CN101438096A - 光分布 - Google Patents

Abstract

一种照明设备，其包括光源(2)、设置在光源前面以允许从所述光源发射的光束折射的基于电润湿的光学元件(1，10)，以及驱动装置(9)，该驱动装置设置为在至少两个预定状态之间操作所述光学元件，所述状态适合于导致具有不同光强分布的折射光束。根据这一设计，基于电润湿的光学元件可用于在许多预定状态之间动态地改变照明设备的光强分布。

Description

光分布

技术领域

本发明涉及一种具有用于改变光强分布的装置的照明设备。

背景技术

发光二极管(LED)越来越多地引入到各种照明应用中。LED可产生高亮度的各种颜色，甚至是白光。其与常规的灯泡相比的一个明显的优点在于其是小型的并且能在适当温度下工作。

为了增大LED在照明中的可能的应用，改变光分布的功能性是必需的。所希望的是改变光强分布以改变光束的光点尺寸，但也可能需要改变光强分布来对通常的高斯光强分布进行整形而不改变光点尺寸。所希望的是改变光的颜色分布以避免染色，即，可能由于不完善的颜色混合而在光点边缘处出现的红、绿、蓝色调。US 2002/0067549中公开了稳定的光强分布-转变设备的一个例子。该设备包括具有两个曲面的玻璃主体，并且当需要分布更加均匀的光强时可将其用作例如准直透镜或者物镜。

还有多种其他方法来改变所述分布，例如通过添加可移动的部件，如可移动反射镜。这种***需要使其对磨损敏感并且使其不太坚固的各种机械部件。此外，这些设备相当昂贵。

因此，目前没有令人满意的解决办法来提供具有可变光分布的照明设备。

本发明的目的在于克服这一问题，并且提供一种具有用于改变光强和/或颜色分布的改进的装置的照明设备。

发明内容

这一目的和其他目的是通过一种照明设备来实现的，该照明设备包括光源和设置在光源前面以使所述光源发射的光束发生折射的基于电润湿的光学元件，以及设置为在至少两种预定状态之间操作该光学元件的驱动装置，所述状态适合于产生具有不同光强分布的折射光束。

根据这一设计，基于电润湿的光学元件可以用于在许多预定状态之间动态地改变照明设备的光强分布。电润湿透镜和转换的原理和优点已在现有技术中进行了充分地说明，但这种元件迄今为止主要用于使光束在各种光学***中成像和聚焦，所述光学***如扫描仪、照相机等。应该注意，在成像和照明之间存在明显的差异，一方面，成像是将光聚焦在平面内以便提供目标的图像，而另一方面，照明是使来自光源的光用于照射一个区域。从本发明的照明设备发射的光用于照射一个区域，而不是将光聚焦在任何特殊的平面内。

根据本发明的可变光强分布可用于实现光束的整形，例如，从高斯分布整形为对称的或者成环形的分布。这在例如用于改变周围环境(大气压供应者)的光器件中是有益的。在一些应用中，可能希望的是使光点中心暂时具有较多的光而不使光束变小。这种整形不一定表示要改变光束的角展度(angular spread)，即，不一定表示要改变固定观察平面上的光点尺寸。例如外科医生想要在外科手术期间聚焦在小的目标上而不使所有的光散开到光束之外，因此其仍然保持一只眼睛观看周围的器官。

然而，根据本发明的可变光分布也可以独立地或者与上述光整形相结合使用来实现不同的角强度分布，或者扩展，即可变的光点尺寸。可变的角展度可用于例如实现在点光和泛光之间转换。在光源包括许多颜色的情况下，例如不同颜色的LED的阵列的情况下，可以使不希望有的染色效应最小，并且通过调整一些或所有LED的角发射模式能够改进颜色混合。

所述光学元件可包括电润湿开关，其包括光束调节表面和用于改变覆盖所述表面的介质的装置，并且其中驱动装置设置为在第一状态和第二状态之间操作该介质改变装置，在第一状态中，用第一介质覆盖所述表面，在第二状态中，用第二介质覆盖所述表面。

这种开关将提供由驱动装置来选择的两种不同状态。

所述开关也可具有两个光束调节表面。这两个表面可具有相同或者相反的折射作用，这取决于应用。若从光源方向看时两个表面具有相同的曲率，那么光学作用将是相反的(首先会聚之后发散，反之亦然)。这种开关也可用于提供上述整形。若从光源方向看时两个表面具有相反的曲率，那么它们将提供相同的光学作用。

可选择的是，或者与之相结合，光学元件可包括电润湿透镜，以及串联排列的两个透镜，在这种情况下，将驱动装置设置为在至少两个预定状态之间操作(这一个或两个)透镜。正如上文所述的开关一样，具有相反折射作用的透镜可用于实现整形。

根据一个实施例，将驱动装置设置为在所述至少两个预定状态之间连续交替，即，使光学元件在这些状态之间重复地进行转换。这种重复的转换可用于提供可察觉到的不同状态的混合，例如泛光和点光的混合。优选的是，状态之间的过渡时间短于人眼的保留时间，导致可察觉到的包括几个不同分量的照明。

所述驱动装置可进一步设置为响应于光学元件的选定状态而调整通过光源的电流。例如，当角展度增加时可以使电流增大，因此光强在给定点中基本上是常量。

优选的是，所述光源包括至少一个LED。然而，具有适当工作温度的任何光源都可以与基于电润湿的光学元件结合使用。

附图简述

现在将结合示出本发明当前优选实施例的附图来更详细地描述本发明的上述方面和其他方面。

图1a是依照本发明第一实施例的照明设备在第一状态中的示意图。

图1b是图1a中的设备在第二状态中的示意图。

图2a是依照本发明第二实施例的照明设备在第一状态中的示意图。

图2b是图2a中的设备在第二状态中的示意图。

图3a是依照本发明第三实施例的照明设备在第一状态中的示意图。

图3b是图3a中的设备在第二状态中的示意图。

图4是具有依照本发明的照明设备的手电筒(torch)的示意图。

图5是具有依照本发明的照明设备的闪光灯的示意图。

图6a和图6b是设置在分段LED前面的许多光学元件的示意图。

具体实施方式

图1a-b示意性地示出依照本发明第一实施例的装置，其中在光源2的后面设置电润湿透镜1。光源2发射基本上准直的光束3，该光束由透镜1透射。所述透镜包含两种流体4、5，这两种流体在此处分别是折射率为1.34和1.50的水和油，在这两种流体之间形成弯月面6。设置电极7、8，以允许在这两种流体上施加电压，由此不断地改变弯月面的能量平衡，从而改变其曲率。WO03/069380给出了这种电润湿透镜的详情，因此该文献在此引入作为参考。另外，驱动器9与电极7、8相连，并且适合在至少两种独立的状态之间操作该透镜1。所述驱动器可设置在包括(一个或多个)LED和(一个或多个)光学元件的照明组件的内部或者外部。

图1a示出第一转换状态，其中弯月面6是平坦的，并且从二极管2发射的光束3的分布基本上是未改变的。图1b示出第二转换状态，其中弯月面6是凹面并且大约为半球形，因而引入光束3的角展度。

根据图2a-b中所示的本发明第二实施例的装置，用包括流体***的这种类型的二进制开关10代替图1a—b中的透镜，该流体***包括充满流体13、14的两个腔11、12和光束调节表面17，该表面17与其中一个腔相关联而设置从而使其能够被两种流体(例如空气和水)中的一种覆盖，由此导致不同的光束调节性质。所述光束调节表面可以是非球面、光栅和/或全息图结构。设置电极15、16以允许在该表面上施加电压从而通过电润湿来实现介质的转换。WO2004/027490中给出了这种电润湿开关的原理，该文献在此引入作为参考。

在图2a—b的实施例中，所述开关包括两个光束调节表面17，以便增大由该开关所引入的折射。在该实施例中，光束调节表面是彼此面对的非球面，其共同形成尖椭圆形的腔11，即凸透镜。所述表面17由两个透射主体18的内壁来形成，其外壁是平坦的。主体18可通过如COC的塑料的注射模塑法或通过玻璃模塑法制成。另外，驱动器19与电极15、16相连接并且适合在其两种状态之间操作该开关10。

图2a示出第一转换状态，其中腔11充满折射率与周围壁相同的油，二极管2发射的光束3的分布基本上未改变。图2b示出第二转换状态，其中腔11充满水，致使折射率与周围壁不匹配，从而引入光束3的角展度。在图3中示意性示出的本发明第三实施例中，电润湿开关10’具有两个透射主体18’，该透射主体的内壁形成两个光束调节表面17’，从光源2看时其具有相似的曲率。如图中所示，该曲率在中心是凸面，而朝向边缘变为凹面。如前所述，此曲率可通过非球面或者通过光栅来实现。除内表面17’的曲率之外，图3a-b中的开关具有与图2a-b中的开关相同的设计和功能，并且配有图2a-b中的那种驱动器。因此在这里没有对开关和驱动器作进一步的说明。

在图3a中，腔充满油13，从光源2发射的光束3基本上不受光学元件10’的影响。在图3b中，腔充满水14，光束3的中心部分总的来说首先发散地折射，然后再会聚。双折射将改变光分布，例如从高斯分布(由图3a中的强度图30a示意性地示出)到更加像环形的分布或者顶帽分布等(由图3b中的图30b示意性地示出)。这种整形可以独立地或者与上述的角的重新分布相结合来实现。

图3a-b中的开关也可以用串联的两个电润湿透镜来代替。并且在这种情况下，光学元件将提供双折射，能够将光整形而不会出现角的重新分布。通常，电润湿透镜的折射作用太小而不能提供充分的光整形。然而，可以通过提供更多的电极来达到充分的折射。

在图1a-b、图2a-b以及图3a-b中，光源2包括单个发光二极管(LED)24、反射器25，以及准直透镜26。本领域的普通技术人员将理解，可以在光源中设置多个LED，例如用于彩色照明的目的而设置红色、绿色和蓝色LED的组合。另外还应该理解，光束3是示意性的。事实上，来自LED的光束很少被完全地准直，而通常会轻微地发散。反射器25的范围和位置也是示意性的，并且应理解为可能到达透镜1或10。

在上面所有实施例中，驱动器9、19优选包括用于将所希望的用户设置转变成光学元件的适当驱动电压的微控制器20和存储器21。所述驱动器可配有手动开关22，以允许用户手动地选择所希望的状态，从而改变光分布。

在光学开关的情况下，在两个二进制状态之间转换所需的电压是明确的(well defined)。在电润湿透镜的情况下，通过选择许多预定的电压电平来将可施加的整个电压范围分成多个间隔，每个间隔都会导致明显不同的光分布。在这两种情况下，可以在微控制器存储器中将对应于不同状态的不同电压以及光分布进行预编程。

例如，可以确定三种状态，即泛光照明(状态1)，中间光点(状态2)以及小光点(状态3)。每种状态都与对应的电压有关联，例如0、24和56伏，并且将这些关系存储在查找表中。可以确定这种查找表，并且如果需要在制造期间可以为各个LED模块调整所述查找表。在用户方案中，在空间中的控制仅仅必须确定希望具有哪种状态并在LED模块中进行变换(通过该查找表)。

查找表也可以包括用于(一个或多个)LED的当前设置的适当值，例如当增大光点直径时能够使电流增大。通过这种电流控制，可以保持总的可察觉到的亮度。

依照这些情况，微控制器21也可以适合于提供光学元件的自动调整。例如，处理器能够存取该查找表，并且能够根据改变环境光条件而在各种预定光分布之间转换。

微控制器21也可以适合于在不同状态之间进行连续地转换。如果按照使光学元件在不同状态之间的过渡时间短于人眼的保留时间的方式来设计光学元件，那么可以足够快速地实现这种转换，以便使不同光分布进行混合从而使用户不易察觉到不同的分量。该效果也可以通过LED调整电流得以增强。

例如，两个光分布(例如泛光对点光)能够与通过LED的取决于时间的电流相结合。在第一时间间隔T1期间，开关处于点光方式，通过LED的电流调整为第一值，例如I1。然后，在间隔T2期间，开关处于泛光方式，电流调整为第二值T2。若T1和T2都小于人眼的保留时间，如上所述，并且不断地在两个状态之间进行转换，那么人眼积累(integrate)最终的光图案(pattern)并且记录其中具有更明亮的光点的一定亮度的泛光图案。

按照这种方式可以形成许多大气压和效果。另外，很显然，若光源由单独带颜色的LED组成(即，R，G和B组合产生白色)那么不仅能够实现特殊照明配置中的强度变化而且实现带颜色的设置中的强度变化，例如在中部具有红色光点的蓝色泛光背景。通过处理器的适当编程，也能够使任何这种图案均可随时间而产生变化。

图4示出根据本发明实施例的配有光分布控制的手电筒或闪光灯51。除了用于操作光源54的接通/断开开关52之外，光源例如LED，该手电筒包括用于操作设置在LED前面的电润湿光学元件55的附加开关53。开关53能够用于改变发射光的分布，例如用于在泛光和点光之间进行转换。

图5示出配有本发明实施例的闪光灯61。电润湿光学元件63设置在光源62的前面，并由闪光微控制器64来控制。当拍摄远距离目标时，根据是否拉近目标而需要有不同的光分布。对于没有拉近的目标，需要泛光闪光来照射整个场景。对于拉近的目标，点光是更加适宜的。通过提供足够聚集的光(小光点)也可以获取甚至更远处的目标的令人满意的图像。

图6a和图6b示出本发明另一个实施例，其包括设置在许多独立的LED32前面的几个光学元件31。这些元件可以是电润湿透镜或者开关或者其组合。在一个例子中，所述光学元件由每个LED32前面的充满液体的分隔室33和非球面34来体现。第二流体漂浮的许多微滴35包含在分隔室中，并且通过对电极36进行寻址而将其控制在选定的LED前面的位置。在所说明的例子中，为简单起见仅示出了四个LED，并且流体包括两个微滴。在图6a中，这些微滴定位在第一个和第三个LED的前面，防止来自这些LED的光束的转向。在图6b中，上面的微滴已经向下移位到第二个LED。

由于可以形成各种光分布，因此位于分段的光学元件前面的这种多个LED可以用作大气压的供应者。LED可以是带颜色的因此不仅可以改变光分布而且可以改变颜色分布。可以通过查找表来进行驱动从而在各个预定光分布之间进行转换。也可以使用计算机程序，例如把音乐(声音)转化为一定的光分布(大气压供应者与音乐耦联在一起)。

本领域的普通技术人员认识到，本发明决不受限于上述优选的实施例。相反，可以在附加的权利要求的范围内进行许多修改和变化。例如，透镜和/或开关的数量，以及每个透镜/开关的特定设计都可以有所变化，这取决于应用和所希望的结果。另外，基于电润湿的光学元件能够方便地与准直仪结合，从而形成具有光强分布能力的集成光源。

Claims (12)

1.一种照明设备，其包括：

光源(2)，

基于电润湿的光学元件(1，10)，其设置在光源的前面以允许从所述光源发射的光束折射，以及

驱动装置(9，19)，其设置为在至少两个预定状态之间操作所述光学元件，所述状态适合于产生具有不同光强分布的折射光束。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学元件(10)是电润湿开关，包括光束调节表面(17)和用于改变覆盖所述表面的介质的装置(11，12，15，16)，并且其中所述驱动装置(19)设置为在所述第一状态和所述第二状态之间操作所述介质改变装置，在所述第一状态中用第一介质覆盖所述表面，在所述第二状态中用第二介质覆盖所述表面。

3.根据权利要求2所述的照明设备，其中所述电润湿开关包括两个光束调节表面(17，17’)。

4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学元件包括电润湿透镜(1)，并且其中所述驱动装置(9)设置为在至少两个预定状态之间操作所述透镜。

5.根据权利要求4所述的照明设备，其中所述光学元件包括串联设置的两个电润湿透镜(1)。

6.根据权利要求1所述的照明设备，其中每个状态适合于提供具有不同角强度分布的发射束。

7.根据权利要求6所述的照明设备，其中所述驱动装置设置为在泛光或点光之间转换该照明设备。

8.根据前面任一权利要求所述的照明设备，其中所述驱动装置(9，19)设置为在所述至少两个预定状态之间连续地交替。

9.根据权利要求8所述的照明设备，其中驱动装置(9，19)设置为在过渡时间短于人眼保留时间的状态之间进行交替。

10.根据前面任一权利要求所述的照明设备，其中驱动装置(9，19)设置为响应于所述光学元件的选定状态而调节通过光源的电流。

11.根据前面任一权利要求所述的照明设备，其中光源(2)包括至少一个LED(24)。

12.将基于电润湿的光学元件用作光分布转变设备。

Images