本申請要求2014年3月4日提交的名稱為“光束整形光譜濾波的光學(xué)元件”(BEAM-SHAPING SPECTRALLY FILTERING OPTIC)的臨時(shí)申請第61/947,890號(hào)、2014年5月23日提交的名稱為“用于照明及食品包裝的光束整形光譜濾波的光學(xué)元件”(BEAM-SHAPING SPECTRALLY FILTERING OPTIC FOR ILLUMINATION AND PACKAGING OF FOOD PRODUCTS)的臨時(shí)申請第62/002,645號(hào)，以及2014年6月2日提交的名稱為“具有光譜濾波光學(xué)元件和非濾波光學(xué)元件的照明設(shè)備”(LIGHTING DEVICE HAVING SPECTRALLY FILTERING OPTICS AND NON-FILTERING OPTICS)的臨時(shí)申請第62/006,507號(hào)的優(yōu)先權(quán)，每個(gè)所述申請的全部內(nèi)容都以引用其教導(dǎo)內(nèi)容的方式并入本文。

背景技術(shù)：

技術(shù)領(lǐng)域

本公開整體涉及照明設(shè)備。更具體地講，本公開的實(shí)施例涉及與一種照明設(shè)備結(jié)合使用的方法和設(shè)備，這些方法和設(shè)備改變發(fā)光二極管(LED)(包括激光二極管和量子LED(QLEDS))的光度分布，并同時(shí)改變發(fā)射光的光譜功率分布(SPD)。其他實(shí)施例包括以提供所期望的照明環(huán)境的受控方式使用濾波光學(xué)元件和非濾波光學(xué)元件二者的照明設(shè)備。符合本公開的某些其他實(shí)施例被用來過濾會(huì)不利地影響各種食品和飲料的有害波長的光。

相關(guān)領(lǐng)域描述

燈具，或者更具體地講，采用不當(dāng)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的燈具和/或采用效率低下傳統(tǒng)光源的那些是商業(yè)、工業(yè)、市政和住宅應(yīng)用中造成能源浪費(fèi)的著名例子。為嘗試解決這種造成能源浪費(fèi)的已知源頭，許多聯(lián)邦、州和地方政府已經(jīng)頒布法規(guī)，要求或至少鼓勵(lì)用更新、更節(jié)能的系統(tǒng)(如采用LED的那些)更換較舊的、低能效的照明系統(tǒng)(如白熾燈、緊湊型熒光燈(CFL)和高強(qiáng)度放電(HID)照明系統(tǒng))。

美國政府甚至通過向頒布此類法律的地方和州政府提供聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)刺激資金來鼓勵(lì)使用和采用節(jié)能照明系統(tǒng)。此外，作為提高國家老化電力基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性以及與聯(lián)邦政府執(zhí)行的保護(hù)工作合作的手段，公眾和投資者所有的公用事業(yè)通過提供法定和海關(guān)退稅來積極地鼓勵(lì)替換傳統(tǒng)光源技術(shù)。因此，行業(yè)已經(jīng)迅速地推進(jìn)LED照明技術(shù)的開發(fā)和部署，這項(xiàng)技術(shù)在幾年前在很大程度上出于經(jīng)濟(jì)考慮而遙不可及，而目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多可行的節(jié)能LED照明方案。在新出現(xiàn)的替代光源中，高亮度LED技術(shù)已被認(rèn)為是無可爭議的理想工業(yè)光源。

但是，由于諸如新燈具的初始購買成本和安裝成本等多種仍存在的經(jīng)濟(jì)因素，LED技術(shù)尚未被大范圍完全采納。此外，當(dāng)LED燈具廣泛用于室外或室內(nèi)照明應(yīng)用時(shí)，它們帶來了意想不到的后果。例如，現(xiàn)代的LED通過轉(zhuǎn)化LED封裝內(nèi)管芯發(fā)射的藍(lán)光(大約發(fā)生在450至495nm之間，即通常在10nm之內(nèi)的窄波長內(nèi))來產(chǎn)生白光。然后通過使用本地或遠(yuǎn)程施加的磷光體將此藍(lán)光轉(zhuǎn)換為白光，這些磷光體吸收了從LED管芯發(fā)射的一些藍(lán)光。這些磷光體負(fù)責(zé)將吸收的藍(lán)光轉(zhuǎn)換成具有更長波長的光，特別是可見光譜的綠光和紅光區(qū)域中的波長。未吸收、未轉(zhuǎn)換的藍(lán)光與紅光和綠光波長的光組合，提供了白光的外觀。

遺憾的是，由高亮度LED產(chǎn)生的藍(lán)光發(fā)射已被發(fā)現(xiàn)在例如天文學(xué)等領(lǐng)域(更具體講是對“夜空”的觀察)中有增加的負(fù)面影響。傳統(tǒng)光源(諸如高壓鈉(HPS)燈和低壓鈉(LPS)燈)在藍(lán)光范圍發(fā)射有限(幾乎沒有)波長的光，因此與天文學(xué)更兼容。此外，比較新的研究已將LED發(fā)射的富藍(lán)光的影響與人類及其他生物體晝夜節(jié)律的破壞聯(lián)系起來。因此，廣泛安裝富含藍(lán)光發(fā)射的白光光源是國際暗天組織(IDA)最大的擔(dān)憂之一。

很少有爭論的是，最新的技術(shù)進(jìn)步已使室外照明更有效，但同時(shí)，如前所述，這些新的照明解決方案比傳統(tǒng)光源含有豐富得多的藍(lán)光波長。具體地講，現(xiàn)今正在實(shí)現(xiàn)的節(jié)能白光燈發(fā)射比最廣泛使用的高強(qiáng)度放電(HID)光源(例如金屬鹵化物燈(MH)、高壓鈉燈(HPS)和低壓鈉燈(LPS))更多的藍(lán)光。另外，最新的醫(yī)學(xué)研究顯示，暴露于富藍(lán)光光源(例如LED發(fā)射的光)可引起天然存在的人褪黑素(MLT)水平降低。

考慮到富藍(lán)光與人體生理學(xué)之間的聯(lián)系，應(yīng)努力(如果不消除)顯著減少長期暴露于這些光源下。對于在晚上經(jīng)常長期暴露于人工照明的人和/或依賴于無富藍(lán)光(例如太陽光)的夜行動(dòng)物來說，尤其如此。雖然已經(jīng)嘗試對LED光源發(fā)射的藍(lán)光數(shù)量進(jìn)行限制，但還采取了措施來增加發(fā)射光的“暖度”，或者更具體地說，降低光的相關(guān)色溫(CCT)。也就是說，通過將發(fā)射的藍(lán)光中的更大數(shù)量轉(zhuǎn)換為可見光譜的綠光和紅光部分，可以將光源發(fā)射的光的顏色外觀(例如，其CCT)從“冷白光”改變成“暖白光”。

圖1中描繪了一種已知設(shè)備，它包括典型封裝的LED光源，該LED光源由藍(lán)光LED芯片12構(gòu)成，該藍(lán)光LED芯片發(fā)射的光11具有在藍(lán)光波長范圍內(nèi)的發(fā)射峰。該藍(lán)光LED芯片受樹脂模具13保護(hù)，該模具封裝磷光體材料14，該磷光體材料被從該藍(lán)光LED芯片發(fā)射的藍(lán)色光11激發(fā)。如磷光體化學(xué)性質(zhì)所確定的那樣，封裝的磷光體14吸收LED發(fā)射的部分藍(lán)光11并且發(fā)射綠光和紅光15，綠光和紅光15與該藍(lán)光LED芯片發(fā)射的未被吸收的藍(lán)光11組合。這導(dǎo)致發(fā)射白光16，此白光具有在藍(lán)光波長范圍內(nèi)的發(fā)射峰。

然后將獨(dú)立濾光器17置于發(fā)射的具有藍(lán)光發(fā)射峰的白光16的光路上，以試圖濾掉一些藍(lán)光。這樣得到了過濾的白光18，此光被認(rèn)為具有比未過濾的白光16“更暖的”CCT。這樣更暖的白光對于住宅或醫(yī)院的室內(nèi)應(yīng)用是必要的。但是，對于商業(yè)應(yīng)用、尤其是要求更高水平的光度控制的應(yīng)用來說，使用次級(jí)濾光介質(zhì)以嘗試控制發(fā)射光的光譜分量的照明設(shè)備(例如圖1所示的設(shè)備)會(huì)造成問題。由于光透射通過第二表面，第二表面的幾何形狀和/或折射率可以防止光無改動(dòng)和損失地通過它，因此，這種提議的解決方案導(dǎo)致光損耗增加，這導(dǎo)致系統(tǒng)效能降低，并且有可能造成發(fā)射光的光度圖案移位。

此外，已知光會(huì)導(dǎo)致食品發(fā)生光降解或變質(zhì)。這種光降解通常發(fā)生在食品的組分中，例如顏料、脂肪、蛋白質(zhì)和維生素。這種變質(zhì)以若干形式體現(xiàn)，例如食品的變色、引起一種或多種異味，以及維生素?fù)p失。例如，用于照亮陳列柜中或冰箱內(nèi)食品的光會(huì)被食品吸收，并造成一種或多種上述食品組分變質(zhì)。這導(dǎo)致食品表面變色，而且會(huì)不利地影響消費(fèi)者對產(chǎn)品的接受度。

另外，在液體食物產(chǎn)品中，光甚至能夠更深地穿透到產(chǎn)品中，即穿過了外層，并且隨著液體通過運(yùn)輸、搬運(yùn)等而被攪拌，該液體中受影響的部分混合在整個(gè)產(chǎn)品中。這造成食物產(chǎn)品的更大部分受到光的負(fù)面影響。食物產(chǎn)品變質(zhì)的類型和程度取決于若干因素。這些因素包括：光源的具體類型(包括被食物吸收的特定波長的光)、光源距離食物的距離和食物暴露于光的持續(xù)時(shí)間、食物的包裝、食物內(nèi)的氧氣量和食物暴露于光時(shí)的存儲(chǔ)溫度。

因此，期望提供一種節(jié)能照明解決方案，它能有效地照亮所需的目標(biāo)，而且在同一時(shí)間將光源的光譜功率分布修改至期望的閾值水平或低于期望的閾值。還期望控制一個(gè)或多個(gè)特定光譜分量，例如通過吸收可見光或不可見光波長(例如從該照明設(shè)備發(fā)射的藍(lán)光)。應(yīng)該在提供給目標(biāo)的光通量沒有明顯損失的情況下實(shí)現(xiàn)這些所期望效果中的每一個(gè)，同時(shí)控制所期望的光束形狀。還期望為各種固體和液體食物產(chǎn)品提供一種將減少或消除光波對食物的不利影響的照明解決方案。

示例性實(shí)施例概述

考慮到與常規(guī)照明設(shè)備相關(guān)聯(lián)的問題，包括但不限于上述問題，根據(jù)本申請的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的照明設(shè)備整體涉及耦合有單個(gè)光束整形光學(xué)元件的LED設(shè)備。此耦合的光學(xué)元件(諸如自由形態(tài)全內(nèi)反射(TIR)光學(xué)元件)將LED發(fā)射的光的光度分布轉(zhuǎn)換為所需圖案，并且還提供帶通濾波以控制LED發(fā)射的光的光譜功率分布。圖2A至圖2C示出了可與本申請的實(shí)施例結(jié)合使用的一類LED光學(xué)元件。符合本申請的LED光學(xué)元件中的一個(gè)或多個(gè)可以在燈具組合件內(nèi)使用以用所需波長的光照亮所需目標(biāo)區(qū)域。

更具體地講，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括工程樹脂材料(本文中簡稱為樹脂，但包括其他合適的材料，如玻璃和硅樹脂)制成的光束整形TIR光學(xué)元件。通過將濾光劑與適于光學(xué)元件的材料(如丙烯酸酯(聚甲基丙烯酸甲酯，或簡單地稱為PMMA))、塑料、硅樹脂、玻璃、聚合物、樹脂等)混合來形成此光學(xué)元件。此光學(xué)元件與LED光學(xué)耦合，以將發(fā)射光的光度分布轉(zhuǎn)換為所期望的圖案，并且同時(shí)提供一定水平的帶通濾波。由此，該燈具的整體光譜功率分布得到控制。盡管已經(jīng)知道TIR光學(xué)元件的基本用途，但并不知道利用這樣一種樹脂，它通過在TIR光學(xué)元件內(nèi)使用特定材料(例如染料、磷光體、熒光材料和量子點(diǎn))來濾光和/或進(jìn)行光的斯托克斯移位。如上所述，現(xiàn)有的方法涉及使用次級(jí)濾光介質(zhì)來過濾發(fā)射光，由于鏡頭的特定幾何結(jié)構(gòu)和/或折射率，這將造成光損失增加，并有可能使光度圖案移位。

根據(jù)符合本公開的各種實(shí)施例，利用單個(gè)光學(xué)元件進(jìn)行濾光和光束整形可以被用在各種應(yīng)用中，包括但不限于一般室內(nèi)照明；一般室外照明；泛光照明，包括對食品加工和展示的照明；便攜式照明；汽車照明；移動(dòng)設(shè)備照明；藝術(shù)品照明；零售和一般展示照明；飛機(jī)和航空照明；對光敏生物和制藥工藝、半導(dǎo)體加工和其他光敏應(yīng)用的照明。

出于優(yōu)先考慮或?yàn)榱朔乐共焕幕虿幌Ｍ沫h(huán)境、生理和/或技術(shù)后果，根據(jù)本申請來過濾特定波長的光以發(fā)射受控的光譜密度并影響此光譜的做法可用于例如限制或防止可見或不可見光的特定頻率被投射到環(huán)境中。實(shí)現(xiàn)本文所公開的技術(shù)的另一個(gè)成果是改善各種照明應(yīng)用中的顏色質(zhì)量，例如就酒店和零售業(yè)照明空間而言。

除了提供包括光譜濾波光學(xué)元件的照明解決方案，本文所公開的照明設(shè)備的其他方面包括濾光和非濾光光學(xué)元件。根據(jù)示例性實(shí)施例，在單個(gè)燈具中提供了包括一個(gè)或多個(gè)濾光光學(xué)元件的光模塊以及具有非濾光光學(xué)元件的光模塊。根據(jù)期望的光輸出(例如色溫和其他光譜分量)，以受控的方式激活這些光模塊，從而實(shí)現(xiàn)期望的效果。

根據(jù)其他示例性實(shí)施例，提供了一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)由配置有濾光光學(xué)元件和標(biāo)準(zhǔn)的透明非濾光光學(xué)元件(例如由PMMA制成)組合的LED陣列組成。根據(jù)其他示例性實(shí)施例，該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與控制器(諸如無線或有線控制器)結(jié)合，所述控制器控制將哪個(gè)LED或LED組合被激活。根據(jù)這些示例性實(shí)施例，可以在單個(gè)照明設(shè)備(例如，燈具)內(nèi)實(shí)現(xiàn)濾光和非濾光光學(xué)元件的任意組合。

根據(jù)一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種整裝智能無線控制模塊或PCB集成設(shè)計(jì)，它包含一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立控制的開關(guān)輸出和一個(gè)或多個(gè)數(shù)字和/或模擬0至10V輸出，這些輸出可以被用來開關(guān)電源和調(diào)整連接的LED電源的工作電流，以及提供全程調(diào)光。

每個(gè)智能無線或有線控制模塊都能夠控制一個(gè)或多個(gè)夾具，并能夠被單獨(dú)地控制或與其他照明設(shè)備組合。無線控制模塊例如通過900MHz射頻與無線自組織和自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備通信。

無線和非無線獨(dú)立控制器以及集成設(shè)計(jì)都采用非易失性存儲(chǔ)器，可在該存儲(chǔ)器中編程、存儲(chǔ)和自動(dòng)激活基于時(shí)間的適應(yīng)或控制。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種照明設(shè)備，它包括發(fā)射第一帶寬的光的光源和耦合到光源的單個(gè)光學(xué)設(shè)備，其中所述單個(gè)光學(xué)設(shè)備過濾具有所述第一帶寬內(nèi)的預(yù)選波長子范圍的光以生成第一過濾光并控制所述過濾光的光束形狀。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種照明設(shè)備，它包括發(fā)射具有第一帶寬的光的第一光源、發(fā)射具有第二帶寬的光的第二光源、耦合到所述第一光源的第一光學(xué)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)設(shè)備過濾具有所述第一帶寬內(nèi)的預(yù)選波長子范圍的光并生成第一過濾光。該照明設(shè)備還包括耦合到所述第二光源的第二光學(xué)設(shè)備，其中所述第二光學(xué)設(shè)備允許所述第二帶寬的光不經(jīng)過濾就從中通過。還提供了一種控制設(shè)備，其可操作地連接到所述第一和第二光源，并可操作來控制是從所述第一和第二光源中的一個(gè)發(fā)射、兩個(gè)發(fā)射光都發(fā)射或二者都不發(fā)射光。

根據(jù)本發(fā)明的又另一個(gè)方面，提供了一種制備照明設(shè)備的方法，其包括將濾光劑和光學(xué)材料混合，將所述混合操作的結(jié)果成形以形成濾光光學(xué)設(shè)備，以及將該濾光光學(xué)設(shè)備耦合到發(fā)射第一波長范圍內(nèi)的光波的至少一個(gè)LED。根據(jù)這一方面，所述濾光劑吸收波長在所述第一范圍的子范圍內(nèi)的光波，并且所述濾光光學(xué)設(shè)備控制所述照明設(shè)備的光束形狀。

附圖說明

下文將以舉例的方式結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的設(shè)備和方法的示例性實(shí)施例，其中：

圖1示出了根據(jù)常規(guī)LED照明設(shè)備的過濾藍(lán)光的已知方法；

圖2A是符合本公開的示例性實(shí)施例的LED照明設(shè)備的TIR光學(xué)元件的透視圖；

圖2B是圖2A中所示光學(xué)元件的側(cè)正視圖；

圖2C是圖2A中所示光學(xué)元件的前正視圖；

圖2D是圖2A中所示光學(xué)元件的剖視圖；

圖3是不含耦合的光學(xué)元件的裸LED的光強(qiáng)分布圖；

圖4是耦合有圖2A至圖2D所示的光學(xué)元件的LED的光強(qiáng)分布圖；

圖5是示出了可見光和近可見光譜中輻射的相應(yīng)波長的光譜圖。

圖6是示出了人眼在典型日光條件期間觀察到的不同顏色光波的相對強(qiáng)度的色度圖；

圖7是示出了明視、中間視覺和暗視條件下不同顏色光波的不同發(fā)光效率的圖表；

圖8的坐標(biāo)圖示出了根據(jù)本公開的用于各種顏色光波的示例性長通濾波器的相應(yīng)透射曲線；

圖9A的曲線圖示出了一種燈具的發(fā)射光的光通量輸出與波長之間的關(guān)系，該燈具有一個(gè)或多個(gè)LED，這些LED具有各自的光束整形TIR光學(xué)元件而沒有波長移位染料；

圖9B的曲線圖示出了根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的燈具的發(fā)射光的光通量輸出與波長之間的關(guān)系，該燈具有一個(gè)或多個(gè)LED，這些LED具有各自的光束整形TIR光學(xué)元件，這些TIR光學(xué)元件含有波長移位染料；

圖10是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的單個(gè)室外燈具設(shè)備的透視圖，該燈具設(shè)備具有多個(gè)濾光和非濾光光學(xué)元件二者；

圖11的圖示出了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的圖10的單個(gè)燈具中濾光和非濾光光學(xué)元件集合的近距離視圖；

圖12的表格示出了12個(gè)不同預(yù)設(shè)值和它們對應(yīng)的照明參數(shù)值的列表，這些值用于控制對應(yīng)于圖10的燈具中濾光和非濾光光學(xué)元件的LED；

圖13的曲線圖示出了對應(yīng)于圖12的表格中所列的預(yù)設(shè)控制值的不同波長的光的相對強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

符合本公開的設(shè)備的示例性實(shí)施例包括下面詳細(xì)描述的一種或多種新穎特征。例如，本發(fā)明的示例性實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)包括耦合到LED設(shè)備的TIR光學(xué)元件，該光學(xué)元件由一種或多種材料形成，所述材料用于吸收可見光波頻帶并使所吸收的光帶寬的至少一部分的波長移位至所吸收的帶寬之外的一個(gè)或多個(gè)波長。

圖2A是根據(jù)示例性實(shí)施例的LED照明設(shè)備的TIR光學(xué)鏡頭200或光學(xué)元件的透視圖。圖2B和圖2C分別是光學(xué)元件200的側(cè)正視圖和前正視圖。光學(xué)元件200是由丙烯酸酯或一些其他合適的材料(如塑料、硅樹脂、玻璃、聚合物、樹脂等)制成的自由形態(tài)的光學(xué)元件。根據(jù)所示的實(shí)施例，自由形態(tài)的光學(xué)元件200包括一個(gè)或多個(gè)反射或折射表面210、220、230、240、250、260、270，它們的形狀具有獨(dú)特設(shè)計(jì)以控制發(fā)射光并將其整形成期望的圖案。圖2D是光學(xué)元件200沿中心線截取得到的剖面圖或剖視圖。外部折射表面和容納LED芯片(未示出)的內(nèi)部腔體225示于圖2D中。

圖3是根據(jù)本申請的裸板LED的光強(qiáng)分布圖。更具體地講，如圖3左側(cè)的圖300上的虛線305所示，裸LED(未示出)，也就是未耦合有光束整形TIR光學(xué)元件的LED，在LED正下方(即0度垂直角)的一點(diǎn)處提供了最大光強(qiáng)度，在圖3中所示實(shí)例中為約4,055坎德拉。隨著垂直角增大，光強(qiáng)度逐漸減小，直至90度垂直角處為約0.0坎德拉，并且在大于90度的垂直角處(即在LED所在平面上方)保持在0.0坎德拉。

以舉例的方式并且不旨在限制，圖3右側(cè)的圖350示出了自水平面測量的裸LED的光的相對強(qiáng)度分布圖。如由半圓形曲線圖355所示，定位成在垂直方向上照明而沒有耦合任何光學(xué)元件的裸LED在所有水平角上均提供了均勻的最大強(qiáng)度。例如，圖3中的LED被定位在標(biāo)為“X”的位置處和在水平面(例如地面)上方的給定高度(例如20英尺)處。曲線圖355顯示，最大強(qiáng)度是以一致的圓形圖案照射的，即約4,055坎德拉。也就是說，在每個(gè)橫向角度均測得了相同的最大發(fā)光強(qiáng)度值，即4055坎德拉。

圖4是類似于圖3中所示的曲線圖的光強(qiáng)分布圖，但其中有一處明顯的不同。與圖3中不同，圖4并不測量裸LED，而是當(dāng)圖2A至2D中所示的TIR光學(xué)元件耦合至LED時(shí)的光強(qiáng)分布圖。圖4左側(cè)的圖400包括虛線圖405，其具有遠(yuǎn)比裸LED的圖3中相應(yīng)的曲線圖更窄的分布。具體地講，如圖所示，具有光學(xué)元件的LED的最大發(fā)光強(qiáng)度被示為約15,719坎德拉，此最大強(qiáng)度發(fā)生于約67.5度的垂直角處，即在標(biāo)記410的點(diǎn)處。

圖4右側(cè)的圖450示出了通過包括最大光強(qiáng)值(即約15,719坎德拉)的平面的發(fā)光強(qiáng)度分布。如圖所示，沿約72.5度的橫向角處(即點(diǎn)460處)的最大強(qiáng)度平面得到了細(xì)長的分布。

因此，如圖3和圖4中所示，根據(jù)本申請的一個(gè)方面，通過將專門設(shè)計(jì)的光學(xué)元件(例如圖2A至圖2D中所示的光學(xué)元件)耦合至LED，可以將來自LED的光整形成期望的圖案。例如，圖4中所示的光圖案可用于照明開放區(qū)域內(nèi)(例如在停車場或街道上)的一個(gè)或多個(gè)物體。

將光束整形，使得光強(qiáng)度被引導(dǎo)在特定目的所期望的精確方向上，這只是本申請的一個(gè)方面?？刂瓢l(fā)射光的光譜成分是另一個(gè)重要的方面。例如，根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，控制發(fā)射光的光譜成分，使得燈具發(fā)射的藍(lán)光的數(shù)量被大大減少或消除。

圖5是示出了可見光和近可見光譜中輻射的相應(yīng)波長的光譜圖。人眼識(shí)別或“看見”可見光譜中的光，這包括波長范圍從約380nm至約780nm的光波。光譜中的波長低于380nm的部分被稱為近紫外到紫外輻射，高于740nm的波長被稱為紅外輻射。此外，如人眼所看到的，在可見光的整個(gè)范圍內(nèi)，每個(gè)波長代表著不同的顏色。例如，藍(lán)光具有范圍從約435nm至約500mn的波長，綠光在約520nm至約565mn的范圍內(nèi)。

圖6示出了光度函數(shù)或發(fā)光效率函數(shù)，它描述了人對亮度的視覺感知的平均光譜靈敏度。它基于對一對不同顏色的光中哪一個(gè)更亮的主觀判斷來描述不同波長的光的相對靈敏度。它不應(yīng)視為在所有情況下都完全準(zhǔn)確，但它很好地表示了人眼的視覺靈敏度，因此值得作為實(shí)驗(yàn)中的基線。這些被稱為“明視”條件。因此，如所示，在明視條件期間，人眼對綠光(也就是約555nm的波長的光)最為敏感。如圖中所示，(例如)從強(qiáng)度的角度來看，黃色和青色是接下來最可識(shí)別的顏色，然后是藍(lán)色和橙色，再然后是紫色和紅色。

圖7示出了在白天(明視)、黃昏(中間視覺)和極微光(暗視)條件下，人眼分別對不同頻率或波長的光的響應(yīng)(即發(fā)光效率)的相對偏差。如圖所示，當(dāng)觀察環(huán)境亮度暗時(shí)(例如在沒有月光的夜間)，與明視響應(yīng)相比，發(fā)光效率曲線向下移動(dòng)，即圖7中左側(cè)曲線。在這些條件下，人眼對藍(lán)光(例如，具有約507nm左右波長的光)最敏感。

因此，當(dāng)具有大量藍(lán)光的照明(例如上文所述的白色光LED)被用來在夜間照亮戶外目標(biāo)時(shí)，被散射(例如瑞利散射)到環(huán)境中的藍(lán)光波長范圍內(nèi)的光將會(huì)對夜空具有最大影響。換句話說，人類將在任何散射白光中識(shí)別出比其他波長的顏色更多的散射藍(lán)光部分。因此，在光被物體反射時(shí)或當(dāng)對光束的控制不夠充分以致一些光被直接發(fā)射到天空中時(shí)，使用明亮白光LED的路燈和泛光燈向天空中貢獻(xiàn)了大量的藍(lán)光。如上所述，此類條件是光污染的一個(gè)顯著成因。

根據(jù)本申請的示例性實(shí)施例，目標(biāo)藍(lán)光波長被TIR光學(xué)元件(例如圖2A至圖2D中描述的元件)的物理組件吸收，并使發(fā)射光譜成分移位。例如，將能夠吸收藍(lán)光波長范圍內(nèi)的光的染料與用于制造該光學(xué)元件的丙烯酸類材料混合。這樣，包括從白光LED輸出的總的白光光譜的藍(lán)光的波長帶被染料吸收，同時(shí)允許吸收頻帶之外的其他波長的光通過該光學(xué)元件。例如，采用根據(jù)本實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)LED設(shè)備的路燈發(fā)出的任何散射光將不會(huì)被發(fā)射到夜空中，如上所述，這些散射光原本會(huì)加重光污染。

根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的濾光光學(xué)元件被用來過濾掉有害的光波長，在它們被允許接觸各種食物產(chǎn)品和/或被各種食物產(chǎn)品吸收之前。根據(jù)這些和其他實(shí)施例，將特定波長的光(例如400至500納米范圍內(nèi)的藍(lán)光)從一個(gè)或多個(gè)LED發(fā)射的光中濾掉。這些LED提供了對食物或飲料的照明，例如肉、奶酪、奶，和其他乳制品，以及軟飲料、果汁和甚至啤酒，這里僅舉幾例。

通過該方法將特定的光波從發(fā)射光中濾掉，該方法包括光源處的濾光光學(xué)元件，例如一個(gè)或多個(gè)上文所述并在附圖中示出的光學(xué)元件。另一種用于在適當(dāng)波長的光被固體或液體食物吸收之前將其過濾掉的方法包括為食物提供能夠過濾適當(dāng)波長的包裝。例如，用于包裝奶、啤酒或其他容易受到光波影響的飲料的瓶子被制成具有濾光性能。

本實(shí)施例對例如奶牛農(nóng)場/養(yǎng)殖場和加工設(shè)施的業(yè)主/運(yùn)營者具吸引力，像其他人一樣，他們(甚至是被迫)對降低他們設(shè)施的能源消耗來作為抵消電氣照明和相關(guān)HVAC成本的手段非常感興趣。

遺憾的是，如上所述，牛奶易受“光敏”風(fēng)味物和營養(yǎng)物減少的影響，尤其容易受到低于500nm的波長的光的影響，因此一些生產(chǎn)商試圖通過使用彩色包裝(例如，黃色和/或UV涂覆)來一定程度地減少這些影響。但是，與不透明和遮光包裝相關(guān)的成本難以從消費(fèi)者那里收回。此外，生產(chǎn)、加工、冷藏及相關(guān)運(yùn)輸設(shè)施使用了光源(例如效率低下的金屬鹵化物燈和熒光燈)，這些都是更節(jié)能的LED照明技術(shù)的目標(biāo)。雖然這些傳統(tǒng)的光源會(huì)產(chǎn)生也被證明影響食物產(chǎn)品的質(zhì)量的UV，但與LED相比，它們在400至500nm的范圍內(nèi)產(chǎn)生少得多的藍(lán)光。

當(dāng)進(jìn)行大量研究來開發(fā)用在乳制品上的包裝和涂覆系統(tǒng)時(shí)，LED光源尚未問世。因此，根據(jù)LED照明的進(jìn)步，符合本文所公開實(shí)施例的樹脂提供了比現(xiàn)有包裝合適的改進(jìn)。具體地講，乳品和其他飲料工業(yè)的裝瓶過程中所用的現(xiàn)有樹脂不會(huì)過濾或上移不需要的光波長，例如有害的藍(lán)光。然而，如上所述，根據(jù)本文所公開實(shí)施例制成的樹脂和其他材料執(zhí)行這種過濾和移位。

因此，隨著食品行業(yè)轉(zhuǎn)向使用LED制冷柜照明，即含有比傳統(tǒng)光源更多藍(lán)光成分的照明，封裝在白色和/或透明包裝中的乳制品將經(jīng)受更大的變質(zhì)率。為減少或消除這種增加的變質(zhì)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，光源和/或由樹脂或者吸收和/或偏移藍(lán)光波長的其他材料制成的包裝處的濾波光學(xué)元件將克服該問題。

使用濾光光學(xué)元件的本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例包括但不限于：(1)食品生產(chǎn)、加工、冷藏和相關(guān)運(yùn)輸(例如貨源到貨架)中使用的一般環(huán)境或任務(wù)照明，(2)消費(fèi)者和專業(yè)設(shè)備中使用的制冷燈，(3)專業(yè)零售情況中使用的制冷燈，(4)乳制品、肉類和農(nóng)業(yè)運(yùn)輸行業(yè)使用的內(nèi)部貨物燈，以及(5)乳制品/肉類/產(chǎn)品(即食品)的相關(guān)生產(chǎn)/加工/冷藏/運(yùn)輸中使用的工業(yè)/商業(yè)照明設(shè)備。此外，對于與照明無關(guān)的濾光光學(xué)材料的潛在新用途包括：(1)產(chǎn)品包裝和(2)展示箱窗口。

例如，啤酒通常是瓶裝和包裝在高壓鈉(HPS)燈照射區(qū)域中。這是因?yàn)镠PS燈不發(fā)出具有約350-500nm的臨界范圍內(nèi)波長的大量光。如果在裝瓶過程中，并直到瓶子不再暴露于光的殼體包裝操作，瓶子暴露于光中過多量的時(shí)間(例如，當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時(shí)等)，必須處置所有暴露瓶子的內(nèi)容物。

可根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例使用的示例性LED是明亮白光LED，例如由日亞化學(xué)公司(Nichia Corporation)提供的Nichia 219B LED。如上所述，這種白光LED趨向于發(fā)出大量藍(lán)光，其理想地應(yīng)被過濾或斯托克斯移位，以提供更多可接受的光譜成分。根據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例，將用于吸收藍(lán)光的染料混合到用于形成TIR光學(xué)元件的塑料或丙烯酸類材料中。

可摻入到根據(jù)本實(shí)施例的塑料光學(xué)元件中的一種已知染料是由新澤西州希爾斯伯勒市的Adam Gates公司(Adam Gates&Company,LLC of Hillsborough,New Jersey)提供的DYE 500nmLP。這種特定染料是黃色自由流動(dòng)的粉末材料，其可被熔化并與用于形成主光學(xué)結(jié)構(gòu)的塑料或丙烯酸類材料均勻混合。一種合適的材料是丙烯酸類聚合物樹脂材料，例如由Altuglas國際公司(Altuglas International)提供的V825。

圖8示出了500nmLP染料的透射曲線。更具體地講，曲線810示出了用于對該染料起作用的輻射的相對透射水平。如圖所示，具有高于500nm波長的輻射被100％透射，具有低于約480nm波長的輻射被0％透射。波長在480nm和500nm之間的輻射基本上都被染料吸收。換句話講，藍(lán)光(包括紫光和紫外線)幾乎都被染料吸收，所有的綠光、黃光、橙光和紅光(包括品紅和紅外光)都被允許通過該染料。并且，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)元件(包括直接LED光學(xué)元件的實(shí)施例和由光譜濾波樹脂或其他材料制成各種包裝的實(shí)施例)通過一種或多種不同方法制成，包括各種形式的吹塑成形，例如，擠出吹塑、注射吹塑、拉伸吹塑和再加熱吹塑。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例，由LED發(fā)出并進(jìn)入光學(xué)元件中的至少一些光波被斯托克斯移位至更高波長。也就是說，由于熒光材料的性能，被染料吸收的光(即本例子中的藍(lán)光)以高于所吸收藍(lán)光的波長再發(fā)出。因此，不僅由光學(xué)元件最終發(fā)出的藍(lán)光的量被基本去除，而且由光學(xué)元件發(fā)出的光的光通量(即確認(rèn)的功率)也未減少接近如被吸收光的量那么高的值。換句話講，除了具有約455nm左右波長的光(即藍(lán)光)從發(fā)射光譜中被去除之外，還發(fā)出具有高于455nm波長的其他光。

圖9A是示出光通量輸出隨根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的燈具所發(fā)出光的波長變化的曲線圖。在該示例性實(shí)施例中，類似于圖2A至圖2D的光學(xué)元件的TIR光學(xué)元件耦合到每個(gè)LED，但未將染料混合至用于形成TIR光學(xué)元件的丙烯酸類材料中。具體地講，構(gòu)造了具有耦合至相應(yīng)光學(xué)元件設(shè)備的72個(gè)單獨(dú)寬頻譜白光LED的泛光燈具，并觀察各種測試測量。如圖9A所示，由燈具發(fā)出的光在約450nm波長處具有第一極大值910，并在約560nm處具有第二極大值920。

圖9B是示出如結(jié)合圖9A所用相同燈具的光通量的曲線圖，但有一個(gè)主要不同。當(dāng)形成TIR光學(xué)元件時(shí)，將上文所述熒光染料混合到丙烯酸類材料中。如圖9B所示，由燈具發(fā)出的光譜成分缺少波長小于約455nm的輻射，例如，對應(yīng)于圖9A中的第一極大值910。此外，發(fā)出的光的光譜已向更高波長移位。例如，圖9B中的峰波長為約560nm，其對應(yīng)于圖9A中的第二極大值。但是，圖9B中的峰光通量(即在560nm處)的量級(jí)大于對應(yīng)的9A中的第二極大值的值。這表明，至少一些被吸收的藍(lán)光(例如約455nm)已經(jīng)移位成為綠光(例如560nm)。

雖然已選擇各種實(shí)施例來說明所公開的方法和設(shè)備，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可在不脫離由所附權(quán)利要求所限定的本公開范圍的情況下作出其他修改。例如，上述用于從發(fā)出的光的光譜中去除藍(lán)光并控制光束形狀用于照明室外物體(例如道路等)的示例性實(shí)施例僅僅是本公開的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。具體地講，可以設(shè)想，可吸收其他波長的輻射并用于使頻譜成分移位，并且由光學(xué)元件的構(gòu)造所定義的其他光束形狀落入本公開的精神和范圍內(nèi)。

例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在夜間，人造光破壞人體的生物鐘(即晝夜節(jié)律)，因此，暴露于過多量光的人類經(jīng)受更高比例的睡眠功能障礙。此外，研究表明，過量的光(尤其是在夜間)可能有助于癌癥、糖尿病、心臟病和肥胖癥的形成。藍(lán)光往往對人體最具破壞性，尤其在夜間。

獨(dú)立實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)色光抑制褪黑素的時(shí)間大約是綠光的兩倍，并且改變晝夜節(jié)律兩倍之多。因此，如果減少發(fā)出藍(lán)光的量以及可能將一些藍(lán)光移位轉(zhuǎn)變?yōu)榫G光或紅光，那么各種照明應(yīng)用都將受益，這樣的應(yīng)用旨在落入本公開的范圍內(nèi)。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所公開的方法和設(shè)備不限于輻射光束形狀的任何范圍或有限范圍的波長。更具體地講，通過舉例的方式，本公開的用于光束成形和光譜成分控制本質(zhì)的另一個(gè)應(yīng)用涉及藝術(shù)品的照明。也就是說，所有光都會(huì)導(dǎo)致藝術(shù)品不可逆轉(zhuǎn)地受損害。損害的程度取決于光源類型、光源強(qiáng)度和藝術(shù)品經(jīng)受曝光的時(shí)長。因?yàn)楣鈱λ囆g(shù)品的損害是累積的，藝術(shù)品暴露的時(shí)間越長，損害就越強(qiáng)。

自然光是較強(qiáng)的能量來源，并包含紫外(UV)輻射。因?yàn)榇蠖鄶?shù)藝術(shù)品由有機(jī)材料構(gòu)成，例如，如存在于各種涂料中那些，藝術(shù)品特別易受UV波長影響。這會(huì)導(dǎo)致不同形式的損害，包括變色。可見光譜中的輻射也會(huì)造成藝術(shù)品大量的損害和變色。因此，當(dāng)照亮藝術(shù)品時(shí)控制發(fā)出輻射的光譜成分并控制光束形狀以提供有效的照明圖案，這可成為用于有效展示藝術(shù)品并同時(shí)保護(hù)藝術(shù)品免受不當(dāng)輻射損害的有用工具。

圖10和圖11示出了根據(jù)進(jìn)一步示例性實(shí)施例的燈具，其中濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件(每一者都對應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)LED)用于實(shí)現(xiàn)定制照明解決方案。根據(jù)該實(shí)施例，控制器單元(未示出)用于以受控方式激活對應(yīng)于濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件的LED。例如，在一天中的特定時(shí)間，一些預(yù)設(shè)控制值用于改變哪些特定LED被激活，從而根據(jù)所用特定預(yù)設(shè)值實(shí)現(xiàn)期望照明效果。符合本文所公開實(shí)施例的示例性無線控制器公開于美國公布的專利申請?zhí)?012-0136485中，其全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。雖然可使用該美國公開申請中公開的控制器，但也可使用符合這些和其他實(shí)施例的其他無線或有線控制器。

根據(jù)這些示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，無線控制提供可編程的LED照明，其降低并過濾模擬日光的傳統(tǒng)光源中的波長。通過預(yù)設(shè)編程根據(jù)本實(shí)施例的有濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件的燈具以提供不同程度的光“適應(yīng)”，例如從黃昏到黎明或者針對具體應(yīng)用定制的光。在燈具的夜間運(yùn)行過程中，預(yù)設(shè)模式允許按需減少“藍(lán)光”波長的光。

圖12是提供十二(12)個(gè)示例性“預(yù)設(shè)”(1-12，列于左手邊的列中)的圖表。對應(yīng)于每個(gè)預(yù)設(shè)值的分別是功率、CCT、照度和CRI值。根據(jù)日計(jì)時(shí)器或一些其他預(yù)編程的控制組，從來自燈具整體發(fā)出的光中過濾變化量的“藍(lán)光”。如圖所示，根據(jù)照明設(shè)備(例如燈具)是否位于市區(qū)或混合使用設(shè)置中、低人口密度區(qū)域或者諸如國家公園或其他保護(hù)環(huán)境的區(qū)域中，可使用不同的控制值。

圖13示出了由配備有根據(jù)本實(shí)施例的濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件的給定燈具發(fā)出的一系列光譜分布。根據(jù)本實(shí)施例，根據(jù)圖12的表中所列出的預(yù)設(shè)(1-12)來控制對應(yīng)于光學(xué)元件的單個(gè)LED。如圖所示，由于根據(jù)預(yù)設(shè)值操作對應(yīng)于濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件的LED的不同組合，450nm附近波長帶的“藍(lán)光”量發(fā)生改變。更具體地講，在圖13的實(shí)施例中，燈具發(fā)出的“藍(lán)光”的相對強(qiáng)度從使用預(yù)設(shè)值1時(shí)的約23.0降低到使用預(yù)設(shè)值12時(shí)的約1.0。這使得能夠使用加載了濾光光學(xué)元件和非濾光光學(xué)元件的相同燈具以受控方式實(shí)現(xiàn)期望的光譜成分。