CN102803834B - 用于聚光照明的照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于聚光照明的照明系统(10)，包括：具有反光内表面的管状反射镜(2)，该管状反射镜(2)具有入口孔(7)和比该入口孔(7)更大的出口孔(8)；光源阵列(1)，包括被布置为在该管状反射镜(2)的该入口孔处向该管状反射镜(2)中发射光的多个光源(13a-13c；30a-30d、31a-31d、32a-32d)；以及被布置为扩散由该照明系统(10)所发射的光的光扩散光学元件(9)。该光扩散元件(9)被配置为随着与该照明系统的光轴(12)的距离的增加而展现增加的扩散能力。

Description

用于聚光照明的照明系统
技术领域
本发明涉及用于聚光照明的照明系统，其包括管状反射镜和光源阵列。
背景技术
在聚光照明应用(诸如舞台设置或其它氛围营造照明)中，已经大规模使用了具有彩色滤光片的白光源。最近，作为备选，已经开发了具有彩色光源(诸如发光二极管LED)的照明系统。在具有彩色光源的系统中，可以通过电子控制来改变色彩，并且总是可以获得全部可用色彩。
在聚光照明应用中，所发射光的均匀性(homogeneity)是非常重要的。
在US6200002中描述了用于聚光照明的照明系统的一个示例，其中管状准直仪校准来自布置在该准直仪入口中的光源阵列的光。虽然US6200002与现有技术相比提供了改善的均匀性，但是将希望进一步改善所发射光的均匀性。
发明内容
鉴于以上，本发明的一般目的在于提供一种用于聚光照明的改进的照明系统，该系统提供对由该照明系统所发射的光的改善的均匀性。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于聚光照明的照明系统，包括：具有反光内表面的管状反射镜，该管状反射镜具有入口孔和比该入口孔更大的出口孔；光源阵列，包括被布置为在该管状反射镜的该入口孔处向该管状反射镜中发射光的多个光源；以及被布置为扩散由该照明系统所发射的光的光扩散光学元件，其中，该光扩散元件被配置为随着与该照明系统的光轴的距离的增加而展现增加的扩散能力。
本发明基于以下认识：由具有出口孔比入口孔大的管状反射镜的照明系统所输出的光通常展现较高的均匀性，即，靠近该照明系统的光轴比远离该照明系统的光轴具有更高的空间统一度。本发明人进一步认识到，通过布置光扩散光学元件来扩散该照明系统所输出的光并且将该光扩散光学元件配置为随着与该照明系统的光轴的距离的增加而展现增加的扩散能力，可以实现该照明系统的输出效率与该照明系统输出的光的均匀性之间的有益的折衷。
因此，将光扩散集中在其具有最大影响的地方，从而可以实现对该照明系统所输出的光的改善的均匀性，同时将由该光扩散光学元件的散射和/或吸收所导致的光学输出效率的降低最小化。
该光扩散光学元件可以有利地通过散射来扩散在其上入射的光，其中随着与该照明系统的光轴的距离增加，散射增加。
为了提供足够程度的强度以及(当适用时)色彩统一性，同时抑制光扩散光学元件中的光损失，该光扩散光学元件可以取决于该光源阵列和管状反射镜的特性而对入射光进行高达大约±10°的散射。对于光源阵列和/或管状反射镜被如此配置以提供光的良好混合的照明系统，大约±5°的最大散射可能是足够的。
最大散射可以有利地发生在靠近该管状反射镜的边缘处，并且在靠近该光轴处相当低水平的散射可能是足够的。例如，在该光轴处的散射可以是±1°或者甚至0°。
扩散能力随着与该光轴的距离的增加而增加可以基本上连续或以步进的方式发生。
此外，该光扩散元件可以包括具有可控的扩散特性的设备。此类设备的一个示例是可开关PDLC层。
并且，该照明系统可以有利地进一步包括被布置为对由该照明系统所发射的光进行聚焦的聚焦光学元件，从而可以降低该照明系统所输出的光的角展度。在根据本发明的照明系统的各种实施方式中这可能是特别有利的，因为该光扩散光学元件一般可以增加通过该光扩散光学元件的光的角展度。
根据本发明的各种实施方式，可以按照这样一种方式来配置该管状反射镜和该光源阵列中的至少一个，该方式使得该光源阵列的每个对称状态与该管状反射镜的任何对称状态不同。
在本申请的上下文中，“对称状态”可以理解为一种与初始状态不同的、导致与初始状态相同的配置的状态。可以通过任意类型的变换(诸如旋转、平移、镜像等等)来实现对称状态。
通过避免重合的对称状态，可以降低所发射光的优选方向的发生，从而可以改善关于所发射光的强度以及(当适用时的)色彩的空间均匀性。
如果存在管状反射镜的对称状态，则可以通过例如管状反射镜的物理配置来控制管状反射镜的对称状态，并且如果存在光源阵列的对称状态，则可以通过该光源阵列中所包括的光源的布置来控制该光源阵列的对称状态。
根据各种实施方式，可以通过配置该管状反射镜和该光源阵列中的至少一个以使其不具有对称状态来实现该光源阵列和该管状反射镜的非重合对称状态。例如，可以随机布置该光源，并且/或者该管状反射镜可以具有不规则的截面。
备选地，该管状反射镜可以展现第一数量的具有相同配置的状态，并且该光源阵列可以展现第二数量的具有相同配置的状态，并且该第一数量与该第二数量之间的比值可以是非整数。该布置提供非重合对称状态。
具有相同配置的状态的数量等于该初始状态加上对称状态的数量，即，对称状态的数量加一。
此外，通过将该照明系统配置为使得该第一数量和该第二数量的最大公约数等于一，可以更进一步降低所发射光的优选方向的发生，从而可以更进一步改善所发射光的均匀性。
此外，该第一数量，即由该管状反射镜展现的对称状态的数量可以是大于二的质数，从而可以实现对于该光源阵列中的该光源的布置的更大的设计自由度，因为更少的光源配置将展现与这样的管状反射镜配置重合的对称状态。
根据各种实施方式，此外，该管状反射镜和该光源阵列中的至少一个可以展现关于该照明系统的光轴的旋转对称。
该管状反射镜可以具有基本上多边形的截面。
在本申请的上下文中，“多边形的截面”应当理解为一种由在至少三个点连接的线条的闭合路径所界定的截面，该至少三个点形成多边形的截面的角。线条可以是直的或弯曲的。例如，多边形的角之间的每个路径可以关于该多边形截面而凹陷或者凸起。根据一个优选实施方式，该多边形截面可以是七边形(7个边)或九边形(9个边)。
根据另一个实施方式，该管状反射镜的该截面可以具有基本上圆的或椭圆的形状。
为了进一步改善该照明系统所发射的光的均匀性，可以用这样一种方式配置该照明系统，以使得该光源阵列中所包括的该光源的总面积可以等于该管状反射镜的该入口孔的面积的至少5％。
该光源的总面积应该理解为该光源的总发射表面，即可以发射光的面积。
通过提供总发射面积与该入口孔的面积的足够的比例，可以进一步改善该照明系统所发射的光的均匀性。本发明人所执行的测试显示这样的足够的比例大约是该管状反射镜的该入口孔的面积的5％，并且更高的比例产生更好的结果。然而，该比例可以优选地等于或最少10％，更优选地等于或最少15％，并且最优选地等于或最少20％.
根据本发明的各种实施方式，光源阵列可以另外包括至少一组被配置为发射第一色彩的光的光源以及至少一组被配置为发射与该第一色彩不同的第二色彩的光的光源。
一组光源可以是单个光源或者可以是被布置在一起的一群光源。例如，可以按照一行发光二极管(LED)的形式提供一组光源。
因此，可以提供来自该照明系统的光的色彩可控的输出
本发明人发现以这样一种方式配置光源阵列对于该照明系统所输出的光的均匀性是有益的，在该方式中该光源阵列包括至少三组被配置为发射第一色彩的光的光源以及至少三组被配置为发射第二色彩的光的光源。
此外，该光源有利地被布置为使得相邻的光源组之间的最大间隔小于该入口孔的横向延伸的三分之一。因此，可以避免光源阵列中的大块“黑暗”区域，这进一步改善该照明系统所输出的光的均匀性。将光源更进一步均匀地分布在光源阵列中导致均匀性的进一步的改善。
附图说明
现在将参考示出了本发明的示例性实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些以及其他方面，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的照明系统的分解图；
图2a-图2b是沿光轴看到的截面图，其图示了根据本发明的一个实施方式的不同对称关系；
图3示意性地图示了示例性光源阵列配置；以及
图4示意性地图示了图1中的照明系统中所包括的扩散元件的示例性的配置。
具体实施方式
在下文的描述中，参考包括光源阵列和管状反射镜的照明系统来描述本发明，其中该光源阵列展现第一数量的对称状态并且该管状反射镜展现第二数量的对称状态。
应该注意到这绝非意味着限制本发明的范围，本发明等效应用于光源阵列和管状反射镜中的一个或两个可能没有对称状态的其他照明系统。
图1示意性地图示了用于聚光照明的照明系统，该聚光照明适用于氛围营造灯光照明，诸如舞台设置。照明系统10包括装配在诸如印刷电路板(PCB)3之类的载体上的由诸如LED阵列之类的光源13a-13d形成的光源阵列1，其中，PCB 3布置在散热器(heatspreader)4上，散热器4继而被布置在散热片5上。照明系统10还包括具有反光内表面的管状反射镜2。管状反射镜2具有光入口孔7和比光入口孔7更大的光出口孔8。在该管状反射镜2的出口孔8处提供了扩散元件，在这里该扩散元件采取光学扩散片9的形式。
光源阵列1被布置在入口孔7处，以向管状反射镜2内发射光。在图1中示意性地图示的示例性实施方式中，管状反射镜2在与照明系统的光轴12垂直的平面上具有多边形的截面。
为了实现由照明系统10输出的光的良好均匀性，光源阵列1和管状反射镜2应该不具有重合的对称状态。现在将参考图2a-图2b来描述满足该条件的两个示例性配置，图2a-b是沿照明系统10的光轴12、从管状反射镜的出口孔8看到的截面图。
在图2a中所示意性地图示的第一示例性配置中，光源阵列1展现1个初始状态和3个对称状态，即导致与初始状态相同的配置的附加状态。因此，如可以在图2a中容易地看出的，光源阵列1因此总共具有配置相同的4个状态。另一方面，图2a中的管状反射镜2具有1个初始状态和4个对称状态，总共5个配置相同的状态。
因此，图2a中所示意性地图示的照明系统配置在光源阵列1与管状反射镜2之间不展现任何重合的对称状态。具体而言，分别用于管状反射镜2的配置相同的状态的数量与用于光源阵列1的配置相同的状态的数量之间的比值为5/4＝1.25，这是非整数。
在图2b中所示意性地图示的第二示例性配置中，光源阵列1展现1个初始状态和2个对称状态，即导致与初始状态相同的配置的附加状态。因此，如可以在图2b中容易地看出的，光源阵列1因此总共具有配置相同的3个状态。另一方面，图2b中的管状反射镜2具有1个初始状态和7个对称状态，总共8个配置相同的状态。
因此，图2b中所示意性地图示的照明系统配置在光源阵列1与管状反射镜2之间不展现任何重合的对称状态。具体而言，分别用于管状反射镜2的配置相同的状态的数量与用于光源阵列1的配置相同的状态的数量之间的比值为8/3，这不是整数。
在图2a-图2b中所示出的照明系统10的每个示例性配置中，上述数量的最大公约数是一。
图3示意性地示出了包括多个光源的光源阵列1的示例性配置，其中该多个光源采取色彩不同的LED的形式。该光源阵列包括布置成行的4组红色LED 30a-30d、布置成行的4组绿色LED 31a-31d和布置成行的4组蓝色LED 32a-32d。
如图3中可以看出的，光源30a-30d、31a-31d和32a-32d被布置为光源阵列1展现具有导致相同的光源配置的两个状态的旋转对称。
为了提供由包括图3中的光源阵列1的照明系统10输出的光的希望的均匀性，各组光源30a-30d、31a-31d和32a-32d被布置为使得具有相同色彩的相邻光源组之间的距离小于管状反射镜2的入口孔7的横向尺寸的三分之一，这在图3中示意性地指示。
为了简化说明，图3中的光源阵列1已经被描述为仅包括三原色的LED。本领域的技术人员可以容易地领会，通过提供被配置为发射附加原色(诸如琥珀色、青色、深红色和/或深蓝色)的LED，可以实现改善的色彩混合和均匀性。备选地或附加地，可以使用各种白光源，如暖白、中性白和/或冷白。可以在附加的行中提供这样的LED，或者可以提供两种或三种色彩的LED交替布置的行。
在根据本发明的照明系统的各种实施方式中，由照明系统输出的光在与光轴垂直的平面上通常随着与光轴的距离的增加而变得较不均匀。
为了进一步改善由照明系统输出的光的均匀性，同时保持输出效率的降低最小化，照明系统10可以有利地包括被布置在管状反射镜2的出口孔8处的光学扩散元件9。由于光在靠近光轴12处通常相对均匀，所以光学扩散元件9在此处比在远离光轴12的地方具有更低的扩散能力。这可以例如通过提供包括散射粒子35的膜来实现，其中，散射离子的浓度随着与照明系统10的光轴12的距离的增加而增加。这在图4中示意性地图示出。光学扩散元件9可以备选地在中间具有孔，并且因此在靠近照明系统10的光轴12处不吸收或散射由照明系统10输出的任何光。作为图4中所示意性地示出的散射离子35的备选或补充，光学扩散元件9的扩散能力可以使用其他装置来实现，诸如通过全息图样和/或表面浮凸(surface relief)。
例如，光扩散元件9可以包括所谓的光成形扩散器(LSD)箔，其例如可以从Luminit或Fusion Optix获得。
另外，通过学习附图、本文公开以及所附权利要求，在实施所要求保护的发明时，本领域的技术人员可以理解并且实现所公开的实施方式的变形。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干项的功能。在彼此不同的从属权利要求中引述特定措施的简单事实并非指示无法有利地使用这些措施的组合。

Claims (12)

1.一种用于聚光照明的照明系统(10)，包括：
具有反光内表面的管状反射镜(2)，所述管状反射镜(2)具有入口孔(7)和比所述入口孔(7)更大的出口孔(8)；
光源阵列(1)，包括被布置为在所述管状反射镜(2)的所述入口孔处向所述管状反射镜(2)中发射光的多个光源(13a-13c；30a-30d、31a-31d、32a-32d)；以及
被布置为扩散由所述照明系统(10)所发射的光的光扩散光学元件(9)，
其中所述光扩散元件(9)被配置为随着与所述照明系统的光轴(12)的距离的增加而展现增加的扩散能力，
其中配置所述管状反射镜(2)和所述光源阵列(1)中的至少一个，以使得所述光源阵列(1)的每个对称状态与所述管状反射镜(2)的任何对称状态不同。
2.根据权利要求1所述的照明系统(10)，其中所述光扩散光学元件(9)对入射在其上的光进行散射，其中散射随着与所述光轴(12)的距离增加而增加。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统(10)，还包括被布置为对由所述照明系统所发射的光进行聚焦的聚焦光学元件。
4.根据权利要求1所述的照明系统(10)，其中所述管状反射镜(2)展现第一数量的具有相同配置的状态，并且所述光源阵列(1)展现第二数量的具有相同配置的状态，
所述第一数量与所述第二数量之间的比值是非整数。
5.根据权利要求4所述的照明系统(10)，其中所述第一数量和所述第二数量的最大公约数等于1。
6.根据权利要求4或5所述的照明系统(10)，其中所述第一数量是大于2的质数。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的照明系统(10)，其中所述管状反射镜(2)和所述光源阵列(1)中的至少一个展现关于所述照明系统(10)的所述光轴(12)的旋转对称。
8.根据权利要求1、2、4或5所述的照明系统(10)，其中所述管状反射镜(2)具有基本上多边形的截面。
9.根据权利要求1、2、4或5所述的照明系统(10)，其中所述光源阵列(1)中所包括的所述光源(13a-13c；30a-30d、31a-31d、32a-32d)的总面积等于所述入口孔(7)的面积的至少5％。
10.根据权利要求1、2、4或5所述的照明系统(10)，其中所述光源阵列(1)包括至少一组被配置为发射第一色彩的光的光源(30a-30d)以及至少一组被配置为发射与所述第一色彩不同的第二色彩的光的光源(31a-31d)。
11.根据权利要求10所述的照明系统(10)，其中所述光源阵列(1)包括至少三组被配置为发射所述第一色彩的光的光源(30a-30d)以及至少三组被配置为发射所述第二色彩的光的光源(31a-31d)。
12.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述光源组(13a-13c；30a-30d、31a-31d、32a-32d)之中的相邻光源组之间的最大间隔小于所述入口孔(8)的横向延伸的三分之一。
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