CN101836038B - 混合照明设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种混合照明装置包括具有宽带光谱输出的第一照明光源和具有窄带光谱输出的第二照明光源，该窄带光谱输出与宽带光谱的最小强度光谱区域重叠或邻近。卤素光源可以提供宽带照明，而405nm的LED可以提供窄带IR照明。该装置还包括光学聚光器，用于收集宽带照明并沿着光轴引导该宽带照明。窄带光源LED可以被设置在聚光器附近或安装在聚光器中以使得宽带和窄带照明沿着同轴光学路径传播。可以提供波导来在所述装置处收集混合照明并将混合照明传输到目标场景。目标反射光也可以被收集并由波导传输到接收器/探测器。

Description

混合照明设备和方法

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦发起的研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明的实施方式大多数通常涉及照明和色度测量设备和方法的领域。更具体地，本发明的实施方式针对混合宽带/窄带的同轴照明设备、系统和相关方法。

背景技术

一切事物都依赖于光来被看见，因此照明设备和方法的设计和应用虽然在理论上相对简单，但具有关键的现实重要性。被照明的物体的属性和对它进行照明的目的代表在照明系统的设计中必须被考虑的关键参数。例如，停车场照明、展览箱中的一件珠宝的照明以及在目标领域中用于探测闯入者的运动的该目标领域的照明中的每一种照明都需要特定的照明光谱或合适的光谱组合、适当的探测器（例如，眼睛、CCD等）以及恰当的传播介质来实现最佳结果。因此可以设计各种照明系统来用于检查查看、橱窗展示、大的和小的区域照明、近似性探测以及许多其它应用。

一般的白炽灯泡提供了用于通常照明的合理的宽照明光谱。然而，常规的白炽灯泡效率非常低。一般的白炽灯泡的钨丝具有大约700-1000小时的寿命。此外，由一般的白炽灯泡发出的辐射中的大约90%是以热量的形式（即红外（IR）辐射），而不是光的形式，然而照明是灯泡的主要功能。

卤素灯是白炽灯的一种类型。它具有像常规白炽灯泡那样的钨丝。由于公知的由卤素气体推动的再生循环，卤素灯中的钨丝比常规白炽灯泡中的钨丝更耐用，能保持更长的时间周期，从而在正常的操作条件下具有更长的寿命。

色温是通过将光的颜色质量与被加热到开氏温标上的指定温度的理论黑体相比较来测量和描述光的颜色质量的一种方式。在常规的色温标度中，一般的钨丝灯泡具有大约2800开尔文（K）的色温，它是光的颜色质量（“白度”）的度量。日光的标准参考具有5000K的色温。相对地，卤素光源具有大约3200K的色温（取决于驱动电压）。实际上来说，卤素光源比标准白炽灯照明产生了更热和更亮的光。低的色温意味着更暖的光（大多为黄色/红色），而高色温意味着较冷的光（大多为蓝色）。

不像在可见光谱上发射平稳分布的波长的黑体那样，许多光源在它们发射的波长带中的特定波长处在它们的光强度上具有尖峰或凹陷。非黑体光源包括例如荧光灯、LED以及蒸汽灯。对于这些光源，光质量度量被称为它们的相关色温（CCT）。CCT是对这些光源发射的红光、绿光和蓝光（光的色表）的相对量的测量。

图1a示出了来自在一般运行条件下的宽带卤素光源的强度谱。还示出了来自红色、绿色和蓝色LED的输出。图1b示出了在405纳米（nm）的光从LED被添加时的输出光谱。在大约400-420nm之间的波长处，卤素灯光强度相对较低。增强该波段的光强度的一个已知解决方案是用更强的功率（电流）驱动卤素光源直到在所期望的波长处的输出足够满足所预期的应用的要求。然而，该解决方案具有几个缺点。主要缺点是由于卤素光源固有的光谱响应而导致的低效率。具体地，在波长<420nm处，卤素光源需要更热的灯丝来为一些应用提供必要的输出。这会导致较短的寿命以及宽带相关色温改变，这在应用中是不希望的。第二，该技术除了灯丝设计和电流折衷之外，没有提供对输出CCT或光谱输出的控制。此外，虽然来自基于LED的光源的红光、绿光和蓝光的组合可以提供期望的光谱范围，但光谱可能缺少期望的均匀度（平坦度），这可能导致例如在具有后续的带通滤波的应用中的问题。

发明人已经意识到与处理所陈述的和其它已知的本领域中的缺陷的系统、设备和方法相关的好处和优点。这些优点中的某些优点包括但不限于：通过改变光源的CCT来提供当前不可获得的定制照明方案，同时提供比通过RGB LED解决方案所提供的光谱输出更平滑的光谱输出；通过在没有相应增加系统功率需求的情况下的目标输出来提供更高效的解决方案；以及通过将多系统功能组合到单一系统解决方案来提供应用的灵活性。

本发明的实施方式针对处理前面所提到的与本领域中的当前技术相关的缺陷和缺点的设备和方法。

发明内容

本发明的实施方式针对混合照明装置。该装置包括装置外壳；安装在装置外壳中的第一照明光源，用于发射第一所选择的光谱输出；具有光轴的聚光器光学元件，它安装在装置外壳中并被设置来接收第一所选择的光谱输出，以及沿着所述光轴传播所述输出；设置在装置外壳中的第二照明光源，用于沿着第二照明光源传播路径来发射第二所选择的光谱输出；以及具有输入端和输出端的光波导部件，该光波导部件至少部分设置在装置外壳中以在输入端接收第一光谱输出以及第二光谱输出，并且其中，包括第一所选择的光谱输出和第二所选择的光谱输出的至少一部分的期望的光谱分布在输出端被释放。根据一个方面，所述光轴（沿着该光轴引导第一照明光源输出）和第二照明光源传播路径在进入传播介质之前被同轴对准。根据示例性的方面，第一照明光源具有宽带可见光谱，第二照明光源具有窄带红外光谱。在一个方面，这些光谱至少部分重叠。根据一个方面，第二照明光源在第二光源光谱峰值区域中具有比第一照明光源强度大得多的光谱峰值强度。在示例性方面中，第一照明光源是卤素光源，而第二照明光源是405nm的发光二极管（LED）。在特定方面，第二照明光源被安装在聚光器光学元件中。在可替换方面，第二照明光源安装在聚光器附近，从而以此方式将第一和第二照明输出导向传播介质中。根据一个方面，所述装置包括滤光器，该滤光器被设置来滤除与窄带光源的光谱带宽重叠的宽带光源的部分。根据一个方面，所述装置包括容纳至少宽带光源的子外壳，该子外壳可拆卸地、磁性地连接到所述外壳。

本发明的实施方式针对混合近似性照明和探测系统。该系统包括外壳；可拆卸地安装在外壳中的具有宽带光谱输出的第一照明光源；安装在外壳中的具有窄带IR光谱输出的第二照明光源，其中，宽带光谱输出的至少未被滤光的部分与窄带光谱输出的至少一部分相重叠；设置在外壳中的光学部件，用于将第一和第二照明光源输出中的至少一者导向传播介质的输入；照明传播介质，用于将组合的第一和第二照明光源输出传输到目标目的地以及将从目标目的地反射的照明的至少一部分传输到接收目的地；以及在接收目的地的接收器，用于接收从目标目的地反射的组合照明的IR部分的至少一部分。在一个方面中，该系统还包括与第一照明光源合作接合的滤光器，用于滤除宽带光谱输出的重叠部分，和/或与接收器合作接合的滤光器，用于辨别从目标目的地反射的IR照明。根据一个方面，照明传播介质是光纤束，该光纤束具有用于将组合照明传播到目标目的地的至少一个光纤以及用于传播目标目的地反射的IR照明的至少一个其它光纤。根据一个方面，该系统包括子外壳，该子外壳磁性地、可拆卸地安装在外壳中，该子外壳包括第一照明光源。在该系统的一个方面中，第一照明光源输出和第二照明光源输出具有邻近传播介质的输入的同轴传播路径。

本发明的实施方式针对提供定制照明方案的方法。该方法包括以下步骤：提供具有可定义的色温的第一照明；提供具有相对于第一照明的宽带光谱的窄带光谱的第二照明；通过光学地组合第一照明和第二照明的至少一部分光谱而以基本独立于功率的方式来改变第一照明的色温，其中，来自照明装置的输出照明具有可选择性地修改的相关色温（CCT），该CCT不同于第一照明的色温。根据一个方面，该方法包括沿着同轴传播路径传播组合照明的步骤。在一个方面中，该方法包括滤除与第二照明的窄带光谱重合的第一照明的宽带光谱的部分。在示例性方面中，该方法包括提供卤素第一照明以及红外第二照明。在一个方面中，该方法包括调制第二照明。在一个方面中，将同轴传播路径输入光波导的输入端。

前述实施方式和相关方面的特性和属性由于所附附图和下面的详细描述将更加显而易见。

附图说明

所附附图示出了本发明的示例性和说明性的实施方式和方面。在附图中：

图1a示出了来自宽带卤素光源的强度谱；

图1b示出了在405纳米（nm）的光从LED被添加时的卤素输出光谱；

图2是根据本发明的示例性实施方式的混合同轴照明装置的顶部平面示意图；

图3a和图3b分别是在根据本发明的示例性实施方式的混合同轴照明装置中的照明光源的侧截面示意图和正视示意图；

图4是示出了根据本发明的示例性方面的嵌入卤素聚光器中心的LED及其透镜的照相复制；

图5是根据本发明的说明性方面的可拆卸的、磁性附着的子外壳组件的顶部平面示意图；以及

图6是根据本发明的示例性实施方式的近似性照明/探测系统的示意图。

具体实施方式

图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的混合同轴照明装置200-1。该装置包括装置外壳203。直接或间接附着到外壳的是第一照明光源209，在该示例性方面中，第一照明光源209是卤素钨丝灯209。第一照明光源规定为具有可确认的色温（CT）或相关色温（CCT）的可见宽带光源。卤素光源209具有大约3200K的CT。在一个示例性方面中，图1a中的图形100-1示出了作为强度的函数的卤素输出光谱103-1。图形100-1还分别示出了蓝色、绿色和红色LED的光谱111、113、115，并表明来自这些典型光源的强度在它们的总的带宽上不是特别均匀（平坦）。可以观察到，卤素光谱的强度从在大约580nm处的峰值下降到在大约λ≤400nm处的接近0的值。

光学聚光器219光学地位于卤素光源209的下游。聚光器219收集卤素照明并将该卤素照明沿着聚光器的光轴221引导。该装置还包括第二照明光源225，在该示例性方面中，第二照明光源225是具有在405nm±5nm处的光谱峰值的发光二极管（LED）。该LED可以是模具的形式（die form）或以各种商业上可用的形式被封装。如所示出的，LED225用热的方式被安装到透镜安装支架220上。光束转向部件227沿着光轴221放置以沿着路径221’指引LED输出，所述路径221’与光轴221同轴对准。可以根据需要对第二照明光源进行外部或内部调制。

如图2中进一步示出的，设置在外壳201中的具有输入端237的光波导231被对准以使得第一和第二照明光源209、225的组合同轴输出入射到输入端237，从而光波导将组合照明传播到光波导的输出端239（在该图中未被示出）。在示例性方面中，光波导是商业上可用的光纤束。在特定方面中，光纤束具有4mm的有源输入区域。辅助的光学部件可以被用于输入（和输出）耦合照明。

图2中还示出了IR滤光器242，IR滤光器242可以可选地用于滤除可以与窄带IR LED的光谱输出重叠的来自宽带光谱的光谱成分。

图1b中的图形100-2示出了宽带卤素光源和窄带LED的混合照明的输出强度光谱103-2。可以观察到在标记105处的由LED添加的光谱成分。

根据如图3a和图3b示出的示例性的可选方面，窄带发射的第二照明LED光源225被直接安装在聚光器元件219的中心区域（即沿着光轴221）。因此，辅助部件227是不必要的。卤素光源和LED的组合输出如之前一样同轴地传播到光纤束231的输入237。图4是示出了从装置的波导侧来看嵌入到卤素聚光器中心的LED（及其透镜）的相片。

所实现的装置提供了对特定目标照明波长（例如405nm）的设备改进，同时提供了宽带（可见）照明。所实现的设备通过降低宽带光源所需的功率水平而改进效率（如果效率仅在特定期望波长处变得不足）。现有技术中的装置需要宽带光源的功率水平被增加直到对于预期的应用而言获得了具有最低强度的期望波长处的输出。对于典型的卤素光源，这导致了更热的灯丝、更短的寿命以及对于将来应用中的不可控制的和/或不期望的宽带相关色温改变。外加LED，可以选择性地改变光源的CCT以提供定制解决方案，同时比RGB LED解决方案提供更平坦的光谱输出。

不考虑上面提到的聚光器/LED配置，所述装置可以包括子外壳503，如图5中的500-1示意性示出的。根据该说明性方面，卤素光源209被安装在子外壳503中。子外壳包括导轨或轨道、或本领域中已知的其它结构配置，子外壳提供了对外壳203的可拆卸的、安全的连接。子外壳503以及外壳203中的每一个都包括附加磁铁517，用于将子外壳固定到外壳中。电连接和光连接、以及导向销和其它足够和必要的操作部件在本领域是已知的，在这里不需要进一步的讨论。该即时构造在卤素光源需要维护或替换时提供了方便和高效的方式来接入卤素光源。

本发明的另一实施方式针对图6中示意性地示出的组合照明/近似性探测系统600-1。系统600-1包括外壳，该外壳具有图2和3中所示出的以及上文所描述的混合宽带/窄带照明装置200-1。因此，该系统包括可拆卸地安装在外壳中的具有宽带光谱输出的第一照明光源（参见例如图5和相关描述）；安装在外壳中的具有窄带IR光谱输出的第二照明光源，其中，宽带光谱输出的至少未滤光的部分与窄带光谱输出重叠；以及设置在外壳中的光学部件（例如光学聚光器），用于将至少第一照明光源输出导向传播介质的输入，其中第一光谱输出和第二光谱输出具有邻近传播介质的输入的同轴传播路径。

系统600-1还包括IR接收器614，该IR接收器614在LED IR输出被调制的情况下可以包括解调器。

在该实施方式中，用于传输组合的第一和第二照明光源输出的照明传播介质是光纤束631。光纤束具有至少一个光纤波导631-1，该光纤波导631-1具有用于接收混合的宽带/窄带照明输出的输入端637。光纤631-1具有输出端639，用于发射混合照明以照明目标场景650。在所示出的说明性方面中，目标场景是显示器中的对象。光纤束631还具有至少一个光纤波导631-2，该光纤波导631-2具有用于接收从目标场景反射的光的输入端641。可以提供辅助光学元件619来帮助收集所反射的IR目标光，并将该IR目标光导向光纤631-2的输入端641。光纤631-2将目标反射光传输到耦合到接收器614的输出端643。接收器可以包含滤光器622，滤光器622用于辨别从目标场景反射的窄带IR光。

根据该实施方式，例如，宽带照明对目标场景进行照明来用于观看对象。调制后的IR光从对象被反射并由接收器探测。如果例如对象被移动，则在接收器处的探测到的IR光的量或强度改变。该改变可以被用于引起警报或以其它方式提供在目标场景中的情况改变的通知。

根据前述描述可以理解，本发明的实施方式提供了用于提供定制照明方案的方法。根据示例性方法，提供了具有可定义的色温的第一照明。这将有利地为宽带可见光谱。还提供了具有相对于第一照明的宽带光谱的窄带光谱的第二照明。第一照明的色温可以通过光学地组合第一照明和第二照明的至少一部分光谱而以基本独立于功率的方式（即在不调节到宽带照明光源的功率输入的情况下）被修改，从而产生了具有不同于第一照明的色温的选择性修改的相关色温（CCT）的混合输出照明。宽带和窄带照明沿着同轴传播路径被有利地组合。可以提供各种滤光器来滤除与第二照明的窄带光谱重叠的第一照明的宽带光谱的部分和/或在接收器处辨别所探测到的IR信号光。宽带卤素照明和具有在大约405nm处的光谱峰值的窄带IR照明为各种应用提供了有利的照明。

本发明的方面和实施方式的前述描述提供了示例和描述，但不意味着穷举或将本发明限制于所公开的明确的形式中。本领域技术人员可以理解，这些实施方式的某些修改、改变、添加和组合根据上述教导是可能的或者可以从本发明的实践中获取。

Claims (13)

1.一种混合照明装置，该装置包括：

装置外壳；

安装在所述装置外壳中的第一照明光源，该第一照明光源用于发射第一所选择的光谱输出；

具有光轴的聚光器光学元件，该聚光器光学元件安装在所述装置外壳中，并被设置来接收所述第一所选择的光谱输出，以及沿着所述光轴传播所述输出；

设置在所述装置中的第二照明光源，该第二照明光源用于沿着第二照明光源传播路径来发射第二所选择的光谱输出，其中所述光轴和所述第二照明光源传播路径同轴对准；以及

光波导部件，该光波导部件具有输入端和输出端，该光波导部件至少部分设置在所述装置外壳中以在所述输入端接收第一光谱输出以及第二光谱输出，以及其中，包括所述第一所选择的光谱输出和所述第二所选择的光谱输出的至少一部分的期望的光谱分布在所述输出端被释放。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一照明光源是宽带光谱光源，所述第二照明光源是窄带红外光谱光源。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二照明光源发射具有在第一照明光源光谱的低强度带宽中的强度峰值的光谱。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一照明光源是卤素光源。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二照明光源是发光二极管。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述发光二极管发射红外光谱。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述发光二极管在405纳米处具有光谱输出峰值。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二照明光源被设置在所述聚光器光学元件中。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第二照明光源被安装在所述聚光器光学元件的中心区域。

10.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括安装在所述装置中的辅助光学部件，该辅助光学部件被设置以拦截来自所述第二照明光源的光谱输出并沿着所述光轴传播所述输出。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二照明光源是内部调制光源和外部调制光源中的一者。

12.根据权利要求2所述的装置，该装置还包括安装在所述装置中的滤光器，该滤光器被设置以滤除所述宽带光源的与所述窄带光源的光谱带宽重叠的光谱部分。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一照明光源是第一照明光源组件的部件，其中所述装置外壳和所述第一照明光源组件包括至少两个磁铁，所述磁铁被设置以使得所述第一照明光源组件可拆卸地、磁性地安装在所述装置外壳中。

Images