CN101027580A - 照明系统 - Google Patents
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Abstract
一种照明系统具有多个光发射体(R、G、B)，以及至少一个光准直段(12，12′，12″)，光准直段(12，12′，12″)用于使沿照明系统纵轴(25)安置的光发射体发出的光准直。至少有一个光准直段在背离光发射体的一侧并入混光段(3)。混光段具有多个与纵轴平行的侧面。混光段背离光发射体的一个表面上装有一个光成形散射体(17)。光成形散射体优先是一个全息散射体。照明系统优先包括多个光准直段，每个光准直段至少与一个光发射体相联系。照明系统提供了光发射体发出的光的改善的空间混合以及空间－斜角混合。
Description
本发明涉及一种照明系统，它包括多个光准直段和一个混光段。
此种照明系统本身已为大家所知。它们尤其用于(图像)显示仪表的背面照明。如电视接收机和电视检视器。此种照明系统特别适用于用作非辐射显示和背光。如用在手提电脑或无绳电话中的液晶显示器，也称LCD屏。本发明中照明系统的另一应用领域就是在数字投影仪或所谓射束仪中投射图像或显示电视节目，电影，视频节目及DVD等等时作为照明源。此外，此种照明系统还用于普通照明，如聚光灯，重点照明，夜光灯，以及用于大面积直视发光板，如用于图符，轮廓照明，广告片。在其它应用中，此种照明系统发出的光线被送入光导件，光导纤维或其它射束形成光学器件中。
一般说来，此种照明系统包括许多光发射体，如发光二极管(LED)。LED可以是不同基色的光源，比如众所周知的红(R)，绿(G)，蓝(B)发射体。此外，光发射体可把琥珀色，深红色或蓝绿色作为基色。这些基色可以由发光二极管芯片直接产生，也可是由发光二极管芯片发出的光辐照在磷光体上而产生。在后一种情况下，可把混合色或白光作为一种基色。一般来说，由光发射体发出的光在透光元件中得以混合以便取得光的均匀分布。同时，对于特定光发射体来说能消除照明系统发光的相关性。而且，大家都知道还可采用带有传感器及一些反馈算法的控制器以便取得高的色彩准确度。
日本专利申请JP-A2002A133932的英译版描述了一照明系统，该系统包括一种光导构件，此光导构件包括三个具有不同基色的发光二极管(LED)。在已知照明系统中，光得以混合从而照明系统发出去的光基本是白光.光导构件包括三个凹部用以容纳各自LED的外壳。在已知照明系统中，光导构件的侧面做成曲面，而且在背离LED的一侧为光导构件配备了一个出射面，LED发出的光就是从出射面发射的。在光导构件的出射面上，为光导构件配备了一个散射面以便扩散从出射面射出的光。要如此建造已知照明系统，这样当三个LED中任意一个光发射失效时，可重新安置LED以便重建白光发射功能。
已知照明系统的一个缺陷就在于照明系统发出的光不充分均匀。
本发明的目的就是要全部或部分消除以上缺点。依据本发明，此目的可以通过一种照明系统而达到，它包括：
多个光发射体；
至少一个光准直段，使光发射体发出的光准直；
至少一个光准直段，沿照明系统的纵轴安置；
至少一个光准直段，在背离光发射体的一侧并入混光段中；
混光段，其多个侧面平行于纵轴；
混光段上背离光发射体的一个表面上配有一个光成形散光体。
依据本发明，照明系统包括一个光准直段，一个混光段和一个光成形散射体。照明系统中这三种元件的结合使本发明中照明系统发出的光基本上能以斜角的方式得以混合，而且，照明系统发出的光基本上是准直(平行)的。
光形成散射光体优先为全息散射体。光成形散射体的一种有利实施例为随机全息散射体。全息散射体的主要作用就是用来获得均匀的空间及斜角光分布以及色彩分布。根据全息散射体的性质，全息散射体射束形成器的尺寸小到不会有细部投射到目标上，从而就有空间及或倾斜角平稳变化且均匀的射束图形。全息散射体成的次作用就是引发照明系统所发光束的形状的改变。散射体优先与混光段的介体成为一体并位于混光段的出射窗处。
照明系统的光学器件包括至少一个光准直段，混光段和光成形散射体。光准直段用来使光发射体发出的光准直，混光段用来混合由至少一个光准直段发出的光。照明系统优先包括光准直段，它们沿照明系统的纵轴彼此大致平行安置。每个光准直段至少与一个光发射体相联系。每个光准直段与单个光发射体或一组光发射体相联系。一组光发射体可以是一群具有相同基色的光发射体，也可以是一群具有混合基色的光发射体。
此外，通过为混合光段配备多个平行于纵轴的侧面(大致为平面)，就可激发光发射体发出光的空间混合。混光段优先配置有四个或六个侧面。人们会发现使用如此优选数量的侧面会激发光发射体发出光的空间混合及空间-斜角混合。
光准直段中的光能够以各种方式传播。在一种优选实施例中，光准直段中的光传播是基于全内反射进行的。由于光发射体发出的光是基于全内反射进行传播的，因而就可大大避免光准直段中的光损失。在此种实施例中，光准直段优先由折射率大于或等于1。3的非气态透光介质材料制成。在另一实施例中，光准直段的内表面装有反射材料。在此种实施例中，光准直段优先填充有气体。
依据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：至少一个光准直段包括一种非气态介质光准直段或非气态介质填充光准直段，而且至少一个平行于纵轴的光准直段的长度lc与光准直段直径dc的比值在如下范围内：
0.35＝＜(lc/dc)＜＝2
数值lc/dc大于2是可行的，但光准直段的尺寸将变得不切实际，而且混光段中的空间与\或斜角混合将效率低下。数值lc/dc小于0.35也是可行的，但系统效率将会非常低。
光在混光段中能以各种方式传播。混光段中的光传播是基于全内反射进行的。在此种实施例中，混光段优先由折射率大于或等于1。3的非气态透光介质材料制成。在另一实施例中，混光段的内表面装有反射材料。在此种实施例中，混光段优先填充有气体。
依据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：光准直段与混光段形成一个整体。由于避免了光准直段与混光段之间的交界，因此本发明照明系统中的光传播的效率就得以加强。此外，通过将准直段与混光段做成一整个介质部分，就避免了交界处所谓菲涅尔反射损失。
通过以有利方式对混光段定尺寸可以进一步改善照明系统发出光的均匀性。为此，依据本发明照明系统的一种实施例的特征在于：与纵轴平行的非气态介质填充混光段的长度1ms与此混光段的直径dms的比值在以下范围内：
3.5＝＜(1ms/dms)＜＝10。
1ms/dms的数值大于10是可行的，但混光段的尺寸将变得不切实际。lms/dms的数值小于3.5也是可行的。但照明系统发出光的空间与/或斜角混合将被限制在相当低的值。
依据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：与纵轴平行的混光段的长度lms与此混光段的直径dms的比值在以下范围内：
2＝＜(1ms/dms)＜＝7。
数值1ms/dms大于7是可行的，但混光段的尺寸将变得不切实际且反射损失将变得不可接受。数值1ms/dms小于2也是可行的，但照明系统发出光的空间与/或斜角混合将被限制在相当低的值。
通过使用使光发射体发出光准直的额外装置可以进一步改善照明系统发出光的准直度。为此，依据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：在背离光发射体的一侧为混光段配备一个附加光准直段。这种附加光准直段进一步使混光段发出的光束准直。
有多种方法可以实现附加光准直段。在第一实施例中，附加光准直段包括一个从混光段扩充的圆锥形。在另一实施例中，附加光准直段为多面体以便进一步加强照明系统发出的光束的均一性。在又一实施例中，附加光准直段大致是依照复合抛物面集中器(CPC)成形的。可以把附加光准直段的各种实施例结合起来。
本发明的这些方面及其它方面将参照后面描述的实施例得以阐明。
在附图中：
图1为依据本发明照明系统第一实施例的截面图；
图2A为依据本发明照明系统第二实施例的截面图；
图2B与2C为图2A中所示照明系统的光准直段与混光段的两个替选实施例的透视图；
图3为根据本发明照明系统第三实施例的截面图；
图4为依据本发明照明系统第四实施例的截面图；
附图是示意性的，而且不是按比例绘制的。特别是一些尺寸被大大地放大以便简化附图。图中相似的元器件尽量以相同的参数字标示。
图1以非常简化的形式显示了依据本发明照明系统第一实施例的截面图。照明系统包括多个R、G、B光发射体，如多个发光二极管(LED)。LED可以是不同基色的光发射体，如图1示例中的众所周知的红R，绿G，蓝B光发射体。或者，光发射体也可把琥珀色，深红色，蓝绿色作为基色。这些基色可以由发光二极管芯片直接产生，也可以由发光二极管发出的光辐照在磷光体上而产生。在后一种情况下，可把混合色或白色作为一种基色。在图1所示示例中，R、G、BLED是安装在(金属芯)印刷电路板5上的。一般来说，LED具有相当高的源亮度。当在额定功率及室温下激励LED联合产生光时，每个LED所具辐射功率输出至少是25毫瓦。具有如此高输出的LED也被称为LED功率组。使用如此高效率高输出LED的特点在于：在需求比较高的光输出时，LED的数量可以相对较小。这对于待制造的照明系统的紧凑性及效率有积极的作用。如果LED功率组是安装在此种(金属芯)印刷电路板5上，那么LED生成的热就能够通过PCB的热传导来轻易地散失掉。在照明系统的一种有利实施例中，(金属芯)印刷电路板5经由热传导连接与照明系统的外壳(图中没有标示)相接触。所谓无遮盖功率LED芯片优先安装在一个基片，如绝缘金属片，硅片，陶瓷片或复合片上。基片提供了与芯片的电连接，而且还作为良好的传热段以便将热量传输给热交换器。
图1所示照明系统的实施例包括多个光准直段12，12′，12″，一个混光段3和一个光成形散射体17。光准直段12，12′，12″基本上沿照明系统的纵轴25彼此平行安置。更准确地说，每段都有一个旋转对称轴，这些轴大体互相平行于纵轴25。每个光准直段12，12′，12″都至少与一个光发射体R、G、B相联系。在图一所示示例中，单个LED分别与每个光准直段相联系。这可以是大量的具有相同基色的LED，也可以是大量的具有两种或更多种基色的LED。
在图1所示示例中，光准直段12，12′，12″填充有气体。光准直段12，12′，12″内光的传播是基于在光准直段12。12′12″侧壁上反射面22的反射而进行的。光准直段12，12′，12″在背离光发射体R、G、B一侧的出射面处并入混光段3中。在图1所示示例中，混光段3填充有空气。混光段3内光的传播是基于在混光段3侧壁上(镜面)反射面33，33′反射而进行的。混光段3的侧壁可以自反射，或者优先在侧壁的内表面上应用反射涂层。此外，在混光段3背离光发射体R、G、B的一个表面上装有一个光成形散射体17，在图1所示示例中是一个全息散射体。全息散射体的主要作用是促进照明系统发出光的色彩分布与光线分布的空间及斜角混合。
在依据本发明的照明系统中将多个光准直段12，12′，12″，混合段3及光成形散射体结合起来使得照明系统发出的光基本上为均匀分布。根据照明系统的尺寸，照明系统发出的光既能以空间方式又能以斜角方式大致混合。而且，照明系统发出的光基本上是准直的，也就是说，照明系统发出的光基本上是平行的。(参见图1中粗箭头)。
图2A示意性显示了依据本发明照明系统第二实施例的截面图。照明系统包括多个光发射体R、G、B，它们装在(金属芯)印刷电路板5上。在图2A所示示例中，光准直段12，12′，12″以及混光段3是由非气态透光介质材料制成的。介质材料的折射率优先大于或等于1。3。在图2A所示照明系统的实施例中，多个光准直段12，12′，12″与混光段3形成单个整体。为此，光准直段12，12′，12″在背离光发射体R、G、B的一侧并入混光段3中。由于避免了光准直段12，12′，12″与混光段3间的表面交界，光线在本发明照明系统中的传播效率得以大大加强。由于光准直段12，12′，12″与混光段3形成单个介质物件，从而大大避免了交界处的所谓菲涅尔反射损失。
图2A所示照明系统的混光段3中的光传播是基于全内反射(TIR)进行的，这大大避免了混光段3内的光损失。此外，混光段3包括有多个平行于纵轴25的侧面，从而激发了光发射体R、G、B发出光的空间与斜角混合。如果为混光段3配备一个大致圆弧形的外表面，那么将可能足够激发光发射体发出光的空间混合。优先为混光段3配备四个或六个平行于光轴的侧面。如此数目的侧面使光发射体发出的光能够良好地空间混合以及空间-斜角混合。
光准直段12，12′，12″与混光段3优先由一块丙烯酸材料或玻璃制成。优先把光准直段12，12′，12″直接环绕模制在光发射体上，或者在光发射体R、G、B与各自光准直段12，12′，12″之间装上密封剂。由于光准直段及混光段中的全内反射的实际损失低，图2A所示照明系统实施例的系统效率得以改善。此外，由于光准直段12，12′，12″与混光段3形成一整个介质体，交接面减少了，因此，可能导致照明系统的效率降低和光的不必要损失的交接面减少了。通过减少光学部件的数量，而且由于全部光学器件被制成一整个注模件，因此依据图2A所示照明系统实施例的照明系统是经济可行的。
可把光准直段12，12′，12″的部分外表面制成可反射的或者为其配备反射层(图2A中没有显示)，反射层与光准直段12，12′，12″的介质接触，或者把发射层作为可与光准直段12，12′，12″接触的元件，这样第一部分光就通过全内反射来反射，而由混光段传输的第二部分光就由外反射器来反射。在图2A中，由于光准直段12，12′，12″内的光的传播是基于全内反射(TIR)进行的，因而就促进了光准直段12，12′，12″内光的传播。这样避免了由于反射而造成的任何损失，而且在光传播通过光准直段与混光段时可作为反射光的有利机构。为部分光准直段配备反射层使得光准直段间的距离更小，即光源组装更紧凑，这就显著地减小了系统的整体大小。在此种实施例中，至少部分光准直段优先设计成所谓的复合抛物面集中器(CPC)。光准直段内光的准直度优先受限于相对光轴的传播角，从而当与混光段的侧壁相互作用时，这些光线正好处于全内反射的范围内。这样一来，就能将需求一定均匀性的混光段的长度减到最小，取得最小的系统总体尺寸，在一种替选实施例中，光准直段的形状相似于复合抛物面集中器，但不完全相同。
依据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：至少一个光准直段12，12′，12″包括有一个非气态介质或非气态介质填充光准直段12，12′，12″，而且至少有一个平行于纵轴的光准直段12，12′，12″的长度lc与光准直段12，12′，12″的直径dc的比值在如下范围内：
0.35＝＜(lc/dc)＜＝2
如果适当选择混光段3的尺寸，就能促进混光段3内的光混合。沿平行于纵轴25方向测量的非气态介质填充混光段3的长度lms与混光段3厚度的特征尺寸即混光段直径dms的比值优先在以下范围内：
3.5＝＜(lms/dms)＜＝10。
非气态介质填充混光段3的比值lms/dms的最适合的数值约为5。
依据本发明照明系统的另一优选实施例特征在于：平行于纵轴的充气混光段3的长度lms与混光段3的厚度dms的比值在如下范围：
2＝＜(lms/dms)＜＝7。
充气混光段3的比值lms/dms的最合适数值为3。3。
图2B与图2C是图2A所示照明系统的光准直段与混光段的两种替选实施例的透视图。图2B显示了光准直段12和混光段3的一种实施例，其中混光段3包括四个侧面。图2C显示了光准直段12和混光段3的一种实施例，其中混光段3包括六个侧面。在图2B和图2C中，光准直段12和光准直段3是由单块介质材料制成的。图2B和图2C非常示意性地标出了光发射体R、G、B此外，图2B和图2C中混光段3背离光发射体R、G、B的一个表面上装有光成形散射体，在图2B与图2C所示示例中是一个全息散射体。
图3示意性显示了依据本发明照明系统的第三实施例的截面图。照明系统包括单个光准直段12，光准直段12配备有多个光发射体R、G、B，它们安装在(金属芯)印刷电路板5上。在图3所示示例中，混光段3由非气态透光介质材料构成。混光段3包括有多个与纵轴平行的侧面，这促进了光发射体R、G、B发出的光的空间混合与空间斜角混合(参见图2B与2C)。
图4示意性显示了依据本发明照明系统第四实施例的截面图。照明系统包括有多个光发射体R、G、B，它们安装在(金属芯)印刷电路板5上。在图4所示示例中，光准直段12，12′，12″填充有空气。光在光准直段12，12′，12″内的传播是基于光准直段12，12′，12″侧壁上反射面22的反射进行的。光准直段12，12′，12″在背离光发射体R、G、B一侧的出射面处并入混光段3。在图4所示示例中，混光段3是由非气态透光介质材料制成的，其折射率优先大于等于1。3。在图4所示照明系统的实施例中，在混光段3背离光发射体R、G、B的一侧装有附加光准直段15以便使光发射体R、G、B发出的光准直。由于有了附加光准直段15，照明系统发出的光的准直度得以进一步改善。此外，附加光准直段15进一步有效地使照明系统发出的光束对准附加光学系统的数值孔径(参见图4中粗箭头)。在图2所示示例中，附加光准直段15包括一个从混光段3处扩充的圆锥形。附加光准直段15是多面体，而且/或者附加光准直段15基本上是依照复合抛物面集中器成形的。除位于混光段背离光发射体一侧的光形成散射体外，还可在照明系统附加光准直段15的出射窗口处装一个光成形散射体。这个光成形散射体优先为全息散射体。
LED通常按照完整半球形或多半球形来辐射。使用透镜来使如此小的光发射体发出的光准直就意味着仅仅可以有效利用相当小的一部分生成的光。一种几乎完善有效的准直仪是所谓的复合抛物面集中器(CPC)或者极近似的准直仪。因为LED表面一般来说确实是非均匀辐射，而且可能使用不同色彩的LED，所以就有必要采取额外的均一化步骤。相对空间混合来说，位于光准直段顶部的混光段(有时也称之为积分杆)是一种选择。可把CPC与混光段合并成一个(塑料)元件。在应当使光进一步准直的情况下，相对使用一个CPC来说，使用两个CPC是有利的。在此种构型中，混光段位于两个CPC之间。由于在小的混光段中光束经准直仪处理且充分均一化，所以装置将更小。第二CPC优先使光束对准随后光学系统的所需数值孔径。在光发射系统中应用一个注重小角度光混合的散射体可以进一步改善斜角混合和与空间-斜角混合。将此散射体安置在已将光良好空间混合的位置如混光段的出射窗口或附加混光段的出射窗口处是尤其有利的。
图4所示混光段3背离光发射体R、G、B的一个表面上装有一个光成形散射体17，在图4所示示例中是一个全息散射体。在一种替选实施例中，光成形散射体是装在附加光准直段15的出射窗口上的。
应当注意的是，上述实施例是用于阐述本发明，而不是限制本发明。那些精通技术的人员将能够在不悖离附带权利要求书范围的情况下设计出大量替选实施例。在权利要求书中，不应将圆括号内的任何参考符号认为是用于限制要求权的。动词″包括″及其动词变化并不排除权项所述之外的要素或步骤。前面指一个元件的词″一个″并不排除多个此种元件的存在。本发明可由包括若干不同元件的硬件以及适当编程的计算机来贯彻实施。权项中列举了多种装置，这些装置的若干件可由一个相同的硬件来执行。仅有的事实就是在互相不同的独立权项中陈述的某些措施并不表示不能将这些措施优势结合。
Claims (15)
1.一种照明系统，它包括：
多个光发射体(R、G、B)；
至少一个光准直段(12，12′，12″)，用于使光发射体(R、G、B)发出的光准直；
至少一个光准直段(12，12′，12″)，沿照明系统的纵轴(25)安置；
至少一个光准直段(12，12′，12″)，在背离光发射体(R、G、B)的一侧并入混光段(3)；
混光段(3)，具有多个平行于纵轴(25)的侧面；
混光段(3)背离光发射体(R、G、B)的一个表面，其上装有一个光成形散射体(17)。
2.依据权利要求1所述照明系统，其中照明系统包括多个光准直段(12，12′，12″)，它们沿照明系统的纵轴(25)彼此大致平行安置，每个光准直段(12，12′，12″)至少与一个光发射体(R、G、B)相联系。
3.依据权利要求2所述照明系统，，其中光在光准直段(12，12′，12″)内的传播是基于全内反射或光准直段(12，12′，12″)反射面(22)的反射而进行的。
4.依据权利要求1或2所述照明系统，其中至少有一个光准直段(12，12′，12″)包括一个非气态介质或非气态介质填充光准直段(12，12′，12″)，而且至少有一个平行于纵轴的光准直段(12，12′，12″)的长度lc与光准直段(12，12′，12″)直径dc的比值在如下范围内：
0.35＝＜(lc/dc)＜＝2。
5.依据权利要求1或2所述照明系统，其中光在混光段(3)内传播是基于全内反射或混光段(3)反射面(33，33′)的反射而进行的。
6.依据权利要求2或3所述照明系统，其中光准直段(12，12′，12″)与混光段(3)形成一个整体(1)。
7.依据权利要求6所述照明系统，其中光准直段(12，12′，12″)与混光段(3)是由折射率大于或等于1.3的介质材料制成的。
8.依据权利要求1或2所述照明系统，其中混光段(3)包括一个非气态介质或非气态介质填充混光段(3)，而且平行于纵轴(25)的混光段(3)的长度lms与混光段(3)直径dms的比值在如下范围内：3.5＝＜(lms/dms)＜＝10。
9.依据权利要求1或2所述照明系统，其中混光段(3)包括一个充气混光段(3)，而且平行于纵轴(25)的混光段(3)的长度lms与混光段(3)直径dms的比值在如下范围内：2＝＜(lms/dms)＜＝7。
10.依据权利要求1或2所述照明系统，其中混光段(3)具有四个或六个侧面。
11.依据权利要求1所述照明系统，其中光成形散射体(17)是一个全息散射体。
12.依据权利要求1或2所述照明系统，混光段(3)在背离光发射体(R、G、B)的一侧装有一个附加光准直段(15)。
13.依据权利要求12所述照明系统，其中附加光准直段(15)基本上是依照复合抛物面集中器成形的。
14.依据权利要求1或2所述照明系统，其中光发射体包括至少一个具有第一基色的第一发光二极管(R)，至少一个具有第二基色的第二发光二极管(R)，至少一个具有第三基色的第三发光二极管(R)，这三种基色各不相同。
15.依据权利要求14所述照明系统，其中当在额定功率及室温下激励发光二极管(R、G、B)联合发光时，每个发光二极管(R、G、B)所具辐射功率输出至少是25毫瓦。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20070829 |