CN105723146B - 用于更好的视觉敏锐度的光谱增强的白光 - Google Patents

用于更好的视觉敏锐度的光谱增强的白光 Download PDF

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Abstract

公开了一种提供改善的视觉敏锐度的照明配置。照明配置包括：第一光源，发射具有从500nm至530nm的范围中的第一波长峰值的光；第二光源，发射具有从600nm至640nm的范围中的第二波长峰值的光；以及第三光源，发射具有从440nm至460nm的范围中的第三波长峰值的光。在55nm处的辐射功率小于在第二波长峰值的波长时的辐射功率的15％。照明配置特征S/P比介于2与5之间。可选地，在480nm处的辐射功率是第二波长峰值的至少20％。照明配置中使用的光源可以是LED，优选地，基本上不含颜色转换层的LED。

Description

用于更好的视觉敏锐度的光谱增强的白光
技术领域
本发明涉及以通用的实际CCT值发射具有高S/P比的预定光谱的光的照明配置(lighting configuration)，具体地，涉及在暮光条件(mesopic condition)和明光条件(photopic condition)下发射用于改善视觉敏锐度的光谱增强的光谱的光的照明配置。
背景技术
特定的现有技术的照明配置致力于提高暮光条件下的能见度。
PCT申请WO 2006/132533 A2涉及一种与常规实用型照明相比较提供了改善能见度的照明配置。该照明配置被设计成发射第一波长区域中的光和第二波长区域中的光。第一波长区域包括500nm至550nm的波长。第二波长区域包括560nm至610nm的波长。照明单元被设计成以这样一种方式从第一波长区域产生具有主波长的光，即，由视杆细胞(rod)控制人眼的视觉灵敏度。
WO 2009/013317A1涉及用于在暮光条件下对区域进行照明的照明配置。该照明配置具有发射在第一波长区域中的基本上为单色光的一个或多个LED。该照明配置进一步具有发射在第二波长区域中的基本上单色光的一个或多个LED。因此，在使用中，LED的组合使得由照明配置提供的光具有大于2的暗光与明光之比(S/P比)。
EP 2469983 A2要求保护通过应用覆盖有颜色转换层的蓝色LED来在暮光条件下通过对区域进行照射而实现的改进，蓝色LED在440nm至480nm的波长时发射第一强度峰值的范围中的光并且在600nm至650nm的波长时发射第二强度峰值(12)的范围中的光。优选实施方式包括具有第三颜色转换层的LED，该LED发射具有550nm至590nm范围内的波长的光。
US 2006/0149607公开了一种包括至少发射不同波长的光的两个光源的照明配置。一个光源具有与暗光最大值基本对应的波长(505nm)；第二光源具有与明光最大值基本对应的波长(555nm)。
在提供最佳视觉敏锐度时，现有技术反映了对照明配置的整体性能的能见光谱的指定部分的组成的完整理解。
因此，需要一种提供用于提高视觉敏锐度的光谱增强光的照明配置。
发明内容
本发明通过提供照明配置解决了这些问题，该照明配置包括：第一光源，被设计成发射具有从500nm至530nm的范围中的第一波长峰值的光；第二光源，被设计成发射具有从600nm至640nm的范围中的第二波长峰值的光；以及第三光源，被设计成发射具有从440nm至460nm的范围中的第三波长峰值的光。这意味着任何光源均不具有与基本上对应于550nm的明光最大值的波长。照明配置提供了这样的光谱功率分布：暗光/明光(S/P)比介于2与5之间并且在555nm处的辐射功率小于第二波长峰值的波长的辐射功率的10％至50％。
将在相同波长区域中运行的三个光源的光混合以产生高度有效的照明。
具体实施方式
下面是本发明的细节描述。
定义
如本文中所使用的术语“明光(photopic)”指在CIE明光亮度函数内的光波长的视觉，其具有近似高斯分布和555nm的峰值。
本文中所使用的术语“暗光(scotopic)”指在CIE暗光亮度函数内的波长中的视觉，具有近似高斯分布和507nm的峰值。
本文中所使用的术语“暗光/明光比(scotopic/photopic ratio)”指由暗光区域中的光源产生的光的量除以由明光区域中的相同光源产生的光的量。
光源的“相关色温”(CCT)是产生与光源的色调具有相同色调的光的黑体温度。以开尔文(K)表示CCT。
光源的“显色指数(Color Rendering Index)”(CRI)指光源如实地呈现被光源照射的物体的颜色的能力。参照日光作为具有6500K的CCT的标准光源(称之为D65)或具有3200K的CCT的白纸灯泡或卤素灯泡(具有100的CRI)，该指数表达这种显色的能力。
光源的“色度(Chromaticity)”指光源发射的光的颜色在CIE 1931xy色度空间中的位置。xy色度空间的图形表示通常包含显示黑体光源在各个温度下的色度的曲线。
就其最为宽泛的方面而言，本发明涉及一种照明配置，该照明配置包括：第一光源，被设计成发射具有从500nm至530nm的范围中的第一波长峰值的光；第二光源，被设计成发射具有从600nm至640nm的范围中的第二波长峰值的光；以及第三光源，被设计成发射具有从440nm至460nm的范围中的第三波长峰值的光；并且任何光源均不具有与明光最大值基本上相对应的波长，所述照明配置提供了这样的一种光谱功率分布：暗光/明光(S/P)比介于2与5之间并且在555nm处的辐射功率小于第二波长峰值的波长的辐射功率的10％至50％。
本发明的照明配置包含对人眼在人造光下的机能的若干新认识。应当认识到，关于人造光源的性能的评定，已确定的意见基于在二十世纪的第一个十年就白炽灯泡而发展的科学。
白炽灯泡通过对例如钨的灯丝发送电流而产生光。灯丝的被尺寸化以使得在设计强度的电流通过灯丝时灯丝变热。随后，灯丝起到黑体的作用，并且白炽灯泡的发射光谱和CCT对应于灯丝的温度。
一种含义是白炽灯泡具有低的暗光/明光比(通常在1.4与1.5之间)。因为视网膜中的视杆细胞被认为在明光条件下几乎不活动或停止活动，所以在很大程度上忽略了光源的暗光输出的贡献。同样，由于流明的定义夸大了明光的贡献并且低估了暗光的贡献，所以由光源产生的光量(以流明表示)可能是误导参数。
存在对减少产生人造光所需的电能的需求。光源的能效往往以流明/瓦特表达。因为单位流明夸大了明光的贡献并且低估了暗光的贡献，所以单位流明/瓦特低估了具有高S/P比的光源的能效。人造品具有多种不理想的结果：
(a)当从具有低S/P比的传统光源切换至具有更高的S/P比的新光源时，(基于流明比较而使)安装的光源的数目过多，从而导致节能少于可实现的节能并且导致新光源空有刺耳和眩光的虚名；
(b)因为(基于流明比较)考虑所计算出的支出(payout)过长，所以丧失了节能的机会；
(c)在考虑不周的方案中的不理想的新光源的设计企图增加光源的明光流明输出。
本发明的照明配置通过使得S/P比最大化而解决了这些问题，因此，最大化地应用了通过人类视网膜中的视杆细胞由瞳孔动态地生成。
另一确定的误解是瞳孔尺寸在暮光照明条件下的作用。通常，当光变暗时，瞳孔尺寸增加，以允许更多地获得的光达到视网膜。瞳孔尺寸被确信受视网膜中的黑素蛋白控制，黑素蛋白对具有480nm的波长的光是敏感的。已经提出减少光源的光谱中的480nm光的量，以使得瞳孔尺寸最大化(参见EP 2469983 A2)。
现在，据发现，实际上希望防止瞳孔尺寸在暮光照明条件下变得过大。当瞳孔得不到充分扩张时，眼镜中的镜头在视网膜上产生更为清晰的图像，尽管更少的光到达视网膜，然而，由于瞳孔尺寸在某种程度上更小，所以视觉得到改进。此外，更小的瞳孔尺寸产生更大的景深，因此，眼镜不必要频繁地调整其焦距。从而明显减少疲惫感。
本发明的照明构造进一步包含发明人的发现，即在产生具有高色感的光并且光在xy色度空间上具有在黑体曲线上或附近的位置的同时，可以获得本发明的高S/P比。
多个发光二极管(LED)具体适用于本发明的照明配置中的光源。因此，第一光源、第二光源以及第三光源中的至少一个可包括发光二极管。优选地，第一光源、第二光源以及第三光源中的三个全部包括发光二极管。
具有在从500nm至530nm的范围中的波长峰值的LED可被称之为青色LED。具有在从600nm至640nm的范围中的波长峰值的LED可被称之为红色LED。具有在从440nm至460nm的范围中的波长峰值的LED可被称之为蓝色LED。
所有三种类型的LED可以是具有光谱的蓝色部分中的波长峰值的LED，并且青色LED和红色LED设置有将LED的颜色转换成期望波长的颜色转换层。然而，在被称之为LED的斯托克斯频移和能耗缩短使用寿命的转换损失方面，颜色转换层具有明显的缺点。利用基本不含颜色转换层的LED可以获得期望的波长。因此，优选的是，具有至少一个LED(即，基本上不含颜色转换层)的照明配置。更优选的是所有LED基本不含颜色转换层的照明配置。
发射红光的无颜色转换层的LED的实施例是基于AlInGaP或InGaN的LED。发射青光或蓝光的无颜色转换层的LED的实施例包括GaN、InGaN以及GaAs。诸如GaP:ZnO、GaP、GaAsPN、AlGaAs/GaAs、AlInGaP/GaAs、AlInGaP/GaP以及ZnCdSe等其他组合物是可能的。本领域技术人员熟悉用于将光谱分布调整至所期望的范围的技术。
据发现，当眼睛瞳孔收缩至某种程度时，改善了在暮光照明条件下的视觉敏锐度。由于480nm是黑素蛋白对之敏感的波长，所以瞳孔因具有约480nm的波长的光的触发而收缩。本发明的照明配置的优选实施方式具有的光谱功率分布使得480nm处的辐射功率是第二波长峰值的至少20％。
在实施方式中，照明配置的光谱功率分布包括在介于470nm至490nm之间的波长时的第一最小值和在介于550nm至590nm之间的波长时的第二最小值。具体地，第二最小值有利于利用这些照明配置获得的高S/P比。具有与明光最大值相对应的波长的光源的缺失进一步增大了S/P比。
可以平衡三个光源的相对贡献以产生希望的色温和对应的S/P比。例如，可以选择第一光源、第二光源以及第三光源的光输出之比，以使得照明配置在4000K至6000K的相关色温时具有介于2.5与3之间的S/P比。在可替代的实施方式中，选择的比例产生在6000K至8000K的相关色温下具有介于3与3.5之间的S/P比的照明配置。通常，可以建立4000K至10000K的范围内的CCT值。
如同在评定人造光源的性能时使用的诸多参数，显色指数基于白炽灯泡的特征，从而使得确定本发明的照明配置的CRI困难或甚至无意义。然而，可以将照明配置的显色与具有已知CRI的白炽灯泡的显色相比较，指示找出匹配。此处，比较的结果被称之为预见的显色指数。据发现，照明配置可具有至少100的预见CRI。更重要地，照明配置在至少100的暮光照明条件下具有预见的CRI。
人造光的颜色可被描述为以CIE色度空间中的x坐标和y坐标表示的位置。希望将光色定位成尽可能地接近于色度图中的黑体曲线。指定黑体温度T下的黑体曲线上的点的色度坐标可被分别写作x(bbT)和y(bbT)。具有相同色温T的照明配置的色度坐标可被分别写作x(lcT)和y(lcT)。照明配置的色度接近于黑体曲线，因此，|x(lcT)-x(bbT)|<0.02，并且|(y(lcT)-y(bbT)|<0.02。其中，|x(lcT)-x(bbT)|是x(lct)-x(bbT)的绝对值并且|(y(lcT)-y(bbT)|是y(lcT)-y(bbT)的绝对值。
光源的S/P比对于预见的光强度非常重要。以SI单位“勒克斯(lux)”测量光强度。下式给出预见的光强度：
预见的光强度＝(经过测量的光强度)×(S/P)0.8
例如，具有4000K的CCT的最佳完整光谱光源的最大S/P比是1.87。如果光源具有200勒克斯的测量光强度，则预见光强度为200×1.870.8＝330勒克斯。相同CCT(4000K)的照明配置具有2.5的S/P比。如果测量的光强度再次是200勒克斯，则预见光强度为200×2.50.8＝416勒克斯。与最高S/P的理论黑体4000K光相比较，预见光强度的增益为116/300×100％＝38.7％。
在更高的CCT值下可以获得甚至更大的增益。下表比较了黑体光源的理论最大S/P值与利用本发明的照明配置获得的S/P值。
CCT(开尔文) S/P比(黑体) S/P比(本发明)
3000 1.48 2.1
4000 1.87 2.5
5000 2.15 3.0
6000 2.36 3.4
10000 2.83 3.6
示出性实施方式/实施例的描述
下面仅通过实施例方式给出了本发明的特定实施方式的描述。
图1是本发明的实施方式的示意性表示。照明配置2包括青色LED3、红色LED4以及蓝色LED5等三个组。应当理解的是，通过改变这三种类型的LED的相应功率和/或通过使用每种类型的不等数目的LED，可以改变颜色平衡。例如，图1中的照明配置可包括四个红色LED、三个青色LED以及三个蓝色LED；或者包括三个红色LED、两个青色LED、以及两个蓝色LED等。在优选的实施方式中，照明配置仅包含青色LED、蓝色LED以及红色LED。
图2示出了具有4000K的CCT的照明配置的光谱功率分布。该分布包括三个峰值；在约458nm处的峰值8；在约515nm处的峰值9；并且在约628nm处的峰值11。照明配置在480nm处产生显著的功率。在555nm处的光谱功率(以10示出)保持较低。
图3示出了具有8000K的CCT的照明配置的光谱功率分布。与图2相比较，458nm和515nm处的峰值明显更高，从而产生更“冷”的光色。图3中还示出了标准的CIE V(λ)曲线，并且在555nm处具有峰值。将显而易见的是，照明配置将接收劣等流明等级。然而，在使用中，照明配置在舒适度和不存在疲惫感方面评分非常高。
因此，通过参考上述讨论的特定实施方式描述了本发明。应当认识到，这些实施方式易于受本领域技术人员熟知的各种变形和可替代形式的影响。
在不背离本发明的实质和范围内，可以对此处描述的结构和技术做出除上述所述之外的许多变形。因此，尽管已经描述了特定的实施方式，然而，这些仅是实施例并且并不限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种照明配置，所述照明配置包括由以下各项组成的光源：第一光源，被设计成发射具有在从500nm至530nm的范围中的第一波长峰值的光；第二光源，被设计成发射具有在从600nm至640nm的范围中的第二波长峰值的光；以及第三光源，被设计成发射具有在从440nm至460nm的范围中的第三波长峰值的光，并且没有光源具有对应于明光最大值的峰值波长，所述照明配置提供了以下的光谱分布：暗光/明光(S/P)比介于2与5之间并且在555nm处的辐射功率小于在所述第二波长峰值的波长处的辐射功率的10％至50％。
2.根据权利要求1所述的照明配置，其中，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源中的至少一个包括发光二极管(LED)。
3.根据权利要求2所述的照明配置，其中，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源中的所有的三个包括发光二极管(LED)。
4.根据权利要求2或3所述的照明配置，其中，所述LED中的至少一个不含颜色转换层。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，其中，在480nm处的辐射功率是所述第二波长峰值的至少20％。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，其中，所述光谱功率分布包括在介于470nm与490nm之间的波长处的第一最小值和在介于550nm与590nm之间的波长处的第二最小值。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，其中，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源的光输出的比在4000K至6000K的相关色温(CCT)下产生介于2.5与3之间的暗光/明光比。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，其中，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源的光输出的比在6000K至8000K的相关色温下产生介于3与3.5之间的暗光/明光比。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，其中，所述第一光源、所述第二光源以及所述第三光源是分别由青色芯片、红色芯片以及蓝色芯片构成的LED光源。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，所述照明配置具有介于4000开尔文与10000开尔文之间的相关色温。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，所述照明配置提供具有预见的显色指数(CRI)至少为100的光。
12.根据权利要求11所述的照明配置，所述照明配置在暮光照明条件下提供具有预见的显色指数(CRI)至少为100的光。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的照明配置，所述照明配置发射具有介于4000K与8500K之间的相关色温并且具有接近于对应的黑体坐标x(bbT)和y(bbT)的色度x坐标x(lcT)和色度y坐标y(lcT)的光，使得|x(lcT)-x(bbT)|<0.02，并且|(y(lcT)-y(bbT)|<0.02。
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