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CN104508361A - 用于led照明装置的准直和均匀化系统 - Google Patents

用于led照明装置的准直和均匀化系统 Download PDF

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CN104508361A
CN104508361A CN201380039988.6A CN201380039988A CN104508361A CN 104508361 A CN104508361 A CN 104508361A CN 201380039988 A CN201380039988 A CN 201380039988A CN 104508361 A CN104508361 A CN 104508361A
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led
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CN201380039988.6A
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帕维尔·尤里克
约瑟夫·瓦尔哈日
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Robe Lighting Inc
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Abstract

公开了一种LED光源自动照明装置，所述LED光源自动照明装置具有准直混合器和积分器组合，所述准直混合器具有多个弯曲侧面。

Description

用于LED照明装置的准直和均匀化系统
相关申请
本申请要求于2012年6月3日提交、申请号为61/654,929的具有相同名称的美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明大体上涉及一种控制当在光束产生照明装置中使用时从LED阵列输出的光，具体地，涉及一种与改进LED的均匀化和准直有关且用于控制阵列的光束角的方法。
背景技术
具有自动和远程控制功能的照明装置是娱乐活动和建筑照明市场中公知的。此类产品通常用于剧院、电视演播室、音乐会，主题公园、夜总会及其它会场。典型的产品通常通过照明装置的平移和倾斜功能来提供控制，允许操作者控制照明装置的瞄准方向，并由此控制光束在舞台上或演播室中的位置。通常，这种位置控制是通过控制照明装置在两个正交的旋转轴线上的位置(经常称为水平旋转和俯仰)来实现的。很多产品通过其他参数(例如强度、颜色、聚焦、光束尺寸、光束形状和光束模式)来提供控制。另外，在此类照明装置中利用高功率LED作为光源正变得很常见，并且对于颜色控制，使用不同颜色的LED阵列很常见。例如，一种常见的布局是混合使用红色LED、绿色LED和蓝色LED。这种布局允许使用者通过将这三种颜色的适当程度进行混合创造出他们想要的颜色。例如，使红色LED和绿色LED照亮同时使蓝色LED处在熄灭状态，结果将是黄色的输出。类似地，红色和蓝色的混合结果将是洋红色以及蓝色和绿色的混合结果将是青色。通过对LED控制进行明智地控制，在由阵列中的LED颜色设置的色域内，使用者可以获得他们想要的任何颜色。还可以使用三种以上的颜色，并且众所周知的是，将琥珀色LED或白色LED加到红色、绿色和蓝色可以增强颜色混合并增加可供选择的色域。由罗布显示照明(Robe Show Lighting)制造的产品(例如Robin 600LEDWash)在该行业很典型。
不同颜色的LED晶片可以排列在照明装置中的封装上，这样使得在每种颜色的LED之间存在物理分隔，这种分隔(与针对每种颜色的晶片大小的差异相关联)会影响个别颜色的传播，并导致不同颜色不充分的混合(伴随有令人反感的溢散光)和组合的混合颜色输出光束的彩色边纹。虽然在每个LED封装的前面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很常见，但是这些光学设备对于不同颜色具有不同的效果，并且在输出光束中彩色边纹和其它像差是可见的。有利的是，具有一种系统，在该系统中杂散光和像差被很好地控制。
图1示出了现有技术的系统，该系统展示了如照明装置所使用的许多封装那样的封装中的两个LED。LED 2和LED 4可以是不同颜色的，以及由于LED晶片2、LED晶片4的不同光学特性和结构，LED晶片2和LED晶片4产生的光束6和光束8在光束传播中是有差别的。不同的光束传播意味着来自LED 2和LED 4的光束将以如下方式冲在被照亮的物体18上：物体的区域20和区域16仅被单个LED照亮而不是被所期望的两个LED的混合照亮。这导致区域120和区域16的着色与中央混合区域不同，并作为彩色边纹出现。为了清楚和简明，在图1中仅示出了两个(2)LED。应该认识到相同的问题也存在于包含有两种以上颜色的LED的系统中。
图2示出了典型的多参数自动LED照明装置系统10。这些系统通常包括多个多参数自动照明装置12，在每个自动照明装置上通常包括机载LED阵列、控制电子器件(未示出)和耦合到机械驱动系统的电动机。除了直接或经由配电系统(未示出)连接至主电源，每个照明装置还与数据链路14串联或并联，连接至一个或多个控制台15。照明系统10通常由操作者经由控制台15进行控制。所以，为了影响控制，控制台10和个体照明装置通常包括电子电路作为机电控制系统的一部分，用于控制自动照明参数。
图3和图4示出了在现有技术中使用的光学系统，来为自动LDE照明装置提供可变的光束角或者变焦。每个LED 50被提供有主镜片52，具有透镜53和透镜55关联对。透镜53和透镜55可以是独立的透镜，或者是覆盖整个LED阵列的一排透镜的每个部分。透镜53和透镜55分别包括单个的光学元件56和光学元件57。操作中，透镜53或透镜55中的至少一个透镜相对于LED 50静止，而另一个透镜可以沿着光轴59移动。在图3和图4的示例中，透镜55相对于LED 50是固定的，而透镜53能够沿着光轴59移动。图3示出透镜53在第一位置以及图4示出透镜53在靠近LED 50的第二位置。这种在LED 50、透镜53和透镜55之间的不同的相对位置为来自LED 50的光束提供了光束角或变焦。这类系统在它们的变焦范围上受到由颜色分隔和不充分的光束均匀化引起的光学问题的限制。它们进一步受到需要透镜进行大幅移动的限制。
需要一种用于LED自动照明装置的光学系统，其在提供了改进的颜色均匀化和光束准直的同时还提供了增加的变焦范围。
附图说明
为了更完整的理解本发明及其优点，参考下面结合附图的描述，在附图中相同的附图标记指示相同的特征，其中：
图1示出现有技术的LED照明系统；
图2示出典型的自动照明装置；
图3示出现有技术LED照明装置的光学部件；
图4示出现有技术LED照明装置的光学部件；
图5示出LED照明装置实施例的光学部件；
图6示出图5的准直混合镜片80和LED 60的前视图；
图7示出图5的光积分器102的前视图；
图8示出在图5中所示的实施例的进一步实施例；
图9示出LED照明装置的可替换实施例；
图10示出图5的准直混合镜片80和LED 60的前视图；
图11示出图5的光积分器102的前视图；
图12示出在图5中所示的实施例的进一步实施例；
图13示出在图5中所示的LED照明装置的可替换实施例；
图14示出在图9中所示的LED照明装置的可替换实施例。
具体实施方式
图中示出了本发明的优选实施例，相同的附图标记用来标记不同附图中的相同和相应的部分。
本发明大体上涉及一种控制当在光束产生照明装置中使用时从LED阵列输出的光，具体地，涉及一种与改进LED的均匀化和准直有关且用于控制阵列的光束角的方法。
图5示出了本发明光学系统的一个实施例。LED 60(其可以包括主镜片)被安装在衬底62上。LED 60可以包含单色晶片或者可以包含多个晶片，其中每个晶片可以是不同颜色的。从LED 60的晶片中输出的光在光入口82进入准直混合镜片80。准直混合镜片80可以是使用全内反射(TIR)来引导光的实心镜片，或者可以是空心的反射表面。准直混合镜片80可以具有4个侧面86，其中每个侧面可以是具有转角边92的曲面。图6中的准直混合镜片80的端视图与图5中的准直混合镜片80的侧面图相结合，详细图解了这种形状的实施例。方形侧面的形状与弯曲侧面的组合提供了对来自LED 60的晶片64的光的极好混合。准直混合镜片64的进一步特征是将反射光引向外部焦点，该外部焦点比较接近准直混合镜片80的输出口84。
在图6示出的实施例中，LED 60中的多个LED晶片64的布局是方形的并且与准直器80的侧面86对齐。在其它实施例中，晶片与准直器的侧面可以是不对齐的，例如如图10所示。在图6和图10所示的可替换实施例中，准直器可以具有多个侧面(3个、4个或更多个侧面)。在进一步的实施例中，LED阵列中晶片的布置(arraignment)可以设置成不同的形状并且与具有匹配形状或相异形状的准直器配成对。
在不同的实施例中，侧面86的曲率度数可以有所改变——对于一些布局来说更平而对于其它布局来说更加弯曲。另外，侧面之间的转角92的锐度在不同的准直器中可以有所改变——对于一些布局来说更尖而对于其它布局来说更圆。针对特定布局或应用，对侧面的数目、侧面的曲率以及转角的曲率的选择在所期望的混合程度和可接受的光损失之间进行权衡。
在图5所示的实施例中，反射光在口84离开准直混合镜片64并在光积分器镜片102的入口106进入光积分器镜片102。光积分器102是利用内反射对来自准直混合镜片80的光进行收集、均匀化、抑制和传导的一种设备。光积分器102可以是具有反射内表面的空心管，如此使得冲进入口的光可以在从出口108离开之前沿着管被多次反射。光积分器可以是方形管、六边形的管、七边形的管、八边形的管、圆形管或者任何其它截面的管。在进一步的实施例中，光积分器可以是由玻璃、透明塑料或其它光学透明材料构造的实心杆，其中入射光束在杆内的反射是由于在杆的材料和周围空气之间的界面发生的全内反射(TIR)。积分杆可以是方形杆、六边形的杆、七边形的杆、八边形的杆、圆形杆或者任何其它截面的杆。如图5所见(从图7更容易看出)，具有多边形截面的积分器实施例具有反射侧面110和反射侧面之间的转角112，图5包括了积分器102的侧截面视图，图7是积分器102的出口的前视图。
光积分器102包括空心管或实心杆，其中杆或管的侧面基本上是平行的并且入孔106和出孔108有相同的尺寸，光积分器102的特征是在出口108离开积分器102的光的发散角与在入口106进入积分器102的光的发散角是相同的。因此，有平行侧面的积分器102对光束发散没有影响，并将准直混合镜片80在其出孔84处的焦点位置转移到积分器102的出孔108。离开积分器102的光将被很好地均匀化(并且LED 60的所有颜色混合在一起形成单一颜色的光束)并可以作为我们的输出，或者可以通过下游光学系统进一步进行修正。
有利地，积分器102可以具有其长度远大于其直径的纵横比。长度和直径之间的比例越大，产生的混合和均匀化将越好。积分器66可以装在管或套筒104内，管或套筒针对损坏、刮痕和灰尘提供了机械保护。
图8示出了本发明进一步的实施例。元件LED 60、衬底62、准直混合镜片80、积分器102如上文对图5、图6和图7的描述。在这个实施例中，从积分器66离开的均匀化和聚焦的光被引导穿过透镜系统120和122。透镜120和透镜122可以沿着光轴独立地移动(124和126)以便对光束提供光束角控制。因为准直混合镜片80的焦点是短的，所以透镜120和透镜122的小幅运动可引起光束角的大幅改变。在一个实施例中，透镜120和/或透镜122的位置移动(124，126)10mm可以引起光束角从5°到50°的改变。由此为自动LED照明装置提供改进的可变的光束角或变焦。
在进一步的实施例中，透镜120和透镜122可以形成消色差光学系统，如此使其像对短波长的蓝光一样为长波长的红光提供相同角度的光束角变化，由此避免色差。这保证了来自LED 60的不同颜色的晶片64的所有光束是相同尺寸，从而产生均匀地颜色组合光束。还有进一步的实施例中，任何数量的透镜都可以用作透镜系统。就所有情况而言，透镜可以包含一个或多个光学元件。虽然在此将透镜120和透镜1222示为双凸透镜，但是本发明不限于此，透镜120和透镜122可以是本领域中已知的任何形状的光学元件。
图9示出本发明光学系统的实施例。LED 60(可以包括主镜片)被安装在衬底62上。LED 60可以包含单色晶片64或者可以包含多个晶片64，其中每个晶片可以是不同颜色的。从LED 60的晶片64中输出的光在入口106进入光积分器镜片102。光积分器102可以与图5示出的实施例中有相同的结构和布局。光积分器102是利用内反射对光进行收集、使光均匀化、对光进行抑制并将光传导到准直混合镜片80的入口82的一种设备。光积分器102可以是具有反射内表面的空心管，如此使得冲进入口106的光可以在从出口108离开之前沿着管被多次反射。光积分器102可以是方形管、六边形的管、七边形的管、八边形的管、圆形管或者任何其它截面的管。在进一步的实施例中，光积分器102可以是由玻璃、透明塑料或其它光学透明材料构造的实心杆，其中入射光束在杆内的反射是由于在杆的材料和周围空气之间的界面发生的全内反射(TIR)。积分杆可以是方形杆、六边形的杆、七边形的杆、八边形的杆、圆形杆或者任何其它截面的杆。
光积分器102包括空心管或实心杆，其中杆或管的侧面基本上是平行的并且入孔106和出孔108有相同的尺寸，光积分器102的特征是离开积分器102出口108的光的发散角与来自LED 60在入口106进入积分器102的光的发散角是相同的。因此有平行侧面的积分器102对光束发散没有影响，并将来自LED 60的光传输到其出孔108。离开积分器102的光将被很好地均匀化，并且LED 60的所有颜色混合在一起形成单一颜色的光束。
有利地，积分器102可以具有其长度远大于其直径的纵横比。长度和直径之间的比例越大，产生的混合和均匀化将越好。积分器102可以装在管或套筒104内，管或套筒针对损坏、刮痕和灰尘提供了机械保护。
在出口108离开积分器102的光在准直混合镜片80的入口82进入准直混合镜片80。准直混合镜片80可以与图5示出的实施例中的准直混合镜片有相同的结构和布局。准直混合镜片80可以是使用全内反射(TIR)来控制光方向的实心镜片，或者可以是空心的反射表面。准直混合镜片80可以具有4个侧面，其中每个侧面是弯曲的。包括在图9的准直混合镜片80的侧视图和在图10的准直混合镜片80的端视图示出了这个形状的细节。方形侧面的形状与弯曲侧面的组合提供了在由积分器进行均匀化的同时对来自LED 60的晶片64的光进行进一步混合。准直混合镜片80的进一步特征是将反射光引向外部焦点，该外部焦点比较接近准直混合镜片80的输出面。
在图9所示的实施例中，反射光在出口84离开准直混合镜片80并可以作为我们的输出，或者可以通过下游光学系统进一步进行修正。
图8示出本发明的进一步实施例。元件LED 60、衬底62、准直混合镜片80、积分器102可以如上所述。在这个实施例中，从准直混合镜片64离开的均匀化和聚焦的光被引导穿过透镜系统120和122。透镜120和透镜122可以沿着光轴独立地移动以便对离开的光束提供光束角控制。因为准直混合镜片80的焦点是短的，所以透镜120和透镜122的小幅运动可引起光束角的大幅改变。在一个实施例中，透镜120和/或透镜122的位置移动10mm可以引起光束角从5°到50°的改变。由此为自动LED照明装置提供改进的可变的光束角或变焦。
在进一步的实施例中，透镜120和透镜122可以形成消色差光学系统，如此使其像对短波长的蓝光一样为长波长的红光提供相同角度的光束角变化，由此避免色差。这保证了来自LED 60的不同颜色的LED晶片的所有光束是相同尺寸，从而产生均匀地颜色组合光束。还有进一步的实施例中，任何数量的透镜都可以用作透镜系统。就所有情况而言，透镜可以包含一个或多个光学元件。虽然在此将透镜120和透镜122示为双凸透镜，但是本发明不限于此，透镜120和透镜122可以是本领域中已知的任何形状的光学元件以及可以包括任何数量的透镜，任何数量的透镜包括单透镜。这应用到上文讨论的任意实施例中。
图13和图14示出LED照明装置的其它可替换的实施例。在这两个实施例中，光积分器102(无论是实心的还是空心的)具有锥形的侧面110，使得入孔106比出孔108要小。这种结构的优点是在出口108离开积分器102的光的发散角将会小于在入口106进入积分器102的光的发散角。来自较大的孔中的更小的发散角的组合有助于使系统的展度(etendue)守恒。由此锥形积分器102可以为聚光光学系统提供相似的功能。因此，关于具有非锥形的积分器的实施例，一些实施例可以不包括如上文讨论的光学元件120、122，而其它实施例可以包括如上文讨论的这些元件。
虽然本公开已经就有限数量的实施例进行了描述，但得益于本公开的本领域技术人员将意识到可以想到其它实施例，这些实施例不偏离在此所公开的公开内容的范围。对本公开已经进行了详细描述，应当理解的是，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种改变、替换和改动。

Claims (9)

1.一种LED照明装置，所述LED照明装置包括准直器以及一个或多个LED，所述一个或多个LED发射光，所述光具有多种分离的颜色，所述准直器具有多个的至少三个弯曲侧面，所述准直器用于准直和混合所述一个或多个LED发射的光。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述准直器的光接收端具有带有直边的几何形状。
3.根据权利要求1和2所述的照明装置，其中，所述准直器的光离开端具有带有曲边的几何形状。
4.根据权利要求1和2和3所述的照明装置，其中，所述准直器的光接收端的几何形状与所述一个或多个LED的形状大致相同。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中，所述准直器的接收端的定向轴线偏离LED晶片的定向。
6.根据权利要求1、2、3、4和5所述的照明装置，其中，所述准直器接受来自所述一个或多个LED的光，以及伸长的光积分器接收来自所述准直器的光。
7.根据权利要求1、2、3、4和5所述的照明装置，其中，伸长的光积分器接收来自所述一个或多个LED的光，以及所述准直器接收来自所述伸长的光积分器的光。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6和7所述的照明装置，其中，离开伸长的光积分器的光由多个能独立连接的光学透镜按顺序接收。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7和8所述的照明装置，其中，伸长的光积分器的光接收端具有的横截面比所述伸长的光积分器的光离开端更小。
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