CN111006141A - 用于led照明设备的改进的均化系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于LED照明设备的改进的彩色LED均化系统，其使用多个LED阵列，其中阵列使用多个离散峰值LED组和二向色滤光器，所述二向色滤光器用以最大化LED组离散峰值附近的透射/反射，以产生定向的均匀化的彩色光束。

Description

用于LED照明设备的改进的均化系统
本申请是中国申请号为“201480014536.7”，申请日为“2014年1月14日”，申请人为“罗布照明公司”的发明创造名称为“用于LED照明设备的改进的均化系统”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求2013年1月14日提交的美国临时申请序列号为61/752,006的申请的优先权。
技术领域
本发明大致涉及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，具体涉及与将多种颜色的LED组合为单一均匀化的光束有关的方法。
背景技术
高功率LED通常用在(例如)建筑照明行业(如商店、办公室和商业机构)以及娱乐行业(如剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会及其它场所)的照明设备中。这些LED也用在具有自动和远程控制功能的自动发光照明设备中。对于颜色控制，常见的是使用一组不同颜色的LED。例如，常见的配置是使用红色、绿色和蓝色LED的混合。该配置允许用户通过将恰当量的三种颜色进行混合来创建他们期望的颜色。例如，点亮红色和绿色LED而熄灭蓝色会产生呈现黄色的输出。类似地，红色和蓝色会产生洋红色(magenta)，以及蓝色和绿色会产生蓝绿色(cyan)。通过明智地控制这三个控制，用户可以实现他们期望的几乎任何颜色。还可使用多于三种颜色，并且将琥珀色(amber)、蓝绿色或宝蓝色(royal blue)LED增加到红色、绿色和蓝色以增强颜色混合并改善可用的色域是已知的。
不同颜色的LED可在照明设备中布置为阵列，其中每个LED之间存在物理间隔，并且与每种颜色的模具大小和放置上的区别相联结的这种间隔可影响各自的颜色的传播并导致组合的混合的彩色输出光束的不期望的溢散光和彩色边纹。通常在每个LED的前方使用透镜或其它光学设备来控制输出光束的光束形状和角度；然而，这些光学设备通常对不同的颜色有不同的影响，并且在输出光束中可能见到彩色边纹或其它色像差。还已知的是使用二向色反射滤光器以将三种单一颜色的LED组合为一个光束。然而，这些系统不提供用于混合多于三种颜色的LED的方式。因此，具有这样一个系统是有利的，其提供使多于三种颜色的LED成为单个输出光束的良好的均匀化作用。
需要用于基于LED阵列的照明设备的均化系统，所述系统提供用于包括四个或更多个不同颜色的LED的LED系统的均匀化方面的改进。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现结合附图参考如下描述，其中相同的附图标号指示相同的特征，其中：
图1示出改进的LED光均化器的实施例；
图2示出图1所示的LED光均化器的第一LED阵列的实施例；
图3示出图1所示的LED光均化器的第二LED阵列的实施例；
图4示出图1所示的LED光均化器的第三LED阵列的实施例；
图5示出透射的/反射的二向色滤光器的现有技术使用；
图6示出图1和/或图8所示的LED光均化器的实施例中的透射的/反射的二向色滤光器的改进的使用；
图7示出改进的光均化器的可替换的实施例；
图8示出本发明的可替换的实施例，以及；
图9示出LED光均化器的另外的实施例。
具体实施方式
附图中示出了改进的LED光均化器的实施例，相同的附图标记用于指示各个附图的相同和相应的部分。
本发明大致涉及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，具体涉及与提供用于包括不同颜色的LED的LED系统的均化方面的改进有关的方法。
图1示出改进的LED光均化器10的实施例的示意图。第一LED阵列20可包括具有离散较长的波长峰值的LED(如红色和琥珀色LED)的布置。第二LED阵列30可包括具有离散短波长峰值的LED(如蓝色和蓝绿色LED)的布置。第三LED阵列40可包括具有离散中波长峰值的LED(如黄色和绿色LED)的布置。每个阵列20、30和40均具有布置在布局中的相关联的LED，以使颜色被很好地分布并穿过所述阵列混合。在所示的实施例中，LED阵列20、30和40由电气性连接14到LED阵列20、30和40的控制器12控制。
在一些实施例中，在阵列中有有限数量的离散峰值LED。例如在所示的实施例中，存在用于使用的三个阵列的两个离散峰值类型：长波长阵列20有红色和琥珀色，短波长阵列30有蓝色和蓝绿色并且第三中波长阵列40有绿色和黄色。在一些实施例中，来自阵列的所有LED作为一个单元被控制器12控制。在其它实施例中，不同颜色的光独立于其它不同的颜色而被控制。因此，例如在长带宽阵列中，与琥珀色LED相比，红色LED作为单独的颜色受到控制。
来自第一LED阵列20的红色和琥珀色的光26撞击二向色滤光器54的后部。二向色滤光器54被设计，以使其允许红色和琥珀色波长的光穿过而不受影响。在所示的实施例中，滤光器54可被设计为长通滤光器，其通常使长于某一截止值的波长通过。在可替换的实施例中，该滤光器可被设计为带通滤光器，其使离散长波长的光通过，其中通过频带与长波长阵列20中的离散LED的峰值波长相匹配。其它波长的光不允许通过并被反射离开光束。
透射穿过滤光器54的来自第一LED阵列20的红色和琥珀色的光接下来撞击二向色滤光器52的后部。二向色滤光器52还被设计，以使其允许红色和琥珀色波长的光穿过而不受影响。下文进一步讨论了滤光器52的可替换的实施例的特征。但对于红色和琥珀色的光，滤光器52用作用于较长的红色和琥珀色波长的长通或带通。因此，来自第一LED阵列20的红色和琥珀色的光26以光束56离开。
来自第二LED阵列30的蓝色和蓝绿色的光36撞击二向色滤光器54的前部。如上文所描述的，二向色滤光器54被设计为长通滤光器(或离散长波段带通)并且因此会反射较短的蓝色和蓝绿色波长的光。
来自第二LED阵列30的蓝色和蓝绿色的光接下来撞击二向色滤光器52的后部。如上文所描述的，二向色滤光器52允许长波长通过。二向色滤光器52也允许被设计以允许短波长通过，以使其允许蓝色和蓝绿色波长的光穿过而不受影响。因此，来自第二LED阵列30的蓝色和蓝绿色的光36也以光束56离开，叠加在来自第一LED阵列20的任意红色和琥珀色的光上。
来自第三LED阵列40的绿色和黄色的光46撞击二向色滤光器52的前部。二向色滤光器52被设计，以使其反射色谱中波段的光，因此反射而不是透射绿光和黄光波长。因此，来自第三LED阵列40的绿色和黄色的光46也以光束56离开，叠加在来自第一LED阵列20的任意红色和琥珀色的光上和来自第二LED阵列30的任意蓝色和蓝绿色的光上。
因此，通过二向色滤光器52和54的选择性的透射和反射，LED的所有颜色(红色、琥珀色、蓝色、蓝绿色、绿色和黄色)可被均匀化并且叠加在单个离开的光束56中。
此处示出的示例使用六种颜色的LED：红色、琥珀色、蓝色、蓝绿色、绿色和黄色，然而本发明并不受限于此，以及其它的LED颜色的混合是可能的，这将不背离本发明的精神。例如，宝蓝色LED可代替(或连同)LED阵列30上的蓝绿色LED被使用。针对阵列上的LED的每种选择，必须考虑针对二向色滤光器的相应的设计改变，以使所述二向色滤光器反射和/或透射适当的光波长。
图2示出本发明的第一LED阵列20的实施例。在该实施例中，多个红色LED 22和多个琥珀色LED 24分布于阵列20。可对红色和琥珀色LED中的每个的布置和数量进行选择，以优化这两种颜色的混合及均衡。例如，如果琥珀色LED强度是红色LED的两倍，那么仅需要有红色一半数量的琥珀色。在这种情况下，阵列包括三分之二红色LED 22和三分之一琥珀色LED 24。示出的阵列20是圆形的，然而，本发明不受限于此，并且阵列20可以是选自(但不限于)圆形、方形、矩形、六角形或八角形的任意形状。
图3示出本发明的第二LED阵列30的实施例。在该实施例中，多个蓝色LED 32和多个蓝绿色LED 34分布于阵列30。可对蓝色和蓝绿色LED中的每个的布置和数量进行选择，以优化这两种颜色的混合及均衡。示出的阵列30是圆形的，然而，本发明不受限于此，并且阵列30可以是选自(但不限于)圆形、方形、矩形、六角形或八角形的任意形状。
图4示出本发明的第三LED阵列40的实施例。在该实施例中，多个绿色LED 42和多个黄色LED 44分布于阵列40。可对绿色和黄色LED中的每个的布置和数量进行选择，以优化这两种颜色的混合及均衡。示出的阵列40是圆形的，然而，本发明不受限于此，并且阵列40可以是选自(但不限于)圆形、方形、矩形、六角形或八角形的任意形状。
图5示出均化器和光束分离器中的反射二向色滤光器的现有技术的使用。二向色滤光器的这种布置通常用于组合光并且将用于视频相机的光分离为其红色、绿色和蓝色分量。图5a示出由具有离散波长峰值的红色、绿色和蓝色LED发射的光的相对光谱功率分布(SPD)。可以看出，蓝色LED峰值在约450nm，绿色在550nm并且红色在650nm。图5b中示出的黄色滤色片具有滤光器特征，以使其允许红色(650nm)和绿色(550nm)的光无障碍通过，而反射蓝光(450nm)。这样的滤光器会呈现眼睛看到的黄色。同样，图5c中示出的洋红色滤色片具有滤光器特征，以使其允许红色(650nm)和蓝色(450nm)的光无障碍通过，而反射绿色(550nm)。这样的滤光器会呈现眼睛看到的洋红色。这两个滤光器可在与图1所示的布局类似的布局中用作二向色滤光器52和54，以对红色、绿色和蓝色LED的输出进行组合。然而，这些滤光器不允许我们加入琥珀色、蓝绿色和黄色的LED。
图6a示出由使用红色、琥珀色、绿色、黄色、蓝色和蓝绿色LED的本发明的实施例发射的光的相对光谱功率分布(SPD)。可以看出，LED具有离散波长峰值，蓝色LED峰值在约450nm，蓝绿色在475nm，绿色在550nm，黄色在575nm，琥珀色在625nm以及红色在650nm。图6b中示出的黄色/琥珀色滤色片具有滤光器特征，以使其允许红色(650nm)、琥珀色(625nm)、黄色(575nm)和绿色(550nm)的光无障碍通过，而反射蓝色(450nm)和蓝绿色(475nm)。这样的滤光器会呈现眼睛看到的黄色/琥珀色。同样，图6c中示出的粉色滤色片具有滤光器特征，以使其允许红色(650nm)、琥珀色(625)、蓝绿色(475nm)和蓝色(450nm)的光无障碍通过，而反射黄色(575nm)和绿色(550nm)。这样的滤光器会呈现眼睛看到的粉色。这两个滤光器可在图1中用作二向色滤光器52和54，以对红色、琥珀色、绿色、黄色、蓝色和蓝绿色LED的输出进行组合。
图7a示出扩展到包括其它颜色的LED的可替换的实施例。在该实施例中，波长440nm的宝蓝色LED加入到第二LED阵列30。图7b和图7c示出了使用这种颜色的二向色滤光器的适当的滤光器特征。
图8示出LED光均化器100的另外的实施例。在所示的实施例中，二向色滤光器152和154以与图1中示出的连续布置完全不同的交叉布置方式进行布置。这种布局减小了装置的总长度。
图1、图8和图9中示出的实施例显示，红色和琥珀色光发射器20处于后部，蓝色和蓝绿色30处于一侧，黄色和绿色40处于另一侧，然而，应该理解，这种布局是本发明的光发射器的可能的布局的单个示例，具有LED发射器的其它实施例能够进行不同的布置。例如，在可替换的实施例中，绿色和黄色LED 40可位于附图中示出的红色和琥珀色LED 20所在的后部。当然，二向色滤光器/面镜52、54和/或152、154的配置必须与LED的配置相匹配，从而使期望的颜色在后部LED阵列的例子中通过56，并且在侧LED阵列的例子中沿着方向56反射。
图9示出LED光均化器的另外的实施例并且将控制光学器件加到系统。每个LED能具有用来校准并引导光束穿过二向色滤光器152和154的第二光学系统58。所述系统还可具有将离开光束56聚焦到焦点62的聚焦和均化光学器件60。聚焦和均化光学器件60可包括选自(但不限于)下述元件的光学元件：光漫射器、全息散射器、非高斯散射器、任意截面的积分杆(integrating rod)、任意截面的集成隧道(integrating tunnel)或者本领域熟知的其它光均化或混合的光学工具。聚焦和均化光学器件60可进一步包括选自(但不限于)下述元件的光学元件：单个凸透镜或凹透镜，或者在一个或多个光学器件组中布置的多个透镜。这样的光学系统可具有可移动的元件，从而光学器件60的焦距是可调的。光学系统还可包括视场光阑、光圈、快门、挡光板和本领域中熟知的其它光学设备。
对于本发明来说，对二向色滤光器52和54的滤光特性的控制是关键的。必须精心制造滤光器，以使它们的通频带与使用的LED的波长相匹配。图6中所示的滤光器的波长响应被非常简化地示出。在实践中，响应不是几乎直角的或陡峭的。此外，一般性地示出响应，以使其既可用于图1所示的实施例又可用于图8和图9所示的实施例。广义化的响应在约500nm处示出用于黄色二向色滤光器的截止波长，所述黄色二向色滤光器对应于图1中的滤光器54和图8和图9中的滤光器154。然而，在其它实施例中，截止波长可被设计以接近用于图1中的滤光器54的600nm。
通过图1的示例性实施例，滤光器54应被设计以：(1)在LED峰值(约450nm(蓝色)和约475nm(蓝绿色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。滤光器52应被设计以：(1)在LED峰值(约550nm(绿色)和约575nm(黄色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约450nm(蓝色)、475nm(蓝绿色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。
通过图8的示例性实施例，滤光器154应该被设计以：(1)在LED峰值(约450nm(蓝色)和约475nm(蓝绿色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约550nm(绿色)、约575nm(黄色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。滤光器152应该被设计以：(1)在LED峰值(约550nm(绿色)和约575nm(黄色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约450nm(蓝色)、475nm(蓝绿色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。
根据具有图7的LED峰值的图1的示例性实施例，滤光器54应该被设计以：(1)在LED峰值(约440nm(宝蓝色)、约450nm(蓝色)和约475nm(蓝绿色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。滤光器52应该被设计以：(1)在LED峰值(约550nm(绿色)和约575nm(黄色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约440nm(宝蓝色)、约450nm(蓝色)、475nm(蓝绿色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。
根据具有图7的LED峰值的图8的示例性实施例，滤光器154应该被设计以：(1)在LED峰值(约440nm(宝蓝色)、约450nm(蓝色)和约475nm(蓝绿色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约550nm(绿色)、约575nm(黄色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。滤光器152应该被设计以：(1)在LED峰值(约550nm(绿色)和约575nm(黄色))处最大化光的反射；并且(2)在LED峰值(约440nm(宝蓝色)、约450nm(蓝色)、约475nm(蓝绿色)、约625nm(琥珀色)和约650nm(红色))处最大化光的透射。
应理解地是，在此处描述的实施例中的每个的优选模式下，LED阵列20、30、40由连接到阵列的控制器10控制。所述连接可以是如图1所示的电气的，或者可以通过无线通信方式来控制LED的输出光能力。在优选的实施例中，对由它们的峰值波长限定的颜色的控制不依赖于类似限定的其它颜色而被控制，并且多个阵列中的至少一个具有多个这样限定的颜色，其中的每个独立受控。
虽然关于有限数量的实施例描述了本公开，但从本公开获益的本领域技术人员可以领会，可构想出不背离此处公开的本公开范围的其它实施例。已详细地描述了本公开，可理解地是，可对其进行多种修改、替代和改变，这将不背离本公开的精神和范围。

Claims (4)

1.一种定向的光束照明设备，用于将多种不同颜色的LED组合为单一均匀化的光束，所述照明设备包括：
多个LED阵列(20、30、40)，其中至少一个LED阵列具有多个LED组，所述多个LED组具有不同的离散波长峰值，并且其中所述多个LED组中的至少一个的输出能够独立于所述至少一个LED阵列的其它组而被控制；其中所述多个LED阵列(20、30、40)使用具有介于深红色和琥珀色之间的范围内的不同颜色的第一LED阵列(20)，具有介于琥珀色和蓝绿色之间的范围内的不同颜色的第三LED阵列(40)，以及具有介于蓝绿色和深蓝色之间的范围内的不同颜色的第二LED阵列(30)；以及
多个二向色滤光器(52、54；152、154)，其适于将由所述LED阵列(20、30、40)发射的光(26、36、46)组合，并且被设计为选择性地透射或反射在所述多个LED阵列(20、30、40)中使用的LED的离散波长峰值，其中所述多个二向色滤光器(52、54；152、154)中的至少一个被配置为允许所述至少一个LED阵列的所述多个LED组的不同的离散波长峰值穿过而不受影响。
2.根据权利要求1所述的定向的光束照明设备，其中所述多个LED阵列(20、30、40)中的每一个具有至少两个不同的离散波长峰值，其中所述多个LED阵列(20、30、40)中的所述第一LED阵列(20)包括红色和琥珀色LED的布置，所述第二LED阵列(30)包括蓝色和蓝绿色LED的布置，所述第三LED阵列(40)包括黄色和绿色LED的布置。
3.根据权利要求1所述的定向的光束照明设备，其中所述多个LED阵列(20、30、40)中的每一个具有至少两个不同的离散波长峰值，其中所述多个LED阵列(20、30、40)中的所述第一LED阵列(20)包括红色和琥珀色LED的布置，所述第二LED阵列(30)包括蓝色和宝蓝色LED的布置，所述第三LED阵列(40)包括黄色和绿色LED的布置。
4.根据上述任意一项权利要求所述的定向的光束照明设备，其中还包括聚焦光学器件(60)，其接收由所述多个二向色滤光器(52、54；152、154)射出的全部的均匀化的光束(56)，并且所述光束(56)不穿过任何介于中间的均化光学器件。
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