CN108224213A - 可见和uv照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统，该照明系统组合了面向光出射窗的UV LED的布置和面向反射器布置的可见光LED的布置。可以使用反射来提供期望的光束成形或散射，使得在出射窗处不需要光束成形部件。以这种方式，避免了光束成形部件的UV劣化。

Description

可见和UV照明系统
技术领域
本发明涉及照明系统，尤其是用于提供可见光以及UV光的照明系统，其使得能在人体内合成维生素D。
背景技术
人们将他们大约90％的时间花在室内，在室内的大量时间是在办公室中工作。
白光源可以以非常高的效率产生具有高于90的显色指数的高质量的光。一般来说，与自然的阳光相比，这样的光源不具有光谱的某些部分，例如电磁波谱的UV部分。
然而，自然的阳光，并且尤其是UV含量，对于人体，例如对于维生素D的产生是必不可少的。因此，将期望在工作日期间有曝露于自然阳光的时间。例如这种曝露将有助于预防成人的骨软化。研究已经发现，全世界90％的人口是低于足够的维生素D水平的，原因在于过于有限地曝露于阳光下，并且尤其是曝露于自然阳光的UV成分下，特别是在冬季。已经确定低维生素D水平与大量健康问题的发生率之间的相关性，健康问题例如是情绪问题（mood）、精力问题（energy）、肌无力、心血管疾病、多发性硬化症、糖尿病、肥胖症、抑郁症、阿尔茨海默氏症、癌症等。
越来越多的人希望有更好的工作与生活的平衡，并将因此认识到在工作日期间曝露于更健康的照明下的重要性。另外，越来越多的人服用维生素D补充剂以预防骨软化症，原因在于人造照明并未使得能充分合成维生素D。
然而，在办公室环境中提供自然阳光并不容易。因此，需要一种照明系统，其能够复制自然阳光的优点，但是其可以被用于例如办公室环境的室内环境中。
为此，有可能与白色LED还有彩色光相组合地引入UV LED。此外，还已经提出使用UV LED来既产生白光还产生彩色光。
低强度UV光也可以用于其他应用，例如用于皮肤晒黑、昆虫引诱、皮肤处理、消毒等。因此，提供UV光以及可见光的系统具有除用于模拟自然日光之外的其他应用。
众所周知，UV光往往会使在当前照明应用中例如在照明散射器中使用的许多聚合物降解。
因此，需要一种照明系统，其使得能提供UV照明以及可见照明，但不会使照明系统中所需的聚合物降解。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据本发明一个方面的示例，提供了一种照明系统，包括：
壳体，其包括支撑结构和用于将光发射到照明系统的周围环境的光出射窗；
安装在支撑结构上的UV LED的布置（arrangement），其中UV LED面向光出射窗；
安装在支撑结构上的可见光LED的布置；以及
反射器布置，其中可见光LED面向反射器布置，并且反射器布置用于将从可见光LED输出的可见光反射到出射窗。
注意，术语“光”广泛地用于指全部电磁波谱，即可见光和UV光。术语“光出射窗”应当例如被相应地理解。
该系统将UV LED的输出直接提供给照明系统的光出射窗，而可见光LED在反射之后传递它们的输出。因此可以使用这种反射来提供期望的光束成形或散射，使得在出射窗处不需要光束成形部件。以这种方式，避免了光束成形部件的UV劣化。特别是在提供漫反射的情况下，反射器布置限定光混合室，或者特别是在提供镜面反射的情况下，反射器布置限定更受控的反射剖面（reflection profile）。
举例来说，在光出射窗处不像通常为了隐藏斑点（spottiness）而使用散射器那样去使用散射器。相反，可见光LED的输出被间接地反射到外部。
该系统可以进一步包括UV光束成形布置，用于对UV LED的输出进行成形。这用于确保全部或几乎所有的UV LED输出传递到光出射窗，并因此不会导致其他部件的劣化。UV光被阻止到达光布置的UV敏感部分，例如可见光LED或反射器布置的聚合物材料。
UV LED因此提供直接照明。光束成形布置对UV光不敏感，并可以例如包括围绕每个UV LED或围绕各组UV LED的相应的金属护罩（metallic shroud）。
可替换地，光束成形布置可以包括支撑结构的成形的部分。这提供了具有更少部件的更集成的设计。
光束成形布置例如适于将UV LED的输出的至少80％，例如至少85％，例如至少90％，直接引导至出射窗。
从可见光LED输出的可见光的至多20％，例如至多15％，例如至多10％，可以直接到达光出射窗。
因此，可以允许来自可见光LED的一些直接的光输出，令被反射的光仍然提供对LED的可见外观的期望屏蔽。类似地，小比例（即强度）的UV输出可以不直接到达光出射窗，只要该比例具有足够低的强度以避免对该UV输出入射到其上的材料的损坏。
然而该系统可以被设计成使得从可见光LED到光出射窗没有直接路径，并使得所有UV输出被引导到光出射窗。
壳体例如限定混合室，UV LED在顶部部分而光出射窗在底部部分。UV LED然后简单地通过光出射窗传递向下的UV输出。
优选地，可见光LED面向混合室。
在一个示例中，可见光LED被安装在光出射窗周围的边缘上，直接地或以一个角度面向顶部部分。因此，如果系统被安装为使光出射窗面朝下，则可见光LED通常面向上。
在另一个示例中，混合室包括一个或多个侧壁部分和形成顶部部分的顶壁部分，其中这些可见光LED被安装在该一个或多个侧壁部分上，面向混合室对面。因此，可见光LED面向侧面。
在另一个示例中，可见光LED在顶部部分处面向光出射窗的方向，并且反射器布置包括对于可见光LE D的反射器部分，以阻挡去往光出射窗的光路。在这种情况下，所有LED可以安装在面向相同（即平行）方向的同一表面上。然而来自可见光LED的直接光路被反射器部分阻挡。这可以更容易制造。
光出射窗可以包括形成在壳体中的空的开口。因此，UV输出根本不经过任何中间部件。
可替换地，光出射窗可以具有实心透明的抗UV的封闭件。这可以保护照明系统的内部部件。
UV LED例如包括UV-B LED，并且可见光LED例如包括用于传递白光的LED，诸如白色LED或可控制以传递白光输出的RGB LED布置。
照明系统可以包括LED灯（反光灯或管形灯）或LED照明器。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了用于提供可见光和UV光的照明系统；
图2A-2D示出了对图1的设计的各种修改；
图3A-3D示出了对图1的设计的进一步修改；
图4A-4C示出了对图1的设计的进一步修改；
图5A-5C示出了对图1的设计的进一步修改；
图6A-6B示出了对图1的设计的进一步修改；以及
图7示出了可以使用该系统的照明设备。
具体实施方式
本发明提供了一种照明系统，该照明系统组合了面向光出射窗的UV LED的布置和面向反射器布置的可见光LED的布置。可以使用反射来提供期望的光束成形或散射，使得在出射窗处不需要光束成形部件。以这种方式，避免了光束成形部件的UV劣化。
图1示出了用于将可见光和UV光提供到要被照亮的区域中的照明系统。
该系统包括壳体10，壳体10包括LED可以安装在其上的支撑结构以及光出射窗12。在这个示例中的支撑结构是壳体的集成部分，并且包括壳体的区域14。
一个或多个UV LED 16的布置被安装在支撑结构上，尤其是在壳体10的顶部部分处。光出射窗12位于壳体的底部部分处。UV LED通过光出射窗传递向下的UV输出。UV LED发射具有从100 nm到400 nm波长的光。
图1示出了单个UV LED，但可以存在两个或更多个UV LED的阵列。UV LED面向光出射窗12，使得它们的输出16’主要被引导到出射窗12，而不与系统的其他部分相互作用。
通过示例的方式，UV LED的输出16’的至少80％（作为总光强度的一部分）被引导至出射窗。可以存在至少85％或至少90％的UV LED输出被引导至出射窗12。因此，UV输出中的一些可能不直接到达光出射窗。
UV LED可以是以封装的形式，其具有实现这种方向性控制的输出光束形状，而不需要另外的光束成形光学器件。然而，图1示出了围绕UV LED 16的光束成形护罩18，用于限制输出UV光的角度扩展，从而将其方向限制为大体上朝向出射窗12。光束成形护罩对UV光不敏感。光束成形器可以是金属反射器。铝是优选的反射器材料，原因在于它具有良好的UV反射率。它也可以是多层反射器。
可见光LED 20的布置也安装在支撑结构14上。可见光LED发出从400nm至800nm波长的光。可见光LED不面向光出射窗，而是相反地面向壳体中。该壳体充当混合室，且为此它具有充当反射器布置的反射内表面22。反射器布置因此在该示例中是主外部壳体的集成部分，但可以替代地提供分开的壳体和反射器。
可见光LED 20面向反射器布置，即内表面22。反射器布置将来自可见光LED的可见光输出20’反射到出射窗。在光最终到达出射窗12之前，可能会存在单次或多次反射。效果是提供光混合和/或重定向，从而防止LED可见。
来自可见光LED的一些光可以直接到达光出射窗12，但大部分首先经历一次或多次反射。取决于所需的输出光束特性，反射可以是镜面反射或漫反射。通过示例的方式，从可见光LED输出的可见光的至多20％，例如至多15％，例如至多10％，可以直接到达光出射窗。
因此，可以允许来自可见光LED的一些直接光输出。
与可见光LED 20的输出特性相结合的反射器布置的设计被选择为针对期望的照明应用实现可见光的期望光束方向、光束扩展和准直度。
在图1中所示的示例中，可见光LED 20被提供在光出射窗周围的边缘24上。可见光LED 20被面朝上（即，面向壳体的顶部部分）地安装在边缘上。如图所示边缘24可以从开口向后缩，或者其可以与光出射开口12共面，并且因此限定光出射开口（如在图2A-2D和图3A-3D中所示的示例中的）。
该系统将UV LED 16的大部分或全部输出直接提供给光出射窗，而可见光LED 20在反射之后传递它们的输出。部件的UV劣化得以避免。
光出射窗12可以是开口，使得没有部件处于UV光的路径中。例如，在光出射窗处不使用散射器。
图1示出了具有通常是弓形（圆形或椭圆形）的横截面形状的壳体。照明系统可以是旋转对称的并且因此具有通常是部分球形或部分椭球形的壳体。可替换地，照明系统可以是细长的，具有恒定的横截面形状，因此形成通常圆柱形的设计。
如上所述，特定形状是在考虑期望的光输出的情况下设计的。
图2A-2D示出了对图1的设计的各种修改。它示出了具有顶部部分30和侧面部分32以及限定光出射开口12的下边缘24的含角的壳体设计。
图2A示出了与图1大体相同的布置，但具有含角的设计和限定出射窗的边缘24。存在所示的两个可见光LED。然而，在光出射窗周围，例如在位于（sit）边缘24上的环形电路板上，可以存在LED的环。这于是将提供更旋转对称和平滑的光输出图案。
图2B示出可能仅存在单个可见光LED 20。
图2C示出在光出射窗的每一侧可以存在多个可见光LED。于是它们可以在光出射窗周围、再次地例如在位于边缘24上的环形电路板上形成多个同心环。对于圆柱形设计，于是沿系统的长度存在多行可见LED。
图2D示出了可见光LED 20可以提供在侧壁部分32上，使得它们面向混合室对面。因此，可见光LED面向侧面。
图3A-3D示出了进一步的设计。
图3A示出了可见光LED 20不需要直接面朝上。它们可以被与竖直方向成一定角度地引导，以提供在对角线上跨越混合室的光线。
图3B示出了其上安装有可见光LED 20的边缘24也可以执行光束成形功能。反射表面可以被转个角度以限制光输出的扩展。
图3C示出了反射器布置可以包括除外部壳体之外的特征。可见光LED被安装在顶部部分30面对光出射窗的方向。然而，反射器布置包括对于可见光LED的反射器部分34，以阻挡去向光出射窗的光路。所有LED16、20然后可以被安装在同一表面上，这会易于制造。图3C还示出了光出射开口于是可以覆盖壳体底部的整个区域，而不覆盖任何边缘。
图3D示出了通过组合如上所述的不同配置，可见光LED 20可以面向不同的方向。在图3D中，有面向上以及面向内地跨越光混合室的可见光LED。
图4A-4C示出了进一步的设计。
图4A示出可见光LED可以直接安装在（所示示例中的弯曲的反射器设计的）侧壁部分而不需要额外的边缘。
图4B示出了UV LED 16的光束成形布置18可以包括支撑结构，即壳体的成形部分。这提供了具有更少部件的更集成的设计。整个壳体可以具有相同的材料设计，或者它们可以在光束成形布置18处有不同的反射属性。
图4C示出了边缘的设计可以为可见光LED 20的光输出提供更复杂的光束成形功能。
图5A-5C示出了进一步的设计。
如以上所解释的，光出射窗12可以是壳体中的空的开口。图5A示出了可以替代地有实心透明的抗UV的封闭件50。这不需要是散射器，并且可以相反地是（对于UV和对于可见光）透明的窗口，例如对UV不敏感的玻璃或石英或任何其他透明衬底。
图5B示出封闭件50可以被弯曲以形成圆柱形或球形或椭球形的外部形状。
图5C示出了可以存在多个UV LED 16。这适用于所有设计。
图6A-6B示出了进一步的设计。
图6A示出可以使用更复杂的壳体形状。该示例显示，壳体可以限定执行准直功能的镜面反射表面。镜面反射准直器可被设计成使得其对可见的（例如白色）光进行准直以形成经准直的间接的可见的（例如白色）光。
图6B示出了一种设计，其具有在UV LED 16的直接路径中、但由屏蔽件52保护的可见光LED，屏蔽件52可以是吸收器或反射器。
UV LED例如包括UV-B LED，并且可见光LED例如包括白光LED。
形成反射器布置和/或限定混合室的壳体优选地由塑料材料（如果需要，具有涂层）制成。
塑料可以是硅树脂材料、PMMA、PET、PC、PE。塑料可以装备有反射颗粒，例如铝、银片、Al2O3、BaSO4、TiO2或其组合。可替换地，可以提供反射层，例如蒸发或沉积在塑料表面上的铝或银，或反射颗粒的聚合物涂层。然后聚合物涂层可以包括在例如聚乙烯醇缩丁醛（PVB）的基质材料中的铝、银片、Al2O3、BaSO4、TiO2或其组合。
混合室的反射率例如高于80％，更优选地高于85％，最优选地高于90％。
可见光LED通常是白光LED。例如，白光具有对黑体轨迹（BBL）的15个颜色匹配标准偏差（SDCM）的最大偏差，例如小于10 SDCM或甚至5 SDCM。
优选地，白光可以具有从2000K至8000K，例如2500K至6000K，例如2800K至5000K的范围中的色温。
优选地，白光是具有至少70，更优选地至少80，最优选地至少85的显色指数的光。
UV LED例如是UV-B LED。它们被设计成提供一定剂量的UV-B光，其足以提供维生素D产生的优点，但不足以造成皮肤损伤。通过示例的方式，整个系统的光强度是基于每个UV-B LED具有400μW到800μW的输出功率。UV-B LED的总数可以在例如1至40的范围内，给出在0.4mW至30mW的范围内的总输出功率。
UV-B LED是市售的，并且主要用于医学应用，例如用于医学测光。也存在用于刺激植物生长以照亮玻璃容器（terrarium）的市售UV-B照明产品。UV-B波长在280nm至315nm的范围内。
然而，本发明不限于UV-B输出，并且UV LED可以在UV-A或UV-C波段以及UVB波段中操作，或替代地可以在UV-B波段操作。
本发明也不限于白色可见光。本发明可以应用于传递任何颜色输出或实际上具有可控色点和/或色温的系统。
图7示出了可以使用该系统的照明设备。照明系统可以包括诸如反光灯60或管形LED灯62的LED灯，或者其可以包括LED照明器64。
如上所述，组合的可见光和UV照明可用于模拟自然日光。相反，UV分量可以用于其他目的，例如用于皮肤晒黑、昆虫引诱、皮肤处理、消毒等。
根据对附图、本公开内容和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“a”或“an”（“一”或“一个”）不排除多个。仅仅在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明系统，包括：
壳体（10），其包括支撑结构（14）和用于将光发射到照明系统的周围环境的光出射窗（12）；
安装在该支撑结构上的UV LED（16）的布置，其中UV LED面向该光出射窗（12）；
安装在该支撑结构上的可见光LED（20）的布置；以及
反射器布置（22），其中所述可见光LED面向该反射器布置（22），并且所述反射器布置用于将从所述可见光LED输出的可见光反射到该出射窗。
2.根据权利要求1所述的照明系统，还包括用于对所述UV LED的输出进行成形的UV光束成形布置（18）。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中所述UV光束成形布置（18）包括所述支撑结构的成形的部分。
4.根据权利要求2所述的照明系统，其中所述UV光束成形布置包括围绕每个UV LED或围绕各组UV LED的相应的金属护罩（18）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的照明系统，其中所述UV光束成形布置（18）适于将所述UV LED的输出的至少80％，例如至少85％，例如至少90％，直接引导至所述出射窗（12）。
6.根据任一项前述权利要求所述的照明系统，其中从所述可见光LED（20）输出的可见光的至多20％，例如至多15％，例如至多10％，直接到达所述光出射窗。
7.根据任一项前述权利要求所述的照明系统，其中所述壳体（10）限定混合室，所述UVLED在顶部部分并且所述光出射窗在底部部分。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中所述可见光LED面向所述混合室。
9.根据权利要求8所述的照明系统，其中所述可见光LED被安装在所述光出射窗周围的边缘上，直接地或以一个角度面向所述顶部部分。
10.根据权利要求7或8所述的照明系统，其中所述混合室包括一个或多个侧壁部分（32）和形成所述顶部部分的顶壁部分（30），其中所述可见光LED被安装在所述一个或多个侧壁部分上，面向所述混合室对面。
11.根据权利要求7或8所述的照明系统，其中所述可见光LED在顶部部分处面向所述光出射窗的方向，并且所述反射器布置包括对于所述可见光LED的反射器部分，以阻挡去往所述光出射窗的光路。
12.根据任一项前述权利要求所述的照明系统，其中所述光出射窗（12）包括形成在所述壳体中的空的开口。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的照明系统，其中所述光出射窗具有实心透明的抗UV的封闭件。
14.根据任一项前述权利要求所述的照明系统，其中所述UV LED包括UV-B LED，并且所述可见光LED包括白光LED或能够传递白光输出的 LED布置。
15.根据任一项前述权利要求所述的照明系统，包括LED灯，例如LED反光灯或管形LED灯，或LED照明器。
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