CN1310790A - 用发光二极管的照明设备 - Google Patents

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Abstract

光源包含呈多种颜色,如红、绿及蓝,中每一种的在筒形反射器入射孔内的发光二极管(LED)阵列,反射器最好具有面对光轴的凸壁及朝着出射孔向外的反射光斑,并最好具有多边形,如正方形,的横截面。通过利用许多小的发光二极管,以各种颜色的发光二极管聚集在光轴中心,颜色的混合被进一步改进。

Description

用发光二极管的照明设备
本发明涉及具有使来自多种颜色发光二极管阵列的光混合的反射器的照明设备，并且更具体地涉及从这种阵列生成白光的聚光灯。
对于小到去调节窄尺寸光源发光用于照明和一般照明的标准光源是白炽/卤素灯泡，比如抛物面镀铝反射面(PAR)灯。这些光源是小巧和通用的，但它们并不很有效。给定的灯对于固定的功率在给定的色温下运转，而同时它们是可变暗的，色温按照黑体定律随所施加的功率改变，这可能是也可能不是使用者需要的变化。
呈多种颜色中每一种的发光二极管阵列提供了创造色温可在任何功率电平被调节的照明设备的可能性，从而使可变暗的灯能在任何功率电平下发射均匀的白光。
JP-A-06237017的英文文摘公开了发射多色光的发光二极管灯，它具有两种类型的发光二极管的3×3阵列，第一种类型具有供发射红光及蓝光用的元件，而第二种类型具有供发射红光及绿光的元件。所说明的对象是去混合颜色以使混合成的颜色可被认作在任何方向有相同的颜色，但并没有光学装置去促进混合。它仅仅是在用树脂填充的灯盒内的LED的二维阵列，这只不过是形成一些漫射。
WO 98/16 777公开了具有为了信号装置，例如交通管理色灯，的呈单一颜色的LED阵列的信号灯。轴对称的外壳环绕着阵列，但分岔以使来自LEDs的光无反射地被传播到准直的费涅耳透镜。如果单色的LEDs被多色的阵列替代，透镜将使各个LED成象而不将颜色混合。
本发明的目的是提供LED光源，它将保持PAR灯的全部合乎需要的性能，加上当全功率及变暗时改变和调节色温的能力，全都处于较高的照明效率。
本发明的另一个目的是为LEDs阵列的扩展规模提供良好的颜色混合。
更进一步的目的在于提供从光源出射的混合光的平行光束。
根据本发明的光源利用包含呈多种颜色中每一种的至少一个LED的LEDs阵列用于发射多种颜色中每一种的光。阵列被配置在反射筒的入射孔，该筒有与入射孔对置的出射孔，光在延伸于两孔之间周围的壁被反射并被混合后由出射孔射出。光源具有在该两孔之间周围壁中央延伸的光轴，及垂直于光轴的横截面。
根据优选的实施方案，横截面至少沿部分光轴是非圆形的。横截面最好沿光轴的全部长度是多边形的。正方形或八边形的横截面已被发现适合用于混合不同颜色的光。
使周围的壁从入射孔到出射孔岔开也是可取的，从而出射孔比入射孔大。从光轴看去，周围的壁最好具有外凸的形状，并且朝着出射孔向外反射光斑。也就是说，壁的曲率半径朝向出射孔减小，使反射器有点成喇叭形。
本发明基于三个基本原理。第一，混合是成象的对立物；第二，混合能比较有效；以及第三，混合宽光束比窄光束更容易。
在理想的成象系统中，物平面上的每一点被映射到象平面上一个独立的点。理论上，不出现混合，在实际中直到系统的分辨极限的尺度上这是确实的。抛物柱面反射镜在输入与输出之间保持了一定量的相关性，这是由于其轴向形状和横截面形状两方面对成象的影响。
抛物面的轴向形状会聚反射时入射的平行光，并使发散的入射光线变得不太发散，来自单个点的光线被反射成平行的。任何凹面形状看来象抛物面(局部地)。反之，如果轴向形状是凸的(即成喇叭形)，则入射光在反射时将趋于发射，而靠近的输入点将趋于被映射成距离更远的输出点。
圆形横截面维持了入射光线方位角的一致。也就是说，入射与反射光线之间在方位角上的差别是相同的，不依赖于入射的方位角(在给定的轴向平面内)。另一方面，在多边形横截面的情况下，方位角的差别随入射的方位角强烈变化。
为了说明这些原理，在图1a至4b所表现的四组模拟是使用光线跟踪程序模拟系统汇编组件(ASAP)被完成的。图1和2表现来自具有抛物面轴向形状反射器的光分布，该反射器具有Z轴作为光轴，焦点(0,0,0)，以及在z=0平面内的10mm的孔。图3和4表现来自具有凸的轴向形状反射器的光分布，该反射器与优选的喇叭形设计相似，在z=0平面具有10mm入射孔。图1和3表现圆形横截面，而图2和4表现正方形横截面。在图1a至4a中光源在x=0处，在图1b至4b中光源在x=3mm处。光源发射平行于Z轴的宽朗伯锥(锥角80°)。在各个图中光的分布在距z=0处的点光源0.5m的平面中被模拟，在各个视域中的点标明光轴的中心。
图1中的圆形抛物面反射器展示最强的成象，当光源移离光轴时(在每种情况光模拟试验在x=0,1,2,3和4mm处被运行，图仅表现x=0和3mm)。图2的正方形抛物面反射器产生较宽的图象，定性地讲它们比图1的情况彼此更相似。然而有浓厚的外形(线条)和不连续的强度改变(方格盘)，当点光源移离光轴时它们在进展中彼此不吻合。
图3的圆形喇叭展示圆形横截面的强斜角成象，然而喇叭形的更缓慢变化的宽背景。图4的正方形喇叭仍然显示残余的结构，然而相对强度的差别是轻微的，初看起来给出了无特征分布的印象。对于所表明的来自空间分散光源颜色混合的目标，正方喇叭形的几何形状给出了最佳结果。
混合能比较有效的原理必须被考虑以防止混合的程度正比于反射次数N的观念。对于长的反射管混合是好的但效率是低的，因为如果周围壁的反射率是R，则光线被传播的强度是RN。根据本发明的反射器的形状在使混合达到最大限度的同时将反射次数减至极小，这归因于外凸的形状和由多边形横截面所给予的反射光的方位角的改变。
关于混合对宽光束比对窄光束更好的原理，考虑长度L和横向长度A的直壁筒。对于给定的纵横比(L/A)，该结构对广角光源混合得最好，由于平均的N较大。如果出射孔的尺寸增大，保持侧壁为平面(但倾斜的)，平均发射角减小，如同平均的N一样。然而这种趋势并不无限地延续，因为不被反射光线的角分布扩大，直到它们最终统治了输出分布。
概括地说，本发明的优选实施方案使用LEDs阵列，该阵列填充在具有多边形横截面的喇叭形反射器的入射孔。
图1a说明来自具有圆形横截面并且点光源在其焦点的抛物面反射器的光分布；
图1b说明在点光源偏离焦点情况下的分布；
图2a说明来自具有正方形横截面并且点光源在其焦点的抛物面反射器的光分布；
图2b说明在点光源偏离焦点情况下的分布；
图3a说明来自具有圆形横截面并且点光源在入射孔中心的喇叭形反射器的光分布；
图3b说明在点光源在入射孔内偏移情况下的光分布；
图4a说明来自具有正方形横截面并且点光源在入射孔中心的喇叭形的光分布；
图4b说明在点光源在入射孔内偏移情况下的分布；
图5是展示喇叭形的尺寸及光混合的示意图；
图6是呈红、绿和蓝色的18个LEDs的六边形阵列的平面示意图；
图7a是16个LEDs的正方形阵列的平面视图；
图7b说明关于在具有正方形横截面的喇叭形反射器中图7a的阵列的合成光分布；
图8是说明对应于图7a和图7b计算的和测量的光分布随离光轴角度变化的曲线图；
图9a是填充在入射孔的4个大LEDs的正方形阵列的平面视图；
图9b说明合成的光分布；
图10a是在入射孔中心的4个小LEDs的正方形阵列的平面视图；
图10b说明合成的光分布；
图11a是16个LEDs的正方形阵列的平面视图；
图11b说明在具有圆形横截面的喇叭形反射器情况下合成的光分布；
图12a是16个LEDs的正方形阵列的平面视图；
图12b说明在具有八边形横截面的喇叭形反射器情况下合成的光分布。
图5说明用于图7-11中所说明的模拟试验的喇叭形反射器的尺寸。这个喇叭形具有沿光轴(Z轴)的100mm的侧向长度L，横向长度Aex=75mm的正方形出射孔，以及横向长度As=30mm的正方形入射孔。尽管没有关于筒形反射器的理想形状被确定，为了ASAP光线跟踪模拟试验器壁根据下列的四阶多项式在XZ平面内被确定： Z = 225 + 1.996 x + 3.034 x 10 - 2 x 2 + 3.345 x 10 - 4 x 3 + 3.438 x 10 - 6 x 4 曲线的概括的特点是器壁在邻近入射孔处接近平行以改进混合，然后向外反射光斑以使光束作为一个整体收缩。
模拟试验是假定纯镜面反射被完成的，但是原型使用了镜面加漫射反射材料，特别是，具有约90％反射的薄片。可供替换的方法将是使反射器本体为具有按需要被施加到外壁的反射涂层的固态透明片。这种设计可以取得全内反射(TIR)的优点，因而更加有效。不管怎样，反射性能是能被用于加强混合的设计参数。
在这里被称之为LEDs阵列的实际上是发射器阵列，其中每个发射器是一个或更多的LED薄片加上确实发射样式的主要光学器件的组件。实例采用半锥角αs=50°(全锥角100°)，以锥轴平行于Z轴的截头朗伯发射，然而每个发射器轴可以以极角Ps向Z轴倾斜，并具有方位取向Ns。
发射器最好按在X-Y平面内观察具有下列性质的式样被配置：(1)每个光源的颜色分布(红、绿及蓝)具有其位于光轴的重心，以及(2)每个光源的颜色分布具有距光轴的相同的平均径向距离。对于所要求的颜色比例R∶G∶B是2∶3∶1的原型，用具有图6的六边形阵列将得到满意的结果。然而如将从图7a,11a及12a被明显看到对于使用正方形阵列的模拟试验，第二个性质是难于去精确实现的。
下面要谈到的光分布图象通过对LED光源三种颜色的每一种按ASAP运行独立的模拟分析，并将空间分布的结果放入标准的RGB位图的三个通道而被生成。如果混合是完善的，则每个象素对R,G和B通道具有相同的值，并且图象呈现纯单色的。如果在三个颜色通道中存在差别，即不完善的混合，则图象含有颜色的深浅。尽管图7b和9b至12b在这里呈现成黑和白，但在原始图中在深浅上的变化将被描述。
图7b展示对于具有在入射孔按图7a的正方形阵列被配置的16个LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。输出的分布具有2×20°的角宽度。混合的质量是好的，即原始图具有将要求非常少漫射的基本上单色的外观。
图8展示计算的和测量的角分布。对于原型，当没有漫射体被使用时，混合并不完全象对ASAP模型那样好。漫射体的使用大大地改善了颜色的混合，但是以被增大的光束宽度(2×30°，如在图中被看出的)为代价。
图9b展示对于具有按图9a的正方形阵列被配置的4个LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。尽管中心是质量相当好的白色，但在边缘存在强色彩的膺象。特别是，左下角和邻近的边缘是蓝色，而右上部是红色。由于需要两个绿色，绿色的膺象较少，但在左上部和右下角可见到。足够有力去校正这个瑕疵的漫射体将使光束增宽到约2×90°，所以这种结构被认为是不好的。可以有把握地断定对于给定的总光源面积，大量小的、分散的光源比较少量较大的光源运行得更好。
图10b展示对于具有按图10a的正方形阵列被配置的4个LEDs的基本的正方喇叭形的光分布。这些具有象在图9a中同样的对称性，然而是较小的LEDs并且被集结在入射孔的中心。颜色的混合比对图9a的4个较大的LEDs更好，但混合仍然不象对图7a的16个小光源那样好，尽管较大的阵列具有距光轴较大的平均距离。因而在入射孔内分布的规模和均匀性两方面都影响最后输出的混合。
图11b展示对于具有按图11a的正方形阵列配置的16个LEDs的持有圆形横截面的喇叭形的光分布。由于保持入射光线的方位角的一致，混合是不好的。环状的黄色膺象环绕着中心呈现，伴随着红色朝向角落和绿色邻近侧壁的中点。
图12b展示对于具有按图12a的正方形阵列配置的16个LEDs，持有八边形横截面的喇叭形的光分布。混合比图11的圆形横截面好得多，但不完全象图7的正方形横截面那样好。然而八边形给出了比正方形圆得多的整体光束形状，这可能对用户是重要的性能。
如以上描述的光学系统的效率0能被写作：O=RN×T，其中R是反射器材料的反射率，N是光线在出射前作出的平均反射次数，而T是在出射孔上盖片的透射率。对于没有漫射盖片的正方喇叭形，使用ASAP片并取R=0.9(对AlanodMiro7薄片的测量值)，N=1.5，从而0=0.85。所以用具有测得的透射率T=0.92的工业漫射物效率0=0.79。原型的数据在测量的精度范围内与模拟试验一致。应注意漫射物在这里几乎没有被详细地描述，由于它们的主要功能是机械的防护，光学漫射及转向；它们的设计选择将依赖于系统的全部要求。
以上的是示范性的而不是用于限制下述权利要求的范围。

Claims (12)

1．光源包含
发光二极管阵列包含呈多种颜色中每一种的至少一个发光二极管，用于发射呈多种颜色中每一种的光以及
反射筒具有入射孔，出射孔，在该两孔之间延伸的反射的周围壁，以及在该壁中央的该两孔之间延伸的光轴，该发光二极管阵列被设置在该入射孔中，该周围壁被设置以使来自该发光二极管阵列的光反射和混合。
2．如权利要求1中的光源，其中该周围壁具有垂直于该光轴的横截面，该横截面至少沿部分该光轴基本上是非圆形的。
3．如权利要求2中的光源，其中该横截面是多边形的，该周围壁包含多个侧壁，侧壁在该横截面中基本上是直的。
4．如权利要求3中的光源，其中该横截面是正方形的。
5．如权利要求3中的光源，其中该横截面是八边形的。
6．如权利要求1中的光源，其中该周围壁从该入射孔到该出射孔岔开。
7．如权利要求6中的光源，其中该周围壁，从光轴看，具有外凸的形状。
8．如权利要求7中的光源，其中该周围壁朝着该出射孔向外反射光斑。
9．如权利要求1中的光源，其中呈现各种颜色的发光二极管确定具有重心位于光轴的颜色分布。
10．如权利要求9中的光源，其中每种颜色分布距光轴具有相同的平均径向距离。
11．如权利要求1中的光源另外包含在出射孔上的漫射盖片。
12．如权利要求1中的光源，其中该反射的周围壁由镜面加漫射的反射材料制成。
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