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TW200916692A - LED-based luminaire with adjustable beam shape - Google Patents

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Publication number
TW200916692A
TW200916692A TW097121797A TW97121797A TW200916692A TW 200916692 A TW200916692 A TW 200916692A TW 097121797 A TW097121797 A TW 097121797A TW 97121797 A TW97121797 A TW 97121797A TW 200916692 A TW200916692 A TW 200916692A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
array
light
illuminator
light sources
group
Prior art date
Application number
TW097121797A
Other languages
English (en)
Inventor
Michel Cornelis Josephus Marie Vissenberg
Willem Lubertus Ijzerman
Original Assignee
Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninkl Philips Electronics Nv filed Critical Koninkl Philips Electronics Nv
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Description

200916692 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與一種根據請求項丨之前言的照明器有關。本發 明也與一種根據請求項13之前言的光束定形方法有關。該 等照明器及光束定形方法在需要或期望光束形狀控制的照 明應用中極有用。 【先前技術】 可調整發射光束形狀的照明器受到許多應用。光束定形 特徵無淪在靜態還是動態應用中均極其令人感興趣。可調 光束形狀在靜態應用中一般藉由一些預設模式實現，例如 聚光燈、泛光燈、或環境光線。在使用動態光束控制的應 用中，光束形狀則一般可在一連續範圍内被調整。 在常規照明器中，所發射的光束藉由一光源及一光學系 統的使用而產生。該光學系統一般係為一反射器系統，但 亦可為一折射系統，一衍射系統或一漫射系統。調整該光 源與該光學系統之相對位置經典地控制著光束形狀。以手 電筒為例，重新配置其燈泡對拋物面反射鏡（或透鏡對燈 泡）之相對位置控制著光束的形狀-窄聚焦對寬泛光。使用 可轉換折射元件（例如液晶透鏡及電濕式透鏡）或可轉換漫 射體建立了另一被吾人所熟知的調整照明器發射光束形狀 的技術。 用於調整照明器發射光束形狀的先前技術之一缺點為可 調光學系統藉由機械移動或電動控制的使用。可移動系統 易於磨損及損壞’電動控制系統通常高度複雜且昂責。此 131333.doc 200916692 外，該機械移動及電動控制光學系統之帶寬通常被限_ 該光學系統可被調整之頻率。一般地，對於機械移動_ 帶寬為10-100 Hz，對於旋轉系統高達1〇kHz，對於微機械 系統（MEMS)為1〇〇 kHz-1 MHZ，及對於電動控制系統為 50-1000 Hz 〇 【發明内容】 本發明之一目的為提供所提類型之照明器，其可調整光 束形狀直至極高之頻率。該目的已用根據本發明請求項工 所界定之照明H達到。減一帛__態、樣，本發明之特徵為 每組之光學元件被設置為具有不同光束定形特徵，且第一 光源陣列與第二光源陣列被設置為可單個定址。有利地， 本發明提供一種可調整光束形狀而無需使用可調光學系統 的照明器。此外，所發射光之光束形狀可被調整之速度被 限制於該等光源之控制帶寬。 在本發明之一實施例中，該等光源係選自由無機lED、 有機LED、及半導體雷射組成之群。該等光源之帶寬一般 介於1 MHz至1 GHz範圍内。 在一實施例中，該第一陣列之多個光源相互分散於該第 二陣列之多個光源之間。該實施例有利地實現了不同光束 形狀具有一共同對稱中心。此外’第一及第二群組將因此 相互分散，導致觀察者無法識別例如兩個不同光束形狀的 實體源。 在另一實施例中，至少一個''光源"陣列被設置於一可發 射一第一原色光之第一副陣列及一可發射一第二原色光之 131333.doc 200916692 第二副陣列中。在一實施例中，該第一副陣列之多個光源 相互分散於該第二副陣列之多個光源之間。有利地，光束 之顏色及形狀可相互獨立地被控制及調整。赛於該照明器 利用添加顏色混合之冑實，措詞”原色,，必須被理解為包含 該照明器中光源所發射光的任何顏色（即，光譜）。因而”原 色”同時包含所發射光之一窄帶寬光譜並因此高度飽和色 及一大帶寬光譜並因此不飽和色。因此，添加混合"原色” 之範圍明確不受限於例如高度飽和之紅色，綠色及藍色光 源。相反，該範圍可擴展至混合例如暖白及冷白光源。 #在仍然根據本發明之另一實施例中，該第一光源陣列被 »又置為發#帛一原色光且該第二光源陣列被設置為發射 第-原色光。有利地，該光束顏色及形狀可同時被控制 及調整。 在-實施例中’該照明器包含一光導，該光導包含一被 設置為輕入該等光源所發射光至光導中的第一面及一被設 置為輕出該光離開光導的第二面，有利地使得非常薄的日召 明器變得可能。在一實施例中，該等光學元件之光束定形 特徵被設置為校準該等光源所發射光。有利地，該光導混 合源自不同光源的光從而使觀察者無法識別該光的不同實 體源。 在一實施例中，多個凹口包含適於反射入射光線的多個 側面冑利地，由於該等光源處之吸收及散射而無光損 失’保證了良好的光效率。 在一實施例中，多個凹口以—堆疊分佈被設置於光導平 131333.doc 200916692 面中。有泮"也，該等堆疊凹口之間距控制著光混合度(在 使用多種原色光源時導致例如一更均勻顏色之光束）。 根據一第一態樣，本發明提供一種用於控制由一根據請 求項u之前言的照明器所發射光之形狀的方法。該方法之 特徵為設置每組之光學元件具有不同光束定形特徵’及設 置該第一光源陣列與第二光源陣列為可單個定址。有利 地，本發明提供一冑用於調整一照明器之光束形狀而無需 使用可調光學系統的方法。此外，所發射光之光束形狀可 被調整的速度限制於該等光源之控制帶寬。 本發明之该等及其它態樣將藉由參考以下所述實施例的 解釋變得明顯。 將在以下結合圖式之示範性及較佳實施例的描述中說明 本發明的進一步細節、特色及優點。 【實施方式】 圖1顯不根據本發明之一照明器丨的正視圖，該照明器包 含複數個依相互光學關係而設置的光源丨〇及光學元件2〇。 該等光源ίο由正方形、三角形、及菱形標示，該等光學元 件20則由實線、虛線、及點線圈標示。該等光源10被設置 於至少一第一陣列1丨及一第二陣列12之中。並且，該等光 學元件被設置於至少一第一區段21及一第二區段22之中。 違第一光源陣列丨丨及該第一光學元件區段2丨形成一第一群 組3 1。同樣’該第二陣列丨2及第二區段22形成一第二群組 32 °為控制該照明器i所發射光之光束形狀，該第一群組 31内之該等光學元件20(即，第一區段21)被設置為具有不 131333.doc 200916692 同於該第二群組32内之光學元件（即，第二區段22)的光束 定形特徵。此外，每個群組之光源10被設置為可單個定 址。換言之，該第一"光源"陣列11可獨立於該第二”光源,， 陣列12被控制。 該方法之優點在於照明器1所發射光之光束形狀可藉由 控制單個”光源”陣列11、12進行調整。光源10通常具有一 大控制帶寬（開-關，減暗）。這無疑適用於LED(無機的及
G 有機的）及雷射二極體，其控制帶寬一般介於！ 1^出至1 GHz範圍内。 在本發明之一實施例中，所有光源丨〇發射相同光譜，範 圍從一單獨飽和原色（紅色、綠色、藍色等等）至—全波段 白色光譜。不同群組3 1、32中之該等光學元件2〇的特性決 定所發射光的光束形狀。例如，考慮一可在一"聚光模式" 與一”泛光模式'，之間轉換的基於LED之照明器丨。一高度集 成及聚焦光束以”聚光模式"為特徵，而一寬散佈光束形狀 以”泛光模式’’為特徵。裝配例如準直儀於該第一群組”中 之LED(使"聚光模式"變得可能）及該第二群組^中之發散 透鏡（使"泛光模式"變得可能）之前面實現了該照明器ι的轉 換功能。 透鏡、準直儀、及漫射體均可起到光學元件20之作用。 擧例+圖1中的實線圈可表示正透鏡，虛線圈可表示 負透鏡，及點線圈可表示準直儀。該等光學元件20的選擇 及光束定形特徵（例如焦距、準直角、或散射角·受制於例 如次射體中散射粒子的大小或形狀）可隨該等光源^之發 131333.doc 200916692 射特徵及該照明器1之所需光束模式而定。LED發射的光 一般具有一個大的角分佈（例如，朗伯的），雷射二極體一 般發射準直光束。因此，—方面包含led及準直儀/透鏡及 方面包3雷射一極體及透鏡/漫射體的群組31、32可 在實際中得到極好的結果。
★將第-陣列11之該等光源1G相互分散於第二陣列Η之該 等光源10之間可引起一根據本發明之照明器工的外行觀察 =的興趣。因此’該第_31及第二32群組將被相互分散使 :觀察者無法識別例如該，，聚光及泛光模式"的實體源。從 專業角度來4 -實施例有利地實現了不同光束形狀 有”同對稱令心。多種鋪石切方式為相互分散兩個或更 車歹i區·k、及群組而存在。—種特定鋪彻方式的選 擇構成-種設計考慮。因此，本發明之範m任何可能 的鋪石切方式’無論對稱、非對稱、或準對稱。 ▲、實施例巾等光源！ G發射不同光譜的光。數個組 態I被區別。在本發明之一實施例中，每個光源10可以發 驻稷數種：色。擧一例子，一包含例如三個晶片之封 \其中每個晶片⑴可發射—種原色及⑴）可個別定址， 令人滿意之運作。在另—實施例中，該等光源_ 广-種早獨原色。該照明以中之該等單色光源組 合存在數種設置方式。 无源、陣列u被設置為發射第一原 =且第二”光源”陣列12被設置為發射第二原色光。以且 不Η先束定形特徵之光學元件2。組合每個陣列，形成第 131333.doc 200916692 3 1及第一 32群組’具有可同時調整光束顏色及形狀之優 點因此邊照明器1可從例如一白色"聚光模式"轉換至 藍色泛光拉式"。另外’同時使用兩種模式可產生理想 的燈光效果於例如一零售環境中。白色"聚光模式"使顧客 #㈣售物品’彩色π泛光模式π則產生—增強該零 售環土兄（範圍從兩級時裝小商店至實用diy)之氛圍和/或背 景的周圍照明。 在本發明之一實施例中，該照明器1包含-光導50,如 圖2(俯視圖）及圖3(剖面圖）所示。該光導5〇包含至少一個 被。又置為耦入光源1〇所發射光至光導中的第一面Η及至少 -個被設置為搞出該光離開光導的第二面52。該光導5〇包 含-種透明材料，—般為玻璃或塑滕，以引導該等光線15 及使該等不同原色或源自個別光源i Q的光線之混合變得可 能。使用側發射LED作爲光源1〇及準直儀作爲光學元件 2〇 ’有利地使極薄的照明器i(一般具有一卜3倍於該㈣封 裝高度的厚度’亦即’ W咖對於具有2χ45度或更寬之光 束寬度之準直度的照明器）變得可能。用兩個平行電連 接層安裝LED於一PCB(未顯示）上允許該等之單個或 群組的靈活控制。在一實施例中，該光導5〇中之多個凹口 允許定位該等光源10及光學元件2〇。有利地，該等光學元 件20構成多個準直儀以控制照明器】所發射光之光束形 狀。準直因應照明器i的防眩光要求，這些要求規定自光 導50之耦出光不能擁有太大偏離角。該等凹口具有一允許 該等LED所發射光耦入光導5〇之第一面51。並且該等凹 131333.doc 12 200916692 口具有-用於相出所發射光離開該光導之第二㈣。再 者該等凹口具有夕個適以反射入射光線^ 5，例如通過 TIR或一塗層的側面53。 圖2描料等光源1G及光學元㈣之_極簡單鋪彻方 式。為明晰故，該圖描繪群組31、32時僅涉及有限數目之 光源H)及光學元件2〇。事實上’在此種鋪射第—群㈣ 包3列201、203、205及207，而第二群組32包含列2〇2、 204、2G6。但亦存在多種其他鋪彻方式，用以相互分散兩 個或更多個陣列、區段、及群組。—種特錢彻方式的選 擇僅構成-種設計考慮。因此’本發明之範圍涵蓋任何可 能的鋪砌方式，無論對稱、非對稱、或準對稱。 有利地，由一第一LED發射且穿過附隨凹口之第一面“ 進入光導50之光將不會穿過容納一第二LED之凹口。依一 堆疊分佈設置該等凹口於該光導平面中，令所有第一"耦 入"面51朝向一個方向且所有第二”耗出，，面52朝向相反方 向，將導致所有光線1 5或被該等側面53(透過TIR)或被該 等第二面52反射。有利地，因該等光源1〇處之吸收或散射 而無光損失，保證了良好的光效率.有利地，該等堆疊凹 口之間距控制著光混合度（在使用多種原色光源1〇時導致 一更均勻光束）。 在另一實施例中’至少一個”光源”陣列丨丨、12被設置於 可發射一第一原色光之第一副陣列1 01及一可發射一第 二原色光之第二副陣列102之中（圖2及4)。因此，定址個別副 陣列101、102於一個單獨的群組31、32之中使得調整該照 131333.doc -13- 200916692 明器1所發射光束之顏色而不改變其形狀變得可能。相互 分散該第一副陣列101之光源10於該第二副陣列1〇2之光源 10之間，有利地使光束之均色混合變得可能。雖然圖4描 繪了用於一基於光導的照明器丨之這一組態，但本發明之 範圍亦涵蓋該組態之不基於光導的照明器。
圖5A顯示照明器1之另一實施例，其包含—光導及複 數個光源ίο，該等光源以全向發光LED之形式，置於該光 導5〇之平面中具有一正方形橫剖面之相應凹口/凹處内。 該等矩形/正方形凹口之表面形成多個第一"耗入，，面5 ia_ d(見圖5B)。相鄰於每個凹口之關聯第二，，搞出，，面52a d被 提供。該等耦出部分之每一個包含四個區段“，每個區 段具有在與位於中央的凹口成45。、135。、225。、及3丨5。之 方向上擴展的凹槽形第二”耗出，,面52。該光導5()之平面中 凹口之矩形/正方形橫剖面，可校準非準直光源1Q(例如一 全向LED)所發射之光於該光導％之平面中並因此將其分爲 四束沿兩個正交轴的分雜本始1 又平田幻刀離光線15a_d，如圖5A所示（僅顯示 一束光線15)。該凹口之校準特性將在以下結合圖5B進行 更詳細之描述。 由圖5Α可見，該等凹口以如此方式朝向以致該等光線15 基本上與直接毗鄰該凹口之四個區段中的該等第二"耦出” 面52方向一致。因此，穿過該第-，入”面_入光導50 之一先線15 ’要麼利平行凹槽，其不能_光線；要麼 遇到垂直凹槽，其輕出光線_僅顯示H㈣）。由 -特疋光源10所發射光的耦出不必一定發生於與另一光源 131333.doc 200916692 相關聯之光導之一耦出部分中，如圖5A所示。相反，源自 一光源ίο之光可隨反射耦出於與該光源10相關聯之耦出部 分以使該光源所發射之光線丨5在光導平面中改變方向。 再來看圖5B，設定圖5A中該矩形凹口 /凹處之尺寸以達 到該光導50平面中一可接受之準直度將被討論。對一點光 源，進入該等第一"耦入"面51a_d之四束光線15a_d之各者 被校準（在空氣中）於2X45度以内。對一無限源，該凹口之 該等耦入面5 la-d(假設為正方形橫剖面）之長度〇應為該光 源10直徑d的大致2.5倍，以便產生一 60度的載光角Θ截先， 如圖5Β所示（這對藉由以>60度角離開該照明器1的光最小 化眩光很重要）。爲達到該光導5〇平面中之一窄於。“度 的準直’將需要使用附加光學元件2〇，例如常規漏斗準直 儀。 參看圖5C及D，用於在垂直於該光導50之一方向上達到 準直的兩種示範性光學元件20被簡單描述。在圖5c中，一 側發射LED封裝1〇被顯示，其包括一插入該光導5〇中耦入 凹口的準直TIR(全内反射）光學元件2〇。該LED所發射光在 該TIR光學元件之一耦入面處耦入該TIr光學元件2〇，穿過 該TIR元件之幾何結構在内部被反射並作爲光線i5(此處僅 顯示一個方向）被發射，該光線在一垂直於該光導50之方 向上經校準並穿過該第一”耦入”面5 1進入該光導50。圖5D 顯示另一示範性準直儀20，其為一反射漏斗形式並為該光 源（LED) 10所發射光重定向，如圖5D中穿過該第一"耦入" 面51進入光導50之光線15所指示。 131333.doc 15 200916692 雖然本發明已藉由上述多個實施例被閣明，但顯 替換實施例亦可被用來達到相同之結果。因此本發:月 圍並不限於上述照明器，且亦適用於& v 4 ^ 週用於任何其他需要控制所
發射光之光束形狀的發光裝置，例如，自動頭燈及劇 光燈。此外，多種可能的修改亦應列入本發明之範圍。例 如，上述光導50中之準直構件可按多種方式組合。且並非 所有凹口均必需容納-光源1G及—光學元件2{)之組合。部 分凹口可能，例如僅被用於耦出光線。再者該等凹口未： 要被設置為單個孤立結構。例如，本發明之範圍涵蓋設置 該凹口為—平行凹槽線性陣列’目而產生—具有鑛齒:表 面的棱柱體’其中㈣齒之—面提供—第％人”面似 該錯齒之另_面提供—第二"麵出"面52。另外，該等光源 10及光學元件20可全部置於該光導50之一側邊緣。 、 【圖式簡單說明】
圖1顯示一根據本發明之包括LED及透鏡的照明器 視圖。 D月1J 圖2顯示一根據本發明之基於光導的照明器。 圖3顯示—通過該基於光導的照明器之橫剖面。 圖4顯示該基於光導的照明器之一不同組態。 圖5 A顯示一基於光導的照明器之另一實施例俯視圖，該 ’’、、月器具有複數個依一方格陣列而設置的光源。 圖5B龜士 ,. _ 觸不一沿平行於圖5A中照明器之一剖面的橫剖面 不圖’該圖説明該等矩形耦入凹處的光束定形特性。 圖5C顯示—沿垂直於圖5A中照明器之一剖面的橫剖面 131333.doc .16- 200916692 其用於校準一 剖面的橫剖面 其用於校準一 示意圖，該圖説明—示範性光束定形結構 垂直於該光導之方向上的光。 圖5 D顯示一沿垂直於圖5 A中照明器之 示意圖，該圖説明一示範性光束定形結構， 垂直於該光導之方向上的光。 【主要元件符號說明】 1 照明器 10 光源 11 第一陣列 12 第二陣列 15 光線 20 光學元件 21 第一區段 22 第二區段 31 第一群組 32 第二群組 50 光導 51 第一"耦入"面 52 第二''耦出”面 53 側面 101 第一副陣列 102 第二副陣列 201， 202, 203， 204, 205, 206， 207 列 131333.doc -17-

Claims (1)

  1. 200916692 十、申請專利範圍： κ 一種照明器（1)，其包括： 複數個依相互光學關係而設置的光源（1 〇)及複數個光 學元件（20)， 該等光源（1 〇)設置於一第一陣列（11)及一第二陣列（12) 中， 該等光學元件（20)設置於一第一區段（21)及一第二區 段（22)中， 該第一陣列（11)及該第一區段（21)形成一第一群組 (31)，且 該第二陣列（1 2)及該第二區段（22)形成一第二群組 (32)，其特徵為： 每個群組之該等光學元件（20)被設置為具有不同光 束定形特徵，且 §亥第一光源陣列（11)及該第二光學陣列（12)被設置 為可個別定址。
    2.如請求们之照明器〇)，纟中該第—陣列⑴）之該等光源 (1 0)被相互为散於该第二陣列（丨2)之該等光源（1 〇)之間。 3 ·如請求項1或2之照明r η，甘ώ Ε , 乃盗（1)，其中至少一個光源陣列 (11 ’ 12)被設置於一可發射筮 赞射弟一原色光之第一副陣列 (101)及一可發射一第二 邙e九之弟—副陣列（丨〇2)中。 4.如請求項3之照明器（1)，並 "、甲孩第一副陣列（1 0 1)之該等 光源（10)被相互分散於兮 nn^ 该第一剎陣列（102)之該等光源 (10)之間。 131333.doc 200916692 5. 如請求項2之照明器（1) ’其中該第一陣列（π)被設置為發 射一第一原色光且該第二陣列（12)被設置為發射一第二 原色光。 6. 如請求項1之照明器（1)，其中該照明器包含一光導 (5〇)，該光導包含一被設置為耦入該等光源（丨〇)所發射 光至該光導（50)中之第一面（5 1)及被設置為耦出該光離 開該光導（50)之第二面（52)。 7. 如請求項6之照明器（1 )，其中該等光學元件（2〇)之光束 定形特徵被設置為校準該等光源（1〇)所發射之光。 8·如請求項1之照明器（1)，其中該等光源（1〇)係選自由無 機LED、有機LED、及半導體雷射組成之群。 9. 一種用於控制一照明器（1)所發射之光束形狀的方法，其 包括以下步驟： 提供複數個光源（10)及複數個光學元件（20)， 依相互光學關係而設置該等光源（1 〇)及光學元件 (20)， 设置該等光源（10)於一第一陣列（11)及一第二陣列（12) 之中， 設置該等光學元件（20)於一第一區段（21)及一第二區 段（22)之中， 形成一由該第一陣列（11)及該第一區段（21)組成的第 一群組（3 1)，及 形成一由該第二陣列（12)及該第二區段（22)組成的第 二群組（32)，其特徵為 131333.doc 200916692 設置每個群組之該等光學元件（20)具有不同光束定 形特徵，及 設置該第一光源陣列（11)及該第二光源陣列（12)為 可個別定址。 C 〇 131333.doc
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