CN103154601A - 用于led照明设备的改进的光束控制 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种改进的自动多光源照明设备和照明系统。更特别地，描述了一种多颜色LED阵列照明系统，该系统具有一系列透镜和光百叶窗以控制光束。

Description

用于LED照明设备的改进的光束控制

相关申请

本申请要求2010年11月24日提交的美国临时申请61/417,194和2011年1月31日提交的美国申请13/018,203的优先权。

技术领域

本发明总体涉及一种用于控制来自在光束产生照明设备中使用的LED阵列的光输出的方法，特别涉及一种与防止溢出光有关的和/或用于控制所述阵列的光束角的方法。

背景技术

高功率LED经常用于照明设备，例如用于商店、办公室和企业中的建筑照明行业，以及剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会和其他会场中的娱乐行业。这些LED还用于带有自动和远程可控功能的自动照明设备。对于颜色控制，常见的是使用不同颜色的LED阵列。例如，常见的配置是使用红色、绿色和蓝色的LED的混合。该配置允许用户通过对适宜水平的三种颜色进行加性混合来获得他们想要的颜色。例如，点亮红色LED和绿色LED而熄灭蓝色LED将产生呈现黄色的输出。相似地，红色和蓝色将产生绛红色，而蓝色和绿色将产生青色。通过对这三种颜色进行明智的控制，用户可以在色域内获得他们想要的任何颜色。还可以使用三种以上的颜色，并且人们熟知的是将琥珀色或白色LED添加到红色、绿色和蓝色中，以加强颜色混合并改进可用的色域。

不同颜色的LED可以在照明设备中布置为阵列，其中各个LED之间存在物理上的间隔，并且该间隔（以及每种颜色在芯片尺寸（die size）和放置位置上的不同）可以影响各种颜色的展宽并且带来不想要的溢出光和/或混合颜色输出光束的彩色条纹。常见的是在每个LED前面使用变焦透镜或其他光学器件，以允许用户控制光束形状和输出光束角；然而这些光学器件对于不同颜色通常具有不同的效果，并且在输出光束中可能会看到彩色条纹或其他像差。拥有一种光束角在远距离处可调并且对漫射光和像差有良好控制的系统将是有利的。

对于基于LED阵列的照明设备，需要一种光束控制系统，该系统能够在远距离处调整并且提供在减少溢出光和光束角控制方面的改进。

附图说明

为了对本发明及其优点有更加彻底的理解，现在结合附图进行下文的描述，在图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1图示了现有技术的系统；

图2图示了典型的自动照明系统；

图3图示了本发明的实施例；

图4图示了图3所示的本发明的实施例的元件的剖视图；

图5图示了本发明的实施例的小百叶窗遮光板（louver mask）；

图6图示了本发明的实施例的大百叶窗遮光板；

图7图示了图3所示的本发明的实施例的单个模块；

图8图示了本发明的可选择实施例的单个模块；

图9图示了本发明的实施例的剖面图；

图10图示了本发明的实施例的侧截面图；

图11图示了带有普朗克轨迹（Planckian locus）的CIE 1931色度空间；以及

图12图示了本发明的实施例的频闪仪（strobe）和控制区。

具体实施方式

图中示出了本发明的优选实施例，在各幅图中相同的附图标记用于表示相同和相应的部件。

本发明总体涉及一种用于控制来自在光束产生照明设备中使用的LED阵列的光输出的方法，特别涉及一种与防止溢出光有关且用于控制所述阵列的光束角的方法。

图1图示了现有技术的系统，示出了两个可以用于照明设备的LED。LED 102和LED 104可以是不同的颜色，并且由于不同的光学特性以及LED芯片的结构，LED 102和LED 104分别产生光束106和110。这些光束在光束展开和位置方面可以有所差别。这些差别使得来自LED 102和104的光束碰撞在被照亮的物体118上，在这种方式中，所述物体的区域114和116仅被单个LED照亮而不是被所需的两个LED的混合照亮。这使得区域114和116与中间的混合区域的颜色不同并且呈现为彩色条纹。出于清楚和简洁的目的，图1仅示出了两个LED。应当意识到，在包含两种以上颜色的LED的系统中存在同样的问题。除了多种颜色的LED，照明设备可以包含多组照明设备，并且各个LED及各组LED之间的间隔可以在单个照明设备中或者在不同的照明设备设计中有所变化。

图2图示了可以将本发明包含在内的典型的多参数自动LED照明系统10。这些系统通常包括多个多参数自动照明设备12，每个多参数自动照明设备12通常在其上包含LED阵列、连接至机械驱动系统的电动机、以及控制电路（未示出）。除了直接或经由配电系统（未示出）连接至主电源，每个照明设备还与数据链路14串联或并联，以连接至一个或多个控制台15。照明系统10通常由操作者经由控制台15进行控制。所以，为了对控制起作用，控制台10和各个照明设备通常包括作为机电控制系统的一部分的电路，用于控制自动照明设备的参数。

图3示出了本发明的自动照明设备的实施例。照明设备100包含多个LED模块，每个LED模块配有主光学器件、第一和第二微透镜阵列以及相对小的百叶窗遮光板120和相对大的百叶窗遮光板124。不同的百叶窗遮光板120和124可以具有不同高度和宽度的百叶窗阵列。除了由变焦微透镜阵列系统提供的控制（下文进行更加详细的描述），通过使百叶窗遮光板具有不同高度的百叶窗阵列，用户可以控制照明设备的光束角、漫射光和彩色条纹。百叶窗遮光板阵列120和124可以进一步为微透镜阵列和LED模块提供机械保护和防尘。

图4是剖面图，其图示了来自图1的自动照明设备100的双百叶窗LED阵列的实施例的组装好的光路元件。从左到右，各个LED模块106与主光学器件126成对，主光学器件126接着与第一微透镜阵列122成对，第一微透镜阵列122接着与第二微透镜阵列123成对，第二微透镜阵列123接着与小百叶窗阵列遮光板120成对，小百叶窗阵列遮光板120接着与大百叶窗遮光板134成对。在图4所示的实施例中，LED模块106构造为阵列且大百叶窗遮光板134同样形成阵列124，其中每个LED模块106在大百叶窗遮光板阵列124中与大百叶窗遮光板134成对。

在多个实施例中，每个LED模块106可以包括具有单一颜色的单个LED芯片或者具有相同或不同颜色的一组LED芯片。例如在一个实施例中，LED 106包括红色、绿色、蓝色和白色芯片中的一个。在一些实施例中，这些LED芯片可以与作为LED模块一部分的光学透镜元件成对。尽管示出的LED模块106被图示为单独的片，然而在多个实施例中，这些模块106可以作为一片或多片而被安排为多模块阵列。相似地，主光学器件126图示为每个LED模块一片。在其他实施例中，主光学器件可以构造为将与多个LED模块的阵列成对的多个主光学器件的阵列。相似地，第一微透镜阵列122示出为单独的片。在其他实施例中，第一微透镜阵列122可以是将与多个LED模块的阵列成对的较大阵列的一部分。

图5图示了本发明的实施例的小百叶窗遮光板阵列。百叶窗遮光板120包含多个单元132，每个单元132可以与第二微透镜阵列123的单个透镜142对准，如图7和图8所示。图示的百叶窗遮光板使用六边形单元132，然而在其他实施例中，单元可以形成任意形状，例如圆形、长方形、正方形或其他形状。在示出的实施例中，小百叶窗遮光板阵列示出为用于单个LED模块106（在该图中未示出）的片。在存在LED模块106的阵列的其他实施例中，小百叶窗遮光板阵列可以进而构造为将与LED模块106的阵列成对的小百叶窗遮光板的阵列。在其他实施例中，小百叶窗遮光板可以是覆盖多个LED模块106的单一部件。

在本发明的一个实施例中，照明设备中每个模块上的每个百叶窗遮光板120是相同的，并且这些遮光板中的每个单元132也是相同的，但是在另外的实施例中，百叶窗遮光板120或者单元132可以在单个模块中或者照明设备的不同模块之间是不同的。在别的实施例中，百叶窗遮光板120的高度可以变化，以对发射的光产生不同的受控光束角。可以有利地选择不同光学元件和百叶窗阵列高度的这样的组合，以便对光束形状和质量的精细控制。百叶窗遮光板阵列减弱了彩色条纹或光晕并且控制光束角，以向照明设备设计者提供对单一均匀颜色的良好控制和界定的光束。

图6图示了图3和图4所示的本发明的实施例的大百叶窗遮光板阵列124。百叶窗遮光板124包含多个单元134，每个单元134可以与LED模块106（未在图6中示出）及其相关的主光学器件126（未在图6中示出）、第一微透镜阵列122（未在图6中示出）、第二微透镜阵列123（未在图6中示出）以及第一、小百叶窗遮光板120（未在图6中示出）对准。图示的百叶窗遮光板使用圆形单元134，然而，在其他实施例中可以使用其他的单元形状。

在本发明的一个实施例中，每个百叶窗遮光板单元134是相同的，但是在另外的实施例中，百叶窗遮光板单元134在阵列中的不同位置可以有所区别。在别的实施例中，百叶窗遮光板阵列124的单元134的高度可以变化，以对发射的光产生不同的受控光束角。可以有利地选择不同光学元件和百叶窗阵列高度的这样的组合，以便对光束形状和质量的精细控制。

图7和图8图示了照明设备的多个光学元件的操作，因为它们在两个不同的实施例103和105中涉及本发明的实施例的单个LED模块106。包含多个具有相同或不同颜色的LED的LED模块106输出的光进入主光学器件126。主光学器件126提供光束准直并且可以是使用全内反射（TIR）的反射器或透镜。在通过主光学器件126并且被主光学器件126约束后，光束进入第一微透镜阵列122和第二微透镜阵列123。在图示的实施例中，第一微透镜阵列122相对于LED模块106和主光学器件126固定到位，而第二微透镜阵列123能够按121方向移动，其中121方向沿着并且平行于系统的光轴150。两个微透镜阵列122和123一起形成光学系统，该光学系统的焦距可以通过将第二微透镜阵列123朝向和远离第一微透镜阵列122移动（箭头121所示）而有所变化。微透镜阵列122和123中的微透镜可以均面对同一方向（如图所示）或者可以面对相反的方向。与单个较大的透镜相比，使用微透镜阵列具有一些优点，包括但不限于：

a.微透镜阵列可以比相同焦距的单个透镜明显要薄，因此更轻且更加易于移动。

b.微透镜阵列可以提供光束和改变光束发散性方面的均匀性。

在当前公开的实施例中，第二微透镜阵列123与第一、小百叶窗遮光板120有关联，第一、小百叶窗遮光板120可以附接至第二微透镜123并将与第二微透镜123一起沿着光轴移动。小百叶窗遮光板120可以与第二微透镜123接触，以使效果最大化并且防止任何漫射光从小百叶窗遮光板120下方经过。当第二微透镜阵列123和相关联的小百叶窗遮光板120的组合沿着或平行于光学系统的光轴150依箭头121所示前后移动时，由微透镜阵列122和123以及主光学器件126形成的光学系统的焦距将会变化，因此，离开第二微透镜阵列123的光束的发散性将在光束经过小光束百叶窗120时有所变化。产生的输出光束接着被第二、大光束百叶窗124进一步约束。

大光束百叶窗124可以相对于LED模块106、主光学器件126和第一微透镜阵列122固定到位，如图7所示的实施例103，或者可以被允许沿着光学系统的光轴与小百叶窗遮光板120和微透镜阵列123一起移动，如图8所示的实施例105并且如箭头121所示。在任一配置中，大光束百叶窗124提供对来自变焦系统的任何漫射光的进一步遮挡，并且进一步起到从光束中去除彩色条纹的作用。图7所示的实施例的优点是输出百叶窗124不移动。图8所示的实施例的优点是，当保持与第一百叶窗遮光板阵列120邻近时，百叶窗的控制效果在光束角控制的整个范围内是一致的。图9图示了最后的第三、整体百叶窗遮光板125可以可选地装配到照明设备上。这样的百叶窗遮光板在本领域中通常称为“罩式（tophat）”，并且在描述的实施例中将与百叶窗遮光板120和124配合，以进一步控制照明设备的任何残留光的溢出。可选的百叶窗遮光板125可以有利地设置为可移动元件，使得用户可以根据需要容易地将其插入照明设备或从照明设备上去除。可选的百叶窗遮光板125可以具有固定的高度或者可以是可调节的。可选的百叶窗遮光板125可以有利地是非反射的以避免溢出光，这可以通过使用不光滑的黑涂料、阳极氧化或本领域已知的其他涂层对百叶窗遮光板进行涂饰或涂覆来实现。

可以看到，改变百叶窗遮光板120和124中的一个或两个的高度将改变输出光束的受约束的光束角。较高的百叶窗将产生较窄的光束，而较矮的百叶窗将产生较宽的光束。百叶窗遮光板120和124可以具有固定高度或者可以是可调节的。先前描述的百叶窗遮光板120和124可以是非反射的以避免溢出光，这可以通过使用不光滑的黑涂料、阳极氧化或本领域已知的其他涂层对百叶窗遮光板进行涂饰或涂覆来实现。LED模块106可以包含单一颜色和类型的LED或者多种颜色的LED。本发明不受所使用的LED的数量、颜色或类型的限制，并且能够通过任何数量的任何类型和任何颜色的LED或OLED的布局进行使用。

图10是图8详细描述的实施例的侧截面图的图示。百叶窗遮光板120和124及第二微透镜阵列123安装至托架168。步进电机线性驱动器162和163安装至板166，所述板166相对于第一微透镜阵列122和主光学器件126固定。线性驱动器162和163的输出杆164和165连接至托架168。随着对步进电机线性驱动器162和163进行操作，它们各自的输出杆164和165将延伸或缩回，引起托架板168以及附接的百叶窗遮光板120和124及第二微透镜阵列123远离或者靠近第一微透镜阵列122和主光学器件126移动。尽管这里示出了两个步进电机线性驱动器，但是本发明不限于此，并且可以使用任意数量的步进电机线性驱动器。步进电机线性驱动器162和163可以协同且同时进行操作，使得托架168及其附接的光学组件保持与板166及其附接的光学组件平行。

图11和12图示了对基于LED的照明设备先前描述的实施例的进一步改进，涉及对通过来自LED模块106的彩色光的强度的适宜组合所产生的白光进行调整。例如，可以通过为红色、绿色和蓝色选择适宜的水平将这三种颜色的LED混合以形成白光。所产生的白光的色温可以选自图11的标准CIE 1931色度空间上的线202所示的范围。在这样的图上由曲线202示出的不同色温的白光点的范围是公知的普朗克轨迹或黑体线。普朗克轨迹上的具体点由该点的色温进行定义，其中色温是开尔文温度（K），即理论上的绝对黑体将辐射相同的辐射谱。例如，白炽灯可以具有3,200K的色温，这意味着来自所述白炽灯的白光辐射与来自加热到3,200K的绝对黑体的辐射是相同的。白光的色温可以从非常高的蓝色（普朗克轨迹10,000K或更高处的端点）变化到非常低的红色（1,000K或更低处的端点）。随着白炽灯从全光输出转为变暗，其色温将下降并且其颜色点将沿着普朗克轨迹移动。这是熟知的现象，即白炽灯在变暗时会变得更红。例如，色温是5,600K（如图11中的点204所示）的灯的输出可以变暗，并且其色温可以降至大约1,500K（如图11中的点206所示）。尽管LED发射器在其变暗时并不天然地表现出这种现象，然而通过连续改变来自LED模块106的彩色光的强度混合以产生适宜色温的白光，所描述的实施例模拟了这种色温移动。对随着照明设备变暗时的色温改变的如此模拟允许LED照明设备模拟白炽灯照明设备的表现。对于沿着普朗克轨迹产生任何所需色温的白光而言必要的彩色LED发射器的理想组合可以存储在照明设备的查找表中或者根据需要由校准参数进行计算。为了进一步提高由所公开的LED照明设备对白炽灯源的模拟，本发明另外的实施例还可以包括强度控制中的延迟，以模拟白炽灯丝的热滞。当供给白炽灯泡的功率改变时，所带来的灯发射的亮度级不会立即随功率的改变而改变。相反会有些许延迟，这是因为灯中的灯丝会变热或冷却直到达到新的平衡。这种延迟或热滞对于白炽灯产品的用户是熟知的并且表现得很自然，因此，基于LED的照明设备的非常快的控制（其跟随功率改变，几乎没有滞后）将表现出反常和机械性。在所描述的发明中提供了方法，凭借软件或者凭借电路，通过调节供给LED发射器的功率来模拟所述热滞，以模拟白炽灯丝的变热和冷却的延迟。

图12图示了本发明的实施例的频闪仪和控制区。在本发明的一个实施例中，LED模块106布置为环形的或布置为控制区。图12示出了带有控制区212、214和216的照明设备210。尽管这里图示了三个控制区，然而本发明不限于此，并且可以使用任意数量和形状的控制区。在自动LED照明设备中常见的是为整个照明设备提供单一的频闪控制通道，使得可以为照明设备选择频闪的变化速度和方式。相反地，在本发明的一个实施例中设有多个频闪控制通道，每个区一个频闪控制通道。控制区212、214和216中的每一个可以被单独地且独立于其他控制区进行控制。特别地，可以为每个控制区应用不同的频闪速度和方式。这些方式和速度可以进一步被协调，使得自动获得令人满意的总体效果。频闪方式可以从包含但不限于以下内容的列表中选择：简单频闪、快照-锯齿波（snap-ramp）频闪、锯齿波-快照频闪、锯齿波-锯齿波频闪、随机频闪、闪烁频闪及本领域已知的其他频闪方式。在别的实施例中，可以凭借附加的主频闪通道和相关的微距镜头来协调控制区的整体同步。

尽管已经参照有限数量的实施例对本发明进行了描述，然而从本发明中受益的本领域技术人员将会意识到，可以设计出不脱离这里描述的本发明的范围的其他实施例。本发明已经被详细地描述，应当理解的是，可以对本发明作出各种更改、替换和改变而不脱离其实质和范围。

Claims (1)

1.一种照明设备，包括：

产生定向光束的LED模块的阵列；

第一小透镜阵列；

第二小透镜阵列，所述第二小透镜阵列与能够沿着所述光束移动的第一多单元百叶窗遮光板阵列连接；

第二多单元百叶窗遮光板阵列，其中每个单元的大小足以包含由第一百叶窗遮光板的多个单元所界定的区域。

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