CN100440508C - 用于产生具有可控光通量光谱的光束的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的照明装置，其适于用作照明器材的部件，具有多组不同的发光器件，例如发光二极管，其可被控制产生具有种类繁多的复杂光通量光谱的光束，该光谱包括，但不限于，近似地模拟具有或不具有传统化学染料滤色器的多种传统光源中的任何一种光源的光谱。可配置每个发光器件组以发出具有不同光通量光谱的光。一个控制器将选定量的电能提供给多个发光器件组中的两组或更多组，以使这些组共同产生具有所选择的光通量光谱的复合光束。可控制该光谱，使其相对于被模拟光束的光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于约30%。对于包括多组不同光源的所有公知照明器材，这是一个显著的改进。可配置所述发光器件组以使其所包括的发光器件的数量可独立选择。此外，可对所述发光器件组进行配置以使每一组的光谱半宽小于约40nm，其峰值通量波长与相邻组的峰值通量波长相距小于50nm。

Description

用于产生具有可控光通量光谱的光束的装置
技术领域
本发明通常涉及照明器材，更具体地，涉及一种照明装置，适于用作照明器材的一部分，并可被配置以产生选定颜色的光。
背景技术
照明器材在剧院、电视业和建筑照明应用中已经使用多年。通常，每一种器材都包括一个紧邻凹面反射镜安装的白炽灯，该凹面反射镜通过一个透镜组件反射光，将光束投射向剧院舞台等。滤色器可安装在该器材的前端，以便仅发射该灯所发出的光的选定波长，同时吸收和/或反射其他波长。这就提供了具有特定光谱组成的投射光束。
这些照明器材中所使用的滤色器，通常有玻璃或塑料膜形式的，例如聚酯或聚碳酸酯的，其带有分散化学染料。这些染料可透过某些波长的光，而吸收其他波长。这样的滤光器可提供几百种不同的颜色，并且其中某些颜色已在工业中作为标准颜色被广泛接受。
尽管这类塑料滤色器一般都很有效，但它们的寿命通常却是很有限的，这主要是由要驱散源自所吸收波长的大量热量的需要造成的。对于透过蓝色和绿色波长的滤色器，这已成为一个值得注意的问题。再有，虽然可提供的颜色种类很多，但这些颜色仍然受商用染料的可用性和那些染料与玻璃或塑料基材的兼容性的限制。另外，吸收未选择波长的机构的本来就是完全没有效率的，巨大的能量被浪费到发热中
在某些照明应用中，气体放电灯已经取代了白炽灯，二向性滤光器已经取代了所述滤色器。这种二向性滤光器的形式通常为带有多层分色膜的玻璃基材，该分色膜可反射特定波长而透过其余波长。这些替代的照明器材的效率通常有所改善，并且其二向性滤光器不会由于过热而产生退色或其他退化现象。然而，二向性滤光器对颜色只能进行有限的控制，并且该器材不能再现许多用吸收性滤色器产生的复杂颜色，而这些颜色已经被作为工业标准而得到承认。
因为经常需变换特定照明器材所发出光的颜色，所以近年来已开发出几种遥控的颜色变换装置。一种这样的装置是颜色卷轴(colorscroller)，其包括一个通常含有16种预选滤色器。这些滤色器会遭受同单个滤色器一样的退色或退化现象。另一种这样的装置是二向性颜色转轮，其包括一个带有大约八种预选分色膜的可旋转的转轮。这些颜色转轮避免了退色或退化这一著名问题，但是所能携带的颜色较少，而且比颜色卷轴要贵的多。
其他的这样的遥控颜色变换装置包括一个CMY(减色系统)滤色器卷轴系统和一个CMY二向性颜色混合系统，后者可提供大约1600万种独立颜色的组合。然而，因为两个CMY系统都使用滤色器，而每个只透过约三分之一的可见光谱，因而它们不能再现复杂颜色的光谱的细微差别，所述复杂颜色包括那些用传统滤色器与全光谱白炽灯光源组合产生的颜色。
另外的这样的遥控颜色变换装置包括一个白炽的RGB(三原色，红-绿-蓝)器材，例如舞台条形照明灯。这样的器材具有与上面简述的那两种CMY系统相似的问题。在这样的器材中，三个被分别过滤的光源中的每一个提供可见光谱的三分之一。因此，这些器材对于发射的白光浪费了三分之二的光能，而发射彩色光时它们浪费的甚至更多。
最近，一些照明器材用发光二极管(LED)来代替白炽灯和气体放电灯。通常使用相同数量的红色、绿色和蓝色LED，并将其布置成合适的阵列。一些LED器材进一步包括相同数量的琥珀色LED。通过向所选数量的LED供电，就可发射出具有多种颜色的光，供电时通常使用脉宽调制电流。这些器材不需要滤色器，因此提高了含有白炽灯或气体放电灯的原有器材的效率。
含有红色、绿色和蓝色LED的照明器材，即RGB LED器材，可发出表观颜色为白色的光束，尤其是当对白色或其他全反射表面进行照明时。然而，这种表观白色的实际光谱与采用白炽灯的器材所提供的白光的光谱并不完全相同。这是因为LED发射窄波段光，而且仅仅三种不同的LED颜色并不足以覆盖整个可见光谱段。被这样的RGBLED器材照射的彩色物体经常不显现其真正的颜色。例如一个仅反射黄光物体，当被白色光照射时，其也就显现为黄色；而当由RGB LED器材的红色和绿色LED产生的表观黄色照射时，该物体会显现出黑色。因此认为，这类器材在为诸如剧院舞台、电视业、建筑物内部，或展示橱窗照明时，会提供不佳的颜色再现。
LED照明器材的有限种类不仅包括发出红色、绿色和蓝色光的LED，也包括发出琥珀色光的LED。这种器材有时被叫做RGBA LED器材。这种器材有与RGB LED器材一样的缺陷，但程度略有减轻。
图1绘出了现有技术Source照明器材所投射出的光束的光通量光谱，该器材具有工作于约3250°开尔文(°K)的白炽灯，并且在光通路上没有滤色器。该Source
Figure C0380774100092
照明器材可从威斯康星州米德尔顿的Electronic Theatre Controls得到。注意，该光谱在整个可见光谱段上，即420nm(纳米)到680nm，通常是钟形的。然而，实际辐射测量的该光的通量光谱是相当均匀的；但是所绘出的照明通量光谱是由辐射测量通量光谱乘以人眼的光谱灵敏度而得到的，而人眼的光谱灵敏度通常为钟形。人类一般将这种光视为白色，并且喜欢看到这种光。
图1也绘出了现有技术RGB LED照明器材产生的光束的光通量光谱，该器材具有数量相等的红色、绿色和蓝色LED，以全功率工作。两个所绘出的光谱经过归一化处理，使它们具有大致相等的总通量。
与白色背景或其他全反射表面对照，人类会对现有技术RGB LED照明器材全功率工作所产生的光感觉有点兰白色。然而，要注意到，该光的实际光通量光谱是很不均匀的，并且与由白炽灯器材产生的光的光通量光谱有着本质区别。这种光谱区别会导致被这种光照明的很多彩色物体表现出很大的区别。
在可见光谱段，对图1中所绘的两个光谱之间差的绝对值进行积分，即白炽灯照明器材产生的光的光通量光谱和RGB LED照明器材产生的光的光通量光谱，在两个光谱之间提供了有用的一致性度量。这个一致性度量是指标准平均偏差(NMD)。NMD为0％会在两个光谱之间表现出严格的一致性。在图1中所绘的两种光谱的特定情况下，NMD为57.1％。这个值较高，被认为是不合要求的，并且它表示RGBLED照明器材模拟白炽灯照明器材效果差，并因此提供出的颜色再现差。
上面的描述应表明需要改进具有诸如LED的单独颜色光源的适于用做照明器材的部件的照明装置，其改进了含有白炽灯和气体放电灯的照明器材的发光效率，也改进了可产生具有可更精确控制的光通量光谱的光束，进而可逼真地模拟现有照明器材光谱，并且改进颜色再现。本发明满足了这些需要，并且提供更多相关优点。
发明内容
本发明的一个特征在于一种照明装置，其适于用作照明器材的部件，用于产生一种光束，该光束具有精确控制的光通量光谱，例如，该光通量光谱包括模拟预定光源(有或没有滤色器)所产生的光束光谱的光谱。该装置包括多个发光器件组，对每个这样的组可被配置，以发出具有不同光通量光谱的光，这些光谱具有峰值光通量波长和预定光谱半宽(half-width)。每个组的光谱半宽小于约40nm，并且可配置这些组，以使每个组的峰值波长与另一个组的峰值波长的间隔小于约50nm。该装置进一步包括一个控制器，其可被配置，以向这些发光器件组提供选定量的电能(electrical power)，以使这些组共同产生具有规定光通量光谱的复合光束。
本发明的另一个特征在于一种照明装置，其适于用作照明器材的部件，用于产生具有一种光通量光谱的光束，该光通量光谱模拟一个具有白炽灯的预定光源所产生的光束的光谱，这种光源不需要用于改变该灯所发出的光的光通量光谱的过滤器。该装置包括多个发光器件组，且进一步包括一个控制器，该控制器可被配置以向发光器件组提供选定量的电能。这些组共同产生具有规定光通量光谱的复合光束，该光谱相对于要被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于约30％。
更优选地，复合光束的光通量光谱相对于要被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于25％，最好小于20％。另外，在本发明的这个特征中，包括于多个发光器件组的每个组中的器件数量可被选择，以便如果控制器向所有组提供最大电能，那么所得到的复合光束的光通量光谱相对于要被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于约30％。此外，当控制器向所有的发光器件组提供规定的最大数量的电能时，用照明装置所产生的光束的光通量光谱和要被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱，在可见光谱段上优选为彼此在5db的范围内。
可替换地，多数发光器件组中的每一组所包括的器件的数量可被选择，以便如果控制器对所有的组提供最大电能，那么所得到的复合光束的光通量光谱模拟任意的其他规定光源的光通量光谱。例如，可使复合光束的光谱在可见光谱段上的标准平均偏差，相对于具有白炽灯的预定光源所产生的理论光束的光通量光谱(利用多个公知滤色器的光谱透射的理论叠加进行修正)，小于约30％。
本发明的另一个从属特征在于一种照明装置，其用于产生具有规定光通量光谱的彩色光束，该装置包括多个发光器件组，且进一步包括一个控制器，该控制器可被配置，以对这些发光器件组提供选定量的电能，当控制器对所有的发光器件组提供规定的最大数量的电能时，以使它们共同产生的复合光束的光通量光谱的基本能量仅在小于约200nm的连续或邻近(contiguous)带宽范围内。更优选地，所述光通量光谱的基本能量仅在小于约150nm的连续带宽范围内。此外，该连续通量光谱中没有一个部分的强度比其上和其下波长的强度大于5db，或更优选地2db。
更特别地，在本发明的这个特征中，控制器可被配置，以向这些发光器件组提供选定量的电能，以使复合光束的光通量光谱模拟具有白炽灯和相关滤色器的预定光源的光谱，该滤色器改变该灯所发出的光的光通量光谱。复合光束的光通量光谱相对于被模拟光束光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于约30％。在一个例子中，发光器件组中的每一组包括的器件数量可被选择，以便如果控制器对所有的组提供最大电能，那么所得到的复合光束的光通量光谱相对于用预定的光源所产生的理论光束的光通量光谱(其用多个公知的滤色器光谱透射的理论叠加来修正)在可见光谱段上的标准平均偏差小于约30％。
进一步地，在本发明的这个特征中，可配置这些发光器件组，以使当控制器对所有的发光器件组提供规定的最大数量的电能时，复合光束的光通量光谱的基本能量仅在小于约600nm的波长内。可选择地，可配置这些发光器件组，以使当控制器对所有的发光器件组提供规定的最大数量的电能时，复合光束的光通量光谱的基本能量仅在小于约500nm的波长内。
本发明的另一个从属特征还在于一种照明装置，其用于产生具有规定光通量光谱的光束，其中多个发光器件组中的至少两个组所包含不同数量的器件。该装置进一步包括一个控制器，其可被配置，以向这些发光器件组提供选定量的电能，以使它们共同产生具有规定光通量光谱的复合光束。每一组中器件的具体数量可被选择，以便当该装置被用于模拟特定光源的光通量光谱时具有一定的优势。例如，可选择该数量，以便如果控制器向所有组提供最大电能时，那么所得到的复合光束的光通量光谱与被模拟光束的光通量光谱将十分匹配。
本发明的另一个从属特征还在于一种照明装置，其包括五个或更多个的发光器件组，并且还包括一个控制器，可配置该控制器以向该五个或更多个发光器件组提供选定量的电能，以使它们共同产生具有规定光通量光谱的复合光束。优选地，该装置包括八个或更多个这样的发光器件组，以更好地控制该复合光束的光通量光谱。
在本发明的更详细的特征中，每一组发光器件包含多个发光二极管。另外，发光器件组全体可包含一个光学组件，其会聚所发出的光，并从该装置中发射出复合光束。
根据下面的优选实施例的描述，并结合说明本发明原理的附图，本发明的其他特征和优点会变得明显。
附图说明
下面将通过示例并参照下列附图对本发明的具体实施方式进行描述，其中：
图1是一个曲线图，其绘出了现有技术的照明器材所产生的光束的光通量光谱，该器材具有一个工作于约3250°K的白炽灯，并且没有滤色器，该图还绘出了具有数量相等的红色、绿色、蓝色发光二极管(LED)的现有技术照明器材所产生的光束的光通量光谱。
图2为照明器材的侧剖面示意图，该照明器材包括根据本发明的第一优选实施例配置的照明装置，图2中该装置包括多个LED组，每一组发出的光具有不同的窄波段光谱，这些组共同发出的光覆盖了大部分的可见光谱。
图3是图2的照明器材的正视图，示出了以二维阵列布置的该照明器材的LED。
图4是图2的照明器材的后视图。
图5是一种照明器材前面的正视图，该照明器材包括根据本发明的第二优选实施例配置的照明装置，该装置不同于图2-4中的装置，它的多个LED组共同发出的光仅覆盖可见光谱的有限部分。
图6是一个曲线图，其绘出了图2-图4中的照明器材所产生的光束的光通量光谱，这些照明器材有八组LED合并的照明装置，这些组共同发出的光覆盖了大部分的可见光谱，该图还绘出了现有技术照明器材所产生的光束的光通量光谱，该照明器材具有工作于大约3250°K的白炽灯，并且没有滤色器。
图7是一个曲线图，其绘出了图2-4的照明器材中的装置所包括的八组LED的每一组中的单个LED的光通量光谱曲线，其其共同发光的光通量光谱由曲线图图6表示。
图8是一个曲线图，其绘出了图2-4中的照明器材所产生的光束的光通量光谱，这些照明器材的八组LED被施以可控数量的电流，以使该器材产生蓝色光束，该图还绘出了现有技术照明器材所产生的光束的光通量光谱，该照明器材具有工作于大约3250°K的白炽灯，并且具有一个传统的Rosco R80蓝色滤色器。
图9是一个曲线图，其绘出了图2-4中的照明器材所产生的光束的光通量光谱，这些照明器材的八组LED被施以可控数量的电流，以使该器材产生红色光束，该图还绘出了现有技术照明器材所产生的光束的光通量光谱，该照明器材具有工作于约3250°K的白炽灯，并且有一个传统的Rosco R26红色滤色器。
图10是一个曲线图，其绘出了图5中的照明器材所产生的光束的光通量光谱，这些照明器材的八组LED被施以可控数量的电流，以使该器材产生蓝色光束，该图还绘出了现有技术照明器材所产生的光束的光通量光谱，该照明器材具有工作于约3250°K的白炽灯，并且具有一个传统的Rosco R80蓝色滤色器。
图11是一个曲线图，其绘出了白炽灯照明器材以及50种不同的传统的蓝色和绿色滤色器的光通量光谱的叠加。
具体实施方式
参考示意性附图，特别是图2-图4，这些图中表示了一种照明器材20，其被配置成发出具有选定颜色的光束。该器材包括一个发光二极管阵列(LED)22，其被配置成发出窄带颜色范围的光，例如，品蓝色、蓝色、青色、绿色、两种色调的琥珀色、橘红色和红色。控制器24向LED提供选定量的电能，以便它们共同发出具有规定的复合光通量光谱的光。这些LED被安装在外罩30中的散热器28上。直接将准直透镜阵列32置于LED阵列的前面，并且对于每个LED它包含一个独立的透镜部件，用于把所发出的光会聚成该器材要投射到例如剧院舞台(未示出)上的光束。
图2-图4中的LED照明器材20装备了各种LED组22，每一组发出光具有不同的窄带颜色。在一个器材的实施例中，LED组的波长带基本了整个可见光谱，即大约420nm至大约680nm。发射必要颜色和高强度光的适合的LED，可从加利福尼亚圣约瑟的Lumileds Lighting，LLC获得。这种器材的实施例可被精确控制，以发出颜色范围宽的光，包括白色。
在图5中所示的根据本发明的另一个照明器材20′的实施例中，该器材的LED组22′的波长带只覆盖了可见光谱的有限部分，例如，通常只有蓝色和绿色的波长，或者通常只有琥珀色和红色的波长。这个器材的实施例受到限制，只能被控制发出一定颜色的光；然而，它包括很多个较少的独立的LED，而不包括全光谱LED器材，因此成本较低。只有蓝色/绿色(blue/green-only)的器材在商业上被认为是最可行的。这不仅是因为在不远的将来，蓝色和绿色LED的发光效率将会特别高，而且还因为可控制只有蓝色/绿色的器材以模拟大约1/3的传统滤色器。而且，白炽灯在可见光谱中的蓝色/绿色部分是最弱的。
上述各种器材的实施例都将在下面讨论。
全光谱LED照明器材
如上所述，图2-图4中所示的根据本发明的LED照明器材20的实施例，包括八组LED 22，这些组共同发出的光的光通量光谱基本覆盖整个可见光谱，即从大约420nm至大约680nm。这八个LED组包括品蓝色、蓝色、青色、绿色、两种色调的琥珀色、橘红色和红色。如下面所述，这个器材的实施例可被控制发射出具有任意的大范围的各种选定颜色的光束，包括白色。此外，可控制该器材以产生光，该光的光通量光谱近似模拟现有技术照明器材(用或不用各种滤色器)所产生的光的光通量光谱。这能够用于准确的颜色控制，也能模拟现有技术器材的颜色，基本改进以前的LED类型的照明器材所达到的性能。
表I列出了用于组合了八组不同颜色组的LED照明器材20的LED 22的适当的补充数据(complement)。八组中的每一组的基色标在第一列中，Lumileds的组编号标在第二列中。每一组中LED的数量标在第三列中，每一组的典型峰值通量波长标在第四列中。最后，每一组中LED的光谱半宽的典型的上下限(即在该波长范围里通量强度至少为峰值通量强度的一半)标在第五列中。
表I 1号器材(全光谱)
 LED颜色   Lumileds编号   器件数量   峰值λ(nm)   光谱半宽范围(nm)
 品蓝   B2   4   450   440-460
 蓝   B6   8   472   460-484
 青   C3   18   501   486-516
 绿   G6   48   540   523-557
 琥珀   A2   70   590   583-597
 琥珀   A6   39   595   588-602
 橘红   R2   24   627   617-637
 红   R5   29   649   639-659
 -   -   241(总计)   -   -
要注意，在表I中，八个LED 22组的每一组的半宽光谱半宽的上限通常与相邻组的光谱半宽的下限相对应。期望减小这些上和下限之间的任何间隙。这可使得器材20被控制，产生具有被准确控制形状的复合光通量光谱的光。期望照明装置组合更多不同组的LED，可对复合光通量光谱的准确形状加强控制。在这样的器材中，LED的组可被配置，以便每组的光谱半宽的上限和下限通常与两个相邻组的峰值波长对准。
上面所提到的，在表I中所表征的全光谱照明器材20可被控制产生具有很多种光通量光谱的复合光束。这包括被认为是白色的光谱，例如，模拟没有滤色器的现有技术白炽灯器材所产生光的光谱，并且它也包括具有很多种复杂颜色的光谱，例如，模拟具有传统设计的滤色器的现有技术器材所产生光的颜色。
应注意到表I的第三列所标出的LED的数量是基于在2003年第四季度时可得到的LED的预期效率。那些预期效率不同于预期在2002年第一季度里所得到的LED的效率。由于在2002年第一季度里所得到的那种LED组合的器材所产生总通量，仅相当于预期在2003年第四季度里得到的那种LED组合的器材所产生总通量的一半。另外，各种颜色的有关数量将被改变成下面的：B2-6、B5-12、C3-28、G6-95、A2-56、A6-24、R2-15和R5-14。这使得总LED数量为250，对比预期在2003年第四季度里得到的完善的LED，这一数量为241。当然，如果预期在2003年第四季度里得到的LED的实际效率与预期值不一样，就需要对LED的数量进行调整。
下面，表II标明了在表I中标出了向八组LED 22中的每一组施加的电能的量，以产生复合光束，其模拟不带滤色器的以及有两种不同颜色的传统设计滤色器的白炽灯器材的光。特别地，在第三列中标出了当该器材想要模拟工作于约3250°K的白炽灯器材时，要在所有八个组上施加最大电能/功率(power)，即100％。
图6绘出了当全功率都被施加在表I中标出特征的照明器材20的所有八组LED 22时所产生的复合光的光通量光谱。要注意，这个光谱基本覆盖整个可见光谱。图6也绘出了用现有技术照明器材发出的光束的光通量光谱，例如，一种Source
Figure C0380774100161
照明器材，其具有工作于约3250°K的白炽灯，并且在光束通路中没有滤色器。
表II 1号器材(全光谱)
 LED颜色   Lumileds编号   白色(％通电)  R80(蓝原色)(％通电)  R26(红色光)(％通电)
 品蓝   B2   100  72  0
 蓝   B6   100  45  1
青   C3   100  33  0
 绿   G6   100  2  3
 琥珀   A2   100  0  35
 琥珀   A6   100  1  34
 橘红   R2   100  1  51
 红   R5   100  1  70
 -   -   NMD<sup>*</sup>＝19.0％  NMD＝13.3％  NMD＝22.9％
*NMD为标准平均偏差。
在图6中要注意，LED照明器材20的复合光谱近似模拟白炽灯照明器材的光谱。这使得用LED照明器材产生的光束的表观颜色为白色色。另外，每一组中的LED的数量被选择成，使得用该器材产生的总通量近似等于用白炽灯器材产生的总通量(在可见光谱中)。对图6中所绘的两个光通量光谱之间差的绝对值在整个可见光谱上进行积分，得到的标准平均偏差(NMD)只有19.0％。这个积分可用下面的公式表示：
NMD = &Integral; [ S T ( &lambda; ) - S L ( &lambda; ) ] d&lambda; &Integral; S T ( &lambda; ) d&lambda;
其中：λ为波长
      SL为LED器材光谱
      ST为目标器材光谱
图7绘出了由独立的LED 22的光通量光谱，这些单独的LED 22构成了八个LED组中的每一组。要注意到，这些光谱彼此交叠，它们联合起来覆盖了可见光谱的主要部分。也要注意到，某些单独光谱(例如青色和绿色)的峰值通量明显高于其他单独光谱(例如两种色调的琥珀色)的峰值通量。这反映出目前批量生产的LED的效率的固有差异。也说明了为何LED照明器材20中并入的两种琥珀色色调的LED(共计109个)要比青色的LED(18个)要多得多。当然，如果将来批量生产的各种LED之间的效率差异发生变化，可对器材所需的每种LED数量做出适当的改变，以提供所需的光谱。
因此，当图2-图4中的LED照明器材20以全功率工作时，对白炽灯照明器材进行了良好的模拟，从而提供了良好的颜色再现性。该器材显著提高了现有技术RGB LED器材所达到的NMD，上面曾参考图1对该现有技术进行了说明。
要特别注意LED照明器材20的NMD的显著提高，不仅是由于增加了不同的LED组22的数目，而且还因为在每个这样的组中设置了合适的特定数量的LED。在表I所表征的LED照明器材的情况下，要注意LED的数量范围从低的品蓝色的4个到高的琥珀色的两种色调每种的70个。并入了相等数目的LED的照明器材可提供相当高的NMD。
如上所述，也可控制表I所表征的LED照明器材20，以产生出除白色光以外的具有各种复杂颜色的光。这些颜色包括，但不限于，其光通量光谱近似模拟用装有各种传统滤色器的白炽灯照明器材所产生的光的光通量光谱的颜色。这是一个使该器材作为现存白炽灯器材的适当替代品能够在该行业中立即被接受的重要优点。
传统的白炽灯照明器材通过使用滤色器过滤灯的白光，产生彩色光束。这些滤色器具有一定的光谱透射特性，以使所需波长被透射，而其余波长被吸收。通过适当地控制不同组的LED 22以发出具有所需的全部颜色光谱的光，就可控制LED照明器材20以产生光束，该光束的颜色光谱模拟用装有特定滤色器的白炽灯照明器材所产生的光束的颜色光谱。这样，向八个LED组中的每个组提供电源，使该组发出由所述滤色器透过的相应颜色的光的数量。
通常，控制器24通过适当改变向八个LED组供电的脉宽调制电源的占空比，可实现这种成比例的供电控制。减小任何一个特定的LED组的电源的占空比，相应减小由这个组发光的通量值，相应改变了复合通量光谱。
在一个例子中，可控制LED照明器材20以发出光束，该光束的光通量光谱模拟了装有蓝原色滤色器(标准商业名称为Rosco R80)的白炽灯照明器材的光通量光谱。这种滤色器可从加利福尼亚好莱坞的Rosco Laboratories Inc.获得。图8中绘出了被模拟的光束光谱。以上面图二中的第四列所确定的比例，控制不同颜色的LED，可控制LED照明器材模拟这种蓝原色光谱。具体地，以全功率的72％向具有4个品蓝色LED的组通电，以全功率的45％向具有8个蓝色LED的组通电，等。图8绘出了所得到的光通量光谱。
要注意，在图8中，LED照明器材20所产生的光的复合光谱近似模拟装有一个R80滤色器的白炽灯照明器材的光谱。这就使LED照明器材所产生的光束和白炽灯照明器材所产生的光束具有近似匹配的表观颜色。对图8中所绘的两个光通量光谱之间差的绝对值在整个可见光谱上进行积分，得到的标准平均偏差(NMD)仅为13.3％。
要注意到，对LED照明器材20可控地通电，以模拟装有一个RoscoR80蓝色滤色器的白炽灯照明器材，在该过程中，LED照明器材产生的总光通量的级别与白炽灯照明器材的相同，即使实际上根本就没有向所有的八组LED提供全功率。事实上，需要向任一LED组供应的最高电能是所述全功率的72％，其被通到品蓝色LED上。因此，可意识到，LED照明器材实际能产生的光束的总通量比白炽灯照明器材的明显高得多，即为它的1/0.72或1.39倍之多。
用传统白炽灯照明器材产生的其他颜色可用类似方式模拟。例如，一个光束的光通量光谱模拟装有一个浅红色滤色器(标准商业名称为Rosco R26)的白炽灯照明器材的光通量光谱。图9中绘出了被模拟的红色光束的光谱。以上面的表II的第五列所确定的比例，控制不同颜色的LED 22，可控制LED照明器材20，以模拟这种浅红色光谱。具体地，以全功率的70％向具有29个红色LED的组通电，以全功率的51％向具有24个橘红色LED的组通电，等等。图9中也绘出了所得到的光通量光谱。它表现出了较低的NMD，仅为22.9％。另外，LED照明器材产生光束的总通量可比白炽灯照明器材的高，为1/0.70或1.43倍。
当然，可控制照明器材20以发出几十亿种不同光通量光谱中的任何一种的光，而不仅是那些模拟其他光源光谱的光。这通过独立地控制发光器件22的每个组的电源的占空比就可简单实现。
只有蓝色/绿色的LED照明器材
如在上面提到过的，根据本发明的LED照明器材20′(图5)的第二个实施例，仅包括4组LED 22′，共同发出的光的光通量光谱只覆盖了可见光谱的一部分，即从大约420nm至大约580nm。这4组LED包括品蓝色、蓝色、青色和绿色。可控制这种蓝色/绿色LED照明器材以发出具有各种复杂的蓝和绿的颜色的光束，该颜色包括但并不限于具有近似模拟用已知的现有技术照明器材所产生光的光通量光谱的颜色，该现有技术照明器材装有大量传统蓝色、绿色和青色滤色器中的任意一种。如上面所提到的，这类滤色器代表了大约1/3的传统滤色器。
表III表明了一种用于只有蓝色/绿色的LED照明器材20′的LED 22′的适当的补充数据，其只有4组不同的LED颜色，包括品蓝色、蓝色、青色和绿色。4组中每一组的基色标于第一列，每组中LED的数量标于第三列。
表III 2号器材(只有蓝色/绿色)
 LED颜色   Lumileds编号   器件数量   R80蓝原色(％通电)
 品蓝   B2   5   73
 蓝   B5   5   62
青   C3   15   40
 绿   G6   29   3
 -   -   54(总计)   NMD＝16.7％
这样，表III所表征的只有蓝色/绿色的LED照明器材20′仅包括了54个单独的LED 22′，布置在4个不同的LED组中。然而，按照表III第四列所指定的功率级别对四组LED进行通电，可控制只有蓝色/绿色的照明器材，以模拟装有一个Rosco R80蓝原色滤色器的白炽灯照明器材。所得到的光通量光谱以及装有一个Rosco R80滤色器的白炽灯照明器材的光通量光谱在图10中绘出。两种光谱彼此相似，其NMD仅为16.7％。
虽然只有蓝色/绿色的LED照明器材20′受限于它可被控制发出仅组合了蓝色和绿色波长的光，但是，应意识到，该器材所包含的单个LED的数量比表I所表征的全光谱LED照明器材20(图2-图4)的LED数量的1/4还要少。因此，只有蓝色/绿色的器材的生产成本很低。尽管LED的数量的不同，但是当控制全光谱器材发出蓝色或绿色光时，蓝色/绿色器材所产生的光的总通量与全光谱器材的几乎相同。
应该注意到的是，表III第三列中所标明的LED的数量是基于2003年第四季度可得到的LED的预期效率。由在2002年第一季度所得到的那种LED组成的器材所产生的总通量，仅相当于预期在2003年第四季度里得到的那种LED组成的器材所产生的总通量的1/4。各种颜色的有关数量需作如下更改：B2-4、B5-5、C3-11和G6-34。所提供的LED的总数为54，与预期在2003年第四季度里得到的LED的补充数据中的总数相同。当然，如果预期在2003年第四季度里得到的LED的实际效率与预期值不一样，就需要对LED的数量进行调整。
优选地，对这四个LED组中每一组中的LED 22′的数量进行选择，以便对所有的LED施加最大电能时，会产生一种光通量光谱，其模拟用大量传统蓝色和绿色滤色器在理论上叠加所表现出的光通量光谱。Rosco R80滤色器就是这些传统滤色器中的一种。这样，通过对施加到每个LED组的脉宽调制电源的占空比进行调整，可简单地控制器材20′以模拟任何一种滤色器。图11中绘出了上述叠加光谱。
其他LED照明器材
同样，根据本发明的LED照明器材的其他实施例，可包括覆盖小于全可见光谱的LED组。例如，一个这样的实施例可包括仅四个LED组，即两种色调的琥珀色、橘红色和红色。该实施例将作为只有红色/琥珀色的器材来运行，可被控制以模拟大量的传统琥珀色和红色滤色器中的任何一种的光通量光谱。
根据本发明的LED照明器材的另一个实施例，可被配置以模拟任何传统设计的选定颜色的滤色器。这样的器材包括覆盖整个光谱的LED组，但是在数量上被选择成，在全功率的情况下，LED共同产生的光束具有相应于所有公知的传统滤色器的叠加的光通量光谱。通过对施加到每个LED组的脉宽调制电源的占空比进行调整，可简单地控制器材20′以模拟任何一种滤色器。具有模拟白炽灯照明器材的光通量光谱的白色光，也可用通过类似的占空比调整产生(但是与上面的表I所表征的全光谱照明器材相比，具有较低的总光通量)。
从上面的描述中应该了解到，本发明提供了一种改进的照明装置，其适于用作照明器材的部件，可对该器材进行控制以产生具有种类繁多的复杂的光通量光谱的光束，该光谱包括，但不限于，近似地模拟了具有或不具有滤色器的许多传统光源中的任何一种光源的光谱。该装置包括多个发光器件组，例如LED，并且每一个这样的组被配置成所发出的光具有单独的光通量光谱。控制器将选定量的电能提供给多个发光器件组中的两个或更多个组，以使这些组共同发射出具有选定光通量光谱的复合光束。可控制该光谱，以使其相对于被模拟光束的光谱在可见光谱段的标准平均偏差小于约30％。对于所有公知的包括多组不同光源的照明器材，这是一个显著的改进。这些发光器件的组被配置成包括独立选择数量的发光器件。此外，这些发光器件组被配置成每一组的光谱半宽小于约40nm，并且其峰值通量波长与相邻组的峰值通量波长相距小于50nm。
虽然仅参考优选实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的技术人员会意识到，在不背离本发明的情况下可作出各种修改。因此，本发明仅由所附的权利要求限定。

Claims (28)

1.一种用于产生光束的照明装置，该光束的光通量光谱可模拟具有白炽灯的预定光源所产生的光束的光通量光谱，这利光源不需要用于改变该灯所发出的光的光通量光谱的过滤器，所述照明装置适于用作照明器材的部件，并且包括：
多个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有不同光通量光谱的光；以及
一个控制器，其可被配置以向所述的多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述组共同产生具有规定光通量光谱的复合光束，所述规定光通量光谱相对于被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于30％。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中对所述多个发光器件组中每一组所包括的器件的数量进行选择，以便如果所述控制器向所有所述组提供最大电能，则所得到的复合光束的光通量光谱相对于所述的被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于30％。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中对所述多个发光器件组中每一组所包括的器件的数量进行选择，以便如果所述控制器向所有的所述组提供最大电能，则所得到的复合光束的光通量光谱相对于一个具有白炽灯的预定光源所产生的理论光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于30％，其中该理论光束的光通量光谱通过多个滤色器的光谱透射的理论叠加进行修正。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述控制器进一步被配置，以向所述多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述组共同产生的复合光束的规定光通量光谱相对于一个预定光源所产生的光束的光通量光谱在所述可见光谱段上的标准平均偏差小于30％，其中该预定光源包括一个白炽灯和一个滤色器，该滤色器可改变这种灯所发出的光的光通量光谱。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个发光器件组中的至少两个组包括不同数量的发光器件。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个发光器件组包括至少五个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有预定的不同光通量光谱的光。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个发光器件组包括至少八个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有预定的不同光通量光谱的光。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个发光器件组中的每个组包括多个发光二极管。
9.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个发光器件组共同包括一个光学组件，其会聚所述的所发出的光并从所述照明装置中投射出所述复合光束。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述复合光束的所述光通量光谱相对于所述的被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于25％。
11.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述复合光束的所述光通量光谱相对于所述的被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于20％。
12.根据权利要求1所述的照明装置，其中当所述控制器向所有的所述发光器件组提供规定的最大数量的电能时，由所述照明装置产生的所述光束的光通量光谱和由所述的被模拟的预定光源产生的所述光束的光通量光谱在可见光谱段上彼此在5db之内。
13.根据权利要求1所述的照明装置，其中由所述多个发光器件组中的每个组所发出光的所述的预定的不同光通量光谱具有小于40nm的光谱半宽。
14.根据权利要求1所述的照明装置，其中：
由所述多个发光器件组的每个组所发出的所述光的所述不同光通量光谱具有预定的峰值通量波长和预定的光谱半宽；
所述多个发光器件组的每个组的所述峰值通量波长与所述多个发光器件组的另一组的所述峰值通量波长的间距小于50nm；并且
所述多个发光器件组的每个组的所述光谱半宽小于40nm。
15.一种用于产生彩色光束的照明装置，该彩色光束具有规定光通量光谱，所述照明装置适于用作照明器材的部件，并且包括：
多个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有不同光通量光谱的光；以及
一个控制器，其可被配置以向所述的多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述组共同产生复合光束；
其中，当所述控制器向所有的所述发光器件组提供规定的最大数量的电能时，所述复合光束的规定光通量光谱的基本能量仅在小于200nm的连续带宽范围内。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其中：
每个发光器件组不需要实质改变其所发出的光的光通量光谱的滤色器；并且
可配置所述控制器以向所述多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述复合光束的规定光通量光谱模拟具有白炽灯和相关滤色器的预定光源的光谱，其中该相关滤色器改变所述灯所发出的光的光通量光谱。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述复合光束的光通量光谱相对于所述的被模拟的预定光源所产生的光束的光通量光谱在所述可见光谱段上的标准平均偏差小于30％。
18.根据权利要求16所述的照明装置，其中对所述多个发光器件组中每一组所包括的器件的数量进行选择，以便如果所述控制器向所有的所述组提供最大电能，则所得到的复合光束的光通量光谱相对于所述预定光源所产生的理论光束的光通量光谱在可见光谱段上的标准平均偏差小于30％，其中该理论光束的光通量光谱通过多个滤色器的光谱透射的理论叠加进行修正。
19.根据权利要求15所述的照明装置，其中当所述控制器向所有的所述发光器件组提供规定的最大数量的电能时，由所述多个发光器件组所发出的复合光束的光通量光谱的基本能量仅在小于600nm的波长内。
20.根据权利要求15所述的照明装置，其中当所述控制器向所有的所述发光器件组提供规定的最大数量的电能时，由所述多个发光器件组所发出的复合光束的光通量光谱的基本能量仅在大于550nm的波长内。
21.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述多个发光器件组中的至少两个组包括不同数量的发光器件。
22.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述多个发光器件组包括至少四个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有预定的不同光通量光谱的光。
23.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述多个发光器件组的每个组包括多个发光二极管。
24.根据权利要求15所述的照明装置，其中：
由所述多个发光器件组的每个组所发出的光的不同光通量光谱具有预定的峰值通量波长和预定的光谱半宽；
所述多个发光器件组的每个组的峰值通量波长与所述多个发光器件组的另一组的峰值通量波长的间距小于50nm；并且
所述多个发光器件组的每个组的所述光谱半宽小于40nm。
25.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述复合光束的光通量光谱的基本能量仅在小于150nm的连续带宽内。
26.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述复合光束的所述连续通量光谱中没有一个部分的通量强度比其上和其下波长的通量强度大于5db。
27.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述复合光束的所述连续通量光谱中没有一个部分的通量强度比其上和其下波长的通量强度大于2db。
28.一种用于产生具有规定光通量光谱的光束的照明装置，所述照明装置适于用作照明器材的部件，并且包括：
三个或更多个发光器件组，可配置每个这样的组以发出具有不同光通量光谱的光，该光谱具有预定的峰值通量波长和预定的光谱半宽；
其中所述三个或更多个发光器件组的每个组的所述峰值通量波长与所述发光器件组的另一组的所述峰值通量波长的间距小于50nm；
并且其中所述四个或更多个发光器件组的每个组的所述光谱半宽小于40nm；以及
一个控制器，其可被配置以向所述四个或更多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述组共同产生具有规定光通量光谱的复合光束；
其中，所述多个发光器件组中的每个组不需要实质改变其所发出的光的光通量光谱的滤色器；
使所述的规定光通量光谱模拟具有白炽灯的预定光源所产生的光束的光通量光谱，这种光源不需要改变所述灯发出的光的光通量光谱的滤色器；以及
可配置所述控制器以向所述多个发光器件组提供选定量的电能，以使所述复合光束的规定光通量光谱相对于所述的被模拟的所述预定光源所产生的光束的光通量光谱在所述可见光谱段上的标准平均偏差小于30％。
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