專利名稱：光分布的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于改變光強分布的裝置的照明設(shè)備。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)越來越多地引入到各種照明應(yīng)用中。LED可 產(chǎn)生高亮度的各種顏色，甚至是白光。其與常規(guī)的燈泡相比的一個明 顯的優(yōu)點在于其是小型的并且能在適當溫度下工作.
為了增大LED在照明中的可能的應(yīng)用，改變光分布的功能性是必 需的。所希望的是改變光強分布以改變光束的光點尺寸，但也可能需 要改變光強分布來對通常的高斯光強分布進行整形而不改變光點尺 寸。所希望的是改變光的顏色分布以避免染色，即，可能由于不完善 的顏色混合而在光點邊緣處出現(xiàn)的紅、綠、藍色調(diào)，US 2002/0067549 中公開了穩(wěn)定的光強分布-轉(zhuǎn)變設(shè)備的一個例子。該設(shè)備包括具有兩個 曲面的玻璃主體，并且當需要分布更加均勻的光強時可將其用作例如 準直透鏡或者物鏡。
還有多種其他方法來改變所述分布，例如通過添加可移動的部 件，如可移動反射鏡。這種系統(tǒng)需要使其對磨損敏感并且使其不太堅 固的各種機械部件。此外，這些設(shè)備相當昂貴.
因此，目前沒有令人滿意的解決辦法來提供具有可變光分布的照 明設(shè)備。
本發(fā)明的目的在于克服這一問題，并且提供一種具有用于改變光 強和/或顏色分布的改進的裝置的照明設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
這一目的和其他目的是通過一種照明設(shè)備來實現(xiàn)的，該照明設(shè)備 包括光源和設(shè)置在光源前面以使所述光源發(fā)射的光束發(fā)生折射的基于 電潤濕的光學(xué)元件，以及設(shè)置為在至少兩種預(yù)定狀態(tài)之間操作該光學(xué) 元件的驅(qū)動裝置，所述狀態(tài)適合于產(chǎn)生具有不同光強分布的折射光 束。根據(jù)這一設(shè)計，基于電潤濕的光學(xué)元件可以用于在許多預(yù)定狀態(tài) 之間動態(tài)地改變照明設(shè)備的光強分布。電潤濕透鏡和轉(zhuǎn)換的原理和優(yōu) 點已在現(xiàn)有技術(shù)中進行了充分地說明，但這種元件迄今為止主要用于 使光束在各種光學(xué)系統(tǒng)中成像和聚焦，所述光學(xué)系統(tǒng)如掃描儀、照相 機等。應(yīng)該注意，在成像和照明之間存在明顯的差異， 一方面，成像 是將光聚焦在平面內(nèi)以便提供目標的圖像，而另一方面，照明是使來 自光源的光用于照射一個區(qū)域。從本發(fā)明的照明設(shè)備發(fā)射的光用于照 射一個區(qū)域，而不是將光聚焦在任何特殊的平面內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的可變光強分布可用于實現(xiàn)光束的整形，例如，從高 斯分布整形為對稱的或者成環(huán)形的分布。這在例如用于改變周圍環(huán)境 (大氣壓供應(yīng)者)的光器件中是有益的。在一些應(yīng)用中，可能希望的 是使光點中心暫時具有較多的光而不使光束變小.這種整形不一定表
示要改變光束的角展度(angularspread),即，不一定表示要改變固定 觀察平面上的光點尺寸。例如外科醫(yī)生想要在外科手術(shù)期間聚焦在小 的目標上而不使所有的光散開到光束之外，因此其仍然保持一只眼睛 觀看周圍的器官.
然而，根據(jù)本發(fā)明的可變光分布也可以獨立地或者與上述光整形 相結(jié)合使用來實現(xiàn)不同的角強度分布，或者擴展，即可變的光點尺寸。 可變的角展度可用于例如實現(xiàn)在點光和泛光之間轉(zhuǎn)換.在光源包括許 多顏色的情況下，例如不同顏色的LED的陣列的情況下，可以使不希 望有的染色效應(yīng)最小，并且通過調(diào)整一些或所有LED的角發(fā)射模式能 夠改進顏色混合。
所述光學(xué)元件可包括電潤濕開關(guān)，其包括光束調(diào)節(jié)表面和用于改 變覆蓋所述表面的介質(zhì)的裝置，并且其中驅(qū)動裝置設(shè)置為在第一狀態(tài) 和第二狀態(tài)之間操作該介質(zhì)改變裝置，在第一狀態(tài)中，用第一介質(zhì)覆 蓋所述表面，在第二狀態(tài)中，用第二介質(zhì)覆蓋所述表面.
這種開關(guān)將提供由驅(qū)動裝置來選擇的兩種不同狀態(tài)。
所述開關(guān)也可具有兩個光束調(diào)節(jié)表面。這兩個表面可具有相同或 者相反的折射作用，這取決于應(yīng)用。若從光源方向看時兩個表面具有 相同的曲率，那么光學(xué)作用將是相反的(首先會聚之后發(fā)散，反之亦 然)。這種開關(guān)也可用于提供上述整形。若從光源方向看時兩個表面具 有相反的曲率，那么它們將提供相同的光學(xué)作用。可選擇的是，或者與之相結(jié)合，光學(xué)元件可包括電潤濕透鏡，以 及串聯(lián)排列的兩個透鏡，在這種情況下，將驅(qū)動裝置設(shè)置為在至少兩 個預(yù)定狀態(tài)之間操作(這一個或兩個)透鏡。正如上文所述的開關(guān)一 樣，具有相反折射作用的透鏡可用于實現(xiàn)整形。
根據(jù)一個實施例，將驅(qū)動裝置設(shè)置為在所述至少兩個預(yù)定狀態(tài)之 間連續(xù)交替，即，使光學(xué)元件在這些狀態(tài)之間重復(fù)地進行轉(zhuǎn)換。這種 重復(fù)的轉(zhuǎn)換可用于提供可察覺到的不同狀態(tài)的混合，例如泛光和點光 的混合。優(yōu)選的是，狀態(tài)之間的過渡時間短于人眼的保留時間，導(dǎo)致 可察覺到的包括幾個不同分量的照明.
所述驅(qū)動裝置可進一步設(shè)置為響應(yīng)于光學(xué)元件的選定狀態(tài)而調(diào)整
通過光源的電流，例如，當角展度增加時可以使電流增大，因此光強 在給定點中基本上是常量。
優(yōu)選的是，所述光源包括至少一個LED,然而，具有適當工作溫 度的任何光源都可以與基于電潤濕的光學(xué)元件結(jié)合使用.
附圖
簡述
現(xiàn)在將結(jié)合示出本發(fā)明當前優(yōu)選實施例的附圖來更詳細地描述本 發(fā)明的上述方面和其他方面.
圖la是依照本發(fā)明第一實施例的照明設(shè)備在第一狀態(tài)中的示意圖。
圖lb是圖la中的設(shè)備在笫二狀態(tài)中的示意圖， 圖2a是依照本發(fā)明第二實施例的照明設(shè)備在第一狀態(tài)中的示意圖.
圖2b是圖2a中的設(shè)備在第二狀態(tài)中的示意圖.
圖3a是依照本發(fā)明第三實施例的照明設(shè)備在第 一狀態(tài)中的示意圖。
圖3b是圖3a中的設(shè)備在第二狀態(tài)中的示意圖。 圖4是具有依照本發(fā)明的照明設(shè)備的手電筒(torch)的示意圖。 圖5是具有依照本發(fā)明的照明設(shè)備的閃光燈的示意圖。 圖6a和圖6b是設(shè)置在分段LED前面的許多光學(xué)元件的示意圖。
具體實施方式
圖la-b示意性地示出依照本發(fā)明第一實施例的裝置，其中在光源 2的后面設(shè)置電潤濕透鏡1。光源2發(fā)射基本上準直的光束3，該光束 由透鏡1透射。所述透鏡包含兩種流體4、 5，這兩種流體在此處分別 是折射率為1.34和1.50的水和油，在這兩種流體之間形成彎月面6。 設(shè)置電極7、 8，以允許在這兩種流體上施加電壓，由此不斷地改變彎 月面的能量平衡，從而改變其曲率。WO03/069380給出了這種電潤濕 透鏡的詳情，因此該文獻在此引入作為參考。另外，驅(qū)動器9與電極7、 8相連，并且適合在至少兩種獨立的狀態(tài)之間操作該透鏡l,所述驅(qū)動 器可設(shè)置在包括(一個或多個)LED和(一個或多個)光學(xué)元件的照 明組件的內(nèi)部或者外部.
圖la示出第一轉(zhuǎn)換狀態(tài)，其中彎月面6是平坦的，并且從二極管 2發(fā)射的光束3的分布基本上是未改變的。圖lb示出第二轉(zhuǎn)換狀態(tài)， 其中彎月面6是凹面并且大約為半球形，因而引入光束3的角展度。
根據(jù)圖2a-b中所示的本發(fā)明笫二實施例的裝置，用包括流體系統(tǒng) 的這種類型的二進制開關(guān)IO代替圖la—b中的透鏡，該流體系統(tǒng)包括 充滿流體13、 14的兩個腔11、 12和光束調(diào)節(jié)表面17,該表面17與其 中一個腔相關(guān)聯(lián)而設(shè)置從而使其能夠被兩種流體(例如空氣和水)中 的一種覆蓋，由此導(dǎo)致不同的光束調(diào)節(jié)性質(zhì)。所述光束調(diào)節(jié)表面可以 是非球面、光柵和/或全息圖結(jié)構(gòu)，設(shè)置電極15、 16以允許在該表面上 施加電壓從而通過電潤濕來實現(xiàn)介質(zhì)的轉(zhuǎn)換，WO2004/027490中給出 了這種電潤濕開關(guān)的原理，該文獻在此引入作為參考。
在圖2a—b的實施例中，所述開關(guān)包括兩個光束調(diào)節(jié)表面17，以 便增大由該開關(guān)所引入的折射.在該實施例中，光束調(diào)節(jié)表面是彼此 面對的非球面，其共同形成尖橢圃形的腔ll，即凸透鏡。所述表面17 由兩個透射主體18的內(nèi)壁來形成，其外壁是平坦的。主體18可通過 如COC的塑料的注射模塑法或通過玻璃模塑法制成.另外，驅(qū)動器19 與電極15、 16相連接并且適合在其兩種狀態(tài)之間操作該開關(guān)10。
圖2a示出第一轉(zhuǎn)換狀態(tài)，其中腔11充滿折射率與周圍壁相同的 油，二極管2發(fā)射的光束3的分布基本上未改變。圖2b示出第二轉(zhuǎn)換 狀態(tài)，其中腔ll充滿水，致使折射率與周圍壁不匹配，從而引入光束 3的角展度。在圖3中示意性示出的本發(fā)明第三實施例中，電潤濕開關(guān) 10，具有兩個透射主體18'，該透射主體的內(nèi)壁形成兩個光束調(diào)節(jié)表面17，，從光源2看時其具有相似的曲率。如圖中所示，該曲率在中 心是凸面，而朝向邊緣變?yōu)榘济?。如前所述，此曲率可通過非球面或 者通過光柵來實現(xiàn)。除內(nèi)表面17，的曲率之外，圖3a-b中的開關(guān)具有 與圖2a-b中的開關(guān)相同的設(shè)計和功能，并且配有圖2a-b中的那種 驅(qū)動器。因此在這里沒有對開關(guān)和驅(qū)動器作進一步的說明。
在圖3a中，腔充滿油13，從光源2發(fā)射的光束3基本上不受光學(xué) 元件10，的影響。在圖3b中，腔充滿水14，光束3的中心部分總的來 說首先發(fā)散地折射，然后再會聚。雙折射將改變光分布，例如從高斯 分布(由圖3a中的強度圖30a示意性地示出)到更加像環(huán)形的分布或 者頂帽分布等(由圖3b中的圖30b示意性地示出).這種整形可以獨 立地或者與上述的角的重新分布相結(jié)合來實現(xiàn)。
圖3a-b中的開關(guān)也可以用串聯(lián)的兩個電潤濕透鏡來代替。并且 在這種情況下，光學(xué)元件將提供雙折射，能夠?qū)⒐庹味粫霈F(xiàn)角 的重新分布。通常，電潤濕透鏡的折射作用太小而不能提供充分的光 整形。然而，可以通過提供更多的電極來達到充分的折射.
在圖la-b、圖2a-b以及圖3a - b中，光源2包括單個發(fā)光二極 管(LED) 24、反射器25，以及準直透鏡26.本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 將理解，可以在光源中設(shè)置多個LED,例如用于彩色照明的目的而設(shè) 置紅色、綠色和藍色LED的組合。另外還應(yīng)該理解，光束3是示意性 的。事實上，來自LED的光束很少被完全地準直，而通常會輕微地發(fā) 散。反射器25的范閨和位置也是示意性的，并且應(yīng)理解為可能到達透 鏡l或10。
在上面所有實施例中，驅(qū)動器9、 19優(yōu)選包括用于將所希望的用 戶設(shè)置轉(zhuǎn)變成光學(xué)元件的適當驅(qū)動電壓的微控制器20和存儲器21,所 述驅(qū)動器可配有手動開關(guān)22，以允許用戶手動地選擇所希望的狀態(tài)， 從而改變光分布。
在光學(xué)開關(guān)的情況下，在兩個二進制狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換所需的電壓是 明確的(well defined)。在電潤濕透鏡的情況下，通過選擇許多預(yù)定 的電壓電平來將可施加的整個電壓范圍分成多個間隔，每個間隔都會 導(dǎo)致明顯不同的光分布。在這兩種情況下，可以在微控制器存儲器中 將對應(yīng)于不同狀態(tài)的不同電壓以及光分布進行預(yù)編程。
例如，可以確定三種狀態(tài)，即泛光照明(狀態(tài)l)，中間光點(狀態(tài)2)以及小光點(狀態(tài)3)。每種狀態(tài)都與對應(yīng)的電壓有關(guān)聯(lián)，例如 0、 24和56伏，并且將這些關(guān)系存儲在查找表中?？梢源_定這種查找 表，并且如果需要在制造期間可以為各個LED模塊調(diào)整所述查找表。 在用戶方案中，在空間中的控制僅僅必須確定希望具有哪種狀態(tài)并在 LED模塊中進行變換(通過該查找表)。
查找表也可以包括用于( 一個或多個)LED的當前設(shè)置的適當值， 例如當增大光點直徑時能夠使電流增大。通過這種電流控制，可以保 持總的可察覺到的亮度。
依照這些情況，微控制器21也可以適合于提供光學(xué)元件的自動調(diào) 整。例如，處理器能夠存取該查找表，并且能夠根據(jù)改變環(huán)境光條件 而在各種預(yù)定光分布之間轉(zhuǎn)換。
微控制器21也可以適合于在不同狀態(tài)之間進行連續(xù)地轉(zhuǎn)換.如果 按照使光學(xué)元件在不同狀態(tài)之間的過渡時間短于人眼的保留時間的方 式來設(shè)計光學(xué)元件，那么可以足夠快速地實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，以便使不同 光分布進行混合從而使用戶不易察覺到不同的分量。該效果也可以通 過LED調(diào)整電流得以增強。
例如，兩個光分布(例如泛光對點光)能夠與通過LED的取決于 時間的電流相結(jié)合。在第一時間間隔T1期間，開關(guān)處于點光方式，通 過LED的電流調(diào)整為第一值，例如Il。然后，在間隔T2期間，開關(guān) 處于泛光方式，電流調(diào)整為第二值T2。若T1和T2都小于人眼的保留 時間，如上所述，并且不斷地在兩個狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換，那么人眼積 累(integrate)最終的光圖案(pattern)并且記錄其中具有更明亮的光點 的一定亮度的泛光圖案。
按照這種方式可以形成許多大氣壓和效果。另外，很顯然，若光 源由單獨帶顏色的LED組成(即，R， G和B組合產(chǎn)生白色)那么不 僅能夠?qū)崿F(xiàn)特殊照明配置中的強度變化而且實現(xiàn)帶顏色的設(shè)置中的強 度變化，例如在中部具有紅色光點的藍色泛光背景。通過處理器的適 當編程，也能夠使任何這種圖案均可隨時間而產(chǎn)生變化。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的配有光分布控制的手電筒或閃光燈 51。除了用于操作光源54的接通/斷開開關(guān)52之外，光源例如LED， 該手電筒包括用于操作設(shè)置在LED前面的電潤濕光學(xué)元件55的附加 開關(guān)53。開關(guān)53能夠用于改變發(fā)射光的分布，例如用于在泛光和點光之間進行轉(zhuǎn)換。
圖5示出配有本發(fā)明實施例的閃光燈61。電潤濕光學(xué)元件63設(shè)置 在光源62的前面，并由閃光微控制器64來控制。當拍攝遠距離目標 時，根據(jù)是否拉近目標而需要有不同的光分布。對于沒有拉近的目標， 需要泛光閃光來照射整個場景。對于拉近的目標，點光是更加適宜的。 通過提供足夠聚集的光(小光點)也可以獲取甚至更遠處的目標的令 人滿意的圖像。
圖6a和圖6b示出本發(fā)明另一個實施例，其包括設(shè)置在許多獨立 的LED32前面的幾個光學(xué)元件31。這些元件可以是電潤濕透鏡或者開 關(guān)或者其組合.在一個例子中，所述光學(xué)元件由每個LED32前面的充 滿液體的分隔室33和非球面34來體現(xiàn)。第二流體漂浮的許多微滴35 包含在分隔室中，并且通過對電極36進行尋址而將其控制在選定的 LED前面的位置.在所說明的例子中，為簡單起見僅示出了四個LED， 并且流體包括兩個微滴。在圖6a中，這些微滴定位在第一個和第三個 LED的前面，防止來自這些LED的光束的轉(zhuǎn)向.在圖6b中，上面的 微滴已經(jīng)向下移位到笫二個LED。
由于可以形成各種光分布，因此位于分段的光學(xué)元件前面的這種 多個LED可以用作大氣壓的供應(yīng)者。LED可以是帶顏色的因此不僅可 以改變光分布而且可以改變顏色分布?？梢酝ㄟ^查找表來進行驅(qū)動從 而在各個預(yù)定光分布之間進行轉(zhuǎn)換，也可以使用計算機程序，例如把 音樂(聲音)轉(zhuǎn)化為 一定的光分布(大氣壓供應(yīng)者與音樂耦聯(lián)在一起)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員認識到，本發(fā)明決不受限于上述優(yōu)選的實 施例，相反，可以在附加的權(quán)利要求的范閨內(nèi)進行許多修改和變化， 例如，透鏡和/或開關(guān)的數(shù)量，以及每個透鏡/開關(guān)的特定設(shè)計都可以有 所變化，這取決于應(yīng)用和所希望的結(jié)果.另外，基于電潤濕的光學(xué)元 件能夠方便地與準直儀結(jié)合，從而形成具有光強分布能力的集成光 源。
權(quán)利要求
1. 一種照明設(shè)備，其包括光源(2)，基于電潤濕的光學(xué)元件(1，10)，其設(shè)置在光源的前面以允許從所述光源發(fā)射的光束折射，以及驅(qū)動裝置(9，19)，其設(shè)置為在至少兩個預(yù)定狀態(tài)之間操作所述光學(xué)元件，所述狀態(tài)適合于產(chǎn)生具有不同光強分布的折射光束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中所述光學(xué)元件(IO)是電 潤濕開關(guān)，包括光束調(diào)節(jié)表面(17)和用于改變覆蓋所述表面的介質(zhì) 的裝置(n， 12， 15， 16)，并且其中所述驅(qū)動裝置(19)設(shè)置為在 所述第一狀態(tài)和所述第二狀態(tài)之間操作所述介質(zhì)改變裝置，在所迷第 一狀態(tài)中用第一介質(zhì)覆蓋所述表面，在所述第二狀態(tài)中用第二介質(zhì)覆 蓋所述表面'
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明設(shè)備，其中所述電潤濕開關(guān)包括兩個 光束調(diào)節(jié)表面(17， 17，)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中所述光學(xué)元件包括電潤濕 透鏡(1)，并且其中所迷驅(qū)動裝置(9)設(shè)置為在至少兩個預(yù)定狀態(tài) 之間操作所述透鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的照明設(shè)備，其中所述光學(xué)元件包括串聯(lián)設(shè) 置的兩個電潤濕透鏡(1)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備，其中每個狀態(tài)適合于提供具有 不同角強度分布的發(fā)射束.
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明設(shè)備，其中所述驅(qū)動裝置設(shè)置為在泛 光或點光之間轉(zhuǎn)換該照明設(shè)備.
8. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的照明設(shè)備，其中所述驅(qū)動裝置(9， 19)設(shè)置為在所述至少兩個預(yù)定狀態(tài)之間連續(xù)地交替。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的照明設(shè)備，其中驅(qū)動裝置(9， 19)設(shè)置 為在過渡時間短于人眼保留時間的狀態(tài)之間進行交替。
10. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的照明設(shè)備，其中驅(qū)動裝置(9， 19)設(shè)置為響應(yīng)于所述光學(xué)元件的選定狀態(tài)而調(diào)節(jié)通過光源的電流。
11. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的照明設(shè)備，其中光源(2)包括至少一個LED (24)。
12.將基于電潤濕的光學(xué)元件用作光分布轉(zhuǎn)變設(shè)備
全文摘要
一種照明設(shè)備，其包括光源(2)、設(shè)置在光源前面以允許從所述光源發(fā)射的光束折射的基于電潤濕的光學(xué)元件(1，10)，以及驅(qū)動裝置(9)，該驅(qū)動裝置設(shè)置為在至少兩個預(yù)定狀態(tài)之間操作所述光學(xué)元件，所述狀態(tài)適合于導(dǎo)致具有不同光強分布的折射光束。根據(jù)這一設(shè)計，基于電潤濕的光學(xué)元件可用于在許多預(yù)定狀態(tài)之間動態(tài)地改變照明設(shè)備的光強分布。
文檔編號F21V5/00GK101438096SQ200580044142
公開日2009年5月20日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, C·T·H·F·利登鮑姆, F·J·P·舒爾曼斯, J·L·A·M·索馬尼, M·范阿斯, S·凱帕 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司