CN101687473B - 改进的用于生成宽束的led装置以及制造该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案生成预定被照明表面图案。通过至少部分地包裹该LED外壳的透光穹顶的外表面和内表面，生成光学器件的透镜形状的估计光学传递函数。通过将该估计光学传递函数和该光源的预定能量分布图案相组合，获得能量分布图案。确定该能量分布图案投射到被照明表面上的投影。将该投影与该预定被照明表面图案相比较。接着调整该估计光学传递函数，并重复前述步骤，直到在该投影与该预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。

Description

改进的用于生成宽束的LED装置以及制造该装置的方法
相关申请
本申请涉及以下专利申请：2007年2月26日递交的序列号为11/711,218的美国专利申请；2006年2月27日递交的序列号为60/777,310的美国临时专利申请；2006年8月15日递交的序列号为60/838,035的美国临时专利申请；2006年11月29日递交的序列号为60/861,789的美国临时专利申请；2007年5月21日递交的序列号为60/939,275的美国临时专利申请。上述专利申请均以引用方式纳入本说明书，并且本申请依照35USC119要求上述专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及的领域为：使用发光二极管(LED)或其他光源来生成预定宽断面二维照明图案(predetermined wide profile twodimensional illumination pattern)的设备和方法；其中使用的是已经被光学调整为提供相应的宽断面(wide profile)光束的光源，或者由多个这种调整光源(modified light source)构成的平面阵列。
背景技术
与传统的照明设施相比，以每流明使用成本为量度，LED照明的初始投资成本是昂贵的。虽然这可以随时间而改变，但这一高成本在LED光学系统的采集和分配效率(collection and distributionefficiency)上造成了额外费用。系统效率越高，LED照明与传统照明设施——诸如白炽灯、荧光灯、霓虹灯——相比的成本收益(cost-benefit)越好。
用LED生成宽束(broad beam)的一个传统方案是：使用一个或多个反射体和/或透镜，以采集LED的能量并接着将其扩展成所需的束形(beam shape)，并提供安装在弯曲夹具(fixture)上的、这种LED的成角阵列。例如，街灯照明图案常规上被限定为五类：类型I至V。类型I是街道上的长形(oblong)图案，其中灯位于该长形的中心上方。类型II是对称四瓣形图案，其中灯位于该瓣形图案的中心上方。类型III是扁平长形图案，其中灯靠近该长形的扁平侧。类型IV是具有平坦底部的抛物线图案，其中灯靠近该平坦底部。类型V是圆形图案，其中灯位于该圆形的圆心上方。通过将光源安装在弯曲的支架(armature)或夹具中，可以获得这几类图案的任意的非对称示象(aspect)。通过夹具的弯折或调角，将LED或光源指向需要的方向，以在诸如街道的表面上产生宽阔的或扩展的光束，其中一部分光必然远离街道而被向上导向天空。
因此，所有的飞机乘客都熟悉夜间着陆时被照亮的城市景色。这一经常令人目眩的景象很大程度上缘于街灯，更具体而言，是缘于具有倾斜(canted)夹具以产生扩展光束从而将大量光集体导向天空的街灯。在一个被有效地照亮的城市中，该城市对于飞行器而言将显得昏暗得多，因为其街灯应仅照在街道上，而不照入天空。从飞行器和山顶看到的令人目眩的城市灯光可能是浪漫的，但也代表着巨大的能源损失，不必要的燃料使用，以及来自发电厂的、为了生成用于这无益的错误指向的光的电能所需的、成吨的不必要的温室气体排放。
另一种技术是：使用准直透镜(collimating lens)和/或反射体以及诸如Physical Devices Corporation制造的薄片光学器件(sheetoptic)，以将能量扩展为所期望的光束。基于所利用的金属化(metalizing)技术，反射体具有预定的表面损失。未涂覆抗反射涂层的透镜也具有与所利用的金属化技术相关联的表面损失。来自PhysicalDevices Corporation的薄片材料具有约8％的损失。
现有技术的一个接近于高效系统的实例是Lumileds公司作为其LED组装件(packaging)卖品的一部分来销售的“侧发射器”装置。但是“侧发射器”意在产生具有大致90度放射状图案的光束，而不是向前的光束。它的内部损失估计为15％。Lumileds公司的另一种LED——其通常被称为低穹顶(low dome)LED或蝠翼(bat wing)LED——在其LED外壳上具有透镜以使光重定向，但应注意，所述透镜不具有用于将外周向前立体角(peripheral forward solid angle)中的来自LED的光重定向的底切(undercut)表面。类似地，应注意，对于常规的5mm穹顶透镜(dome lens)或为LED而提供的组装件而言，其穹顶完全没有任何底切表面。
所需要的是一种产生宽角光束(wide angle beam)、甚至有可能产生放射非对称(radially asymmetric)光束的装置，所述光束可以用这样的设计方法产生——该方法允许设计者实现不具有现有技术固有缺陷的光滑光束断面。
发明内容
本发明的示例性实施方案包括一种从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案提供预定被照明表面图案的方法。该方法包括以下步骤：为光学器件的透镜形状定义估计光学传递函数(estimated optical transfer function)，所述光学器件具有潜在折射外表面和内表面(potentially refracting exterior and innersurface)，该外表面和内表面至少部分地包裹所述LED外壳的透光穹顶；使用该透镜形状的估计光学传递函数，从该光源的预定能量分布图案生成能量分布图案；生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影；将该能量分布图案的投影与该预定照明表面图案相比较；调整(modify)该透镜形状的估计光学传递函数；以及，重复前述使用包括光学器件内表面的透镜形状的估计光学传递函数从光源的预定能量分布图案生成能量分布图案的步骤，生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影，并将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比较，直到在该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。接着制造这样的透镜——其包括该光学器件的成形(shaped)内表面、具有最终获得的估计光学传递函数。
在LED外壳被置于载体中的井内的实施方案中，定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数的步骤包括以下步骤：安置和配置该光学器件的内表面，以将光导向井外；如果没有重定向，该光原本将被所述井拦截(intercept)。
在另一个实施方案中，定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数的步骤包括以下步骤：安置和配置该光学器件的内表面，以将光导向满足用户自定义系统需要的方向。
虽然出于功能解释的语法流畅目的已经描述了或将要描述一些设备和方法，但应明确理解，除非35USC112明确规定，否则权利要求不应被解释为以任何方式必然被“设施”或“步骤”的句法构造所限制，而是应与权利要求按照司法等同原则而提供的限定的涵义及等同物的全部范围相符；而在35USC112明确规定的情况下，权利要求应与35USC112的全部法定等同物相符。现在参照下述附图可以更好地理解本发明，附图中相同的元件用相同的参考数字标示。
附图说明
图1是该示例性实施方案的侧截面图。
现在，参照下述优选实施方案的详细描述，可以更好地理解本发明及其各种实施方案，所述实施方案作为权利要求所限定的本发明的示例而呈现。应明确理解，权利要求所限定的本发明可以比该示例性实施方案更宽泛。
具体实施方式
作为在图1中总体由参考数字10标示的滴状透镜(blob lens)或光学器件——其与上文提及的各种被纳入的申请中描述的LED外壳1相组合——的进一步改进，图1针对另一个实施方案，其示出了放射对称的(radially symmetric)滴状光学器件10的侧截面图，该图绘有近似朗伯(Lambertian)LED源12的平面光线轨迹。LED外壳1的穹顶14被示为近似半球状。穹顶14被布置于限定在光学器件10中的腔内。存在空气隙，或至少存在具有差异折射率的区域26，以使光学器件10的内表面4放射状地围绕穹顶14的潜在折射表面。无论是将区域26看作具有该限定折射表面，还是将光学器件10的内表面4看作该限定表面，都不重要，因为是区域26和光学器件10的共有边界处的折射率不连续性限定了该折射表面。通过调整滴状光学器件10的内表面4，可以将来自LED源12的光线集(ray set)调整为适应用户自定义系统的需要，该需要可以因具体应用而异。
例如，在图1的图示中，LED源12和外壳1被置于限定在载体18中的井20中，其中LED源12位于载体18的上表面22的水平面之下。滴状光学器件10也被示为安装在井20中，并在表面22的水平面之下延伸。
图1示出，来自LED源12的光线3——其从LED源12的垂直中心线16呈90度辐射——如果未被内表面4重定向，那么光线3将错过滴状光学器件10的外表面2，从而被损失掉或者不可用于任何种类的有用应用。当然，这不仅对光线3成立，而且对通常位于LED外壳1的前半球(forward hemispherical solid angle)辐射图案的下部(lower)外围立体角——其被高至表面22的井20的内壁拦截了——中的所有光线都成立。
为了避免由光学器件10与LED外壳1的组合而造成的、输出或光束的这一能量分量的损失，光学器件10的内表面4沿下部外围或裙部(skirt)24向内弯曲，以在穹顶14和光学器件10的内表面之间产生折射区域26，其径向向外张开，以将来自LED外壳1的被拦截光折射至光学器件10外表面2的、位于所述表面22水平面之上的一部分。在该示例性实施方案中，表面4的张开裙部24关于LED源12呈方位角对称(azimuthally symmetric)。但是，完全落在本发明范围内的是，向外张开部分24可以具有随方位角而改变的形状。
通过对内表面4进行其他形状调整，可以预期(contemplate)另外的效果。例如，不仅来自LED外壳1的、被选择以重定向的被拦截光，而且来自LED外壳1的辐射光的任何部分都可以被光学器件10的内表面4的弯曲或成形(shaped)部分光学地处理，以将这部分光重定向至光学器件10的外表面2的选定部分，以满足在任何给定应用中所期望的用户自定义系统的需要。例如，经常的情况是，需要将LED外壳1的轴线16上或附近的光重定向至关于轴线16的不同角度，也即偏离中央光束而朝向外围或朝向选定的外围方向。在这种情况下，内表面4将在其上部冠区28、邻近或接近轴线16处具有变化的(altered)形状，以将来自LED外壳1的中央轴线光折射至所期望的一个或多个方向。例如，内表面4可以被形成为使得入射在表面4的、位于包含轴线16的假想垂直平面的一侧上的一部分上的光线被导向该假想垂直平面的对侧或穿过光学器件10。
应明确理解，另外的光学效应的示例并未限制本发明的范围或精神——本发明预期通过单独地或与光学器件10的外表面2的相关调整相结合地调整内表面4而实现的所有可能的光学效应。
总之，本发明的示例性实施方案是一种从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案来提供预定被照明表面图案的方法。该方法包括以下步骤：定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数，该光学器件具有至少部分地包裹该LED外壳的透光穹顶的潜在折射外表面和内表面；使用该透镜形状的估计光学传递函数，从该光源的预定能量分布图案生成能量分布图案；生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影；将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比较；调整该透镜形状的估计光学传递函数；以及，重复前述使用包括光学器件内表面的透镜形状的估计光学传递函数从光源的预定能量分布图案生成能量分布图案的步骤，生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影，并将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比较，直到在该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。
本方法还包括制造这样的透镜——其包括该光学器件的成形内表面、具有最终获得的估计光学传递函数。该制造方法包括当前已知的或以后将做出的所有构造模式(modes of construction)。例如，一旦根据上述步骤确定了用于该光学器件的可接受的传递函数，就完全限定了该光学器件的外表面和内表面的形状。该光学器件通常由透明塑料或光学塑料或聚合物模制而成。
在该示例性实施方案中，所重复的步骤生成了能量分布图案投射到被照明表面上的投影，该能量分布图案顺应预定的街灯照明图案，或更具体而言，顺应街灯照明图案类型I至V之一。
在大多数实用的实施方案中，多个LED光源被组合，因此要为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤：定义估计光学传递函数；生成能量分布图案；生成能量分布图案投影，比较能量分布图案投影；以及调整透镜形状的估计光学传递函数。
另外，在大多数实用的实施方案中，多个LED光源被安装在一个夹具中，或被安装在一个载体中——该载体转而被安装在一个夹具中。考虑到每个LED光源在夹具中或在夹具中的载体中的位置和方向，为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤：定义估计光学传递函数；生成能量分布图案；生成能量分布图案的投影；比较能量分布图案的投影；以及调整透镜形状的估计光学传递函数。
通常，在许多装备中，LED外壳被置于限定在载体中的井内，因此使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案的步骤包括：生成能量分布图案，其中一部分光被导向井外，而不使来自LED光源的光撞到井上，这部分光从该LED光源发出，进入以该LED光源为中心的前半球立体角的至少一部分；如果没有重定位，这部分光原本将撞到该井的某部分上。将一部分光导向井外的步骤包括：使用该光学器件的内表面上的向内张开的裙部将这部分光导向井外。
大体而言，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案的步骤包括：生成能量分布图案，其中光被引导成一种图案以满足用户自定义系统的需要。
在另一个实施方案中，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案的步骤包括：生成能量分布图案，其中光从其被外表面折射处被引导穿过该光学器件的外表面、射向该光学器件的对侧。
除上述公开的方法之外，该示例性实施方案明确包括了通过这些方法提供的光学器件本身，或包括了包含多个这种光学器件及其LED光源的夹具或载体。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出许多更改和调整。因此，必须理解，该示例性实施方案仅出于举例目的被阐明，而不应被用来限制下述权利要求所限定的本发明。例如，虽然下文以特定组合的方式阐明了权利要求的元素，但必须明确理解，本发明包括更少、更多或不同元素的其他组合，其也在上文中被公开，即使最初并未就这些组合作要求。
本说明书中用以描述本发明及其各种实施方案的词语应被理解为不仅具有其通常定义的涵义，而且，通过本说明书中的特殊定义，包括通常定义的涵义的范围以外的结构、材料或作用。因此，如果某个元素在本说明书的语境中可以被理解为包括不止一个涵义，那么它在权利要求中的使用必须被理解为统具有被说明书和该词语自身支持的所有可能的涵义。
因此，下述权利要求的词语或元素的定义在本说明书中被定义为不仅包括在字面上阐明的元素的组合，而且包括用于以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得基本相同的结果的所有等价的结构、材料或作用。因此，在这个意义上有如下预期：可将权利要求中的任一元素等价置换为两个或更多个元素，或者可将某一个权利要求中的两个或多个元素置换为单个元素。虽然这些元素在上文中可被描述为以特定组合而作用，甚至最初就是这样要求的，但应明确理解，来自所要求的组合的一个或多个元素在一些情况下可被从该组合中去除，而所要求的组合可以针对一个子组合或一个子组合的变体。
来自本领域普通技术人员所能观察到的、所要求的主题中的当前已知或以后将做出的非实质性改变，可被明确视为等价地落入权利要求的范围内。因此，对本领域普通技术人员在当前或以后知晓的明显置换被定义为落入所限定的元素的范围内。
因此，权利要求应被理解为包括上文具体图示和描述的内容、在概念上等价的内容、可被明显置换的内容、以及本质上包含本发明根本理念的内容。

Claims (13)

1.一种照明系统，包括：
一个载体(18)，包括一个上表面(22)并限定一个井(20)；
发光二极管源(12)，布置在所述井(20)中、在所述载体处在所述上表面之下；
光学器件(10)，包括外表面(2)和内表面(4)，其中所述内表面限定一个面向所述发光二极管源的腔，其中所述内表面的一部分(24)具有随关于所述发光二极管源的方位角而改变的形状，不同于呈方位角对称，且其中所述内表面被配置为将所述发光二极管源产生的光(3)导向经过所述上表面，所述光原本将被拦截和被损失掉或者不可用；以及
空气隙，布置在所述发光二极管源和所述内表面之间。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光学器件的所述内表面上的向内张开的群部(24)将所述光重定向所述井外，而不撞到所述井上，
其中如果没有被所述向内张开的群部重定向，所述光原本将撞到所述井的某部分上，
其中所述照明系统包括多个其他的发光二极管源，所述多个其他的发光二极管源附接至所述载体并布置在对应的其他井中，
其中所述照明系统还包括一个夹具，所述载体安装在该夹具中，以及
其中所述照明系统提供了预定的街灯照明图案。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述发光二极管源包括一个发光二极管外壳，该发光二极管外壳具有一个轴线(16)，
其中一个假想垂直平面包括该轴线，以及
其中所述内表面形成为使得入射在所述内表面位于所述假想垂直平面的一侧上的一个区域的光线被导向所述假想垂直平面的对侧。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述内表面被形成为使得入射在所述内表面的一个区域上的光被导向穿过所述光学器件。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述内表面包括一个上部冠区(28)，
其中所述发光二极管源包括一个发光二极管外壳，该发光二极管外壳具有一个轴线(16)，以及
其中所述内表面在所述上部冠区、邻近或接近所述轴线处具有变化的形状，以将来自所述发光二极管外壳的中央轴线光折射至所期望的一个或多个方向。
6.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光学器件包括一个张开的裙部(24)，该张开的裙部具有随方位角而改变的形状，且其中一个透光穹顶(14)布置在所述腔中。
7.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光从其被所述外表面折射处被引导穿过所述光学器件的外表面、射向所述光学器件的对侧。
8.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述照明系统包括分别布置在所述载体的其他井中的多个其他的发光二极管源，且其中所述多个其他的发光二极管源安装在一个夹具中。
9.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述外表面是放射对称的。
10.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述外表面包括折射外表面。
11.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述内表面包括折射内表面。
12.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述照明系统包括街灯。
13.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光学器件被配置为产生实现了光滑光束断面的放射非对称宽角光束。
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