CN107432069A

CN107432069A - 用于产生表示目标自然光的光的系统和方法

Info

Publication number: CN107432069A
Application number: CN201680014324.8A
Authority: CN
Inventors: G.杜普拉斯; F.罗伊-莫伊桑
Original assignee: Graham Technologies
Current assignee: Graham Technologies
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: US20180014375A1; US10149364B2; CN107432069B; WO2016119063A1; CA2974997A1; CA2974997C

Abstract

本发明提供一种用于产生表示目标自然光的输出光束的照明系统和方法。所述照明系统包括每个发射具有各个光谱的光子束的多个固态光发射器。固态光发射器的各个光谱共同地覆盖自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量。所述照明系统还包括将光子束组合成输出光束的组合组件。控制模块控制来自每个固态光发射器的光子束的强度，使得输出光束的所得组合光谱曲线表示目标自然光在可见部分上的自然光谱曲线。

Description

用于产生表示目标自然光的光的系统和方法

技术领域

技术领域通常涉及光源，更具体地，涉及一种用于产生输出光束的系统和方法，所述输出光束具有表示可见光谱上的目标自然光的光谱曲线(spectral profile)，所述可见光谱排除诸如红外和紫外分量的不期望波长。

背景技术

开发用于照明空间、表面和物体的灯单元使用不同的材料、设计并适用于多种照明目的。大部分这种灯单元现在通常已知为采用发光二极管(“LED”)技术来替代传统的白炽照明和/或荧光照明，用以提供产生具有相对高的彩色再现指数(“CRI”)的白光，使得由灯光照明的空间、表面和物体好像是由自然界阳光照明的一样。光源呈现物体颜色的能力是通过使用CRI来测量，CRI提供了光源如何使物体的颜色出现在人类的眼睛上以及色调的微妙变化如何显现的度量。在需要准确的色彩再现(rendition)的应用中，诸如例如零售照明、博物馆照明和艺术品照明，通常非常需要至少为80的高CRI。

目前市场上可用的照明技术(例如，卤素或荧光)由于高的操作温度使得用于发光的化学物质趋于退化，其具有在其寿命期间偏移的不稳定的频谱输出，，从而降低这些光源的CRI。因此，由于其长的操作平均寿命预期和高的光效率，白色LED越来越多的被用来替换传统的荧光灯、紧凑型荧光灯和白炽光源。然而，与白色LED相关的缺点之一涉及其具有诸如紫外(“UV”)和红外(“IR”)波长的不理想的波长的频谱输出。使用滤波器来消除这些不理想UV和IR波长允许可见光通过，同时降低不想要的波长的强度。然而，采用滤波器也显著地降低可见光的强度，并且UV和IR波长仍可能不能被完全衰减。

白色LED的另一个缺点涉及由白色LED引起的光谱中的尖峰，其降低CRI的品质。例如，美国专利号为8592748B2，授权给Gall等人，题目为“Method and arrangement forsimulation of high-quality daylight spectra(用于模拟高品质日光谱的方法和装置)”的专利公开了一种方法和多光谱色彩协调系统，其使用以组布置的LED模拟高品质日光谱，每组在日光谱内发出不同波长的光。由白色LED发出的光的波长在谱功率分布曲线中产生尖峰，该曲线包括在不表示自然光的555至590nm的光谱范围内的大部分黄绿色至黄色光。

虽然可以采用红-蓝-绿(“RGB”)彩色的LED组合来产生白光而不使用白色LED，但是这样的LED组合在380nm至780nm之间的波长范围之间不提供均匀的光谱系列(progression)来适当地模拟自然光。由于彩色的发光二极管只在特定的波长光产生光，分量LED的谱功率分布相对窄，因此发生可查觉的色偏。

因此，需要一种在不使用白色LED和没有不理想UV和IR波长的情况下用于创建具有高CRI或高色彩品质范围(“CQS”)的自然日光光谱的系统和方法。

发明内容

根据一个方面，提供一种照明系统，用于产生表示具有自然光谱曲线的目标自然光的输出光束。所述照明系统包括：

多个固态光发射器，其各自发出具有各个光谱的光子束，所述固态光发射器的各个光谱共同地覆盖自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量；

组合组件，将来自所述固态光发射器的光子束组合成输出光束，使得所述输出光束具有由多个固态光发射器的各个光谱的组合定义的组合光谱曲线；以及

控制模块，配置用来控制来自每个固态光发射器的光子束的强度，使得输出光束的所述组合光谱曲线表示目标自然光在所述可见部分上的自然光谱曲线。

所述固态光发射器可以是发光二极管。

在一些实施例中，控制模块包括配置用来控制固态光发射器的驱动参数的控制器，并且进一步包括与控制器通信并存储驱动参数的存储器。

控制模块可以包括多个发射器驱动器，每个发射器驱动器与固态光发射器的相应一个相关联。

在一些实施例中，控制模块根据脉宽调制方案控制固态光发射器。

组合组件可以包括支撑结构，固态光发射器被安装在该支撑结构上。光发射器可以优选地安装在支撑结构上，使得光子束朝向漫射平面发射。组合组件优选地进一步包括沿着漫射平面延伸的漫射器，所述漫射器将光子束组合到所述输出光束。

多个固态光发射器可以包括10到20个之间所述光发射器。多个固态光发射器可以只包括由彩色光发射器，或者可以包括多个彩色光发射器和至少一个白色光发射器。

组合光谱曲线例如跨越在约350到750nm之间延伸的波长范围，或者跨越在约400到700nm之间延伸的波长范围。

控制模块可以配置为根据每组提供表示不同自然光的组合光谱曲线的多组相对强度值来控制光子束的强度。

根据一个方面，也提供了一种用于产生表示具有自然光谱曲线的目标自然光的输出光束的方法，所述方法包括：

(a)提供多个固态光发射器，其各自发出具有各个光谱的光子束，固态光发射器的各个光谱共同地覆盖自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量；

(b)将来自所述固态光发射器的光子束组合成输出光束，使得所述输出光束具有由多个固态光发射器的各个光谱的组合定义的组合光谱曲线；以及

(c)控制来自每个固态光发射器的光子束的强度，使得输出光束的所述组合光谱曲线表示目标自然光在所述可见部分上的自然光谱曲线。

在一些实施方式中，控制固态光发射器可以根据脉宽调制方案来执行。

光子束组合可以包括：

使光子束朝向漫射平面发射；并且通过使用沿着漫射平面延伸的漫射器将子束混合到所述输出光束。

多个固态光发射器可以包括10到20个之间所述光发射器。多个固态光发射器可以只包括彩色光发射器，或者可以包括多个彩色光发射器和至少一个白色光发射器。

组合光谱曲线例如跨越在约350到750nm之间延伸的波长范围，或者跨越在约400到7700nm之间延伸的波长范围。

在一些方法的实施方式中，根据每组提供表示不同自然光的组合光谱曲线的多组相对强度值来控制光子束的强度。

根据某些实施方式，提供一种用于产生包括多个固态发射器的目标自然光的照明系统，所述多个固态发射器每个可控的用于发射具有各个光谱的光。多个固态光发射器的各个光谱的组合定义了表示目标自然光的光谱分布，并且跨越排除红外和紫外分量的光谱范围。该系统还包括用于分别控制由每个固态光发射器发射的光的强度的控制器，使得多个固态光发射器的各个光谱的组合具有表示目标自然光的光谱分布。

在一些变形中，照明系统排除用于阻碍红外和紫外分量的滤波器。

表示目标自然光的光谱分布可以包括从约400nm至约700nm的光谱范围的波长。

目标自然光可以匹配D65日光光谱分布标准。

照明系统可以包括或排除白色固态光发射器。

上述照明系统可以例如用于艺术品的照明或用于一个或多个植物的照明。

在一些实施例中，照明系统可以进一步包括连接到固态光发射器的多个驱动器，用于产生具有可调占空比的多个PWM信号和用于驱动固态光发射器的频率，其中由每个固态光发射器发射的光的强度与PWM信号成比例。

根据一些实施方式，可以提供产生目标自然光的方法，包括以下步骤：

-提供多个固态光发射器，所述多个固态发射器每个独立地可控的用于发射具有各个光谱的光，各个光谱跨越排除红外和紫外分量的光谱范围；

-分别控制由每个固态光发射器发射的光的强度，使得多个固态光发射器的各个光谱的组合具有表示目标自然光的光谱分布；并且

-组合多个固态光发射器的各个光谱。

在一些变形中，分别控制由每个固态光发射器发射的光的强度的步骤可以包括随时间改变强度，来产生表示匹配季节性自然光循环的目标自然光的随时间变化的光谱分布。

随时间改变强度的步骤可以以比季节性自然光循环更大的速率变化。

随时间改变强度的步骤可以改变来匹配季节性自然光循环的一部分。

提供具有PWM信号的固态光发射器的步骤可以包括可调占空比和频率，其中由每个固态光发射器发射的光的强度与PWM信号成比例。

本发明的其他特征和优势将会通过结合附图阅读其实施例得到更好的理解。

附图说明

图1是根据实施例的照明系统的示意图表示。

图2是示出根据一个实施例的在没有任何白色发射器的情况下由照明系统的光发射器产生的光子束的各个光谱的曲线图。

图3是比较根据一个实施例的输出光束的组合光谱曲线与D65标准的曲线图。

图4是比较根据一个实施例的输出光束的组合光谱曲线与色温为4021K的自然光的获取光谱的曲线图。

图5是比较根据一个实施例的输出光束的组合光谱曲线与色温为5726K的自然光的获取光谱的曲线图。

图6是比较根据一个实施例的输出光束的组合光谱曲线与代表北欧光的色温为19969K的自然光的获取光谱的曲线图。

图7是示出由根据一个实施例的照明系统的一组18个彩色光发射器和1个白色光发射器产生的光子束的各个光谱的曲线图，相对强度配置为在约为4000K的色温下提供自然光，以及与在相同色温下自然光的获取光谱相比的子光束的组合的组合光谱曲线。

图8是示出由根据一个实施例的照明系统的一组18个彩色光发射器和1个白色光发射器产生的光子束的各个光谱的曲线图，相对强度被配置为在约为5700K的色温下提供自然光，以及与在相同色温下自然光的获取光谱相比的子光束的组合的组合光谱曲线。

图9是示出由根据一个实施例的照明系统的一组18个彩色光发射器和1个白色光发射器产生的光子束的各个光谱的曲线图，相对强度被配置为在约为6500K的色温下提供自然光，以及与在相同色温下自然光的获取光谱相比的子光束的组合的组合光谱曲线。

具体实施方式

根据一个方面，本说明书涉及一种用于产生表示目标自然光的输出光束的照明系统。

本领域“自然光”的表述被理解为具有与太阳到达地球的光相似的光谱特征的光。这种光具有自然光谱曲线，定义为光强度随波长变化的函数。如本领域技术人员所知，来自太阳的光的光谱曲线可以根据若干因素而变化，诸如一天的时间、一年中的一段时间或地理位置。

本领域已知有几种标准为自然光提供光谱参考。例如，国际照明委员会(以下简称“CIE”)已经建立了表示不同条件下的自然光的明确定义的“D”系列日光照明标准。一个众所周知的标准是CIE照明D65，其代表北/西欧中午的太阳。用于日光的CIE照明标准的其他示例包括D50、D55、D75照明标准。

来自太阳的光包括覆盖从紫外到红外光的宽光谱范围的波长。因此，照明标准也延伸超过相同的范围。例如，D65照明标准从300nm延伸到830nm。

对于一些应用，可能是有利的是提供尽可能接近光谱的可见部分中的太阳光的照明，使得所提供的照明在美学上让人联想到在室外，同时排除不理想的红外和紫外范围的波长。根据本发明的各种实施例，由照明系统产生的表示目标自然光的输出光束可以因此跨越排除红外和紫外分量的光谱范围，例如，只限于可见光。例如，紫外线(UV)或红外线(IR)范围中的光可能会损害艺术品或其他可能遭受暴露于这种光线的降解的物体。根据实施例的照明系统因此可以在展示厅、展览厅和房间、珠宝展示、服装零售商、照相中心、照相照明、电影和电影照明、医疗、牙科、医疗手术室的环境下以及其他需要自然照明的应用中使用。或者，照明系统适用于希望自然照明排除可能会损害被照射的表面或物体的UV和IR波长的地方，例如，在农业以及农业应用中的植物以及需要日光光谱的其他工业。

本领域的一个技术人员将可以很容易地理解，可见光范围与紫外和红外范围之间的限度可以根据所考虑的定义而变化。例如，本领域的几个参考定义可见光谱范围在400nm到700nm的波长范围之间延伸，紫外范围在10nm到400nm之间延伸，并且红外范围在720nm到1mm之间。但是这种惯例只以示例的形式给出，并且可以在不同的环境下考虑不同的波长范围作为目标自然光(例如，定义可见光在380nm到700nm之间的光谱范围)。

参考图1，根据一个实施例示意性地示出了照明系统10。

照明系统10包括多个固态光发射器14，设计用来各自发射具有各个光谱的光子束16。

“固态光发射器”的表述在此被理解为指任何固态光发射器件，并且可以包括发光二极管(LED)、有机发光二极管和/或其他半导体光发射器件或灯，通过在可能包括硅、碳化硅、氮化镓和/或其他半导体材料的发光层或区域中的电子载体(即电子和空穴)的复合产生光，其可以包括或排除诸如蓝宝石、硅、碳化硅和/或其他微电子衬底的衬底。

固态光发射器14的各个光谱共同地覆盖自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量。每个固态光发射器14可以然后发射彩色的光，包括蓝色、青色和/或绿色以及红和/或琥珀色等。值得注意，尽管在一些实施方式中每个固态光发射器14发射彩色的光，但是也可以包括一个或多个发射白色光的固态光发射器。

在一些实施方式中，可以用中心波长和光谱范围选择每个固态发射器14的各个光谱，使得其部分重叠，并且优选地至少以最大半峰全宽(FWHM)或更高重叠，具有光谱相邻的各个光谱。“FWHM”的表述在本领域被理解为意味着函数的程度，由因变量等于其最大值的一半的自变量的两个极值之间的差给出。在一个示例中，上述条件可以通过示例性地选择的固态光发射器14来实现，所述固态光发射器14具有与彼此的中心波长相差至多15nm的差异，平均FWHM约为30nm。如果选择具有较宽光谱的固态光发射器14，那么与中心波长之间的这种差异可能更大。

在一个实施例中，照明系统10中包括15个固态光发射器14₁、14₂，…，14₁₅。在这样的变形中，固态光发射器的各个光谱可以例如具有如下所述的范围内的中心波长：

参考图2，示出了根据一个实施例由多个固态光发射器提供的光子束的各个光谱20_i。在有插图的变形中，展示了每个都有确切的颜色的十个光子束，并且不包括白色光发射器。正如所看到的，不同的光发射器具有部分重叠的光谱，使得所有这些光谱的叠加覆盖整个可见光范围，但是排除红外和紫外波长。很容易理解，在本文中的术语“排除”并不意味着在UV和IR范围内的零光强度的精确值，而是这些范围内的任意光分量相对于可见光范围的光部分足够弱以至于可以忽略，和/或UV和IR分量太小而不能对照明系统的目标应用中的照明物体产生显著的损害。

如图1和图2所示，已经提供了14个固态光发射器14作为照明系统10的一部分，但是可以根据照明系统10的设计和照明需求提供用于产生相等数量的各个光谱20_n的或多或少的固态光发射器14_n。当组合的示例性地跨越360纳米(nm)至750nm之间的波长光谱范围时，每个固态光发射器14可以发射具有各自固态光发射器14₁至14₁₄的各个光谱20₁至20₁₄的光子数16。

返回参考图1，照明系统进一步包括将来自固态光发射器14_i的光子束16_i组合到输出光束12的组合组件17。组合组件17配置为使得所得到(resulting)的输出光束12具有由多个固态光发射器14_i的各个光谱的组合定义的组合光谱曲线。组合组件可以包括协作来适当地将光子束16_i混合到一起的机械组件和/或光学组件的任意一个或组合。在一个实施方式中，诸如图1所示，组合组件可以包括安装固态光发射器14_i的支撑结构40，并且优选地安置使得子束16_i朝向漫射平面19发射。组合组件17进一步包括沿着漫射平面19延伸的漫射器18。作为本领域的一个技术人员可以很容易理解，漫射器18可以由将子束的光组合到输出光束12的任意光学组件或组件的组合来实现。漫射器可以例如通过喷砂玻璃或塑料或其他类型的光混合光学器件来实现。漫射器可以定向或导向的用输出光束12照射物体或表面。

在一些变形中，例如如果要被照射的物体或表面距离照明系统10足够远，那么组合组件可以忽略分量以将来自各个固态14的光混合在一起，并且将光子束16只导向相同的光路径。在一个示例中，由每个固态光发射器发射的光可以由成角度的反射器导向(未示出)。并且，尽管本文描述的照明系统10消除了使用滤波器来限制光通带以去除IR和UV分量的必要性，但是固态光发射器14或漫射器或混合光学器件18上的滤波器或涂层(未示出)可以被提供用于这样的目的，或用于产生不同的光谱。

仍然参考图1，照明系统10进一步包括配置用来控制来自每个固态光发射器14_i的光子束16_i的强度的控制模块25，使得输出光束12的组合光谱曲线表示目标自然光在可见部分的自然光谱曲线。

控制模块25可以由适于执行固态光发射器14_i的各个强度的控制的设备、硬件、软件、电路、处理器和其他组件中的任一个或组合来实现。在所示的实施方式中，控制模块首先包括控制器24。控制器24可以示例性地是处理器或微控制器，例如ATmega328、Intel8051、PIC、、Texas Instruments MSP430、或ARM处理器。控制器24优选地配置为控制固态发射器14的驱动参数。控制模块25可以例如包括多个从控制器24接收驱动参数作为信号的发射器驱动器26_i。每个发射器驱动器26i与相应的固态光发射器14i中的一个相关联，并且提供电流以使相应的固态光发射器14产生或输出光子束16。

例如，每个固态光发射器14₁至14₁₄分别由各自的驱动器26₁至26₁₄驱动，驱动器26₁至26₁₄可被缩放为第n个固态光发射器14_n的第n个驱动器26_n。如本领域通常已知的，固态光发射器14诸如LED，当LED的驱动电流流过半导体二极管的p-n结(未示出)时就会产生或输出光。在一个变形中，控制模块根据脉冲宽度调制(PWM)方案来控制固态发射器，脉冲宽度调制方案是用于控制通过LED的驱动电流以获得理想的强度和/或颜色混合的已知的方法。PWM方案交替地将LED脉冲激励到完全电流“ON”状态，然后是零电流“OFF”状态。根据给出的指令，通过控制占空比(0-100％)的变化，由LED发射的平均光功率按比例地增加或减少。LED的强度和温度可以然后由控制器24发出到多个发射器驱动器26的PWM信号来控制。由每个固态光发射器14发射的光子束16的各个光谱20₁至20₁₄的强度，或者本例的上下文中的LED，可以基于不同的工作温度和不同的PWM值。此外，控制器24可以示例性地配置用来通过使用一个或多个控制方案来控制流经固态光发射器14的电流。例如，为了在照明系统10的调光功能期间保持照明系统的总光输出，控制器24可以使用内置的数学方程和固态光发射器参数数据库(未示出)来调节电流到固态光发光器14，以单独和成比例地控制固态光发射器14的强度，参数数据库包括诸如LED功效、强度-温度关系、颜色转变-温度关系、八个CCT四边形等信息。

仍然参考图1，在照明系统10的操作中，信号从控制器24发送到发射器驱动器26。每个发射器驱动器26然后将它自己的PWM电流脉冲发送到与其相关联的固态光发射器14。可以根据来自控制器24的控制信号，独立地对各固体光发射器施加特定的驱动电流，来分别调整所得到的输出光子束16的照明强度。因此，可以调整每个固态光发射器14的强度以使固态光发射器14高或低以产生输出光束12。控制器24可以分别控制从每个发射器驱动器26到各自的固态光发射器14的多个驱动信号，使得所得到的输出光束的组合光谱曲线表示所述可见部分上的目标自然光的自然光谱曲线。此外，由于每个光谱20可以由控制器24更加精确地控制，所以能够节省能量。根据本发明的一个实施例，PWM信号的频率也可以在100Hz至10kHz之间的范围内调节，用于实现例如调光的照明功能。可以使用高PWM频率(例如，在150Hz和1kHz之间)使得固态光发射器14的开和关闪烁通常对于肉眼是不可察觉的。

如上文所提到的，来自每个固态光发射器14i的光子束16i的强度由控制模块25控制，使得输出光束12的组合光谱曲线表示可见部分上的目标自然光的自然光谱曲线。

很容易理解，可以根据照明系统的预期用途用各种方式来确定或选择目标自然光的自然光谱曲线。在一些实施例中，自然光谱曲线可以匹配诸如来自CIE的D65标准的日光光谱分布标准。其他感兴趣标准可以包括D50、D55和D75标准以及A、B、C或D标准。很容易理解这些标准是为了在一年的特定一天的特定时间表示地球上特定位置的自然光。众所周知，自然光的光谱根据季节、一天的时间和物理位置而变化。因此，在替代实施例中，可以根据任意期望的自然光输出来选择目标自然光的自然光谱曲线。这可以例如通过获取感兴趣的位置、时间和季节的户外环境光的光谱并使用收集到的信息作为目标光来实现。

正如本领域已知的，自然光谱曲线可以与给定的色温(开尔文度)相关联。维基百科定义了光源的色温是理想黑体辐射器的温度，其辐射出与该光源相似的色调的光。根据色温表征太阳光通常被认为是有效的近似值，因为太阳被认为接近理想的黑体辐射器。D65标准的色温约为6500K。

在一些实施例中，目标自然光可以是夜间光，例如代表星光和/或从月球反射的光。

参考图3，示出了实施例的一个示例，其中固态光发射器14可以发射具有模拟D65标准的强度的光子束16，但是在光谱范围内受限于波长范围在380nm至750nm之间的组合光谱曲线22，从而排除红外(IR)和紫外(UV)波长。在这个图中的组合光谱曲线由来自14个彩色光发射器和1个白色光发射器的各个光子束的组合产生。

正如从图3和本文其他可比的光谱可以观察到，输出光束的组合光谱曲线22不需要为了被认为“表示”相同，而与可见部分上的目标自然光的自然光谱曲线精确匹配。在一些实施例中，为了使眼睛感知白色相同的“颜色”和“形状”而再现自然光谱曲线的一般形状已经足够。眼睛感知因个体而异。在一些实施例中，如果两个光谱曲线在5％误差范围内的可见部分上匹配，那么输出光束的组合光谱曲线可以被认为表示目标自然光的自然光谱曲线。

照明系统10的实施方式允许根据设计者的需要和目标自然光的期望应用对组合光谱曲线22进行修整。例如，可以调整照明系统10，使得组合光谱曲线22符合博物馆照明保护标准，并且不存在劣化剂，例如低于400nm的UV光谱和高于750nm及更高的IR光谱，其由照明系统10产生。即，在没有有害的UV和IR分量的情况下，可以调整照明系统10来产生自然日光。或者，照明系统10的实施例可以用来模拟重新定义UV和IR波长限制的任意标准的表示。例如，如果UV波长被定义为420nm及以下，并且IR波长被定义为700nm及以上，则根据这样的标准，照明系统10可以通过降低固态光发射器14₁和14₁₄的强度生成不包括或者包括这种波长的组合光谱曲线22，可以相应地减少在这种波长附近的输出光子束16的强度。

仍然参考图1，在一个实施方式中，照明系统10能够有效并且精确地重现由CIE标准照明D65定义的自然光，诸如白光，正如本领域众所周知，并且已经在图3中示出。由于固态光发射器14的强度可单独控制，所以可调整从同一组发光器获得的组合光谱曲线22以匹配不同的目标光，例如标准A、B、C、D。可以调整不同光子束的相对强度和/或可以添加和移除从380nm到800nm的不同波长，例如通过如上所述控制固态光发射器14的强度来激发或解除激发固态光发射器14，以符合任何期望的标准或特定的需求。由一些实施例的照明系统10提供的控制产生具有完全可调的光谱的所得(resultant)输出光束12，从而提供可调CRI和可调CQS。可以将所得输出光束12调谐为具有均匀的光谱系列。

在一些实施例中，照明系统可以配置为再现表示一天的不同时间的目标自然光。在一些实施方式中，可以提供给定操作周期的过程中自然光谱曲线的系列。在一个示例中，照明系统可以配置用来在一天的过程中充分地模拟自然光的系列，与实际的户外光同步。正如上述解释的，这可以通过改变不同光子束的相对强度实现。图7至9示出了这个概念。这些图示出了在色温约为4000K(表示清晨光)、5700K(上午)和6500K(接近中午)下的一组19个发光器的相对强度，以及与目标自然光的自然光谱曲线对比的输出光束的所得组合光谱曲线。

仍然参考图1，控制模块25可以包括与控制器24通信并存储驱动参数的存储器30。控制器24可以与一个或多个存储介质连接，包括存储器30，存储器可以包括例如诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM闪存之类的易失性和非易失性计算机存储器。值得注意的，虽然可以提供存储器30来存储各种驱动参数和其他控制器24设置，诸如内置的数学方程和允许照明系统10可调谐的固态光发射器参数数据库(未示出)，但是控制器24可以可选的被设置为驱动固态光发射器14以仅生成单个组合光谱曲线22，而不需要存储器30。在替代实施例中，驱动器26固定为驱动固态光发射器14以产生单个组合光谱曲线22，并且不需要控制器24。存储器30可以示例性地用一个或多个软件程序编码，当在控制器24上执行时，执行本文讨论的功能中的至少一些功能。存储器30可以永久地连接到控制器24或可以是可移动或可运输的，使得存储在其上的更多程序可以由控制器24执行，以便控制各种组合光谱曲线22。值得注意的是，术语“程序”或“计算机程序”在一般意义上指可用于编程一个或多个控制器24的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。

仍然参考图1，控制模块25还可以包括通信接口32，以允许存储器30或控制器24经由一个或多个通信协议进行外部编程，例如使用通用串行总线(USB)、内部集成电路(I2C)、火线、以太网、Wi-Fi、ZigBee或蓝牙协议。存储器30或控制器24的编程可以例如经由通信接口32在照明系统10上本地执行，或通过有线或无线提供远程连接远程执行。

仍然参考图1，控制模块25还可以包括从AC或DC输入36接收电的电源34，并向形成控制模块25的相关组件提供额定电压。向控制器24发送用户控制信号的用户接口38也可以包括在控制模块25中。例如，用户接口38可以包括调光器开关，其将调光信号发送到控制器24，控制器24进而计算来自每个固态发光器14发射所需的流明比例，使得组合的光谱曲线22保持代表目标自然光。控制器24还可以计算由实现目标CCT和CRI所需的驱动器26提供的固态光发射器14和电流的最小数量，同时使流明输出最大化，以便增强如由程序说明的照明效率。

仍然参考图1，控制模块25和/或固态光发射14可以布置在印刷电路板(“PCB”)上，并且被包括在塑料或金属外壳中(均未示出)。驱动器26也可布置在与固态光发射器14相同的PCB上，或者集成在单独的板或芯片上。固态光发射器14可以分开分类并安排在支撑结构40上，支撑结构40可以包括用于散发由固态光发射器14产生的热量的散热器(未示出)。例如，固态光发射器14根据要照明的照明设计和表面积分类为线或圆形或矩形图案。作为另一示例，照明系统10可以在灯具中实现，诸如在集群和/或其他布置中分组在安装板(未示出)上的固态光发射器14的凹入式照明，使得灯具在表面或物体上输出所需的指向光图案。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生表示具有自然光谱曲线的目标自然光的输出光束的方法。该方法包括提供多个固态光发射器，每个固态光发射器发射具有各个光谱的光子束。固态光发射器的各个光谱共同地覆盖自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量。该方法还包括将来自固态光发射器的光子束组合成输出光束，使得输出光束具有由多个固态发射器的各个光谱的组合定义的组合光谱曲线。最后，该方法包括控制来自每个固态光发射器的光子束的强度，使得输出光束的组合光谱曲线代表可见部分上的自然光谱曲线。

仍然参考图1，根据一个实施例，控制器24可以通过随时间改变其光输出强度来控制固态发光体14的强度，以产生代表与季节性自然光循环匹配的目标自然光的输出光谱曲线22。值得注意的是，术语“季节性自然光循环”通常是指太阳在季节过程中发出的光强度和颜色的变化，也可能包括一天中阳光持续时间的变化，这是每年地球绕着太阳旋转和地球旋转轴相对于轨道平面倾斜的结果。例如，可以改变由固态光发射器14发射的光子束16的强度，以产生表示给定时间段例如一年的夏季、春季、秋季和冬季期间的阳光的组合光谱曲线22。或者，该方法可以包括以大于季节性自然光循环的速率随时间改变由固态光发射器14发射的光子束16的强度。例如，与12个月的自然周期相比，可以改变强度，使得组合的光谱曲线22代表夏季、春季、秋季和冬季的较短周期(例如四个月)的阳光。或者，该方法可以包括随时间改变由固态光发射器14发射的光子束16的强度，以匹配季节性自然光循环的一部分。例如，可以改变由固态光发射器14发射的光子束16的强度，使得组合的光谱曲线22表示仅在春季、夏季和秋季期间的阳光，或上述其他部分或组合。例如，可以改变由固态光发射器14发射的光子束16的强度，使得组合的光谱曲线22代表在仅春季的一个月、夏季的两个月，然后春季的一个月和夏季的另外两个月的重复的基础上的阳光。虽然本说明书参考了季节性自然光循环的变化，但是可能有其他循环或子循环变化，诸如日光循环的变化、日光循环在较短时间段内的变化或日光循环特定部分的变化。

用于产生目标自然光的方法还可以包括向固态光发射器14提供具有可调占空比和频率的PWM信号的步骤，以驱动固态光发射器14发射与PWM信号成比例的强度的光。

尽管已经结合优选的实施例描述了本发明，但是，应当理解，并无意在将本发明限制于如此描述的实施例。相反，意在涵盖包括在本说明书、附图和所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有的替代、修改和等同物。因此，权利要求的范围不受示例中展示的优选的实施例的限制，而应该给出与整体描述一致的最广泛的解释。

Claims

1.一种用于产生表示具有自然光谱曲线的目标自然光的输出光束的照明系统，所述照明系统包括：

多个固态光发射器，每个发出具有各个光谱的光子束，所述固态光发射器的所述各个光谱共同地覆盖所述自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量；

组合组件，将来自所述固态光发射器的所述光子束组合所述成输出光束，使得所述输出光束具有由所述多个固态光发射器的所述各个光谱的组合定义的组合光谱曲线；以及

控制模块，配置用来控制来自每个所述固态光发射器的所述光子束的强度，使得所述输出光束的所述组合光谱曲线表示所述目标自然光在所述可见部分上的所述自然光谱曲线。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述固态发光器是发光二极管。

3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中，所述控制模块包括配置用来控制所述固态光发射器的驱动参数的控制器。

4.根据权利要求3所述的照明系统，其中，所述控制模块还包括与所述控制器通信并存储所述驱动参数的存储器。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的照明系统，其中，所述控制模块包括多个发射器驱动器，每个发射器驱动器与所述固态光发射器的相应一个相关联。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的照明系统，其中，所述控制模块根据脉宽调制方案控制所述固态光发射器。

7.根据权利要求1至5的任一项所述的照明系统，其中，所述组合组件包括在其上安装所述固态光发射器的支撑结构。

8.根据权利要求8所述的照明系统，其中：

-光发射器安装在支撑结构上，使得所述光子束朝向漫射平面发射；以及

-所述组合组件还包括沿着所述漫射平面延伸的漫射器，所述漫射器将所述光子束组合到所述输出光束。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的照明系统，其中，所述多个固态光发射器包括12到20个之间的所述光发射器。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的照明系统，其中，所述多个固态光发射器包括彩色光发射器。

11.根据权利要求1至9的任一项所述的照明系统，其中，所述多个固态光发射器包括多个彩色光发射器和至少一个白色光发射器。

12.根据权利要求1至11的任一项所述的照明系统，其中，所述组合光谱曲线跨越在约350到750nm之间延伸的波长范围。

13.根据权利要求1至11的任一项所述的照明系统，其中，所述组合光谱曲线跨越在约400到700nm之间延伸的波长范围。

14.根据权利要求1至13的任一项所述的照明系统，其中，所述控制模块配置为根据每组提供表示不同自然光的组合光谱曲线的多组相对强度值，控制所述光子束的强度。

15.一种用于产生表示具有自然光谱曲线的目标自然光的输出光束的方法，所述方法包括：

a)提供多个固态光发射器，每个发出具有各个光谱的光子束，所述固态光发射器的所述各个光谱共同地覆盖所述自然光谱曲线的可见部分，并且排除红外和紫外分量；

b)将来自所述固态光发射器的所述光子束组合成所述输出光束，使得所述输出光束具有由所述多个固态光发射器的所述各个光谱的组合定义的组合光谱曲线；以及

c)控制来自每个所述固态光发射器的所述光子束的强度，使得所述输出光束的所述组合光谱曲线表示在所述可见部分上的所述自然光谱曲线。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，根据脉宽调制方案来执行所述固态光发射器的控制。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述光子束的组合包括：

-使所述光子束朝向漫射平面发射；并且

-使用沿着所述漫射平面延伸的漫射器将所述光子束混合到所述输出光束。

18.根据权利要求15至17的任一项所述的方法，其中，所述多个固态光发射器包括10到20个之间的所述光发射器。

19.根据权利要求15至18的任一项所述的方法，其中，所述组合光谱曲线跨越在约350到750nm之间延伸的波长范围。

20.根据权利要求15至18的任一项所述的方法，其中，所述组合光谱曲线跨越在约400到700nm之间延伸的波长范围。

21.根据权利要求15至20的任一项所述的方法，其中，根据每组提供表示不同自然光的组合光谱曲线的多组相对强度值，控制所述光子束的强度。

22.根据权利要求15至21的任一项所述的方法，其中，所述多个固态光发射器包括彩色光发射器。

23.根据权利要求15至21的任一项所述的方法，其中，所述多个固态光发射器包括多个彩色光发射器和至少一个白色光发射器。