TWI416217B - 具有多組光源的照明系統 - Google Patents

Description

具有多組光源的照明系統

本發明係關於包含用於發射光之多組光源的照明系統。

近來，已在增加發光二極體(LED)之亮度方面取得很大進展。結果，LED已變得足夠亮且足夠便宜以在(例如)發光系統(諸如具有可調色燈、直視液晶顯示器(LCD))中及在正面及背面投影顯示器中用作光源。

藉由混合不同色彩LED，可產生任何數量之色彩(例如，白色)。通常藉由使用若干原色來構造可調色發光系統，且在一實例中使用紅、綠及藍三原色。由所使用之LED以及由混合比來判定所產生的光之色彩。為了產生"白色"，需要開啟所有三個LED。

LED之一缺點在於其相對較窄的頻帶。因此若干原色之組合導致具有若干峰值之光譜，如圖1中結合產生自紅、綠及藍光之白光的情況所說明的。此意謂儘管用三個LED可能產生白光，但當用此光照明物體時此方式未必產生完全天然的色彩。舉例而言，圖1中由LED進行照明之僅反射波長在470 nm－500 nm範圍中之光(該等光具有450 nm、530 nm及650 nm之波長峰值)的物體將導致物體看似極暗(在極端狀況下為黑色)，而在戶外照明條件下物體將呈現青色。

用演色指數(CRI)來量測來自照明系統之色彩的正確演色性。通常，由僅三種不同色彩LED製成之燈具有低演色指數。

可藉由使用更多不同色彩LED來改良LED發光系統之演色指數。在以上實例中，添加琥珀色LED將大大改良演色指數。US 2005/000219揭示包括四種不同色彩LED的照明光源，但此照明光源仍將於光譜分佈中提供間隙。增加LED數目將進一步改良演色指數但將導致所發射光發生不完全混合，使得在待照明的物體上出現彩色陰影。

例如藉由使用光混合設備(諸如波導)來解決此彩色陰影問題。然而，當將過多不同色彩LED耦合於波導中時，由於光之內反射可引起來自LED之光以不同角度射出照明系統，因此色帶可出現在輸出光中。避免此等問題將導致波導變複雜及波導設計變昂貴，或導致用於色彩混合之任何其他技術。

因此需要具有改良的CRI之照明系統，此照明系統大體上克服先前技術之缺點同時就成本、空間及製造便利性而言亦提供進一步之改良。

如請求項1之照明系統符合以上需求。附屬申請專利範圍界定根據本發明之有利實施例。

根據本發明之一態樣，提供一照明系統，該照明系統包括第一子系統，其包含第一組之至少兩個不同色彩光源，其中該第一組具有第一光譜分佈；及第一光混合設備，其經配置在自第一組光源發射光之一方向中且經組態以混合由第一組光源發射之光。該照明系統進一步包括第二子系統，其包含第二組之至少兩個不同色彩光源，其中該第二組具有第二光譜分佈；及第二光混合設備，其亦經配置在自第二組光源發射光之一方向中且經組態以混合由第二組光源發射之光。第一及第二子系統經配置以發射至少一共同色。此外，該等光源經選擇以使得第一及第二光譜分佈彼此互補，使得發射自照明系統之光的演色指數(CRI)大於發射自子系統中之每一者之光的CRI。

根據本發明，藉由使用複數個不同色彩光源(亦即，每一者發射不同波長之光的光源，但所有光源並非於同一光混合設備中混合)來增加照明系統之CRI。藉此避免在一光混合設備中混合過多不同色彩光源之相關問題。替代地，每一光混合設備僅混合來自包含於每一組光源中之有限幾個不同色彩光源的光，且來自兩個或兩個以上此等光混合設備之光用作照明系統之輸出。此情況使得能改良演色指數同時將每一光混合設備中之不同色彩光源的數目保持在最小。照明系統當然可包含額外子系統。子系統中之每一者均具有不同色域。此處應將表達"經配置以發射至少一共同色"理解為意謂子系統之每一者的色域將至少部分地重疊。由子系統發射之共同色較佳為白色色調(例如，暖白色或冷白色)，但當然可為子系統內重疊於色域之任何其他色彩。

在一種狀況下，第二組中之光源經選擇以使得第二光譜分佈補償第一光譜分佈中之至少一局部最小值。此處不同光譜分佈補償彼此之事實意謂第一光譜分佈之局部最小值與第二光譜分佈之局部最大值至少部分彼此重疊。發射自子系統之光的光譜因而組合以形成更均勻分佈之光譜。

舉例而言，該照明系統可經配置為色彩可變之發光系統。選擇稍微不同於一組色彩之另一組色彩以提供以上所述之補償。當然，並非發光設備中之所有光源均需為不同的。亦即，可能在子系統之兩組光源中使用同種色彩(例如，藍色)。舉例而言，每一組可包含三個光源(例如，紅、綠及藍光源)，但亦可使用兩個或四個光源。較佳地，選擇每一組之光源以允許產生白光。

根據本發明之較佳實施例，包括第一及第二光譜分佈之照明系統的光譜分佈對於至少50%之可見光譜具有大於0.5之相對強度。可見光譜由波長在自約400奈米至約700 nm範圍內之光譜組成。此意謂應選擇光源以使得應以至少0.5之相對強度來正確演色在可見光譜內之至少50%的色彩。在更佳實施例中，應以至少0.5之相對強度來正確演色在可見光譜內之至少70%的色彩。

根據本發明用於照明系統中之光混合設備混合光以使得達成實質上均一的空間及角度色分佈。由於根據本發明，將光發射至每一光混合設備中之不同色彩光源的數目保持在最小值，因此可便利設計及構造光混合設備而無以上所提及之色帶缺點。在一實施例中，光混合設備包含反射性彩色濾光器；在另一實施例中，光混合設備包含至少一波導。

較佳地，該照明系統進一步包含用於調整光源中之每一者之強度的構件。如此對照明系統所發射之光提供可調整性，藉此可發射具有不同色彩之光。

在一實施例中，光源為窄頻帶光源，且可選自包含發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、聚合發光二極體(PLED)、無機LED、雷射器、冷陰極螢光燈(CCFL)、熱陰極螢光燈(HCFL)、電漿燈之群。根據本發明之照明系統有利地用於改良此等窄頻帶光源之組合的演色指數。包含窄頻帶光源之照明系統的優點在於可能產生飽和色。

本發明有利地用作(例如但不限於)背光系統中之一組件。此外，根據本發明之照明系統可與顯示設備中之顯示器一起使用。

在研究隨附申請專利範圍及以下描述時本發明之其他特徵及優點將變得顯而易見。熟習該項技術者認識到可組合本發明之不同特徵以形成除下文描述之實施例以外的實施例。

在圖2中，展示根據本發明之當前較佳實施例之照明系統100(例如，平面透明燈)。第一組101及第二組102光源耦合至第一103及第二104波導(一組光源及一光混合設備共同形成一子系統)，波導充當光混合設備且經配置以將光自光源輸送至待照明之物體。可由諸如玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之透明材料來構造波導。為了解決上述色帶問題，根據本發明之照明系統使用耦合至每一波導103、104之有限幾個(例如(但不限於)二、三或四個)不同色彩光源。在圖2所示之例示性系統中，第一組101包含分別具有475、530及650之峰值波長的藍色、綠色及紅色LED，且第二組102包含分別具有450、500及600之峰值波長的紫色、藍色/綠色及橙色LED。因此，可維持光束品質同時改良演色指數。例示性照明系統使用每一色彩兩個光源，但每一色彩之光源數目可視系統之設計及構造而改變，例如可能使用一個色彩一個光源。

圖3說明根據本發明之照明系統200的另一較佳實施例。照明系統200包含耦合至第一光混合設備203及第二光混合設備204之第一組201及第二組202光源。第一組201光源與第一光混合設備203一起形成第一子系統205，同時第二組202光源與第二光混合設備204一起形成第二子系統206。在此實施例中，光混合設備包含二向色彩色濾光器F₁ －F₆ 。二向色彩色濾光器為傳遞或反射僅某些波長之光的光學設備。使用增加數目之不同色彩光源，會使濾光器變得更昂貴且難以製造，亦即，從兩個不同色彩光源增加至三個不同色彩光源需要帶反射濾光器而非階梯濾光器，且反射性階梯濾光器較帶反射濾光器更易製造，尤其在其需要具有非常銳利之邊緣時。此外，使用更多不同色彩，彩色濾光器之側部便需更陡。在將LED用作光源之情況下，光源光譜之尾部將開始重疊，藉此使得不能使用此方法正確混合色彩。因此，本實施例使用耦合至每一光混合設備之有限幾個不同色彩光源。第一組201包含分別具有475、530及650之峰值波長的兩個藍色LED L₁ 、兩個綠色LED L₂ 及兩個紅色LED L₃ ，且第二組202包含分別具有450、500及600之峰值波長的兩個紫色LED L₄ 、兩個藍色/綠色LED L₅ 及兩個橙色LED L₆ 。如圖3中所說明之照明系統當然可在每一子集中包含每一色彩兩個以上的光源(如由虛線所說明)。

在圖4中，展示來自圖3之兩組LED光的光譜分佈。如曲線圖中可見，第二組202之光源L₄ －L₆ 的光譜分佈補償第一組201之光源L₁ －L₃ 的光譜分佈，使得照明系統之組合光譜形成更均勻分佈之光譜。舉例而言，此處自第二組202中之藍色/綠色LED L₅ 的峰值補償在自第一組201中之藍色LED L₁ 峰值與綠色LED L₂ 峰值之間的最小值。根據本發明之此實施例的照明系統具有在可見光譜(400 nm－700 nm)內之光譜分佈，該光譜分佈對於至少50%之可見光譜具有大於0.5之相對強度。藉由在根據本發明之照明系統中使用具有至少三個不同色彩光源之至少兩個子系統，可達成至少80之演色指數。典型冷白色螢光燈之標準值為約65。

圖5為展示自圖3之兩組201、202之LED光源L₁ －L₆ 之色點的CIE(國際照明委員會)色空間色度圖。外部馬蹄形曲線300對應於可見光譜之色彩(單色光之色點)。兩個內部三角形曲線301及302分別對應於第一子系統205及第二子系統206(具有LED組)，且三角形曲線301及302之外部端點係關於在第一及第二子系統205、206中之LED的峰值波長。在圖中心之點303表示白色點。如圖中可見，子系統205、206兩者可藉由同時開啟在子系統之每一者中的所有三個LED來產生白光。

熟習該項技術者認識到本發明決不限於以上所述之較佳實施例。相反，在隨附申請專利範圍之範疇內可能進行許多修改及改變。舉例而言，藉由引入其中已選擇光源以更進一步補償光譜中之局部最小值之額外子系統，可能達成90及更大之演色指數。此外本發明有利地用於通用發光系統中(諸如在聚光燈系統中)。

100．．．照明系統

101．．．第一組光源

102．．．第二組光源

103．．．第一波導

104．．．第二波導

200．．．照明系統

201．．．第一組光源

202．．．第二組光源

203．．．第一光混合設備

204．．．第二光混合設備

205．．．第一子系統

206．．．第二子系統

300．．．外部馬蹄形曲線

301．．．內部三角形曲線

302．．．內部三角形曲線

303．．．點

F₁ －F₆ ．．．反射性彩色濾光器/二向色彩色濾光器

L₁ －L₃ ．．．第一組光源

L₄ －L₆ ．．．第二組光源

圖1為展示根據先前技術之三不同LED光源之光譜分佈的曲線圖。

圖2說明根據本發明之第一實施例的照明系統，其具有兩組光源及充當光混合設備之波導。

圖3說明根據本發明之第二實施例的照明系統，其具有兩組光源及充當光混合設備之彩色濾光器。

圖4為展示圖3中之兩組LED光源之光譜分佈的實例的曲線圖。

圖5為展示來自圖4之兩組LED光源之色點的CIE色空間色度圖。

200．．．照明系統

201．．．第一組光源

202．．．第二組光源

203．．．第一光混合設備

204．．．第二光混合設備

205．．．第一子系統

206．．．第二子系統

F₁ －F₆ ．．．反射性彩色濾光器/二向色彩色濾光器

L₁ －L₃ ．．．第一組光源

L₄ －L₆ ．．．第二組光源

Claims (11)

1. 一種照明系統(100，200)，其包含：一第一子系統(205)，其包括一第一組之至少兩個具有不同波長峰值之不同色彩光源(L₁ -L₃ )，該第一組具有一第一光譜分佈；一第一光混合設備(103、203)，其經配置在自該第一組光源(L₁ -L₃ )發射光之一方向中，且經組態以僅混合由該第一組光源(L₁ -L₃ )發射之光且發射具有一第一色域之光；一第二子系統(206)，其包括一第二組之至少兩個具有不同波長峰值之不同色彩光源(L₄ -L₆ )，該第二組具有一第二光譜分佈；及一第二光混合設備(104、204)，其經配置在自該第二組光源(L₄ -L₆ )發射光之一方向中且經組態以僅混合由該第二組光源(L₄ -L₆ )發射之光且發射具有一第二色域之光；其中該第一子系統及該第二子系統之色域至少部份重疊，其中該等光源(L₁ -L₆ )經選擇以使得該第一光譜分佈及該第二光譜分佈彼此互補，使得發射自該照明系統(100、200)之光的一演色指數(CRI)大於發射自該等子系統(205、206)中之每一者之光的該CRI，及其中該等光混合設備(103、104、203、204)混合光以使得達成一實質上均勻(uniform)的空間及角度色分佈。
2. 如請求項1之照明系統(100、200)，其中該第二組(102、 202)中之該至少兩個光源(L₄ -L₆ )經選擇以使得該第二光譜分佈補償該第一光譜分佈中之至少一局部最小值。
3. 如請求項1或2之照明系統(100、200)，其中該照明系統(100、200)為一色彩可變之照明系統。
4. 如請求項1或2之照明系統(100、200)，其中包括該第一光譜分佈及該第二光譜分佈之該照明系統(100、200)的一光譜分佈對於至少50%之可見光譜具有大於0.5之一相對強度。
5. 如請求項1或2之照明系統(100、200)，其中該照明系統(100、200)之該光譜分佈對於至少70%之該可見光譜具有大於0.5之一相對強度。
6. 如請求項5之照明系統(200)，其中該光混合設備包含反射性彩色濾光器(F₁ -F₆ )。
7. 如請求項5之照明系統(100)，其中該光混合設備包含至少一波導(103、104)。
8. 如請求項1或2之照明系統(100、200)，其進一步包含用於調整該等光源中之每一者之強度的構件。
9. 如請求項1或2之照明系統(100、200)，其中該等光源(L₁ -L₆ )為選自包含LED、OLED、PLED、無機LED、雷射器、CCFL、HCFL、電漿燈之一群的窄頻帶光源。
10. 一種背光系統，其包含如請求項1至9中任一項之照明系統(100、200)。
11. 一種顯示設備，其包含一顯示器及如請求項1至9中任一項之照明系統(100、200)。