CN113874657A

CN113874657A - 发光设备

Info

Publication number: CN113874657A
Application number: CN202080041305.0A
Authority: CN
Inventors: E·P·布尼坎普; L·J·L·海宁; J·J·瑞恩
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2021-12-31
Also published as: US11965625B2; EP3977008A1; US20220243875A1; WO2020244979A1

Abstract

一种适于将光束（15）投影到目标表面上的发光设备（1），该发光设备（1）包括：光引擎（2），其包括光源（3）；光混合室（4）；和光学组件（5），其具有带有弯曲光接收表面（51）的球形形状。其中光源（3）被布置成在操作中朝向至少一个光混合室的光出射窗（41）发射光，至少一个光混合室（4）的光出射窗（41）由此充当具有弯曲发光表面的扩展光源，其中光学组件（5）被设置成邻近光混合室的光出射窗（41），并且其中至少一个光混合室（4）的弯曲发光表面与光学组件（5）的弯曲光接收表面（51）共形，并与光学组件（5）的焦表面（52）重合。

Description

发光设备

技术领域

本发明涉及一种适于将光束投影到目标表面上的发光设备，该发光设备包括至少一个光引擎，该光引擎包括适于在操作中发射光的至少一个光源、至少一个光混合室和光学组件。

如本文所使用的，光混合室旨在意味着室、腔、管、或箱等，其适于或能够混合源自一个或多个光源的光并穿过它传播以形成输出，该输出是来自一个或多个光源的光的混合。

背景技术

对动态LED照明系统的兴趣在迅速增加，其中光束取决于用户的需求而改变其形状。可以通过智能手机或遥控器来控制光束。光束控制的当前示例使用液晶（LC）元件来控制准直的LED光束的形状。其他示例具有小型内置电机，以控制灯具内光学组件的移动。通过使用像素化的LED光源，动态光束也是可能的。这些配置工作得非常好，但是需要多个光学组件（诸如聚光透镜、多个平凸透镜、和漫射器膜）来成形最终光束。

例如，现有技术文献US-4727457公开了一种具有球状透镜和LED的设备。LED可以位于球状透镜的焦点中，或者在焦距内。然而，该设备是用于装饰照明的全向光源，并且不能够投影清晰的图像。

另外，所有已知的用于远程调节光束的构思要么昂贵，要么需要大量努力来构造和维持相当长的寿命（比如超过50000小时）。

因此，希望提供一种通过引言的方式提到的类型的发光设备，该发光设备具有更简单的构造、便宜、易于构造，并且该发光设备在其寿命期间几乎不需要维护或不需要维护。

发明内容

本发明的目的是克服该问题，并且提供一种适于将光束投影到目标表面上的发光设备，该发光设备具有更简单的构造、便宜、易于构造，并且该发光设备在其寿命期间几乎不需要维护或不需要维护。

根据本发明的第一方面，借助于适于将光束投影到目标表面上的发光设备实现了这个目的和其他目的，该发光设备包括：光引擎，其包括光源；光混合室；和光学组件，其具有带有弯曲光接收表面的球形形状。该光源被布置成在操作中朝向光混合室的光出射窗发射光，光混合室的光出射窗由此充当具有弯曲发光表面的扩展光源，该光学组件被设置成邻近光混合室的光出射窗，并且光混合室的弯曲发光表面与光学组件的弯曲光接收表面共形（conformal）并与光学组件的焦表面重合。

由此，提供了一种发光设备，其使得它有可能使用单个光学组件（即球形的光学组件）——该光学组件与成形的扩展光源（由于提供了至少一个光混合室）组合——来提供可调节光束。这种发光设备具有非常简单的构造，其需要很少的组件并且制造便宜。

特别地，通过将光混合室的弯曲发光表面设置成与光学组件的弯曲光接收表面共形、并且进一步与光学组件的焦表面重合，提供了一种发光设备，该发光设备构造和组装特别简单，并且该发光设备在其寿命期间几乎不需要维护或不需要维护。这样的发光设备能够投影非常清晰的图像。

此外，如从下面将清楚的是，因为扩展光源可以被划分成像素或域，所以图案式（动态）照明变得可能。对于零售/商店照明、建筑照明和室外照明，该方法具有巨大的潜力。

在实施例中，光学组件是球形透镜、球状透镜或电介质球体。

这种光学组件对于照明目的非常有用，并且不仅提供了发光设备的特别简单的构造，而且提供了特别清晰的投影图像。

在实施例中，光源包括至少一个LED、LED阵列、mini-LED阵列和micro-LED阵列中的任何一种。

这种发光设备的构造特别简单。此外，提供LED、mini-LED和micro-LED的阵列提供了扩展光源的特别均匀的光输出，并因而提供了射出光混合室的光束的特别均匀的光输出。

在实施例中，LED、mini-LED和/或micro-LED的阵列中的每个LED是单独可控的。

除了上述之外，这提供了使得能够微调扩展光源的光输出，并且因此微调射出光混合室的光束。

在实施例中，发光设备包括两个或更多个光引擎。

由此，提供了一种发光设备，其就可获得的光输出的变化而言具有更大的通用性，并且其因此可以满足更大范围的用户需求。

在实施例中，光混合室的光出射窗是矩形的。

由此，提供了一种发光设备，其允许提供更复杂的和可定制的照明图案，特别是在与采用多于一个的光源组合的情况下。

在实施例中，光混合室包括反射壁。

由此，提供了一种发光设备，该发光设备最小化或完全避免了光混合室中的光损失，并且利用该发光设备，光混合室的光输出特别均匀。

在实施例中，漫射器设置在光混合室的光出射窗处。

由此，提供了一种发光设备，利用该发光设备，传送到光学组件的光特别均匀，并且此外没有伪像（artefact）。

在实施例中，漫射器的形状与光学组件的形状共形。

由此，提供了一种发光设备，该发光设备构造特别简单，并且该发光设备在其寿命期间几乎不需要维护或不需要维护。此外，这种发光设备能够投影特别清晰的图像。

在实施例中，光混合室被划分成至少两个隔间。

由此，提供了一种发光设备，其就可获得的可能的照明图案而言具有更大的通用性，并且其因此可以满足更大范围的用户需求。

在实施例中，借助于漫反射壁或镜面反射壁将光混合室的至少两个隔间分隔。

由此，提供了一种发光设备，其使得能够单独控制光混合室的每个隔间的光输出，并且其因此就可获得的光输出的变化而言具有很大的通用性。此外，通过将分隔壁设置为反射壁或镜面壁，提供了一种发光设备，该发光设备最小化或完全避免了分隔壁处的光损失，并且利用该发光设备，光混合室的光输出因而特别均匀。

在实施例中，光混合室包括混合棒、锥形混合棒、光导、锥形光导、锥形六边形准直器、和方形混合棒阵列中的任何一种。

由此，提供了一种发光设备，该发光设备就可获得的可能的照明图案而言具有特别大的通用性，因为原则上任何照明图案都可以取决于光混合室的部件的特定构造和分布而获得。

此外，还通过准直光混合室的光输出，提高了发光设备的光学效率。

在实施例中，光学组件是透镜阵列或包括透镜阵列。

该实施例对于聚光灯模块特别有利，并且就成为可能的照明图案而言提供了进一步提高的通用性。

在实施例中，透镜阵列中的每个透镜与光源相关联。

由此，提供了一种发光设备，其具有减小的厚度，并且其具有优异的热性能。

此外，在第二方面中，本发明涉及包括根据本发明的发光设备的灯、灯具、或照明装置。

这种灯、灯具、或照明装置可以是用于零售或商店照明、用于建筑照明或用于室外照明目的的灯、灯具、或照明装置，例如聚光灯模块。

注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能的组合。

附图说明

现在将参照示出本发明的（多个）实施例的所附附图更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。

图1示出了根据本发明的发光设备的第一实施例的示意性截面侧视图。

图2A示出了根据本发明的发光设备的第二实施例的截面侧视图。

图2B示出了根据图2A的发光设备的底视图。

图2C示出了根据图2A的发光设备的光混合室的透视图。

图3A图示了利用根据图2A的发光设备获得的光图案，并且图3B图示了利用根据图2A的发光设备获得的强度分布。

图4A示出了根据本发明的发光设备的第三实施例的截面侧视图。

图4B示出了根据图4A的发光设备的底视图。

图4C示出了根据图4A的发光设备的光混合室的透视图。

图5A图示了利用根据图4A的发光设备获得的光图案，并且图5B图示了利用根据图4A的发光设备获得的强度分布。

图6A示出了根据本发明的发光设备的第四实施例的截面侧视图，并且该发光设备包括适于发射具有相互不同的色温的光的两个光源。

图6B示出了根据图6A的发光设备的另一视角的截面侧视图。

图6C示出了根据图6A的发光设备的底视图。

图7A-图7C图示了利用根据图6A的发光设备可获得的三种不同的示例性光图案（顶部）和强度分布（底部）。图7A图示了两个光源都开启的结果，图7B图示了具有较高色温的光源开启的结果，并且图7C图示了具有较低色温的光源开启的结果。

图8A示出了根据本发明的发光设备的第五实施例的示意性截面侧视图，并且该发光设备包括具有两个隔间的光混合室。

图8B示出了根据图8A的发光设备的透视图。

图9A和图9B图示了利用根据图8A的发光设备可获得的两种不同的示例性强度分布。图9A图示了布置在两个隔间中的光源开启的结果，而图9B图示了布置在一个隔间中的光源开启并且布置在另一个隔间中的光源关闭的结果。

图10示出了根据本发明的发光设备的第六实施例的透视图。

图11A示出了根据本发明的发光设备的第七实施例的透视图。

图11B示出了根据图11A的发光设备的截面侧视图。

图12A和图12B图示了利用根据图11A的发光设备可获得的两种不同的示例性光图案。

图13示出了根据本发明的发光设备的第八实施例的截面侧视图，并且该发光设备包括多个光引擎。

类似的附图标记始终指代类似的元件。

注意，遍及附图，例如参见图3A，

表示投影面（例如地板或墙壁）上的照度，并且例如参见图3B，

表示利用发光设备获得的远场强度曲线图（profile）。

具体实施方式

现在将在下文中参照所附附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向技术人员全面地传达本发明的范围。

图1示出了根据本发明的第一实施例的发光设备1的截面侧视图。

通常，并且与实施例无关，发光设备1具有适于将光束15投影到目标表面上的类型。发光设备1包括至少一个光引擎2。光引擎2包括一个或多个光源3、至少一个光混合室4和光学组件5。光学组件5具有球形形状。

通常，并且与实施例无关，当沿着发光设备1的光轴6看时，至少一个光混合室4布置在至少一个光源3和球形光学组件5之间。

此外，发光设备可以包括具有前窗8的外壳7。外壳7可以是黑色吸收外壳或管。前窗8是透明的，并且可以例如由透明的聚碳酸酯或纹理化的PMMA制成，其可选地设置有漫射组件（诸如漫射器膜）。

通常，并且与实施例无关，至少一个光源3包括一个或多个LED。LED可以适于发射任何可行颜色的光。在包括两个或更多个LED的实施例中，LED可以适于发射相同色温的或者两个或更多个不同色温的光。至少一个LED也可以是可调LED。

通常，并且与实施例无关，至少一个光混合室包括光出射表面或窗41、底表面43、以及在光出射窗41和底表面43之间延伸的周界表面42。底表面43和周界表面42是非发光表面。

图1的发光设备1包括一个光混合室4和一个光源3。至少一个光源3布置在光混合室的底表面43上。

通常，并且与实施例无关，至少一个光源3被布置成在操作中在大致朝向光混合室4的光出射窗41的方向上发射光，使得光混合室4的光出射窗41由此充当扩展光源。

通常，并且与实施例无关，光学组件5被布置成邻近光混合室4的光出射窗41。光混合室的光出射窗41包括被配置成与光学组件5的外表面51的曲率一致的曲面。也参见更好地示出了光出射窗41的曲率的图2C和图4C。此外，光出射窗41被定位成以便与光学组件5的焦表面52重合。

如图1中示意性图示的，光学组件5可以是电介质球体、球形透镜或球状透镜。这种光学组件的特征在于具有半径

和折射率

。光学组件5还包括直径

。图1示出了平行入射光束的焦点

。焦点

位于焦面52上。焦面52是球形面。因此，焦距

满足关系：

{1}。

球形透镜的焦面（或焦表面）的位置通常接近球形透镜表面。例如，如果折射率

为2，则焦面正好位于球状透镜的表面上。这种透镜通常用于光纤-光纤耦合。

球形透镜和球状透镜对于照明应用非常有用。因为焦面十分接近球形透镜表面，所以有可能以有效的方式将扩展光源的图像投影在地板或墙壁上。先决条件是扩展光源的表面、以及因此在本发明中光混合室4的光出射窗41的表面遵循焦面52的形状。

图2A示出了根据本发明的第二实施例的发光设备100的截面侧视图。图2B示出了根据图2A的发光设备100的底视图，并且图2C示出了根据图2A的发光设备100的光混合室的透视图。发光设备100与上面描述的图1的发光设备的不同之处在于，发光设备100的光混合室400设置有方形截面形状。

为发光设备100的光混合室400提供方形截面形状的原因是为了提供方形照明图案。然而，并且如图3A所图示，这种光混合室400实际上提供了具有凹形侧边的方形光图案。图3B图示了图3A的图案的强度分布。

图4A示出了根据本发明的第三实施例的发光设备101的截面侧视图。图4B示出了根据图4A的发光设备101的底视图，并且图4C示出了根据图4A的发光设备101的光混合室401的透视图。发光设备101与上面描述的图1-图2C的发光设备的不同之处在于，发光设备101的光混合室401设置有具有凹形侧边的方形截面形状。由于提供凹形侧边是为了获得完美的方形照明图案，因此光出射窗41的形状应该与图2A-图2C中所示的形状相比较而被适配。光混合室401的光出射窗41的周界形状可以由以下参数方程限定：

在方程2和方程3中，

是描述混合室的周界的参数表示

中的参数，

是比例因子，并且

是决定形状的因子。举例来说，在方程2和方程3中，

等于10毫米并且

等于1.22。在所示的实施例中，

等于15毫米，

等于2.00，

等于15毫米，并且

等于15.1毫米。投影面（例如地板或墙壁）上的所得照度在图5A中示出，其特征是完美的方形图案，并且利用发光设备401获得的远场强度曲线图在图5B中图示。分别在图3和图5中所图示的示例中，光出射窗41和投影之间的距离为2000毫米。

在上述实施例中，假设扩展光源完全均匀，即扩展光源的光发射度（lm/m²）在整个发光区域之上是恒定的。为了调整投影的照度（例如以产生完美的均匀照明的方形），可以适配扩展光源的光发射度。

另一方面是扩展光源的质量或均匀性。可以通过将光源3设置为mini-LED或micro-LED的密集阵列来考虑该方面。典型的mini-LED的尺寸为100-200微米。micro-LED要小得多，比如10-50微米。这些LED形成几乎连续的发光表面。在投影图像中，各个LED几乎不可见。在该特殊情况下，micro-LED形成几乎连续的发光区域。然而，在LED之间仍然有小的狭缝或间隙，它们在完全成像时可以看到。为了避免这些狭缝或间隙的成像，并且因此微调投影的光图案的均匀性，可以将micro-LED的全部集合稍微（比如+/-0.2毫米）放置在焦点之外，即放置在焦面的前面或后面一点。为了微调投影的光图案的均匀性，可以将光源稍微放置在焦点之外（例如在焦面的前面或后面）。

现在转到图6A，示出了根据本发明的第四实施例的发光设备102的截面侧视图。图6B示出了从另一视角看的根据图6A的发光设备102的截面侧视图，并且图6C示出了根据图6A的发光设备102的底视图。发光设备102与上面描述的发光设备的不同之处在于，提供了两个光源31和32以及两个光混合室402和402'（参见图6B）。两个光源31、32布置在相互邻近布置的矩形光混合室402、402'上。两个光混合室402、402'的光出射窗41包括与光学组件5的表面51的曲率一致的曲率。在所示的示例中，该设置与球形透镜5组合，其中

等于15毫米，

等于1.80，

等于16.9毫米，并且

等于15.5毫米。两个邻近布置的光源31和32、并因此还有光混合室402、402'的两个矩形光出射窗41发射具有不同色温的光，诸如例如2200 K和6500 K。

光混合室402、402'的两个矩形光出射窗41产生三种可能的照明配置，如图7A（光源31、32都开启）、图7B（仅光源32开启）和图7C（仅光源31开启）中所图示。从发光设备到投影面的距离是2000毫米。该实施例允许更加复杂的和可定制的照明图案。

图8A示出了根据本发明的第五实施例的发光设备103的截面侧视图。图8B示出了根据图8A的发光设备103的光混合室403的透视图。发光设备103与上面描述的发光设备的不同之处在于，光混合室403设置有由光学分隔片或光学分隔壁11分隔的两个隔间9和10。具有多于两个的这种隔间的实施例也是可行的。因此，可以使用自由形式（freeform）的混合室来设计更复杂和灵活的系统，该混合室由大量可以单独控制的隔间组成。光源3放置在光混合室403的平坦表面43上。在该实施例中，光混合室403尤其可以是光混合箱。此外，光混合室403包括高反射性、且可选地也是漫射性的壁42。漫射器12（图8A）放置在光混合室403的光出射窗41处。漫射器12被成形为遵循球形光学组件5的焦表面的形状。这种光混合室403的优点在于，球形光学组件5从各个光源3接收均匀的光而没有任何伪像。

可以通过改变光混合室403的高度

和/或光源3在平坦底表面43上的布置来调整扩展光源（即光混合室403的光出射窗41）的光发射度（lm/m²）。这在原则上适用于本文公开的所有实施例。

另外，取决于光混合室403的光出射窗41上的相应位置，漫射器12可以具有不同的漫射特性。例如，当使用体漫射器时，漫射器12的厚度可以在光出射窗41之上变化。在图8A和图8B的示例中，混合室的高度

为10毫米，并且直径

为24毫米。对于球形光学组件，

等于15毫米，

等于2.0，并且

等于15.1毫米。提供有十个光源3，每个光源3的尺寸为1毫米乘1毫米。这些光源3被放置在光混合室403的底部43上的半径为10毫米的圆上。光源3是具有朗伯发射曲线图的LED。

图9A图示了当图8A-图8B的发光设备103的光混合室403的两个隔间9和10中的光源都开启时获得的光束形状（远场强度曲线图），并且图9B图示了当仅一个隔间中的光源开启时获得的光束形状（远场强度曲线图）。投影区域上的照度也在图9A和图9B中指示。投影区域是6000毫米乘6000毫米，并且到投影区域的距离是2000毫米。

注意，隔间之间的分隔可以是坚硬的或柔软的。图8A和图8B示出了隔间之间的坚硬的分隔。通过使用较低高度（即在整个长度上不接触成形的漫射器）的分隔片或分隔壁，可以使过渡更加柔软或渐进。

图10示出了根据本发明的第六实施例的发光设备104的透视图。发光设备104与上面描述的发光设备的不同之处在于，光混合室设置有锥形配置。更特别地，光混合室404是锥形的六边形准直器，其用于混合和准直具有相互不同的色温（例如2200 K和6500 K）的、来自两个LED光源31、32的光。准直光（除了混合两个不同LED光源的颜色之外）的优点是获得了更高的光学效率和更清晰（锐利）的图像的形成。

图11A示出了根据本发明的第七实施例的发光设备105的透视图。图11B示出了根据图11A的发光设备105的截面侧视图。发光设备105与上面描述的发光设备的不同之处在于，光混合室405包括具有方形截面形状的混合棒13、13'的阵列。在所示的示例中，提供了5乘5——或者总共25个——混合棒13、13'的阵列。不同的阵列尺寸也是可行的。因此形成的25个光出射窗41被成形为使得组合起来与球形光学组件5的焦表面的形状一致。每个混合棒13、13'与一个或多个LED光源3相关联。每个LED光源3或LED光源集群适于被单独控制，即开启或关闭或者甚至变暗。借助于这种发光设备105，可以产生复杂的光图案，如图12A和图12B中所图示。图12A示出了所有光源3被开启的结果，而图12B示出了一些光源3被开启而另一些被关闭的结果。

图13示出了根据本发明的第八实施例的发光设备106的截面侧视图。发光设备106与上面描述的发光设备（并且特别是关于图1描述的发光设备）的不同之处在于，提供了球形光学组件5的阵列，每个球形光学组件5与光混合室4和一个或多个光源相关联。为了简单起见，图13没有示出光源。换句话说，发光设备106包括多个光引擎2，特别是如通过非限制性示例的方式示出的五个光引擎2。

本领域技术人员意识到，本发明绝不限于上面描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。

此外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。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“一”或“一个”（“a”或“an”）不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims

1.一种适于将光束（15）投影到目标表面上的发光设备（1），所述发光设备（1）包括：

光引擎（2），包括光源（3），

光混合室（4），以及

光学组件（5），具有带有弯曲光接收表面（51）的球形形状，

其中所述光源（3）被布置成在操作中朝向所述光混合室的光出射窗（41）发射光，所述光混合室（4）的光出射窗（41）由此充当具有弯曲发光表面的扩展光源，

其中所述光学组件（5）被设置成邻近所述光混合室的光出射窗（41），并且

其中至少一个光混合室（4）的弯曲发光表面与所述光学组件（5）的弯曲光接收表面（51）共形，并与所述光学组件（5）的焦表面（52）重合。

2.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述光学组件（5）是球形透镜、球状透镜或电介质球体。

3.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光源（3）包括至少一个LED、LED阵列、mini-LED阵列和micro-LED阵列中的任何一种。

4.根据权利要求3所述的发光设备，其中所述LED、mini-LED和/或micro-LED的阵列中的每个LED是单独可控的。

5.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，包括两个或更多个光引擎（2）。

6.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光混合室的光出射窗（41）是矩形的。

7.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光混合室（4）包括反射壁（42；43）。

8.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中漫射器（12）设置在所述光混合室的光出射窗（41）处。

9.根据权利要求8所述的发光设备，其中所述漫射器（12）的形状与所述光学组件的形状共形。

10.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光混合室（4）被划分成至少两个隔间（9，10）。

11.根据权利要求10所述的发光设备，其中所述光混合室的至少两个隔间（9，10）借助于漫反射壁或镜面反射壁（11）而分隔。

12.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光混合室（4）包括混合棒、锥形混合棒、光导、锥形光导、锥形六边形准直器和方形混合棒阵列中的任何一种。

13.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述光学组件（5）是透镜阵列或包括透镜阵列。

14.根据权利要求13所述的发光设备，其中所述透镜阵列中的每个透镜与光源（3）相关联。

15.一种灯、灯具、或照明装置，包括根据上述权利要求中任一项所述的发光设备。