IPC分类号：
F21K9/233 | F21V9/00 | F21V11/16 | F21V13/10 | F21V13/14 | F21V5/04 | F21V7/00 | F21V3/06 | F21Y115/10
国民经济行业分类号：
C3545 | C3871 | C3976
发明人：
M·C·J·M·维森伯格 | E·C·V·塔尔格恩 | M·伦兹
摘要：
本发明提供了包括照明设备(100)的照明单元(1000)，其中照明设备(100)包括：被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中照明设备(100)包括窗口(30)，窗口(30)包括下游面(32)和指向光源(10)的上游面(31)，其中照明单元(1000)还包括光束修改器(200)，光束修改器(200)被配置为邻近于窗口(30)并且被配置为拦截上述照明设备光束(101)的至少一部分，其中照明设备(100)和光束修改器(200)被配置为修改上述照明设备光束(101)，以在上述光束修改器(200)的下游提供照明单元光束(1001)，其中光束修改器(200)包括打印的光束修改元件(210)。
技术问题语段：
如何实现对光束特性的修改，以及如何使用打印的光束成形器来控制光的传播方向。
技术功效语段：
本发明提供了一种照明设备和光束修饰器的组合，可以方便地调节照明设备光束的形状和色温，以适应不同的应用需求。光束修饰器可以是光学板、透镜、遮光栅格等，可以被设计和生产，并且可以快速地进行后期适配。此外，本发明还提供了一种光束成形光学元件，可以进一步提高光束的形状和色温的控制。这种技术可以应用于LED射灯、聚光灯等定向照明设备，并且可以提供具有特定光束性质的照明单元。
权利要求：
1.一种照明单元(1000)，包括照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，其中所述照明单元(1000)还包括光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为邻近于所述窗口(30)并且被配置为拦截所述照明设备光束(101)的至少一部分，其中所述照明设备(100)和所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)，以在所述光束修改器(200)的下游提供照明单元光束(1001)，其中所述光束修改器(200)包括3D打印的光束修改元件(210)，并且其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的高达80％的横截面，
其中所述光束修改器(200)被配置为：通过对所述照明设备光束(101)进行偏振滤光和光谱转换中的一个或多个来修改所述照明设备光束(101)，并且
其中所述光束成形光学元件(20)包括透镜(22)、TIR透镜、菲涅耳透镜和反射体(21)中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)被配置为邻近于所述下游面(32)并且被配置为拦截所述下游面(32)下游的所述照明设备光束(101)的至少一部分。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)具有在0.1mm-10mm范围内的高度(h1)。
4.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束修改器(200)包括支撑件(220)，其中所述光束修改元件(210)被配置在所述支撑件(220)上，或者其中打印的所述光束修改元件(210)被配置在所述下游面(32)上。
5.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述窗口(30)包括所述光束成形光学元件(20)。
6.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述光束成形光学元件(20)包括非成像光学元件。
7.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述照明设备(100)包括射灯，其中所述光束成形光学元件(20)包括全内反射透镜，其中所述光源(10)包括固态光源，并且其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的5％-50％的横截面。
8.根据前述权利要求1至2中的任一项所述的照明单元(1000)，其中所述照明设备光束(101)具有光学轴线(O)，其中光束修改器(200)被配置为相对于所述光学轴线(O)非中心对称。
9.一种成套部件，包括：(i)照明设备(100)，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，所述照明设备光束(101)被配置为在远离所述光源(10)的方向上从所述下游面发出；以及(ii)多个不同的光束修改器(200)，其中每个光束修改器(200)包括3D打印的光束修改元件(210)，并且其中每个光束修改器(200)可以在功能上耦合到所述照明设备(100)，以拦截所述照明设备光束(101)的至少一部分来修改所述照明设备光束(101)，其中所述光束修改元件被配置为拦截所述照明设备光束(101)的高达80％的横截面，
其中所述光束修改器(200)被配置为：通过对所述照明设备光束(101)进行偏振滤光和光谱转换中的一个或多个来修改所述照明设备光束(101)，并且
其中所述光束成形光学元件(20)包括透镜(22)、TIR透镜、菲涅耳透镜和反射体(21)中的一个或多个。
10.一种用于照明设备(100)的后期适配的方法，其中所述照明设备(100)包括被配置为提供光源光(11)的光源(10)以及被配置为将所述光源光成形为照明设备光束(101)的光束成形光学元件(20)，其中所述照明设备(100)包括窗口(30)，所述窗口(30)包括下游面(32)和指向所述光源(10)的上游面(31)，所述照明设备光束(101)被配置为在远离所述光源(10)的方向上从所述下游面(32)发出，其中所述方法包括：(i)捕获从所述窗口(30)发出的所述照明设备光束(101)的光分布的图像；(ii)基于所述图像和针对期望光束的预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)，以提供期望的照明单元光束(1001)；(iii)将所述光束修改元件(210)打印在所述窗口(30)上，或者将光束修改元件(210)打印在支撑件(220)上，并且将所述支撑件(220)配置为邻近于所述窗口(30)，
其中所述方法还包括：对所述窗口(30)进行3D扫描以提供3D轮廓，其中所述光束修改器(200)基于所述图像、所述3D轮廓、以及针对期望光束的预定义的限定而被设计，并且其中打印所述光束修改元件(210)包括：对所述光束修改元件(210)进行3D打印。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述照明设备光束(101)具有光学轴线(O)，其中所述方法包括：(i)与所述光学轴线(O)呈不同的角度来捕获所述照明设备光束(101)的所述光分布的多个图像，以及(ii)基于所述多个图像和所述期望光束的所述预定义的限定来设计包括光束修改元件的光束修改器(200)，所述光束修改器(200)被配置为修改所述照明设备光束(101)以提供期望的照明单元光束(1001)。
技术领域：
[0001]本发明涉及包括照明设备和光束修改器的照明单元以及成套部件。本发明还涉及制造这种照明单元的方法。
背景技术：
[0002]修改光束特性的愿望是本领域已知的。例如，US2013058099描述了被配置为输出具有用户可修改的光束特性的光的照明源，该照明源包括：LED灯单元，用于响应于输出驱动电压而提供光输出；驱动模块，用于接收输入驱动电压，以用于向LED灯单元提供输出驱动电压；散热器，耦合到LED灯单元，以用于耗散由LED灯单元和驱动模块产生的热量；耦合到散热器的反射体，用于接收光输出，以用于输出具有第一光束特性的光束；以及耦合到散热器的透镜，用于接收具有第一光束特性的光束并且用于输出具有第二光束特性的光束，其中透镜由用户选择来实现第二光束特性，并且其中透镜由用户耦合到散热器。
[0003]WO2014147505A1公开了具有打印的光束成形器的照明设备，打印的光束成形器被布置在耦合到光出射部分的光学掩膜处，使得由发光元件生成的光的第一部分和第二部分分别由光束成形器的至少部分光反射的部分反射，并且分别经由光束成形器的部分光透射的区域透射通过光束成型器。
发明内容：
[0004]为了修改例如LED射灯的光束形状，可以例如使用光学板，光学板可以通过例如磁铁或弹簧搭锁(mechanical snap)被扣合到LED射灯。用于这种光学板的几个选择(如，透镜阵列、着色板和遮光栅格)可以修改光束宽度、光束形状和色温。基于透镜或遮光栅格的光束形状修改器的缺点在于，必须以传统的方式来设计和生产这样的修改器，即，需要相对长的提前期来设计针对定制光束形状的修改器。此外，创建更加锐利的光束截断的遮光栅格解决方案给产品增加了高度，而这在灯改型应用中并不总是可允许的。
[0005]因此，本发明的一个方面是提供替代性的照明设备，其优选地进一步至少部分地避免上述缺点中的一个或多个。此外，本发明的一个方面是提供期望在后期适配照明设备的光束性质的解决方案，该解决方案优选地进一步至少部分地避免上述缺点中的一个或多个。
[0006]在本文中，提出了基于光束成形光学元件(透镜、反射体、TIR(全内反射)透镜、菲涅耳透镜)的出口处的平坦掩膜的光束修改器，特别是用于LED射灯或点照明灯具的光束修改器。掩膜可以是不透明的(吸收或阻挡)、半透明的(透射时散射)或部分透明的、或者包含染料或波长转换材料(例如，磷光体)。尽管一般而言在出射窗口处的位置与来自光束成形光学元件的发射光的方向之间可能不存在严格的关系，但通常仍然可以区分主要对光束的边缘有贡献的某些区域。在技术方面：在理想的照明光学元件设计中，光学元件的整个区域在光束的主要方向上发射光(光学元件“完全闪光”)，因此所有位置均对峰值强度有贡献。光束的边缘不需要整个区域闪光，但通常情况并非如此。因此，通过阻挡或重新分配来自如从给定方位看到的闪光区域的光，可以影响光束的形状。当光出射窗口的不同部分发射不同的方向上的光时，本发明可以发挥最好的效果，但这不是严格要求的。因此，本发明对于诸如射灯、聚光灯、泛光照明器材、泛光照明(wall washing)、手电筒等之类的大多定向照明设备是特别相关的。
[0007]在第一方面中，本发明提供了包括照明设备的照明单元，其中照明设备包括被配置为提供光源光的光源以及被配置为将光源光成形为照明设备光束的光束成形光学元件，其中照明设备包括窗口，窗口包括下游面(照明设备光束被配置为(在不存在光束修改器(参见下文)的情况下)在远离光源的方向上从下游面发出)和指向光源的上游面，其中照明单元还包括光束修改器(“掩膜”)，光束修改器被配置为邻近于窗口并且被配置为拦截上述照明设备光束的至少一部分，特别地光束修改器被配置为邻近于下游面(并且被配置在窗口的下游)并且被配置为拦截在下游面的下游的上述照明设备光束的至少一部分，其中照明设备和光束修改器被配置为修改上述照明设备光束，以在上述光束修改器的下游提供照明单元光束，其中光束修改器包括打印的光束修改元件。特别地，光束修改元件被配置为偏振滤光器和/或光谱转换器，并且被配置为拦截上述照明设备光束的高达80％(例如，高达70％，例如在10％-50％的范围内)的横截面。特别地，拦截量是照明设备光束的横截面的至少10％。短语“拦截……高达80％的横截面”以及类似的短语特别指示这样的横截面的高达80％的面积被拦截。因此，(在使用期间)照明设备光束横截面的20％或更多未被拦截地通过，并且照明设备光束横截面的80％或更少(但是特别地至少10％)被(一个或多个)光束修改元件修改。
[0008]利用这样的照明设备和这样的光束修改器，可以提供具有例如适合于特定房间或空间的期望的光束性质的照明单元。因此，利用光束修改器，可以修改照明设备的照明设备光束的性质。此外，几乎不需要任何深度，因为光束修改器可以非常薄，例如在几毫米的范围。因此，特别地如此可以提供照明设备，或者可以提供具有光束修改器的照明设备。在前一实施例中，例如可以从处于其应用位置的照明设备来确定光束性质，然后针对特定应用位置中的照明设备确定期望的光束性质。基于此，可以针对处于特定应用位置处的特定照明设备来选择(例如，从光束修改器的库)或产生光束修改器。从而，提供本文所描述的照明单元。光束修改器在本文中也被指示为“掩膜”。因此，特别地，光束修改元件可以仅修改光束的一部分，以在后期将光束调节到期望的(照明单元)光束。小于5％(例如小于10％)的拦截量可能不(足以)引起期望的修改，而80％或更多的拦截量可以导致低效的照明单元。因此，特别地，拦截量在10％-80％的范围内，例如在10％-50％的范围内。看来，具有光学元件和窗口的照明设备(特别是具有光学扩展量不完全守恒的光学元件的照明设备)与具有在10％-80％范围内的拦截量的光束修改器的组合提供了灵活的后期适应((仅)通过打印，特别是3D打印)，从而维持了期望的光束特性并将不期望的光束特性(诸如在照明设备的(预期)应用位置被认为是不期望的)调节成更加期望的特性或减少这样的光束部
具体实施方式：
[0039]为了阐明本发明的效果，计算了针对若干光学元件的光线轨迹。
[0040]在第一示例中，参见图1a，使用CPC(复合抛物面聚光器)作为反射体21。在该类型的光束成形光学元件20中，光学扩展量是守恒的。结果，用附图标记30指示的全出射窗口被用于所有的光方向，即，出口对于光束内的所有观察方向是完全闪烁。提出通过在出射窗口处应用掩膜来对光束进行成形的本发明基本上不使用这种光学扩展量守恒的准直器来进行操作。本发明特别涉及对由于不是完全光学扩展量守恒的非成像光学元件(即，出射窗口在光束内的所有观察方向上不完全闪烁)引起的光束进行光束修改。因此，所使用的光学元件特别地不是完全光学扩展量守恒的，即，仅部分地光学扩展量守恒。特别地，出射窗口在光束内的所有观察方向上不是完全闪烁。
[0041]在接下来的示例中，示出了三个不同的TIR准直器设计。在这些光束成形元件中，光束由中心透镜与(TIR)反射表面组合而形成。许多设计是可能的，但是这里作为示例示出了TIR表面的三个不同设计。在下文的图中，R箭头指示针对光束边缘的光线路径，B箭头指示针对光束中心的光线路径。
[0042]图1b示出了从准直器中心和准直器边缘出射的光束中心、从中间区域出射的光束边缘。图1c示出了从准直器中心出射的光束中心、从准直器边缘出射的光束边缘(但两个边缘方向混合)。图1d示出了从准直器上的三个环出射的光束边缘、从准直器中心以及从靠近准直器边缘的区域出射的光束中心。考虑到这些示例中的光线，可以看出光束的边缘和中心可以在准直器的不同位置处出射，并且在一些设计中，它们可以比在其他的设计中更好地分离。例如，在TIR设计(图1b)中，瞄准射灯左边缘的所有光线都从准直器中心左边的区域出射。在设计中(图1c)，存在向左出射光线的两个区域(刚好中心左边和最右边缘)，并且在设计中(图1d)，甚至存在光从其向左出射的三个区域。所以在设计中(图1b)，光束最易于利用掩膜进行修改。
[0043]在下文中，讨论了若干非限制性的更详细的实施例。图2a非常示意性地描绘了具有TIR准直器和透镜22的照明设备100，TIR准直器作为针对24D(光束宽度24°)射灯而设计的反射体21。直视射灯，即沿光学轴线O，看起来不是整个区域发射光，而是仅中心和周围中心的环发射光，参见图2b，其中“闪光区域”是从垂直视角(所有光在2x10°之间)观察到的。当从侧面(沿光学轴线O呈25°角)观察时，中心闪光区域沿一个方向移动，并且闪光的环变形并向相反方向移动，参见图2c，其中“闪光区域”是从25°轴偏移方向(25°+/-15°)观察到的。从30°或35°轴偏移观看射灯导致闪光区域的进一步移动和缩小，直到眼睛从光束移出，并且出射窗口完全不闪光，参见图2d，其中“闪光区域”是从30+/-10°轴偏移方向观察到的，以及图2e，其中“闪光区域”是从35+/-5°轴偏移方向观察到的。基于观察到的闪光区域的形状和位置根据观察方向的改变，可以设计掩膜，以修改特定方向上的光(进一步参见下文)。使用θ(天顶角)(参见图2a)和(方位角)(参见图2b)来指示相对于光学轴线O的角度。例如，在图2b中，指示了轴线x、y、O(其中O表示光学轴线)。
[0044]除其他外，图3a示意性地描绘了如上所述的照明单元1000的一个实施例。照明单元1000包括照明设备100。照明设备100包括被配置为提供光源光11的光源10以及被配置为将光源光成形为光束101的光束成形光学元件20。在此，作为示例，光束成形光学元件20包括透镜22和反射体21。此外，照明设备100包括窗口30，窗口30包括下游面32和指向光源10的上游面31，照明设备光束101被配置为从下游面32在远离光源10的方向上发出。照明单元1000还包括光束修改器200，光束修改器200被配置为邻近下游面32，并且被配置为拦截在下游面32下游的上述照明设备光束101的至少一部分。光束修改器200(因此)被配置在光束成形光学元件20的下游。特别地，光束成形光学元件20被配置在光源10的下游。照明设备100和光束修改器200被配置为修改上述照明设备光束101，以提供照明单元光束1001。光束修改器200包括打印的光束修改元件210。光束修改器200被配置为通过以下中的一个或多个来修改照明设备光束101：将照明设备光束101进行偏振滤光和将照明设备光束101进行光谱转换。特别地，(一个或多个)光束修改元件不覆盖整个窗口30。因此，照明设备光束101的至少一部分基本上不被修改(除了被可选的支撑件折射(见下文)之外)。还如图3a所示，光束修改元件并不完全拦截照明设备光束，但是仅拦截上述照明设备光束101的横截面的高达80％，例如高达70％，例如在10％-50％的范围内