CN207539672U - 照明设备和具有多个照明设备的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出一种照明设备(1)，其中借助于适宜的光学元件将一个或多个光源的光转换为矩形的光分布，从而在照明平面中产生矩形的照明面。为此，在光单元(2)中借助于蜂巢式聚光器(26)形成具有矩形的角分布的光。为此，蜂巢式聚光器(26)具有矩形地被限界的微透镜作为蜂巢。后续的自由曲面光学装置(4)对该角分布进行改型并且实现了距照明平面(W)的相对短的距离。可选地，在光单元(2)和自由曲面光学装置(4)之间能够连接有变焦物镜(3)。本实用新型此外涉及一种具有多个照明设备的照明系统。

Description

照明设备和具有多个照明设备的照明系统
技术领域
本实用新型以用于提供光的照明设备为出发点。更确切地说，本实用新型涉及一种照明设备，所述照明设备用于在照明平面中借助相应成形的光分布对以限定的方式限界的面进行照明，所述以限定的方式限界的面在下文中也称为“照明面”。照明平面在此例如能够通过建筑物的壁的或者银幕的表面、电视或电影制片厂或者剧院舞台的背景等形成。根据应用，使用白光或者彩色光，也以交替的或者可任意调节的方式使用白光或者彩色光。
背景技术
对于这种照明目的而言，照明设备，即所谓的“染色灯”或“天幕灯”是已知的。这些灯具用作为光源包括放电灯或者近年来也用作为发光二极管(LED)。这些光源通常关于其光强分布和/或颜色分布产生非均匀的光。
由此，在使用传统的灯具时，照明强度分布和/或颜色分布(在彩色的或多色的光的情况下)在被照明的面(照明面)内部是不均匀的。此外，光分布或照明面的形状通常是以不期望的方式扭曲的，不对称的或者畸形的。这尤其在所谓的“缝合”、即借助于相应多个适宜地设置的灯具将两个或多个照明面直接彼此接合成连贯的、较大的照明面时，引起关于所产生的照明面的均匀性和外部形状的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是，在照明平面中对矩形的面进行照明，意即，在所述照明平面中获得矩形的照明面。此外，在此应当尽可能避免开始所提及的关于照明强度的均匀性和可能的关于矩形的照明面内部的颜色分布的缺点。
本实用新型的另一方面是，在照明设备和照明平面之间的距离相对短时实现这种类型和几何形状的照明。由此，应当例如通过人员(在地 面安装或靠近地面安装照明设备时)或者通过天花板装配(在天花板安装照明设备时)尽可能排除所述背光照明的不期望的遮暗。
所述目的通过一种用于提供光和借助矩形的光分布对照明平面进行照明的照明设备来实现，所述照明设备包括：至少一个产生光的光源；对光进行准直的准直光学装置；用于形成出自准直光学装置的光的矩形的角分布的聚光光学装置；和自由曲面光学装置，所述自由曲面光学装置具有至少一个用于对角分布进行改型的自由曲面，使得在光学上连接在下游的照明平面中产生矩形的光分布。
尤其有利的设计方案在实施例中得出。
此外，也要求保护一种照明系统，所述照明系统具有多个上述根据本实用新型的照明设备。
本实用新型的基本思想在于，借助于适宜的光学元件将一个或多个光源的光转换成矩形的光分布，以便由此在照明平面中产生矩形的照明面。术语矩形的光分布在此是指：在照明平面中，光分布具有至少基本上矩形的形状。与严格的几何矩形形状的轻微偏差在实践中是不可避免的或者甚至是所期望的，例如轻微模糊的边缘，轻微倒圆的角部等。在这种至少基本上矩形的形状之外，光强度总是剧烈下降，即，与在内部相比明显更小，在实践中尤其也能够为零(“暗”)。换言之，在例如通过建筑物壁的或银幕的表面形成的照明面中，借助于根据本实用新型的照明设备照亮仅一个至少基本上矩形的面。为此，形成具有矩形的角分布的光并且将其投射到待照明的表面上，例如投射到建筑物壁或者银幕的待照明的表面上。而不会进行光学成像。同样也不必动态地照亮矩形的照明面，例如通过借助相对小的圆形的光分布逐行地照亮。更确切地说，光分布成形为，使得所述光分布在几何形状上与所期望的照明面一致。由此能够借助于静态的解决方案实现所期望的照明结果。耗费的动态的设计方案是不需要的。
在照明设备中，至少一个所述光源包括出自下述光源的组中的一个或多个相同元件或者不同的元件的组合：放电灯，发光二极管，激光二极管，激光激发远程荧光体。
出自至少一个光源的光首先借助于准直光学装置准直并且随后借助于适宜的聚光光学装置形成矩形的角分布。后续的自由曲面光学装置对这种角分布进行改型从而实现距照明平面相对短的距离。
可选地，无焦的变焦光学装置连接在聚光光学装置和自由曲面光学装置之间，以便能够改变矩形的光分布在照明平面中的扩展。因为矩形的照明面在壁处不必具有或也不应具有清晰的边缘，所以变焦光学装置能够设计为不具有大的边缘锐度，即边缘区域中的分辨率。此外，自由曲面反射镜(Freiformspiegel)能够靠近变焦光学装置的出射光瞳定位。
变焦光学装置能够设计为变焦物镜并且尤其具有四至七个透镜，优选五个透镜。变焦物镜此外优选设计为，使得在变焦时两个外部的透镜保持不变并且仅中间的组运动。
此外，变焦光学装置也能够变形地设计，即，例如引起图像的压缩或拉伸，例如借助于阿尔瓦雷斯透镜引起图像的压缩或拉伸，阿尔瓦雷斯透镜即为用于连续地改变球柱效果的由两个透镜元件构成的透镜系统。
为了在变焦时使矩形的光分布的下棱边在照明平面中保持不变，即光分布近似仅向上和向侧面增大，有利的是，照明设备设计为，使得变焦光学装置的光学轴线与矩形的光分布的下棱边的中点相交，因为光学轴线或光学轴线中的光射束在变焦时保持不变。
附加地，在常规地将照明设备设置在地板上或者至少设置在地板附近时需确保：入射到变焦物镜上的光分布(在角空间中)仅包含或多或少地向下(即朝向地面倾斜)取向的射束。
这能够通过在聚光光学装置的光学轴线(所述聚光光学装置的光学轴线与整个光单元的光学轴线重合，所述光单元由光源、准直器和聚光光学装置构成)和变焦物镜的光学轴线之间的角度偏移(偏置，“弯折”)实现，意即，变焦光学装置的光学轴线和聚光光学装置的光学轴线彼此不共线。
优选的是，偏移为出自聚光光学装置的光的一半的竖直的角伸展。
优选的是，变焦光学装置的光学轴线是水平的并且垂直于照明平面定向。相对于该光学轴线，聚光光学装置(和连接在上游的准直光学装置)的光学轴线倾斜向下定向(沿着光传播的方向观察)，以便实现所期望的角度偏移。如果照明设备并非在地板处或者地板附近安装和运行而是在天花板处安装和运行，在这方面也不会有任何改变。照明设备保持不变并且仅是上下颠倒地悬挂到天花板上。
为了产生矩形的角分布，蜂巢式聚光器作为聚光光学装置已证实是尤其适合的，其蜂巢构成为矩形地限界的微透镜。矩形地限界的微透镜的输入侧和输出侧能够球形地或非球形地构成。借助于矩形地限界的微透镜实现矩形的角分布。此外，蜂巢式聚光器匹配于入射光的角分布。所述蜂巢式聚光器也用于使光分布均匀。关于蜂巢式聚光器的其它细节例如应参见文献US 1762932或者DE 968430C。
此外也考虑灯、尤其放电灯作为光源，但是也可以考虑半导体光源，如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)以及在近年来日益被讨论的LARP技术(LARP:Laser ActivatedRemote Phosphor激光激发远程荧光体)。对于关于LARP技术的其它细节例如应参见文献DE10 2010 039 683 A1。
为了产生彩色光，在使用传统的灯的情况下，需要至少一个滤色器，例如具有多个可选择颜色的滤色段的转动的滤色轮。
在替选地使用半导体光源的情况下，适宜的发射波长是在商业市场上可获得的，例如红色(R)，绿色(G)和蓝色(B)。通过适宜的彩色光混合，原则上可产生所有在由RGB光色展开的彩色空间内部的光色包括白色光。为了将照明设备保持得尽可能紧凑，优选的是，多个半导体光源的不同颜色的光束经由射束组合器、例如二向分色镜装置来会聚并且输送给聚光光学装置。此外，优选使用高发光密度的LED，以便尽可能限制照明系统需要的尺寸。尤其，总发光密度优选应大于100Mcd/m2(每平方米一百兆坎德拉)。
为了替选地或者以组合的方式应用LARP技术，具有适宜的发射波长的发光材料同样是可商购的，所述发射波长在借助于例如紫外的或者蓝色的泵浦激光进行激发时例如在红色和绿色的光谱范围中。此外， LARP技术也能够与发射附加的彩色光的半导体光源组合。
准直光学装置自然必须选择或设计为与光源的放射特性匹配。对于点状光源、例如短弧放电灯而言，可以考虑光学反射器，例如抛物线状或者椭圆形地成形的反射器。对于通常具有朗波特放射特性的LED和LD而言，例如由两个透镜构成的透镜组合是常见的。
自由曲面光学装置能够构成为自由曲面反射镜、具有两个或三个自由曲面反射镜的反射式望远镜或者构成为一个或多个自由曲面透镜。
自由曲面光学装置的至少一个自由曲面例如能够借助于光学裁剪的常规方法来计算，在行业常用的软件中通常执行所述常规方法用于计算照明解决方案。在此，以点光源为出发点并且计算自由曲面，使得在照明平面中照亮矩形的照明面。
但是，事实上自由曲面根据本实用新型不通过点光源照明，而是通过出自聚光光学装置的光或可能出自变焦光学装置的整个出射光瞳的光来照明。但是，由此引起的光分布或者照明面的矩形边缘的模糊根据应用情况的要求至少是可接受的或者甚至是受欢迎的。
为了实现更大的、连贯的照明面，能够将多个根据本实用新型的照明设备组合为一个共同的照明系统。为此，将两个或更多个照明设备并排设置，优选水平地并排设置，更确切地说，使得相应的光分布或照明面直接彼此邻接或者略微重叠(“缝合”)。
附图说明
在下文中应根据实施例详细阐述本实用新型。附图示出：
图1示出具有发光二极管和自由曲面反射镜的照明设备的一个实施例，
图2以放大的视图示出图1中的照明设备的光单元，
图3a示出在借助点光源进行照明时用于计算自由曲面反射镜的矩形的照明面，
图3b示出由根据图3a的自由曲面反射镜在借助于图2中的光单元进行照明时产生的矩形的照明面，
图4示出具有反射灯的照明设备的一个实施例，
图5示出具有发光二极管和自由曲面反射式望远镜的照明设备的一个实施例。
相同或者类似的特征在下文中出于简单性也以相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1以侧视图示出根据本实用新型的用于在壁W的表面上产生矩形的光分布或矩形的照明面的照明设备1的示意图。壁W不属于照明设备并且也不在其整个扩展部中示出，而是仅象征性地表示。
照明设备1具有下述部件：光单元2、无焦的变焦物镜3和自由曲面反射镜4。对于光单元的细节，在下文中也参考图2。
图2以俯视图示出光单元2的示意图。光单元2具有三个LED模块211、221、231，各一个准直光学装置212、222、232连接在所述LED模块下游。三个准直光学装置212、222、232例如相同类型地构造并且分别包括三个透镜。由此，对于进行准直而言所需要的总的光折射被划分到三个光学元件上，从而减少了相应的整个准直光学装置的光学误差。为了能够在尺寸尽可能紧凑的情况下实现尽可能高的光通量，对于LED模块分别使用高功率发光二极管，如也用于投影应用的高功率发光二极管。LED模块231的高功率发光二极管发射红光(R)，LED模块211的高功率发光二极管发射绿光(G)，并且LED模块221的高功率发光二极管发射蓝光(B)。
在准直光学装置212、222、232下游跟随着由两个交叉的二向分色镜24、25构成的射束组合器。二向分色镜24设计为对于LED模块231的红光R是反射性的，并且对于LED模块211的绿光G是透射性的。二向分色镜25设计为对于LED模块221的蓝光B是反射性的，并且对于LED模块211的绿光G是透射性的。
如此会聚在一起的由红色部分、绿色部分和蓝色部分(RGB)构成的被准直的混合光在射束组合器24、25下游到达蜂巢式聚光器26上。蜂巢式聚光器26具有多个矩形地限界的微透镜(未示出)作为蜂巢。优选的是，微透镜的矩形的边界(在数学上)与LED芯片面或LED模块211、221、231的电路板类似并且同样地取向，即，分别相当精确地垂直于光单元2的光学轴线L1。
蜂巢式聚光器也能够由两个相同的微透镜阵列(MLA)以适宜的距离构建。矩形地围边的微透镜能够球形地或者非球形地成形。
优选的是，蜂巢式聚光器26的作用范围选择为比LED模块211、221、231的各个LED的作用范围大约10％至20％。优点是，由LED发射的光的尽可能有效的光聚集以及避免或者至少减少通过彼此相对置的微透镜形成的通道之间的串扰。
无焦的变焦物镜3具有七个透镜并且设计为，使得两个外部的透镜在变焦时保持不变，并且仅中部的组运动。长度大约为250mm。失真在整个区域中是低的，并且边缘处的分辨率也是低的。由此在壁W的表面上引起具有柔和(模糊)的边缘的矩形的照明面。
在变焦物镜3的光学轴线L2水平地定向并且垂直于壁W定向期间，光单元2的光学轴线L1关于所述变焦物镜的光学轴线虽然同样在绘图面中但是倾斜向下定向。即，这两个光学轴线L1、L2不是共线的，而是通过“弯折”角度偏移(“偏置”)。角度偏移等于出自聚光光学装置的光的一半的竖直的角伸展。在所述实施例中，出自聚光光学装置26的光的竖直的角伸展为±8.9°，水平的角伸展为±4.7°。角伸展的值涉及相应的矩形的光分布的最大的光强度(FWHM)的50％。
变焦物镜3的光学轴线L2与矩形的光分布的(例如在自由曲面反射镜4上)或壁W上的照明面的下棱边的中心相交。这通过图1中的壁W的表面上的参考点0象征性地示出。由此实现：在变焦时，矩形的光分布的下棱边留在照明平面中(在垂直线中对应于图1中的参考点0)，光分布从而照明面在壁W处近似仅向上和向侧面增大。这在图1中通过用于变焦物镜3的长焦调节或广角调节中的照亮的两个竖直标记E1、E2象征性地示出。在此，相应的照亮面的下棱边(参考点0)在 这两种情况下保持不变。
出自变焦物镜3的光由自由曲面反射镜4反射到壁W的表面上。在此，光路逆着出自变焦物镜3的方向向回反射，更确切地说，以一角度向回反射，使得光射束在聚焦镜头3旁经过到达壁，而在此不会产生所不期望的阴影。此外，自由曲面反射镜4设计为，使得所述自由曲面反射镜改变出自变焦物镜3的光的角分布，以便实现自由曲面反射镜4与壁W的尽可能短的距离。该距离通常在大约50cm和100cm之间。所述自由曲面反射镜对于照明设计方案而言一开始是确定的并且通常随后不再改变。在壁W的表面上连同变焦物镜3一起获得的照明面Eb的尺寸为(2m·3m)·(1+z)2，其中z是变焦因数并且在此位于约-20％和+20％之间。
自由曲面反射镜4的自由曲面41借助于在照明软件中常见的光学裁剪的方法来计算。以点光源为出发点，将自由曲面41计算为，使得在图3a中示出的在壁W的表面上的矩形的照明面Ea(在图3a、3b中分别仅示出壁W的表面的被照明的部分)。事实上，在光源扩展的情况下，对应于离开变焦物镜3的整个出射光瞳的光产生具有模糊的矩形边缘的照明面Eb。此外已经发现的是：当自由曲面反射镜4的下棱边上的点与变焦物镜3的出射光瞳成±2.5°...±10°的角度时，所述模糊才具有正确的尺寸。当所述角度选择为大于该数值范围时，光分布过强地涂布并且无法实现所提出的矩形的照明面。当所述角度选择为较小的时，变焦光学装置和自由曲面反射镜之间的所需要的距离增大，进而自由曲面反射镜的所需要的尺寸也增大。
在图1中，自由曲面反射镜4在包含变焦物镜3的光学轴线L2的竖直平面中被剖开。但是事实上，自由曲面41不仅沿着一个方向弯曲，而且面状地弯曲(未示出)。自由曲面反射镜4的大小在该实施例中大致对应于A5纸和A4纸之间的大小。
原则上，自由曲面反射镜4也能够由透镜或透镜系统替代，所述透镜系统具有一个或多个适宜地成形的自由曲面。然而，借助于自由曲面反射镜，与借助于自由曲面透镜相比可实现更强的光偏转。
在光单元2或变焦物镜3和自由曲面反射镜4之间或者也在自由曲 面反射镜4下游还能够设置有一个或两个平面镜，所述平面镜用于折叠光路从而使整个系统变小。
图4示出另一根据本实用新型的照明设备5的示意图。所述照明设备与图1中所示出的照明设备1的区别仅在于改型的光单元6。而变焦物镜3和自由曲面反射镜4并未改变。光单元6包括反射灯7，在此具体是OSRAM公司P-类型的反射灯。在反射器71中安装有短弧放电灯72，所述短弧放电灯离点光源相对近。反射器71与聚光透镜8一起作用为准直光学装置，即在一定程度上如抛物面反射器。如此被准直的光随后射到蜂巢式聚光器26上。其余对应于图1中的情况并且已经在该处详细描述。对于产生彩色光而言，还能够在照明设备5的光束路径中、例如在准直光学装置和聚光光学装置之间设置有一个或多个滤色器，例如滤色轮。
图5示出另一根据本实用新型的照明设备9的示意图。所述照明设备与图1中所示出的照明设备1的区别在于，自由曲面反射镜4通过自由曲面反射式望远镜替代。自由曲面反射式望远镜由两个透镜10、11以及两个自由曲面反射镜12、13构成，所述自由曲面反射镜折叠光束路径两次，使得照亮方向在端部处(并且与图1中所示出的变型形式不同)不翻转。此外，不仅照明设备9的总长度而且最后的自由曲面反射镜11与壁W的距离相对于图1中所示出的变型形式缩短。这除了克服了第二自由曲面反射镜的较高的成本外也不必要调整变焦物镜3。尤其，对于自由曲面反射式望远镜而言也需要相对大的透镜11，以便确保对第一自由曲面反射镜12的必要的照亮。此外，光单元2对应于图1中所示出的并且在上文中所描述的照明设备1的光单元。
附图标记列表
1 照明设备
2 光单元
3 变焦物镜
4 自由曲面反射镜
5 照明设备
6 光单元
7 反射灯
8 聚光透镜
9 照明设备
10 望远镜的透镜
11 望远镜的透镜
12 望远镜的自由曲面反射镜1
13 望远镜的自由曲面反射镜2
211；221；231 发光二极管模块
212；222；232 准直光学装置
24；25 二向色镜
26 蜂巢式聚光器
71 发射器(反射灯)
72 短弧放电灯
W 壁
0，E1，E2 照明面的竖直扩展
Ea，Eb 照明面
L1 (光单元的)光学轴线1
L2 (变焦物镜的)光学轴线2

Claims (14)

1.一种照明设备(1；5；9)，所述照明设备用于提供光并且用于以矩形的光分布对照明平面进行照明，包括：
a.至少一个产生光的光源(211；221；231；72)，
b.对光进行准直的准直光学装置(212；222；232；71，8)，
c.用于形成出自所述准直光学装置的光的矩形的角分布的聚光光学装置(26)，
d.具有至少一个自由曲面(41)的自由曲面光学装置，所述自由曲面光学装置用于将所述角分布改型为，使得在光学上连接在下游的照明平面中产生矩形的光分布。
2.根据权利要求1所述的照明设备(1；5；9)，其中所述聚光光学装置(26)构成为蜂巢式聚光器，所述蜂巢式聚光器具有矩形地被限界的微透镜作为蜂巢。
3.根据权利要求1或2所述的照明设备(1；5；9)，其中所述自由曲面光学装置构成为下述实施方式中的一个实施方式：自由曲面反射镜(4)、具有两个或三个自由曲面反射镜的反射式望远镜(10-13)、一个或多个自由曲面透镜。
4.根据权利要求1或2所述的照明设备(1；5；9)，所述照明设备设有无焦的变焦光学装置(3)，所述变焦光学装置光学地连接在所述聚光光学装置(26)和所述自由曲面光学装置之间。
5.根据权利要求4所述的照明设备，其中所述聚光光学装置(26)的光学轴线(L1)和所述变焦光学装置(3)的光学轴线(L2)彼此不共线地定向，而形成角度偏移。
6.根据权利要求5所述的照明设备，其中将所述角度偏移选择为，使得所述变焦光学装置(3)的光学轴线(L2)与所述矩形的光分布的下棱边的中点相交。
7.根据权利要求5所述的照明设备，
其中所述角度偏移相当于出自所述聚光光学装置的光的一半的竖 直的角伸展。
8.根据权利要求4所述的照明设备，
其中所述变焦光学装置构成为变焦物镜(3；12)，所述变焦物镜具有四至七个透镜。
9.根据权利要求4所述的照明设备，其中将所述变焦光学装置设计为变形的。
10.根据权利要求9所述的照明设备，所述照明设备设有阿尔瓦雷斯透镜。
11.根据权利要求1或2所述的照明设备(1；5；9)，其中，至少一个所述光源包括出自下述光源的组中的一个或多个相同元件或者不同的元件的组合：放电灯(72)，发光二极管(211；221；231)，激光二极管，激光激发远程荧光体。
12.一种具有多个根据上述权利要求中任一项所述的照明设备的照明系统，其中所述照明设备并排设置。
13.根据权利要求12所述的照明系统，其中所述照明设备水平地并排设置。
14.根据权利要求12所述的照明系统，其中所述照明设备设置为，使得相应的光分布或照明面接合为连贯的、更大的照明面。
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