具有可控色温的动态照明设备的制作方法

具有可控色温的动态照明设备
本专利申请要求2019年9月30日提交的美国临时专利申请62/907,826的优先权。
技术领域
1.本发明总体上涉及照明设备的领域，并且更具体地涉及光束整形设备和方法。


背景技术：

2.目前大多数照明系统是稳定的，具有固定的参数(诸如强度、颜色分布和照明区域或角度)。更先进的照明系统(例如，基于发光二极管(led)的照明系统)正在提供强度的动态调制(调光)以及颜色控制(由所谓的“相关色温”或cct限定)。光束形状的动态控制极为罕见，因为它需要使用笨重、易碎且昂贵的步进电机。
3.具有国际公开号wo2017041167a1的pct申请公开了基于液晶(lc)的设备，该设备能够在不涉及电机或其他机械运动的情况下动态控制光束的形状(lc光束整形器)。该设备的操作基于微透镜阵列的动态生成，该微透镜阵列可以将光非常紧密地聚焦在光源的通光孔径的横向平面上的不同位置处，并以可控的方式扩大照明区域。
4.上述lc微透镜与由标准光学材料制成的几乎所有其他透镜一样具有色像差。这些像差可能受折射率分布以及材料色散(材料的折射率对光波长的依赖性)的影响。通常(在透明光谱范围内)，这些材料的折射率随着波长的增加而降低。因此，由标准材料制成的透镜可以更紧密地聚焦短波长(蓝色)光，如图1a所示，与长波长(红色)光r相比，这将导致该(蓝色)光b的更大诱导发散。当安装在灯具前面时，动态lc光束整形器以类似的方式工作，如图1b所示。
5.因此，对于光束被折射光学器件展宽的准直白光源，蓝光将比红光展宽更多，使得随着光束展宽，蓝光强度相对于红光强度将在低角度时降低且将在更大角度时增加。这将改变光的“颜色之于角度”(color over angle,coa)分布，并由此将降低光束中心的cct。
6.此外，许多市售照明灯具由具有蓝色led泵浦磷光体的光源组成，该蓝色led泵浦磷光体通过发射白光来向上转换光的波长，白光然后由复合光学系统准直，例如，通过使用全内反射“透镜”、菲涅耳透镜、金属反射器等(通常称为“基础透镜”)。
7.然而，在这样的设备中，由于上述问题，与光束的外围(更发散的部分)相比，展宽的光束在光束的中心(准直良好的部分)会损失其cct。这对于coa很重要的这种应用可能是不可接受的，例如，在博物馆(当尝试将光束的大小调节到艺术品等时，光的cct将改变)中。
8.因此，当使用动态控制的液晶光束整形器时，需要有解决这种cct下降的解决方案。


技术实现要素：

9.本公开尤其针对上述问题提供了解决方案，以提供一种可变角度光束，该可变角度光束能够保持光源的相同色温，而不管光束角度的变化。换言之，本公开提供了一种具有几乎恒定色温的动态照明设备。至于表述“相同色温”，应当理解，这是一种主观测量，然而，
为清楚起见，在本技术中，与光束相关的“相同色温”将被理解为例如在原始光源的整体cct接近3000k的情况下在整个光束上小于200k的颜色变化。
10.在一个广义的方面，本公开提供了一种光束整形透镜，以用于在光束的特定区域(例如，在低角谱中)提供几乎具有恒定白光温度的变化角度光束来用于整体展宽的不同状态(角度)。该透镜包括具有可变折射率(例如，基于液晶)的光束整形透镜、透镜驱动器、具有光强度的特定“固定”角分布的原始光束和来自光模块(照明器具)的cct。固定角分布可以包括倒置相关色温(cct)。例如，倒置cct光束可以是在0度视角下比在10度视角下具有更低cct的光束，在整体cct约为3000k的情况下，在0度至10度视角之间的所述光束中的cct变化(由lc光束整形器引起)小于200k。这是在0度至10度之间的视角范围内小于10％、优选地小于7％的cct变化。对于约5000k到6500k的冷白光束，这将意味着在0度至10度之间的视角范围内cct变化小于约600k，优选地小于450k。根据来自光束中心的光束内的角度的倒置cct分布可以具有倒置钟形形状。
11.在一种特定情况下，原始光束的原始coa分布具有倒置钟形形状(即，与光束外围/“较大角度”的cct相比，中心/“小角度”的cct较低)。
12.在另一种特定情况下，电可调谐光谱滤波器(诸如胆甾型液晶)与所述光束整形透镜一起使用而以相关的方式操作，并随着光束整形透镜对光束的持续展宽而增加光的蓝光分量的透射率。
13.在另一种特定情况下，所述光源具有可调色温能力，并且整个系统具有：角度调节器接口，该角度调节器接口用于接收光束角度信号并发送角度信号以调节所述可变角度光束的角度；cct校正单元，该cct校正单元从所述光模块接收所述角度信号并相应地调节所述光模块，其中，所述cct校正单元根据与所述角度光束整形透镜对应的色温下降调节所述光模块的所述色温水平。
14.在一些实施例中，cct校正单元还接收来自cct接口/控制器的cct信号，并根据所述cct信号和所述角度信号调节光模块的色温水平。
15.在一些实施例中，cct校正单元还接收来自dim接口的调光调节信号并相应地调节所述可变角度光束的角度和所述色温水平中的至少一者。
16.在一个广义的方面，本公开提供了一种具有可变角度光束的照明装置，该可变角度光束在特定的角谱(例如，在光束的中心)下对于光束的不同展宽状态(角度)具有几乎恒定的白光温度。该装置包括：光模块，该光模块具有可调色温；光模块驱动器，该光模块驱动器被配置成调节施加到所述光源的电信号以相应地调节所述色温；光束整形透镜(例如，基于液晶的)，该光束整形透镜具有针对不同颜色的可变折射率，该光束整形透镜具有透镜驱动器，该透镜驱动器被配置成从所述光模块接收固定角度光束并提供可变角度光束；角度调节器接口，该角度调节器接口用于接收光束角度并发送角度信号以调节所述可变角度光束的角度；cct校正单元，该cct校正单元接收所述角度信号并控制所述光模块驱动器和透镜驱动器，其中，所述cct校正单元根据由所述光束整形透镜引起的色温下降来调节由所述光模块发射的光的所述色温水平。
17.在另一个广义的方面，本公开提供了一种用于调节可变角度光束的方法，以在光束的具有不同光束展宽状态(角度)的特定角谱中保持相对恒定的色温。该方法包括为具有至少两种颜色的多个发光元件的光模块设定特定光束角度、测量所述光模块的色温变化、
调节施加到所述多个发光元件的电流以补偿所述变化、将所述电流与所述特定角度对应以实现所述恒定色温。
18.可替代地，对于已知的部分对部分可重复的光源和光束整形设备，可以根据预先建立的表格来进行cct调节，而不需要实时测量。
19.虽然在一些实施例中，光源和主光学器件被设计成提供原始发射光的cct的倒置钟形角分布，但在其他实施例中，光源和主光学器件被设计成提供原始发射光的功率的钟形角分布以及包含高cct的缓慢减小(随着角度的增加)的尾部。
20.在其他实施例中，液晶设备可以包括动态光束整形设备和额外的电可调谐光谱滤波器，其可以可变地控制透射光的光谱含量。在这种情况下，该设备可以包括控制器和相应的接口，以接收角度信息并通过向可调谐光谱滤波器提供相应的控制信号来调节透射光谱。液晶设备可以具有共同的驱动器来同时控制光束整形透镜和可调谐光谱滤波器。
附图说明
21.参考如下所附的图示将更好地理解本示例：
22.图1.a是使用由标准材料制成的透镜的示意图，其导致不同波长的光的发散差异。
23.图1.b是与光源一起工作的动态液晶(lc)光束整形器的示意图。
24.图2是示出了在施加到lc光束整形器的不同电压(0、6、8和20v)下的光源照度与光束角(对于具有蓝色led泵浦磷光体的光源)的图表。
25.图3是示出了在光束中心(低发散角)的cct的变化与由lc光束整形器提供的额外展宽程度的关系的图表。
26.图4是示出了不同水平的光束发散角的cct与视角的关系的图表(顶部的数字表示施加到lc光束整形器以改变光束强度随角度分布的电压)。
27.图5是示出了不同视角的lc光束整形器对光展宽的波长依赖性的图表。
28.图6是示出了相对cct下降百分比与入射角(以度为单位)的示例的图表。当分别施加0v和6v电压时，可以观察到lc光束整形器的两种状态(无源和有源)之间的差异。
29.图7是示出了在0v(施加到液晶光束整形器)下从商业cree(相对平坦)和soraa(钟形)源获得的原始光束的cct值随角度分布的图表。
30.图8a是具有原始(在lc光束整形器之前)钟形cct分布的光束(诸如，soraa源；在低入射角下存在更多由虚线箭头表示的蓝色光子)的示意图，且图8b是在通过激活的lc光束整形器之后的相同光束。
31.图9a是示出了具有光功率和cct随角度分布的照明器具的特定(期望)情况的图表。光束功率具有传统的钟形形式，而cct具有倒置钟形形状。
32.图9b和图9c分别示意性地展示了在通过激活的lc光束整形器之前和之后的光束中的蓝色光子(由虚线箭头表示)的角分布的影响。
33.图10是示出了施加到lc光束整形器的0v和20v的期望照明器具的总光功率随角度分布的图表。
34.图11示出了在使用根据本公开的一个实施例的lc光束整形器进行角展宽之前(0v)和之后(20v)的具有期望设计的照明器具的cct随角度分布。
35.图12a是示出了通过使用基于胆甾型液晶的电可调谐光谱滤波器使具有不同波长
的光透射、反射和散射的图表。
36.图12b是具有可调谐光谱滤波器以及lc光束整形器的本公开的实施例的示意图。
37.图13是示出了在施加的不同电压下通过胆甾型液晶膜的宽波段光(具有不同波长)的cct变化(使膜从反射蓝光的状态变为透射蓝光的状态)的图表。
38.图14a是具有用于使用单独磷光体元件避免cct损失的嵌入式颜色控制机构的本公开的实施例的示意图。
39.图14b是具有用于使用不同led元件避免cct损失的嵌入式颜色控制机构的本公开的实施例的示意图。
40.图15a示出了具有cct调节的固定角度光束夹具的示例的框图。
41.图15b示出了具有cct调节的可变角度光束夹具的示例的框图。
42.图15c示出了根据本公开的一个实施例的照明装置，其中，cct校正调节器接收来自光传感器的反馈。
具体实施方式
43.在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言的出现可以但不一定都指代相同的实施例。
44.此外，本发明的所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等效形式的范围内。现在将详细参考本发明的优选实施例。
45.液晶光束整形设备在本领域中是已知的。这样的设备通常使用布置在液晶层的一侧或两侧的图案化电极来产生对控制光束有用的折射率的空间变化(通过电场诱导的分子重新定向)。因此可以生产和电控制多个微透镜(或微透镜阵列)。它们的激活可能会产生强烈的聚焦和散焦效应，从而导致光束的电可变发散。
46.如图1a中所描述的，lc微透镜具有色像差(像大多数传统透镜一样)，这可能受折射率分布以及材料色散的影响，并因此与长波长(红色)光r相比，可以更紧密地聚焦蓝光b，这将导致短波长(蓝色)光的更大诱导发散。
47.同样，如图1b所示，由具有蓝色led泵浦磷光体的光源产生的光通过发射白光来向上转换光波长，所述的光源产生的光可以(由基础透镜或反射器)被准直成相对窄的光束(具有低角发散)，如图2所示(0v时)。对lc动态光束整形器施加中等电压(6v、8v和20v)可以产生角展宽的光束，如图2所示。在这样的设备中，由于上述色像差问题，与光束的外围(更发散的部分)相比，展宽的光束在光束的中心(光束的准直良好的部分)损失其cct。图3示出了在光束中心的cct的相对变化(在原始光束的法向入射时测量)与由lc光束整形设备产生的光束发散角的展宽(测量为半峰全宽或fwhm)的相对关系。
48.实际上，如图4所示，cct的整个角分布随着光束整形器上的电压的增加而改变(产生具有不同半峰全宽(fwhm)值的光束展宽；cct在中心降低且在外围增加)。然而，在中心的cct的变化比在外围更重要(因为人的感知)，且必须加以限制。
49.图5示出了对来自商业“soraa”源的原始光束的法向入射的由lc光束整形器对展宽的光的波长依赖性的更仔细的角研究。在原始功率分布窄(“soraa”)的情况下，在lc光束整形器上施加20v会导致光束的展宽，但不同的颜色会不同地展宽：短波长(蓝色)比长波长(红色)更展宽(或“重新分布”)。此外，对于cct变化的波长依赖性，发明人发现cct变化取决于光入射到lc光束整形器上的角度。此外，由lc光束控制设备(诸如动态光束整形设备)获得的光谱宽带光(具有不同波长)的动态增加的发散度对于被准直的原始光束比对于原始更发散的类似宽带入射光束更大。
50.参考图6，其示出了相对cct下降对于不同入射角可以如何不同的示例。如图所示，与以较大角度(-152k)入射的光束相比，法向入射波(-281k)的cct下降明显更高。
51.测量施加到lc光束整形器的电压0v(在没有lc光束整形器的情况下，对于具有5.7
°
fwhm发散度和3300
°
k平均cct的原始光束，没有展宽)与6v(适度展宽的光束)之间的差异。
52.许多市售光源要么在光束中心具有更高的cct(钟形cct随角度分布)，如图7所示，(soraa，0v)，或具有相对平坦的分布(cree，0v)，这使得上述问题更加严重。
53.因此，cct变化在动态加宽光束的中心是重要的，因为在法向入射时存在原始准直更良好的蓝色光子(例如，在soraa源中)，如图8a中的虚线箭头示意性所示。因此，准直良好的蓝色光子将从光束的中心到光束的外围强烈地重新分布；或者以其他方式，从良好准直状态到不太准直状态，如图8b所示。如图5和图8b所示，红色光子的重新分布(实线箭头)将不那么重要。这就是生成图3和图4中描述的cct变化的原因。
54.发明人的实验观察，诸如图5和图6所示，将更好地理解机构和原始光束的设计，当借助于动态光束整形设备逐渐展宽时，这将在光束中心具有较小的cct变化。
55.图9a描述了这种期望光束的示意图。在一些实施例中，这可以通过两个主要特征来表征。首先，在外围具有更高的cct，这意味着在中心有更多的红色光子，或者换而言之，红色光子比蓝色光子在角度上更准直。其次，期望光束必须在外围具有一些相对重要的蓝色能量(参见功率依赖性与角度的平稳期)，图9a和图9b。
56.在一些实施例中，如图9c所示，来自平稳期的蓝色光子的“重新分布”也将有利于中心部分，以在执行动态光束展宽之后在中心保持基本相同的cct。
57.在一些实施例中，为了避免在光束中心的cct的显著降低(变化)，本公开使用光源(结合lc动态光束整形器)，其在光束的中心部分(准直良好的部分)具有较少的具有短(或蓝色)波长的光子，这导致在光束的外围(在稍大的角度)具有更多的光子。此外，光束在光束的中到大角部分提供了足够的“蓝色”能量，以补偿在动态展宽之后它们在中心的损失。
58.为了实现这一点，本公开提供了具有准直更好的长波长(红色)光子的原始照明器具光束，并且我们还应当具有准直较差的短波长(蓝色)。当动态光束展宽时，在光束的中心部分，准直良好的红色光子比准直良好的蓝色光子偏离更少，但在中心的蓝色光子已经开始减少(准直良好)。此外，最初以稍大的角度传播的效率较低但仍存在的蓝光重新分布也有利于光束的中心(一些蓝色光子也重新分布到光束的中心)。因此，在中心的中心cct变化可以被最小化。
59.对于一些实施例，实验确认是使用特别设计的照明器具进行的，该照明器具包括led、磷光体和基础透镜(反射器)，其结构与图1b所示的相同，具有根据图9a所示的设计的
特性。所提出的照明器具的原始总功率分布如图10所示(具有为0v提出的设计的照明器具施加到lc光束整形器)。在所提出的设计中进行了动态展宽(参见图10：(具有为20v提出的设计的照明器具施加到lc光束整形器)，并且对于标准化功率分布与观察角度，可以看到能量的角分布差异(在0v/基态与展宽/20v之间)。
60.对于图9和图10中描述的所提出的照明器具，在图11中示出了在动态展宽之前(0v)和之后(20v)的cct角分布。通过使用相同的lc光束整形器进行动态展宽。在0v/基态与展宽/20v之间可以看到cct角分布的差异。可以看出，与其他情况(高达300k，如图3和图4所示)相比，所提出的设计的在中心的cct变化非常小(仅在50k的量级)。当没有lc光束整形器活动时，cct分布可以被描述为具有倒置钟形形状。
61.在一些替代实施例中，本公开提供了一种电可调谐光谱滤波器，其可以被添加到lc光束整形器。光谱滤波器可以与光束的动态展宽一起被激活。这种光谱滤波器的一个示例是胆甾型液晶，其可以具有不同的光学模式，诸如反射、散射和透射。
62.现在参考图12a，如图所示，光的反射具有由胆甾型液晶螺旋的节距限定的共振特性(在该示例中，大约545nm)。因此，胆甾型lc的节距的仔细调节可以允许在需要时(例如，在开始时，在lc光束整形器的基态)减少特定波长(例如，蓝色光子)的透射，并且当在光束中心的cct由于光的动态展宽而减小时，增加该特定波长的透射。为了实现这种性能，可以在lc光束整形器之前或之后使用胆甾型lc单元，如图12b所示。在一个实施例中，这甚至可以集成到lc光束整形器的结构中(在胆甾型单元和lc光束整形器上具有适当的驱动信号分布以协调它们的动作)。
63.通过使用胆甾型液晶的平面定向单元(5μm厚，调节节距以具有低于450nm的共振)进行实验，其中，将其放置在光源的前面，以允许连续控制光束的cct，如图13所示。如图所示，对于低电压，蓝光光子的排斥(反射)很重要，以限定透射光的低cct。随着(施加在胆甾型lc单元上的)电压的增加，螺旋结构发生转变，最终完全展开，获得允许更多的蓝色光子通过的高透射状态。这增加了透射光的cct。该操作可以与lc光束整形器的操作同步。如果传统光源不是根据我们的第一实施例设计的，则其光束的逐渐展宽(由lc光束整形器)可能伴随着使用这种电可变(或可调谐)光谱滤波器来增加蓝色光子的总量。由于cct值在光束中心最重要，所以这将有助于减少在中心的cct变化的感知。
64.在另一替代实施例中，我们还可以使用具有嵌入式颜色控制的光源(参见图14)以避免在光束中心的cct损失。这可以通过使用例如具有组装在一起的不同led/磷光体源的光源(图14a)或通过使用直接集成在芯片上的led/磷光体源(图14b)来完成。事实上，如果我们使用具有不同cct的多于一个光源(例如，相同的磷光体但不同的led，或者相同的led但不同的磷光体，或者不同的led和不同的磷光体)，则当我们借助于lc光束整形器逐渐改变其发散度时，我们可以电调节发射(入射)光束的颜色。
65.与可调谐光谱滤波器的情况一样，在这种情况下，当我们通过lc光束整形器逐渐增加其发散角时，我们也可以提供一种算法和相应的电子板(如果我们期望在开环配置上工作，也可能是cct传感器)来控制发射光束的颜色。可以使用各种控制选项，如图15a至图15c中所描述的。
66.图15a示出了现有技术的led灯具100，其能够利用固定角度光束110产生具有不同色温的光。温度控制通常通过混合来自具有(至少两种)不同颜色的led或led 108组的光来
实现。led驱动器106从cct调节器和接口102和/或dim调节器和接口104接收调光和cct输入，cct调节器和接口和/或dim调节器和接口可以作为控制器工作并直接向led驱动器106产生命令，以便提供适当的电压/电流来驱动每个led 108组以获得期望效果。
67.调光用户接口控制元件可以是墙上的物理滑块或旋钮，或者是在智能照明控制设备上运行的应用程序的滑块控件。cct调节器和接口可以是两个独立的不同单元或集成单元。
68.单元100能够调节led 108的光组合，使得输出具有期望的色温，这可以通过考虑固定角度110以及它如何影响白色或任何其他期望颜色光束的质量来实现。
69.参考图15b，可以将光束角度控制机构添加到如图15a所示的典型cct灯具以提供可变角度光束。这种机构的细节可以在国际公开号wo2017041167a1的pct申请中找到。
70.如图15b所示，灯具200具有光束整形透镜208，该光束整形透镜具有lv透镜驱动器206，该lv透镜驱动器接收来自角度-电压转换器204的命令，该角度-电压转换器可以由用户通过角度调节器接口202进行控制。当光束整形透镜208改变光束210的角度时，具有不同反射率的红色、蓝色和绿色会不同地断裂，从而导致白光束的边界内的每种颜色的不同强度和浓度，并在白光束周围形成不同颜色的边缘。
71.根据本公开的一个方面，如图15c所示，灯具300设置有cct校正调节器302，其提供led驱动器106所需的变化以减轻led的色温的下降或变化。该cct校正调节器302从cct调节器接口102和角度-电压转换器204接收输入，并将产生用于led驱动器106的cct输入，使得随着施加到透镜208的电压增加，入射色温水平增加了补偿色温下降并保持光束色温恒定所需的适当量。该模块可以在控制应用程序中实现为二维阵列，或组合的led/透镜驱动器。
72.在一些实施例中，可以使用实验提供的表格或图表来确定由cct校正调节器302使用的角度和色温增加之间的相互关系。