CN114216066A - 光束整形光谱滤波的光学元件及其照明设备 - Google Patents

光束整形光谱滤波的光学元件及其照明设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光束整形光谱滤波的光学元件及其照明设备。本申请涉及大多数发光设备，例如LED灯具，公开了一种滤波光束整形光学元件，所述光学元件控制发射光的光谱成分和发射光束的形状。将一种或多种滤光剂与用于制造光学元件的非滤光材料混合，所述光学元件随后被成型为期望的形状或构造来控制所述光束形状。将所述光源发射的整体波长范围的子范围内的光波移位来控制所述发射光的光谱成分。控制所述发射光在各种波长的光谱密度以取得期望的结果，例如使室外照明设备发出的蓝光的量最小化，特别是在夜间。此外，控制所述发射光的颜色成分，例如以尽量减少对感光物体(诸如食物产品、某些艺术材料)的破坏作用。

Description

光束整形光谱滤波的光学元件及其照明设备
分案申请的相关信息
本申请为发明名称为“光束整形光谱滤波的光学元件及其照明设备”的原中国发明专利申请的分案申请。原申请的中国申请号为201580016595.2；原申请的申请日为2015年3月4日。
临时专利申请的交叉引用
本申请要求2014年3月4日提交的名称为“光束整形光谱滤波的光学元件”(BEAM-SHAPING SPECTRALLY FILTERING OPTIC)的临时申请第61/947,890号、2014年5月23日提交的名称为“用于照明及食品包装的光束整形光谱滤波的光学元件”(BEAM-SHAPINGSPECTRALLY FILTERING OPTIC FOR ILLUMINATION AND PACKAGING OF FOOD PRODUCTS)的临时申请第62/002,645号，以及2014年6月2日提交的名称为“具有光谱滤波光学元件和非滤波光学元件的照明设备”(LIGHTING DEVICE HAVING SPECTRALLY FILTERING OPTICSAND NON-FILTERING OPTICS)的临时申请第62/006,507号的优先权，每个所述申请的全部内容都以引用其教导内容的方式并入本文。
背景技术
技术领域
本公开整体涉及照明设备。更具体地讲，本公开的实施例涉及与一种照明设备结合使用的方法和设备，这些方法和设备改变发光二极管(LED)(包括激光二极管和量子LED(QLEDS))的光度分布，并同时改变发射光的光谱功率分布(SPD)。其他实施例包括以提供所期望的照明环境的受控方式使用滤波光学元件和非滤波光学元件二者的照明设备。符合本公开的某些其他实施例被用来过滤会不利地影响各种食品和饮料的有害波长的光。
相关领域描述
灯具，或者更具体地讲，采用不当设计的光学系统的灯具和/或采用效率低下传统光源的那些是商业、工业、市政和住宅应用中造成能源浪费的著名例子。为尝试解决这种造成能源浪费的已知源头，许多联邦、州和地方政府已经颁布法规，要求或至少鼓励用更新、更节能的系统(如采用LED的那些)更换较旧的、低能效的照明系统(如白炽灯、紧凑型荧光灯(CFL)和高强度放电(HID)照明系统)。
美国政府甚至通过向颁布此类法律的地方和州政府提供联邦经济刺激资金来鼓励使用和采用节能照明系统。此外，作为提高国家老化电力基础设施的可靠性以及与联邦政府执行的保护工作合作的手段，公众和投资者所有的公用事业通过提供法定和海关退税来积极地鼓励替换传统光源技术。因此，行业已经迅速地推进LED照明技术的开发和部署，这项技术在几年前在很大程度上出于经济考虑而遥不可及，而目前已经出现了许多可行的节能LED照明方案。在新出现的替代光源中，高亮度LED技术已被认为是无可争议的理想工业光源。
但是，由于诸如新灯具的初始购买成本和安装成本等多种仍存在的经济因素，LED技术尚未被大范围完全采纳。此外，当LED灯具广泛用于室外或室内照明应用时，它们带来了意想不到的后果。例如，现代的LED通过转化LED封装内管芯发射的蓝光(大约发生在450至495nm之间，即通常在10nm之内的窄波长内)来产生白光。然后通过使用本地或远程施加的磷光体将此蓝光转换为白光，这些磷光体吸收了从LED管芯发射的一些蓝光。这些磷光体负责将吸收的蓝光转换成具有更长波长的光，特别是可见光谱的绿光和红光区域中的波长。未吸收、未转换的蓝光与红光和绿光波长的光组合，提供了白光的外观。
遗憾的是，由高亮度LED产生的蓝光发射已被发现在例如天文学等领域(更具体讲是对“夜空”的观察)中有增加的负面影响。传统光源(诸如高压钠(HPS)灯和低压钠(LPS)灯)在蓝光范围发射有限(几乎没有)波长的光，因此与天文学更兼容。此外，比较新的研究已将LED发射的富蓝光的影响与人类及其他生物体昼夜节律的破坏联系起来。因此，广泛安装富含蓝光发射的白光光源是国际暗天组织(IDA)最大的担忧之一。
很少有争论的是，最新的技术进步已使室外照明更有效，但同时，如前所述，这些新的照明解决方案比传统光源含有丰富得多的蓝光波长。具体地讲，现今正在实现的节能白光灯发射比最广泛使用的高强度放电(HID)光源(例如金属卤化物灯(MH)、高压钠灯(HPS)和低压钠灯(LPS))更多的蓝光。另外，最新的医学研究显示，暴露于富蓝光光源(例如LED发射的光)可引起天然存在的人褪黑素(MLT)水平降低。
考虑到富蓝光与人体生理学之间的联系，应努力(如果不消除)显著减少长期暴露于这些光源下。对于在晚上经常长期暴露于人工照明的人和/或依赖于无富蓝光(例如太阳光)的夜行动物来说，尤其如此。虽然已经尝试对LED光源发射的蓝光数量进行限制，但还采取了措施来增加发射光的“暖度”，或者更具体地说，降低光的相关色温(CCT)。也就是说，通过将发射的蓝光中的更大数量转换为可见光谱的绿光和红光部分，可以将光源发射的光的颜色外观(例如，其CCT)从“冷白光”改变成“暖白光”。
图1中描绘了一种已知设备，它包括典型封装的LED光源，该LED光源由蓝光LED芯片12构成，该蓝光LED芯片发射的光11具有在蓝光波长范围内的发射峰。该蓝光LED芯片受树脂模具13保护，该模具封装磷光体材料14，该磷光体材料被从该蓝光LED芯片发射的蓝色光11激发。如磷光体化学性质所确定的那样，封装的磷光体14吸收LED发射的部分蓝光11并且发射绿光和红光15，绿光和红光15与该蓝光LED芯片发射的未被吸收的蓝光11组合。这导致发射白光16，此白光具有在蓝光波长范围内的发射峰。
然后将独立滤光器17置于发射的具有蓝光发射峰的白光16的光路上，以试图滤掉一些蓝光。这样得到了过滤的白光18，此光被认为具有比未过滤的白光16“更暖的”CCT。这样更暖的白光对于住宅或医院的室内应用是必要的。但是，对于商业应用、尤其是要求更高水平的光度控制的应用来说，使用次级滤光介质以尝试控制发射光的光谱分量的照明设备(例如图1所示的设备)会造成问题。由于光透射通过第二表面，第二表面的几何形状和/或折射率可以防止光无改动和损失地通过它，因此，这种提议的解决方案导致光损耗增加，这导致系统效能降低，并且有可能造成发射光的光度图案移位。
此外，已知光会导致食品发生光降解或变质。这种光降解通常发生在食品的组分中，例如颜料、脂肪、蛋白质和维生素。这种变质以若干形式体现，例如食品的变色、引起一种或多种异味，以及维生素损失。例如，用于照亮陈列柜中或冰箱内食品的光会被食品吸收，并造成一种或多种上述食品组分变质。这导致食品表面变色，而且会不利地影响消费者对产品的接受度。
另外，在液体食物产品中，光甚至能够更深地穿透到产品中，即穿过了外层，并且随着液体通过运输、搬运等而被搅拌，该液体中受影响的部分混合在整个产品中。这造成食物产品的更大部分受到光的负面影响。食物产品变质的类型和程度取决于若干因素。这些因素包括：光源的具体类型(包括被食物吸收的特定波长的光)、光源距离食物的距离和食物暴露于光的持续时间、食物的包装、食物内的氧气量和食物暴露于光时的存储温度。
因此，期望提供一种节能照明解决方案，它能有效地照亮所需的目标，而且在同一时间将光源的光谱功率分布修改至期望的阈值水平或低于期望的阈值。还期望控制一个或多个特定光谱分量，例如通过吸收可见光或不可见光波长(例如从该照明设备发射的蓝光)。应该在提供给目标的光通量没有明显损失的情况下实现这些所期望效果中的每一个，同时控制所期望的光束形状。还期望为各种固体和液体食物产品提供一种将减少或消除光波对食物的不利影响的照明解决方案。
示例性实施例概述
考虑到与常规照明设备相关联的问题，包括但不限于上述问题，根据本申请的一个或多个示例性实施例的照明设备整体涉及耦合有单个光束整形光学元件的LED设备。此耦合的光学元件(诸如自由形态全内反射(TIR)光学元件)将LED发射的光的光度分布转换为所需图案，并且还提供带通滤波以控制LED发射的光的光谱功率分布。图2A至图2C示出了可与本申请的实施例结合使用的一类LED光学元件。符合本申请的LED光学元件中的一个或多个可以在灯具组合件内使用以用所需波长的光照亮所需目标区域。
更具体地讲，一个或多个实施例包括工程树脂材料(本文中简称为树脂，但包括其他合适的材料，如玻璃和硅树脂)制成的光束整形TIR光学元件。通过将滤光剂与适于光学元件的材料(如丙烯酸酯(聚甲基丙烯酸甲酯，或简单地称为PMMA))、塑料、硅树脂、玻璃、聚合物、树脂等)混合来形成此光学元件。此光学元件与LED光学耦合，以将发射光的光度分布转换为所期望的图案，并且同时提供一定水平的带通滤波。由此，该灯具的整体光谱功率分布得到控制。尽管已经知道TIR光学元件的基本用途，但并不知道利用这样一种树脂，它通过在TIR光学元件内使用特定材料(例如染料、磷光体、荧光材料和量子点)来滤光和/或进行光的斯托克斯移位。如上所述，现有的方法涉及使用次级滤光介质来过滤发射光，由于镜头的特定几何结构和/或折射率，这将造成光损失增加，并有可能使光度图案移位。
根据符合本公开的各种实施例，利用单个光学元件进行滤光和光束整形可以被用在各种应用中，包括但不限于一般室内照明；一般室外照明；泛光照明，包括对食品加工和展示的照明；便携式照明；汽车照明；移动设备照明；艺术品照明；零售和一般展示照明；飞机和航空照明；对光敏生物和制药工艺、半导体加工和其他光敏应用的照明。
出于优先考虑或为了防止不利的或不希望的环境、生理和/或技术后果，根据本申请来过滤特定波长的光以发射受控的光谱密度并影响此光谱的做法可用于例如限制或防止可见或不可见光的特定频率被投射到环境中。实现本文所公开的技术的另一个成果是改善各种照明应用中的颜色质量，例如就酒店和零售业照明空间而言。
除了提供包括光谱滤波光学元件的照明解决方案，本文所公开的照明设备的其他方面包括滤光和非滤光光学元件。根据示例性实施例，在单个灯具中提供了包括一个或多个滤光光学元件的光模块以及具有非滤光光学元件的光模块。根据期望的光输出(例如色温和其他光谱分量)，以受控的方式激活这些光模块，从而实现期望的效果。
根据其他示例性实施例，提供了一种动态系统。该动态系统由配置有滤光光学元件和标准的透明非滤光光学元件(例如由PMMA制成)组合的LED阵列组成。根据其他示例性实施例，该动态系统与控制器(诸如无线或有线控制器)结合，所述控制器控制将哪个LED或LED组合被激活。根据这些示例性实施例，可以在单个照明设备(例如，灯具)内实现滤光和非滤光光学元件的任意组合。
根据一个或多个示例性实施例，提供了一种整装智能无线控制模块或PCB集成设计，它包含一个或多个独立控制的开关输出和一个或多个数字和/或模拟0至10V输出，这些输出可以被用来开关电源和调整连接的LED电源的工作电流，以及提供全程调光。
每个智能无线或有线控制模块都能够控制一个或多个夹具，并能够被单独地控制或与其他照明设备组合。无线控制模块例如通过900MHz射频与无线自组织和自愈网状网络内的其他设备通信。
无线和非无线独立控制器以及集成设计都采用非易失性存储器，可在该存储器中编程、存储和自动激活基于时间的适应或控制。
根据本发明的一个方面，提供了一种照明设备，它包括发射第一带宽的光的光源和耦合到光源的单个光学设备，其中所述单个光学设备过滤具有所述第一带宽内的预选波长子范围的光以生成第一过滤光并控制所述过滤光的光束形状。
根据本发明的另一个方面，提供了一种照明设备，它包括发射具有第一带宽的光的第一光源、发射具有第二带宽的光的第二光源、耦合到所述第一光源的第一光学设备，其中所述第一光学设备过滤具有所述第一带宽内的预选波长子范围的光并生成第一过滤光。该照明设备还包括耦合到所述第二光源的第二光学设备，其中所述第二光学设备允许所述第二带宽的光不经过滤就从中通过。还提供了一种控制设备，其可操作地连接到所述第一和第二光源，并可操作来控制是从所述第一和第二光源中的一个发射、两个发射光都发射或二者都不发射光。
根据本发明的又另一个方面，提供了一种制备照明设备的方法，其包括将滤光剂和光学材料混合，将所述混合操作的结果成形以形成滤光光学设备，以及将该滤光光学设备耦合到发射第一波长范围内的光波的至少一个LED。根据这一方面，所述滤光剂吸收波长在所述第一范围的子范围内的光波，并且所述滤光光学设备控制所述照明设备的光束形状。
附图说明
下文将以举例的方式结合附图详细描述本发明的设备和方法的示例性实施例，其中：
图1示出了根据常规LED照明设备的过滤蓝光的已知方法；
图2A是符合本公开的示例性实施例的LED照明设备的TIR光学元件的透视图；
图2B是图2A中所示光学元件的侧正视图；
图2C是图2A中所示光学元件的前正视图；
图2D是图2A中所示光学元件的剖视图；
图3是不含耦合的光学元件的裸LED的光强分布图；
图4是耦合有图2A至图2D所示的光学元件的LED的光强分布图；
图5是示出了可见光和近可见光谱中辐射的相应波长的光谱图。
图6是示出了人眼在典型日光条件期间观察到的不同颜色光波的相对强度的色度图；
图7是示出了明视、中间视觉和暗视条件下不同颜色光波的不同发光效率的图表；
图8的坐标图示出了根据本公开的用于各种颜色光波的示例性长通滤波器的相应透射曲线；
图9A的曲线图示出了一种灯具的发射光的光通量输出与波长之间的关系，该灯具有一个或多个LED，这些LED具有各自的光束整形TIR光学元件而没有波长移位染料；
图9B的曲线图示出了根据本公开的一个或多个实施例的灯具的发射光的光通量输出与波长之间的关系，该灯具有一个或多个LED，这些LED具有各自的光束整形TIR光学元件，这些TIR光学元件含有波长移位染料；
图10是根据一个或多个实施例的单个室外灯具设备的透视图，该灯具设备具有多个滤光和非滤光光学元件二者；
图11的图示出了根据一个或多个实施例的图10的单个灯具中滤光和非滤光光学元件集合的近距离视图；
图12的表格示出了12个不同预设值和它们对应的照明参数值的列表，这些值用于控制对应于图10的灯具中滤光和非滤光光学元件的LED；
图13的曲线图示出了对应于图12的表格中所列的预设控制值的不同波长的光的相对强度。
具体实施方式
符合本公开的设备的示例性实施例包括下面详细描述的一种或多种新颖特征。例如，本发明的示例性实施例中的一个或多个包括耦合到LED设备的TIR光学元件，该光学元件由一种或多种材料形成，所述材料用于吸收可见光波频带并使所吸收的光带宽的至少一部分的波长移位至所吸收的带宽之外的一个或多个波长。
图2A是根据示例性实施例的LED照明设备的TIR光学镜头200或光学元件的透视图。图2B和图2C分别是光学元件200的侧正视图和前正视图。光学元件200是由丙烯酸酯或一些其他合适的材料(如塑料、硅树脂、玻璃、聚合物、树脂等)制成的自由形态的光学元件。根据所示的实施例，自由形态的光学元件200包括一个或多个反射或折射表面210、220、230、240、250、260、270，它们的形状具有独特设计以控制发射光并将其整形成期望的图案。图2D是光学元件200沿中心线截取得到的剖面图或剖视图。外部折射表面和容纳LED芯片(未示出)的内部腔体225示于图2D中。
图3是根据本申请的裸板LED的光强分布图。更具体地讲，如图3左侧的图300上的虚线305所示，裸LED(未示出)，也就是未耦合有光束整形TIR光学元件的LED，在LED正下方(即0度垂直角)的一点处提供了最大光强度，在图3中所示实例中为约4,055坎德拉。随着垂直角增大，光强度逐渐减小，直至90度垂直角处为约0.0坎德拉，并且在大于90度的垂直角处(即在LED所在平面上方)保持在0.0坎德拉。
以举例的方式并且不旨在限制，图3右侧的图350示出了自水平面测量的裸LED的光的相对强度分布图。如由半圆形曲线图355所示，定位成在垂直方向上照明而没有耦合任何光学元件的裸LED在所有水平角上均提供了均匀的最大强度。例如，图3中的LED被定位在标为“X”的位置处和在水平面(例如地面)上方的给定高度(例如20英尺)处。曲线图355显示，最大强度是以一致的圆形图案照射的，即约4,055坎德拉。也就是说，在每个横向角度均测得了相同的最大发光强度值，即4055坎德拉。
图4是类似于图3中所示的曲线图的光强分布图，但其中有一处明显的不同。与图3中不同，图4并不测量裸LED，而是当图2A至2D中所示的TIR光学元件耦合至LED时的光强分布图。图4左侧的图400包括虚线图405，其具有远比裸LED的图3中相应的曲线图更窄的分布。具体地讲，如图所示，具有光学元件的LED的最大发光强度被示为约15,719坎德拉，此最大强度发生于约67.5度的垂直角处，即在标记410的点处。
图4右侧的图450示出了通过包括最大光强值(即约15,719坎德拉)的平面的发光强度分布。如图所示，沿约72.5度的横向角处(即点460处)的最大强度平面得到了细长的分布。
因此，如图3和图4中所示，根据本申请的一个方面，通过将专门设计的光学元件(例如图2A至图2D中所示的光学元件)耦合至LED，可以将来自LED的光整形成期望的图案。例如，图4中所示的光图案可用于照明开放区域内(例如在停车场或街道上)的一个或多个物体。
将光束整形，使得光强度被引导在特定目的所期望的精确方向上，这只是本申请的一个方面。控制发射光的光谱成分是另一个重要的方面。例如，根据一个示例性实施例，控制发射光的光谱成分，使得灯具发射的蓝光的数量被大大减少或消除。
图5是示出了可见光和近可见光谱中辐射的相应波长的光谱图。人眼识别或“看见”可见光谱中的光，这包括波长范围从约380nm至约780nm的光波。光谱中的波长低于380nm的部分被称为近紫外到紫外辐射，高于740nm的波长被称为红外辐射。此外，如人眼所看到的，在可见光的整个范围内，每个波长代表着不同的颜色。例如，蓝光具有范围从约435nm至约500mn的波长，绿光在约520nm至约565mn的范围内。
图6示出了光度函数或发光效率函数，它描述了人对亮度的视觉感知的平均光谱灵敏度。它基于对一对不同颜色的光中哪一个更亮的主观判断来描述不同波长的光的相对灵敏度。它不应视为在所有情况下都完全准确，但它很好地表示了人眼的视觉灵敏度，因此值得作为实验中的基线。这些被称为“明视”条件。因此，如所示，在明视条件期间，人眼对绿光(也就是约555nm的波长的光)最为敏感。如图中所示，(例如)从强度的角度来看，黄色和青色是接下来最可识别的颜色，然后是蓝色和橙色，再然后是紫色和红色。
图7示出了在白天(明视)、黄昏(中间视觉)和极微光(暗视)条件下，人眼分别对不同频率或波长的光的响应(即发光效率)的相对偏差。如图所示，当观察环境亮度暗时(例如在没有月光的夜间)，与明视响应相比，发光效率曲线向下移动，即图7中左侧曲线。在这些条件下，人眼对蓝光(例如，具有约507nm左右波长的光)最敏感。
因此，当具有大量蓝光的照明(例如上文所述的白色光LED)被用来在夜间照亮户外目标时，被散射(例如瑞利散射)到环境中的蓝光波长范围内的光将会对夜空具有最大影响。换句话说，人类将在任何散射白光中识别出比其他波长的颜色更多的散射蓝光部分。因此，在光被物体反射时或当对光束的控制不够充分以致一些光被直接发射到天空中时，使用明亮白光LED的路灯和泛光灯向天空中贡献了大量的蓝光。如上所述，此类条件是光污染的一个显著成因。
根据本申请的示例性实施例，目标蓝光波长被TIR光学元件(例如图2A至图2D中描述的元件)的物理组件吸收，并使发射光谱成分移位。例如，将能够吸收蓝光波长范围内的光的染料与用于制造该光学元件的丙烯酸类材料混合。这样，包括从白光LED输出的总的白光光谱的蓝光的波长带被染料吸收，同时允许吸收频带之外的其他波长的光通过该光学元件。例如，采用根据本实施例的一个或多个LED设备的路灯发出的任何散射光将不会被发射到夜空中，如上所述，这些散射光原本会加重光污染。
根据另一个示例性实施例，根据本发明的滤光光学元件被用来过滤掉有害的光波长，在它们被允许接触各种食物产品和/或被各种食物产品吸收之前。根据这些和其他实施例，将特定波长的光(例如400至500纳米范围内的蓝光)从一个或多个LED发射的光中滤掉。这些LED提供了对食物或饮料的照明，例如肉、奶酪、奶，和其他乳制品，以及软饮料、果汁和甚至啤酒，这里仅举几例。
通过该方法将特定的光波从发射光中滤掉，该方法包括光源处的滤光光学元件，例如一个或多个上文所述并在附图中示出的光学元件。另一种用于在适当波长的光被固体或液体食物吸收之前将其过滤掉的方法包括为食物提供能够过滤适当波长的包装。例如，用于包装奶、啤酒或其他容易受到光波影响的饮料的瓶子被制成具有滤光性能。
本实施例对例如奶牛农场/养殖场和加工设施的业主/运营者具吸引力，像其他人一样，他们(甚至是被迫)对降低他们设施的能源消耗来作为抵消电气照明和相关HVAC成本的手段非常感兴趣。
遗憾的是，如上所述，牛奶易受“光敏”风味物和营养物减少的影响，尤其容易受到低于500nm的波长的光的影响，因此一些生产商试图通过使用彩色包装(例如，黄色和/或UV涂覆)来一定程度地减少这些影响。但是，与不透明和遮光包装相关的成本难以从消费者那里收回。此外，生产、加工、冷藏及相关运输设施使用了光源(例如效率低下的金属卤化物灯和荧光灯)，这些都是更节能的LED照明技术的目标。虽然这些传统的光源会产生也被证明影响食物产品的质量的UV，但与LED相比，它们在400至500nm的范围内产生少得多的蓝光。
当进行大量研究来开发用在乳制品上的包装和涂覆系统时，LED光源尚未问世。因此，根据LED照明的进步，符合本文所公开实施例的树脂提供了比现有包装合适的改进。具体地讲，乳品和其他饮料工业的装瓶过程中所用的现有树脂不会过滤或上移不需要的光波长，例如有害的蓝光。然而，如上所述，根据本文所公开实施例制成的树脂和其他材料执行这种过滤和移位。
因此，随着食品行业转向使用LED制冷柜照明，即含有比传统光源更多蓝光成分的照明，封装在白色和/或透明包装中的乳制品将经受更大的变质率。为减少或消除这种增加的变质，根据本发明的一个或多个实施例，光源和/或由树脂或者吸收和/或偏移蓝光波长的其他材料制成的包装处的滤波光学元件将克服该问题。
使用滤光光学元件的本发明的其他示例性实施例包括但不限于：(1)食品生产、加工、冷藏和相关运输(例如货源到货架)中使用的一般环境或任务照明，(2)消费者和专业设备中使用的制冷灯，(3)专业零售情况中使用的制冷灯，(4)乳制品、肉类和农业运输行业使用的内部货物灯，以及(5)乳制品/肉类/产品(即食品)的相关生产/加工/冷藏/运输中使用的工业/商业照明设备。此外，对于与照明无关的滤光光学材料的潜在新用途包括：(1)产品包装和(2)展示箱窗口。
例如，啤酒通常是瓶装和包装在高压钠(HPS)灯照射区域中。这是因为HPS灯不发出具有约350-500nm的临界范围内波长的大量光。如果在装瓶过程中，并直到瓶子不再暴露于光的壳体包装操作，瓶子暴露于光中过多量的时间(例如，当机器发生故障时等)，必须处置所有暴露瓶子的内容物。
可根据一个或多个实施例使用的示例性LED是明亮白光LED，例如由日亚化学公司(Nichia Corporation)提供的Nichia 219B LED。如上所述，这种白光LED趋向于发出大量蓝光，其理想地应被过滤或斯托克斯移位，以提供更多可接受的光谱成分。根据本公开的一个示例性实施例，将用于吸收蓝光的染料混合到用于形成TIR光学元件的塑料或丙烯酸类材料中。
可掺入到根据本实施例的塑料光学元件中的一种已知染料是由新泽西州希尔斯伯勒市的Adam Gates公司(Adam Gates&Company,LLC of Hillsborough,New Jersey)提供的DYE 500nmLP。这种特定染料是黄色自由流动的粉末材料，其可被熔化并与用于形成主光学结构的塑料或丙烯酸类材料均匀混合。一种合适的材料是丙烯酸类聚合物树脂材料，例如由Altuglas国际公司(Altuglas International)提供的
Figure BDA0003486836990000121
V825。
图8示出了500nmLP染料的透射曲线。更具体地讲，曲线810示出了用于对该染料起作用的辐射的相对透射水平。如图所示，具有高于500nm波长的辐射被100％透射，具有低于约480nm波长的辐射被0％透射。波长在480nm和500nm之间的辐射基本上都被染料吸收。换句话讲，蓝光(包括紫光和紫外线)几乎都被染料吸收，所有的绿光、黄光、橙光和红光(包括品红和红外光)都被允许通过该染料。并且，根据本发明实施例的光学元件(包括直接LED光学元件的实施例和由光谱滤波树脂或其他材料制成各种包装的实施例)通过一种或多种不同方法制成，包括各种形式的吹塑成形，例如，挤出吹塑、注射吹塑、拉伸吹塑和再加热吹塑。
根据本公开的一个实施例，由LED发出并进入光学元件中的至少一些光波被斯托克斯移位至更高波长。也就是说，由于荧光材料的性能，被染料吸收的光(即本例子中的蓝光)以高于所吸收蓝光的波长再发出。因此，不仅由光学元件最终发出的蓝光的量被基本去除，而且由光学元件发出的光的光通量(即确认的功率)也未减少接近如被吸收光的量那么高的值。换句话讲，除了具有约455nm左右波长的光(即蓝光)从发射光谱中被去除之外，还发出具有高于455nm波长的其他光。
图9A是示出光通量输出随根据本公开的一个或多个实施例的灯具所发出光的波长变化的曲线图。在该示例性实施例中，类似于图2A至图2D的光学元件的TIR光学元件耦合到每个LED，但未将染料混合至用于形成TIR光学元件的丙烯酸类材料中。具体地讲，构造了具有耦合至相应光学元件设备的72个单独宽频谱白光LED的泛光灯具，并观察各种测试测量。如图9A所示，由灯具发出的光在约450nm波长处具有第一极大值910，并在约560nm处具有第二极大值920。
图9B是示出如结合图9A所用相同灯具的光通量的曲线图，但有一个主要不同。当形成TIR光学元件时，将上文所述荧光染料混合到丙烯酸类材料中。如图9B所示，由灯具发出的光谱成分缺少波长小于约455nm的辐射，例如，对应于图9A中的第一极大值910。此外，发出的光的光谱已向更高波长移位。例如，图9B中的峰波长为约560nm，其对应于图9A中的第二极大值。但是，图9B中的峰光通量(即在560nm处)的量级大于对应的9A中的第二极大值的值。这表明，至少一些被吸收的蓝光(例如约455nm)已经移位成为绿光(例如560nm)。
虽然已选择各种实施例来说明所公开的方法和设备，但本领域技术人员将理解，可在不脱离由所附权利要求所限定的本公开范围的情况下作出其他修改。例如，上述用于从发出的光的光谱中去除蓝光并控制光束形状用于照明室外物体(例如道路等)的示例性实施例仅仅是本公开的一个实际应用。具体地讲，可以设想，可吸收其他波长的辐射并用于使频谱成分移位，并且由光学元件的构造所定义的其他光束形状落入本公开的精神和范围内。
例如，已经发现，在夜间，人造光破坏人体的生物钟(即昼夜节律)，因此，暴露于过多量光的人类经受更高比例的睡眠功能障碍。此外，研究表明，过量的光(尤其是在夜间)可能有助于癌症、糖尿病、心脏病和肥胖症的形成。蓝光往往对人体最具破坏性，尤其在夜间。
独立实验已经发现，蓝色光抑制褪黑素的时间大约是绿光的两倍，并且改变昼夜节律两倍之多。因此，如果减少发出蓝光的量以及可能将一些蓝光移位转变为绿光或红光，那么各种照明应用都将受益，这样的应用旨在落入本公开的范围内。
应当理解，本文所公开的方法和设备不限于辐射光束形状的任何范围或有限范围的波长。更具体地讲，通过举例的方式，本公开的用于光束成形和光谱成分控制本质的另一个应用涉及艺术品的照明。也就是说，所有光都会导致艺术品不可逆转地受损害。损害的程度取决于光源类型、光源强度和艺术品经受曝光的时长。因为光对艺术品的损害是累积的，艺术品暴露的时间越长，损害就越强。
自然光是较强的能量来源，并包含紫外(UV)辐射。因为大多数艺术品由有机材料构成，例如，如存在于各种涂料中那些，艺术品特别易受UV波长影响。这会导致不同形式的损害，包括变色。可见光谱中的辐射也会造成艺术品大量的损害和变色。因此，当照亮艺术品时控制发出辐射的光谱成分并控制光束形状以提供有效的照明图案，这可成为用于有效展示艺术品并同时保护艺术品免受不当辐射损害的有用工具。
图10和图11示出了根据进一步示例性实施例的灯具，其中滤光光学元件和非滤光光学元件(每一者都对应于一个或多个LED)用于实现定制照明解决方案。根据该实施例，控制器单元(未示出)用于以受控方式激活对应于滤光光学元件和非滤光光学元件的LED。例如，在一天中的特定时间，一些预设控制值用于改变哪些特定LED被激活，从而根据所用特定预设值实现期望照明效果。符合本文所公开实施例的示例性无线控制器公开于美国公布的专利申请号2012-0136485中，其全部内容以引用方式并入本文中。虽然可使用该美国公开申请中公开的控制器，但也可使用符合这些和其他实施例的其他无线或有线控制器。
根据这些示例性实施例的一个方面，无线控制提供可编程的LED照明，其降低并过滤模拟日光的传统光源中的波长。通过预设编程根据本实施例的有滤光光学元件和非滤光光学元件的灯具以提供不同程度的光“适应”，例如从黄昏到黎明或者针对具体应用定制的光。在灯具的夜间运行过程中，预设模式允许按需减少“蓝光”波长的光。
图12是提供十二(12)个示例性“预设”(1-12，列于左手边的列中)的图表。对应于每个预设值的分别是功率、CCT、照度和CRI值。根据日计时器或一些其他预编程的控制组，从来自灯具整体发出的光中过滤变化量的“蓝光”。如图所示，根据照明设备(例如灯具)是否位于市区或混合使用设置中、低人口密度区域或者诸如国家公园或其他保护环境的区域中，可使用不同的控制值。
图13示出了由配备有根据本实施例的滤光光学元件和非滤光光学元件的给定灯具发出的一系列光谱分布。根据本实施例，根据图12的表中所列出的预设(1-12)来控制对应于光学元件的单个LED。如图所示，由于根据预设值操作对应于滤光光学元件和非滤光光学元件的LED的不同组合，450nm附近波长带的“蓝光”量发生改变。更具体地讲，在图13的实施例中，灯具发出的“蓝光”的相对强度从使用预设值1时的约23.0降低到使用预设值12时的约1.0。这使得能够使用加载了滤光光学元件和非滤光光学元件的相同灯具以受控方式实现期望的光谱成分。

Claims (21)

1.一种照明设备，包括：
发射具有第一带宽的光的光源；和
直接耦合至所述光源的单个光学设备，
其中所述单个光学设备是垂直的非对称的同质结构，其过滤从所述光源发射的具有所述第一带宽内的预选波长子范围的光以生成第一过滤光，并且所述单个光学设备排他地确定从所述光源发射的所有光的形状。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述波长子范围包括波长在435nm至500nm范围内的光。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述单个光学设备将第一预定波长范围内的光移位成第二预定波长范围内的光，并且所述第一预定波长范围包括波长在所述预选波长子范围内的光。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述单个光学设备是由在形成所述单个光学设备前将滤光剂置于其中的材料制成的自由形态光学元件，并且所述滤光剂过滤所述具有预选波长子范围的光。
5.根据权利要求1所述的照明设备，其中发射具有所述第一带宽的光的所述光源是第一光源；且
其中直接耦合到所述第一光源的所述单个光学设备是第一单个光学设备，所述照明设备还包括：
发射具有第二带宽的光的第二光源；和
直接耦合至所述第二光源的第二单个光学设备，
其中所述第二单个光学设备是非对称的同质结构，其过滤从所述第二光源发射的具有所述第二带宽内的预选波长子范围的光以生成第二过滤光，并且所述第二单个光学设备排他地确定从所述第二光源发射的所有光的形状。
6.一种照明设备，包括：
发射具有第一带宽的光的第一光源；
发射具有第二带宽的光的第二光源；
耦合至所述第一光源的第一光学设备，其中所述第一光学设备过滤具有所述第一带宽内的预选波长子范围的光并生成第一过滤光；
耦合至所述第二光源的第二光学设备，其中所述第二光学设备允许所述第二带宽的光不经过滤就从中通过；和
控制设备，所述控制设备可操作地连接到所述第一和第二光源，并可操作地控制是从所述第一和第二光源中的一个发射光、两个均发射光还是二者都不发射光。
7.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述控制设备是通过无线控制信号可操作地控制所述第一和第二光源中的每一个的无线控制设备。
8.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述预选波长子范围对应于当被食物产品吸收时会损坏或以其他方式使所述食物产品的一种或多种性质变差的波长范围。
9.一种用于包装食物产品的滤光材料，其中所述滤光材料包括一种物质，所述物质从光源接收照明光并过滤所述照明光中的具有预选波长子范围的光以生成第一过滤光，所述第一过滤光对所述食物产品造成比所述照明光少的光降解。
10.一种制备照明设备的方法，包括：
将滤光剂和光学材料混合；
使所述混合的结果成形以形成滤光光学设备；
将所述滤光光学设备耦合到发射第一波长范围内的光波的至少一个LED，其中所述滤光剂吸收波长在所述第一波长范围的子范围内的光波，并且所述滤光光学设备控制所述照明设备的光束形状。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述单个光学设备是TIR光学元件。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一波长范围的所述子范围包括波长在400至500纳米范围内的光。
13.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述滤光光学设备与非滤光光学设备在灯具设备中组合，其中所述非滤光光学设备不包含所述滤光剂。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述滤光剂包括染料、磷光体、荧光材料和量子点中的一种或多种。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述光学材料包括树脂、玻璃、聚合物和硅树脂中的一种或多种。
16.一种灯具，包括：
发射第一波长范围内的光的至少一个LED；以及
直接耦合至所述至少一个LED的滤光光学元件，
其中所述滤光光学元件是单一同质结构，其将所述第一波长范围的第一子范围内的光移位成波长在不同于所述第一子范围的第二波长子范围内的光，且同时
其中所述滤光光学元件进一步排他地确定从所述LED发射的所有光的形状，且
其中所述滤光光学元件沿远离所述至少一个LED延伸的所述滤光光学元件的中心轴是非对称的。
17.根据权利要求16所述的灯具，其中在所述第一子范围内的所述光被移位至所述第二子范围之后，所述第二子范围中的光通量的量更大。
18.根据权利要求16所述的灯具，其中所述第一波长子范围为400至500纳米之间，并且所述第二子范围中的每个波长都大于或等于500纳米。
19.根据权利要求16所述的灯具，其中安装所述灯具来照亮食物产品。
20.根据权利要求16所述的灯具，还包括：
至少一个非滤光光学元件，其耦合至不同于所述至少一个LED的至少一个新LED，其中所述非滤光光学元件发射所述第一波长范围内的光；和
控制器，所述控制器被构造成控制所述至少一个新LED是否被通电来发射光。
21.根据权利要求20所述的灯具，其中安装所述灯具来照亮对特定波长的光敏感的一个或多个物体，并且所述控制器被构造成使所述特定波长中由所述滤光和非滤光光学元件发射的光的量最小。
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