CN101027519A - 照明*** - Google Patents

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Abstract

一种照明***包括与至少一个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列相联的光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列，该向外耦合装置(O1、O2、O3，…)用于将光耦合出照明***。每个向外耦合装置的线性阵列排列是平行于光发射器线性阵列的。对于每个向外耦合装置的线性阵列，向外耦合装置的构造和光发射器的构造满足下列要求：NCU×NLC＝NOU×NLO，其中，NCU是每个单元(U1，…)中簇(C1、C2、C3，…)的数目；NLC是每个簇中光发射器的数目；NOU是每个单元中向外耦合装置的数目；NLO是每个向外耦合装置中光发射器的数目。“簇”是形成光发射器线性阵列的光发射器的最小重复集合。“单元”是相对于向外耦合装置以及相对于光发射器，重复的相邻簇的最小数目。

Description

照明***
技术领域
本发明涉及一种包含光发射器线性阵列的照明***，该光发射器线性阵列与至少一个用于将光发射器发出的光耦合出照明***的向外耦合(outcoupling)装置的线性阵列相联，每个向外耦合装置的线性阵列平行于光发射器的线性阵列排列。
发明背景
这类照明***本身是已知的，它们尤其被用作(图像)显示设备例如电视接收机和监视器的背光照明。这类照明***特别适合用作在(便携式)计算机或(无线)电话机内使用的无发射显示器像液晶显示器设备(也称作LCD面板)的背光。另外，这类照明***还用于普通照明目的，例如用作泛光灯和用于例如在标志、轮廓照明以及广告牌上运用的大面积直视发光面板。此外，这种照明***还可以用作生成薄光源或灯的所谓光导管。
另外，这类照明***包括多个光发射器，像例如发光二极管(LED)。LED可以是相异基色的光发射器，像例如公知的红、绿或蓝色光发射器。另外，光发射器可以具有例如作为基色的琥珀色或青色。这些基色可以由发光二极管芯片直接产生，或者可以用发光二极管芯片的辐射辐照磷光体产生。在后者的情形中，混合色或白光还可以作为其中一种基色。通常，光发射器发出的光混合起来得到均匀的光分布，同时消除了照明***发出的光与特定光发射器的相关性。另外，为了获得高彩色精确度，周知的是利用带有传感器的控制器和某些反馈算法。
在这类照明***中，光通常依照周知的全内反射(TIR)原理传播。通过局部扰动或者消除全内反射的条件，光发射器发出的光可以从照明***耦合出。作为一个例子，(部分)反射表面可以用来将光从照明***耦合出，并且产生光束。当在具有镜面反射表面的照明***中使用相异基色的光发射器例如LED，而且这些镜面反射表面例如采用狭缝、凹槽或(重复)光学微结构像例如微透镜或微棱镜的形式时，可以用基本透明的照明***生成动态彩色效果和/或动态亮度效果。
对于将光从照明***耦合出去而言，如果使用的不是一类扩散结构，那么所有光发射器和所有向外耦合装置的相对位置将变得非常重要。这样的照明***会得到不均匀的强度分布(相对于色彩均匀度以及总通量而言)，从而导致在这种照明***照射的平面处产生色乱和/或照度不均匀性。
发明内容
本发明的目的在于整体地或部分地消除上述缺陷。根据本发明，这个目的可以用下面的照明***实现，该照明***包括：
光发射器线性阵列，其与至少一个向外耦合装置的线性阵列相联，该向外耦合装置用于将光发射器发出的光耦合出照明***，每个向外耦合装置的线性阵列是平行于光发射器线性阵列排列的；
对于每个向外耦合装置的线性阵列，向外耦合装置的构造和光发射器的构造满足下列要求：
NCU×NLC＝NOU×NLO
其中，NCU是每个单元中簇的数目；
NLC是每个簇中光发射器的数目；
NOU是每个单元中向外耦合装置的数目；
NLO是每个向外耦合装置中光发射器的数目；其中
“簇”是形成光发射器线性阵列的光发射器的最小重复集合；
每个簇包括多个具有至少第一基色和第二基色的光发射器，第二基色与第一基色相异；以及
“单元”是相对于在至少一个向外耦合装置的线性阵列内的向外耦合装置以及相对于光发射器，重复的相邻簇的最小数目。
根据本发明的措施，对于每个单元内簇的数目NLU与每个簇内光发射器的数目NLC的积等于每个单元内向外耦合装置的数目NOU与每个向外耦合装置内光发射器的数目NLO的积的照明***，就色彩均匀度和总通量而言可以获得基本均匀的强度分布。
本专利申请中所述的本发明的基本思想在于，对所有单个光发射器、看起来相同的向外耦合装置的预定构造，或者对每种基色、看起来“平均”相同的向外耦合装置的预定构造，将最终导致为每种基色产生基本相同的强度分布。
当满足本发明所述的要求时，可以得到许多解决方案来均匀地增强与光发射器的构造有关的向外耦合装置的构造。这些要求通常是可以适用的，即对于所有类型的向外耦合结构像狭缝、全息、衍射或任何其他向外耦合装置，它们都是有效的。优选地，这些向外耦合装置是构图了的(至少沿着平行于光源的方向)。优选地，这些向外耦合装置是非散射的。优选地，这些向外耦合装置主要镜面地反射或者显示出所谓的非朗伯(Lambertian)反射。
当每个单元内每种颜色的光源的数目是预定相邻光发射器组内光源数目的倍数时，还可以进一步提高就颜色均匀度和通量分布而言的强度分布的均匀性。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于，对于每个向外耦合装置的线性阵列，每个单元中相同基色的光发射器的数目NLCU满足下列要求：
NLCU＝i×NLO，其中i∈[1，2，3，...>，
其中，“组”是NLO个相邻光发射器的集合，
NLO＝NLU/NOU，和
NLU＝NLC×NCU。
通过在每个簇内约束相同基色的光源的分布，就颜色均匀度和通量分布而言的强度分布的均匀性还可以进一步提高。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于，每个簇内相同基色的光发射器平均相等地分布在组内的所有可用位置上。以这种方式，簇内相同基色的光源相等地分布在构成该簇的组内的所有可用位置上。
这种照明***的构建可以通过使光发射器的分布更加对称来加以进一步地简化。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于光发射器之间的节距是恒定的。
优选地，每个向外耦合装置包括连续的结构。这种照明***的构建可以通过使向外耦合装置的分布更加对称来加以进一步地简化。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于向外耦合装置之间的节距是恒定的。
优选地，每个向外耦合装置关于向外耦合装置的中心是对称的。优选地，每个向外耦合装置的中心与每个相应的NLO光发射器的组的中心对准。优选地，每个向外耦合装置的中心与两个相邻的NLO光发射器组的中心对准。
如果每个单元只包括一个簇，那么可以用根据本发明的措施得到多个优选的构造。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于，每个单元由单个簇构成，每个簇包括偶数个光发射器并与偶数个向外耦合装置相联，其中：
NLCC＝i×j×NLO，i∈[1，2，3，...>，
其中
在NLO为偶数时，j＝1；
在NLO为奇数时，j＝2。
根据本发明的照明***的一个替代优选实施方式的特征在于，每个单元由单个簇构成，每个簇包括奇数个光发射器并与奇数个向外耦合装置相联，其中：
NLCC＝[(2×i)+j]×NLO，i∈[1，2，3，...>，
其中
对于其中一种基色，j＝1；
对于另一种基色，j＝0。
如果每个单元包括至少两个簇，那么可以用根据本发明的措施得到替代的多个优选构造。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于每个单元由至少两个簇组成。
向外耦合结构可以是连续的结构，或者可以包括预定数目的离散子结构。
在后者的情形中，这些子结构可以具有不同的节距和尺寸。优选地，这些子结构具有相对于向外耦合结构的中心对称的构造。
根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于，每个簇包括至少一个第三基色的光发射器，该第三基色与第一和第二基色相异。优选地，每个簇内的光发射器相对于基色的分布对称地排列。
当光源线性阵列嵌入在反射面之间时，就颜色均匀度和总通量而言的强度分布的均匀性还可以进一步提高。为此，根据本发明的照明***的一个优选实施方式的特征在于，光发射器线性阵列的侧面相对于光发射器线性阵列基本垂直地定向，并且是镜面反射的。这些反射侧面生成虚拟的光发射器，从而提高照明***发出的光的均匀性。
附图说明
本发明这些和其他方面将从以下描述的实施方式变得显而易见，而且将参看这些实施方式进行阐述。在附图中：
图1A-1N示出根据本发明的照明***的实施方式；
图1A’-1E’示出对应于图1A-1E但具有不同构造的向外耦合装置的照明***的实施方式；
图2示出根据本发明、具有多个向外耦合装置的线性阵列的照明***的实施方式。
这些附图只是图解，并没有按比例绘制。应当注意，为了清楚起见，一些尺寸以极其夸大的形式示出。在图中，类似的部件尽可能用相同的参考数字来表示。
具体实施方式
图1A-1N示意性示出根据本发明的照明***的实施方式。在这些附图中，光发射器用它们的基色表示。采用举例的方式，在附图1A-1N中的每一个中给出了具有两个、三个或四个相异基色的光发射器的不同组合。“R”代表工作时发红光的光发射器；“B”代表工作时发蓝光的光发射器；“G”代表工作时发绿光的光发射器；“A”代表工作时发琥珀色光的光发射器；“W”代表工作时发白光的光发射器。在相应的照明***中还可以选择具有另外基色的替代光发射器，这些光发射器可以包括基色“青色”、“黄色”等等。
图1A’-1E’示意性示出对应于图1A-1E但具有不同构造的向外耦合装置的照明***的实施方式。
在图1A-1N和图1A’-1E’中示出的所有实例都包括光发射器R、G、B、A、W的线性阵列。优选地，这些光发射器R、G、B、A、W是发光二极管(LED)。通常，LED具有相对高的光源亮度。在根据本发明的照明***中可以利用所有类型的LED。在优选的实施方式中，每个LED当用额定功率驱动时具有至少100mW的辐射功率输出。具有高输出的LED也称作LED功率封装。使用这类高效率、高输出的LED具有的特殊优点在于如期望那样获得相对较高的光输出时，LED的数目可以相对较少。这对于要制造的照明***的紧凑以及效率而言是具有积极效果的。
光发射器R、G、B、A、W的线性阵列与至少一个向外耦合装置O1、O2、O3，…的线性阵列相联，这些向外耦合装置用于将光发射器(R、G、B、A、W)发出的光耦合出照明***。每个向外耦合装置O1、O2、O3，…的线性阵列是平行于光发射器R、G、B、A、W的线性阵列排列的。根据本发明，对于每个向外耦合装置O1、O2、O3，…的线性阵列，向外耦合装置O1、O2、O3，…的构造和光发射器R、G、B、A、W的构造满足下面的要求：
NCU×NLC＝NOU×NLO
其中：NCU是每个单元U1，…中簇C1、C2、C3，…的数目；
NLC是每个簇C1、C2、C3，…中光发射器R、G、B、A、W的数目；
NOU是每个单元U1，…中向外耦合装置O1、O2、O3，…的数目；
NLO是每个向外耦合装置O1、O2、O3，…中光发射器的数目。
在向外耦合装置O1、O2、O3，…的构造和光发射器R、G、B、A、W中，“簇”C1、C2、C3，…定义为形成光发射器R、G、B、A、W线性阵列的光发射器R、G、B、A、W的最小重复集合。另外，每个簇C1、C2、C3，…包括多个具有至少第一基色和第二基色的光发射器R、G、B、A、W，其中第二基色与第一基色相异。此外，“单元”U1，…定义为相对于在至少一个向外耦合装置O1、O2、O3，…的线性阵列内的向外耦合装置O1、O2、O3，…以及相对于光发射器R、G、B、A、W，重复的相邻簇的最小数目。
为了清楚的原因，在图1B-1N和图1B’-1E’示出的照明***的所有实施方式中，只示出了一个单元U1，但是在图1A和1A’中，为了图解目的，示出了照明***这个具体实施方式的两个相邻单元U1，每个单元仅由单个簇组成。在图1A’-1E’中的向外耦合装置被标记为O1’、O2’、O3’，…。
优选地，对于每个向外耦合装置O1、O2、O3，…；O1’、O2’、O3’，…的线性阵列，每个单元U1中相同基色的光发射器R、G、B、A、W的数目NLCU满足下列要求：
NLCU＝i×NLO，其中i∈[1，2，3，...>。
在这种构造中，“组”S1，S2，S3，…定义为NLO个相邻光发射器(R、G、B、A、W)的集合，
NLO＝NLU/NOU
以及NLU＝NLC×NCU
优选地，每个簇C1、C2、C3，…内相同基色的光发射器R、G、B、A、W平均相等地分布在组S1，S2，S3，…内的所有可用位置上。
对于图1A-1N和图1A’-1E’中所示的照明***的实施方式，向外耦合装置O1、O2、O3，…和光发射器R、G、B、A、W的构造满足上面的三个条件。
具体地，在图1A、1A’、1D、1D’、1F、1I、1J和1K中NCU＞1，在图1B、1B’、1C、1C’、1E、1E’、1G、1H、1L、1M和1N中NCU＞1。
通过在光发射器之间以及在向外耦合装置之间选择恒定的节距，可以得到各种优选的构造。对满足上述条件的照明***，就色彩均匀度和通量分布而言可以获得相对较高均匀的强度分布。对于每种不同的基色，在各个实例中由所述照明***发出的光的辐射图在距离照明***的特定距离处基本相同。
对于对称的光发射器簇，其中每个向外耦合结构的中心与每个相应NLO光源组的中心对准(参看图1A-1N)，或者每个向外耦合结构的中心精确地对准在两个相邻NLO光源组的中心之间(参看图1A’-1E’)，可以获得相对“完美的”方案。
向外耦合结构的长度可以自由地选择。优选地，所有的向外耦合结构排列成一条与光源平行的线，并且具有相同的形状。另外，向外耦合结构可以是连续的结构，或者可以由多个如实例中所示的子结构组成(参看图1N)。在图1N中，示出的是单个连续结构O1，O2，O3，…连同下列的两种构造，该两种构造包括两个子结构OS11，OS12；OS21，OS22；…和三个子结构OSS11，OSS12，OSS13；OSS21，OSS22，OSS23，…。参看图1N，子结构的数目表示为NSS。
表I给出了对于图1A-1N所示的每种构造，每个单元U1，…中簇C1、C2、C3，…的数目NCU，每个单元U1，…中光发射器的数目NLU，其中NLU＝NLC×NCU，每个单元U1，…中向外耦合装置O1，O2，O3，…的数目NOU，每个向外耦合装置O1，O2，O3，…中光发射器的数目NLO，每个单元U1，…中相同基色的光发射器R，G，B，A，W的数目NLCU，以及子结构的数目NSS。
表I图1A-1N所示的向外耦合装置和光发射器的构造
    NCU     NLU     NOU     NLO    NLCU     NSS
    图1A     1     3     3     1    1，2     1
    图1B     2     6     3     2    2，4     1
    图1C     4     12     3     4    4，8     1
    图1D     1     4     2     2    2，2     1
    图1E     3     12     4     3    6，6     1
    图1F     1     5     5     1    1，2，2     1
    图1G     2     10     5     2   2，4，4    1
    图1H     3     15     5     3   3，6，6    1
    图1I     1     6     3     2   2，2，2    1
    图1J     1     8     4     2   2，2，2，2    1
    图1K     1     15     5     3   3，6，6    1
    图1L     5     20     4     5   10，10    1
    图1M     4     20     5     4   4，8，8    1
    图1N     5     15     3     5   5，10    1，2，3
图2示意性示出根据本发明、具有多个向外耦合装置的线性阵列的照明***的实施方式。具体地，如图2所示的照明***包括20个向外耦合装置的线性阵列，其中一个向外耦合装置标记为O。标记为A(琥珀色)、G(绿色)，R红色)和B(蓝色)的光发射器的重复实体1形成光发射器线性阵列。在图2的实例中，光发射器线性阵列的侧面10、11相对于光发射器线性阵列基本垂直地定向，并且优选地，光发射器线性阵列的侧面10、11是镜面反射的。就色彩均匀度和通量分布而言，如图2所示的向外耦合装置的构造和光发射器的构造导致产生基本均匀的强度分布。
这种照明***可以设置一个或多个传感器(未在图2中示出)，用于测量工作中由光发射器R、G、B、A、W发出的光的一种或多种光学性质。可以利用这类传感器来适当地调节光发射器的光通量。借助于传感器和适当的控制电子仪器，可以形成反馈机制来影响由照明***发出的光的质量和数量。在一种替代实施方式中，这种照明***可以设置温度传感器，用于测量该***、发光器件以及***中其他一些位置的温度。借助于光学传感器、温度传感器以及控制电子仪器，可以形成反馈和/或前馈机制，以影响由照明***发出的光的质量和数量。
如上所述的条件使具有向外耦合装置的线之间的距离以及单个向外耦合结构的长度可以自由地选择。优选地，单个向外耦合结构的长度LO满足下面的(边界)条件：
LO＜NLO×P
其中LO是与组相联的单个向外耦合装置的长度，NLO是在照明***的一组光发射器中光发射器的总数目，P是光发射器之间的节距。
对于给定的光源构造，可以平铺(tile)组合各种狭缝构造，其中每条线使用单个构造的向外耦合结构(取决于之前定义条件给出的可能选项)，例如，如图1E、1E’、1D和1D’或者如图1F、1G和1H所示构造的组合。
原则上，就尺寸以及就构造而言，不同单元的多种组合都是可能的。对于理想的方案，一个非常有利的条件是，对构成光发射器阵列的不同单元，在平行于光发射器阵列的一条线内使用一种相同构造的向外耦合装置。在这种情形中，必须满足上述条件，所有不同的单元具有相同的NLO。这样的例子有如图1G和1J所示以及如图1E和1H所示的组合。优选地，在光发射器阵列由就尺寸和/或构造而言不同的光发射器单元构成的情形中，对于所有与共有光发射器阵列相组合的向外耦合装置阵列来讲，上面提到的条件也成立。
如上所述的优选条件能够产生近乎完美和几乎理想的方案。在实际生活中，许多近乎最佳的构造也是可以接受的。这类近乎最佳的构造包括那些满足这些条件但却与不对称的光源簇一起使用的有利类别的狭缝构造。在光源阵列的极端情况下可能会产生稍微的色彩假象，但是这是可以忽略的。通过在平行于光源阵列的那条线内改变狭缝的构造(例如，与单元中的变化一起)，可以得到第二类近乎最佳的构造。
应当注意，上述的实施方式图解了本发明而非限制了本发明，本领域的技术人员能够在不脱离所附权利要求书的范围内设计出许多替代的实施方式。在权利要求书中，在括号内放置的任何参考数字不应当解释为对权利要求的限制。使用的动词“包括”及其动词变形并不排除权利要求中未提及元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”并不排除多个这类元件的存在。本发明可以借助于包括几个相异元件的硬件并借助于适当编程的计算机进行实施。在列举有几种装置的设备权利要求中，这些装置可以用一个相同的硬件项具体化。此外，在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施这样的事实并不表明这些措施不能被组合来发挥优势。

Claims (17)

1.一种照明***，包括：
光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列，其与至少一个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列相联，该向外耦合装置(O1、O2、O3，…)用于将光发射器(R、G、B、A、W)发出的光耦合出照明***，每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列平行于光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列排列；
对于每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列，向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的构造和光发射器(R、G、B、A、W)的构造满足下列要求：
NCU×NLC＝NOU×NLO
其中，NCU是每个单元(U1，…)中簇(C1、C2、C3，…)的数目；
NLC是每个簇(C1、C2、C3，…)中光发射器(R、G、B、A、W)的数目；
NOU是每个单元(U1，…)中向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的数目；
NLO是每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)中光发射器的数目；其中
“簇”(C1、C2、C3，…)是形成光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列的光发射器(R、G、B、A、W)的最小重复集合；
每个簇(C1、C2、C3，…)包括多个具有至少第一基色和第二基色的光发射器(R、G、B、A、W)，第二基色与第一基色相异；以及
“单元”(U1，…)是相对于在至少一个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列内的向外耦合装置(O1、O2、O3，…)以及相对于光发射器(R、G、B、A、W)，重复的相邻簇的最小数目。
2.如权利要求1所述的照明***，其中对于每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的线性阵列，每个单元(U1，U2，U3…)中相同基色的光发射器(R、G、B、A、W)的数目NLCU满足下列要求：
NLCU＝i×NLO，其中i ∈[1，2，3，…>，
其中，“组”(S1，S2，S3，…)是NLO个相邻光发射器(R、G、B、A、W)的集合，
其中
NLO＝NLU/NOU，和
NLU＝NLC×NCU。
3.如权利要求2所述的照明***，其中每个簇(C1、C2、C3，…)内相同基色的光发射器(R、G、B、A、W)平均相等地分布在组(S1，S2，S3，…)内的所有可用位置上。
4.如权利要求1或2所述的照明***，其中光发射器(R、G、B、A、W)之间的节距是恒定的。
5.如权利要求2所述的照明***，其中每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)包括连续结构。
6.如权利要求5所述的照明***，其中向外耦合装置(O1、O2、O3，…)之间的节距是恒定的。
7.如权利要求5所述的照明***，其中每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)关于向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的中心是对称的。
8.如权利要求7所述的照明***，其中每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的中心与每个相应的NLO光发射器(R、G、B、A、W)组的中心对准。
9.如权利要求8所述的照明***，其中每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)的中心对准在两个相邻的NLO光发射器(R、G、B、A、W)组的中心之间。
10.如权利要求2所述的照明***，其中每个单元(U1，…)由单个簇(C1、C2、C3，…)构成，每个簇(C1、C2、C3，…)包括偶数个光发射器(R、G、B、A、W)并与偶数个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)相联，其中：
NLCC＝i×j×NLO，i∈[1，2，3，…>，
其中
在NLO为偶数时，j＝1；
在NLO为奇数时，j＝2。
11.如权利要求2所述的照明***，其中每个单元(U1，U2，U3…)由单个簇(C1)构成，每个簇(C1)包括奇数个光发射器(R、G、B、A、W)并与奇数个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)相联，其中：
NLCC＝[(2×i)+j]×NLO，i∈[0，1，2，…>，
其中
对于其中一种基色，j＝1；
对于另一种基色，j＝0。
12.如权利要求1或2所述的照明***，其中每个单元(U1，U2，U3…)由至少两个簇(C1、C2、C3，…)构成。
13.如权利要求1或2所述的照明***，其中每个向外耦合装置(O1、O2、O3，…)包括预定数目的离散子结构(OS11，OS12；OS21，OS22；…；OSS11，OSS12，OSS13；OSS21，OSS22，OSS23；…)。
14.如权利要求1或2所述的照明***，其中每个簇(C1、C2、C3，…)包括至少一个第三基色的光发射器(R、G、B、A、W)，该第三基色与第一和第二基色相异。
15.如权利要求1或2所述的照明***，其中每个簇(C1、C2、C3，…)内的光发射器(R、G、B、A、W)相对于基色的分布对称地排列。
16.如权利要求1或2所述的照明***，其中光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列的侧面(10，11)相对于光发射器(R、G、B、A、W)线性阵列基本垂直地定向，并且是镜面反射的。
17.如权利要求1或2所述的照明***，其中所述照明***包括光学和/或热传感器以及电子控制装置，从而形成反馈和/或前馈***，用以控制由照明***发出的光的质量和/或数量。
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