CN101802488B - 用于照明目标平面的led照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种照明设备，包括多个LED和相对于LED布置以改变从LED向目标平面发出的光的方向的光学器件。每个LED的中心沿有界平面的周界定位且与和有界平面共面的LED曲线相交。光学器件包括与LED曲线偏离的光重定向表面。光重定向表面与每个LED配合且被形成为在与目标平面的垂直线偏离小于90°角的方向上改变从LED曲线发出的光的方向。还披露了一种用于设计照明目标平面的照明设备的方法。

Description

用于照明目标平面的LED照明设备
相关申请的参考
本申请是2008年1月28日提交的共同未决的第12/021,262号美国专利申请的部分接续申请，该共同未决的第12/021,262号美国专利申请又是2007年7月16日提交的共同未决的第11/778,502号美国专利申请的部分接续申请，将每个申请的全部内容结合于此作为参考。
背景技术
当照明停车场、街道、建筑物内部、或其它大区域时，时常期望在目标区域上提供大体上均匀的照度。停车场、街道、以及建筑物的设计者通常指定整个目标区域所需的最小照度(每平方英尺或平方米的流明)。目标区域上超过指定最小值的位置处的照度被认为是浪费的照度。期望改变被引导朝向超过最小照度的区域的光的方向以减少将整个目标区域照明到期望等级所需的能量的量。
照度与点光源和将要被照明的平面上的点(即，目标区域上的点)之间的距离的平方成反比。表面上的照度随着入射角的余弦而变化。合并这两个定律得到余弦立方定律。根据该定律，对于置于目标平面上方距离d(英尺或米)处的光源，与垂直轴偏离60°方向上的发光亮度必须是垂直轴方向上的发光亮度的八倍，以在平面上的各个位置处提供相同的照度。已知的光源(例如，白炽灯和弧光型灯)通过设计将更多的光引导朝向目标区域的边缘的反射器来解决该问题。通过假定白炽光源或弧光型光源为点光源然后合适地形成反射器来调节该点光源和目标平面上的期望结果而完成该设计。
另一方面，发光二极管(“LED”)典型地功率不足以使单个LED(类似于白炽灯和弧光型灯可用作点光源)在大的目标区域上提供足够的照度。尤其在LED位于目标平面上方几英尺或米的情况下。而且，LED通常不以诸如白炽灯和弧光型灯的球形形状发射光，因此难以设计合适的反射器。
为了向目标区域提供足够的照度，需要多个LED来提供足够的流明量以提供满足目标平面的工程规范的最小照度。LED典型地安装在印制电路板(“PCB”)上。当PCB上设置的LED数量变得太多时，聚集的多个LED不再用作单一的点光源。鉴于此，已知的是为每个LED提供单独的折射或反射的光学器件来改变从每个LED发出的光的方向。为每个LED提供单独的光学器件是昂贵的，且还使组件的设计困难，尤其是期望提供易于调整或修改的灯组件使其能够用于各种不同应用的情况。此外，满足照度规范所需的LED的数量和相邻LED之间所需的间隔可导致非常大的灯组件。
发明内容
克服上述缺点的照明设备包括多个LED和相对于多个LED布置以改变从LED向目标平面发出的光的方向的光学器件。每个LED的中心沿有界平面的周界定位并且与和该有界平面共面的LED曲线相交。该光学器件包括与LED曲线偏离的光重定向表面。光重定向表面与每个LED配合并且被形成(shape)为在与目标平面的垂直线偏离小于90°角的方向上改变从LED曲线发出的光的方向。
一种用于设计照明设备以照明目标平面的方法包括以下步骤：确定目标平面上各位置处的期望亮度；确定目标平面至照明设备的距离d；在照明设备内设置多个LED；沿至少一条LED曲线分布多个LED；以及定位与至少一条LED曲线分开的光重定向表面以与多个LED中的每一个配合。沿垂直于目标平面的轴A测量距离d。LED提供用于照明目标平面区域的流明源。至少一条LED曲线位于平面中。光重定向表面被形成为改变从至少一条LED曲线朝向目标平面发出的光的方向。
附图说明
图1是LED照明设备的平面图。
图2是安装到灯杆上并照明目标平面的图1的照明设备的示意性绘图。
图3是图1所示照明设备的下侧的透视图。
图4是与LED所在平面垂直截取的图1所示的照明设备的一部分的截面视图。
图5是LED照明设备的另一个实施例的透视图。
图6是与LED所在平面垂直截取的图5示出的LED照明设备的反射器的截面视图。
图7是描述一种用于设计照明目标平面的照明设备的方法的流程图。
图8是示出目标平面的一个区域的亮度分布曲线的图。
图9是LED照明设备的可替换实施例的透视图。
图10是图9所示的LED照明设备的平面图。
图11是沿图10中的线11-11截取的截面图。
图11A是图9所示的LED照明设备一侧的一部分的特写截面视图。
图12是用于图9所示的照明设备的LED照明设备灯组件的分解图。
图13是用于图12所示的LED照明设备的透镜的透视图。
图14是LED照明设备的另一个实施例的透视图。
具体实施方式
参考图1，照明设备10包括多个发光二极管(LED)12和与LED配合来照明目标平面TP(图2)的光学器件14。在图2中示意性描述了安装在目标平面上方的立柱顶上的照明设备10。参考图2，照明设备10配置成安装到灯杆P上，且照明由停车场、街道、道路、楼梯、运动场或其它大的区域的一部分所组成的目标平面TP。再次参考图1，在所描述的实施例中，LED12安装在平坦的支撑件上，在所描述的实施例中该平坦的支撑件是包括用于将电能传输到LED的电路(未示出)的印刷电路板(“PCB”)16。PCB 16连接至电源(图1中未示出)以接收电能。LED 12、光学器件14和PCB16可安装在固定框架中，并且被透明的或半透明的外罩和/或透镜覆盖(图1中未示出)。
参考图2，照明设备10(示意性示出)安装在灯杆P上，并且灯杆大体定义了一垂直轴，该垂直轴将被称作杆轴PA。照明设备10也可以安装在目标平面的下方，例如目标平面为天花板的情况。在这种情况下，或者在没有设置杆的情况下，垂直轴是大体位于照明设备10的中心且与目标平面TP垂直的轴。如上所述，由于照度与点光源和将被照明的表面上的点之间的距离的平方乘以该点处入射角的余弦值的乘积成反比，则来自点光源的以例如60°角度方向偏离杆轴PA的发光亮度一定是垂直方向的流明输出的八倍，以在目标平面上光源正下方的位置处提供与在目标平面上偏离灯杆60°的位置处相同的照度。在照明设备10在目标平面TP上方(或者下方)足够远的距离的情形下，可以将照明设备假定为点光源。照明设备10可配置为提供远离垂直轴(即，杆轴PA)的更强的发光亮度输出，以为整个目标平面TP提供更均匀的照度。同时，照明设备10可被设计成工作在其中多个照明设备安装在多根杆上且照明设备互相配合来为整个目标平面提供大体上均匀的照度的照明系统中。
再次参考图1，LED 12位于PCB 16上，以使LED的中心沿有界平面18的周界定位。在所描述的实施例中，LED 12相对于光学器件14不是沿直线设置。LED 12的中心还与和有界平面共面的LED曲线26相交。在所描述的实施例中，LED 12还面向目标平面TP。换言之，PCB16设置为基本上平行于目标平面TP，LED 12安装在PCB的面向(最接近)目标平面的表面上，并且每个LED的轴向角度(on-axis view)垂直于目标平面TP。轴向角度由与其中LED发光表面(典型为LED芯片)所在的平面(在所描述的实施例中其与有界平面18平行)垂直的轴限定。轴向角度相对于LED的光源(如，芯片)来定中心。
在图1～图4所描述的实施例中，光学器件14是具有光重定向表面22(图3)的反射器，该光重定向表面是与LED 12配合来改变从LED向目标平面TP发出的光的方向的反射表面。如果合适，可以采用折射光学器件。反射表面22大体上沿着LED曲线26，并离开PCB 16以及有界平面18延伸。
参考图4，描述了示出反射器曲面28的反射表面22的截面。该截面的平面是在沿反射表面上截取该截面的位置处垂直于有界平面18且垂直于反射表面22截取的。反射器曲面28是非线性函数。图4仅示出了一个截面，反射器曲面28的形状可根据穿过反射表面22截取的截面的位置而变化。由于LED 12沿LED曲线26分开，并且LED向各个方向发光，所以反射器曲面28被形成为反射从LED曲线26上的光源发出的光，即，LED不需要位于穿过反射器截取的每一个截面上。反射器曲面28被形成为将来自LED曲线26的光改变到与目标平面的垂直线偏离小于90°的角度α的方向上。反射器曲面28可以是圆锥形，其中LED曲线26上的相应点为圆锥的焦点。也可将LED曲线26从反射器曲面的焦点移开。
反射表面22被形成为将源自LED曲线26的反射光的方向改变到目标平面上的期望位置。在图4中，反射器曲面28是产生以角度α重定向的准直光线的抛物面。角度α典型地是在需要最大量的发光亮度来向目标平面提供期望照度的情况下的入射角。穿过照明设备10的每个截面还限定了一开口，该开口由源于LED曲线26的开口角β限定，其中直射(非反射)光线从照明设备射出。开口角β决定了光束形状的宽度或扫幅(swath)，下面将参考照明设备的另一个实施例来对其进行更详细地描述。
图1～图4描述了包括沿单条LED曲线设置并与单个光重定向表面配合的LED的照明设备。在可替换的实施例中，单条LED曲线可与两个光重定向表面配合，例如在LED曲线的每一侧上有一个光重定向表面。下面将更详细地描述这样的实施例。在需要许多个LED来满足目标表面上的期望照度的情形下，容纳所有LED的单条LED曲线会导致非常大的照明设备。在这样的情况下，期望以其中利用了多于一条的LED曲线的组的方式来设置LED。在该实例中，每条LED曲线与至少一个相应的光重定向表面配合。
参照图5，示出了能够在整个目标表面或目标平面上提供均匀照度的照明设备110的另一个示例。该照明设备还用于将光输出按照需要引向目标平面中的特定位置，而不需要由其自身在目标平面TP上产生均匀照度。该实施例中的照明设备110还包括多个LED和至少一个光学器件，在该实施例中光学器件为与LED配合来照明目标平面TP(图2)的反射器组件114。与参考图1～图4所描述的照明设备10相似，该照明设备110可安装到灯杆上来照明目标平面。再次参考图5，至少一些LED位于PCB 116上，以使LED的中心形成有界平面的周界。PCB 116连接至电源(图5中未示出)以接收电能。LED、至少一个光学器件和PCB 116可安装在固定框架(未示出)中，且被半透明外罩和/或透镜(未示出)覆盖。在该实施例中，LED面向目标平面TP。PCB 116设置成基本上平行于目标平面TP，LED安装在PCB的面向(最接近)目标平面的表面上，并且每个LED的轴向角度垂直于目标平面TP。
对于图5所示的实施例，更具体地，LED位于PCB 116上，以使LED的中心沿有界平面的周界定位。外部(第一)LED 122沿外部(第一)有界平面124的周界定位，且形成与外部有界平面共面(且在该实施例中重合)的外部(第一)LED曲线126。中部(第二)LED 128沿中部(第二)有界平面132的周界定位，且形成与中部有界平面共面(且在该实施例中重合)的中部(第二)LED曲线134。中部有界平面132与外部有界平面124共面。在该实施例中，LED曲线是同心圆。还是在该实施例中，中心LED阵列136安装在PCB 116上，且与有界平面124和132共面。
图5和图6中示出的反射器组件114安装在PCB 116上。在所示出的实施例中，LED均面向目标平面TP以引导光大体朝向目标平面。因此，每个LED的轴向角度垂直于目标平面。LED安装在PCB 116的平坦的安装表面上。如图6中更清楚地看到的，反射器组件114的光重定向表面均终止于基本上平行于PCB 116和有界平面的平面内。
LED曲线126和134还可被定位成形成其它的形状，特别是在反射器可以采用除圆形之外的构造的情况下。例如，在反射器组件114的反射表面采用多边形构造的情形下，可将LED设置成同样的多边形构造。这可以是其中多边形构造为带有多条边的规则多边形构造的情况，以使多边形开始近似于多边形内切圆的尺寸。
照明设备110(和照明设备10)的设计是可扩展的。如果目标平面TP需要更多的光亮度，则将更多的LED(或更高功率的LED)添加到照明设备110。通过使用反射器并以环或曲线设置LED，LED的附加环或曲线可用于照明需要更多流明输出的目标平面的部分，以在整个目标平面产生期望的照度或在整个目标平面上保持均匀的照度。如果目标平面的外部边缘需要更多的光亮度，那么将附加的LED环或曲线和附加的反射器添加到照明设备110。
除了可扩展之外，照明设备110还可设计成提供除圆形之外形状的光束形状。例如，照明设备110可以被(例如，在图6的轴VA处)切成一半而提供半圆形的光束形状(参见与图14相关联的论述)。反射器也可采用可替换的构造来提供长方形或正方形的光束形状。
在图5中示出的至少一个光学器件是具有多个光重定向表面的反射器组件，该光重定向表面是与LED配合来改变从LED向目标平面TP发出的光的方向的反射表面。外部LED122与第一外部反射表面140和第二外部反射表面142配合。第一外部反射表面140径向位于第二外部反射面142的外部。中部LED 128与第一中部反射表面146和第二中部反射表面148配合。第一中部反射表面146径向位于第二中部反射表面148的外部。中心LED阵列136与中心反射表面152配合。
参考图6，反射表面形成在截取该截面的位置处垂直于有界平面126和134且垂直于反射表面截取的截面中，以均形成曲面。典型地，穿过这些截面的反射表面的形状是具有相应LED曲线的圆锥曲线，该相应LED曲线在该截面中是位于圆锥曲线的焦点处的点。相应LED曲线还可以不位于相对于圆锥曲线的焦点上。相应反射表面的截面部分被形成为将从相应LED曲线上的光源(图6中描述为点)发出的光在与目标平面的垂直线偏离小于90°角的角度α的方向上反射。角偏离是在照明设备的垂直轴VA(典型地平行于杆轴PA)与从相应的反射表面反射的光的角度之间测得的内角。
再次参考图6，该实施例中的每条LED曲线以及各曲线上的每个LED，对于外部LED曲线126来说，从中心点CP(与照明设备的中心轴CA相交)分开距离r1，而对于中部LED曲线134来说则分开距离r2。外部LED曲线126与两个外部反射表面140和142配合，以在与目标平面的垂直线偏离的角度的方向上改变从外部LED曲线142上的光源发出的光的方向。在图6所示的实施例中，配合外部LED曲线126(注意在假定组成LED曲线126的LED可用作连续的光源情况下，设计者可操作)的反射表面140和142在相同的常用方向上改变光的方向。例如，第一外部反射表面140以偏离垂直轴角度α1的方向引导光，并且第二反射表面142以偏离垂直轴角度α2的方向引导光，其中0.85α2＜α1＜1.15α2。然而，反射表面不需要都指向相同的常用方向。
来自外部LED 122(图5)的光线也可从照明设备110出射而不被外部反射表面140和142改变方向。来自外部LED曲线126的直射光经由开口(由源于外部LED曲线126的开口角β1限定)从照明设备110中射出。
再次参考图6，中部LED曲线134与两个中部反射表面146和148配合，来在与目标平面的垂直线偏离的方向上改变从中部LED曲线上的光源发出的光的方向。在图6所示的实施例中，与中部LED曲线134配合的反射表面146和148也在相同的常用方向上改变光的方向，即，第一中部反射表面146以偏离垂直轴角度α3的方向引导光，并且第二中部反射表面148以偏离垂直轴角度α4的方向引导光。这些角度可以大约相等，如0.85α4＜α3＜1.15α4。来自中部LED128(图5)的光线也可从照明设备110射出，而不被中部反射表面146和148改变方向。来自中部LED曲线134的直射光经由开口(由源于中部LED曲线134的开口角β2限定)从照明设备110中射出。
除了LED曲线126和134之外，中心LED阵列136被设置且与中心反射表面152配合来引导与LED曲线相比更靠近轴VA的光。直射光(即，没有被中心反射表面152改变方向的光)还可冲击到目标平面中轴VA附近的区域。
照明设备110可以以以下方式设计，这决定反射表面和LED曲线的形状及LED曲线上的LED的位置和数量。尽管以逻辑次序依次描述了图7所示框图中的每个框，但这并不被认为所述的过程需要以任何特定的次序和排列执行。
在160中，确定将被照明的目标平面区域的形状和表面面积。比如，此区域可以是圆形、正方形、长方形或椭圆形等。在162中，相对于将被照明的区域确定照明设备的位置。通常，相对于区域的至少一条对称轴将照明设备置于中心是有帮助的。还确定照明设备与目标平面(垂直目标平面测量)偏离的距离d(典型为高度)。
在164中，确定区域中各位置的期望照度。如果只使用一个照明设备来照明该区域，期望试图在区域中的各个点(或位置)具有大体为常数的照度，即，区域内所有或几乎所有点以大约例如1lm/m2或1英尺坎德拉来照明。如果使用多于一个的照明设备来照明该区域，则期望将多个照明设备中的每一个贡献的照度聚集，并为区域上的每个位置加上来自每个照明设备的贡献。在这种情况下，在区域中的不同位置处来自一个照明设备的照度是不相同的，例如，一个照明设备在一位置处能提供0.25lm/m2，而第二照明设备在同一位置能提供0.75lm/m2，总共为1lm/m2。通过知道区域中各个位置处的期望照度，可为区域产生表面图，其中x和y坐标指的是将被照明的区域中的位置，z坐标指的是区域上的该点的照度等级。当使用多于一个的照明设备来照明区域时，图上的z坐标可进一步分成来自照明区域所使用的每个照明设备的各贡献。知道了距离d和图上将被照明设备照明的各个位置处的期望照度，通过穿过垂直于目标平面的区域截取截面并与照明设备的杆轴(杆轴靠近或非常靠近与照明设备相交的轴并且垂直于目标平面)相交，可为每个照明设备产生亮度分布曲线。绘制亮度分布曲线，其中x轴是从照明设备到区域中的该位置的入射角θ，而y轴是在入射角度方向被引导以在区域中的该位置处产生期望照度的发光亮度(cd)。这基于等式E＝I*cos3θ/d2，其中d是照明设备到目标平面的垂直距离，以及θ是入射角。图8示出了亮度分布曲线的示例。
再次参考图7，在166中，确定LED的数量和功率，以产生期望的发光亮度，从而符合(或近似符合)为该区域产生的亮度分布曲线所需的最大发光亮度。
在168中，LED沿将限定上述LED曲线的曲线定位。在172中，LED和与之配合的光学器件被形成为使得光重定向表面引导其中需要其符合或接近照明标准的光。使光学表面和LED曲线的形状接近于将被照明的区域的形状是容易的。这产生不包括在方向上急剧变化(如拐点)的LED曲线。如果产生期望的发光亮度所需要的大量LED会导致一条LED曲线，其导致用于LED的支持表面太大，例如，将会导致非常大的灯组件，那么期望的是提供至少两条LED曲线，这两条LED曲线彼此偏离足够的距离以符合与LED配合的光学表面。在174中，使用计算机建模，可以修改LED曲线的形状和反射表面的形状，以使其尽可能精确地符合区域的亮度分布曲线。
参考图8来理解设计照明设备的更具体的示例，图8示出了其中x轴是入射角θ、y轴是以入射角方向引导的发光亮度的亮度分布曲线。曲线180表示以不同的入射角来照明目标平面的区域的截面以在表面图上的多个位置处提供期望的照度，从而满足将被照明的区域的照明标准所需要的坎德拉。曲线182表示照明设备110的光输出。在图8中，很明显，产生的亮度曲线182差不多符合期望的亮度曲线180。
曲线184描述来自照明设备110中的LED曲线126(图6)上的外部LED 122的发光亮度。曲线184的峰值(最大值)在大约67°的入射角处。再次参考图6，这是α1和α2均在大约67°的结果，这导致来自外部LED 122的大部分发光亮度以约67°被引导。曲线184在大于67°的入射角处的斜率与期望的亮度曲线180在同样的入射角处的斜率近似相当。在坎德拉值大于零处的曲线184的宽度是孔径角β1(图6)的函数，并且在θ＝39到约θ＝51之间的曲线184的平坦区归因于来自外部LED 122的非反射光。
图8的曲线188描述了期望的发光亮度(曲线180)与外部LED122(曲线184处所描述的)之间的差值。在中部LED曲线134上的中部LED 128产生曲线186处所描述的发光亮度。曲线186的峰值(最大值)在大约56°入射角处。再次参考图6，这是α3和α4在大约56°的结果。曲线186在大于56°的入射角处的斜率与曲线188在同样入射角处的斜率近似相当。在坎德拉值大于零处的曲线186的宽度是孔径角β2(图6)的函数，且在θ＝29到约θ＝41之间的曲线186的平坦区归因于来自中部LED 128的非反射光。
曲线192描述了从曲线188减去来自中部LED 128的光亮度后的光亮度。中心LED阵列136提供直接垂直射到照明设备110下方的大部分光。在紧随曲线192的曲线194处描述了来自中心LED的光亮度。从图8可以看出，来自LED环组的光亮度的组合和与各反射表面配合的照明设备110产生期望的光束形状(由曲线182表示)，其非常接近在目标平面的整个区域的截面中产生期望照度所需要的不同入射角处的坎德拉。这从曲线196可最好地看出，曲线196是不同入射角(曲线180)处需要的坎德拉与从照明设备110的LED产生的发光亮度的组合之间的差值。
图8仅描述了穿过将被照明的目标平面的区域的一个截面。可使用穿过表面图的多个截面来产生多条亮度分布曲线。反射器表面的形状可配置为提供与期望的亮度分布曲线最相符的亮度分布曲线，类似于上述所描述的。关于确定穿过多个截面的反射器表面的形状，可以设计相邻截面之间的反射器的形状以避免方向上的突然变化。
图9披露了能够产生除圆形之外的光束形状的照明设备210。照明设备210与上面所描述的照明设备110类似，因为照明设备210包括与至少一个光学器件配合来产生预定的光束形状的LED阵列。照明设备210包括与反射光学器件配合来产生基本上圆形的光束形状的LED。照明设备的这部分与上面所描述的照明设备110非常类似。照明设备210还包括附加的LED，其与附加的反射光学器件配合来在对角方向上引导光以填充圆形光束形状周围的“角”，从而产生基本正方形的光束形状。
从图9看出，在该实施例中的照明设备210还包括多个LED和至少一个与LED配合以照明目标平面TP(图2)的光学器件。该照明设备210也可安装到灯杆上来照明目标平面。照明设备210的中心部分与参考图5和图6所描述的照明设备110非常相似，因此，在图5和图6中描述照明设备110所使用的参考标号通过增加100来与图9中所示的照明设备210的相同部件对应，且不提供对这些部件的进一步描述。
除了外部LED 222、中部LED 228和中心LED 236之外，LED260的附加组从外部LED222径向向外设置。参考图10，LED的附加组还沿着圆形形状以形成有界平面262的周界并限定LED曲线264，然而，圆形形状被截成圆的四个单独的圆弧，每个圆弧形成相应的LED曲线。这些LED弧或LED曲线264均与相应截得的环状光重定向表面268和272配合，这些光重定向表面也是可反射的。这些反射表面268和272在平行于有界平面226、232和262截取的截面上是弧形的，以形成直射光来填入形成在目标平面上的基本上正方形的光束形状的“角”的四个弧。这些截得的环状反射表面关于中心点CP是同心的，但是如果期望可采取其他的构造。
参考图11，附加的截得的环状反射表面268和272还形成在垂直于有界平面并垂直于反射表面截取的截面上，以形成为非线性函数的曲线，在LED曲线264是该截面中的点并位于圆锥曲线的焦点处的情形下，该非线性函数典型为圆锥曲线。正如上面描述的完整的圆环，LED曲线264也可以不位于相对于圆锥曲线的焦点上。附加的截得的反射表面268和272被形成为与目标平面的垂直线偏离小于90°角的角度α的方向上反射从LED弧上的光源发出的光。
再次参考图9，径向反射表面274从内部附加的截得的环状反射表面268径向向外延伸，且从外部附加的截得的环状反射表面272向上延伸。径向反射表面274阻止从附加的LED 260发出的光延伸到基本上正方形光束形状的“角”之外，且被形成为将从附加的LED曲线264发出的光朝向基本上正方形光束形状的“角”引回。径向反射表面274是弯曲的(抛物形)。
参考图12，照明设备210包括安装在印制电路板216上的LED和反射器组件214。照明设备210还包括散热片280，其包括多个远离主平面284延伸且垂直于主平面的冷却片282。基座286从主平面284向上延伸，并且在包围基座286的主平面284中形成填料沟槽288。填料292填入形成在散热片280中的填料沟槽288中。透镜294附至散热片280且被护圈296定位。
透镜294配合LED以允许LED产生期望的光束形状。透镜294具有较低的侧面轮廓(profile)。透镜包括与LED 236的中心组配合的中心圆形平面部分300。透镜的中心部分300被形成为使得来自LED 236的中心组的光(直射和反射的光)较少或者没有折射地穿过中心部分。
透镜294还包括第一(最内部的)环状部分302，其通常沿着相对于照明设备210的中心轴CA(图11)的回转表面(在通常的径向方向具有很小的厚度)。参考图13，中心部分300转变为第一环状部分302。从图11看出，该转变发生在中心反射表面252和反射表面248的最外边缘接触到或几乎接触到透镜294的情形下。第一环状部分302在穿过中心轴CA并垂直于有界平面(参见图11)的平面中所截取的截面中被弯曲，以使第一环状部分的曲线大体上沿着从LED曲线234(在图11中示为一点)放射的半径。这允许第一环状部分302基本上垂直于从LED曲线234发出的非反射光线。第一环状部分302还基本上垂直于远离反射表面248反射的光线(虽然不如与非反射光线更垂直)。
第一环状部分302径向向外转变到第二环状部分304。第二环状部分304也沿着相对于照明设备的中心轴回转的表面(具有小的厚度)。参考图11A，第二部分304沿着反射表面246的轮廓线。如图9中更清楚看到的，圆形边缘306形成在反射表面246中的反射器214上，以在其中透镜从第一环状部分302转变到第二环状部分304的情形下容纳透镜294。边缘306允许第二环状部分304的外表面沿着曲线(在该实施例中，为焦点在LED曲线234上的圆锥曲线，其中该LED曲线在图11中描述为点)。这允许外部或暴露的表面透镜表面(第二环状部分304)不仅沿着反射表面246的轮廓线，还是该表面的扩展。参考图11A，反射表面246在边缘306上呈阶梯状。第二环状部分304的外表面继续沿着由边缘306下面的反射表面246限定的曲线。反射表面246(透镜内)和外透镜表面(第二环状部分304)旨在被设计为用作相同的表面。由于第二环状部分304沿反射表面246的轮廓，所以第二环状部分304可以反射穿过第一表面的光线，以使其反射离开第二环状部分304，这是由于来自LED曲线234的入射光线相对于第二环状部分304之间成锐角入射角的结果。穿过第二环状部分304的光线可以反射离开反射表面246。
在反射表面246和反射表面242的最外边缘汇合并接触或几乎接触透镜294(参见图11)的情形下，第二环状部分304转变到第三环状部分308。第三环状部分308沿着相对于照明设备的中心轴回转的表面(具有小的厚度)。第三环状部分308在截面中被弯曲(见图11)以使第三环状部分的曲线通常沿着从LED曲线226(在图11中示为一点)放射的半径。这允许第三环状部分308基本上垂直于从LED曲线226发出的非反射光线。第三环状部分308还基本上垂直于远离反射表面242反射的光线(虽然不如与非反射光线更垂直)。
第三环状部分308径向向外延展而转变到第四环状部分312。第四环状部分312也沿着相对于照明设备的中心轴回转的表面(具有小的厚度)。与第二环状部分304相似(并且与第二环状部分的目的相同)，第四环状部分312沿着反射表面240的轮廓。如在图9中更清楚地看到的，圆形边缘314形成在反射表面240上的反射器214上，以在透镜从第三环状部分308转变到第四环状部分312的情形下容纳透镜294。参考图11A，反射表面240在边缘314上呈阶梯状。第四环状部分312的外表面可用作反射表面。第四环状部分312的外表面继续沿着由边缘314下面的反射表面240限定的曲线。边缘314允许透镜表面(第四环状部分312)保持该透镜表面的外部或暴露的表面，以使其不仅沿反射表面240的轮廓而且是该表面的扩展。反射表面240(透镜内)和外透镜表面(第四环状部分312)旨在设计成用作相同的表面。
在反射表面240和反射表面268的最外边缘汇合并接触或几乎接触透镜294(参见图11)的情形下，第四环状部分312转变到弯曲的外部截得的环状(第五)部分316和基本上平坦的外边部分318(图13)。弯曲的外部截得的环状部分316在相对于照明设备的中心轴的环绕(旋转)方向上被平坦的外部部分318截断。尽管回转平面被从中心轴放射的并且垂直于LED所在平面的平面截断，但第五环状部分316沿着相对于照明设备的中心轴回转(具有小的厚度)的表面。第五环状部分316在截面上被弯曲(参见图11)，以使第五环状部分的曲线大体上沿着从LED曲线264(在图11中示为一点)放射的半径。这允许第五环状部分316基本上垂直于从LED曲线264发出的非反射光线。第五环状部分316还基本上垂直于远离反射表面268反射的光线(虽然不如与非反射光线更垂直)。
第五环状部分316径向向外延展而转变到沿反射表面272轮廓的第六截得的环状部分322。第六环状部分322(其也被截得)保持该透镜表面的外部或暴露的表面(第六环状部分322)沿反射表面272，以使第六环状部分322的外部表面可用作反射表面。反射表面272(透镜内)和外部透镜表面(第六环状部分322)旨在被设计为用作相同的表面。
径向部分324将第五环状部分316和第六环状部分322互连。这些径向部分沿径向反射表面274(参见图9)的轮廓，并且同样地大体为抛物线表面。透镜294还包括大体上垂直于平坦的外部部分318的周边部分330。周边包括能容纳通风孔的开口和能容纳电导体以为照明设备210提供电的金属孔。
如上所述，可以修改照明设备而在目标平面上提供不同的光束形状来照明目标平面的不同形状的区域。参考图14，外部LED 222和中部LED 228的LED分布与图9所示的分布不同，其中图9所示的分布是用于产生V型的光分布。中心LED 236还可以相对于图9所示的中心LED 236重新定位。例如，图14描述了修改后的图9的照明设备210，以形成非对称的或向前投射的分布，如IV型的光分布，其大体上是相对于照明设备向前投射的矩形(半圆形)分布形状。从I型到V型包括IV型的光分布在IESNA光手册第9版(22.7部分，图22-6)进行了更具体地描述。
图14描述的实施例包括用作防护屏和反射器的光学元件350。光学元件350将由最内部反射表面256外切的圆形区域分割为两部分，其中在图14中使用非反射涂层将最内部反射面覆盖。中心LED236均设置在光学元件350的同一侧。附加的反射表面352从PCB216向上延伸并且在LED 236所在的光学元件的那侧上远离光学元件350。设置两个反射表面352以使在大体上平行于光学元件350所在的平面的大体上相反的方向引导从中心LED 236发出的光。换句话说，左反射表面(图14中每个方向)将来自该反射表面左侧上的LED的光的方向向左改变，而右反射表面(图14中每个方向)将来自该反射表面右侧上的LED的光的方向向右改变。每个反射表面352相对于设置在反射表面下面(图14所示的每个方向)的LED而被弯曲成例如大体上抛物线形。
图14中的照明设备210被设计为产生以轴SA为中心的IV型光分布，轴SA也是照明设备的对称轴。对称轴SA垂直于光学元件350且与照明设备的中心点相交。在图14所示的实施例中，外部LED 222和中部LED 228居中并且关于与对称轴SA偏离大约45°角的线聚集。所有的LED 228和222定位在由光学元件350限定的平面的一侧上。外部LED 222和中部LED228与对称轴SA在角度上偏离Φ1的线(图14中仅示出一条线)上终止。外部LED 222和中部LED 228还与对称轴SA在角度上偏离Φ2的线(图14中仅一条线示出)上终止。LED 222和228不位于对称轴SA附近，因为通常离照明设备越远的区域(其是远离对称轴SA的区域)需要的发光亮度越多，例如，其中照明设备被设计为提供IV型的光分布。LED 222和228不能扩展所有路线到半圆形形状的终点，因为LED以朗伯型形状发光以使从LED的每个最末端发射的光被圆周地与LED分开的反射器的一部分改变方向。
除了使用用于每个LED的光学器件或用于整个阵列的大的光学器件之外，所描述的照明设备使用从部分LED阵列生成部分光束形状的混合近似法。使用反射器将来自LED阵列的这些部分的光改变方向，旨在有目的地填充光束形状的部分。设计可建模来提供例如“D”型光束形状以及其他的光束形状。参考已讨论的实施例和替换实施例，本发明已经被具体地描述。然而，本发明并不仅限于本文所描述的具体实施例或所描述的替代物。相反，本发明被所附权利要求书及其等价物广泛地限定。

Claims (11)

1.一种照明设备，包括：
第一多个LED，面向目标平面，每个LED的中心沿第一有界平面的周界定位，并与和所述第一有界平面共面的LED曲线相交，其中，所述多个LED包括足够多的LED以限定所述LED曲线；以及
第一光学器件，相对于所述第一多个LED设置，以将从所述LED发出的光重定向到平行于所述第一有界平面的相关的目标平面，所述光学器件包括与所述LED曲线偏离的第一光重定向表面，以及第二光重定向表面，其中，所述光重定向表面为反射表面，所述第一光重定向表面与每个所述LED配合，并且被形成为在与所述目标平面的垂直线偏离小于90°角的方向上改变从所述LED曲线发出的光的方向，
第二多个LED，面向所述目标平面，所述第二多个LED沿第二有界平面的周界定位，并与和所述第二有界平面共面的第二LED曲线相交；
第二光学器件，相对于所述第二多个LED设置，以将从所述第二多个LED发出的光重定向到所述目标平面，所述第二光学器件包括与所述第二LED曲线偏离的第三光重定向表面，所述第三光重定向表面与所述第二多个LED中的每一个配合，并且被形成为在与所述目标平面的垂直线偏离小于90°角的方向上改变从所述第二LED曲线上的光源发出的光的方向；以及
其中，所述第一有界平面与所述第二有界平面基本上共面，其中，所述照明设备发射反射光和非反射光。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，每个所述LED的中心与一个点分开距离r1。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面是环状的。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中，每个所述LED的轴向角度垂直于所述目标平面。
5.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述光学器件为反射器，垂直于所述第一有界平面和所述反射器的第一光重定向表面穿过所述第一光重定向表面截取的截面形成反射器曲面，该反射器曲面被形成为以与所述目标平面的垂直线偏离的内角α反射从所述LED曲线发出的光。
6.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面偏离所述第二光重定向表面，所述第一光重定向表面被形成为以与所述目标平面的垂直线偏离的内角α改变从所述LED曲线发出的光的方向，并且所述第二光重定向表面被形成为以与所述目标平面的垂直线偏离的内角0.85α至约1.15α改变从所述LED曲线发出的光的方向。
7.根据权利要求6所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面和所述第二光重定向表面终止于基本上平行于所述第一有界平面的平面。
8.根据权利要求1所述的照明设备，其中，每个LED的轴向角度垂直于所述目标平面。
9.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面和所述第三光重定向表面终止于同一平面。
10.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面和所述第三光重定向表面是环状的。
11.根据权利要求10所述的照明设备，其中，所述第一光重定向表面和所述第三光重定向表面是同心的。
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