CN101194128A - 照明装置和固态光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于照亮表面的照明装置。该照明装置具有支撑元件和由支撑元件支撑的照明单元(1)。照明单元(1)具有设计成容纳固态光源(4)的壳体(2)。该壳体在至少一侧上还是透明的。固态光源(4)适合于产生具有来自第一波长区域和第二波长区域的波长的光。第一波长区域包括500－550nm的波长。第二波长区域包括560－610nm的波长。照明单元(1)被设计成产生具有来自第一波长区域的主波长的光，使得人眼的视觉灵敏度由视杆支配。

Description

照明装置和固态光源
技术领域
本发明涉及用于照亮表面的照明装置，包括：
-支撑元件；
-由支撑元件支撑的照明单元；
其中照明单元包括设计成容纳固态光源的壳体，所述固态光源适合于产生具有来自第一波长区域和第二波长区域的波长的光，所述壳体在至少一侧上是透明的。
背景技术
这种类型的照明装置可从美国专利申请US2004/0105264中得知，并且使得公共场所有可能以高效的方式被照亮。特别地，这种类型的照明装置适合于用作街道照明设备。同样，在US2004/0105264中描述了由街道照明设备发射的光束通常具有蓝/白和黄/橙之间的颜色。这提供了具有适宜氛围的充足照明。然而，具有这样的颜色的街道照明设备的缺点在于，人眼在变暗的环境中不能最好地适应具有这样的波长的光。人眼包括所谓的视锥(cone)和视杆(rod)。视锥只有在足够强的光强以上才活跃。它们经由一束神经一个个单独地连接到大脑，并且另外能够感觉颜色。相反，在低光强下变得更加活跃的视杆不能够察觉颜色，能够以群的方式连接到大脑，结果，单独基于视杆感觉的图像具有比单独基于视锥感觉的图像低的分辨率。视锥对大约555nm波长的光即微黄色的光最敏感。相反，在低光强下，与完全变暗的环境的情况一样，视杆活跃。这些视杆对于更短的波长即507nm的光最敏感。
发明内容
本发明的目的是提供一种照明装置，当用于公共场所(诸如，街道、花园或停车场)的夜间照明时，给人眼提供更好的公共场所可观察性。因此，上述照明装置的特征在于，第一波长区域包括500-550nm的波长，第二波长区域包括560-610nm的波长，照明单元被设计成产生具有来自第一波长区域的主波长的光，使得人眼的视觉灵敏度由视杆支配。
由于发射主波长为500-550nm的光即“绿色”光，所以利用了所述提高的视觉灵敏度，即在大约555nm，甚至是视锥的灵敏度的2.5倍的视杆的灵敏度。由于缺少光谱带宽，所以单独使用来自第一波长区域的波长使得非常难以或甚至不可能感觉到颜色。这导致较小的对比度并降低轮廓的能见度。为了确保与“绿色”光相关的提高的灵敏度不与对比度的损失和颜色感觉的缺少相伴出现，固态光源也适合于产生具有来自第二波长区域的波长的光，第二波长区域包括560-610nm的波长，从而使得能够在变暗的环境中有良好的感觉，具有来自第二波长区域的波长的光的存在还促进颜色感觉。因此，眼睛感觉到的包括来自两个波长区域的波长的组合的光，也被体验为比单独的“绿色光”“更友好”和“更柔和”。
在一个实施例中，照明装置用5-30lux的光强来照亮待照亮的表面。为了保证甚至在第一波长区域中不会由于环境的照度太高而损失人眼的提高的灵敏度，将照明单元设计成使得待照亮的表面用5-30lux的光强来照亮。
在一个实施例中，固态光源具有300流明的最小总光输出。这样的输出足够最低的街道照明要求。
在根据本发明的照明装置的实施例中，照明单元还包括用于处理固态光源产生的光的强度和/或方向的光处理单元。这允许照明装置以尽可能简单的方式得到安装，而不管任何限制性环境因素如何。
固态光源可以包括多个发光二极管(LED)，它们优选地具有30-70°的光束角。为了确保待照亮的表面处的亮度尽可能均匀，LED优选地被布置成使得使用中的光源以相对于该表面至少20°的角度发射光。通过20-30°之间的角度，特别地，可以在水平和垂直光强之间达到最佳比例。
在所有上述实施例中，照明单元可以进一步包括能够连接到固态光源的电源。由于电源的存在，照明装置不依赖于外部电网的可用性。
在一个实施例中，照明装置的固态光源包括发射处于第一波长区域中的波长的光的多个第一LED，和发射处于第二波长区域中的波长的光的多个第二LED。将光源细分成两组LED，每组LED适合于发射具有不同波长的光，使得待照亮的表面的区段有可能通过定制成适合于局部条件的不同波长组合来照亮。
优选地，多个第一LED的光输出是多个第二LED的光输出的3-5倍。已经发现，以这样的比率，能够获得最佳的颜色感觉，而不用以过度地损失眼睛在黑暗中的感觉灵敏度为代价。
在一个实施例中，第一波长区域包括530-550nm的波长，并且第二波长区域包括560-590nm的波长。已经证实，通过使用来自这两个波长区域的光，能够获得关于对比度和颜色观察的最佳结果。
在一个实施例中，主波长为507nm。在该波长，人眼中的视杆的灵敏度处于其最高值。
在一个实施例中，照明单元包括另一光处理单元，其以彼此不同的方式处理来自多个第一LED的光和来自多个第二LED的光。
在本发明的所有实施例中，照明装置可进一步包括盖元件，其具有开口并以围绕照明单元的方式定位，使得开口与照明单元的壳体的透明侧相一致。盖元件能够充当附加的保护装置。
本发明还涉及固态光源，其适合于产生具有处于第一波长区域中的波长和处于第二波长区域中的波长的光，其特征在于，第一波长区域包括500-550nm的波长，第二波长区域包括560-610nm的波长，并且固态光源(4)被设计成产生具有来自第一波长区域的主波长的光。在其一个实施例中，固态光源具有300流明的最小总光输出。该输出水平足以满足最低街道照明要求。
在所有实施例中，固态光源可包括产生具有处于第一波长区域中的波长的光的多个第一LED，和产生具有处于第二波长区域中的波长的光的多个第二LED。将光源细分成两组LED，每组LED适合于产生具有不同波长的光，使得有可能产生具有波长组合的受控的局部变化的光。
优选地，多个第一LED的光输出是多个第二LED的光输出的3-5倍。已经发现，以这样的比率，能够获得最佳的颜色感觉，而不用以过度地损失眼睛在黑暗中的感觉灵敏度为代价。
多个LED中的至少一个可进一步具有30-70°的光束角。
附图说明
下面参照附图，通过实例更详细地说明本发明。附图并非意在限制本发明的范围，而是仅仅旨在说明本发明。在附图中，
图1显示出对应于本发明的实施例的照明单元；
图2a示意性地显示出根据本发明第一实施例的照明装置的顶视图和由照明装置照亮的区域；
图2b示意性地显示出根据本发明第二实施例的照明装置的顶视图和由照明装置照亮的区域；
图3示意性地显示出根据本发明一个实施例的照亮路面的照明装置的侧视图；
图4a和4b分别显示出根据本发明另一实施例的照明装置的顶视图和横剖面；
图5示意性地显示出根据本发明又一实施例的照明装置的侧视剖面图。
具体实施方式
下面参照有关街道照明的实例来讨论本发明，但不限于此。本发明同样可以用于其它空间区域和/或物体诸如花园和停车场的夜间照明。
图1显示出根据本发明的照明单元1。由支撑元件(未示出)支撑的照明单元1包括在至少一侧上透明的壳体2。在图1中，这种透明性是通过给壳体2设置透明元件3来实现的，但其它代替方案，诸如壳体保持敞开、在壳体的该至少一侧上设置孔、或本领域技术人员已知的其它措施，同样是可能的。照明单元1还包括固态光源4，例如，如图1所示，多个发光二极管(LED)5。光源4连接于电源，例如，如图1所示，电流源6。在图1中，电源位于壳体中，但同样可能的是，电源位于支撑元件中。另外，光源4也可以由位于支撑元件和壳体的组合的外部的外部电源馈电。在通过壳体2的透明侧射出之前，光源4所产生的光可以如图1所示通过光处理单元7。该光处理单元7使得有可能处理例如光源4所产生的光的强度和/或方向。
多个LED 5的大部分被设计成发射500-550nm之间的波长的光。精确的波长取决于已经使用了什么半导体材料(诸如InGaAs)以及这些材料被掺杂到什么程度。图1中用具有完全黑色的顶部的矩形表示的“绿光”LED 5a发射的光，处于人眼在夜间条件下的极高灵敏度的范围内。然而，因为使用仅具有一个主波长的光，所以颜色感觉实际上是不可能的。因此，除“绿光”LED 5a之外，多个LED 5优选地还包括“琥珀光”LED 5b，即产生波长为570-610nm的光的LED。在图1中，“琥珀光”LED 5b用具有阴影线的顶部的矩形表示。当用作路灯照明设备时，“绿光”和“琥珀光”LED 5a、5b的组合使得能够具有高对比度的视观(vision)，其中相关的有色物体和标志诸如反射器和有色路标也是可见的。作为少数部分存在于光源4中的“琥珀光”LED5b，确保了尤其是离开黄色和红色表面的反射。另外，“琥珀光”LED5b柔化了光的绿色特性。
已经发现，假定每个LED在强度和额定电功率方面具有实际上相同的特性，则包括的“绿光”LED 5a的数目为“琥珀光”LED 5b的数目的3-5倍的多个LED 5，会产生最佳颜色感觉，而不会过度地损失眼睛在黑暗中的感觉的灵敏度。必须理解的是，在“绿光”LED 5a和“琥珀光”LED 5b具有不相同的特性的情况下，特别是在每个LED的光输出不相同的情况下，上述LED的比率将针对具体情况而不同，以使得“绿光”LED 5a的光输出是“琥珀光”LED 5b的光输出的3-5倍。
借助于处理单元7，有可能例如如图1所示，使照明单元1在沿各个预定方向的单独的光束8、9、10中发射不同色调的光，即不同波长成分的光。
光源4优选地具有至少300流明的光输出。该光输出足以满足最低街道照明要求。在本上下文中应该注意的是，在道路类型之间会发生相当大的变化的这些要求，往往与每平方米表面的入射光量相联系。这种通常以lux表示的所谓的光强，不仅是光源4的光输出的函数，而且也与光源4和待照亮的表面之间的距离的平方成反比。街道照明的通常的平均光强在小住宅区道路和乡村道路上是5lux，在汽车道上高达20lux，并且在繁忙的道路交叉点处为30lux。
以lux表示的光强通常与光度测法校准的(photometricallycalibrated)实验值有关，555nm被用作照度计的校准点。基于该校准，在小于5lux的光强下，人眼的颜色感觉不存在或非常差。然而，如前所述，即使在黑暗中，平均而言，人眼在507nm的灵敏度是在555nm的2.5倍。因此，在夜间条件下，光强的正确lux测量需要在507nm校准。本发明利用了特定夜视光谱中的更高的视觉灵敏度。已经发现，在光源4被设计成发射两个分离的波长区域(即，500-550nm的第一波长区域和560-610nm的第二波长区域)中的光的情况下，即使在以流明表示的低强度下，也能够获得良好的颜色感觉和对比度。
这样的光源4的简单实施例包括多个LED，所述多个LED包括至少一个“绿光”LED和至少一个“琥珀光”LED。已经发现，如果第一波长区域覆盖500-530nm的范围并且第二波长区域覆盖560-590nm的范围，则可获得对比度和颜色感觉的最佳结果。对此的可能的解释是，具有来自上述波长区域500-530nm的光对人眼的夜视最佳。另外，视网膜在波长区域560-590nm具有最高灵敏度。
在具有来自第一和第二波长区域的波长的光的感觉的组合感觉的情况下，人能够观察到比根据发射波长预期的颜色范围更宽的颜色范围。这种现象被发现特别是在来自两个区域的波长分开大于20nm的情况下会发生。令人惊奇的是，来自第一和第二波长区域的波长的组合的使用，产生了自然的颜色感觉。
将固态光源4(例如多个LED 5)用在诸如道路照明的应用中，使得有可能与例如钠灯形成对比，通过透镜在路面上实现最佳的光分布。LED光源是点光源。设置有这种类型的点光源的照明装置20，如果出射口可能仅在一个方向上，则将照亮圆形对称区域，如图2a所示。然而，借助于例如包括微透镜(minuscule lens)的处理单元7，有可能实现任何光束角，从而允许将光精确地引导到期望的位置。如本领域的技术人员已知的那样，这种类型的微透镜也可以安装在LED自身上。因此，通过透镜相对于LED的光源的精确定位，也有可能实现LED的特定光束角。
图2b显示出采用四个LED/LED组合照亮四个道路区段的照明装置20的顶视图。因此，路面22通过所谓的掠射光沿行车方向被照亮，使得四个光束的投影区域23-26为椭圆。为了不损失过多的光输出，LED的光束角优选地在30°和70°之间的范围内。以上述方式，路面有可能在较大区域上用足够的光强(即大于5至30lux的光强)被照亮，而不会增加能耗。而且，以一定角度照亮路面会产生更均匀的亮度。
然而，如果入射角，即入射光与待照射表面(上述实例中的路面)之间的角度，降到临界入射角(典型地在20°和25°之间)以下，则将会产生感觉能力(perception efficiency)的下降。这是因为当入射角减小时，水平光强减小并且垂直光强增加。因此，在待照亮的表面上存在物体诸如汽车的情况下，将产生具有更暗区域的更明显的阴影，并且水平元素诸如路标变得更看不清楚。这种副面效果可以通过给光源4配备具有较小输出的更大数目的有向光源来减轻。这些光源然后可被引导，以便至少部分地照亮相同的区域，诸如图2b中的交叠的椭圆投影区域。
将待发射的光细分成单独的光束，使不同的道路区段能够用包括不同波长组合的光被照亮。为了允许例如道路边缘的有色路标在夜间很容易看清楚，而不会有道路本身的最佳对比度感觉的任何损失，图3所示的光束方向是一种选择。
在图3中，照明装置30的照明单元1产生三束不同的部分交叠的光束31、32和33，每个光束照亮路面34的不同区段。光束31照亮由边缘的陡峭上升沿(rise)36定界的路面34的一边。光束33尤其照亮路标35，例如安装在道路上或道路中的黄带或红色反射器。在夜间对路标35和陡峭上升沿36的最佳感觉，需要照在两种物体上的光的波长的不同优化。毕竟，对于感觉路标35的优化主要针对颜色感觉力的提高，而陡峭上升沿36的感觉力通过在夜间条件下提高视觉灵敏度的光束中所包含的波长来提高。
最后，光束32照亮路面34的中央。因为该光束32必须充分地确保路面34和可能存在于路面上的任何车辆的能见度，以及这些车辆上的反射器等的能见度，所以优化必须考虑两个方面。
在本发明的实施例中，光处理单元7和/或安装在LED5上的微透镜，确保每个光束31-33由不同组的LED5产生。负责产生光束32并且包括“琥珀光”和“绿光”LED的LED组被优化以产生适合于夜间感觉的足够颜色感觉以及足够视觉灵敏度的光。所获得的最佳值对应于“琥珀光”LED的数量和“绿光”LED的数量之间的特定比率。“琥珀光”LED的比例的减小将提高视觉灵敏度。尽管该比例的增加对视觉灵敏度具有负面效果，但它确实能提升颜色感觉。因此，负责产生光束31和33的那些LED组中的“琥珀光”LED的比例，分别低于和高于负责产生光束32的“琥珀光”LED的数量的比例。
在路面34的各个区段实现波长差别的其它选择也是可能的。通过限制来自“琥珀光”LED的光线的光束角，例如有可能与路面34的中央行车区段相比，使路面34的边缘用对颜色感觉更灵敏的波长照亮。
特别地，因为与涉及常规街道照明的照明装置(诸如钠灯)相比，固态光源诸如LED照明设备较轻，并且在限制能量损失的简单处理选项的情况下，照明装置更有利的安装和使用是可能的。例如，照明单元1有可能安装在较低高度，例如0.5和4m之间。更低的高度和包括固态光源诸如LED照明设备的照明装置的使用，导致夜间光污染的降低。
除了常规的灯柱之外，防撞护栏或隔音屏障可以用作支撑元件。为了防止对与之相对应的高度上的照明单元1的负面效果，照明单元可以设置有一个或多个附加的保护元件。在图4a和4b中，照明单元1设置有盖元件40，其包括与照明装置1的透明侧相一致的透明开口。通过该盖元件40，有可能防止经过的车辆过多地弄脏照明单元1。优选地，如图4b的横剖面示意性示出的那样，盖元件40的透明开口和照明单元1的透明侧都指向与车辆方向成微小角度的方向。该车辆方向在图4a中用箭头表示。盖元件40通过紧固装置41附连到支撑元件42(例如竖立的防撞护栏)上，如图4a、4b和5所示。将照明单元1定位在低高度的优点在于，能够在路面上获得更有效的光的集中。特别地，低高度位置产生更强的垂直光强。这进一步由从与车辆驾驶者相同的方向投射到路面上的光增强，其结果是在路面上发生的大部分反射被直接朝车辆驾驶者反射。
照明单元1以相对低的高度存在，提供了采用照明单元1作为交通信号设备的额外的选择。因此，安装在防撞护栏上的一连串照明单元1可以用作面对行车方向的警告行驶灯，以指示由于事故或交通阻塞而造成的紧急停车。
优选地，例如，可通过利用包括万向接头43的紧固装置41与支撑元件42相结合，而使照明单元1可定向，如图5所示的照明装置所示。通过将光定向，有可能防止使人炫目。而且，正确的定向允许获得水平光强和垂直光强之间的对所考虑的环境理想的比率。待发射的光束与待照亮的路面之间较小的角度会降低水平光强，导致例如路标的能见度的降低。另一方面，垂直光强通过这样的角度变化而增加，其结果是路面上的物体诸如石头将更容易看见。
上文的描述仅仅描述了本发明的许多可能的实施例。很容易理解的是，可以想到本发明的许多可替换实施例，它们都落入本发明的范围内。本发明由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.用于照亮表面的照明装置，包括：
-支撑元件；
-由所述支撑元件支撑的照明单元(1)；
其中所述照明单元(1)包括设计成容纳固态光源(4)的壳体(2)，所述固态光源(4)适合于产生具有来自第一波长区域和第二波长区域的波长的光，所述壳体(2)在至少一侧上是透明的，
其特征在于，所述第一波长区域包括500-550nm的波长，所述第二波长区域包括560-610nm的波长，并且所述照明单元(1)被设计成产生具有来自所述第一波长区域的主波长的光，使得人眼的视觉灵敏度由视杆支配。
2.如权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述照明装置用5-30lux的光强来照亮待照亮的表面。
3.如权利要求1或2所述的照明装置，其特征在于，所述固态光源(4)具有300流明的最小输出。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述照明单元(1)还包括用于处理所述固态光源(4)产生的光的强度和/或方向的光处理单元(7)。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述固态光源(4)包括多个发光二极管(5)(LED)。
6.如权利要求5所述的照明装置，其特征在于，所述LED(5)具有30-70°的光束角。
7.如权利要求5或6所述的照明装置，其特征在于，所述LED(5)被布置成使得使用中的光源(4)以相对于所述待照亮的表面至少20°的角度发射光。
8.如权利要求7所述的照明装置，其特征在于，相对于所述待照亮的表面的角度不超过30°。
9.如前述权利要求中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述照明单元(1)还包括能够连接到所述固态光源(4)并被设计成给所述固态光源(4)提供电力供应的电源(6)。
10.如权利要求1-9中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述第一波长区域包括500-530nm的波长，并且所述第二波长区域包括560-590nm的波长。
11.如权利要求1-10中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述第一波长区域中的所述主波长是507nm。
12.如前述权利要求中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述固态光源(4)包括多个发光二极管(LED)，其中所述多个LED包括：
-多个第一LED(5a)，用于发射具有处于所述第一波长区域中的波长的光；和
-多个第二LED(5b)，用于发射具有处于所述第二波长区域中的波长的光。
13.如权利要求12所述的照明装置，其特征在于，所述多个第一LED(5a)的光输出是所述多个第二LED(5b)的光输出的3-5倍。
14.如权利要求12或13所述的照明装置，其特征在于，所述照明单元(1)还包括另一光处理单元(7)，所述另一光处理单元(7)以彼此不同的方式处理来自所述多个第一LED(5a)的光和来自所述多个第二LED(5b)的光。
15.如前述权利要求中的任一项所述的照明装置，其特征在于，所述照明装置还包括盖元件(40)，所述盖元件(40)具有开口并以围绕所述照明单元(1)的方式定位，使得所述开口与所述照明单元(1)的壳体(2)的透明侧相一致。
16.固态光源(4)，其适合于产生具有处于第一波长区域中的波长和处于第二波长区域中的波长的光，其特征在于，所述第一波长区域包括500-550nm的波长，所述第二波长区域包括560-610nm的波长，并且所述固态光源(4)被设计成产生具有来自所述第一波长区域的主波长的光。
17.如权利要求16所述的固态光源(4)，其特征在于，所述固态光源(4)具有300流明的最小光输出。
18.如权利要求16或17所述的固态光源(4)，其特征在于，所述固态光源(4)包括多个发光二极管(LED)(5)，其中所述多个LED(5)包括：
-多个第一LED(5a)，用于发射具有处于所述第一波长区域中的波长的光；和
-多个第二LED(5b)，用于发射具有处于所述第二波长区域中的波长的光。
19.如权利要求18所述的固态光源(4)，其特征在于，所述多个第一LED(5a)的光输出是所述多个第二LED(5b)的光输出的3-5倍。
20.如权利要求18和19中的任一项所述的固态光源(4)，其特征在于，所述多个LED(5)中的至少一个具有30-70°的光束角。
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