CN101755165A - 照明系统、准直器和聚光灯 - Google Patents

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CN101755165A CN200880018984A CN200880018984A CN101755165A CN 101755165 A CN101755165 A CN 101755165A CN 200880018984 A CN200880018984 A CN 200880018984A CN 200880018984 A CN200880018984 A CN 200880018984A CN 101755165 A CN101755165 A CN 101755165A
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Abstract

本发明涉及一种照明系统(10，12)、一种供该照明系统中使用的准直器(30，32)，以及一种聚光灯。该照明系统包括发光二极管(20)、准直器和发光层(40)。该发光二极管发射光，该光沿着背离该照明系统的方向经过该发光层和该准直器。该准直器包括用于接收来自该发光二极管的光的光入射窗(34)。该准直器还包括用于发射准直光束的光出射窗(36)。该光基本上经由全内反射而行进通过该准直器。该发光层包括发光材料，该发光材料将该发光二极管所发射的至少一部分光转变成预定颜色的光。该发光层施加于该准直器的该光入射窗。根据本发明的措施的效果在于在该准直器的光入射窗上施加发光层改进了颜色均匀性并且能够实现远距离磷光体布置，同时保持准直光束。

Description

照明系统、准直器和聚光灯
技术领域
本发明涉及一种照明系统，其包括发光二极管、准直器和发光层。
本发明还涉及一种供该照明系统中使用的准直器，以及一种包括该照明系统的聚光灯。
背景技术
这种照明系统本身是已知的。其尤其用在聚光灯中。聚光灯是一种产生准直光束以照射有限区域的灯。聚光灯可用于一般的照明目的，例如用于办公室照明、或用于商店照明，或用于家庭内的一般照明目的，或用于照明一部分舞台的剧场照明。
发光二极管正越来越多地用在一般照明目的的照明系统中。其原因在于发光二极管的效率相对较高且寿命相对较长，同时发光二极管的成本相对较低。而且，利用发光二极管能够使照明系统小型化。通常，发光二极管产生的光具有相对较窄的光谱。但是一般来说，例如发射具有相对较宽光谱的白光的照明应用是优选的，因此由该照明系统产生的光具有相对较高的颜色再现指数。为了将发光二极管所发射的相当窄的光谱转变成相当宽的光谱，通常施加用于吸收该发光二极管所发射的光并将所吸收的光转变成不同颜色的光的发光材料。该发光材料通常直接施加于发光二极管的管芯上。这种包括发光材料的发光二极管也是已知的，如磷光体加强的发光二极管。
在已知的照明系统中使用磷光体加强的发光二极管时的缺点在于已知照明系统所发射的光的颜色均匀性不是最佳的。
发明内容
本发明的目的在于改进发射光的颜色均匀性。
根据本发明的第一方面，本发明的目的利用根据权利要求1所述的照明系统来实现。根据本发明的第二方面，本发明的目的利用如权利要求8中所述的准直器来实现。根据本发明的第三方面，本发明的目的利用如权利要求9中所述的聚光灯来实现。根据本发明的照明系统包括光源、准直器和发光层，
该光源发射光，该光沿着背离该照明系统的方向经过该发光层和该准直器，
该准直器设置为用于将该光源发射的光进行准直以生成光束，该准直器具有用于接收来自该光源的光的光入射窗和用于发射该光束的光出射窗，该光基本上经由全内反射而行进通过该准直器，
该发光层包括发光材料，该发光材料设置为用于将该光源发射的至少一部分光转变成预定颜色的光，该发光层施加于该准直器的该光入射窗。
根据本发明的照明系统的效果在于，通过将发光层施加于准直器的光入射窗，能够实现施加了更均匀的发光材料的层，从而得到从该照明系统发射的颜色更均匀的光。在已知的磷光体加强的发光二极管中，将发光层直接施加于管芯上。通常，例如经由加热或通过利用溶剂而使发光材料液化。随后，将发光材料的液滴施加于发光二极管的管芯上。在发光材料的液滴凝固之后，发光二极管的管芯上形成该发光材料层。由于在凝固之前该液化的发光材料中的表面张力，例如在溶剂内部的发光材料的分布是不均匀的，致使已知照明系统的发光层中的发光材料分布不均匀，导致该已知照明系统所发射的光的颜色均匀性不是最佳的。在根据本发明的照明系统中，将发光材料层施加于准直器的光入射表面。通常，光入射窗比发光二极管的管芯大得多，因此简化了该发光层的施加，从而获得发光层内部的分布更均匀的发光材料。该发光层可以利用任何已知的方法施加于准直器的入射窗，例如涂漆(paint)或涂覆(coat)，比如喷涂在入射窗上。由于改进了发光层内部的发光材料的分布，因此改进了根据本发明的照明系统所发射的光的颜色均匀性。而且，由该发光二极管发射并且由该发光层透射的光通常被该发光层漫散射，导致预定颜色的光与由该发光二极管发射并由该发光层透射的光发生混合。这进一步改进了根据本发明的照明系统所发射的光的颜色均匀性。
在准直器的光入射窗上施加发光层时的另一个益处在于可以在远离该发光二极管管芯的位置施加该发光层，同时保持准直光束。在US7049740中示出了一种包括透镜的发光二极管。该透镜面对发光二极管的管芯的表面包括荧光材料。这种透镜可用于经由折射而对该管芯发射的光进行准直。但是，在透镜面对该管芯的表面上施加荧光材料导致透镜的准直特性的损失相当大。发光二极管所发射的被荧光材料层转变和/或散射的光几乎不会被准直。在根据本发明的照明系统中，通过准直器的光基本上经由全内反射而行进通过该准直器。并且，由发光层转变的或者从该发光层散射的光基本上经由全内反射而行进通过该准直器，随后被准直器准直。结果，即使在远离发光二极管管芯的位置施加发光层，从根据本发明的照明系统发射的光也以准直光束的形式发射出去。
发光层的这种远距离布置也称为远距离磷光体布局。利用该远距离磷光体布局时的益处在于改进了发光材料的转换效率和寿命，并且改进了发光材料的选择范围。
在这个环境下，预定颜色的光通常包括具有预定光谱的光。预定颜色的光例如包括具有在预定波长周围的特定光谱带宽的原色光。该原色光例如是红光、绿光、蓝光、青光、黄光等。
在照明系统的实施例中，准直器可换地连接到该照明系统上。该实施例的益处在于准直器的可换性能够相对容易地改变例如该照明系统所发射的光束的形状，和/或例如改变该照明系统所发射的光的颜色。根据本发明的照明系统所发射的光束的形状由准直器来确定。具有可换的准直器例如使用户能够调换准直器，后者生成与该照明系统所发射的光束具有不同形状的光束。可选择的是，可以将准直器与具有不同发光层的准直器调换，致使在该照明系统中改变了由该照明系统所发射的光的颜色。结果，用不同的准直器简单地代替该准直器导致根据本发明的照明系统的不同的发射特性。US7108386公开了一种高亮度的LED磷光体耦合器件。该器件包括封装的半导体光源。在该器件中，磷光体区域耦合到非成像的准直器二级光学部件。然而，在US7108386中，磷光体的耦合是光学耦合而不是如根据本发明的照明系统中那样将发光层机械地施加于准直器的光入射窗。磷光体区域结合到半导体光源的封装中，从而与准直器分开。由于磷光体材料结合在半导体光源的封装中，因此不能很容易地改变该已知器件所发射的光的颜色和/或光束形状。在根据本发明的照明系统中，将发光层施加于可换的准直器的光入射窗。调换根据本发明的照明系统中的准直器致使相对容易地改变该照明系统所发射的光的颜色和/或光束形状。
根据本发明的照明系统的再一个益处在于构成根据本发明的照明系统的部件的数量相对较少。该照明系统仅包括发光二极管和准直器，该准直器包括施加于该光入射窗的发光层。结果，能够相对较低成本地生产根据本发明的照明系统。
在该照明系统的实施例中，准直器包括将光入射窗与光出射窗连接的边壁(edge-wall)，其中从横截面观察，至少一部分边壁具有基本为抛物线的形状，所述横截面是通过使该照明系统与沿着准直器的纵轴的虚截面相交而形成的，所述纵轴在光束方向上延伸。特别是当发射到准直器中的光基本上为朗伯(Lambertian)分布时，抛物线形状的边壁使得光能够基本上经由全内反射而行进通过该准直器。
在照明系统的实施例中，发光层包括发光材料的混合物。例如，利用发射紫外光的发光二极管时，发光材料的混合物可以选择为由该发光层将紫外光转变成由该照明系统所发射的基本上白色的光。
在照明系统的实施例中，发光层包括多个由发光材料制成的层。施加多个发光材料层能够相对容易地改变由根据本发明的照明系统所发射的光的颜色。例如，当制造准直器时，施加的发光材料的层数决定了将发光二极管所发射的光转变成预定颜色的光，其决定了由该照明系统所发射的光的颜色。
在照明系统的实施例中，所述多个层中各层的发光材料是不同的。选择包括不同发光材料的这些层的特定组合能够特定地选择由该照明系统所发射的光的颜色。
在照明系统的实施例中，发光二极管发射的光的中心波长在400纳米和490纳米之间的范围内。中心波长在400和490纳米之间的范围内的光也称为蓝光。利用蓝光作为第一预定颜色的光的益处在于蓝光是人类可见的，因此能够不进行转变而将其直接混合到颜色可调的照明系统的输出中。利用发光材料使光从一种颜色转变成另一种颜色的任何转变都会因转变中伴随的斯托克斯频移而造成一定的能量损失。通过利用蓝光作为第一预定颜色的光，使该颜色可调照明系统所发射的一些光不需要进行转变，这增大了系统的效率。
附图说明
本发明的这些和其他方面从下文中描述的实施例显而易见并且将参考这些实施例来进行说明。
在附图中：
图1示出了根据本发明的照明系统的示意性横截面视图，
图2示出了根据本发明另一个实施例的照明系统的示意性横截面视图，以及
图3示出了根据本发明的聚光灯。
这些附图仅仅是图解并且没有按照比例绘制。特别是，为了清楚起见，强烈地夸大了一些尺寸。附图中类似的部件尽可能用相同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1示出根据本发明的照明系统10的示意性横截面视图。图1示出的横截面视图是通过将照明系统10与平行于纵轴15设置的虚平面(未示出)相交而形成。根据本发明的照明系统10包括发光二极管20、准直器30和发光层40。发光二极管20包括管芯22，管芯22发射光B，光B沿着背离照明系统10的方向经过发光层40和准直器30。发光层40包括发光材料，该发光材料将发光二极管20发射的至少一部分光转变成预定颜色的光Y。准直器30设置为用于将发光二极管20发射的光B以及所述光Y准直，以生成之后从照明系统10发射的光束50。该准直器包括光入射窗34，其用于接收来自发光二极管20的光。准直器30还包括光出射窗36，其用于发射光束50。所述光基本上经由全内反射而行进通过准直器30。
在图1中所示的实施例中，发光二极管20的管芯22所发射的光B例如是蓝原色的光B，在图1中用虚线箭头表示。当蓝原色的光B入射在发光层40上时，一部分入射的原色光B例如可以转变成预定颜色的光Y。在当前的实施例中，预定颜色的光Y是黄原色的光Y，在图1中用点箭头来表示。发光二极管20发射的另一部分蓝原色的光B被发光层40透射，并与预定颜色的光Y混合以生成照明系统10所发射的光束50的颜色。发光二极管20发射的并且对照明系统10发射的光束50的颜色作出贡献的蓝原色的光B的量例如由发光层40的厚度或者例如通过发光层40中的发光材料的浓度来确定。通过选择蓝原色的光B和黄原色的光Y之间的比率，能够生成基本上白色的光W，作为根据本发明的照明系统10所发射的光束50的颜色。这在图1中用点划线箭头来表示。由于所述光基本上经由全内反射而行进通过该准直器，因此发光层40所转变的光也被准直器30准直并且对发射的光束50作出贡献。
通常，由发光二极管20发射并且由发光层40透射的部分蓝原色的光B被发光层40部分地漫射。蓝原色的光B的漫射改进了蓝原色的光B与准直器30内部的发光层40所发射的黄原色的光Y的混合，其改进了光束50的颜色均匀性。而且，由于所述光经由全内反射而行进通过准直器30，因此在准直器30的光入射窗34处施加发光层40能够实现远距离磷光体布置同时保持该准直光束50。
发光层40包括发光材料或者发光材料的混合物。发光层40可以包括多个独立的发光材料层(未示出)。在多个独立的层包括基本上相同的发光材料或者发光材料的相同混合物的照明系统10的实施例中，光束50的颜色基本上由施加于准直器30的光入射窗34上的多个独立的层的数量来决定。可选择的是，多个独立的层可以包括不同发光材料或者发光材料的不同混合物。在这种实施例中，包括不同发光材料或者包括发光材料的不同混合物的这些层的特定组合确定光束50的颜色。常用的发光材料例如是Y3Al5O12:Ce3+(还称为YAG:Ce)，其将蓝原色的光B转变成黄原色的光Y。YAG:Ce与发蓝光的二极管20组合例如可导致从照明系统10发射基本上白色的光。照明系统10所发射的光的准确颜色例如取决于发光层40中的发光材料的浓度，或者例如取决于发光层40的厚度。其他常用的发光材料的混合物例如包括连同发蓝光的二极管20一起的(Ba，Sr)2Si5N8:Eu2+(还称为BSSN:Eu，其将蓝光转变成琥珀色光)和YAG:Ce，或者连同发蓝光的二极管20一起的Lu3Al5O12:Ce3+(还称为LuAG:Ce，其将蓝光转变成绿光)和CaS:Eu2+(将蓝光转变成红光)。将蓝光转变成红光的其他磷光体如(Ba，Sr，Ca)2Si5N8:Eu2+、(Sr，Ca)S:Eu2+，和(Ca，Sr)AlSiN3:Eu2+，例如可以使用上述磷光体来代替CaS:Eu。将蓝光转变成绿光的其他磷光体如Sr2Si2N2O2:Eu2+，和SrGa2S4:Eu2+，可以利用上述磷光体来代替LuAG:Ce。利用发射紫外光的发光二极管20时，发光层40例如可以包括BaMgAl10O17:Eu2+(将紫外光转变成蓝光)、Ca8Mg(SiO4)4C12:Eu2+、Mn2+(将紫外光转变成绿光)，和Y2O3:Eu3+、Bi3+(将紫外光转变成红光)的混合物。选择发光层40中的发光材料的特定比率可以生成基本上白色的光W(参见图2)。
准直器30可以是可换地连接到根据本发明的照明系统10。当例如将具有第一发光层40的准直器30换成具有不同于第一发光层40的第二发光层(未示出)的第二准直器(未示出)时，由照明系统10所发射的光束50的颜色发生变化。可选择的是，可以将准直器30换成第二准直器(未示出)，与准直器30生成的光束50相比，第二准直器生成具有不同形状和/或尺寸的光束(未示出)。准直器30可以例如经由螺钉(未示出)或者例如通过夹紧连接(未示出)或者任何其他可拆连接装置而可换地连接。这种实施例能够相对容易地更换准直器，并且同样能够相对容易地改变由该照明系统所发射的光束的颜色和/或形状。
如图1中所示的横截面视图是通过使照明系统10与沿着准直器30的纵轴15的虚截面(未示出)相交而形成的。纵轴15在光束50的方向上延伸。
图2示出了根据本发明另一个实施例的照明系统12的示意性横截面视图。照明系统12也包括发光二极管20、准直器32和在准直器32的光入射窗34上设置的发光层40。与图1中所示的实施例的区别在于，在纵轴15周围设置的中心部分构成透镜外形，其用于改变由照明系统12发射的光束52的中心区域的准直。因此，根据本发明另一个实施例的照明系统12所发射的光束52的形状与图1中所示的实施例10的形状不同。
由于在光入射窗34上施加发光层40，在图2所示的实施例中，其形成透镜外形的一部分，因此准直器32中的透镜外形的准直效果对于预定颜色的光和光源20所发射的光来说基本上损失掉了，并且在发光层40上发生散射。但是，由于光基本上经由全内反射而行进，因此由发光层40转变的光经由准直器32而准直成光束52。
在图2中所示的实施例中，发光二极管20的管芯22发射的光UV例如是紫外光UV，在图2中用虚线箭头表示。当紫外光UV入射在发光层40上时，一部分入射的紫外光例如可以被转变成预定颜色的光W。在当前的实施例中，预定颜色的光W是白原色光W，在图2中用点划线箭头表示。通常，发光层40会转变基本上所有的入射紫外光UV以防止从照明系统12发射紫外光UV。而且，生成白原色光W的发光层40通常由不同发光材料的混合物组成，所述发光材料如BaMgAl10O17:Eu2+、Ca8Mg(SiO4)4C12:Eu2+、Mn2+和Y2O3:Eu3+、Bi3+。如图2中的照明系统12所发射的光的颜色由施加于准直器32的光入射窗34的发光层40中的发光材料的混合物来确定。
图3示出根据本发明的聚光灯100。聚光灯100包括根据本发明的照明系统10、12。
应当注意，上述实施例是说明本发明而非限制本发明，并且本领域技术人员能够设计许多可选择的实施例而不背离本随附的权利要求的范围。
在权利要求中，括号内的任何附图标记不应当解释为限制该权利要求。动词“包括”及其动词变化的使用不排除还存在除了权利要求中列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤。元件前面的冠词“一”或“一种”不排除存在多个这种元件。本发明可以借助于包括几个分立元件的硬件来实现。在列举了几个装置的设备权利要求中，这些装置的几个可以用一个且同一个硬件来体现。在彼此不同的从属权利要求中列举的某些措施不表示不能有利地使用这些措施的结合。

Claims (9)

1.一种照明系统(10，12)，其包括发光二极管(20)、准直器(30，32)和发光层(40)，
该发光二极管(20)发射光，该光沿着背离该照明系统(10，12)的方向经过该发光层(40)和该准直器(30，32)，
该准直器(30，32)设置为用于将该发光二极管(20)发射的光进行准直以生成光束(50，52)，该准直器(30，32)具有用于接收来自该发光二极管(20)的光的光入射窗(34)和用于发射该光束(50，52)的光出射窗(36)，该光基本上经由全内反射而行进通过该准直器(30，32)，
该发光层(40)包括发光材料，该发光材料设置为用于将该发光二极管(20)发射的至少一部分光转变成预定颜色的光，该发光层(40)被施加于该准直器(30，32)的该光入射窗(34)。
2.如权利要求1中所述的照明系统(10，12)，其中该准直器(30，32)可换地连接到该照明系统(10，12)上。
3.如权利要求1或2中所述的照明系统(10，12)，其中该准直器(30，32)包括将该光入射窗(34)与该光出射窗(36)连接的边壁(38)，从横截面观察，至少一部分边壁(38)具有基本为抛物线的形状，所述横截面是通过使该照明系统(10，12)与沿着该准直器(30，32)的纵轴(15)的虚截面相交而形成的，所述纵轴(15)在光束(50，52)的方向上延伸。
4.如权利要求1、2或3中所述的照明系统(10，12)，其中该发光层(40)包括发光材料的混合物。
5.如权利要求1、2或3中所述的照明系统(10，12)，其中该发光层(40)包括由发光材料制成的多个层。
6.如权利要求5中所述的照明系统(10，12)，其中所述多个层中各层的发光材料是不同的。
7.如前面任一项权利要求中所述的照明系统(10，12)，其中该发光二极管(20)发射的光的中心波长在400纳米和490纳米之间的范围内。
8.一种在根据前面任一项权利要求的照明系统(10，12)中使用的准直器(30，32)，该准直器(30，32)设置为用于将发光二极管(20)发射的光进行准直以生成光束(50，52)，该准直器(30，32)具有用于接收来自该发光二极管(20)的光的光入射窗(34)和用于发射该光束(50，52)的光出射窗(36)，该光基本上经由全内反射而行进通过该准直器(30，32)，
该准直器(30，32)的光入射窗(34)包括发光层(40)，该发光层(40)包括发光材料，该发光材料设置为用于将该发光二极管(20)发射的至少一部分光转变成预定颜色的光。
9.一种包括如权利要求1至7中所述的照明系统(10，12)的聚光灯(100)。
CN200880018984A 2007-06-05 2008-05-30 照明系统、准直器和聚光灯 Pending CN101755165A (zh)

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