双色照明装置.pdf

本发明提供了一种照明装置，该照明装置包括一个或多个第一发光元件、一个或多个第二发光元件、以及被配置成对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的操作进行控制的控制系统。因为根据本发明的照明装置被配置成利用两种不同且基本上单色发光元件光源产生通用照明，因此与多色光源相比，由该照明装置所产生的通用照明所引起的光污染降低了。

1、  一种照明装置，用于向环境提供通用照明，并同时限制了从而所产生的光污染的级别，该装置包括：
a)一个或多个第一发光元件，用于产生第一波长范围之内的光；
b)一个或多个第二发光元件，用于产生第二波长范围之内的光；
c)控制系统，该控制系统可操作地与一个或多个第一发光元件以及一个或多个第二发光元件相耦合，该控制系统被配置为对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的激活进行控制以产生通用照明；
其中第一波长范围大约是黄色并且第二波长范围大约是蓝色。

2、  根据权利要求1的照明装置，其中第一波长范围从560nm延伸至600nm。

3、  根据权利要求1的照明装置，其中第二波长范围从450nm延伸至500nm。

4、  根据权利要求1的照明装置，其中所述控制系统包括反馈机构、该反馈机构被配置成获得与一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的操作有关的数据，该控制系统被配置成根据该数据来控制对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的激活。

5、  根据权利要求4的照明装置，其中所述反馈机构包括第一电流感测机构，该第一电流感测机构被配置成产生指示提供给一个或多个第一发光元件的驱动电流的数据。

6、  根据权利要求4或5的照明装置，其中所述反馈机构包括第二电流感测机构，该第二电流感测机构被配置成产生指示提供给一个或多个第二发光元件的驱动电流的数据。

7、  根据权利要求4的照明装置，其中所述反馈机构包括光学传感器，该光学传感器被配置成产生指示通用光特征的数据。

8、  根据权利要求1的照明装置，还包括光学系统，该光学系统被配置成对第一波长范围之内的光和第二波长范围之内的光进行混和。

9、  根据权利要求8的照明装置，其中所述光学系统包括从包括有反射元件、折射元件、衍射元件、散射元件、以及全息元件的组中选择出来的一个或多个光学元件。

10、  根据权利要求1的照明装置，其中所述控制系统被配置成利用脉宽调制、脉码调制、或者模拟调制来对一个或多个发光元件和一个或多个发光元件的操作进行控制。

11、  根据权利要求2的照明装置，其中第一波长范围从570nm延伸至590nm。

12、  根据权利要求3的照明装置，其中第二波长范围从460nm延伸至490nm。

13、  根据权利要求11的照明装置，其中第一波长范围大约为580nm。

14、  根据权利要求12的照明装置，其中第二波长范围大约为480nm。

15、  使用根据权利要求1、2或3的照明装置用于照射对光污染有贡献的区域。

双色照明装置
技术领域
本发明通常涉及照明装置，并且尤其是涉及双色照明装置。
背景技术
许多类型的光源可典型地在由在光源中使用的材料的物理和化学特性所控制的很窄范围操作条件下有效地进行工作。仅存在诸如低气压钠(LPS)灯之类的少数类型的已知人造光源既效率很高又可产生大量光。虽然大部分这些类型的光源仅提供准单色光，但是它们为许多露天照明应用提供了功用。来自LPS灯的单色光，例如虽然不能进行颜色呈现，但是可在足够高的照明级别下提供高的视觉对比度。令人遗憾地，这种单色光在视觉上是无吸引力的，因为人经常更喜欢宽带光谱源所产生的白光。然而，宽带光谱照明会引起不希望的光污染以及在接近和远离人造夜间照明的区域之内的环境问题。
并入了包括白炽灯、荧光灯、高强度放电(HID)灯、或者LPS灯在内的户外照明灯具通常配备有下述光学系统，该光学系统包括用于对光进行重定向或者抑制不希望的光传播的反射器、折射器、以及不透明遮板。光学系统可使照明灯具有效地照射目标表面，同时降低对其他区域的不希望照明。然而，诸如LPS和HID灯之类的许多高效光源形状庞大并且需要大的光学系统。
另外，对于天文学家和自然资源保护者来说光污染可以是重要问题。美国天文学会已经注意到光污染尤其是由于从道路、住宅、以及安全照明所直接发射和反射的光所引起的城市天空照亮会严重影响陆地天文的能力。沃克定律(Walker’Law)是以从对多个加州城市的观测中所获得的天空照亮测量为基础的经验方程，该经验方程被定义为：
I＝0.01*P*d^-25      (1)
其中I是超过自然背景的天空照亮级别的百分比增值，P是城市的人口，并且d是以千米为单位距城市中心的距离。
例如，Tucson(亚利桑那州)具有500,000的人口并且距基特峰(Kitt Peak)国家天文台大约60km。Tucson因此对在这个天文台的总天空照亮起了大约百分之18的作用。
另外，已经表明光污染对植物和例如夜行哺乳类动物、候鸟类、以及海龟这样的动物种类具有有害的环境影响。例如，沿着佛罗里达海岸线的道路和安全照明已表明有时会导致若干种类的海龟的繁殖成功率的灾难性降低。例如，强光可抑制成年雌性海龟上岸下蛋并且还将最新孵化的海龟引向内陆而不是广海。
美国天文学会和国际天文学联合会建议了减轻光污染的若干解决方案。该建议包括通过照明灯具设计和放置来对发射光进行控制、利用计时器和占位传感器、使用紫外线和红外线过滤器以除去非可见辐射、并且对于道路、停车场、以及安全照明使用诸如低压钠灯这样的单色光源。
LPS照明在天文台附近是尤其有用的，这是因为发射峰为589nm的发射光实质上是单色的。然后可以使用窄带带阻过滤器来阻挡该光谱区并同时允许以其他波长进行天文观测。令人遗憾地，当LPS灯用在户外照明灯具中时，LPS灯具有许多缺点。首先，LPS灯及它们的照明灯具外壳典型是大的。例如，美国电气照明的LuxMaster^TM产品系列对于55W至180W灯而言长度从0.75m至1.35m。LPS灯的大各向异性尺寸需要庞大的照明灯具光学系统并且该设备的成本效益低。此外，LPS灯具有低劣的显色指数(CRI)并且次于例如诸如高压钠(HPS)和金属卤化物灯之类的光源。另外，由LPS灯所引起的不自然的照射效果使基于LPS的道路照明成为通常不希望的解决方案。因此，LPS灯通常并局限于用于工业站点的安全照明和停车场照明。然而，例如，每当对于诸如安全或者监控应用来说颜色辨别比能量效率更重要时，则具有较好颜色呈现的光源是得人喜欢的。
当提高多色白光的质量时，通常目的是选择其光源的波长和半最大值全宽(FWHM)光谱功率分布以获得最高可能的CRI。Zukauskas等人的＂Optimization of multichip white solid-state lighting sourcewith four or more LEDs＂，SPIE 4425的会议记录，第148-155(2001)中描述了对诸如具有两个或更多不同颜色的LED的固态灯之类的多色光源的光度分析的结果，该多色光源可通过对一系列不同原色LED的发射进行相加混合而产生白光。该结果说明了具有两个、三个、四个、以及五个原色的固态灯的估算CRI如何随发光效能而变。
另外，在2004国际黑暗天空协会中介绍了其“Fixture Seal ofApproval(灯具封装许可)”计划以响应要将户外照明灯具分类成“黑暗天空友好”的需要。然而，接受标准基于灯具的向上光输出比，该向上光输出比实质上是对灯具所发射出的光多少直接向上而不是向地的测量，其是灯具的光学设计的函数。
如上所确定的，需要一种新的照明装置，该照明装置可解决光污染的问题，同时提供期望的显色指数。
提供了这些背景信息以揭示申请人相信可能与本发明有关的信息。申请人并不想承认，也不应将其解释为任何先前信息构成了相对于本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种双色照明装置。根据本发明的方面，提供了这样一种照明装置，该照明装置用于向环境提供通用照明，同时限制了从而所产生的光污染的级别，该装置包括：一个或多个第一发光元件，用于产生第一波长范围之内的光；一个或多个第二发光元件，用于产生第二波长范围之内的光；控制系统，该控制系统可操作地与一个或多个第一发光元件以及一个或多个第二发光元件相耦合，该控制系统被配置成对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的激活进行控制以产生通用照明；其中第一波长范围大约是黄色并且第二波长范围大约是蓝色。
附图说明
图1说明了根据本发明一个实施例的照明装置所发射出的光的光谱功率分布；
图2是根据本发明一个实施例的照明装置。
具体实施例
定义
术语＂发光元件＂(LEE)用于定义了当例如通过在它两端施加电势差或者使电流通过它来激活时发射出在例如可见区、红外和/或紫外区这样的电磁光谱的区域或者区域组合中的辐射的设备。因此发光元件可具有单色、准单色、多色、或者宽带光谱发射特性。发光元件的示例包括半导体、有机、或者聚合物/聚合发光二极管、光泵涂磷发光二极管、光泵纳米晶体发光二极管、或者本领域普通技术人员很容易得知的其他相似设备。此外，术语发光元件用于定义例如LED晶粒这样的、发射出辐射的特定设备，并且可以同样地用于定义发射出辐射的特定设备与其中放置了一个或者多个特定设备的外壳或封装的组合。
如在这里所使用的，术语“大约”是指偏离额定值+/-10％。应该理解的是这种变化总是包含在这里所提供的任何给定值之内，而无论它是否被具体地引用。
除非另外定义，否则在这里所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的一个普通技术人员所通常知晓的相同的意思。
本发明源于下述认识，即诸如LPS灯之类的、对黑暗天空友好的单色光源提供了具有差CRI的、在审美上无吸引力的照明并且此外本质上典型地很庞大。本发明通过提供下述双色照明装置来设法解决这些缺点，所述双色照明装置在物理上是紧凑的并且可提供具有期望CRI的户外照明，同时能够相对容易地降低从而造成的光污染。
根据本发明的照明装置包括一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件以及被配置成对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的操作进行控制的控制系统。这一个或多个第一发光元件被配置成发射出第一波长区域之内的光，其中第一波长区域大约是黄色/琥珀色波长区域。这一个或多个第二发光元件被配置成发射出第二波长区域之内的光，其中第二波长区域大约是蓝色波长区域。按照组合光被感知为基本上白光这样的方式来对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件所发射出的光的组合进行控制。
因为根据本发明的照明装置被配置成利用两种不同且基本上单色的发光元件光源来产生通用照明，因此与多色光源相比，由该照明装置所产生的通用照明所引起的光污染降低了。例如，当根据本发明的照明装置用于照射外部区域时，将通用光添加到存在于外部区域之内的现有光上以形成加色光，其中该通用光被认为是光污染。因为根据本发明的照明装置所产生的通用光基本上是由两个单色光源产生的，因此可基本上通过利用两个滤波器对加色光(additive light)进行滤波来从加色光中除去该照明装置所产生的光污染，这两个滤波器即被配置成除去第一波长范围的滤波器和被配置成除去第二波长范围的滤波器。
在本发明的一个实施例中，这样选择一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件以便第一波长范围和第二波长范围基本上是窄的波长带，并且因此当通过对其进行过滤而从加色光除去这些窄波长带时，基本上仅从加色光除去了很小部分的光，而同时基本上使得能够除去该照明装置所产生的光污染。
在本发明的一个实施例中，照明装置可被配置成满足国际黑暗天空协会的灯具封装许可(Fixture Seal of Approval)计划的需要，并同时还向专业和业余天文学家提供了可从天空照亮中除去照明装置所产生的窄波长带发射或对其进行过滤的能力。
发光元件
这样选择集成到根据本发明的照明装置中的一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件以便照明装置产生基本上白色的通用光。尤其是，选择一个或多个第一发光元件以便它们发射出在大约黄色/琥珀色波长区域之内的光。选择一个或多个第二发光元件以便它们发射出在大约蓝色波长区域之内的光。
在本发明的一个实施例中，选择一个或多个第一发光元件以发射出波长大约为560nm至大约600nm的光。在本发明的另一实施例中，选择一个或多个第一发光元件以发射出波长为大约570nm至大约590nm的光。在本发明的另一实施例中，一个或多个第一发光元件发射出波长为大约580nm的光。
在本发明的一个实施例中，选择一个或多个第二发光元件以发射出波长为大约450nm至大约500nm的光。在本发明的另一实施例中，选择一个或多个第二发光元件以发射出波长为大约460nm至大约490nm的光。在本发明的另一实施例中，一个或多个第二发光元件发射出波长为大约480nm的光。
在一个实施例中，根据本发明的双色照明装置可发射出CRI为大约20的通用光。当以适当比例来对波长大约为480nm和大约为580nm的光进行混合时可实现期望的通用光。这些波长基本上与蓝色和黄色/琥珀色相对应，并且相当地接近高通量LED的主波长范围。例如，诸如丽讯(Luxeon)^TM蓝色LED(Lumileds Lighting、San Jose、CA)之类的商业产品具有大约460nm至490nm的主波长，同时丽讯(Luxeon)^TM琥珀色LED具有大约584.5nm至597nm的主波长。
图1说明了根据本发明一个实施例所配置的照明装置的光谱功率分布。光谱功率分布是在大约480nm(200)处进行发射的一个或多个第二发光元件和在大约580nm(210)处进行发射的一个或多个第一发光元件的准单色发射的结果。对这两个准单色发射的适当混合可提供用于产生基本上白光的装置。
在本发明的一个实施例中，根据在该照明装置中所使用的第一和第二发光元件的主波长，一个或多个大约蓝色发光元件和一个或多个大约黄色/琥珀色发光元件所发射出的光如果适当地混合，那么可提供相关色温在大约3000k与大约6500K之间的白光。
在本发明的一个实施例中，对于为道路和安全照明应用而产生的通用光而言，色温是次重要的。因此，可这样选择照明装置的一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的主波长，以便基本上最优化整个发光效能，并同时还可提供期望的CRI。
照明装置
图2说明了根据本发明的一个实施例的照明装置。该照明装置包括一个或多个第一发光元件50和一个或多个第二发光元件55。将一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件所发射出的光组合成通用照明。选择一个或多个第一发光元件以发射出在基本上黄色/琥珀色波长范围之内的光，并且选择一个或多个第二发光元件以发射出在基本上蓝色波长范围之内的光。在由例如光学系统57对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件所发射出的光进行混和时，结果产生的通用光基本上是白光。
控制系统100对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的操作进行控制。在本发明的一个实施例中，控制系统100包括控制器10和反馈机构15。通过使用反馈机构，可按照创建例如基本上是白光的期望通用光这样的方式来对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的光通量输出进行控制。
在本发明的一个实施例中，反馈机构与第一电流感测机构30相耦合，该第一电流感测机构30可提供与提供给一个或多个第一发光元件的驱动电流有关的第一信息40。该反馈机构另外与第二电流感测机构35相耦合，该第二电流感测机构35可提供与提供给一个或多个第二发光元件的驱动电流有关的第二信息45。根据第一和第二信息以及期望的通用光，控制系统可为第一LEE驱动器25和第二LEE驱动器20产生相应的控制信号，从而对照明装置所产生的通用光进行控制。
在本发明的另一实施例中，反馈机构与光学传感器60相耦合，该光学传感器60被配置成提供与由照明装置所产生的通用光相关的光信息65。根据该光信息和期望的通用光，控制系统可为第一LEE驱动器25和第二LEE驱动器20产生相应的控制信号以便一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件产生期望的光输出。
在本发明的另一实施例中，使反馈机构与电流反馈机构和光学传感器相耦合，以对照明装置所产生的通用光进行控制。
可按照多种方式来对照明装置的光学系统进行配置，以便对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件所产生的光的第一和第二波长进行适当混和以便生成期望的通用光。该光学系统可包括一个或多个光学元件，这一个或多个光学元件被配置为反射元件、折射元件、衍射元件、散射元件、全息元件、或者如本领域普通技术人员所熟知的其他光学元件形式之一或其组合。
控制系统可利用控制形式之一或其组合来对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件的激活进行控制。例如可将该控制系统配置成使用如本领域普通技术人员所熟知的脉宽调制、脉码调制、模拟调制、或者其他控制形式以便对一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件进行控制。
在本发明的一个实施例中，因为典型的发光元件在FWHM带宽范围内发射总辐射通量的基本部分，所以可将可选的滤波器集成到照明装置中，其中可将该滤波器配置成使照明装置的光谱发射进一步变窄而不会不利地降低照明装置的光通量输出。
如本领域普通技术人员所熟知的，LED的主波长随LED结温而变。典型的温度变化取决于LED材料系统，并且对于蓝色LED而言大约为每摄氏度0.04nm并且对于琥珀色LED而言大约为0.09nm。在本发明的一个实施例中，照明装置进一步包括一个或多个滤波器补偿机构，这一个或多个滤波器补偿机构被配置成减轻由于一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件各自的操作结温所造成的它们的主波长漂移。
光污染补偿
因为根据本发明的照明装置所产生的通用光是利用两个基本上的单色光源产生的，因此观察者可以利用两个不同滤波器基本上除去照明装置所产生的光污染，这两个不同的滤波器即被选为基本上除去第一基本上单色光源所产生的光的第一滤波器和被选为基本上除去第二基本上单色光源所产生的光的第二滤波器。
在本发明的一个实施例中，琥珀色和蓝色发光元件分别用作一个或多个第一发光元件和一个或多个第二发光元件。如本领域普通技术人员所熟知的，发射出琥珀色或者蓝色光的LED典型地在它们的具有相对小FWHM的发射光谱中具有窄波峰。例如，对于丽讯(Luxeon)^TM蓝色LED而言，典型的FWHM值是20nm并且对于丽讯^TM琥珀色LED而言是14nm。因此，可以认为这些LED所发射出的光为许多实践目的而进行了定义，并且观察者可以利用适当窄带滤波器很容易地对其进行过滤，这会导致可得到的光(available light)在可见光谱之内有限的减少。例如，可见光谱从大约380nm延伸至大约780nm，并且对于观察者而言由上述所标识的适当窄带滤波器从其所除去的光代表小于大约10％的可得到的光。
如果用于户外照明应用，那么根据本发明的照明装置可能够提供相对高的发光效能和CRI。另外，根据本发明的照明装置可使光污染更可管理并且对于户外照明目的而言可提供充足的通用光。例如，根据本发明的照明装置可降低不期望的环境影响并且可提高可用于陆地天文观测的总的可使用的可见光谱。
在本发明的一个实施例中，可对照明装置进行控制以取决于照明装置的蓝色和琥珀色发光元件的相对辐射强度、使所发射出的光的色度基本上连续地从大约琥珀色经由大约白色而变化至大约蓝色。从而，可使照明装置进行操作以便降低环境影响。例如，在知道海龟登陆或者知道卵化雏龟回到广海的时间期间，将用于沿着某些沿海地区的道路及安全照明的照明装置从白色变为琥珀色。
显而易见地是，本发明的上述实施例是示例，并且可在许多方面做出变化。不应认为这种当前变化或者将来的变化脱离了本发明的精神和范围，并且对于本领域普通技术人员来说显而易见的是所有这种修改包含在权利要求的范围之内。