CN101027599A - 照明系统 - Google Patents

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Abstract

照明系统具有带多个光发射器(R，G，B)的光源(1)。该光发射器包括至少一个第一原色的第一发光二极管和至少一个第二原色的第二发光二极管，该第一和第二原色彼此不同。该照明系统具有多面光准直器(2)，用于准直由光发射器发射的光。该多面光准直器沿照明系统的纵轴(25)设置。多面光准直器中的光传播基于全内反射和在提供于多面光准直器的棱面上的反射覆层处的反射进行。多面光准直器在远离光源的一侧结合于多面光反射器(3)。该照明系统还包括光成形漫射器(17)。该照明系统发射出带有空间性的和成空间角度的均匀颜色分布的光。

Description

照明系统
本发明涉及照明系统，包括带有多个光发射器、多面光准直器和多面光反射器的光源。
这种照明系统原本就是已知的。它们特别用于普通照明目的，例如聚光灯、塑型灯、探照灯以及例如用在信号、轮廓照明或广告牌中的大面积直视光发射面板。在其他应用中，由这种照明系统发出的光被输入光导件、光纤或其他束状光学装置。此外，这种照明系统用作(图像)显示设备的背光，例如电视接收器和监视器。这种照明系统可用作非放射性显示器的背光，例如液晶显示设备，也称为LCD面板，它们用在(便携)电脑或(无绳)电话中。根据本发明的照明系统的另一种应用领域是用作用于投射影象或显示电视节目、电影、视频节目或DVD等的数字投影仪或所谓卷轴机中的照明光源。
总体上，这种照明系统包括多个光发射器，例如发光二极管(LED)。LED可以是不同原色的光源，例如公知的红色(R)、绿色(G)或蓝色(B)光发射器。此外，该光发射器可例如用棕黄色、洋红色或青色作为原色。这些原色或可直接由发光二极管芯片产生，或可由磷光体照射来自发光二极管芯片的光线产生。后一种情况下，混色或白色光也可能作为原色中的一种。通常，由光发射器发出的光在透明元件中混合以获得光线的均匀分布，同时消除由照明系统所发光线与特定光发射器的相关性。此外，已知采用带传感器和一些反馈算法的控制器，从而获得高的颜色精度和/或光通量精度。
美国专利申请公开US2002/0080622A描述了包括位于管状反射器的入口孔中的一排发光二极管(LED)的照明装置，其每一个具有多种颜色，如红、绿、蓝，该管状反射器具有出口孔、在这些孔之间延伸的光轴、在这些孔之间延伸以反射和混合来自LED阵列的光的圆周反射壁。该反射器主体的圆周壁的至少一部分垂直于光轴观察时具有多边形截面，并且平行于光轴观察的截面的至少一部分包括相邻者连接在一起的曲线段，以形成用于将光线从LED反射到所述出口孔的多个棱面。
现有照明系统的缺点在于由照明系统发射的光不够均匀。
本发明目的是全部或部分地消除上述不利之处。根据本发明，这一目的由一种照明系统实现，其包括：
带有多个光发射器的光源，
该光发射器包括至少一个第一原色的第一发光二极管和至少一个第二原色的第二发光二极管，该第一和第二原色彼此不同，
用于准直由光发射器发射的光的多面光准直器，
该多面光准直器沿照明系统的纵轴设置，
多面光准直器中的光传播基于全内反射或在提供于多面光准直器的棱面上的反射覆层处的反射进行，
多面光准直器在远离光源的一侧结合于多面光反射器，
该照明系统还包括光成形漫射器。
通过结合运用包括一组不同颜色光发射器的光源，一种带有均匀、空间性的和成空间角度的、由光发射器所发射光的颜色分布的照明系统得以获得，该发射器带有用全内反射(TIR)来准直光的多面光准直器、多面光反射器和光成形漫射器。光准直器是多面的，从而最佳混合由光发射器发射的各种颜色。此外，担当第二级反射器的多面光反射器用于进一步成形由照明系统发射的光束。这具有使照明系统的体积和重量最小化的优点。光成形漫射器还促进由光发射器发射的光的空间混合。
通过基于全内反射(TIR)在多面光准直器中进行光传播，多面光准直器中的光损失得到大量避免。由根据本发明的照明系统发射的光的分布是大致均匀的。根据照明系统的尺寸，由照明系统发射的光大致以空间性以及成角度的方式混合。此外，由照明系统发射的光被大致准直(平行)。优选地，多面光准直器由非气体的光学透明介电材料形成。优选地，多面光准直器由折射率大于或等于1.3的介电材料形成。
根据本发明的照明系统优选实施例特征在于光发射器或光发射器组设置在光源中，从而每种原色的光发射器或光发射器组最好尽可能均匀地分布在有效光源区域上，其中该有效光源区域被定义为包括所有光发射器在内的最小圆形区域。在优选的实施例中，每种原色的光发射器其重心位于照明系统的光轴上。此外，光发射器或光发射器组设置在光源中，从而该原色关于垂直纵轴的假想平面大致旋转对称地分布。在这种方式下，定位在距光轴大致相同距离处的每种原色的光发射器或光发射器组尽可能多地分布在垂直光轴的假想平面内的360度的角度范围内。通过使光源中的光发射器的布置具有较高的旋转对称，由照明系统发射的光的颜色均匀性切实得到改善。光源中的光发射器布置的旋转对称度越高，光成形漫射器的漫射性会相对较低，从而优化了照明系统的系统效率。存在多种方式来获得光发射器绕纵轴的几乎理想的旋转对称布置。在许多情况下，具有光发射器的理想旋转对称是不可能的；这种情况下，光发射器放置的要求是尽可能良好地达到理想旋转对称。
用于准直由光发射器发射的光的多面光准直器能够以多种方式实现。优选地，多面光准直器在垂直于纵轴的截面内具有由4至10段组成的多边形周边。为了促进由照明系统发射的大致环形光束的形成，有利的是增加沿纵轴的光准直器的棱面个数。为此，根据本发明的照明系统的优选实施例特征在于多面光准直器的棱面个数从面向光发射器的一侧到背离光发射器的多面光准直器一侧加倍。在较佳的照明系统实施例中，多面光准直器垂直于纵轴具有六边形截面并且多面光反射器垂直于纵轴在面向光发射器的一侧具有六边形截面，并且在远离光发射器的多面光反射器一侧具有十二边形的截面。在照明系统的这一实施例中，多面反射器垂直于光轴在面向光发射器一侧的截面的多边形周边各段的每个结点处，三角形棱面开始，从而在多面反射器垂直于光轴的任何其他截面处其周边是十二边形的。这样，所有的棱面是基本平坦的棱面，从而通过所谓棱面传播促进从照明系统发射的光束中光的均匀化。在照明系统的另一较佳实施例中，多面光准直器包括邻接线性梯形棱面。通常，每个梯形相对于纵轴倾斜一个角度。
根据本发明的照明系统的优选实施例，特征在于该多面光准直器的棱面具有反射覆层。这允许多面光准直器的较小角度，产生光反射器较小的尺寸，并最终导致照明系统的较小尺寸。优选地，多面光反射器还包括邻接线性梯形棱面。
为了减少照明系统中的光损失，根据本发明的照明系统的优选实施例特征在于该多面光准直器具有用于容纳光发射器的腔体，该腔体具有大致匹配于多面光准直器的折射率的密封剂。为了提高来自照明系统的光发射器中的光提取，在照明系统的优选实施例中，容纳光发射器的光准直器的腔体具有折射率大致高于多面光准直器的折射率的密封剂。这种情况下，腔体的体积扩大和/或其形状适于避免密封剂与多面光准直器之间界面处的全内反射。
光成形漫射器可提供在照明系统中的不同位置。为了有效工作，要求光发射器与光成形漫射器之间存在特定距离。为了此目的，根据本发明的照明系统的优选实施例特征在于光成形漫射器提供在距光源一定距离处，该距离至少是光源有效直径的两倍。光成形漫射器特别有助于穿过光成形漫射器的光的小角度漫射。通过将光成形漫射器放置在两倍于，更优选三倍于光源有效直径的位置处，由照明系统发射的光的颜色均匀性切实受到促进。光源的有效直径是包括所有光发射器在内的小圆的直径平均值。与上述考虑一致地，光成形漫射器最好提供在多面光准直器的出射窗或多面光反射器的出射窗处。
优选地，光成形漫射器一体结合于多面光准直器或与它光学接触，以避免反射损耗发生在附加界面处。
优选地，光成形漫射器是全息漫射器。优选地，该照明系统是随机的全息漫射器。全息漫射器的主要效果是获得均匀的、空间性和成角度的颜色和光线分布。借助于全息漫射器的性质，全息漫射器的尺寸和光束成形器是如此小，以至于无任何细节投影在目标物上，因此产生空间性地和/或成角度地光滑变化的均匀光束图案。全息漫射器的第二种作用是导致由照明系统发射的光束的形状发生变化。
本发明的这些及其他方面将从下述实施例变得显而易见并参考它们进行阐述。附图中：
图1A是根据本发明的照明系统的第一实施例的部件分解图。
图1B是装配形式下的图1所示照明系统的实施例；
图2A是带有五级棱面的多面光准直器和多面光反射器的组合的剖视图；
图2B是带有八个周边段的如图2A所示多面光准直器和多面光反射器的组合的顶视图，
图2C是带有六段的多面光准直器和以六段开始以十二段结束的多面光反射器的组合的顶视图；
图3A-3F显示了光源中光发射器的较佳结构的示例，而
图4显示了包括多个根据本发明的照明系统的复合灯光系统。
各图仅为概略图解而非按比例绘制。显然，为了清楚的目的，一些尺寸以严重夸大的形式显示。各图中相似的元件尽可能用相同的参考数字表示。
图1A非常概略地显示了根据本发明的照明系统的第一实施例的部件分解图；图1B非常概略地显示了装配形式下图1所示照明系统的实施例。一种非常紧凑的照明系统得以获得。该照明系统包括光源1，后者包括多个具有不同原色的光发射器R、G、B。优选地，该光发射器是发光二极管(LED)。LED可以是不同原色的光发射器，例如是公知的红色R、绿色G、蓝色B光发射器。优选地，该光发射器包括至少一个第一原色的第一发光二极管R、至少一个第二原色的第二发光二极管G、以及至少一个第三原色的第三发光二极管B，该三种原色彼此不同。可选地，该光发射器可例如用棕黄色、洋红色或青色作为原色。这些原色或可直接由发光二极管芯片产生，或可由磷光体照射来自发光二极管芯片的光线产生。后一种情况下，混色或白色光也可能作为原色中的一种。可选地，该照明系统可具有多个仅带两种原色的光发射器，例如白色和黄色或棕黄色光发射器的组合。
在图1A的例子中，发光二极管R、G、B安装在为LED提供电连接的(金属芯)印刷电路板5上并充当从光发射器向外传播和传输热量的导热体。这种基底例如可为诸如金属芯印刷电路板的绝缘金属基底、具有用来连接LED的电线和适当电极图案的硅或陶瓷基底、或诸如碳纤维加强金属基底的复合材料基底。
通常，发光二极管具有较高的光源亮度。优选地，每个LED在额定功率和室温下驱动时具有至少25毫瓦的辐射功率输出。具有这种高输出的LED也被称为LED动力组。这种高效率、高输出LED的使用具有特殊的优点，在理想的较高光输出情况下LED的数目可相对较小。这对要制造的照明系统的紧凑性和效率有着正面的影响。如果LED动力组安装在这样的(金属芯)印刷电路板5上，由LED产生的热量可通过热传导作用由PCB容易地消散。连接器6提供光发射器R、G、B到照明系统电源(图1A中未显示)的电气接触。
在该照明系统的较佳实施例中，(金属芯)印刷电路板5通过热传导关系与照明系统的壳体15、15′、15″相接触。该壳体15、15′、15″担当光发射器R、G、B的散热片，并担当环境与光发射器R、G、B之间的换热器。
优选地，所谓裸电LED芯片安装在基底上，例如绝缘金属基底、硅基底、金刚石基底、诸如金属基合成物基底的陶瓷或合成物基底。印刷电路板5提供到LED芯片的电气连接并同时担当将热量传递到换热器16的良好传热部。
图1A所示照明系统的实施例绕纵轴25旋转对称并包括用于准直由沿纵轴设置的光发射器R、G、B所发射光线的多面光准直器2。多面光准直器2中的光传播是基于朝向多面光准直器2的光出射窗4的全内反射(TIR)进行的。优选地，多面光准直器2由非气体的光学透明介电材料形成。优选地，多面光准直器2由折射率大于或等于1.3的介电材料形成，例如玻璃、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。PMMA光学器件例如通过光学研磨和胶粘到支撑装置18上制成。优选地，PMMA光学器件通过注塑形成。优选地，多面PMMA光准直器2和支撑装置18制成单一整块产品。该支撑装置18装配在另一支撑装置18′中并安装在印刷电路板5上，密封剂处于LED和PMMA之间。这样，每个光发射器R、G、B与多面光准直器2光学接触，从而减少了照明系统中的光损失。支撑装置18、18′简化了照明系统的装配(见图1B)。
如图1A所示的照明系统可包括用于光学反馈的光传感器(未显示在图1A中)。优选地，光传感器位于壳体15、15′、15″中并安装在印刷电路板5上。这样简化了照明系统的装配。光传感器连接于控制器(未显示在图1A中)，该控制器响应于由光传感器接收的光来控制光发射器R、G、B的电流。光传感器和光电二极管紧挨TIR准直器2设置，以检测由LED发射的通量值。优选地，采用时间分辨检测，它与LED芯片的脉宽调制驱动同步。这在带有多种原色的照明系统情况下特别有用，使得每种原色的通量测量逐一、独立进行。在优选的实施例中，几个光传感器绕多面准直器设置，以增加被发射的原色或原色组合的光的平均等级的测量精度。
如图1A所示的照明系统的实施例还包括绕纵轴25旋转对称的多面反射器3。该反射器3进一步准直由照明系统所发射的光束。该反射器3是多面的，用于进一步成形并用于进一步提高由照明系统发射的光束的均匀化。在另一可选实施例中，反射器大致根据复合式抛物面聚光器(CPC)成形。在可选实施例中，多面光准直器的形状类似于但不完全是复合式抛物面聚光器的形状。反射器3填充有空气，并且反射器3的内壁制成反射性的或涂覆有(镜面)反射覆层。优选地，多面光反射器3包括邻接线性梯形棱面。
如图1A所示的照明系统实施例还包括包括光成形漫射器17在内的照明系统。在图1A的例子中，光成形漫射器是随机的全息漫射器。全息漫射器促进光的空间性和成角度的混色，导致空间性地和/或成角度地平滑变化的均匀光束图案。此外，全息漫射器导致由照明系统发射的光束的形状发生变化。
优选地，光成形漫射器17提供在距光源1一定距离处，该距离至少是光源1的有效直径的两倍。在图1A的例子中，光成形漫射器17提供在多面光准直器2的出射窗4处。在可选实施例中，光成形漫射器17提供在多面光反射器的出射窗处。
照明系统可为聚光灯模块或探照灯模块，其中TIR准直器至少部分为多面的并或多或少旋转对称；也可为线性光源，其中TIR准直器是线性结构。如图1B所示装配形式下的照明系统实施例是出于普通照明目的的非常紧凑的LED聚光灯模块。图1B所示的照明系统的实施例是非常紧凑的照明系统(LED聚光灯模块)，其中由光发射器发射的光具有均匀性较高的、空间性和成空间角度的颜色分布。
图2A概略显示了总共带有标记为f1、f2、f3、f4和f5、各半径为R0、R1、R2、R3、R4、R5(见图2B；由R0定义的表面积最好达到足以容纳光源中的所有光发射器)的五块棱面的多面光准直器2和多面光反射器3的组合的剖视图。棱面的角度由角度θ表示。纵轴25表示在图2A中。光发射器R、B、B安装在金属芯的印刷电路板5上。图2B概略显示了带有标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的八个段的图2A所示的多面光准直器2与多面光反射器3的组合的顶视图(垂直于纵轴25)。表1给出了如图2A和2B所示的光准直器2与光反射器3的半径R和角度θ。
表1  图2A和2B所示的光准直器2与光反射器3的典型尺寸
    半径(毫米)   角度θ(°)
  光源     3.2
    开始  结束
光准直器     棱面1     8.0   37
    棱面2     11.4   20.5
光反射器     棱面3     14.6   27
    棱面4     18.4   17.5
    棱面5     20.9   12.5
图2C概略显示了带有六段的多面光准直器2与开始于六段并结束于十二段的多面光反射器3的组合的顶视图。优选地，多面光准直器2垂直于纵轴25具有由4至10段组成的多边形截面(见图2B)。图2B显示了多面光准直器2与多面光反射器3均在垂直于光轴25的方向具有八边形截面的结构。在图2C的实施例中，由照明系统发射的大致环形光束的形成通过增加沿纵轴25的光反射器3的棱面数目进行促进。在图2C的例子中，多面光反射器3的棱面数目从面向光源1的一侧到远离光源1的一侧加倍。在图2C的例子中，多面光反射器2垂直于纵轴25在面向光源1的一侧具有六边形截面，而在远离光发射器的一侧具有十二边形截面。在该照明系统的这一实施例中，六边形截面的每个棱面被分为两个棱面，从而获得多面光反射器的十二边形截面。在可选实施例，光准直器的棱面数目沿纵轴增加。
图3A-3F概略显示了光源中光发射器的较佳结构示例。两种结构的最大尺寸是直径6毫米。每个例子包括对于每种颜色R、G、B具有4∶4∶1的芯片比的9个LED。这种结构依赖于各LED的效能而可被适当采用。在图3A和3B所示的例子中，光发射器R、G、B设置在光源中从而该原色关于垂直纵轴25的假想平面大致旋转对称地分布(见图1A和1B)。通过使光源1中的光发射器R、G、B的布置具有较高的旋转对称性，由照明系统发射的光的颜色均匀性切实得到改善。光源1中的光发射器R、G、B布置的旋转对称度越高，光成形漫射器17的漫射性会相对较低，从而进一步优化照明系统的系统效率。
图4非常概略地显示了包括多个根据本发明的照明系统在内的混合灯光系统。图4中每个灯光系统的多面反射器标记为3、3′、3″。优选地，复合灯光系统具有共用的热传播器、壳体和驱动和控制该混合灯光系统的电接口。
应当注意到，上述实施例是图解性的而非限制本发明，本领域普通技术人员将能够设计出许多替换实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，任何置于括号内的参考标记不应看作对权利要求的限制。动词″包括″及其动词变化的使用不排除权利要求中所列那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的冠词″一″或″一个″不排除多个这种元件的存在。本发明可借助于包括几个不同元件在内的硬件并借助于适当的程控计算机来实现。在列举了几种装置的装置权利要求中，这样几种装置可由同一种硬件物品具体实现。特定手段在互不相同的从属权利要求中进行描述的事实并非指这些手段的组合不能用于获益。

Claims (14)

1.一种照明系统，包括：
带有多个光发射器(R，G，B)的光源(1)，
该光发射器(R，G，B)包括至少一个第一原色的第一发光二极管(R)和至少一个第二原色的第二发光二极管(G)，该第一和第二原色彼此不同，
用于准直由光发射器(R，G，B)发射的光的多面光准直器(2)，
该多面光准直器(2)沿照明系统的纵轴(25)设置，
多面光准直器(2)中的光传播基于全内反射或在提供于多面光准直器(2)的棱面上的反射覆层处的反射进行，
多面光准直器(2)在远离光源(1)的一侧结合于多面光反射器(3)中，
该照明系统包括光成形漫射器(17)。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中光发射器(R，G，B)设置在光源(1)中从而该原色关于垂直于纵轴(25)的假想平面大致旋转对称地分布。
3.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光准直器(2)由折射率大于或等于1.3的介电材料形成。
4.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光准直器(2)垂直于纵轴(25)观察时在面向光发射器(R，G，B)的一侧的周边棱面数目介于4至10，垂直于纵轴(25)观察为正方形、六边形或八边形截面。
5.如权利要求4所述的照明系统，其中多面光准直器(2)的棱面数目从面向光发射器(R，G，B)的一侧到背离光发射器(R，G，B)的一侧加倍。
6.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光准直器(2)的棱面具有反射覆层。
7.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光准直器(2)包括邻接线性梯形棱面。
8.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光准直器(2)具有容纳光发射器(R，G，B)的腔体，该腔体具有折射率大致匹配于多面光准直器(2)的密封剂。
9.如权利要求1或2所述的照明系统，其中多面光反射器(3)包括邻接线性梯形棱面。
10.如权利要求1或2所述的照明系统，其中该光成形漫射器(17)提供在距光源(1)一定距离处，该距离至少是光源(1)的有效直径的两倍。
11.如权利要求9所述的照明系统，其中光成形漫射器(17)提供在多面光准直器(2)的出射窗(4)处或者多面光反射器(3)的出射窗处。
12.如权利要求10所述的照明系统，其中光成形漫射器(17)是全息漫射器。
13.如权利要求1或2所述的照明系统，其中光发射器还包括至少一个第三原色的第三发光二极管(B)，这三种原色彼此不同。
14.如权利要求1或2所述的照明系统，其中当在额定功率和室温下驱动时，每个发光二极管(R，G，B)具有至少25毫瓦的发射功率输出。
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