CN102057215A

CN102057215A - 产生具有可调宽度的光束的发光系统

Info

Publication number: CN102057215A
Application number: CN2009801217732A
Authority: CN
Inventors: M·茹费里亚
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: CN102057215B; JP5542130B2; US8434901B2; WO2009150577A1; EP2288849A1; JP2011523189A; EP2288849B1; US20110085326A1

Abstract

一种用于输出光束的发光系统（1），包括：光学装置，其包括至少一个光源，用于发射在置于离该光学装置确定距离处的投影平面上具有确定宽度和确定长度的光束；光学设备（2），其可通过围绕旋转轴（Z1）旋转运动到多个角位置，并且包括被设置用于在该光学设备旋转时改变光束的宽度的光学元件。

Description

产生具有可调宽度的光束的发光系统

技术领域

本发明涉及发光系统领域，更精确地说，本发明涉及产生线性和窄的光束的发光系统。

背景技术

在诸如拱状物照明、桥梁照明、隧道照明、框架照明、线投影、低高度照明或掠射照明（grazing lighting）之类的建筑照明应用中，产生线性和窄的光束的发光系统可能对于强调是更合适和/或更必要的。

美国专利No.6851835公开了这样的发光系统。它包括具有多抛物线结构化形状的线性反射器、与反射器的线性焦平面对准的此后称为LED的发光二极管的线性阵列。所述LED线性阵列安装在反射器内，并且被取向成面向反射器。

由于LED的位置沿着反射器的焦平面并且由于该反射器的多抛物线结构化形状的原因，该发光系统输出平行的光束线并且将来自LED线性阵列的窄光带投射到长的距离。该已知设备产生的光带的形状取决于反射器的出口几何结构。

发明内容

本发明的目的是通过给予用户作用于照明输出配置的更大灵活性，同时仍然保持获得窄和/或线性的光束的可能性来改善已知的技术。

为此目的，本文提出的发明是一种用于输出诸如窄和线性的光束之类的光束的发光系统，该发光系统包括：

- 光学装置，其包括至少一个光源，用于发射在置于离该光学装置确定距离处的投影平面上具有确定宽度的光束，

- 光学设备，其可通过围绕旋转轴（Z1）旋转运动到多个角位置，并且包括被设置用于在该光学设备旋转时改变投影平面上发射的光束的宽度的光学元件。

由于这些特征，所述发光系统向用户提供了以有限的光溢出或光污染、良好的光学效率以及有限的成本沿着宽度容易地改变光束孔径的可能性。

特别地，本发明允许用户（例如照明创建者）通过调节窄光束的宽度在对象上创建各种不同的光效。

例如，可以通过围绕基本上与所述至少一个光源的至少一个所述光轴平行的旋转轴（Z1）旋转光学设备来修改光束孔径。

每个光源可以是任何类型（白炽灯或卤素灯、HID、LED、……），并且可以是或不是朗伯型的。所述发光系统可以包括仅仅一个优选地置于该发光系统的光学中心处的光源，或者包括多个在笔直或弯曲轴上排列或者依照笔直或弯曲矩阵放置的光源。

在本发明的发光系统的各个实施例中，可以请求保护以下特征中的至少一个和/或其他特征：

· 所述光学装置被设置成输出大体上指向基本上与所述光学设备垂直的确定方向的光束；

· 所述光学装置包括外壳，所述外壳包含限制光源位于其中的内腔的反射壁以及光出口；

· 所述光学装置还包括用于朝光学设备后向反射所述至少一个光源发射的光的反射器；所述反射器可以具有不同的形状，为平面、凸面或凹面；该反射器也可以由衬底上形成的或者直接在光源的容器上的多层滤波器提供；

· 所述反射器包括面向光学设备的凹反射表面；该反射器可以包括面向所述至少一个光源的凹反射表面，该反射表面横向（transversally）是凹的并且依照反射器轴（X2）纵向延伸，例如，所述反射器的凹面是抛物面并且所述至少一个光源位于该抛物面的焦轴上；该反射器还可以包括相对于凹反射表面侧向（laterally）定位的侧向反射表面；该反射器可以关于至少一个对称平面（P，P’）几何对称，并且旋转轴（Z1）包含在该至少一个对称平面（P，P’）内；

· 所述光学装置包括至少两个光源的装置，这些光源沿着光源轴（X1）排列；光源轴（X1）可以与反射器轴（X2）平行；所述光源装置可以关于垂直于光源轴（X1）的平面对称；每对对称光源的光源可以发射基本上相同的波长、相同的波长范围或者相同的颜色和/或具有基本上相同的光度分布；所述光源装置可以通过围绕优选地与所述旋转轴（Z1）相应的第二旋转轴（Z2）旋转而运动到多个角位置；

· 所述光源包括LED；

· 所述光学设备的光学元件包括依照平行阵列设置的凹形和/或凸形伸长光学元件，或者包括形成用于沿着所述宽度与沿着光束长度不同地衍射的衍射网络的衍射光学元件；

· 所述光学装置被设置成发射在投影平面上具有矩形形状的光束，所述宽度是该矩形的小的边。

依照本发明的变型，用于输出窄和线性的光束的发光系统包括：

- 包括至少两个基本上沿着X1轴排列的光源的光源装置，

- 包括一个基本上抛物型凹面并且沿着与X1轴平行的X2轴延伸的凹反射器，其中该反射器关于包含X1轴和X2轴的对称平面P是几何对称的，

- 以及可能的光学设备，其用于使反射器后向反射的光束变宽，所述光学设备包括伸长凹形光学元件阵列、伸长凸形光学元件阵列或者伸长凹形光学元件和伸长凸形光学元件的阵列，所述元件彼此平行并且垂直于对称平面P；所述光学设备可通过围绕包含在对称平面P内且与X1、X2垂直的轴Z1旋转而运动到多个角位置。

该变型也可以与上面列出的特征中的至少一个结合。

依照本文描述的发明，诸如“平行”、“垂直或正交”或者“对称”之类的用来限定本发明的几何特征优选地应当被理解为表示“基本上平行”、“基本上垂直或正交”或者“基本上对称”。

本领域技术人员在阅读本文结合附图提供的公开内容时，应当明白本发明的这些和其他方面、特征和优点。详细的描述虽然表示了本发明的优选实施例，但是仅通过示例给出。

附图说明

现在，将通过参照附图的一个实施例的实例更详细地描述本发明，在附图中：

- 图1为依照本发明一个实施例的发光系统的分解透视图；

- 图2为依照与中心纵平面P正交的截面平面的截面线II-II的图1正截面图；

- 图3为图1的顶视图，所述光学设备处于其初始位置；

- 图4为图1的顶视图，所述光学设备相对于Z₁轴旋转了10度；

- 图5为图1的顶视图，所述光学设备相对于Z₁轴旋转了30度；

- 图6为依照一种变型的图1的顶视图，其中线性杆相对于Z1轴旋转了30度；

- 图7为依照与中心纵平面P平行的截面平面的截面线VII-VII的图1的纵截面图，设备的外壳未被表示并且设备的线性LED装置具有对称LED；

- 图8为如图3所示配置的发光系统输出的光束宽度的光度分布；

- 图9为如图4所示配置的发光系统输出的光束宽度的光度分布；

- 图10为如图5所示配置的发光系统输出的光束宽度的光度分布；

- 图11为图1发光系统的对称平面右侧的LED组的、图1发光系统的对称平面左侧的LED组的以及整个LED组的沿着发射的光束的长度测量的光度分布。

具体实施方式

必须指出的是，当用于本说明书和附图中时，除非上下文另有明确规定，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数指称物。除非另有定义，本文的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明的优选实施例的前面的描述并不预期是详尽的或者将本发明限于所公开的实施例。本发明范围内的各种变化对于本领域技术人员应当变得清楚明白，并且可以通过本发明的实施而获得。特别地，下文描述的外壳（9）和安装装置（10，16）是可选的，和/或可以容易地由本领域技术人员用具有相似效果的可替换元件代替。

在各个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1示出了发光系统（1）的一个实施例，其被设计成用于例如建筑照明或强调照明，例如拱状物照明、桥梁照明、隧道照明、框架照明、线投影、低高度照明或掠射照明。

发光系统（1）包括包含线性杆（3）上的多个LED（4）的光源、凹反射器（5）、光学设备（2）以及外壳（9），其被设置成使得LED（4）发射的光在透射通过光学设备（2）之前被凹反射器（5）后向反射。

外壳（9）包括限定在外壳（9）的前侧开口的腔体（22）的背面和侧面。腔体（22）包括被设置用于在其内安装凹反射器（5）的后腔体（22’）以及用于容纳线性杆（3）和可能地容纳光学设备（2）的前腔体（22’’）。内壁（24）可以从背面相对于后腔体（22’）侧向延伸并且具有邻近前腔体（22’’）的顶面（24’）。可能地带螺纹的一些孔（18，19）可以在顶面（24’）内提供以便接纳安装装置（10，16），例如螺钉。外壳（23）的开口的前侧可以是任何形状并且可以被大的边缘（25）包围。这些大的边缘（25）可以用来将发光系统（1）固定到罩壳（例如在墙壁、天花板或地板中提供，或者在更大的保护外壳中提供）和/或用于审美目的。

线性杆（3）包括印刷电路板（PCB）（20）和主体（23）。

主体（23）具有底面、顶面、前面、后面和两个侧面。中心孔（13）在主体（23）的顶面的中心部分中提供。两个侧向通孔（14）分别通过主体（23）的侧边提供，并且面向外壳（9）的对应孔（18），使得固定装置（12）（例如螺钉）穿过孔（14，18）以便将主体（23）固定到外壳（9）。可以使这些孔（13，14）的至少一部分带螺纹。主体（23）优选地还被设置用于冷却LED（4）并且将热能排出发光系统（1）。该主体（23）可能包括热管、热沉和/或导热材料。

此外，优选地在LED上（在反射器（5）一侧）提供由高导热材料制成的接触层以便将LED提供的热能排出到外壳（9）。

PCB（20）利用未示出的紧固件设置到线性杆（3）上：它可以通过焊接、粘合装置、经由螺钉（12）和/或通过任何其他适当的固定装置固定。所述多个LED（4）的支撑由PCB（20）提供。PCB（20）被设置用于电连接到电源以及可能的控制单元，以便供应以及可能地驱动所述多个LED（4）。

所述多个LED（4）被设置成沿着轴X1排列。

每个LED（4）可以具有相同的颜色和相同的发射类型，但是也可以具有不同的颜色和/或不同的发射类型。因此，有可能根据应用和/或消费者的特定需求改变输出光的光度分布。例如，有可能单独地或者一起使用朗伯型、侧面发射或蝙蝠翼状类型的LED。在另一个实例中，有可能同时使用红色、绿色和蓝色LED，或者有可能仅仅使用一种颜色，或者甚至使用无论何种需要的颜色，例如琥珀色或者任何颜色。

这些LED优选地关于与X1轴垂直的对称平面（P’）对称地设置在线性杆（3）上。更优选地，每对对称LED由相同颜色的LED组成。在一种变型中，LED的对称装置可以包括设置在对称平面P’上的附加LED。

在其中LED关于对称平面P’对称的该优选实现方式中，存在位于对称平面两侧的两个LED组的光度分布的叠加。这两组形成如图11上所示的对称朗伯分布。

凹反射器（5）包括主要主体（6）、凹反射表面（8）以及两个侧向反射器（7）。反射表面（8）沿着轴X2延伸，所述轴X2优选地且基本上与轴X1平行。凹反射表面（8）优选地关于与X2轴垂直的平面（P’）对称。它也可以关于与X1轴和X2轴平行的平面（P）对称。

凹反射表面（8）在与X2轴正交的方向上由两个第一边缘（8’）限制并且在与X2轴平行的方向上由两个第二边缘（8’’）限制。两个第一边缘（8’）之间的距离限定了反射器（5）的宽度，并且两个第二边缘（8’’）之间的距离限定了反射器（5）的长度。

在本文的后面的部分中，输出光束（即来自LED（4）并且被反射器（5）后向反射）的“宽度”和“长度”是投射到与平面（P’）垂直的投影平面上的该光束的尺寸，这些尺寸分别在与X2轴正交和与X2轴平行的方向上取得。应当指出的是，输出光束的宽度和长度分别与反射器（5）的宽度和长度相关。还应当指出的是，反射器（5）的侧向反射表面（7）创建了用于其上的多次反射的光学腔体，其扩大了输出光束的长度，给出进一步的线性光束（即投影平面上的细而长的光束）的感觉。

在该特定实施例中，反射表面（8）的截面（即与X2轴垂直地截取）具有抛物线形状，如图2中显著地示出的。结果，反射表面（8）具有一个抛物型凹面。

优选地，LED的X1轴在抛物型反射表面（8）的焦轴上：在没有任何光学设备（2）的情况下，反射器（5）输出的光束线因而彼此平行，并且光束的宽度和长度基本上分别等于反射器（5）的宽度和长度；此外，由于这样的平行光线的原因，光束可以投射到长距离上。因此，光束是窄和线性的。

凹反射器（5）可以例如通过粘合或焊接装置或者借助于利用四个螺钉（16）安装到在外壳（9）的侧壁（24’）上提供的四个螺纹孔（19）中的四个垫圈（17）而紧固到外壳（9）的后腔体（22’）中。

在该特定实施例中，光学设备（2）通常是平坦的并且具有基本上六边形形状。在另一个实施例（未示出）中，光学设备是安装在外壳（9）的圆弧形前开口中的圆盘。

光学设备（2）可以相对于反射表面（8）围绕Z1轴旋转，Z1轴优选地与X2轴垂直，并且包含在对称平面（P’）内。

为了执行旋转，光学设备（2）可以通过使用穿过在光学设备（2）的中心位置处提供的中心孔（11）并且安装到主体（23）的中心孔（13）上的例如臂、杆、铆钉、螺钉（10）连接到线性杆（3）。未表示的轴承可以设置在螺钉（10）与光学阵列（2）之间以便有利于运动。在图1表示的本发明的实施例中，光学阵列（2）可以通过对螺钉（10）解锁，手工转动光学阵列（2），然后锁定螺钉（10）来旋转。在其他实施例中，可以采用诸如电机或致动器之类的机械装置来自动地旋转光学表面（2）。这样，有可能控制电机或致动器以便动态地调节光学阵列（2）的旋转角度。

光学设备（2）包括被设置用于在旋转光学设备时与光束的长度不同地改变其宽度，从而根据光线的传播方向使光束形状变形的光学元件。例如，这些光学元件包括凹形和/或凸形伸长光学元件，例如依照平行阵列设置的圆柱形或半圆柱形透镜（21）、沿着轴Y1大体上彼此平行地延伸的伸长光学元件（21）阵列。后者与轴（X1）和轴（Z1）正交。可以使用其他光学元件，例如形成用于在光束宽度方面与在光束长度方面不同地衍射的衍射网络的衍射光学元件。这些衍射元件可以例如是通过在透明表面（例如玻璃、塑料、聚碳酸酯）上印刷而图案化的全息漫射器。

优选地，构成阵列（2）的光学元件（21）中的每一个在正截面内可以具有凹形和/或凸形剖面。例如，光学伸长元件（21）是圆柱形透镜或棱柱形透镜。图7示出了具有凸圆柱形透镜（21）的光学设备（2）。

在本发明的当前实施例的一些变型中，每个光学元件（21）可以具有可变的或不变的正截面。在这里，同样地，阵列的光学元件（21）可以在所述可变或不可变正截面方面彼此相同或不同。

有可能通过根据应用和/或消费者的特定需求修改阵列（2）的光学元件（21）的结构（正截面中的凹形或凸形剖面）来改变输出光的光度分布。

围绕轴Z1的光学阵列（2）的所述旋转是改变输出光的光度分布的另一方式。

凸（或凹）圆柱形透镜阵列（2）具有在垂直于圆柱轴（Y1）的方向上使输出的后向反射的光束变宽（或变细）的特性。然而，光束在平行于Y1轴的方向上未被显著修改。

如果该阵列被定位成圆柱形透镜（21）垂直于X2轴，那么光束的宽度不存在显著的变化，并且只有光束的长度被圆柱形透镜（21）展宽。然而，如果凹反射表面（8）和侧向反射表面（7）足够长，并且因而输出光束的长度足够长，那么这些圆柱形透镜对光束长度的增大可能不显著并且因而可忽略。

这是如图3中所示的光学设备（2）的初始位置。它与图8的光度分布相应。

现在，如图4所示，光学设备（2）从初始位置围绕Z1轴旋转，从而提供与光束长度不同地改变光束宽度的可能性。

在图4中，旋转角度是离初始位置10°。该旋转展宽了沿着输出光束宽度的光度分布，如图9中所示。

所述光束的展宽可以由于透镜阵列（2）关于图3初始位置的30°角度的旋转而增强。该更大的旋转在图5中表示，并且随后的更大的光度分布示于图10上。

于是，根据由伸长抛物型反射器（5）以及位于该抛物型反射器（5）的焦轴处的LED（4）阵列限定的窄和线性的光束，所述发光系统的用户可以如他所想的修改光束的窄宽度，从而在要照明的对象上创建不同的效果。

在图6所表示的变型中，透镜阵列（2）处于所述初始位置（即平行圆柱形透镜与X2和Z1正交），并且LED的线性装置——杆已经围绕轴Z1旋转了30°。由此引起输出的窄、线性且后向反射的光束的展宽。在该变型中，线性杆（3）没有借助于螺钉（12）紧固到外壳（9）。在这种情况下，由光学设备（2）和线性杆（3）构成的组件可以通过任何适当的装置（例如悬挂装置、与用于旋转光学设备（2）的旋转轴类似的旋转轴）连接。

在图中未示出的另一变型中，光源（4）的反射器（5）可以可通过围绕包含在对称平面P内且与X1、X2平行的轴X3旋转而运动到多个角位置；X3优选地与X1相应，并且X1优选地处于抛物型反射器（5）的焦轴上。一旦执行该旋转，那么光线不与光学设备（2）垂直。

相反地或者此外，LED（4）的线性杆（3）可以围绕其自身的与X1平行的中心纵轴旋转。

依照该变型的反射器（5）的和/或线性杆（3）的旋转引入输出的窄、线性且后向反射的光束的倾斜。

依照本发明的设备可以特别地用于拱状物照明、桥梁照明（通过底部）、线投影、框架照明（门、走廊、窗框）、低高度照明（公路、小道、楼梯）、隧道照明（墙壁或车道）以及掠射照明（立面（fa?ade）或地面）。

Claims

1. 一种用于输出光束的发光系统（1），包括：

- 光学装置，其包括至少一个光源（4），用于发射在置于离该光学装置确定距离处的投影平面上具有确定宽度的光束；

- 光学设备（2），其可通过围绕旋转轴（Z1）旋转运动到多个角位置，并且包括被设置用于在该光学设备旋转时改变投影平面上发射的光束的宽度的光学元件。

2. 依照权利要求1的发光系统（1），其中所述光学装置被设置成输出大体上指向基本上与所述光学设备垂直的确定方向的光束。

3. 依照权利要求1的发光系统（1），其中所述光学装置包括外壳（9），该外壳包含限制光源位于其中的内腔的反射壁以及光出口。

4. 依照权利要求1的发光系统（1），其中所述光学装置还包括用于朝光学设备（2）后向反射所述至少一个光源发射的光的反射器（5）。

5. 依照权利要求4的发光系统（1），其中所述反射器（5）包括面向光学设备（2）的凹反射表面。

6. 依照权利要求5的发光系统（1），其中所述凹反射表面横向是凹的并且依照反射器轴（X2）纵向延伸。

7. 如权利要求5或6所述的发光系统（1），其中所述反射器（5）的凹面是抛物面并且所述至少一个光源位于该抛物面的焦轴上。

8. 如权利要求6或7所述的发光系统（1），其中反射器（5）还包括相对于所述凹反射表面侧向定位的侧向反射表面。

9. 如权利要求4所述的发光系统（1），其中反射器（5）关于至少一个对称平面（P，P’）几何对称，并且其中旋转轴（Z1）包含在该至少一个对称平面（P，P’）内。

10. 如权利要求1所述的发光系统，其中所述光学装置包括至少两个光源（4）的装置（3），这些光源沿着光源轴（X1）排列。

11. 如权利要求6和10所述的发光系统，其中光源轴（X1）与反射器轴（X2）平行。

12. 如权利要求10所述的发光系统，其中所述光源装置关于垂直于光源轴（X1）的平面对称。

13. 如权利要求12所述的发光系统（1），其中每对对称光源（4）的光源发射基本上相同的波长、相同的波长范围或者相同的颜色和/或具有基本上对称的光度分布。

14. 如权利要求10所述的发光系统（1），其中所述光源（4）装置（3）可通过围绕可选地与所述旋转轴（Z1）相应的第二旋转轴（Z2）旋转而运动到多个角位置。

15. 如权利要求1所述的发光系统（1），其中所述光源（4）包括LED。

16. 如权利要求4所述的发光系统（1），其中光源（4）的所述反射器（5）可通过围绕优选地与所述旋转轴（Z1）相应的第三旋转轴（X3）旋转而运动到多个角位置。

17. 如权利要求1所述的发光系统（1），其中所述光学设备（2）的光学元件包括依照平行阵列设置的凹形和/或凸形伸长光学元件（21），或者包括形成用于沿着所述宽度与沿着光束长度不同地衍射的衍射网络的衍射光学元件。

18. 如权利要求1所述的发光系统（1），其中所述光学装置被设置成发射在投影平面上具有矩形形状的光束，所述宽度是该矩形的小的边。