CN101784872B - 具有可调色彩的照明装置 - Google Patents
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Abstract
光传感器(1)用在照明应用中，特别是与LED结合，用以控制和/或调节光源的色点。为了保证成本低的具有可再现色点的光源，光传感器(1)的成本和/或性能是重要的。该目的通过一种光传感器(1)实现，该光传感器(1)包括：光漫射器(10)；具有至少一个窗口(12)、至少一个干涉滤光片(13)以及至少两个光电传感器(14)的光学不透明壳体(11)。该光漫射器(10)以这样的方式布置：来自该光学不透明壳体(11)外部的光必须经过该光漫射器(10)从而经由该窗口(12)进入到该光学不透明壳体(11)的内部。该干涉滤光片(13)和该至少两个光电传感器(14)布置在该光学不透明壳体(11)的内部中，该干涉滤光片(13)布置在该窗口(12)和该至少两个光电传感器(14)之间。
Description
技术领域
本发明涉及光传感器(light sensor)、包括这种光传感器的具有可调色彩的照明装置以及控制这种照明装置的方法。
背景技术
WO 02/099333 A1中描述了一种白色发光的LED发光体。该LED发光体包括红色、绿色以及蓝色发光LED的阵列以及用于保持期望的色彩平衡的反馈布置。该反馈布置包括光电二极管，这些光电二极管被放置并能够单独测量每个RGB色彩部件的光输出。在一个实施例中，放置单一光电二极管或光电二极管阵列以从布置在该LED阵列的组合输出路径中的部分反射元件拦截反射光。通过脉动LED和光电二极管或通过使用彩色滤光片按顺序测量各种色彩。干涉滤光片通常用于高精度色彩控制。干涉滤光片的透射波长的角度依存性在工作期间会产生问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的且成本低的光传感器。
本发明的又一目的是提供具有这种改进的且成本低的光传感器的照明装置。
本发明的另一目的是提供一种控制照明装置的方法。
通过用于照明装置的光传感器实现本发明的一个目的，该光传感器包括光漫射器以及具有至少一个窗口、至少一个干涉滤光片以及至少两个光电传感器(photo sensor)的光学不透明壳体，该光漫射器以这样的方式布置：来自该光学不透明壳体外部的光必须经过该光漫射器从而经由该窗口进入到该光学不透明壳体的内部，如果光经由该窗口进入该光学不透明壳体的内部，就该干涉滤光片的表面而言，根据朗伯余弦定律，该光漫射器与该窗口的组合导致具有朗伯射线模式的近似朗伯辐射体，该干涉滤光片和该至少两个光电传感器布置在该光学不透明壳体的内部中，所述干涉滤光片布置在该窗口和该至少两个光电传感器之间，使得通过该窗口的光的相对强度可以在至少两个不同波长范围内被探测到。
就干涉滤光片的表面而言，根据朗伯余弦定律，光学漫射器和窗口的组合产生具有朗伯射线模式的近似朗伯辐射体。窗口优选地具有比光电传感器小的宽度。更优选地，窗口的宽度小于光电传感器宽度的1/10。光学漫射器可以布置在发射由光传感器探测的光的光源和该窗口之间的任意位置。此外，例如通过粗糙化表面或者通过提供以充分方式减小反射光的光吸收层，光学不透明壳体的内表面应为光吸收性的，从而最小化由于不透明壳体内部中的反射光引起的信号噪音。朗伯射线模式与该(多个)干涉滤光片以及光电传感器(例如用于探测入射光的发射特性且特别是色彩特性的光电二极管)组合使用。例如通过在至少两个不同波长范围内探测通过窗口的光的相对强度，确定入射光的色彩特性。
在根据本发明的光传感器的一个实施例中，光传感器包括具有一个干涉滤光片的光学不透明壳体。与干涉滤光片的透射波长的角度依存性组合，朗伯射线模式用于在至少两个不同波长范围内探测通过窗口的光的相对强度。干涉滤光片优选地附着到光电传感器。采用圆形孔作为窗口，第一光电传感器优选地具有基本为圆形的形状并从该圆形孔接收以对应于干涉滤光片的第一透射带的某些立体角发射的光，且第二光电传感器具有围绕第一光电传感器的基本环形的形状。第二光电传感器从圆形孔接收以对应于干涉滤光片的第二光学透射带的不同立体角发射的光。间隔物可以布置在第一和第二光电传感器之间以改进光学透射带之间的隔离。这种配置具有只需要一个干涉滤光片的优点，这降低了光传感器的成本。光电传感器的圆形对称布置允许接收最大的信号强度。其它布置是可能的，诸如相对于干涉滤光片的表面定义的层的法线而覆盖所定义范围的入射角的光电传感器的拼接。
在根据本发明的光传感器的另一实施例中，光传感器包括具有至少两个窗口、至少两个透镜和至少两个干涉滤光片的光学不透明壳体，窗口和透镜布置成该光学不透明壳体中的准直器，且该至少两个干涉滤光片具有不同波长范围的最大透射。窗口优选地为圆形形状的孔，每个孔布置在透镜的焦点。经过这些孔之一的漫射光必须通过相应的透镜并作为平行光束到达相应的干涉滤光片。只有与干涉滤光片相关的某些波长范围的光通过干涉滤光片，这借助相应的光电传感器实现相当窄波长范围内的光强度的精确测量。平行光束防止由于不同入射角的光引起的干涉滤光片透射波长范围的展宽。在该布置中使用的透镜可包括具有折射率n1的第一材料和具有折射率n2的第二材料，其中n2大于n1，第一材料布置成平面平行板，该平面平行板具有垂直于第一材料的平面平行板的至少两个凹槽，该凹槽用第二材料填充。凹槽优选地但不一定具有平行于第一材料的板的圆对称截面。垂直于第一材料的板的凹槽的截面形状以这种方式布置：由填充在凹槽中的第二材料与第一材料的板相组合的组合结构形成的透镜的焦点位于窗口(例如，圆形形状的孔)所在的位置。
本发明的另一目的通过照明装置来实现，该照明装置包括如上所述的光传感器、具有可调色彩的光源以及控制电子电路，光传感器的至少两个光电传感器设计成在探测经过该至少一个干涉滤光片的光之后供应电控制信号，该控制电子电路设计成基于由光电传感器探测的电控制信号来调节光源的色彩。
光源的色彩例如通过在至少两个不同波长范围内探测经过窗口的光的相对强度来确定。光源可以是具有可控发射光色彩的单一发光体，或者是具有可控发射光色彩或发射不同色彩的光的至少两个发光体的发光体阵列。例如通过粗糙化表面或通过提供以充分方式减小反射光的光吸收层，光传感器的光学不透明壳体的内表面应为光吸收性的，从而最小化由于不透明壳体内部中的反射光引起的信号噪音。依赖于通过窗口的光量，信号强度可以通过调节窗口的尺寸和/或光电传感器的尺寸来减低，或者可以通过使用其中每个窗口具有如上所述的专用光电传感器的窗口阵列来增强。窗口和专用光电传感器可以布置于在光学不透明壳体的内部中的光学分离的单元中，其中“光学分离的”理解为表示经由一个窗口进入光学不透明壳体内部的光只被专用光电传感器探测。备选地，可以在一个照明装置中使用多个光传感器。控制电子电路可包括诸如具有储存装置和调节软件的处理器的装置，或为ASIC以分析不同单元或光电传感器的探测数据从而减少测量误差。
在根据本发明的照明装置的另一实施例中，LED用作光源。LED具有诸如红色和蓝色的不同色彩。根据由光电传感器探测的控制信号，每个LED的强度可以借助控制电子电路独立地控制。LED的强度控制允许借助由LED发射的光的线性组合而贯穿色彩空间的子空间。此外可以使用的公知LED组合例如为红色、绿色和蓝色(RGB)LED或者红色、绿色、蓝色和琥珀色LED的组合。通常，光源控制可用于改变照明装置的色彩和/或补偿由于内部和外部因素引起的照明装置的色彩变化。内部和外部因素例如为温度、驱动LED的电流以及尤其但并非排它地与LED相关的老化。
在根据本发明照明装置的另一实施例中，光源包括至少两个LED和发光转换器。发光转换器可以是分布在硅或环氧树脂基体中的磷光体粉末，其中“磷光体粉末”被理解为表示可将由光源发射的第一波长的光转变为第二波长的光的一种或多种磷光体材料。特殊类型的发光转换器为单片发光转换器，诸如以引用方式结合于此的WO2006/087660中公开的陶瓷发光转换器，或具有溶解的磷光体粒子的玻璃。发光转换器至少部分地用作漫射器和/或光学光导。在特定实施例中，发光转换器为具有至少一个凹槽的单片发光转换器板，光传感器放置在凹槽中，且窗口与单片发光转换器接触。单片发光转换器和窗口之间的接触可以是直接的或者间接的，其中“直接的”被理解为表示单片发光转换器和窗口之间没有中间层，并且“间接的”被理解为表示单片发光转换器和窗口之间具有中间层。该中间层例如可以是减少面向光传感器窗口的单片发光转换器表面处全反射概率的抗反射层或光学匹配层。LED也可以直接或间接与在该转换器中发光的单片发光转换器接触。进入单片发光转换器的至少一部分光的波长被转换为不同波长。此外，如果单片发光转换器是作为光学漫射器工作的单片陶瓷发光转换器，光在陶瓷材料的晶粒边界散射。另外，由于单片发光转换器的折射率比空气高，单片发光转换器内的光在其表面被反射，将光引导到光传感器的窗口与单片发光转换器接触的位置处。光传感器所处的该单片发光转换器的一部分可用反射性层或涂层来覆盖。反射性层或涂层可用于从环境光遮蔽光传感器并增强经由窗口进入光传感器的光量。
根据本发明的照明装置可以在一个或多个下述应用中使用：
-办公室照明系统，
-家庭应用系统，
-商店照明系统，
-家居照明系统，
-重点照明系统，
-聚光照明系统，
-剧院照明系统，
-光纤应用系统，
-投影系统，
-自点亮显示系统，
-像素化显示系统，
-分段显示系统，
-警告标志系统，
-医疗照明应用系统，
-指示标志系统，
-装饰照明系统，
-便携式系统，
-车辆应用，
-温室照明系统。
本发明的另一个目的借助控制照明装置的方法实现，该方法包括如下步骤：
-提供具有朗伯射线模式的光；
-通过使用朗伯射线模式的光学特性，在至少两个波长范围内探测光的强度；
-基于探测到的强度，供应电控制信号；以及
-借助电控制信号来控制照明装置。
借助漫射器来漫射光源的光以及在光学不透明壳体内设置窗口，这可以提供光的朗伯射线模式。提供光电传感器与布置在光学不透明壳体内窗口和光电传感器之间的至少一个干涉滤光片的组合，这可用于通过使用朗伯射线模式的光学特性在至少两个波长范围内探测光源的相对强度。该电控制信号可借助光电传感器来供应。
附图说明
本发明将参考附图加以更详细的解释，在附图中相同的参考标记表示相似的部分，且其中：
图1为根据本发明第一实施例的光传感器截面的主示意图。
图2示出在入射光的不同入射角下干涉滤光片的透射波长。
图3为根据本发明第二实施例的具有光传感器的照明装置截面的主示意图。
图4为图3中所示装置的实施例的放大图片。
图5为根据本发明一个实施例的光传感器的波长分辨率的主示意图。
图6为根据本发明另一实施例具有准直器的光传感器的部分截面的主示意图。
图7示出制造图6中所示准直器的方法的工艺步骤。
具体实施方式
图1为根据本发明第一实施例的光传感器1的截面的主示意图。光学不透明壳体11例如具有长方体的形式，该长方体中提供有窗口12。窗口12例如为针孔。在与窗口12相对的侧面上，光学不透明壳体11包括干涉滤光片13，例如覆盖多个光电传感器14的为法布里—珀罗滤光片(FPF)，这些光传感器连接到控制电子电路16，例如集成在光传感器1中的处理器。用于供电和信号传输的电接触借助设置在光学不透明壳体下表面处的焊料球15制成。光学不透明壳体的外侧设有覆盖窗口12的光漫射器10。光漫射器10(例如具有大量光散射粒子的玻璃基体)散射光，使得漫射光通过窗口12并进入到光学不透明壳体11内部，这导致在光学不透明壳体11内部中的朗伯射线模式。该射线模式将透射通过例如玻璃或空气的光学非漫射材料。窗口12和干涉滤光片13之间的距离因此扩大窗口12在干涉滤光片13上的斑点。取决于入射角，某些波长范围的光通过干涉滤光片13，如图2中所主要描述，这表明，射线相对于干涉滤光片表面越倾斜偏离垂直射线，则滤光片响应偏移到越短的波长。因此，被光电传感器14其中之一(假设该光电传感器为宽带光学接收器)探测的光的波长范围取决于干涉滤光片13(在定义的入射角的透射波长)、窗口12的几何布置、光电传感器14以及光电传感器14自身的形状和延伸。借助光电传感器14探测透射光而得到的电信号借助控制电子电路来处理，在这种情况下，考虑到例如干涉滤光片13(在相对于由干涉滤光片13的表面定义的平面成90°的定义入射角的透射波长)、窗口12的几何布置、光电传感器14以及光电传感器14自身的形状和延伸，该控制电子电路是集成的。需要至少两个光电传感器14来检测至少两个波长范围内的信号。
图3和4为根据本发明第二实施例的具有光传感器的照明装置的截面的主示意图，其中光传感器1在图4中用放大图示出。照明装置包括含有绿色LED 20和蓝色LED 21的光源。LED 20、21和光传感器1被焊接到基板40，该基板40具有用于将LED 20、21与光传感器1、电源(未示出)和/或外部的控制电子电路(未示出)连接的导电路径。光漫射器10为单片发光转换器，其调节为将通过单片发光转换器的蓝光的一部分转换为红光。除了这种转换功能，单片发光转换器用作混合由LED 20、21发射光的色彩的光漫射器10。单片发光转换器的一侧借助透明胶附着到LED 20、21。光传感器1放置在单片发光转换器的凹槽25中，该凹槽25设置在LED 20、21所附着到的一侧上(是需要凹槽还是需要一种光学耦合结构，这取决于光传感器1的高度与LED 20、21的高度的比较)。此外，光传感器1具有窗口12的一侧附着到该单片发光转换器。LED 20、21在单片发光转换器内发射光。该单片发光转换器混合和转换入射光。经混合和转换的光的一部分被引导到窗口12，且漫射光通过窗口12并进入具有朗伯射线模式的光学不透明壳体11的内部。该射线模式将透射通过例如玻璃或空气的光学非漫射材料。如上文参考图1所述，取决于入射角，某些波长范围的光通过干涉滤光片13。借助光电传感器14探测透射光得到的电信号借助控制电子电路(未示出)来处理，在这种情况下，考虑到例如干涉滤光片13(在定义的入射角的透射波长)、窗口12的几何布置、光电传感器14以及光电传感器14自身的形状和延伸，该控制电子电路在外部。在该实施例中，具有半圆形形状的三个光电传感器14的探测信号传输到控制电子电路，在该半圆形形状中，第一光电传感器位于中心，具有半圆形凹口的第二半圆形光电传感器围绕第一光电传感器布置，且具有半圆形凹口的第三半圆形光电传感器围绕第二光电传感器布置。窗口12为在第一光电传感器的中心之上的针孔位置。从光电传感器传输的电控制信号用于计算由照明装置发射的光的特性，诸如不同色彩的相对强度，以及如果需要，例如通过减少或增加供应给每个LED 20、21的电流来重新调整LED 20、21。
图5示出由箭头示意的入射光在与干涉滤光片13的平面垂直的一个截面平面中通过窗口12(针孔)之后在干涉滤光片的表面的角度分布。干涉滤光片放置在与针孔距离300μm处，且由滤光片电介质间隔物的折射率n来表征，该电介质间隔物具有厚度d。该电介质间隔物可以由任意材料组成，只要该材料在用于应用的感兴趣波长范围内是光学透明。在可见波长范围内，它例如可以是SiO2、或氮化硅、或空气等等。电介质间隔物可以夹在两个部分透射的镜之间，此部分透射的镜例如可以是薄的银或铝层或者电介质λ/4反射镜叠层。以不同入射角透射的波长范围在干涉滤光片13下面示意。
图6为根据本发明另一实施例的具有准直器的光传感器的部分截面的主示意图。准直器具有光学耦合到透镜50的针孔12，透镜50以这样的方式选择：透镜50的焦距与针孔12重合。在半球形透镜50的情况下，这可以借助透镜50和针孔12之间的间隔层140来布置。进入针孔12的漫射光100将以朗伯射线模式退出针孔。光线101则起源于透镜的焦点并被折射成准直的平行光束102。干涉滤光片13垂直于准直的光束布置，导致窄带光信号透射通过干涉滤光片13并被光电传感器14探测。两个或多个如图6所示的这些布置与在不同波长范围内透射光的干涉滤光片的组合允许构建相当精确的光传感器，该光传感器例如可用于照明装置中。
制造如图6中所示的类似准直器结构的工艺步骤在图7中示意。在步骤A中，在覆盖基板210的刻蚀掩模200中定义孔图案。在步骤B中，进行各向同性湿法刻蚀，在基板210中产生半球形腔体215。在步骤C中，从基板210除去刻蚀掩模。在步骤D中，通过例如在TeriW.Odom，J.Christopher Love，Daniel B.Wolfe，Kateri E.Paul，和George M.Whitesides″Improved pattern transfer in soft lithographyusing composite stamps″，Langmuir 2002，18，5314-5320中所描述的公知PDMS复制工艺来复制腔体215，在移除基板210之后得到相反结构的橡胶印模(stamp)220。印模220被除去并接着用于在光学材料230的适合的薄片中模制透镜结构，该光学材料例如为溶胶-凝胶材料或者例如在步骤F中描述的BCB。得到的模制光学材料230例如为具有如步骤G中所示的半球形模具235的薄片。在随后的步骤H中，用具有比模塑光学材料230的折射率大的折射率的材料240填充模具235。在步骤I中，借助化学机械抛光(CMP)平坦化材料240的层，直至达到形成透镜的半球形结构(用材料240填充的半球形模具235)的焦点。在最后的步骤J中，材料240的平坦化层被涂覆有光学不透明层250，且在透镜的焦点处提供针孔从而完成准直结构。除了填充半球形模具235之外，材料240附加地形成如图6中所示的透镜和针孔之间的间隔层(间隔层140)。例如通过模制来提供面向针孔的材料240的曲面，这可以减小间隔层的厚度。在这种情况下，必须在透镜和针孔之间提供另外的平坦化层。备选地，通过在步骤B中使用严格控制的各项异性刻蚀可以提供半球形模具之外的形状。准直结构可以通过切割分成单个准直结构。例如，与滤光光电二极管阵列相组合，这种准直结构形成根据本发明一个实施例的光传感器。
已经参考具体实施例和某些图描述了本发明，但这不解读为限制意义，因为本发明仅由所附权利要求中限制。权利要求书中的任何参考符号不应被解读为限制其范围。所描述的图仅仅是示意性和非限制性的。在图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可以被放大且不按比例绘制。在本说明书和权利要求中使用动词“包括”及其变形不排除其他元件或步骤。除非另有说明，当提到单数名词时使用的不定冠词或定冠词，例如″一″或″一个″、″该″，包括此名词的复数。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等被用于区别类似的元件，且不一定描述顺序或时间序列。应当理解，如此使用的术语在合适情形下是可互换的，且此处描述的本发明实施例能够按照此处所描述或说明的顺序以外的顺序工作。
再者，说明书和权利要求中的术语顶、底、第一、第二等被用于描述目的，且不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在合适情形下是可互换的，且此处描述的本发明实施例能够按照此处所描述或说明的取向以外的取向工作。
Claims (10)
1.用于照明装置的光传感器(1)，包括光漫射器(10)以及具有至少一个窗口(12)、至少一个干涉滤光片(13)和至少两个光电传感器(14)的光学不透明壳体(11)，该光漫射器(10)以这样的方式布置：来自该光学不透明壳体(11)外部的光必须经过该光漫射器(10)从而经由该窗口(12)进入到该光学不透明壳体(11)的内部，如果光经由该窗口(12)进入该光学不透明壳体(11)的内部，就该干涉滤光片(13)的表面而言，根据朗伯余弦定律，该光漫射器(10)与该窗口(12)的组合导致具有朗伯射线模式的近似朗伯辐射体，该干涉滤光片(13)和该至少两个光电传感器(14)布置在该光学不透明壳体(11)的内部中，所述干涉滤光片(13)布置在该窗口和该至少两个光电传感器(14)之间，使得通过该窗口(12)的光的相对强度可以在至少两个不同波长范围内被探测到。
2.根据权利要求1所述的光传感器(1)，包括具有一个干涉滤光片(13)的光学不透明壳体(11)。
3.根据权利要求1所述的光传感器(1)，其中该光传感器的该光学不透明壳体(11)包括至少两个窗口(12)、至少两个透镜以及至少两个干涉滤光片(13)，该窗口(12)和透镜布置成该光学不透明壳体(11)内的准直器，并且该至少两个干涉滤光片(13)具有不同波长范围的最大透射。
4.根据权利要求3所述的光传感器(1)，其中该透镜包括具有折射率n1的第一材料和具有折射率n2的第二材料，其中n2大于n1，该第一材料布置成平面平行板，该平面平行板具有垂直于该第一材料的平面平行板的至少两个凹槽，所述凹槽用该第二材料填充。
5.照明装置，包括根据权利要求1和3中任意一个所述的光传感器(1)、具有可调色彩的光源以及控制电子电路(16)，该光传感器(1)的该至少两个光电传感器(14)设计成在探测经过该至少一个干涉滤光片(13)的光之后供应电控制信号，所述控制电子电路(16)设计成基于由该光电传感器(14)探测到的该电控制信号来调节该光源的色彩。
6.根据权利要求5所述的照明装置，其中该光源包括至少两个发射不同色彩的光的发光二极管(LED)(20，21)。
7.根据权利要求6所述的照明装置，其中该光漫射器(10)包括发光转换器。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其中该发光转换器(10)为具有至少一个凹槽(25)的单片发光转换器板，该光传感器(1)布置在该凹槽(25)内且该窗口(12)与该单片发光转换器板接触。
9.根据权利要求5至8任一项所述的照明装置在一个或多个下述
应用中的用途：
-办公室照明系统，
-家庭应用系统，
-商店照明系统，
-重点照明系统，
-聚光照明系统，
-剧院照明系统，
-光纤应用系统，
-投影系统，
-自点亮显示系统，
-像素化显示系统，
-分段显示系统，
-警告标志系统，
-医疗照明应用系统，
-指示标志系统，
-装饰照明系统，
-便携式系统，
-车辆应用，
-温室照明系统。
10.根据权利要求9所述的照明装置的用途，其中家庭应用系统包括家居照明系统。
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