CN1343289A - 照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于投影图象的照明设备包括一个具有光发射窗(2)的外壳(1)。该外壳(1)中具有一个光源(3),一个用于引导光源(3)沿纵轴(5)方向发射光束的光学系统(4),和一个设置在相对于光轴(5)垂直方向的图象形成表面(6)。根据本发明,该光源为LED(3),该光学系统(4)包括一个用于将LED(3)所发射的光进行准直的准直元件(14)。优选地该照明设备仅包括一个LED(3),在工作期间具有至少为5lm的光通量。优选地,该外壳(1)还包括一个用于将准直元件(14)所发出的准直光束聚焦在图象形成表面(6)上的聚焦透镜(15),以及优选地包括用于投影图象形成表面(6)的图象的投影透镜(7,7’)。优选地准直元件的部分表现出全内反射。根据本发明的照明设备是一种体积小,重量轻,低能耗且低维护成本的照明设备。

Description

照明设备
本发明涉及一种利用光束投影图象的照明设备，包括
一个具有光发射窗的外壳，该外壳中包含有一个光源和一个用于将光源所发出的辐射引导到沿纵轴方向的光学系统，以及
一个设置在与该纵轴横向相切的光束中的图象形成表面。
这种照明设备本身是公知的。它们用在，特别是诸如舞台照明的剧场照明中，尤其是用于将图象或轮廓投影到舞台，屏幕，背景或幕布上。这些照明设备的其它应用包括将标志，文本或其它图象投影在建筑物表面或路面上，例如投影在橱窗前面，吸引潜在的顾客的注意。通常通过在外壳中设置移动镜面来提供动态效果。另外，所述照明设备通常包括多个图象形成表面，也被称为GOBO。在另一个实施例中，所述GOBO被固定在一个可旋转的透明板上，从而每一次照明设备成像不同的GOBO。
从EP-A 0253081中可以得到一种用作剧场照明的所谓的光图象发生器，其中使用卤灯或金属卤灯作为光源。使用一个反射镜将该光源所发出的光变成平行光束，并利用透镜将该平行光束聚焦到一图象形成表面上。然后，该图象形成表面被形成相应的图象。
上述类型的照明设备具有一个严重的缺点。它们通常具有非常大的尺寸，相当重且相当昂贵。另外，这种照明装置需要相当多的维护，例如必需定期更换灯。
本发明的一个目的是消除上述缺陷。更具体的说本发明的目的在于提供一种在开始段落中所提到的照明设备，其中可以获得更加简单和低廉的结构，同时具有相当低的能量消耗和相当低的维护成本。
为了达到这个目的，根据本发明的照明设备的其特征在于光源包括至少一个发光二极管，和一个包括用于准直光束的准直元件的光学系统。
发光二极管(LED)具有超过60,000小时的寿命，远远长于已知照明设备中所使用的卤灯或金属卤灯的寿命。另外，发光二极管具有相当低的能耗(大约1瓦而不是50-200瓦)。
使用光电元件，也被称为电光元件，例如诸如发光二极管(LED)的电致发光元件作为光源可以得到具有高光效率的照明设备。作为这个和其它因素的结果，使用发光二极管时光输出的减小与照明设备功率和尺寸的减小不成比例。
如果使用多个发光二极管，最好将它们设置成一个矩阵，每个LED与一个准直元件相联系。在另一实施例中，照明设备包括与多个准直元件相联系的多个发光二极管，使得不同颜色的各种图象有选择地或同时被投影。一个或多个LED可以与一个准直元件相联系。结果，LED的使用具有更多的优点，可能产生动态照明。如果不同类型的LED被组合在一起和/或使用不同颜色的LED，可以以一种所需的方式对颜色进行混合，还可以影响颜色的变化而不必使用例如所谓的彩色转盘。为了达到这个目的，根据本发明的一个优选实施例的照明设备包括一个用于改变LED的光通量的电子控制设备。用这种方法可以得到所需的彩色效果。LED的适当组合还能够获得白光，电子控制设备可以用于设置所需色温度，该色温在照明设备工作期间保持恒定。使用这种方法还能够使光通量变暗。注意到电子控制装置通常安装在外壳中。不过原则上，电子控制装置可以设置在外壳的外部。
已知照明设备的另一个缺点是在照明设备工作期间，所使用的光源实际上以IR辐射的形式发射相当多的热量。另外，这种光源产生相当多的UV-辐射。结果，在照明设备中不可能使用合成树脂作为光学元件。已经发现光学系统中由合成树脂所制成的元件在UV-辐射的影响下易于降质和/或在IR-辐射影响下熔化。因而，已知照明设备中的光学系统由玻璃制成。由于LED与气体放电灯或卤灯相比产生更小的辐射热和/或UV光，在根据本发明的照明设备中可以使用合成树脂作为光学系统中用于对光源所发出的光进行引导的部分。发光二极管的温度远低于已知照明设备中灯的温度(大约50℃与大约200℃的比较)。另外，将照明设备外壳中的光程与光源适配是可能的。另外，与玻璃部件相比，可以相当容易并经济地制造具有这种应用所需要尺寸精确度的合成树脂光学部件。在这方面，使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)的光学系统可以得到满意的结果。
通过使用环绕发光二极管的准直元件，可以不使用已知照明设备中的反射镜。在工作过程中该准直元件使发光二极管所发射的光成为平行光束。在准直元件中，最好是发生反射和光的全内反射，不使用已知照明设备中反射镜上的反射膜。
根据本发明的照明设备体积小，重量轻并且具有低能耗和低维护成本。
根据本发明一个实施例的照明设备的其特征在于该光源包括单一发光二极管，在工作时其光通量至少为5lm。
使用单一LED的优点是可以得到非常小型的照明设备。目前，在市场上可以买到所谓的高效率，高输出LED。每个LED的光通量至少为10lm，最好是每个LED的光通量大于30lm。使用这些高功率的LED能够制造出具有非常紧凑框架的照明设备。
本发明一个较好实施例的照明设备的其特征在于，该LED固定在一个金属芯印刷电路板上。如果LED装备在这种金属芯印刷电路板(MC-PCB)上，LED或多个LED所产生的热通过热传导非常容易地通过PCB扩散掉。在仅具有一个LED的光源的照明设备中，不必要使用MC-PCB。
根据本发明一个较好实施例的照明设备的其特征在于外壳由金属制成，并具有散热片，该金属芯印刷电路板通过一个导热连接与金属外壳连接在一起。优选地是通过将MC-PCB固定在与该金属外壳连接在一起的金属板上来实现这种导热连接。在这个实施例中，通过热传导，利用MC-PCB和金属板将LED或多个LED中所产生的热扩散到外壳和散热片中，导致热被扩散到环境中。它的一个优点是与已知照明设备不同，不必要使用强制空气冷却来进行散热。与已知的使用卤灯或金属卤灯的光源不同，用作光源的LED不发热。LED所产生的热通过热传导散失掉。
在照明设备的优选实施例中，该光学系统还包括一个将被准直光束聚焦在图象形成表面上的聚焦透镜。在照明设备的优选实施例中，准直元件和聚焦透镜集成为一个整体。这导致该照明设备具有更大的紧凑度。在照明设备的另一个实施例中，聚焦透镜为菲涅耳透镜。该聚焦透镜最好由诸如PMMA或PC的合成树脂组成，通过注入模制可以得到所需的光学菲涅耳结构。
在一个优选实施例中，该照明设备还包括一个用于投影图象形成表面的图象的投影透镜。最好是，该投影透镜为菲涅耳透镜。这形成了更加紧凑的照明设备。这种菲涅尔透镜最好由例如PMMA或PC的合成树脂制成。为了避免透镜误差，投影透镜最好采用非球面透镜。在另一个实施例中，投影透镜包括衍射结构，可产生更高的图象质量(透镜误差的校正)。
从下面参照实施例的描述中本发明的这些和其它方面特点将是显而易见的。
在附图中：
图1为根据本发明一个例子的照明设备的透视图；
图2A为图1所示的根据本发明的照明设备的剖面图，部分为剖面部分为透视；
图2B为包括集成在一起的准直元件与投影透镜的LED的剖面图；
图3A为包括一准直元件实施例的LED的剖面图；
图3B为包括采用菲涅尔透镜作为准直元件的实施例的LED的剖面图；
这些图纯粹是示意性的，没有按比例画出。特别是为了清楚，某些尺寸被大大夸大了。在附图中，尽可能使相同附图标记代表相同部分。
图1为根据本发明的通过光束投影图象的照明设备一个实施例的示意性透视图。该照明设备包括一个具有设置在调节元件71中的光发射窗口2的外壳1，该调节元件可以相对外壳1运动。在工作中，该照明设备沿纵轴5发射光束。该外壳设置有散热片11并被支架20支撑，在本例中支架20放在三个挠性腿21，21’上。该照明设备可以被悬挂起来或被装备一个灯帽，如E14或E27型。
图2A示意性地给出了部分为剖视部分为透视的根据本发明如图1所示照明设备的剖面图。外壳1具有散热片11并由放在挠性腿21，21’上的支架20支撑。该外壳1还包括一个允许电接线电缆穿过的开口9。该外壳1还包括操作LED3所需的电子控制设备(为了清楚图2A中没有给出)。如果需要，该电子控制设备可以设置在外壳1的外部。
该外壳1中具有一个光源3和一个用于引导光源3沿纵轴5发光的光学系统4(参见图2B)。该外壳1还包括一个设置在与纵轴5横向相切的光束中的图象形成表面6。该图象形成表面6也可以被称为GOBO(用于戏剧和电影词汇的缩写：“Go BlackOut”)。GOBO通常包括一个用于有选择地透光的掩模的薄金属片，或者可以由其上具有的(彩色)玻璃制成。该图象形成表面6还可以包括一个所谓的小饼(Cookie，来源于希腊语kukaloris)，使光发生折射。通常，照明设备包括多个固定在可旋转透明板上的GOBO，每次该照明设备成像不同的GOBO。
根据本发明，该光源包括一个设置在照明设备外壳1中的发光二极管3。该光学系统4包括一个用于准直光束的准直元件14。在图2A和2B所给出的例子中，集成元件4具有准直功能和聚焦功能。
由于本发明照明设备中使用LED而不是现有技术照明设备中已知的光源，最好使用包括诸如广告文本和/或标志图象和/或公司品牌的透明正片的光学透明合成树脂制成。
在图2A的例子中，该外壳包括一个LED3和一个与LED3相连系的图象形成表面6。用这种方法可以得到结构非常紧凑的照明设备。沿纵轴5测量的包括光发射窗2的外壳1的长度在5到10cm之间。已知照明设备的长度通常为30到100cm。
为了得到具有高光输出的照明设备，可以使用所谓的LED功率组作为光源。例如，可以使用“Barracuda”(Hewlett-Packard)型的高效率，高输出LED。对于红光LED每个LED的光通量为10lm，对于绿光LEDs每个LED的光通量为13lm。这些高效率，高输出LED的使用具有特殊的好处，为了满足所需的相对高的光输出，LED的数量可以相对小。这有助于制造出小型化和高效率的照明设备。在另一个实施例中，使用“Prometheus”型LED(Hewlett-Packard)作为高效率，高输出LED，对于红色LED每个LED的光通量为35lm，对于绿色LED每个LED的光通量为30lm。通过使用一个或多个高效率，高输出LED作为光源，可以得到其亮度可与已知照明设备相比拟的日光可视的照明设备。
优选地，LED3固定在金属芯印刷电路板13上。具体来说该金属芯印刷电路板13通过导热连接与具有散热片11的金属外壳1相连接。优选地通过将MC-PCB 13与金属外壳1直接或通过一金属板连接在一起来实现这种导热连接。通过(热)传导，LED或多个LED中所产生的热可以经由MC-PCB13扩散到外壳1和散热片11，在这个过程中产生了环境散热。这个结构的优点就是不需要象传统照明设备那样用风冷进行散热。
如图2A所示，照明设备中的光学系统4还包括一个用于将被准直的光束会聚到该图象形成表面6的聚焦透镜15。在给出了图2A中光学系统放大比例的图2B中可以看出LED3与准直元件14组合在一起，而准直元件14与聚焦透镜15组合在一起，形成一个集成在一起的整体。该集成元件4具有准直功能和聚焦功能。该LED3设置在MC-PCB13上，具有光轴25并包括一个在工作中发光的主体21。在图2B所给出的实施例中，该LED3的主体21具有一个透光壳体21’，例如以透镜的形式。该准直元件14和聚焦透镜15一起形成光学系统4，具有光轴25’，光轴25’与LED3的光轴25重合。在照明设备的另一实施例中，采用菲涅尔透镜作为准直元件(参见图3B)。
图2A所示的照明设备还包括用于投影图象形成表面6的图象的投影透镜7，7’。在图2A所示的实施例中使用两个投影透镜7，7’，将相对于外壳1处于固定位置的投影透镜称为第一投影透镜7，将安装在以可移动方式(例如通过螺旋运动)设置在外壳1上的调节部件71中的投影透镜称为第二投影透镜7’，从而投影透镜7可以沿纵轴5运动。以这种方式，可以得到图象形成表面6的清晰图象。在照明设备的另一实施例中，聚焦透镜采用菲涅尔透镜。优选地，该聚焦透镜由合成树脂制成。
图3A为与LED33相关的准直元件34的实施例中LED33的剖面图。LED33具有光轴35并由在工作中用来发光的主体31组成。在图3A的例子中，LED33的主体31被提供有一个透光壳体31’，例如具有透镜的形式。准直元件34具有光轴35’，与LED33的光轴35重合。选择准直元件34的形状使得LED33所发射的光束沿着与准直元件34的光轴35’平行的方向由光学系统发出(图中示意性地给出了光线穿过准直元件34)。由于这种设计，在前进方向LED33的强度增加(平行于光轴35)。为了达到这个目的，准直元件34的表面38，38’是弯曲的，使得LED33所发射并照射在表面38上的光在穿过表面38’后成为平行光束，该光束沿着平行于准直元件34的光轴35’的方向延伸(折射)。另外，准直元件34的表面39；39’和相关表面40；40’是弯曲的，使得LED33所发射并照射到表面39；39’的光在表面40；40’的方向完全反射，当穿过表面40；40’后，形成平行于准直元件34的光轴35’方向延伸的平行光束(全内反射)。从而可以省略反射膜。
图3B为另一实施例的照明设备的示意性剖面图，该照明设备包括一个LED43和一个使用菲涅尔透镜44的准直元件。LED43具有光轴45并由在工作中用于发光的主体41组成。在图3B的例子中，该LED43的主体41具有透光壳体41’，例如以透镜的形式。准直元件44具有光轴45’，与LED43的光轴45重合。在这个例子中，准直元件44采用菲涅尔透镜，使得LED43所发射的光穿过光学系统并沿平行于准直元件44的光轴45’的方向发射。
显然，对于本领域技术人员来说在本发明范围内可以具有多种变形。
本发明所保护的范围不限于上面所给出的实施例。本发明体现在每个新颖特性和特性的组合。权利要求中的参数不限制所保护的范围。词语“包括”不排除存在那些在权利要求中没有提到的元件。在元件前面使用“一个”不排除存在多个这种元件。

Claims (12)

1.一种利用光束投影图象的照明设备，包括：
一个具有光发射窗(2)的外壳(1)，外壳(1)中具有一个光源(3)和一个用于引导光源(3)沿纵轴(5)方向发射光束的光学系统(4)，以及
一个设置在与纵轴(5)横向相切的光束中的图象形成表面(6)，
其特征在于
该光源包括至少一个发光二极管(3)，并且
该光学系统(4)包括一个用于准直光束的准直元件(14)。
2.如权利要求1所述的照明设备，其特征在于该光源由单个发光二极管(3；33；43)组成，在工作中其光通量至少为5lm。
3.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该准直元件(34)的部分(39，39’)表现出全内反射。
4.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该准直元件(34)面对发光二极管(33)的表面(38，40，40’)是弯曲的。
5.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该光学系统还包括一个将该准直光束聚焦在图象形成表面(6)上的聚焦透镜(15)。
6.如权利要求5所述的照明设备，其特征在于该准直元件(14)和聚焦透镜(15)集成为一个整体。
7.如权利要求5所述的照明设备，其特征在于该聚焦透镜采用菲涅尔透镜(44)。
8.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该照明设备包括一个用于将图象形成表面(6)的图象进行投影的投影透镜(7，7’)。
9.  如权利要求8所述的照明设备，其特征在于该投影透镜采用菲涅尔透镜。
10.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该发光二极管(3)安装在一金属芯印刷电路板(13)上。
11.如权利要求10所述的照明设备，其特征在于
该外壳(1)由金属制成，并具有散热片(11)，以及
该金属芯印刷电路板(13)通过导热连接与金属外壳(1)相接触。
12.如权利要求1或2所述的照明设备，其特征在于该照明设备包括用于改变发光二极管(3；33；43)的光通量的电子控制设备。
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