改进的光校准系统的制作方法
【专利摘要】一种改进的光校准系统，所述光校准系统特别用于从高功率LED(31)产生被校准的光束。所述系统包括积分器(40)，所述积分器(40)从光源收集光并将光整合，然后，光作为宽角度的光束被注入校准仪(50)中，所述校准仪(50)使光束变窄。
【专利说明】改进的光校准系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2012年2月I日提交的、序号为61/593，310的、具有相同名称的临时申请的优先权。
【技术领域】
[0003]本发明大体上涉及自动化的照明装置，尤其涉及使用高强度LED光源的照明装置。更特别地，涉及用于对光源的输出进行校准的系统和方法。
【背景技术】
[0004]具有自动化的并且远程可控的功能的照明装置驰名于娱乐和建筑照明市场。这种产品通常用在剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会以及其它场所。典型的产品对照明装置的云台(pan and tilt)功能提供控制，允许操作员对照明装置所指的方向进行控制，进而对光束在舞台上或在演播室中的位置进行控制。这个控制通常通过对两个正交旋转轴线(通常被称为云台)上照明装置的位置的控制来完成。许多产品提供对其它参数的控制，例如强度、颜色、焦距、光束大小、光束形状以及光束图案。光束图案通常由镂花模板(stencil)或幻灯片(slide)提供,幻灯片被称为薄板(gobo),薄板可以是钢、招、或蚀刻玻璃样式。由Robe Show照明制造的产品(例如ColorSpot 700E)在本领域具有代表性。
[0005]图1示出了典型的多参数的自动化的照明装置系统10。这些系统通常包括多个多参数的自动化的照明装置12，每个照明装置通常都包含有携带的光源(未示出)、光调制装置、连结到机械驱动系统的电动马达以及控制电子装置(未示出)。除了直接地或者通过配电系统(未示出)连接到主电源以外，每个照明装置都通过数据链路14串联地或并联地连接到一个或多个控制台15。自动化的照明装置系统10通常由操作员通过控制台15进行控制。因此，为了对该控制施加影响，控制台15和单个的照明装置通常都包括电子电路，作为机电控制系统的一部分，用于对自动化的照明参数进行控制。
[0006]图2示出了现有技术的自动化的照明装置12，该照明装置使用高强度放电(HID)的灯具。HID灯具21包含有发光的电弧或等离子体光源22。发射的光被反射镜20反射并控制，穿过光圈(aperture)或成像门24。继而的光束进一步可以由光学器件26和或27 (可以包括二色性滤色器、减光遮板、以及本领域已知的其它光学器件)约束、成形、着色并过滤。这些光调制器26中的一些可以位于成像门24之前，并且一些光调制器27可以位于成像门24之后。最后的输出光束可以通过输出透镜28和29 (可以形成变焦透镜系统)传播。
[0007]这种现有技术的自动化的照明装置使用多种技术作为光学系统的光源。例如，众所周知的是使用白炽灯、高强度放电(HID)灯具、等离子体灯具以及LED作为这种照明装置中的光源。通过使用大的反射镜、透镜或镜子，可以将来自这种产品的光束校准为非常窄的、几乎平行的光束，其光束角小于5°。近来，越来越希望将技术较老的HID和白炽灯替换为更加有效的LED固态光源。然而，用来对现有技术的光源(通常具有小光源)进行校准的光学技术不能轻易地适用于基于LED的光源，基于LED的光源通常包括更大的光源甚或是光源阵列。这种光源的展度相比于现有技术较大，通常从LED晶粒的完整区域在整个半球以朗伯方式发射。针对校准问题的当前的解决方案繁琐并且效率低下。因此，需要提高校准系统的效率，能够对来自LED光源的光进行校准。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]为了更加全面地理解本发明及其优点，现在参考结合了附图的下文的描述，在附图中相同的附图标记指代相同的特征，其中:
[0009]图1示出了典型的自动化的照明系统；
[0010]图2示出了现有技术的照明装置系统；
[0011]图3示出了改进的LED光校准仪系统的实施例的截面图；
[0012]图4更加详细地示出了图3所示的实施例的LED/光积分器界面；
[0013]图5更加详细地示出了图3所示的实施例的光积分器/光校准仪界面；
[0014]图6示出了没有光积分器的光校准仪；
[0015]图7示出了光校准仪的可替代的实施例；
[0016]图8示出了光校准仪的可替代的实施例；
[0017]图9示出了用于图3所示的实施例的光积分器的实施例；
[0018]图10示出了用于图3所示的实施例的光积分器的可替代的实施例；
[0019]图11示出了进一步的照明装置实施例；
[0020]图12示出了具有多个封装的LED的照明装置实施例的正视图；
[0021]图13示出了图12所示的实施例的侧视图；以及
[0022]图14示出了具有多个封装的LED的实施例的进一步的照明装置实施例的侧视图。
【具体实施方式】
[0023]附图示出了本发明优选的实施例，相同的附图标记用来指示各个附图中相同且相应的部件。
[0024]本发明大体上涉及自动化的照明装置，尤其涉及使用了高强度LED光源以及包含在其中的冷却系统的照明装置。
[0025]图3示出了使用高功率LED光源31的改进的照明装置30的部件的实施例。每个LED光源31可以包含有单个LED晶粒或LED阵列。图示是沿着照明装置的光束32的中心轴线33的截面图。这种高功率LED可以被封装单色LED或者它们可以被封装为紧密的LED晶粒阵列。封装的LED光源31内这种紧密的LED晶粒阵列可以是单一颜色并且是单一类型，或者可以是多种颜色，例如红色、绿色和蓝色LED晶粒的混合。在每个LED光源31内可以使用任意数量的LED晶粒颜色和LED晶粒颜色的任意混合，并且不偏离本发明的精神。
[0026]LED光源31被安装，以使光朝向光积分器40的入口 43。光积分器40是利用内部反射的装置，以使来自LED光源31的光均匀并对其进行约束。光积分器40可以是具有反射内表面41的中空管，使得射进入口 43的光在离开出口 45之前沿着积分器40被反射多次。因为光沿着积分器40在不同于LED光源31的方向上被反射，所以光束将会混合，从而形成复合光束，其中不同颜色的光被均匀，颜色均匀并且密度均匀的光束从出口 45发射出。光积分器40可以是方管、六边形管、圆管、八边形管或具有其它合适的截面的管。
[0027]在图3所示的优选实施例中，光积分器40是由玻璃、透明塑料或其它光学透明材料构成的实心杆，在杆内入射光束的反射是由于杆的材料和周围空气之间的界面发生全内反射(TIR)。这种整合杆的截面可以是圆形、其它多边形或不规则形状。在图3所示的实施例中，光积分器33的出口 45被示为从主直径49逐渐变细47。本发明并不对此进行限制，任何形状的光积分器40出口 45都可以考虑。特别地，出口 37的尺寸可以小于、等于或大于光积分器。额外地，出口 45的截面形状可以不同于光积分器40的主直径49的截面形状。然而，在优选的实施例中，出口 45的尺寸更小，并且形状与校准仪50的截面的形状匹配。
[0028]光积分器40在主校准光学部件50的注入点51处穿过出口 45注入均匀的光。在所示出的优选实施例中，主校准光学部件50是实心的，由玻璃、透明材料或其它光学透明材料制造，在校准光学部件内入射光束的反射是由于光学部件的材料和周围空气之间发生全内反射(TIR)。光学校准仪50将光束的光束角从光(从光积分器40形成的)的高度角(例如一百五十度(150° ))减小到可能五度(5° )的窄角输出，主校准仪50的输出表面53应显著大于来自出口 45的输入，以有效地达到系统所期望的非常窄的角度。例如，在一些实施例中，主校准仪50的出口 53的直径是100mm-150mm，积分器的出口的直径是10mm-15mm，或者主校准仪50的直径与积分器的直径的比是10:1。本领域技术人可以理解的是，精确的测量和比例取决于在特定的实施例中所选的部件的横截面形状以及出口的形状、以及所采用的LED光源的具体封装配置。
[0029]尽管在图3至图11中，所示出的主校准器具有圆形截面，但是本发明不限于此，主校准器50可以具有许多所期望的截面形状，例如六边形或其它多边形(不限于此)。
[0030]在图3、图6和图11所示出的实施例中，输出表面53是平面的。在其它实施例中，输出表面53可以是凸面的(图7)、凹面的(图8)，或者可以被覆盖有漫射或微小的透镜阵列。
[0031]图3的实施例还示出了次级聚焦光学部件60，该部件在主校准光学部件50之后，是铰接式的以沿着光学轴线33移动，用来对光学系统30的有效焦距进行调整，从而改变所形成的光束32的角度。在图3中，系统被示为产生将近平行的输出光束32。
[0032]图4更加详细地示出了入口 45和LED光源31。典型的高功率LED光源31来自用晶粒34进行封装，晶粒34安装在具有主要光学部件36的电路板38上。在其它实施例中，可以采用具有其它封装配置的其它LED光源。例如，LED晶粒可以是若干晶粒的紧密的组装阵列，或者可以没有主要的光学部件。光源31可以是密实组装的LED阵列，并且可以全部是单色(例如白色)，或者可以是不同颜色的阵列，例如红色、绿色、蓝色，或红色、绿色、蓝色和白色，或红色、绿色、蓝色、琥珀色和白色，或本领域已知的其它颜色混合。
[0033]为了改进的系统，重要的问题在于光积分器40的入口 43被配置成对接收到的从LED光源31发射的光进行优化。图3所示的实施例利用了实心的光积分器40，并且入口 43的形状反映了 LED光源31封装主要光学部件36的形状。在所示出的实施例中，LED光源31和光积分器的入口 43之间有个小间隙37。在一些实施例中，这个间隙可以填充有光传输粘合剂，所述光传输粘合剂使光进入实心的积分器40 (该积分器40使内反射减到最少)中的传输最大化，并且还有额外的好处，即将热从LED光源31传导到光积分器40中。
[0034]在所示出的实施例中，示出的光积分器40具有保护涂层44。所述保护涂层44的目的在于保护积分器的TIR表面免于刮擦，刮擦会导致漏光。在优选的实施例中，保护表面44优选地是折射率受控的材料，该材料按照不危害光积分器40的TIR的方式被应用。
[0035]在中空的积分器管40的实施例中，入口 43是一个开口，并且保护涂层有一点儿优势。
[0036]图5更加详细地示出了光从光积分器40进入光校准仪50中的注入点51。(所述注入点是一个位置，在示图中用一个圆点来示出这个位置。)在优选的实施例的，注入点51是所示出的实施例的光校准仪50的实心实施例的内部TIR表面的焦点。在所示出的实施例中，光校准仪50也具有保护涂层54，保护涂层54与上述的光积分器40的保护涂层44相同，以保护光校准仪50的TIR表面52。在所示出的实施例中，光积分器的保护涂层44沿着光积分器的截锥形部分47延伸，未到达输出端口 45。在其它实施例中，保护涂层未到达截锥形部分，未进入校准仪50的接收孔55，所述接收孔55接收光积分器40以允许在插入点51将来自光积分器的输出端口 45的光插入。
[0037]图9示出了本发明的光积分器40的实施例。LED光源31被安装，以将光引向光积分器40的入口 43。光积分器40是利用内反射的装置，以使来自LED光源31的光均匀并对其进行约束。光积分器40可以是具有反射内表面的中空管，或者可以是由玻璃、透明塑料或其它光学透明材料构成的实心杆，在杆内入射光束的反射是由于杆的材料和周围空气之间的界面发生的全内反射(TIR)。这种整合杆的截面可以是圆形、其它多边形或不规则形状。在图9不出的实施例中，光积分器40的出口 45的表面是平面。
[0038]图6示出了光积分器40的可替代的实施例(在一些优选的情况下)。在该实施例中，光积分器的出口 45的表面48是凹面。该表面用来凭借更宽的角度将光分配进主校准仪中。反直觉的效果在于通过在注入点处以宽角度将光注入光校准仪模仿了非常小的点光源，从而对校准仪的效率进行优化。
[0039]图11示出了本发明的实施例，次级透镜60沿着光学轴线33被移动，使得现在输出光束32在孔板24上汇聚。这种光束可以用在自动化的光系统中，例如图2所示的具有光调制器(例如26、27)的那种光系统。出射的均匀的光束32可以在自动化的发光体内穿过一系列已知的这种光学器件被定向。这种器件可以包括(但不限于)旋转薄板、静态薄板、光圈(iris)、利用减色混合遮光罩(flag)的颜色混合系统、色轮(color wheel)、取景光栅(framing shutter)、灯光滤光器(frost)和漫射滤光器、以及光束形成器。最后的光束可以穿过一系列物镜(例如28和29)，这些物镜可以提供可变的光束角或变焦功能、以及在形成所期望的光束之前在光学系统的各个部件上聚焦的能力。
[0040]诸如旋转薄板、静态薄板、颜色混合系统、色轮和光圈的光学元件可以由马达进行控制并移动。这种马达可以是步进马达、伺服马达或本领域已知的其它马达。
[0041]图12示出了采用校准仪阵列的照明装置100的实施例。图12是照明装置正面的视图，朝向主校准仪50的阵列101向后看。在该实施例中，主校准仪50的截面是六边形，使得它们可以有效地堆放在一起，以形成紧密组装的校准仪50阵列。在其它实施例中，还可以使用方形、圆形以及其它形状的主校准仪阵列。这种阵列提供了用于产生更高的光输出的构件。来自校准仪阵列101的每个元件50的光输出可以具有平行于中心光学轴线103的光学轴线105。在其它实施例中，它们可以是有角度的，使得所有的单个光学轴线105在共同的光学轴线(例如中心轴线103)上的单个点汇聚。在其它实施例中，它们可以按照一些其它方式被定向，以达到所期望的效果。
[0042]图13示出了图12所示的实施例的侧视图，在一个实施例中，校准仪被配置，使得每个校准仪的轴线105都平行于中心轴线103。
[0043]图14示出了图12中的实施例100的进一步的实施例102的侧视图，其中，校准仪阵列101用在照明装置的任意光学设计中，该光学设计可以是自动化的或传统的，包括(但不限于)聚光灯、染色灯(wash light)和束光灯(beam light)。采用其它光调制器,例如图2中的26、24、27、28和29。这种设计可以使用透镜(例如菲涅尔透镜)或透镜阵列。使用本发明的自动化的照明装置可以包含多个光学器件(这些光学器件包括但不限于薄板、颜色混合系统、旋转薄板、光圈、棱镜、光束成形器、可变的灯光滤光器、效果系统以及移动反射镜)，以提供热点控制。
[0044]虽然已就有限数量的实施例对本公开进行了描述，但是，本领域技术人员(拥有本申请的利益)可以理解的是，还可以设计出其它实施例，这些实施例不偏离在此公开的本公开的范围。对本公开进行了详细地描述，应当理解的是，可以对本公开进行多种修改、替换和改变，并且不偏离本公开的精神和范围。
【权利要求】
1.一种照明装置，包括: LED光源； 细长的光积分器，所述光积分器在入口处收集光并通过多次内反射将光整合，从而在被定位的注入口处释放光，使得光被释放在校准仪中，所述校准仪将从所述注入口释放的光校准成窄光束角的光束。
2.如权利要求2所述的照明装置，其中，所述光积分器在所述注入口处是截锥形的。
3.如权利要求3所述的照明装置，其中，积分器是实心的，并且出射口具有使在所述注入口处释放的光的光束角变宽的形状。
4.如权利要求3所述的照明装置，其中，所述校准仪是实心的。
5.如权利要求4所述的照明装置，其中，所述校准仪具有多边形的截面。
6.如权利要求5所述的照明装置，其中，多个光源与多个积分器相匹配，并且多个形状相似的校准仪套在一起，使得来自校准仪的光输出结合起来形成光束。
7.如权利要求5所述的照明装置，其中，所述多边形是六边形。
8.一种照明装置，包括: 光源； 细长的光积分器，所述光积分器在入口处收集光并通过多次内反射将光整合，从而在被定位的注入口处释放光，使得光被释放在校准仪中，所述校准仪将从所述注入口释放的光校准成窄光束角的光束。
9.如权利要求8所述的照明装置，其中，所述光积分器在靠近所述注入口的位置处变窄。
10.如权利要求9所述的照明装置，其中，积分器是实心的，并且出射口具有使在所述注入口处释放的光的光束角变宽的形状。
11.如权利要求9所述的照明装置，其中，所述校准仪是实心的。
12.如权利要求9所述的照明装置，其中，所述校准仪具有多边形的截面。
13.如权利要求5所述的照明装置，其中，多个光源与多个积分器相匹配，并且多个形状相似的校准仪套在一起，使得来自校准仪的光输出结合起来形成光束。
14.如权利要求5所述的照明装置，其中，所述多边形是六边形。
【文档编号】F21S8/10GK104204907SQ201380018202
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月1日
【发明者】P·尤里克, J·瓦尔哈日 申请人:罗布照明有限公司