CN107709869B - 具有可定制的光束形状、光束颜色和颜色均一性的led射灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包括照明设备(100)的照明单元(1000)，其中照明设备(100)包括：被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中照明设备(100)包括窗口(30)，窗口(30)包括下游面(32)和指向光源(10)的上游面(31)，其中照明单元(1000)还包括光束修改器(200)，光束修改器(200)被配置为邻近于窗口(30)并且被配置为拦截上述照明设备光束(101)的至少一部分，其中照明设备(100)和光束修改器(200)被配置为修改上述照明设备光束(101)，以在上述光束修改器(200)的下游提供照明单元光束(1001)，其中光束修改器(200)包括打印的光束修改元件(210)。

Description

具有可定制的光束形状、光束颜色和颜色均一性的LED射灯
技术领域
本发明涉及包括照明设备和光束修改器的照明单元以及成套部件。本发明还涉及制造这种照明单元的方法。
背景技术
修改光束特性的愿望是本领域已知的。例如，US2013058099描述了被配置为输出具有用户可修改的光束特性的光的照明源，该照明源包括：LED灯单元，用于响应于输出驱动电压而提供光输出；驱动模块，用于接收输入驱动电压，以用于向LED灯单元提供输出驱动电压；散热器，耦合到LED灯单元，以用于耗散由LED灯单元和驱动模块产生的热量；耦合到散热器的反射体，用于接收光输出，以用于输出具有第一光束特性的光束；以及耦合到散热器的透镜，用于接收具有第一光束特性的光束并且用于输出具有第二光束特性的光束，其中透镜由用户选择来实现第二光束特性，并且其中透镜由用户耦合到散热器。
WO2014147505A1公开了具有打印的光束成形器的照明设备，打印的光束成形器被布置在耦合到光出射部分的光学掩膜处，使得由发光元件生成的光的第一部分和第二部分分别由光束成形器的至少部分光反射的部分反射，并且分别经由光束成形器的部分光透射的区域透射通过光束成型器。
发明内容
为了修改例如LED射灯的光束形状，可以例如使用光学板，光学板可以通过例如磁铁或弹簧搭锁(mechanical snap)被扣合到LED射灯。用于这种光学板的几个选择(如，透镜阵列、着色板和遮光栅格)可以修改光束宽度、光束形状和色温。基于透镜或遮光栅格的光束形状修改器的缺点在于，必须以传统的方式来设计和生产这样的修改器，即，需要相对长的提前期来设计针对定制光束形状的修改器。此外，创建更加锐利的光束截断的遮光栅格解决方案给产品增加了高度，而这在灯改型应用中并不总是可允许的。
因此，本发明的一个方面是提供替代性的照明设备，其优选地进一步至少部分地避免上述缺点中的一个或多个。此外，本发明的一个方面是提供期望在后期适配照明设备的光束性质的解决方案，该解决方案优选地进一步至少部分地避免上述缺点中的一个或多个。
在本文中，提出了基于光束成形光学元件(透镜、反射体、TIR(全内反射)透镜、菲涅耳透镜)的出口处的平坦掩膜的光束修改器，特别是用于LED射灯或点照明灯具的光束修改器。掩膜可以是不透明的(吸收或阻挡)、半透明的(透射时散射)或部分透明的、或者包含染料或波长转换材料(例如，磷光体)。尽管一般而言在出射窗口处的位置与来自光束成形光学元件的发射光的方向之间可能不存在严格的关系，但通常仍然可以区分主要对光束的边缘有贡献的某些区域。在技术方面：在理想的照明光学元件设计中，光学元件的整个区域在光束的主要方向上发射光(光学元件“完全闪光”)，因此所有位置均对峰值强度有贡献。光束的边缘不需要整个区域闪光，但通常情况并非如此。因此，通过阻挡或重新分配来自如从给定方位看到的闪光区域的光，可以影响光束的形状。当光出射窗口的不同部分发射不同的方向上的光时，本发明可以发挥最好的效果，但这不是严格要求的。因此，本发明对于诸如射灯、聚光灯、泛光照明器材、泛光照明(wall washing)、手电筒等之类的大多定向照明设备是特别相关的。
在第一方面中，本发明提供了包括照明设备的照明单元，其中照明设备包括被配置为提供光源光的光源以及被配置为将光源光成形为照明设备光束的光束成形光学元件，其中照明设备包括窗口，窗口包括下游面(照明设备光束被配置为(在不存在光束修改器(参见下文)的情况下)在远离光源的方向上从下游面发出)和指向光源的上游面，其中照明单元还包括光束修改器(“掩膜”)，光束修改器被配置为邻近于窗口并且被配置为拦截上述照明设备光束的至少一部分，特别地光束修改器被配置为邻近于下游面(并且被配置在窗口的下游)并且被配置为拦截在下游面的下游的上述照明设备光束的至少一部分，其中照明设备和光束修改器被配置为修改上述照明设备光束，以在上述光束修改器的下游提供照明单元光束，其中光束修改器包括打印的光束修改元件。特别地，光束修改元件被配置为偏振滤光器和/或光谱转换器，并且被配置为拦截上述照明设备光束的高达80％(例如，高达70％，例如在10％-50％的范围内)的横截面。特别地，拦截量是照明设备光束的横截面的至少10％。短语“拦截……高达80％的横截面”以及类似的短语特别指示这样的横截面的高达80％的面积被拦截。因此，(在使用期间)照明设备光束横截面的20％或更多未被拦截地通过，并且照明设备光束横截面的80％或更少(但是特别地至少10％)被(一个或多个)光束修改元件修改。
利用这样的照明设备和这样的光束修改器，可以提供具有例如适合于特定房间或空间的期望的光束性质的照明单元。因此，利用光束修改器，可以修改照明设备的照明设备光束的性质。此外，几乎不需要任何深度，因为光束修改器可以非常薄，例如在几毫米的范围。因此，特别地如此可以提供照明设备，或者可以提供具有光束修改器的照明设备。在前一实施例中，例如可以从处于其应用位置的照明设备来确定光束性质，然后针对特定应用位置中的照明设备确定期望的光束性质。基于此，可以针对处于特定应用位置处的特定照明设备来选择(例如，从光束修改器的库)或产生光束修改器。从而，提供本文所描述的照明单元。光束修改器在本文中也被指示为“掩膜”。因此，特别地，光束修改元件可以仅修改光束的一部分，以在后期将光束调节到期望的(照明单元)光束。小于5％(例如小于10％)的拦截量可能不(足以)引起期望的修改，而80％或更多的拦截量可以导致低效的照明单元。因此，特别地，拦截量在10％-80％的范围内，例如在10％-50％的范围内。看来，具有光学元件和窗口的照明设备(特别是具有光学扩展量不完全守恒的光学元件的照明设备)与具有在10％-80％范围内的拦截量的光束修改器的组合提供了灵活的后期适应((仅)通过打印，特别是3D打印)，从而维持了期望的光束特性并将不期望的光束特性(诸如在照明设备的(预期)应用位置被认为是不期望的)调节成更加期望的特性或减少这样的光束部分。
因此，在另一方面中，本发明还提供了成套部件，其包括：(i)照明设备，其中照明设备包括被配置为提供光源光的光源以及被配置为将光源光成形为照明设备光束的光束成形光学元件，其中照明设备包括窗口，窗口包括下游面(照明设备光束被配置为在远离光源的方向上从下游面发出)和指向光源的上游面；以及(ii)光束修改器，特别是多个不同的光束修改器，其中每个光束修改器包括打印的光束修改元件，并且其中每个光束修改器可以在功能上耦合到照明设备，以拦截在下游面的下游的上述照明设备光束的至少一部分，以修改上述照明设备光束。
利用这样的成套部件，照明设备可以在照明设备的特定应用位置处以这样的方式进行配置，使得可以利用照明设备和光束修改器获得期望的照明效果。例如，这样的成套部件可以包括两个或更多个光束修改器，例如四个或更多个光束修改器，例如在2-20个范围内的光束修改器。因此，特别地，光束修改器可以以可移除的方式被配置到照明设备。备选地或附加地，成套部件还可以包括两个或更多个窗口，其中可选地将光束修改器应用到窗户的面(或者甚至是窗户的两个面)。
除了掩膜本身之外，本发明还提供产生方法(用于产生光束修改器和/或照明单元)，产生方法在一个实施例中可以涉及：(a)从射灯或灯具的不同视点捕获闪光区域图像，(b)通过组合来自需要修改的方向的闪光区域图像来构造掩膜图案(例如，阻挡、散射、颜色过滤、颜色变化(参见下文)中的一个或多个)，以及(c)打印掩膜(直接在光学元件、透明帽或盖板上，或者作为单独的3D打印掩膜元件)。由于一个类型/形状的射灯的相当低的市场容量，通过3D打印/增材技术直接制作用于其的掩膜或模具，不仅对于少量高度定制的附加件非常有吸引力，而且对于常规附加件也非常有吸引力。在这种情况下，数字化制造允许方便快捷地调整附加件设计和生产。
因此，在又一实施例中，本发明还提供用于照明设备的后期适配的方法，其中照明设备包括被配置为提供光源光的光源以及被配置为将光源光成形为照明设备光束的光束成形光学元件，其中照明设备包括窗口，窗口包括下游面(照明设备光束被配置为在远离光源的方向上从下游面发出)和指向光源的上游面，其中该方法包括：(i)捕获从窗口发出的照明设备光束的光分布的图像；(ii)基于图像和针对期望光束的预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器，光束修改器被配置为修改上述照明设备光束，以提供期望的照明单元光束；(iii)(a)在窗口上打印光束修改元件，或(b)在支撑件上打印光束修改元件并将支撑件配置为邻近于窗口。特别地，光束修改元件被配置为拦截上述照明设备光束的高达80％的横截面。
利用这种方法，可以评估光束性质，特别是光分布，诸如根据相对于照明设备的位置而变化的光分布，并且照明设备的光束可以被修改成期望的形状，例如以用于泛光照明或者重点照明应用。光束修改器可以在(3D)打印机中心处被打印，或者甚至可以在家中利用(3D)打印机来打印。备选地，所限定的光束修改器可以例如经由互联网来订购。因此，在又一方面中，方法可以至少部分地经由例如用于智能手机或其他类型的安卓设备的应用程序等来实现。
因此，本发明还涉及计算机程序产品，其可选地在记录载体上被实现，计算机程序产品在计算机上运行时，执行以下方法：(a)接收从照明设备的窗口发出的照明设备光束的光分布的图像；(b)接收针对期望光束的限定；(c)基于图像和针对期望光束的预定义的限定，设计包括光束修改元件的光束修改器，光束修改器被配置为修改上述照明设备光束，以及(d)(i)在窗口上打印光束修改元件，或者(ii)在支撑件上打印光束修改元件，以将光束修改器(可选地具有支撑件)配置为邻近于窗口。上文提到的应用程序可以在包括相机的设备上运行，相机可以用于捕获用于在应用程序中使用的图像。
如上文所指示的，照明设备包括光源。在一个具体实施例中，光源包括固态LED光源(诸如，LED或激光二极管)。术语“光源”还可以涉及多个光源，诸如2-20个(固态)LED光源。因此，术语LED也可以指代多个LED。备选地或附加地，光源可以包括卤素型光源，但特别是包括LED光源(除其他外，由于基本不存在IR辐射)。特别地，照明设备被配置为提供白光。本文中的术语白光是本领域技术人员已知的。其特别地涉及如下的光，该光具有在约2000K与20000K之间(特别是2700K与20000K)的相关色温(CCT)，对于一般照明，相关色温特别地在约2700K与6500K的范围内，并且对于逆光目的，相关色温特别地在大约7000K与20000K的范围内，并且相关色温特别地在距BBL(黑体轨迹)约15SDCM(颜色匹配标准偏差)内，特别是在距BBL约10SDCM内，甚至更特别地在距BBL约5SDCM内。然而，照明设备也可以被配置为提供彩色光。此外，照明设备可以被配置为提供颜色可调的光。
此外，照明设备包括光束成形光学元件。特别地，光束成形光学元件包括透镜、TIR(全内反射)透镜、菲涅耳透镜、锥形光导和反射体中的一个或多个。因此，照明设备可以包括多个不同的光束成形光学元件。在一个具体的实施例中，照明设备至少包括反射体，特别是被配置为对光源光施加一些准直的反射体。特别地，照明设备可以包括至少部分地配置在反射体中的固态光源和卤素中的一个或多个。因此，在一个实施例中，照明设备包括射灯，其中光束成形光学元件包括至少部分地包围光源的反射体，并且其中光源特别地包括固态光源。在一个备选实施例中，照明设备可以包括TIR透镜和菲涅耳透镜中的一个或多个以及固态光源。
此外，也可以应用透镜。特别是在后一实施例中，光束成形光学元件可以至少部分地被并入窗口中。因此，在一个实施例中，窗口包括上述光束成形光学元件。特别地，光束成形光学元件包括非成像光学元件。光束成形光学元件被配置为将光源光成形为照明设备光束。因此，光源光的至少一部分(特别地基本上全部的光源光)通过光束成形光学元件被成形为照明设备光束。术语“光束成形光学元件”还可以指代多个不同的光束成形光学元件。
然而，特别地，窗口具有基本平坦的下游面。窗口包括透射材料，特别是透明材料，诸如可以包括从由以下项组成的组中选择的一个或多个材料：PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(树脂玻璃或有机玻璃)、乙酸丁酸纤维素(CAB)、硅酮、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)和COC(环烯烃共聚物)。特别地，材料可以包括芳族聚酯或其共聚物，例如，聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(P(M)MA)、聚乙交酯或聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚己二酸乙二醇酯(PEA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；特别地，材料可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。因此，材料特别地是聚合物材料。然而，在另一实施例中，材料可以包括无机材料。优选的无机材料从由以下项组成的组中选择：玻璃、(熔融)石英、透射陶瓷材料和硅酮。还可以应用包括无机和有机部分的混合材料。
光束修改元件可以具有一个或多个功能。例如，可以使照明设备光束在特定方向上更加对称，或者可以使其更加集中在特定的方向上。在不使用例如可能会增加相当的高度的遮光栅格的情况下，这是可以实现的。备选地或附加地，颜色均一性可以被调节(在特定的方向上)等。因此，特别地，光束修改器被配置为通过对照明设备光束进行偏振滤光和光谱转换中的一个或多个来修改照明设备光束。可选地，诸如在使用LED和反射体的情况下，这可能意味着光在窗口之上的重新分布。在本文中，术语“偏振滤光”意味着一个或多个类型的偏振选择性地不穿透光束修改器(或至少强度被减小)。本文中，术语“转换”或“光谱转换”是指吸收照明设备光中的至少一部分并将其转换成发光材料光。因此，转换器将包括发光材料。代替发光材料或者除了发光材料之外，颜料(pigment)或者染料可以被用于(仅)吸收照明设备光的一部分。因此，(也)可以使用颜料来调节照明设备光的光谱分布。然而，相对于照明设备的功效而言，与使用转换材料相比，如此使用颜料是不利的，即，在颜料的情况下，光被吸收并损失，而在转换材料的情况下，光被吸收并作为经转换的光被重新使用。
因此，打印可以例如包括打印染料或其他吸收剂材料、和/或发光材料。备选地或附加地，打印还可以包括3D打印。因此，在一个实施例中，光束修改器包括3D打印的光束修改元件。术语“光束修改元件”也可以指代多个光束修改元件。光束修改元件特别地仅被配置为拦截照明设备光的一部分。因此，尽管光束修改器可以完全拦截整个照明设备光束(例如，覆盖整个窗口)，但是特别地光束修改器仅有一部分包括上述光束修改元件。因此，照明设备光束的一部分可以基本上保持未被修改。例如，光束修改器可以在光束横截面的5％-80％(诸如10％-50％)的范围内进行修改。当例如光束修改器覆盖窗口时，窗口的仅5％-50％可以用光束修改元件来覆盖。因此，在实施例中，以(窗口的)下游面的10％-80％(面积)来配置光束修改元件。光束横截面特别地被定义为垂直于照明设备光束的光学轴线。
在一个具体实施例中，照明设备包括射灯，其中光束成形光学元件包括全内反射体透镜，其中光源特别地包括固态光源。此外，特别地，光束修改元件被配置为拦截上述照明设备光束的高达80％(诸如高达50％，特别是至少10％)的横截面。
增材制造(AM)是材料加工的一个不断增长的领域。它可以用于快速成型、定制、后期配置、或进行小批量生产。增材制造(AM)是从3D模型或其他电子数据源主要通过增材工艺来制作三维物体的一组工艺。因此，术语“3D打印”基本上等同于“增材制造”或“增材制造方法”。增材工艺可以涉及颗粒的结合(经由烧结、熔化或胶合)或材料层的结合(经由层的连续沉积或产生，例如聚合作用)等。一种广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是通常用于成型、原型制作和生产应用的增材制造技术。FDM根据“增材”原理通过材料铺设成层来工作；塑料细丝或金属线从线圈展开并供应材料，以产生零件。可能地(例如，对于热塑性塑料)，在铺设之前将细丝熔化并挤出。FDM是一种快速原型制作技术。FDM的另一术语是“熔丝制造”(FFF)。在本文中，使用术语“细丝3D打印”(FDP)，其被认为等同于FDM或FFF。一般而言，FDM打印机使用热塑性细丝，热塑性细丝被加热到其熔点，然后被逐层(或者实际上逐个细丝)挤出，以创建三维对象。FDM打印机可以用于打印复杂的对象。因此，方法包括例如经由FDM3D打印来产生3D打印对象。
3D打印对象特别地(至少部分地)由3D可打印材料(即，可以用于3D打印的材料)制成。通常，这些(聚合物)材料具有玻璃化转变温度Tg和/或熔化温度Tm。3D可打印材料在其离开喷嘴(假设为例如FDM)之前被3D打印机加热到至少玻璃化转变温度的温度，并且通常被加热到至少为熔化温度的温度。因此，在一个实施例中，3D可打印材料包括诸如具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)的热塑性聚合物，并且打印机头的作用包括将接收器物品和沉积在接收器物品上的3D可打印材料中的一个或多个加热到至少玻璃化转变温度的温度，特别是加热到至少熔点的温度。在又一实施例中，3D可打印材料包括具有熔点(Tm)的(热塑性)聚合物，并且打印机头的动作包括将接收器物品和沉积在接收器物品上的3D可打印材料中的一个或多个加热到至少熔点的温度。(本文)可以使用的材料的具体示例可以例如从由以下项组成的组中选择：丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、木质素、橡胶等。
如上文所指示的，也可以应用除FDM以外的技术，诸如喷墨打印、立体光刻、喷印、粉末床打印等。如上文所指示的，无论使用何种可打印材料，其都将特别地包括导电物质或导电物质前驱体。术语“可打印材料”还可以指代多个不同的3D可打印材料。术语“可打印材料”特别地指代可以被打印的材料。例如，在FDM的情况下，可打印材料可以包括可流动的经加热的聚合物。可打印材料在室温可以是固体，但是在加热时可以变成可打印的(即，特别是可流动的)。这种加热特别地旨在提供可流动或可打印的材料。在立体光刻的情况下，可打印材料可以包括可固化(通过光，诸如激光辐射)的液体材料等。在喷墨打印的情况下，可打印材料可以包括液体(可以在沉积之后(被)蒸发)中的颗粒。在粉末粘合的情况下，可打印材料可以包括通过粘合材料(胶)而保持在一起的颗粒。在粉末烧结或熔化的情况下，可打印材料可以包括通过热量而烧结或熔化在一起的颗粒。
如上文所指示的，方法包括3D打印阶段，3D打印阶段包括对3D可打印材料进行3D打印，以至少从上述可打印材料提供经3D打印的对象(即，制造经3D打印的对象)。术语“打印的材料”在本文中特别地指代已经沉积或打印的可打印材料。因此，术语“可打印材料”在本文中特别地指代(尚)未沉积或打印的材料。除其他外，打印阶段还可以包括固化。例如，打印的材料可以在打印之后被固化，随后在固化的打印的材料上进行进一步打印。因此，本文中“打印光束修改元件”可以包括对光束修改元件进行3D打印。
利用(3D)打印，可以将光束修改器的高度或深度保持为非常低。特别地，光束修改器的高度(h1)可以在0.1mm-10mm的范围内，诸如在0.5mm-5mm的范围内。备选地，高度(或厚度)可以等于或小于光束成形光学元件高度的大约五分之一，即，增加了等于或小于20％的高度。对于典型的1厘米的光学元件，该高度小于2毫米。特别地，高度可以是至少约0.1mm。光束修改器可以基本上由光束修改元件组成，当(一个或多个)光束修改元件被直接打印在窗口上时，通常将会是这种情况。然而，光束修改器还可以包括支撑件。因此，在一个实施例中，光束修改器包括支撑件，其中光束修改元件被配置在上述支撑件上，或者其中打印的光束修改元件被配置在上述下游面上。支撑件可以例如包括可以被粘附到窗口的箔。备选地，支撑件可以包括薄板。支撑件可以特别地包括上文提到的透光材料中的一个或多个。上文所指示的高度(0.1mm-10mm)也可以指代包括支撑件的光束修改器。因此，方法还可以包括：将光束修改元件打印在支撑件上并将支撑件配置在例如窗口的下游面上。备选地，支撑件上的光束修改元件可以在光束修改元件到窗口(下游面)的情况下被配置，之后可以移除支撑件。在一个变型中，光束修改元件(包括支撑件)可以被配置在距窗口一定(短)距离处，诸如在0.1mm-20mm(如，0.5mm-5mm)范围内的最短距离处。此外，利用3D打印，相对容易添加机械特征以将掩膜与光学元件对齐和/或以产生到照明设备的机械搭扣。附加地或备选地，可以将光束修改器搭扣(利用一个或多个搭扣元件)到照明设备。光束修改器可以包括支撑件和打印的光束修改元件。打印的光束修改元件可以被配置为与邻近于窗口(诸如，在窗口上)。可选地，在将光束修改器配置到照明设备之前或之后，支撑件可以被移除。因此，光束修改器包括光束修改元件并且可选地包括支撑件。光束修改器可以可选地是自支撑的。因此，在一个实施例中，在3D打印过程中可以提供自支撑的光束修改器。
在一个具体实施例中，本发明还包括对设备(特别是窗口)进行3D扫描，以提供3D轮廓，其中光束修改器基于图像、3D轮廓和针对期望光束的预定义的限定被设计。以这种方式，光束修改器可以最适配于设备，特别是窗口。特别地，在这种实施例中，光束修改器可以与窗口物理接触。因此，本发明还提供了对设备进行机械3D扫描，以设计与设备的机械配合(例如，掩膜的尺寸和机械搭扣连接器的形状)。因此，本发明还提供了计算机程序产品，其可选地在记录载体上被实现，计算机程序产品当在计算机上运行时执行以下方法：(a)接收从照明设备的窗口发出的照明设备光束的光分布的图像和照明设备(与窗口)的3D轮廓；(b)接收针对期望光束的限定；(c)基于图像、3D轮廓以及针对期望光束的预定义的限定，设计包括光束修改元件的光束修改器，光束修改器被配置为修改上述照明设备光束；以及(d)(i)将光束修改元件打印在窗口上，或者(i)将光束修改元件打印在支撑件上，以将光束修改器(可选地，具有支撑件)配置为邻近于窗口。
如上文所指示的，利用光束修改元件可以减小光束在特定方向上的不对称性。备选地，可以取决于(最终)用户的期望来引入或增强不对称性。因此，在一个实施例中，照明设备光束具有光学轴线(O)，其中光束修改器被配置为相对于光学轴线(O)非中心对称。因此，上文提到的方法还可以包括：(i)与光学轴线(O)呈不同角度
Figure GDA0001535036180000121
Figure GDA0001535036180000122
来捕获照明设备光束的光分布的多个图像；以及(ii)基于多个图像以及期望光束的预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器，光束修改器被配置为修改上述照明设备光束，以提供期望的照明单元光束。这里，θ可以指示天顶角，而
Figure GDA0001535036180000123
可以指示方位角。
特别地，(一个或多个)光束修改元件不覆盖整个窗口(另见上文)。因此，照明设备光束的至少一部分基本上未被修改(除了由可选的支撑件进行的折射以外)。例如，窗口的10％-80％可以被光束修改元件(可选地，在其间具有可选的支撑件，然而光束修改元件也可以夹在窗口与支撑件之间)覆盖。此外，光束修改器可以被应用到上游窗口和/或下游窗口。对于后期适配，特别是下游窗口可能是相关的。
此外，特别地，在光束修改器与未被修改的照明设备光束的光分布之间存在关系，未被修改的照明设备光束的光分布特别是在照明设备的下游面上的光分布(当光束未被修改时)。因此，特别地，光束修改器被配置为仅修改光束的一部分。因此，特别地，光束修改器元件仅拦截照明设备光束的一部分并且使照明设备光束的一部分不被拦截(并且因此基本上不被修改)。
术语“上游”和“下游”涉及项或特征相对于来自光生成装置(这里特别地是第一光源)的光的传播的布置，其中相对于在来自光生成装置的光束内的第一位置，光束中更靠近光生成装置的第二位置是“上游”，并且光束内进一步远离光生成装置的第三位置是“下游”。
照明设备可以是例如以下项的一部分或者可以应用于以下项：办公照明系统、家庭应用系统、商店照明系统、家庭照明系统、重点照明系统、射灯照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自发光显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警示标志系统、医疗照明应用系统、指示标志系统、装饰性照明系统、便携式系统、汽车应用、温室照明系统、园艺照明等。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中对应的附图标记指示对应的部分，并且其中：
图1a-图1d示意性地描绘了本发明的一些方面和背景；
图2a-图2e示意性地描绘了在不同视角下的一些光分布；
图3a-图3e示意性地描绘了本发明的一些方面；以及
图4a-图4d示意性地描绘了一些光束修改器。
示意图不一定按比例绘制。
具体实施方式
为了阐明本发明的效果，计算了针对若干光学元件的光线轨迹。
在第一示例中，参见图1a，使用CPC(复合抛物面聚光器)作为反射体21。在该类型的光束成形光学元件20中，光学扩展量是守恒的。结果，用附图标记30指示的全出射窗口被用于所有的光方向，即，出口对于光束内的所有观察方向是完全闪烁。提出通过在出射窗口处应用掩膜来对光束进行成形的本发明基本上不使用这种光学扩展量守恒的准直器来进行操作。本发明特别涉及对由于不是完全光学扩展量守恒的非成像光学元件(即，出射窗口在光束内的所有观察方向上不完全闪烁)引起的光束进行光束修改。因此，所使用的光学元件特别地不是完全光学扩展量守恒的，即，仅部分地光学扩展量守恒。特别地，出射窗口在光束内的所有观察方向上不是完全闪烁。
在接下来的示例中，示出了三个不同的TIR准直器设计。在这些光束成形元件中，光束由中心透镜与(TIR)反射表面组合而形成。许多设计是可能的，但是这里作为示例示出了TIR表面的三个不同设计。在下文的图中，R箭头指示针对光束边缘的光线路径，B箭头指示针对光束中心的光线路径。
图1b示出了从准直器中心和准直器边缘出射的光束中心、从中间区域出射的光束边缘。图1c示出了从准直器中心出射的光束中心、从准直器边缘出射的光束边缘(但两个边缘方向混合)。图1d示出了从准直器上的三个环出射的光束边缘、从准直器中心以及从靠近准直器边缘的区域出射的光束中心。考虑到这些示例中的光线，可以看出光束的边缘和中心可以在准直器的不同位置处出射，并且在一些设计中，它们可以比在其他的设计中更好地分离。例如，在TIR设计(图1b)中，瞄准射灯左边缘的所有光线都从准直器中心左边的区域出射。在设计中(图1c)，存在向左出射光线的两个区域(刚好中心左边和最右边缘)，并且在设计中(图1d)，甚至存在光从其向左出射的三个区域。所以在设计中(图1b)，光束最易于利用掩膜进行修改。
在下文中，讨论了若干非限制性的更详细的实施例。图2a非常示意性地描绘了具有TIR准直器和透镜22的照明设备100，TIR准直器作为针对24D(光束宽度24°)射灯而设计的反射体21。直视射灯，即沿光学轴线O，看起来不是整个区域发射光，而是仅中心和周围中心的环发射光，参见图2b，其中“闪光区域”是从垂直视角(所有光在2x10°之间)观察到的。当从侧面(沿光学轴线O呈25°角)观察时，中心闪光区域沿一个方向移动，并且闪光的环变形并向相反方向移动，参见图2c，其中“闪光区域”是从25°轴偏移方向(25°+/-15°)观察到的。从30°或35°轴偏移观看射灯导致闪光区域的进一步移动和缩小，直到眼睛从光束移出，并且出射窗口完全不闪光，参见图2d，其中“闪光区域”是从30+/-10°轴偏移方向观察到的，以及图2e，其中“闪光区域”是从35+/-5°轴偏移方向观察到的。基于观察到的闪光区域的形状和位置根据观察方向的改变，可以设计掩膜，以修改特定方向上的光(进一步参见下文)。使用θ(天顶角)(参见图2a)和
Figure GDA0001535036180000151
(方位角)(参见图2b)来指示相对于光学轴线O的角度。例如，在图2b中，指示了轴线x、y、O(其中O表示光学轴线)。
除其他外，图3a示意性地描绘了如上所述的照明单元1000的一个实施例。照明单元1000包括照明设备100。照明设备100包括被配置为提供光源光11的光源10以及被配置为将光源光成形为光束101的光束成形光学元件20。在此，作为示例，光束成形光学元件20包括透镜22和反射体21。此外，照明设备100包括窗口30，窗口30包括下游面32和指向光源10的上游面31，照明设备光束101被配置为从下游面32在远离光源10的方向上发出。照明单元1000还包括光束修改器200，光束修改器200被配置为邻近下游面32，并且被配置为拦截在下游面32下游的上述照明设备光束101的至少一部分。光束修改器200(因此)被配置在光束成形光学元件20的下游。特别地，光束成形光学元件20被配置在光源10的下游。照明设备100和光束修改器200被配置为修改上述照明设备光束101，以提供照明单元光束1001。光束修改器200包括打印的光束修改元件210。光束修改器200被配置为通过以下中的一个或多个来修改照明设备光束101：将照明设备光束101进行偏振滤光和将照明设备光束101进行光谱转换。特别地，(一个或多个)光束修改元件不覆盖整个窗口30。因此，照明设备光束101的至少一部分基本上不被修改(除了被可选的支撑件折射(见下文)之外)。还如图3a所示，光束修改元件并不完全拦截照明设备光束，但是仅拦截上述照明设备光束101的横截面的高达80％，例如高达70％，例如在10％-50％的范围内。被拦截的部分用附图标记i指示，而未被拦截的部分用附图标记ni指示。
因此，在本文中，光束修改器200也被指示为掩膜，因为它可以部分掩盖，但不是全部掩盖。因此，光束修改元件210可能不均一。在图3a的具体实施例中，照明设备光束的拦截的百分比与光束修改元件210对窗口30的覆盖率基本相同。
注意，在图3a中，照明单元光束1001被配置在整个光束修改器200的下游。如果光束修改元件210完全阻挡，则光束可能会更窄。用阴影区域示意性地指示光束在光束修改元件下游被改变的性质。还包括反射体21的光束成形光学元件20的高度用附图标记h2来指示。如果仅应用例如透镜22(这里是TIR透镜)，那么光束成形光学元件的高度利用附图标记h2'来指示。
特别地，光束修改器200包括3D打印的光束修改元件210。在该实施例中，光束修改器200被配置为邻近于下游面32，并且被配置为拦截在下游面32下游的上述照明设备光束101的至少一部分。此处，光束修改器与窗口物理接触。然而，其间也可以可选地存在(小的)间隙。光束修改器200的高度h1在0.1mm-10mm的范围内。图3b示意性地描绘了包括支撑件220的光束修改器200的一个实施例，其中光束修改元件210被配置在上述支撑件220上。因此，打印的光束修改元件210可以被配置在上述下游面32上或者可选地被配置在上述上游面31上。支撑件220或者光束修改元件210可以邻近于窗口30，或者特别地与窗口30物理接触。
图3c示意性地描绘了用于产生照明单元1000的可能的工作流程。首先，定义针对期望光束的参数，并且捕获照明设备光束的图像。用C(捕获)和P(预定义)来指示这些阶段(其中所期望的光束被限定)。基于此，在设计阶段D中，设计光束修改器；利用可选的迭代步骤(例如可以对光束建模并改变光束修改器参数，使得所期望的光束(在模型中)被获得)。然后，在制作阶段M中，生成光束修改器，或者直接在应用阶段A中将光束修改器打印在窗口上。在制作光束修改器(不直接在窗口上制作)之后，在应用阶段A中，将光束修改器应用于窗口附近。此后，可以在使用阶段U中使用照明单元。阶段C可以可选地还包括照明设备(尤其是其窗口)的3D扫描或映射。
图3d示意性地描绘了包括照明设备100的成套部件1100，其中照明设备100包括被配置为提供光源光11的光源10以及被配置为将光源光成形为照明设备光束的光束成形光学元件20。如上文所指示的，照明设备100包括窗口30，窗口30包括下游面32和指向光源10的上游面31，照明设备光束101被配置为从下游面32在远离光源10的方向上发出。成套部件还包括至少一个光束修改器200，特别是多个不同的光束修改器200，其中每个光束修改器200包括打印的光束修改元件210，并且其中每个光束修改器200可以功能性地耦合到照明设备100，以拦截上述照明设备光束101的至少一部分来修改上述照明设备光束101。因此，利用这样的成套部件1100，用户可以选择哪个(或那几个)光束修改器被使用并且被应用到照明设备100(以产生照明单元100(参见例如图3a))。因此，可以以这种方式实现可定制的光束形状、光束颜色和光束颜色均一性中的一个或多个。
图3e示意性地描绘了光束修改器的可能功能的一个示例。在墙壁上的两个类似形状的画作，其中左边的画作是用照明设备来照射的，而右边的画作是用照明单元来照射的。左边的照明设备的光束(在后期)未被修改；右边的照明设备的光束(在后期)被修改，以提供具有优化的照明单元光束1001的照明单元。
图4a-图4c分别与图2b-图2d相关。这些附图示出了可以例如用于减少特定角度下的光束不对称性的光束修改器200的实施例。例如，当使用图4a-图4b的光束修改器200时，其使用可以分别减小中心强烈部分周围的圆圈或特定角度下的不对称。这同样适用于图4c和图2d。图4d可以与图4a基本相同。在图4a-图4c可以例如阻挡的情况下，附图例如使用发光材料211。例如，假设具有黄色发光材料的蓝色LED作为光源，这样的光源通常沿光学轴线具有较低的色温并且偏离光学轴线具有较高的色温。通过使用具有发光材料211的光束修改器，可以部分地(进一步)转换该偏离光，从而提供具有更均一的低色温的照明单元光。
在一个示例中，准直器与呈如在10°至40°轴偏移之间所观察到的闪光区域形状的吸收掩膜组合。观察到，一侧处的强度分布被过滤。
当期望阻挡光束一侧处的20°-40°之间的光时，需要使用与当从这些方向观察时的闪光区域类似的形状(也参见图2c和图4b)。
在另一示例中，已证明，掩膜不一定仅进行转换，而是可以附加地同时吸收和/或散射。结果是光束变得不对称，并且给光束添加宽的光尾部。该效果可以通过改变半透明材料的散射水平来调节。
在又一示例中，掩膜被选择为既不阻挡也不散射，而是结合转换选择性吸收光谱的一部分。在该特定的示例中，使用了透射红色、绿色或蓝色光的三个掩膜，每个掩膜位于射灯光束的不同侧。被吸收的光被转换成另一颜色(如使用诸如磷光体的波长转换材料那样)。
在另一示例中，彩色滤光器掩膜可以用于不产生颜色，而是代之用于消除颜色的不均一性。目前，由于中功率LED成本相对较低，许多射灯都基于中功率LED。这些LED的缺点是它们的颜色不均一，而且这种不均一性出现在光束中，通常是以光束边缘处丑陋的微黄色环的形式(见下图)。同时转换所吸收的光(从光束边缘观察的闪光区域中吸收更多黄色)的蓝色和/或黄色吸收材料的图案可以用于改善颜色均一性。同时，整体色点也可以被调节。这允许对色点进行角度相关的调节。这也允许客户在后期为了颜色均一性而牺牲效率，并达到可定制的质量水平。
以上是非对称光束修改的一些示例。在另一示例中，对称光束被修改。射灯边缘(30°-40°轴偏移之间的光线)从准直器出口上的三个环形区域发出光。
掩膜或光束修改器可以由不同的材料制成，例如支撑件(支撑杆)可以是透明的，掩膜的一部分可以是黑色的以阻挡光，并且包含磷光体的部分产生有色效果。3D打印特别适合于制造这种多材料部件。掩膜可以是可以添加到灯或从灯上移除的附加件。掩膜也可以被直接沉积/胶合/3D打印在灯上，以确保灯的光学元件与掩膜之间更紧密的接触。
本领域技术人员将理解本文中的术语“基本上”，例如，“基本上全部所有的光”或“基本上由...组成”。术语“基本上”还可以包括使用“完全”、“全部”、“所有”等的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可以被移除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高，例如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别是99.5％或更高(包括100％)。术语“包括”还包括其中术语“包括”意味着“由......组成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及在“和/或”之前和之后提及的项中的一个或多个项。例如，短语“项1和/或项2”以及类似的短语可以涉及项1和项2中的一个或多个。术语“包括”可以在一个实施例中指代“由......组成”，但是也可以在另一实施例中指代“至少包含所限定的种类并且可选地包含一个或多个其他种类”。
此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，而不一定用于描述依次顺序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下可互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或示出的顺序以外的其他顺序进行操作。
本文中的设备除其他外在操作期间被描述。如本领域技术人员将清楚的，本发明不限于操作方法或操作中的设备。
应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多替代实施例。在权利要求中，放置在括号之间的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除除了权利要求中陈述的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元素之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现本发明。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由同一个硬件项来实施。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。
本发明还适用于包括说明书中描述的和/或附图中示出的特性化的特征中的一个或多个的设备。本发明还涉及包括说明书中描述的和/或附图中示出的特性化的特征中的一个或多个的方法或过程。
本专利中讨论的各个方面可以被组合，以便提供附加的优点。此外，特征中的一些特征可以形成用于一个或多个分案申请的基础。

Claims (11)

1.一种照明单元(1000)，包括照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，其中所述照明单元(1000)还包括光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为邻近于所述窗口(30)并且被配置为拦截所述照明设备光束(101)的至少一部分，其中所述照明设备(100)和所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)，以在所述光束修改器(200)的下游提供照明单元光束(1001)，其中所述光束修改器(200)包括3D打印的光束修改元件(210)，并且其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的高达80％的横截面，
其中所述光束修改器(200)被配置为：通过对所述照明设备光束(101)进行偏振滤光和光谱转换中的一个或多个来修改所述照明设备光束(101)，并且
其中所述光束成形光学元件(20)包括透镜(22)、TIR透镜、菲涅耳透镜和反射体(21)中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)被配置为邻近于所述下游面(32)并且被配置为拦截所述下游面(32)下游的所述照明设备光束(101)的至少一部分。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)具有在0.1mm-10mm范围内的高度(h1)。
4.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)包括支撑件(220)，其中所述光束修改元件(210)被配置在所述支撑件(220)上，或者其中打印的所述光束修改元件(210)被配置在所述下游面(32)上。
5.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述窗口(30)包括所述光束成形光学元件(20)。
6.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束成形光学元件(20)包括非成像光学元件。
7.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述照明设备(100)包括射灯，其中所述光束成形光学元件(20)包括全内反射透镜，其中所述光源(10)包括固态光源，并且其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的5％-50％的横截面。
8.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述照明设备光束(101)具有光学轴线(O)，其中光束修改器(200)被配置为相对于所述光学轴线(O)非中心对称。
9.一种成套部件，包括：(i)照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，所述照明设备光束(101)被配置为在远离所述光源(10)的方向上从所述下游面发出；以及(ii)多个不同的光束修改器(200)，其中每个光束修改器(200)包括3D打印的光束修改元件(210)，并且其中每个光束修改器(200)可以在功能上耦合到所述照明设备(100)，以拦截所述照明设备光束(101)的至少一部分来修改所述照明设备光束(101)，其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的高达80％的横截面，
其中所述光束修改器(200)被配置为：通过对所述照明设备光束(101)进行偏振滤光和光谱转换中的一个或多个来修改所述照明设备光束(101)，并且
其中所述光束成形光学元件(20)包括透镜(22)、TIR透镜、菲涅耳透镜和反射体(21)中的一个或多个。
10.一种用于照明设备(100)的后期适配的方法，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，所述照明设备光束(101)被配置为在远离所述光源(10)的方向上从所述下游面(32)发出，其中所述方法包括：(i)捕获从所述窗口(30)发出的所述照明设备光束(101)的光分布的图像；(ii)基于所述图像和针对期望光束的预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)，以提供期望的照明单元光束(1001)；(iii)将所述光束修改元件(210)打印在所述窗口(30)上，或者将光束修改元件(210)打印在支撑件(220)上，并且将所述支撑件(220)配置为邻近于所述窗口(30)，
其中所述方法还包括：对所述窗口(30)进行3D扫描以提供3D轮廓，其中所述光束修改器(200)基于所述图像、所述3D轮廓、以及针对期望光束的预定义的限定而被设计，并且其中打印所述光束修改元件(210)包括：对所述光束修改元件(210)进行3D打印。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述照明设备光束(101)具有光学轴线(O)，其中所述方法包括：(i)与所述光学轴线(O)呈不同的角度
Figure FDA0002254932520000031
来捕获所述照明设备光束(101)的所述光分布的多个图像，以及(ii)基于所述多个图像和所述期望光束的所述预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)以提供期望的照明单元光束(1001)。
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