可調節出射光顏色的光源及其方法

2023-12-08 14:08:56

專利名稱：可調節出射光顏色的光源及其方法
技術領域：
本發明涉及光源的控制或調節技術，尤其涉及對出射光顏色的調節方法及使 用該方法的光源。
背景技術：
光源運用場合越來越多樣化，例如用於圖像投影，以背投電視(RPTV)或正 投影儀為例；或用於交通運輸工具，以汽車、船或飛機的前燈或照明燈為例；......不同運
用場合對光源色彩的要求各不相同。比如舞檯燈光需要具有不同的顏色；投影顯示領域所 適用光源的色溫可以從6500K變化到11000K。又比如對於通用照明光源，高色溫的適於工作
環境下使用，低色溫的一般提供給休息場合。
單一點光源，尤其傳統光源(包括電弧燈)本身的發光顏色較為固定。隨著固態光源
技術的發展，各種高功率高亮度的紅、黃、藍、綠、紫外以及白光等LED (Light Emitting Diode， LED)光源紛紛湧現，層出不窮，尤其出現一種LED，可以通過控制供電電壓來改變 輸出光的波長(顏色)，但其可實現變化的顏色種類還是很有限。
因此，綜合成本要求，特定顏色的現有光源一般賴以實現的主要技術方案有RGB混光 方案和螢光轉換方案。所述RGB混光方案是利用不同顏色，例如以紅、綠或藍基色為例的 光源為單位進行組合混光，從而得到不同顏色或色溫的光輸出。例如申請號為 200580043765.2的中國專利申請公開了利用調節兩種不同色溫的光源來產生可變色溫光源 的方案。申請號為2004100001848的中國專利申請公開了 一種利用藍光LED和黃綠光LED 來產生白光的方案，通過施以外部阻抗調整的手段來分別產生純白、黃白或藍白色光輸出。 它們的缺點都是需要多個顏色的發光光源。
另一種方式是利用單一光源配合螢光材料來產生不同顏色的光輸出。 一般使用至少兩 種以上可產生不同受激發光的螢光材料，按不同的比例進行混合及分布，從而在所述光源的照射下，獲得預定顏色的出射光。其缺點是螢光材料一經調配好，光源輸出的混合光顏 色屬性就已確定，且無法再產生單一顏色的光
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足之處，而提出一種光源 及其調節出射光顏色的方法，可以使光源在保持結構不變的前提下實現出射光顏色或色溫 較大範圍內的可調節和變化。
為解決上述技術問題，本發明的基本構思為在發光源的光輸出通路上加入一個運動 裝置，例如轉盤或移動盤，所述發光源的光只能入射到該運動裝置的一小區域；使所述運 動裝置具有至少兩個區域，分別對所述發光源的光具有不同螢光轉換特性；控制所述發光 源，使該運動盤的不同區域進入所述光輸出通路時，該發光源提供不同的光輸出功率，這 樣，相當於對每一所述區域，由對應螢光轉換物質產生的受激發光的強度可調，從而在單 一入射光的前提下，作為各區域受激發光的總和，出射光將實現顏色或色溫可調。
作為實現本發明構思的技術方案是，提供一種可調節出射光顏色的光源，包括激發光 源和至少一種受激材料，以及引導激發光線和受激發光以提供光源出射光的光通道，尤其 是，還包括一運動裝置，迎向激發光線提供一個被局部照射並始終處於運動狀態的平面或 曲面；該平面或曲面被分成至少兩個區域，因承載或不承載所述受激材料或因承載不同受 激材料而具有不同螢光轉換特性；所述光通道包括所述被局部照射的位置；還包括所述平 面或曲面中運動到該位置的部分，通過該部分對光線的反射或透射作用而相應改變或保持 此處光通道的方向；還包括一控制單元，控制所述激發光源的供電源，使該激發光源提供 隨時間強弱變化的激發光線，從而由所述光通道產生不同強度的受激發光和激發光線或不 同受激發光的混合光。
上述方案中，所述光源還包括一定位裝置，依據所述運動裝置的運動產生一賴以反饋 該運動裝置的位置的定位信號，提供給所述控制單元。
上述方案中，所述光源還包括一顏色/色溫設置單元，根據人工設置或光源預先設定的 顏色/色溫模式，輸出相應的控制時段信息給所述控制單元。
上述方案中，所述光源還包括一光探測器，對光通道中所述運動裝置之後的光輸出進行檢測並將檢測結果送往所述控制單元.
作為實現本發明構思的技術方案還是，提供一種可調節出射光顏色的方法，用於改變 光源出射光的顏色，包括步驟
A. 利用光通道將所述光源輸出的光引導向光輸出口； 尤其是，還包括步驟
B. 設置一運動裝置，使該運動裝置劃分為具有不同螢光轉換特性的至少兩個區域；
C. 啟動所述運動裝置，使各所述區域隨著該運動裝置的運動而輪換進入所述光通道； 同時通過一控制單元控制所述激發光源，使該激發光源光輸出功率隨時間發生變 化。
上述方案中，所述運動裝置為一運動盤。為轉動盤或移動盤；該運動盤或為透明材料 構成，或為非透明材料構成。
上述方案中，所述螢光轉換特性的不同指所述兩個或兩個以上區域對相同波長入射光 所具有的不同的波長轉換特性，通過各所述區域選擇使用不同的受激材料或有一個所述區 域不使用受激材料來實現。
上述方案中，所述受激材料是被以塗覆、填充或貼膜的形式施加到所述區域上的。
上述方案步驟B中，還在所述運動裝置上設置一定位裝置，用來提供一個據以推導該 運動裝置各所述區域的位置的定位信號給所述控制單元；相應地步驟C中，該控制單元控 制所述激發光源並使該激發光源的光輸出功率隨所述運動裝置的運動周期呈周期性變化。
上述方案中，在每一變化周期內，所述控制單元控制使所述激發光源的光輸出功率的 大小與當前進入光通道的所述區域相對應。
上述方案中，所述控制單元對所述激發光源的控制包括當所述運動裝置運動在所述 光通道中的區域不是具有預定的一種或一種以上螢光特性的區域時，控制關閉該激發光源， 以得到該一種預定螢光特性區域所對應的單色光或該一種以上預定螢光特性區域所對應的 混合光。
上述方案中，所述光源還包括一顏色/色度設置單元，根據人工設置或光源預先設定的 顏色/色度模式，輸出相應的控制時段信息給所述控制單元。上述方案中，所述光源還包括一光探測器，對光通道中所述運動裝置之後的光輸出進
行檢測並將檢測結果送往所述控制單元；該控制單元根據該檢測結果調整所述控制時段信 息。
採用上述技術方案，均可以在光源結構固定的前提下，實現出射光顏色較大範圍的調 節變化，同時具有結構簡單、實現成本低的優點。


圖l是本發明光源的光路結構實施例之一示意圖2是本發明光源的控制電路結構示意圖3是本發明光源的光路結構實施例之二示意圖4是本發明光源的光路結構實施例之三示意圖5是本發明光源的光路結構實施例之四示意圖； 其中，各附圖標記為10—一激發光源，11一一激發光線，11'一一激發光線的變換光 線；20—一運動裝置，21 — 一定位裝置；30—一透鏡；41、 42 ——光探測器。
具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。
現有包括激發光源和受激材料的光源一般採用的方法是利用光通道將由所述激發光 源出射的光引導向所述受激材料，進而引導受激發光往光輸出口。本發明用於改變光源出 射光顏色的調節方法基於上述方法，做了如下改進增設一划分為具有不同螢光轉換特性 的至少兩個區域的運動裝置；啟動該運動裝置，使各所述區域隨著該運動裝置的運動而輪 換進入所述光通道；同時通過一控制單元控制所述激發光源，使該激發光源光輸出功率隨 時間發生變化。
所述運動裝置可以是運動盤，包括轉動盤或移動盤。為了便於闡述，本發明暫以轉動 盤為例對使用上述方法的光源的光路結構示意如圖1。該光源包括激發光源10,例如但不 限於LED光源或雷射光源，所發射的激發光ll包括藍光或紫外光。該光源還包括至少一種 受激材料。所述受激材料包括螢光粉、染料或量子點，可以吸收激發光並發出不同於激發 光波長的光(本文稱"受激發光")，從而不同所述區域對相同波長入射光將具有不同的波 長轉換特性。
10相應地，所述轉動盤20迎向激發光線提供一個被局部照射並始終處於運動狀態的平面, 該平面沿圓周方向被分成4個環形區域，如20a、 20b、 20c、 20d所示分別承載一種受激材 料，所述受激材料可以是被塗覆在轉動盤上，也可先被製成薄膜再粘貼在轉動盤表面上(稱 之為"貼膜")；或者被填充在轉動盤上，例如本實施例中該轉動盤是由包括玻璃或樹脂在 內的透明材料構成，則所述受激材料可被填充在該透明材料中。
該光源的光通道包括一個或一組透鏡30,將激發光引導並照射往所述轉動盤20的局部。 因為每一所述區域20a、 20b、 20c、 20d均具有大於所述局部照射面積的表面，該光源中將 所述受激發光引導往光源出射面的光通道起於轉動盤上被局部照射的位置，包括運動到該 位置的轉動盤的一部分，通過該部分對光線的透射作用保持光通道方向不變，而出射光ll' 相對於原始出射的激發光11，顏色或色溫已經發生變化。
圖2示意了本發明光源的電路結構。包括一個控制單元，控制所述激發光源的供電源， 使該激發光源提供隨時間強弱變化的激發光線，從而由所述光通道出來的是由幾種強度變 化且不同的受激發光混合成的光，該混合光的顏色可以隨時間隨機變化，適用於舞臺照明。
圖3 5分別示意了本發明光源其它幾種典型的光路結構。
如圖3所示，所設置的運動裝置包括由不透明材料構成的轉動盤20,沿圓周被分成三 個扇形區域；該轉動盤迎向並被所述激發光線斜射，通過該轉動盤對光線的反射作用改變 所述光通道方向。
如圖4所示，所述運動裝置還可以包括轉簡20。本實施例以透明材料為例，設將所述 轉筒的旋轉曲面沿簡緣分成三個區域，激發光源10在所述轉簡20的內部提供激發光線並 通過光通道(未加以圖示)定嚮往一照射區域。
如圖5所示，所述運動裝置還可以包括矩形移動盤，由不透明材料構成，作直線往復 移動，被分成三個區域，通過該移動盤對光線的反射作用改變所述光通道方向。
上述幾種結構不是對本發明光源光路結構的窮舉，其它遵從本發明思想的結構也將在 本發明的保護範圍內。當將所述運動盤上各個區域設置成具有不同螢光轉換特性時，除了針對每個區域選擇 使用不同的受激材料外，也包括將其中一個區域設置成不包括任何受激材料的情況，從而 通過運動盤的反射或透射作用，激發光線的一部分也可以參與光混合。以圖1為例，若選
擇區域20a為不包括受激材料，區域20b、 20c和20d分別包括綠色螢光粉、黃色螢光粉和 紅色螢光粉，選擇所述激發光為藍色光，則本實施例光源輸出的為不同程度的一藍、綠、黃、 紅四色光的混合白光，可以在很廣範圍內實現色溫調節。不排除劃分區域較多，從而存在 兩個或兩個以上區域使用相同螢光材料的情況，但即使在該情況下，本發明光源至少還是 存在兩個或兩個以上區域具有不同螢光轉換特性。
根據光源的應用場合，除了上述隨機控制外，所述控制單元還可以提供更為複雜的控 制方式。例如控制使所述激發光源的光輸出功率隨所述運動裝置的運動周期呈周期性變化。 若在每一變化周期內，使所述激發光源的光輸出功率大小保持與當時進入光通道的所述區 域相對應，就可以得到預定顏色或色溫的穩定出射光。為此，必須在所述運動裝置上設置 一定位裝置，用來提供一個如圖2所示的定位信號給所述控制單元，據以推導該運動裝置 各所述區域的當前位置。基於此，以上述圖1實施例為例，可以提供的一種控制方式是 當所述轉動盤的運動使進入所述光通道的為其中三個區域(例如但不限於20a-20c)時， 所述控制單元控制關閉激發光源，以得到相應於區域20d的單一顏色的出射紅光。或者當 所述轉動盤的運動使進入所述光通道的為其中兩個區域(例如但不限於20a和20b)時，所 述控制單元控制關閉激發光源，以得到混合另兩個不同螢光特性區域的光，即黃光和紅光 的混合光.為了便於對這些控制方式做出選擇以得到預定顏色或色溫的出射光，本發明光 源有必要如圖2所示，還包括一個顏色/色溫設置單元，該單元根據人工設置或光源預先設 定的顏色/色溫模式，輸出相應的控制時段信息給所述控制單元。所述控制時段信息包括相 應於各區域的激發光源的通/斷時長及激勵信號特性。
在對光源顏色/色溫要求嚴格的領域，比如顯示器的背光場合，有必要對光源出射光能 否滿足要求進行檢測，因此，如圖2的虛線部分所示，本發明光源還可以包括一個光電檢 測探頭(如圖4的光探測器42所示)，對光通道中所述轉動盤之後的光輸出進行檢測並將 檢測結果送往所述控制單元；該控制單元根據該檢測結果調整所述控制時段信息，例如檢 測到單一顏色出射光的顏色不純時，調整相應區域的通/斷時長，直到檢測到預定顏色的純光為止。
上述控制單元通過改變激發光源的供電源來實現對激發光源輸出光功率的控制調整， 可以具體是，選擇改變激發光源的輸入電壓或輸入電流的大小，例如通過簡單的模擬電路 調整串聯阻抗來實現。當所述激發光源採用可高頻調製的LED或雷射時，為了實現更多的 控制目的和效果，可以使用數字電路調製來改變所述輸入電壓或輸入電流的波形，例如通 過調製控制電源開關管，給該開關管提供一個脈衝使電源以非常快的速度(避免閃爍)來 以其標稱電流完全點亮再關閉所述激發光源，從而改變該激發光源的光輸出功率。所述調 制包括脈寬調製、頻率調製或位角調製。其中脈寬調製是通過改變提供給所述電源開關管 的脈衝的寬度來實現的；頻率調製則固定所述脈衝的寬度，改變該脈衝的重複間隔來實現 對激發光源的所述控制；位角調製則是用一串二進位數據來產生對應的脈衝列(該脈衝列 中的每一脈衝持續時間由該脈衝對應的比特位值來唯一確定，例如最低位的為l單位時間， 次低位的為2單位時間，再次低的4、 8、 16……單位時間，依此類推)。對於不同的照明應 用要求，可採用相應的調製控制方式。因這些調製控制均為已有技術，不在此加以詳細舉 例。
上述各實施例中，當所述轉動盤或移動盤在伺服裝置的作用下產生運動時，所述伺服 裝置有可能輸出一個角度或位置相關的信號，該信號可以被用作為所述定位裝置的定位信 號。
所述定位裝置還可以如圖3所示，設置為轉動盤邊緣的一個突起21;在所述運動裝置 外設置一個對準預定位置的光檢測器或機電檢觸裝置，當該轉盤的運動帶動所述突起21到 達該預定位置時，產生一個觸發脈衝，用作為所述定位信號，提示區域20a的開始，進而 所述控制單元可以推演區域20b或20c進入或離開所述光通道的時刻。
與該檢測方式類似的方案如圖4所示在運動裝置外，靜止放置一光電發射及接收裝 置(例如用所述激發光源兼作為發射裝置，設置一個光探測接收裝置41);在運動裝置中固 定一反射塊或吸收塊，用來反射或吸收光電發射及接收裝置中所採用的光線(例如在轉簡 內壁設置一個反射塊21);這樣，所述反射塊21隨運動裝置運動時，將接通或阻斷接收裝 置41的光路，產生相應的脈衝信號用作為所述定位信號，反饋運動裝置的位置。
1另外，如圖4所示，所述光探測器42也可能被用作為所述定位裝置。將該光探測器42 放置在出射光路的邊緣，當該探測器的探測靈敏度隨不同區域受激發光的不同而變化時， 輸出信號的變化可用作為所述定位信號，來反饋該運動裝置的位置.
此外，還可以使用外加的光學圖像定位裝置通過圖像分析作光學定位。例如，利用一 個發光二極體來照亮所述運動裝置的一個表面，再將該表面反射回的一部分光線經過一組 光學透鏡導往一個光感應器件(微成像器)內成像。這樣，所述運動裝置的運動軌跡便會 被記錄為一組髙速拍攝的連貫圖像。最後利用該光學圖像定位裝置內部的一塊專用圖像分 析晶片(DSP，即數字微處理器，例如但不限於安捷倫科技公司光學滑鼠模塊ADNS3060所 採用的圖像處理器)來分析處理該系列圖像，通過對這些圖像上特徵點位置變化的分析來 判斷該運動裝置的運動方向和運動距離，給出所述定位信號。
較之簡化一點的是利用光柵尺來作光學定位，可以將線形或圓形光柵尺安裝在所述運 動裝置上，在運動裝置外安裝一光電探頭，從而通過"讀取"該光柵尺直接給出對應於不 同區域的定位信號。
權利要求
1. 一種可調節出射光顏色的光源，包括激發光源和至少一種受激材料，以及引導激發光線和受激發光以提供光源出射光的光通道，其特徵在於還包括一運動裝置，迎向激發光線提供一個被局部照射並始終處於運動狀態的平面或曲面；該平面或曲面被分成至少兩個區域，因承載或不承載所述受激材料或因承載不同受激材料而具有不同螢光轉換特性；所述光通道包括所述被局部照射的位置；還包括所述平面或曲面中運動到該位置的部分，通過該部分對光線的反射或透射作用而相應改變或保持此處光通道的方向；還包括一控制單元，控制所述激發光源的供電源，使該激發光源提供隨時間強弱變化的激發光線，從而由所述光通道產生不同強度的受激發光和激發光線或不同受激發光的混合光。
2. 根據權利要求l所述可調節出射光顏色的光源，其特徵在於還包括一定位裝置，依據所述運動裝置的運動產生一賴以反饋該運動裝置的位置的定位信號，提供給所述控制單元。
3. 根據權利要求1或2所述可調節出射光顏色的光源，其特徵在於還包括一顏色/色溫設置單元，根據人工設置或光源預先設定的顏色/色溫模式，輸出相應的控制時段信息給所述控制單元。
4. 根據權利要求3所述可調節出射光顏色的光源，其特徵在於還包括一光探測器，對光通道中所述運動裝置之後的光輸出進行檢測並將檢測結果送往所述控制單元。、
5. —種調節出射光顏色的方法，用於改變光源出射光的顏色，包括步驟A.利用光通道將由所述光源的激發光源出射的光引導向光輸出口；其特徵在於，還包括步驟B. 設置一運動裝置，使該運動裝置劃分為具有不同螢光轉換特性的至少兩個區域；C. 啟動所述運動裝置，使各所述區域隨著該運動裝置的運動而輪換進入所述光通道；同時通過一控制單元控制所述激發光源，使該激發光源光輸出功率隨時間發生變化。
6. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述運動裝置的每一所述區域具有大於所述光通道照射面的表面。
7. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述運動裝置為一運動盤。
8. 根據權利要求7所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述運動盤為轉動盤或移動盤；該運動盤或為透明材料構成，或為非透明材料構成。
9. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述螢光轉換特性的不同指所述兩個或兩個以上區域對相同波長入射光所具有的不同的波長轉換特性，通過各所述區域選擇使用不同的受激材料或有一個所述區域不使用受激材料來實現。
10. 根據權利要求9所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述受激材料包括螢光粉、染料或量子點。
11. 根據權利要求9所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述受激材料是被以塗覆、填充或貼膜的形式施加到所述區域上的。
12. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於-.步驟B中，還在所述運動裝置上設置一定位裝置，用來提供一個據以推導該運動裝置各所述區域的位置的定位信號給所述控制單元；相應地步驟C中，該控制單元控制所述激發光源並使該激發光源的光輸出功率隨所述運動裝置的運動周期呈周期性變化。
13. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於在每一變化周期內，所述控制單元控制使所述激發光源的光輸出功率的大小與當前進入光通道的所述區域相對應。
14. 根據權利要求5、 12或13所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述控制單元對所述激發光源的控制包括通過改變激發光源的輸入電壓或輸入電流的大小來改變該激發光源的光輸出功率.
15. 根據權利要求14所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述控制單元釆用脈寬調製、頻率調製或位角調製方式來改變所述激發光源輸入電壓或輸入電流的波形。
16. 根據權利要求13所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於，所述控制單元對所述激發光源的控制包括當所述運動裝置運動在所述光通道中的區域不是具有預定的一種或一種以上螢光特性的區域時，控制關閉該激發光源，以得到該一種預定螢光特性區域所對應的單色光或該一種以上預定螢光特性區域所對應的混合光。
17. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述的激發光源採用LED光源或雷射光源。
18. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述的激發光源的發射光為藍光或紫外光。
19. 根據權利要求5所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述光源還包括一顏色/色度設置單元，根據人工設置或光源預先設定的顏色/色度 模式，輸出相應的控制時段信息給所述控制單元。
20. 根據權利要求19所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述光源還包括一光探測器，對光通道中所述運動裝置之後的光輸出進行檢測並 將檢測結果送往所述控制單元；該控制單元根據該檢測結果調整所述控制時段信息。
21. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置被包括在所述運動裝置的伺服裝置內，所述定位信號為該伺服裝置 輸出的一個角度或位置相關信號。
22. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置為安裝在所述運動裝置邊緣的一突起，該運動裝置的運動使該突起 周期性地觸發一個光或機電的檢測信號，用作為所述定位信號。
23. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置為安裝在所述運動裝置中的一反射或吸收裝置，同時在運動裝置外 靜止安裝一光電發射及接收裝置，該運動裝置的運動使該光電發射及接受裝置接通或阻 斷，以產生所述定位信號。
24. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置為安裝在所述運動裝置外出射光路的邊緣的一光電探頭，該探頭的 探測靈敏度隨不同螢光特性區域發出光的不同而變化，從而隨所述運動裝置的運動該探 頭輸出信號的變化用作為所述定位信號。
25. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置為安裝在所述運動裝置外的一光學圖像定位裝置，包括一發光二極 管，一接收並記錄來自於該發光二極體並由所述運動裝置表面反射回來的光的光感應器 件，以及一專用圖像分析晶片，分析所述記錄並給出所述定位信號。
26. 根據權利要求12所述調節出射光顏色的方法，其特徵在於所述定位裝置為安裝在所述運動裝置中的一線形或圓形光柵尺，在所述運動裝置外 還安裝一光電探頭，從而通過"讀取"該光柵尺直接給出對應於不同區域的定位信號.
全文摘要
一種可調節出射光顏色的光源及其方法，所述光源包括激發光源和至少一種受激材料，以及將激發光/受激發光引導往光源出射面的光通道，尤其是，在所述光輸出通路上加入一個運動裝置，所述激發光只能入射到該運動裝置的一小區域；使所述運動裝置具有至少兩個區域，分別對所述激發光具有不同螢光轉換特性；控制所述激發光源使該運動裝置的不同區域進入所述光輸出通道時，該發光源提供不同的光輸出功率，從而由所述光通道產生不同強度受激發光的混合光。採用本發明，便於在單一入射光的前提下，低成本地實現出射光顏色或色溫可調。
文檔編號F21V14/08GK101498416SQ20081006536
公開日2009年8月5日 申請日期2008年2月2日 優先權日2008年2月2日
發明者力 徐, 屹 李 申請人:繹立銳光科技開發(深圳)有限公司