CN101680620B - 光学器件保持和定位设备以及照明组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将诸如折射透镜的光学器件保持和定位在诸如发光二极管的光源之上的设备。折射透镜是平截头体形的，其具有带上部边缘的光出射端、下部光入射端以及从上部边缘至下部端呈锥形的圆锥形侧壁。该设备具有通道，其包括底部以及从底部的相对侧边缘延伸的第一和第二侧壁，并且还具有一个或多个光学器件保持位置。该光学器件保持位置包括形成在底部中的孔，其配置以接收光学器件的圆锥形侧壁，以及形成在每个侧壁一部分中的孔，邻近底部中的孔，用于保持光学透镜的上部边缘的一部分。该孔可以包括槽开口，光学透镜的上部边缘的一部分至少局部延伸穿过该槽开口。

Description

光学器件保持和定位设备以及照明组件

技术领域

本发明总得涉及一种照明装置，并且更具体地涉及一种用于定位光学器件以分配来自一个或多个光源的光的设备。本发明尤其有助于分配从一个或多个发光二极管LED)所发射的光，如本文所述，但是也涉及分配由任何类型的光源所产生的光。 

背景技术

随着LED的质量和能量效率已经改进，LED的生产成本已经下降，并且LED正在照明应用领域中被普遍使用。从开始的将LED结合到照明固定设备中已经包括将LED改进到传统光源内或传统光源上，或成为传统照明灯的形状。 

一些LED以实质上朗伯(lambertian)图案发射光。为了引导来自这种LED的光，通常使用诸如折射透镜的光学器件捕获来自LED的至少小角度的光，并且以所需方向和图案引导该光。透镜和/或反射器是常规使用的光学器件。其上安装或制成LED的LED设备或印刷电路板(“PCB”)的主体，在支撑支柱等的协助下，常规地支撑透镜。光学透镜常规地被附加至至LED设备或者PCB上，每次一个透镜，并且以不可逆的方式，因为移除透镜(例如，如果不正确地安装)通常导致破坏包括在装备中的支柱或其它构件。因此，通常需要提供改进和有效方式的具有光源的相关光学器件，并且将LED发光构件结合在照明装置和光源内。 

发明内容

本发明涉及一种用于保持和定位至少一个、并且典型地多个用于与一个或多个光源相关联的光学器件的设备，所述光源将在优选实施例中描述为LED的排列。 

该设备包括通道，该通道包括具有孔的底部部分，所述孔被配置成在 其中接收光学器件的第一端，以防止光学器件在第一轴向上的移动，以及相对的侧壁部分，该侧壁部分从底部部分的相对侧延伸，每个侧壁部分被配置成保持光学器件的上边沿的相对部分，以防止光学器件在第二轴向上的移动。侧壁可以垂直于底部延伸，或可以以一角度向内或向外偏离垂直方向。侧壁可以与底部整体地形成为单元，诸如通过沿着线折叠平面元件以形成底部和侧壁。 

在本发明的一个方面，该设备包括至少一个、并且更典型地多个光学器件保持位置。该设备可以是伸长的，沿着其长度具有多个光学器件保持位置，如本文所示和所描述的。 

在另一方面，该光学器件包括平截头体形状的透镜，用于将从相关联的LED发射的光折射成预定图案，该透镜具有带上边沿的上光出射端、典型地包括空腔的下光入射端，并且从上边沿至下端逐渐变细的圆锥形侧壁。在光学器件保持位置处形成通过底部的孔典型地是圆形的，并且具有环形边缘，该环形边缘匹配平截头体形状的透镜的典型圆形周边。当光学器件被布置在通道内、在侧壁之间、使其光入射端延伸通过底部的孔时，孔的环形边缘在环形界面处接合光学器件的圆锥形侧壁，防止光学器件在轴向上(本文称为-Z方向)的进一步移动。孔的环形边缘还阻止至少光学器件的光入射端的侧向(本文称为±X方向)移动和纵向(本文称为±Y方向)移动。 

每个相对的侧壁部分被配置成阻止光学器件的光出射端在+Z方向上的移动，并且还可以当光学器件的出射端被保持在设备中时阻止光学器件的出射端的侧向(±X方向)移动、或纵向(±Y方向)移动、或在该两个方向上的移动。 

在本发明又一方面中，由形成在每个侧壁内、邻近该底部的孔的槽开口来保持每个光学器件的光出射端。如果光学器件是环形的和平截头体形的，槽开口具有上边缘，该上边缘接合典型地是线性段的光学透镜的上边沿，以及弯曲的下边缘，该下边缘与上边缘相交并且提供了对于光学器件的圆锥形侧壁的一部分的间隙，并且通常与其接合。作为选择地，每个槽开口可以是矩形的、三角形的或其它形状，并且上边缘不需要是线性的，而可以是弯曲的或者形状不规则的。当操作平截头体形状的光学透镜进入 或在光学器件保持位置处的通道内、其光入射端延伸通过底部的孔时，光学器件的上边沿的一部分至少局部地延伸通过每个槽开口，由此槽开口的上边缘阻止了光学器件在+Z方向上的移动。典型地，每个侧壁部分被刚性地固定于通道的底部部分，并且可选择地与通道的底部部分整体地形成。设备的材料优选地足够柔韧，以允许侧壁向外、远离另外的侧壁弯曲，足以允许光学器件的相对边沿部分超过侧壁的远端边缘并且进入或通过槽开口，以有利于光学器件的插入和移除。 

在本发明又一方面，侧壁中的一个或两个可以具有从其远端边缘延伸的可选择的凸缘部分，典型地相对于中心底部向外。一个或两个向外延伸凸缘部分可以与邻近的第二通道相关联，该第二通道具有一个或多个另外的光学器件保持位置，以形成光学器件保持位置的矩阵。 

在本发明的又一方面，侧壁可以在其远端边缘处包括向内延伸的上部凸缘，该上部凸缘从侧壁的远端边缘延伸，并且延伸过上部边沿的一部分，并且典型地光学器件的光出射面的至少一部分。向内延伸的上凸缘的边缘可以被弯曲以符合光学器件边沿的形状，以限制由凸缘覆盖的光出射面的面积。在该方面中，侧壁被典型地间隔开大于光学器件边沿的直径的距离。 

在本发明的又一方面，底部和侧壁可以被形成为具有下底部部分和相对的上侧面部分的弯曲单一表面，在该下底部部分中形成孔，如上所述在该上侧面部分中形成槽开口，或如上所述从该上侧面部分延伸上部凸缘。 

在本发明的又一方面，本发明的设备被可移除地固定至一个或多个光源，诸如举例而言，具有多个LED的基底。 

本发明还涉及光学器件保持和定位设备的装饰性形状和设计，如图中所示。 

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例的分解视图，包括LED照明组件，该照明组件包括保持多个光学透镜的光学器件保持和定位设备，其可定位在LED发光板上。 

图2示出了沿着图1的线2-2获取的图1的光学器件保持和定位设备的光学器件保持位置的侧向横截面视图。 

图3示出了沿着图1的线3-3获取的图1的光学器件保持位置的纵向横截面视图。 

图4示出了沿着图1的线4-4获取的具有光学透镜的图1的光学器件保持和定位设备的光学器件保持位置的侧向横截面视图。 

图5示出了保持多个光学透镜的本发明的光学器件保持和定位设备的第二实施例。 

图6示出了沿着图5的线6-6获取的光学器件保持和定位设备的第二实施例的光学器件保持位置的侧向横截面视图。 

图7示出了沿着图5的线7-7获取的光学器件保持和定位设备的第二实施例的光学器件保持位置的纵向横截面视图。 

图8示出了沿着图5的线8-8获取的具有光学透镜的光学器件保持和定位设备的第二实施例的光学器件保持位置的侧向横截面视图。 

图9示出了光学器件保持和定位设备的第三实施例。 

图10示出了LED照明组件，包括与LED发光板相关联的图1的光学器件保持和定位设备。 

图11示出了沿着图10的线11-11获取的图10的LED照明组件的侧向横截面视图。 

图12示出了包括图1-4中所示结构的两个通道的光学器件保持和定位设备的第四实施例，整体地连接以协助照明组件，该照明组件具有带有相关联的光学透镜的LED的二维排列。 

具体实施方式

图1-4示出了光学器件保持和定位设备10的第一实施例，具有伸长的通道元件12，其包括细长的平面底部14、相对的第一和第二侧边缘15、以及相对的第一侧壁22a和第二侧壁22b，每个侧壁具有从底部14的各个第一和第二侧边缘15延伸的近端边缘23和远端边缘25。侧壁22a、22b稍向外倾斜。侧壁可以、但是并非必须与底部整体地形成为单元，例如通过折叠平面元件(例如，金属片)。底部14和侧壁22a、22b可以由本领域普通技术人员显然已知的其它方法来形成。设备10还包括至少一个光学器件保持位置。每个光学器件保持位置包括形成在底部14中并且通过该底部14 的孔16，以及相对的槽开口32，各一个槽开口32形成在各个相对的侧壁22a、22b中，横切地邻近形成于底部中的孔16。 

在每个光学器件保持位置处形成的通过底部的孔16是圆形的，并且具有环形边缘18，以符合图中所绘示的平截头体形状的光学器件60。当光学器件60被布置在通道12内、在侧壁之间，其光入射端62延伸通过底部的孔16时，环形边缘18在环形界面67处接合光学器件60的圆锥形侧壁64的圆周，防止光学器件在轴向上(本文称为-Z方向)的进一步轴向移动。孔16的环形边缘18还防止至少光学器件62的光入射端的侧向(本文称为±X方向)移动和纵向(本文称为±Y方向)移动。因此，孔16的环形边缘18提供了相对于LED或其它光源将光学器件62的光入射端定位在X-Y平面中和Z方向上，光学器件60被与LED或其它光源相关联地定位。如果光学器件60的周界具有非环形形状，每个相关联的孔16的形状可以同样地从环形改变以符合光学器件60的形状。在一个实施例中，光学器件60包括从Khatod可获得的PLN 19306透镜，并且LED中的一个或多个包括Nichia NS6W-083系列的LED。 

槽开口32形成在每个侧壁内并且通过该每个侧壁，相对于底部的孔16横放并且邻近该孔16。每个槽开口32具有上边缘34和下边缘36，该上边缘34是接合光学器件的上边沿68的线性段，下边缘36为典型地远离上边缘34凸起地弯曲，以接合光学器件60的圆锥形侧壁64的一部分69，从而槽开口32类似于月牙形状。如图4中所示，当光学器件60被布置在槽13内时，槽13由在侧壁22a、22b之间的通道12所限定，其光入射端62延伸通过底部的孔16，光学器件60的上边沿68的一部分延伸通过每个槽开口32，由此槽开口32的上边缘34限制光学器件60在+Z方向上的移动。相对的侧壁22a、22b中的槽开口32的上边缘34形成在平面90中，该平面90偏离底部14的顶表面的平面92(参见图2)，该偏离距离稍大于在光学器件边沿68的平面94和通过光学器件的圆锥形侧壁64的圆周上的环形界面67的平面96之间的距离(参见图4)。该稍大的距离允许光学器件60被向下定位在底部的孔16内，在槽开口32的上边缘之下具有边沿68的足够空隙。典型地，每个侧壁22a、22b被刚性地与底部14固定，但是可以向外弯曲远离另外的侧壁，足以允许光学器件60的相对边沿部分68经过 远端边缘25，并且进入槽开口32。一个或两个侧壁22a、22b还可以被向外弯曲，以从设备10移除光学器件60，而不破坏光学器件或相关联的发光板或光源。具有槽开口32的侧壁22a、22b可以具有可选择的凸缘部分28，该凸缘部分28与其远端边缘25形成整体并且从其远端边缘25延伸，典型地相对于中心底部14向外。可以使用可选择的凸缘部分28以有助于在其安装或光学器件60的安装或移除期间而安装设备10或操作设备10。所述和所示的槽开口32仅是将光学器件60固定在设备10中的一种方式。其它方式包括连接附加结构以接收光学器件60，或者诸如通过螺丝、粘合剂等而机械地连接光学器件60。以一种这样的方式，可以消除槽开口32，并且通过抵靠侧壁22a、22b的摩擦或者通过诸如仅借助于粘合剂而固定至底部14来保持光学器件。 

图5-8示出了光学器件保持和定位设备10的第二实施例，其中侧壁122a、122b具有向内延伸的上凸缘42，该上凸缘42从第一和第二侧壁122a、122b的远端边缘25延伸，越过光学器件60的边沿68以及光学器件60的光出射面66的至少一部分。向内延伸的上凸缘42的远端边缘示为具有多个朝向远端边缘25的向内(凸起的)弯曲部分，由多个向外延伸的部分44所分开。向内(凸起的)弯曲部分43符合光学器件边沿68的弯曲形状，以限制由凸缘42所覆盖的光出射面66的面积。该实施例中的侧壁122a、122b不需要图1-4的实施例的槽开口32，以在纵向+Y方向上限制光学器件60。侧壁122a、122b可以被间隔开大于光学器件边沿的直径的距离，同时将光学器件保持和封闭在槽13内。光学器件60的安装和移除可以通过弯曲一个或两个侧壁122a、122b来完成，以允许光学器件60越过(clear)凸缘42。 

图9示出了设备10的又一构造，其中槽13形成有弯曲的底部214和壁222a、222b，而不是如图1-4中所示的实施例中的平坦的，但是以相同的方式并且为了相同的目的而使用了槽开口32。 

光学器件保持和定位设备10可以被固定在LED发光板50上的合适位置，以在各个LED 52上附加和定位光学器件60的排列或矩阵，以形成如图10和11所示的LED发光组件1。LED发光板50通常包括基底51，其上安装有至少一个LED 52，但是更通常安装有多个LED 52。基底51可以被 配置成将布置在其上或产生于其中的多个LED定位成线性或弯曲的阵列、或成具有多个线性或曲线行的矩阵、或成任何可想象的矩阵或图案。LED可以是任何类型和具有任何能力。在一个实施例中，可以采用Nichia NS6W一083系列的LED。可以预期其它的LED。 

基底51典型地是发光板，并且更典型地是PCB。用于控制LED并对其供电的电路还可以被安装或建造在PCB上，或者远程地定位。在一个合适的实施例中，LED 52是白色LED，每一个包括基于氮化镓(GaN)的发光半导体设备，该发光半导体设备耦合至包含一种或多种磷光体的涂层。基于氮化镓的半导体设备发射蓝光和/或紫外线范围的光，并且激励磷光体涂层产生更长波长的光。所组合的光输出近似为白光输出。例如，产生蓝光的基于氮化镓的半导体设备可以与黄色磷光体组合以产生白色光。作为选择地，产生紫外线光的基于氮化镓的半导体设备可以与红色、绿色和蓝色磷光体以产生白光的比率和布置而组合。在又一合适的实施例中，使用彩色的LED，诸如发射红色或绿色光的基于磷化物的半导体设备，在这种情况下，LED发光板50产生相应颜色的光。在又一合适的实施例中，如果需要，LED发光板包括以所选图案分布在PCB上的红色、绿色和蓝色LED，以使用红绿蓝(RGB)色彩组合配置产生所选颜色的光。在该后者示范性实施例中，通过以选择的光强度来选择性操作红绿蓝LED，LED发光板可以被配置成发射可选择的颜色。 

在典型实施例中，基底51包括诸如FR4板的PCB、和金属芯板或带，使用导热的粘合剂或环氧树脂将该金属芯板或带层压至FR4板。典型地，使用导热的粘合剂将金属芯带结合到平面底部(例如，凹进部的底面)，以将基底51固定至平面底部。FR4(耐火材料4的缩写)是用编织玻璃纤维垫加强的环氧树脂的合成物。金属芯协助从LED的散热。LED自身典型地具有与LED外壳形成整体的专用的小块，以将由内部芯片产生的热量远离LED传导，如本领域中所熟知的。FR4板典型地具有铜顶层，其可以包括平坦化的铜连接器或轨迹(traces)的网络，用于在部件之间形成电连接并且用于将热量远离LED传导。 

在备选实施例中，基底包括非金属、非导电性板，典型地是FR4板，但是不包括金属芯层，其被直接附加或连接至平面底部，以提供金属芯的 散热功能。作为粘合珠或层的导热粘合剂或环氧树脂将板结合至底部。使用无金属芯的FR4板通过消除金属芯而减少LED发光板的成本，其导热功能由平面底部承担。此外，金属芯的消除表明了提供挠性或可弯曲的基底的机会，该基底可以被安装在非平面、弯曲的表面内或被连接于该表面上。该基底可以包括一对由第二铜或导电层分开的FR4板。该对FR4板中的每一个典型地较薄，以最小化对热传导的阻抗，同时第二铜或导电层增强了远离LED的热传导。第一铜层或第二铜层中的任一或两者是铜连接器或轨迹的网络，同时另一个主要是传热辅助。 

在这点上，已经描述了本发明的设备主要是与LED光源使用。然而，本发明的设备10可以采用至今已知或以后创造的任何类型的光源。 

设备10可以与发光板50间隔开所选择的距离，这在一个或多个位置处使用垫圈73而将每个光学器件60与相关联的光源(示为LED)间隔开。图1和11示出了布置在发光板50和设备10之间的多个垫圈73，螺栓71经过设备10的底部14中的孔，以将设备保持至发光板50。垫圈73使得光学器件保持和定位设备10从发光板50的发光板50垂直地(+Z)位移预定的距离，以将光学透镜60的光入射端62和空腔63定位于LED 52上预定的距离。光学透镜的空腔63优选地向内凹入，以允许光学器件围绕LED52，以捕获和控制尽可能多的由LED发射的光。空腔63的向内凹入部分可以具有圆柱形状，如图所示，或者可以具有抛物线或其它曲线形状。垫圈73的间隔功能可以由备选结构实现，诸如衬套或其它等同结构，如本领域普通技术人员将理解的，并且典型地由橡胶、塑料或其它弹性材料制成，但是也可以使用金属或硬塑料。 

光学器件保持和定位设备10典型地由金属或塑料片形成，其优选为操作时是重量轻的、柔韧的，并且是弹性的以便于保持其形成的形状。在本发明的一方面，设备的片材是导热的，以协助消散由光源产生的热量，并且在光学器件侧面上具有反射面。选择片材的厚度以提供足够的弹性以维持形状，有足够的柔韧性以允许操作光学器件进入光学器件保持位置。铝片是优选的，其具有至少10密耳(mil)的厚度，并且更典型地为约50密耳至200密耳的厚度，并且在设备的光学器件定位侧上具有高反射表面，诸如Miro-4(最小95％的反射系数)。优选地为镜面铝，但是也可以预期 其它材料。 

在优选实施例中，LED发光板50的至少一个LED包括一排列中的多个LED。该排列可以包括LED的直或弯曲线、LED的行和列矩阵或任何其它预定的图案。LED的排列或矩阵可以是常规或相等间隔的LED的图案，或者是任意间隔的。LED可以被布置在相同的X-Y平面中，或者在Z方向上从另外的平面偏移的多个X-Y平面中。根据LED的预定图案，光学器件保持和定位设备10提供至少一个光学器件保持位置，并且更典型地在一排列中提供多个光学器件保持位置，该排列可以是位置的直线或曲线，或者是位置的行和列的矩阵，或者是位置的任何其它预定图案。位置的排列或矩阵可以是常规或相等间隔的位置、或者任意间隔的位置的图案。该位置可以被布置在相同的X-Y平面中，或者在Z方向上从另外的平面偏移的多个X-Y平面中。 

LED照明组件可以被结合到各种光源中，包括但不局限于美国临时专利申请号60/953,009、60/982,240和60/980,562中所述的光源，在此以引用的方式加入所述文献的公开内容。 

虽然通过参考本发明优选实施例的细节已经公开了本发明，但是应当理解，本公开内容旨在以说明性目的，而不是限制性目的，因为可以预期对于本领域技术人员而言，将易于在本发明的精神和权利要求的范围内进行修改。 

Claims (11)

1.一种光学器件保持和定位设备，用于可移除地保持和定位与光源相关联的光学器件，该设备包括通道，该通道具有底部和从该底部延伸的第一和第二侧壁，该设备限定了至少一个光学器件保持位置，该保持位置包括形成在该底部中、配置成接收该光学器件的侧壁的一部分的孔，其中该通道的该第一和第二侧壁中的至少一个限定了侧壁孔，该侧壁孔用于保持最接近该光学器件的光出射端的该光学器件的边沿的一部分，并且该侧壁孔具有上线性边缘和与该上线性边缘交叉的下曲线边缘。

2.根据权利要求1所述的设备，其中形成在该底部中的该孔是圆形的，并且该光学器件限定了平截头体形状的透镜，该透镜具有带上边沿的光出射端、光入射端，以及从该边沿至光入射端逐渐变细的圆锥形侧壁。

3.根据权利要求1所述的设备，其中该底部和该通道侧壁是伸长的，并且该通道包括多个光学器件保持位置。

4.根据权利要求3所述的设备，其中该通道侧壁与该底部形成整体。

5.根据权利要求1所述的设备，还包括凸缘，该凸缘从该通道侧壁中的一个向内延伸，并且在该光学器件的光出射端的一部分之上。

6.根据权利要求1所述的设备，其中该光源是LED。

7.根据权利要求1所述的设备，包括多个该通道。

8.根据权利要求1所述的设备，其中该通道的该第一和第二侧壁两者限定了用于保持该边沿的一部分的侧壁孔。

9.一种照明组件，包括：

(a)根据前述权利要求中任何一项所述的光学器件保持和定位设备；以及

(b)邻近该光学器件的至少一个光源，其中该光源被非永久性地附加至该光学器件。

10.根据权利要求9所述的照明组件，其中该至少一个光源存在于发光板上，该发光板被连接至光学器件保持和定位设备。

11.根据权利要求10所述的照明设备，其中垫圈将该光学器件保持和定位设备与该光源分开。

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