专利名称：混合照明系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种照明系统，具体地但并非排它地涉及一种日光收集系统。
背景技术：
电气照明系统的效率往往很低；通常多于90％的电能没有转化成有用光。然而，太阳光可免费获得，并且已经尝试收集太阳光用于照明目的。
美国专利6059438公开了一种太阳光收集与传输系统。所公开的系统包括三个基本扁平的集光器片材(collector sheet)。这三个片材在彼此的顶部叠置，并且由掺杂有染料分子的聚合材料构成。染料分子吸收特定波长的太阳光，并且随后发射具有稍大波长的荧光。第一片材掺杂有蓝光发射染料分子，第二片材掺杂有绿色染料分子，而第三片材掺杂有红或者橙红染料分子。产生的荧光在集光器片材内通过全内反射被引导，并且能够通过组合红、绿和蓝色荧光而产生白光。这种太阳光收集与传输系统的一个优点是，沿任意方向都发生对于所有入射方向均以合适的效率进行入射光的吸收以及荧光的发射。因此，这种系统的效率基本上独立于入射太阳光是散射还是反射(即，直接来自太阳)。
对光的发射流明的主要贡献来自绿光谱范围。人眼对红光和蓝光极不敏感。因此，在一般的系统中，由掺杂有发射绿光的染料分子的集光器提供主要的光量，而由掺杂有发射红光或蓝光的染料分子的集光器通常提供较少的流明。然而，为了产生白光，需要至少适度的红光和蓝光的流明输出。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种混合照明系统，包括至少一个用于产生荧光输出的集光器，该集光器包括掺杂有弥散的染料分子的光学传输材料，这些染料分子被设置成吸收入射太阳光并且发射荧光；以及至少一个电源光发射装置，其在使用中补充集光器的输出，以提供具有预定光谱特性的光。
所述或每个电源光发射装置可设置成通过提供至少一种特定颜色的光来补充发射的荧光辐射，从而使来自所述或每个电源光发射装置的光和所发射的荧光一起产生具有预定颜色的光。该预定颜色通常为白色。
例如，所述混合照明系统可包括发射绿色荧光的集光器片材。为了产生白光，在使用中可以通过红光和蓝光发射装置(例如，发光二极管(LED))来补充绿色荧光。在这种情况下，蓝色LED装置可用来发射由系统产生的总量的大约2-20％，而红色LED装置可用来发射由系统产生的流明总量的大约15-30％。
可替换的是，所述混合照明系统可包括发射绿光和红光的集光器片材。为了产生白光，在使用中可以通过蓝光发射装置(例如LED)来补充绿色和红色荧光。在这种情况下，仅仅需要从蓝光发射装置提供由系统产生的流明总量的大约2-20％。这种结构的独特优势在于，不需要用于发射蓝光的集光器。蓝色荧光染料通常不具有良好的量子转化效率，并且一般需要使用紫外线(太阳光只包括相对较少的紫外线成分)泵激。而且，蓝色染料分子通常具有稳定性问题。因此，难于生成甚至相对较低强度的蓝光。所以，使用来自电源光发射装置(例如，发光二极管(LED))的蓝光来补充荧光能够便于产生白光。
如果通过来自电源光发射装置的蓝光来补充发射的荧光，则也可改进现色性。如果由于缓慢退化而引起一种类型的染料改变相对于另一类型染料的输出，则发射光的颜色和光强也会随着时间而发生变化。
所述包括蓝光发射装置的结构还具有的优点是，为了产生白光只需要两个集光器，这降低了成本，因为它简化了混合照明系统，尤其是相关的导光部分(light guide)比较便宜、截面较小并且更加灵活。
采用这种混合系统，产生大约1000流明的白光需要相对较少的电能，因此较便宜。相反，使用太阳能电池和电源光发射装置产生1000流明的白光则需要大约30W的功率，并且所需的太阳能电池和电源光发射装置相对较贵。
在具体实施例中，所述混合照明系统包括光缆，其用于引导来自所述或者每个集光器和所述或者每个电源光发射装置的光。在该实施例中，由电源光源产生用于产生白光所需的三种颜色光中的一种。在这种情况下，光缆可具有这样的截面区域，在使用中光通过该截面区域被引导，而且与其中产生白光所需的三种颜色都由集光器片材产生的照明系统相比，该截面区域减少了大约1/3。
在另一示例中，由电源光源产生两种颜色的光。在这种情况下，光缆可具有这样截面区域，在使用中光通过该截面区域被引导，而且与其中产生白光所需的所有颜色都由集光器片材产生的照明系统相比，该截面区域减少了大约2/3。
所述或者每个电源光发射装置也可用于补充输出的光强不足。除了补充光谱特性之外，电源光发射装置也可以用于提供在与发射的荧光辐射相同颜色范围内的光。在这种情况下，所述混合照明系统可包括用于发射红、绿和蓝光的电源光发射装置，并且该混合照明系统可包括用于发射这些颜色光的集光器。在这种情况下，所述集光器可用来通过至少一个光发射装置来补充而在白天提供照明，而在夜晚使用所述电源光发射装置来提供照明。例如，在白天通过来自红色和蓝色电源光发射装置来补充而由集光器提供绿色荧光，而在夜晚只有所述电源光发射装置提供光。
所述混合照明系统可以包括至少一个导光部分，并且所述或者每个电源光发射装置可以通过棱镜、光纤或者透镜与所述或每个导光部分结合。所述或者每个电源光发射装置也可植入所述或者对应的导光部分中。可以选择的是，所述或者每个电源光发射装置和与所述或者每个对应导光部分结合的对应的光传输片材相结合。
所述混合照明系统还可以包括发射光的发光体，且其中来自所述或者每个电源光发射装置的光可与来自所述或者每个集光器片材的光在该发光体内混合。所述或者每个集光器片材可与发光体结合，而不用插入单独的导光部分。
例如，所述或者每个电源光发射装置可安装在用于发射光的发光体中或其附近，并且所述或者每个导光部分可与该发光体结合。在任何情况下，结合都会有效，从而使来自电源光发射装置的光和荧光彼此加强。
所述或者每个电源光发射装置可由电池或者其它能量储存装置供电。所述或者每个电源光发射装置也可由太阳能电池供电。作为选择，电池或者其它储存装置可以通过太阳能电池来充电，并且所述混合照明系统可用于提供24小时独立照明或者按需要照明。
所述或者每个电源光发射装置的输出与来自所述或者每个集光器的输出的组合是可控的，以产生受控色相的光。
从所述或者每个电源光发射装置的光输出和所述或者每个集光器片材的输出也是可控的，以便在晴天、阴天或夜晚条件下产生基本恒定的照度。
可以电气控制输出的特性。例如，可以控制输出，从而基本上独立于天气情况和白天而产生预定流明的照度。可以控制输出，从而以降低能耗的方式产生预定流明的照度。
在一个具体实施例中，所述装置包括在使用中进行补充的所述或者每种颜色的多于一个的光发射装置。
现在将参照附图仅以示例的方式来描述具体实施例。
图1a和1b表示根据第一实施例的混合照明系统的立体图；图2a和2b表示根据第二实施例的混合照明系统的立体图；图3a和3b表示根据第三实施例的混合照明系统的立体图；图4表示根据第四实施例的混合照明系统的立体图；图5a和5b表示根据第五实施例的混合照明系统的立体图；以及图6a、6b和6c分别表示根据又一实施例的混合照明系统的立体图、局部剖视图和侧视图。
具体实施例方式
首先参考图1a和1b，下面将描述根据第一实施例的混合照明系统10。图1表示集光器片材12和导光部分13。集光器片材12和导光部分13面对面地结合。集光器片材12和导光部分13由透明的塑料材料构成，并且集光器片材12掺杂有吸收入射日光并发射荧光辐射的染料分子。
通常，集光器片材12与在美国专利6059438中所公开的集光器片材相似。该专利公开了一种包括三个这种扁平片材的系统。这三个片材在彼此的顶部重叠，并由掺杂有染料分子的聚合材料构成。染料分子吸收特定波长的太阳光，且随后发射具有稍大波长的荧光。第一片材掺杂有蓝光发射染料分子，第二片材掺杂有绿光发射染料分子，而第三片材掺杂有红或者橙红色光发射染料分子。产生的荧光在集光器片材内通过全内反射而被引导，并且能够通过组合红、绿和蓝色荧光而产生白光。
在图1所示的示例中，集光器片材12掺杂有吸收入射光并随后发射绿光的染料分子，且所述绿光通过由发光二极管产生的光来补充。一个发光二极管(LED)14发射蓝光，而一个LED16发射红光。来自LED14和16的光通过棱镜18和20与导光部分13结合。LED14和16由电源(未示出)供电，并且在使用中电源是可控的，从而与由染料分子发射的绿色荧光一起产生白光。应该注意的是，LED14和16可以采用其它用于结合的装置来与导光部分结合。
在本实施例的一变体中，片材12为集光器片材的堆叠。例如，所述堆叠包括用于发射绿光以及蓝光或红光之一的集光器片材。在这种情况下，只有一个电源光发射装置补充发射的荧光。
作为又一示例，图2a和2b示出了根据第二实施例的混合照明系统。该混合照明系统20示出了LED24，其通过光纤26与导光部分22结合。导光部分22与集光器片材23相连。图2b示出了该实施例的一个变体。该图示出了与以光缆28形式设置的导光部分结合的混合照明系统27。LED24通过光纤26与光缆28相结合。光缆28通过连接器29与集光器25相连。连接器29用于将来自基本扁平的片材25的光结合至光缆28，在本申请人的名称为“光转换部件(A light transfer component)”的共同未决专利申请中描述了该连接器，该申请要求澳大利亚临时专利申请No.2002952276的优选权。
图3a和3b表示第三实施例，其中，混合照明系统30包括与集光器片材33结合的导光部分32。LED 34与导光部分32结合，并用于补充在集光器片材33中产生且通过导光部分32引导的荧光。
图4表示第四实施例，其中，混合照明系统40包括与集光器片材43结合的导光部分42。LED44植入在导光部分42中。在这种情况下，LED44由电池46供电，电池46蓄积由太阳能电池48提供的电荷。
光收集系统可包括涉及图5a和5b中所示的第五实施例的多个集光器片材和LED。在该实施例中，混合照明系统50包括导光部分52、54和56，它们分别与用于发射红、绿和蓝色荧光的相应集光器片材(未示出)相连。LED58、60和62植入在导光部分52、54和56中，并且也用于发射红、绿和蓝光。在这种情况下，集光器片材52、54和56可用于在白天提供照明，而LED可用于在夜晚时提供照明。
作为选择，可以与一个或多个LED一起来使用一个或者多个集光器片材。在本实施例的具体变体中，LED与发光体并排放置或者放置在该发光体中，该发光体连接在每个导光部分的端部上，并且通过该发光体来发射光以用于照明目的。在任何情况下，LED都定位成使荧光和LED光混合。
在前面实施例的具体变体中，LED与发光体并排放置或者放置在该发光体中，该发光体连接在所述或者每个导光部分的端部上，并且通过该发光体来发射光以用于照明目的。在图6a中示出了该系统的一部分。在该实施例中，该混合照明系统63包括导光部分64，所述导光部分与用于发射红色和绿色荧光的相应集光器片材(未示出)相连。导光部分64通过光学接头65与发光体66相连。通常，发光体66的形状选择为使得所述或者每个出口表面的横截面积超过入口表面的横截面积。从美国专利6272265可知，这种结构能够增强另外收集的荧光辐射从光学系统的发送。LED67定位成使荧光和LED光混合。通常，荧光和LED光在发光体内混合。在本实施例的具体变体中，LED可放置在发光体内。在典型实施例中，LED67发射与来自导光部分64的红色和绿色荧光组合所需的亮度和光谱分布的蓝光，以便产生白光。可选择的是，发光体66可以由散射材料制成。适宜的材料是掺杂有在5微米到50微米尺寸范围内的交联PMMA颗粒的PMMA。
在本实施例的变体中，导光部分64为集光器片材。集光器片材与专用的导光部分相比趋于具有明显减少的荧光发射的光传输。因此，该实施例并不适用于在收集太阳辐射的位置与从发光体66发射光的位置之间需要较长距离的场合。该实施例的优点在于，在(一个或多个)单独的导光部分和(一个或多个)集光器片材之间去掉了(一个或多个)接头。
图6b示出了替换实施例。在该实施例中，混合照明系统70包括光缆71，其与用于发射红色和绿色荧光的集光器片材(未示出)相连。来自光缆71的光进入大致为圆锥形的具有反射侧面的发光体73和位于与光缆71相对的端部处的散射板74。LED72定位成使荧光和LED光混合。可选的散射板74提高了输出的混合以及均匀度。用于散射板74的适宜材料是掺杂有在5微米到50微米尺寸范围内的交联PMMA颗粒的PMMA。在典型实施例中，LED72发射与来自光缆71的红色和绿色荧光组合所需的亮度和光谱分布的蓝光，以便产生白光。在本实施例的变体中，光缆71为一个或者多个集光器片材。
图6c示出了替换实施例。在该实施例中，混合照明系统80包括光缆81，其与用于发射红色和绿色荧光的集光器片材(未示出)相连。来自光缆81的光通过光学接头83进入混合器单元82。LED84定位成使荧光和LED光混合。从美国专利6272265中可知，在混合器单元82中使用散射材料能够增强另外收集的荧光辐射从光学系统的发送。在名称为“光发射装置(Light Emitting Device)”的共同未决专利申请中描述了混合器单元82的设计，该申请要求澳大利亚临时专利申请No.2002951465的优选权。用于混合器单元82的适宜材料是掺杂有在5微米到50微米尺寸范围内的交联PMMA颗粒的PMMA。通常，LED84发射与来自光缆81的红色和绿色荧光组合所需的亮度和光谱分布的蓝光，以便产生白光。
应该理解的是，光缆81可替换地引导任何颜色的光，例如仅来自绿集光器片材的光。在这种情况下，LED84用于发射蓝光和红光。光缆81也可以引导来自绿光和蓝集光器片材的光，在这种情况下，LED84用于发射红光。
在该实施例的变体中，光缆81为一个或多个集光器片材。
尽管参考具体示例描述了本发明，但是本领域的技术人员应知道，可以多种其它形式来实施本发明。例如，每个集光器片材12、23、25、33、43、52、54和56都可以是掺杂有相同类型或不同类型发光染料分子的集光器片材堆叠中的一个。同样，所述导光部分64的堆叠可以是单个导光部分。而且，所述系统可以包括并非LED的电源光发射装置。此外，每个发光二极管14、16、24、34、44、58、60、62、67、72和84都可以是多个发光二极管中的一个。在图示的例子中，每个LED都设置成包括透镜的组件(package)的形式。应该注意的是，LED也可以并不包括透镜。LED光例如可使用位于该LED和导光部分之间的辅助透镜而结合进入该导光部分。还应该注意的是，所述导光部分可以不被设置成扁平片材的形式。而且，应该注意的是，所述光缆可不具有圆形截面形状，而是可替换地具有任何其它合适的截面形状，比如矩形。例如，光缆71和81可以为扁平片材的形式。
此外，所述系统50可以包括任何数量的集光器片材。而且，所述电源光发射装置可使用任何合适的装置与导光部分或集光器片材本身光学连接。
应该理解的是，对美国专利6059438、6272265、本申请人的名称为“光转换部件”的共同未决专利申请以及专利申请2002951465所作的引用并不构成这样的承认，即所述文献形成了在澳大利亚或任何其它国家中的本领域公知常识的一部分。
权利要求
1.一种混合照明系统，包括至少一个用于产生荧光输出的集光器，该集光器包括掺杂有弥散的染料分子的光学传输材料，这些染料分子用于吸收入射光并发射荧光；以及至少一个电源光发射装置，其在使用中补充所述集光器的输出，以便提供具有预定光谱特性的光。
2.根据权利要求1所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置用于通过提供至少一种特定颜色的光来补充所发射的荧光辐射，从而使来自所述或者每个电源光发射装置的光与所发射的荧光一起产生具有预定颜色的光。
3.根据权利要求2所述的混合照明系统，其特征在于，所述预定颜色为白色。
4.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，包括集光器片材，其在使用中发射绿色荧光，并且该绿色荧光由红光和蓝光发射装置补充。
5.根据权利要求4所述的混合照明系统，其特征在于，所述蓝光发射装置用于发射由所述系统产生的流明总量的大约2-20％，而所述红光发射装置用于发射由所述系统产生的流明总量的大约15-30％。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，包括发射绿光和红光的集光器片材，并且在使用中所述绿色和红色荧光由来自蓝光发射装置的光补充。
7.根据权利要求6所述的混合照明系统，其特征在于，所述蓝光发射装置用于发射由所述系统产生的流明总量的大约2-20％。
8.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，包括一光缆，该光缆用于引导来自所述或者每个集光器和所述或者每个电源光发射装置的光。
9.根据从属于权利要求1到3中任一项的权利要求8所述的混合照明系统，其特征在于，产生白光所需的三种颜色中的一种由电源光源产生，并且所述光缆具有这样的截面区域，在使用中光被引导通过该截面区域，而且与其中产生白光所需的所有颜色都由集光器片材产生的照明系统相比，该截面区域减少了大约1/3。
10.根据从属于权利要求1到3中任一项的权利要求8所述的混合照明系统，其特征在于，所述颜色中的两种由电源光源产生，并且所述光缆具有这样的截面区域，在使用中光被引导通过该截面区域，而且与其中产生白光所需的所有颜色都由集光器片材产生的照明系统相比，该截面区域减少了大约2/3。
11.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置还用于补充输出的光强不足。
12.根据从属于权利要求1到3中任一项的权利要求11所述的混合照明系统，其特征在于，包括用于发射红、绿和蓝光的电源光发射装置。
13.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，包括至少一个导光部分，并且所述或者每个电源光发射装置通过棱镜与所述或者每个导光部分结合。
14.根据权利要求1到12中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，包括至少一个导光部分，并且所述或者每个电源光发射装置通过光纤与所述或者每个导光部分结合。
15.根据权利要求1到12中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，包括至少一个导光部分，并且所述或者每个电源光发射装置通过透镜与所述或者每个导光部分结合。
16.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置植入所述或者相应的导光部分中。
17.根据权利要求1到15中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置与结合于所述或者每个相应导光部分上的相应光传输片材相结合。
18.根据权利要求1到15中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，包括用于发射光的发光体，其中，来自所述或者每个电源光发射装置的光与来自所述或者每个集光器片材的光在该发光体内混合。
19.根据权利要求18所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个集光器片材与所述发光体结合，而不需要插入单独的导光部分。
20.根据权利要求1到15中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置都安装在一发光体中，该发光体用来发射光，并且所述或者每个导光部分与该发光体结合。
21.根据权利要求1到15中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置安装在一发光体附近，该发光体用于发射光，并且所述或者每个导光部分与该发光体结合。
22.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置由电池供电。
23.根据权利要求1到21中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置由太阳能电池供电。
24.根据权利要求22所述的混合照明系统，其特征在于，所述电池由太阳能电池充电。
25.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个电源光发射装置的输出与来自所述或者每个集光器的输出的组合是可控制的，从而产生受控色相的光。
26.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述输出的特性受到电气控制。
27.根据权利要求2或者从属于权利要求2的权利要求3到26中任一项所述的混合照明系统，其特征在于，包括多于一个的光发射装置，所述装置在使用中补充所述或者每个特定颜色。
28.根据前述任一项权利要求所述的混合照明系统，其特征在于，所述或者每个光发射装置都是发光二极管(LED)。
全文摘要
本发明提供了一种混合照明系统，其包括至少一个用于产生荧光输出的集光器。所述集光器包括掺杂有弥散的染料分子的光学传输材料，这些染料分子用于吸收入射太阳光并发射荧光。所述混合照明系统还包括至少一个电源光发射装置，该装置在使用中补充所述集光器的输出，以便提供具有预定光谱特性的光。
文档编号F21S9/03GK1711442SQ200380103086
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月14日
发明者詹姆斯·布鲁斯·富兰克林, 杰弗里·伯顿·史密斯 申请人:弗卢若索勒系统有限公司