其简要地描述了用于实现在垂直于光导50的方向上的准直的两个示例性光学元件20。在图5C中，示出了侧面发射的LED包10，其包括准直的TIR(全内反射)光学元件20，该光学元件插入在光导50内的向内耦合的凹槽中。由LED发射的光在TIR光学元件20的向内耦合面处耦合到该TIR光学元件20中，然后通过内部反射的TIR元件的几何形状而作为在垂直于光导50的方向上准直的光线15而发射(这里仅在一个方向上示出)，并且通过第一“向内耦合的”小平面51而进入光导50。图5D示意性地示出反射管(reflective funnel)形式的另一个示例性的准直器20，其将光源(LED)10发射的光重定向，如图5D中画出的光线15所示，通过第一“向内耦合的”小平面51而进入光导50。
尽管已经参考上面描述的实施例说明了本发明，但是很显然，可替代的实施例可用于实现同样的目的。因此，本发明的范围不限于上面描述的照明器，而是也能够应用于希望控制发射光的光束形状的任何其他发光设备，例如机动车前灯和剧院聚光灯。此外，许多可能的修改落入本发明的范围。例如，可以以各种方式来结合上面描述的光导50中的准直装置。而且，不一定每个凹槽都需要容纳光源10和光学元件20的组合。一些凹槽例如可以仅用于将光向外耦合。而且，凹槽不一定被设置为单独分离的结构。例如，本发明的范围覆盖了：将凹槽设置为平行沟槽的线性阵列——因此形成具有棱镜面的之字形表面，其中“之字形的第一个转折”提供第一“向内耦合的”小平面51，“之字形的第二个转折”提供第二“向外耦合的”小平面52。可替代地，光源10和光学元件20可以都位于光导50的一个侧边处。

Claims (9)

1.一种照明器(1)，包括：
彼此以光学关系设置的多个光源(10)和多个光学元件(20)，
光源(10)设置在第一阵列(11)和第二阵列(12)中，
光学元件(20)设置在第一部分(21)和第二部分(22)中，
第一阵列(11)和第一部分(21)形成第一组(31)，以及
第二阵列(12)和第二部分(22)形成第二组(32)，其特征在于，
每组的光学元件(20)设置成具有不同的光束成形特性，以及
第一光源阵列(11)和第二光源阵列(12)设置成是可单独寻址的。
2.根据权利要求1所述的照明器(1)，其中第一阵列(11)的光源(10)分散插入在第二阵列(12)的光源(10)之间。
3.根据权利要求1或2所述的照明器(1)，其中至少一个光源阵列(11，12)设置在能够发射第一原色光的第一子阵列(101)和能够发射第二原色光的第二子阵列(102)中。
4.根据权利要求3所述的照明器(1)，其中第一子阵列(101)的光源(10)分散插入在第二子阵列(102)的光源(10)之间。
5.根据权利要求2所述的照明器(1)，其中第一阵列(11)设置为发射第一原色的光，第二阵列(12)设置为发射第二原色的光。
6.根据前面任一项权利要求所述的照明器(1)，其中该照明器包括光导(50)，该光导包括第一小平面(51)和第二小平面(52)，第一小平面(51)设置成将该光源(10)发射的光耦合到该光导(50)中，第二小平面(52)设置成将光耦合到该光导(50)外面。
7.根据权利要求6所述的照明器(1)，其中光学元件(20)的光束成形特性设置成将该光源(10)发射的光进行准直。
8.根据前面任一项权利要求所述的照明器(1)，其中光源(10)从下面的组中选择，所述组由无机LED、有机LED和半导体激光器组成。
9.一种用于控制由照明器(1)发射的光束的形状的方法，包括以下步骤：
提供多个光源(10)和多个光学元件(20)，
将光源(10)和光学元件(20)彼此以光学关系来设置，
将光源(10)设置在第一阵列(11)和第二阵列(12)中，
将光学元件(20)设置在第一部分(21)和第二部分(22)中，
形成由第一阵列(11)和第一部分(21)构成的第一组(31)，以及
形成由第二阵列(12)和第二部分(22)构成的第二组(32)，其特征在于
将每组的光学元件(20)设置成具有不同的光束成形特性，以及
将第一光源阵列(11)和第二光源阵列(12)设置成是可单独寻址的。
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