CN102016395A - 用于蝙蝠翼形分布的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种辐射分布系统，被设计成产生蝙蝠翼形分布。此系统可与在可见光谱或其它光谱范围内发光的辐射源一起使用。此系统包括设置在诸如LED的辐射源上的具有特定形状的透镜。透镜和辐射源设置在两个反射体之间，两个反射体均具有面向辐射源的细长反射面。每个反射体均具有朝外并且互相背离的两个不同的反射面。透镜和两个反射面共同使已发射辐射的一部分重新定向以产生期望的蝙蝠翼形分布。几个辐射源可线性地设置在一对反射体之间的公共表面上以产生辐射源的线性阵列。同样，多个线性阵列可组合以形成二维阵列。在二维阵列构造中，辐射源的线性阵列设置在反射体的两侧，以使两个反射面均得以应用。

Description

用于蝙蝠翼形分布的光学系统

技术领域

本发明的实施例涉及辐射分布系统，包括产生蝙蝠翼(batwing)形光线分布模式的光学系统。

背景技术

许多照明设备需要这样一种固定装置(灯具)，所述固定装置产生蝙蝠翼形光线分布。术语“蝙蝠翼”是指这样一种光线分布，其光强度在相对于分布的主轴线成明显角度的方向上比平行于主轴线的方向上更大。在很多照明设备(包括，例如道路照明，其中大部分光应沿平行于道路的方向分布)中对蝙蝠翼形分布的希求很明显。

图1示出了以照明工程协会(IES)所应用的规定命名的多种类型的道路照明模式。如图所示，这里有五种普通类型的道路照明。类型I照明是沿道路(如果道路是单条道路)方向在两个方向上和/或如由类型I-4-向模式所示的十字交叉部分处的直向模式中的直接照明。类型V描述了在整个十字路口上的全方向照明模式。类型II类似于类型I，但是灯具被安装在偏离于待照明区域的中心的点的上方。类型III照明示出了不同于通常的(如与类型II相比较)不同角度的照明，其中，与通常的相比，其照明角度更窄以反射更小的覆盖面积。类型IV照明具有与通常相比更窄的照明角度以产生不同的、比类型III或类型II更小的照明区域。

图1b示出了一种已知的普通灯具100，其安装于将由灯具100照明的表面102上方的H高度处。主轴线104始于灯具100并垂直于包含表面102的平面延伸。此表面上的光线分布根据以流明/ft²为单位测得的照度I(x，y)而典型地确定。从灯具发出的光线的分布根据沿这样的方向而测量的光强度P(φ，θ)而典型地确定，所述方向相对于主轴线成φ角并位于包含主轴线且以角度θ定向的平面内的，如图1b所示的。照度和光强是如下关系：

$I(x,y)=\frac{P(\mathrm{\φ},\mathrm{\θ})}{H^2}{\cos }^3\left(\mathrm{\φ}\right)$

x＝H tanφcosθ

y＝H tanφsinθ

(公式1)

其中，H以英尺(feet)为单位。

在很多应用中，希望对表面形状近似为长方形或者椭圆形的区域进行照明。在图1b中，椭圆形区域106在一个方向(沿x轴)上基本上比在另一方向(沿y轴)上更长。在区域106之外，照度降到最低水平。在一些应用(例如，图1a中的类型I、II、III和IV)中，区域106可以关于图案的x-方向的主轴线基本对称，而沿y方向对称(类型I)或者不对称(类型II、III、IV)。照度分布可大体以下列为特征：照度对沿轴线的位置函数，I(x，0)和I(0，y)，并且沿两轴线的光强为：

$P_x\left(\mathrm{\φ}\right)=H^2\frac{I(x,0)}{{\cos }^3\left(\mathrm{\φ}\right)}$

$P_y\left(\mathrm{\φ}\right)=H^2\frac{I(0,y)}{{\cos }^3\left(\mathrm{\φ}\right)}$ (公式2)

其中，H是光源位于表面上方的高度(以英尺为单位)

在φ的最大值为20-25°或者更小的应用中，因数1/cos³(φ)小于约1.3，并且很多此类照明应用能够用传统准直光管(collimator)来实现可接受的均匀性。然而，对于其它应用，希望照度在30°或者更大以外的φ值达到均匀。因数1/cos³(φ)在这些角度下随着φ急剧上升，在照度因数下降之前达到远大于1的值。为了达到基本的照度均匀性，P_x(φ)的特有蝙蝠翼形状在这些应用中至关重要。

图2示出了一对曲线图，其示出了用于安装在H＝25英尺处的示例性道路发光体的分布，该分布根据给定的公式计算得出。图2示出了标记为204均匀照度I(x，0)，其在图1的x方向上延伸±50英尺，和标记为208的均匀照度I(0，y)，其在y方向上延伸-10到+25英尺，在这些范围以外每个照度都逐步下降。图2还示出了相应的光强分布202和206，它们均为蝙蝠翼形分布。蝙蝠翼形分布202沿着区域106的长x-轴(例如，沿着街道照明应用的道路)，并且蝙蝠翼形分布206沿着垂直的y轴。

现有技术中已知将蝙蝠翼形发光体与白炽灯及放电管(它们是典型的发射成全球面分布的小光源)一起使用。这些光源典型地足够强大，因此一个或者两个灯就能够为整个灯具提供全部所需光。用于这些光源的蝙蝠翼形光学系统典型地使用具有非对称的曲率、面、或者定点角的反射体(如可在现有技术中找到的)。透镜较不普遍，但也为人所知，特别是菲涅耳透镜或者双凸透镜。这些现有技术系统适用于白炽灯和放电管。

近来，发光二极管(LED)在很多照明应用中已变得普遍。用于白炽灯和放电管的蝙蝠翼形光学系统未被设计成与LED一起使用。LED典型地以具有大的总面积的阵列布置。LED也仅发射成前半球模式，而非发射成全球模式。希望具有一种适用于带有这些发射特征的光源(并且特别适用于LED)的改进的蝙蝠翼形光学系统。

发明内容

根据本发明的辐射分布系统的一个实施例包括以下要素。透镜设置于安装表面上。透镜具有电介质表面，该表面包括中间部(该中间部具有从两侧向内逐渐变细的中心区域)和两个圆形(rounded)的端部，中间部的每一侧有一个端部。至少一个细长反射面设置于透镜外部并邻近透镜。

根据本发明的发光二极管(LED)阵列的一个实施例包括以下要素。包括多个LED，每一个LED至少部分地被透镜遮盖。多个反射体中的每一个具有沿反射体长度延伸的两个反射表面。反射表面面向外，并互相远离。LED设置在多个反射体中的任意两个之间，以使从LED发出的光的一部分与面向LED的反射表面相互作用。

根据本发明的可升级光源的一个实施例包括以下要素。多个线性光源子阵列设置成形成二维阵列。包括多个透镜，且各个透镜被设置成与每一光源互相作用。包括多个反射体，且各个反射体设置在每一线性光源子阵列的每一较长侧上。反射体包括两个细长的互相背向的反射表面。透镜和反射表面被设计成与从光源发出的光相互作用，以使照度具有蝙蝠翼形分布。

根据本发明的用以产生光分布图案的一种方法包含以下步骤。设置光源。从光源发射出的光通过基本包围该光源的透镜被第一次重新定向。光的一部分通过两个反射表面(在所述光源的每一侧设置有一个所述反射表面)被第二次重新定向。已发射的光以蝙蝠翼模式分布。

附图说明

图1a是示出了某些普通道路照明模式的一系列示意图，其以照明工程协会(IES)使用的惯例命名。

图1b是现有技术中已知的普通灯具的透视图，还示出了用于描述光分布的普通坐标系。

图2示出了作为在与图1中已知灯具的光分布相关的两个轴向上距离的函数的照度和光强的两个曲线图。

图3a和3b是辐射分布系统的实施例的三维透视图。

图4是透镜和光源的实施例的横截面图。

图5是透镜和光源的实施例的横截面图。

图6是辐射分布系统的实施例的横截面图。

图7示出了作为与辐射分布系统的实施例相关的两个轴向距离的函数的照度的两个曲线图。

图8是透镜和光源的实施例的横截面图。

图9a和9b是透镜的实施例的透视图；图9c是同一透镜的横截面图。

图10a是辐射分布系统的实施例的透视图；图10b是同一系统的横截面图。

图11是辐射分布系统的实施例的横截面图。

图12a和12b是透镜和光源的线性阵列的实施例的透视图。

图13a是辐射分布系统的实施例的透视图；图13b是同一系统的分解图。

图14a是辐射分布系统的实施例的透视图；图14b是同一系统的横截面图。

图15a是辐射分布系统的实施例的透视图；图15b是同一系统的俯视平面图。

具体实施方式

所要求保护的本发明的实施例提供了一种辐射分布系统，其产生光强的蝙蝠翼形分布。此系统特别适于与多个LED及LED阵列一起应用。一个或多个光源设置于具有特别形状的透镜下面，该透镜基本上包围光源。透镜的形状类似于沿较长方向(即，x-方向)切割的半个花生壳。至少一个细长的反射表面邻近于透镜且平行于一轴线而设置，该轴线沿较长方向上穿过透镜的中心。在一个实施例中，两个此类细长的反射表面放置成在透镜的相对侧上彼此面对。

从光源中发出的光首先与包络透镜相互作用。透镜由透光电介质材料制成。由透镜的边界和周围材料形成的电介质界面使得光线被重新定向，在x-方向上给予光第一蝙蝠翼形分布。光线离开透镜，然后其中的一部分光与反射表面相互作用。反射表面使入射光重新定向，进一步在与x-方向垂直的方向(即，y-方向)上使它成形为第二蝙蝠翼形分布。所形成的二维蝙蝠翼形分布具有多种用途，例如，用于地面道路照明设备、低凹处用灯、以及建筑照明设备。在一个实施例中，蝙蝠翼形分布能被调整成类型II道路照明模式。

可以理解，当诸如层、区域或者表面的要素被称为在另一要素“之上(on)”，它可以直接位于另一要素之上或者也可存在中间要素。另外，本文中，诸如“内部”、“外部”、“上部”、“上方”、“下部”、“下方”、以及“下面”等相关术语及类似术语，可用来描述一个要素相对于另一个要素的关系。可以理解，这些术语趋向于除包含附图中所描述的方向以外，还包含装置的其他不同方向。

虽然在本文中，术语第一、第二等等可用来描述不同的要素、部件、区域、层和/或部分，但这些要素、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用来将一个要素、部件、区域、层或者部分与另一个要素、部件、区域、层或者部分区分。因此，在不背离本发明的教导的情况下，以下所描述的第一要素、部件、区域、层或者部分也可被称作第二要素、部件、区域、层或者部分。

本文中，结合作为本发明理想实施例的示意图的横截面图图示对本发明的实施例进行描述。如此，例如，由制造技术和/或偏差导致的示例的形状的变化是可预料的。本发明的实施例不应理解为局限于本文所描述的区域的特定形状，而应包括例如由制造所导致的形状上的偏差。因此，附图中所说明的区域实际上是示意性的，并且它们的形状并非旨在描述装置的区域的精确形状，并且并非旨在限制本发明的范围，除非另外明确声明。

图3a和3b是三维透视图，其示出了辐射分布系统300的实施例。图3b包括模拟所发出的光与系统的要素相互作用时的行为的光线轨迹。在图3a中，省略了光线以使系统可被看得更清楚。此具体实施例包括透302和在透镜302的相对侧上彼此面对的两个细长的反射表面304、306。辐射源308(radiative source)(在图3a的视图中不可见)设置在透镜302下方。从辐射源308发出的辐射(radiation)与透镜302及细长表面304、306相互作用以产生蝙蝠翼形分布。

辐射源308设置于一表面(在图3a和3b中未示出)上。此表面例如可以是印刷电路板(PCB)。PCB允许应用外部电源对辐射源308方便地进行偏压。在一个实施例中，辐射源308包括发出可见光谱(大约350-850nm)范围内的辐射的LED(或者多个LED)。可使用其它辐射源，例如，红外线发射器或者紫外线发射器。在某些情况下，使用多个辐射源以增加输出或者实现特定输出轮廓是有益的。例如，红色LED、绿色LED和蓝色LED可用于形成RGB辐射源，其能够输出几种不同颜色的光线。

辐射源308几乎完全被透镜302包围。透镜302由透光电介质材料制成；该材料可以是透明的或者半透明的。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA或者，普通地，丙烯酸树脂)是可接受的材料，尽管也能使用很多其他的材料。透镜302具有可通过已知工艺(例如，铸塑或者机械加工)形成的出射表面310。在此具体实施例中，出射表面310包括中间部312和具有镜像对称性的两个端部316。实际上，整个透镜302都具有镜像对称性，因为透镜302关于纵向(x-z)轴平面和横向(y-z)轴平面均对称。这两个轴平面在图3a中示出。纵向x轴线位于纵向平面内。中间部312具有中心区域314，其从两侧逐渐变细，使得它比端部316的邻近部分更窄。在此具体实施例中，中间部312在表面310上具有位于纵向对称面与横向对称面的交叉处(即，在中心区域314处)的鞍点。如所示的，端部316是圆形的。可使用与图3a和3b中所示的表面轮廓的特定尺寸不同的多种变型以形成蝙蝠翼形分布模式。

出射表面310形成与围绕透镜的材料(即，环境材料)之间的电介质界面。环境材料可以是围绕透镜302的任意材料(例如，空气或者水)。蝙蝠翼形分布的尺寸部分地由透镜材料与环境材料之间的折射差的指数(index)确定。对于差异较大的，当光穿过透镜302进入环境材料时将更明显地被折射。

在光射出透镜302后，一部分光就作为已发射光的畅通无阻地继续行进。射出透镜302的光的一部分以更大的角度在横向方向上(即，侧面外)与反射表面304、306相互作用。入射到反射表面304、306上的光以背向纵向轴平面的角度被重新定向，如图3b中所示。

反射面304、306可以用如下所述任意材料制造，所述材料能够被涂覆或者形成得具有超出从辐射源308发出的波长范围的高镜反射率。一些可接受的材料和制造技术包括挤压铝、机加工铝、成型铝金属片、挤压聚合物、成型聚合物、铸铝、铸锌及成型陶瓷。为增加可见光谱内的反射率，反射表面304、306可被抛光并且也可被涂覆以提高耐久性和反射率。一些典型的涂覆工艺包括铝或银的真空沉积、铝或银的化学或电镀、以及多层电介质涂层的真空沉积。典型地，反射涂层包括保护覆盖层，例如透明聚合物、SiO、SiO₂或者铝阳极氧化层。也可能需要使用具有高导热性的材料。此类材料能够有助于将所产生的热从辐射源308驱散出去，提高它的效能和寿命。

图4示出了位于辐射分布系统400的纵向对称平面中的横截面图。辐射源402被电介质密封材料404包围。如果辐射源是LED，密封材料可用于增强已发射光的量并用来物理地保护辐射源不受潮湿、机械接触等等。在此实施例中，密封材料404与透镜406接触，中间不存在气隙。透镜406能够通过将其直接形成在密封材料404上而制造；例如，可利用诸如硅树脂或者环氧树脂材料将其模塑或者浇铸成为密封材料404的一部分。可替换地，能够利用与密封材料404相同或者不同的材料独立形成透镜406，然后通过粘合剂将其附接至密封材料404。在此具体实施例中，透镜406具有中间部408和两个圆形端部412，该中间部具有位于其最窄点处的中心区域404。

图5示出了示例性透镜轮廓500的横截面图。在此实施例中，透镜输出表面是通过使轮廓500围绕旋转对称轴线504(其平行于纵向轴平面)部分地旋转而形成的旋转表面。透镜轮廓利用纵向光强函数P_x(φ)设计而成，该纵向光强函数又是从照度函数I(x，0)中计算得出的。例如，假设照明设备将被安装在25英尺处，并且打算在x＝±50英尺的范围内提供均匀照明，在紧接着的10英尺范围内照度直线下降至0。则

$I(x,0)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_0& \left|x\right|\&le;50\mathrm{ft}\\ I_0\frac{\left|x\right|-50\mathrm{ft}}{10\mathrm{ft}}& 50\mathrm{ft}<\left|x\right|<60\mathrm{ft}\\ 0& \left|x\right|\&GreaterEqual;60\mathrm{ft}\end{array}\right.$ (公式3)

然后根据公式2计算出光强P_x(φ)。在中央区域(-50ft到+50ft)：

$P_x\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\frac{I_0}{{\left(25\mathrm{ft}\right)}^2}\frac{1}{{\cos }^3\left(\mathrm{\&phi;}\right)}$ (公式4)

注意，P_x(φ)在均匀照明区域的边缘附近达到峰值，在x＝50ft处，相当于φ＝arctan(50/25)＝63.4°。在此点，1/cos³(φ)因数大于10，即，在63.4°处的光强要高于在0°处的光强10倍以上。

可通过假设辐射源502位于旋转对称轴504上或者靠近旋转对称轴504而从P_x(φ)中计算得出透镜轮廓500。图5示出了轮廓500和一些示例性光线。透镜轮廓500将辐射源能量分布P_source(φ_source)映射成输出分布P_x(φ)。概括地，从辐射源发出的带有小的θ_source值的光线(例如，光线506)被映射成更小的φ值，并且更大角度的辐射源光线(例如，光线508)被映射成更大的φ值。为在更高角度下提供更高的光强，透镜既降低了低角度下的强度又增强高角度下的强度。凹形中央部分510使小角度光线发散，并且凸形外部部分512使更大角度的光线会聚。轮廓终止于最大辐射源收集角θ_max处。

能够通过多种方法计算出详细轮廓。例如，轮廓可表示为以光源为中心的极坐标内的多项式，并且多项式中的各项可用蒙特卡罗光线追踪模拟法进行优化。可替换地，可以根据角度输出函数φ(θ_source)确定每一辐射源光线角度θ_source的理想输出角度φ。对于点源，有多种已知方法用于从此类光线角度列表中简单地计算出所需轮廓。能够通过这些方法中的任一个计算出轮廓，可使用现实扩展源(非简化的点源)通过蒙特卡罗光线追踪对所得到的光学系统性能进行模拟，并且能够产生新的、补偿角度函数φ(θ_source)以修正在模拟中观察到的非均匀性。例如，在用公式4计算示例性轮廓500时，当利用点源首先计算轮廓时，得出的光学系统输出在φ＝0处显示出过大的光强。对于具有在更大角度下指定更高照度的二次修正项的中央区域，此结果通过使用新指定的照度函数重新计算轮廓而得到补偿：

(公式5)

已发现，可接受的性能能够通过经验地最优化系数a获得，此系数通常在1.5到5的范围内。将理解，此补偿方法能够通过函数形式而非二次项式得以应用，例如，通过更高次多项式得以应用，该更高次多项式的系数能够构成多个可调补偿参数。此方法也能补偿多种结果，例如，菲涅耳反射。a(或者任意其它补偿参数)的最佳范围将根据被补偿的结果、将被照明区域的尺寸、及其它因素而改变。

图6示出了辐射分布系统600的横截面视图。此系统包括具有输出面的透镜606，该输出面为围绕一纵轴旋转的平面，所述纵轴穿过光源612或者至少靠近光源612。反射体轮廓602、604取决于所需的横向照度I(0，y)。类似于透镜的计算，在将被照明区域内部的横向轴平面内所需光强通过以下公式计算：

$P_y\left(\mathrm{\&phi;}\right)=\frac{I(0,y)}{H^2}\frac{1}{{\cos }^3\mathrm{\&phi;}}$ (公式6)

然而，计算轮廓的方法是不同的。在透镜606的横向对称平面内示出了系统600的横截面，还示出了一些样本光线在此平面内的投射角。反射体602拦截其投射角在θ₁至θ₂范围内的任何源光线，并且反射体604拦截其投射角在θ₃至θ₄范围内的源光线。注意到，以投射角θ₂至θ₃出射的源光线是不受反射体控制的。此设计必须补偿不受控制的光。透镜输出分布P_y是不受控制的部分P_unc(未入射在反射体上)和受控制的部分P_cont(入射在反射体上)的总和，由以下公式给出：

P_y(φ)＝P_unc(φ)+P_cont(φ)         (公式7)

因为透镜表面是关于穿过辐射源的轴线旋转对称的，从位于真实光源612或者靠近真实光源612的假想点源出发的光线角度(投射到垂直于轴线的平面内)在折射过程中是不变的。对于像光源612一样的扩展源来说，如果偏差较小(即，只要该光源基本上小于围绕轴线的透镜表面的曲率半径)，该光源也可被近似为点源。在这种情况下，不受反射体控制的输出光投射分布P_unc近似为θ₂至θ₃之间的角度φ的投射源分布P_source。这意味着反射体的所需输出能够近似为：

(公式8)

然后，计算反射体轮廓602以将光源投射角度θ₁至θ₂映射为输出分布P_cont(φ)的指定部分。同样地，计算轮廓604以将光源投射角度θ₃至θ₄映射成输出分布P_cont(φ)的指定部分。具体的计算方法与上面所描述的用以计算将源角度映射成所需P_x(φ)的透镜轮廓的方法类似。

光分布I(0，y)和反射体轮廓602、604的某些特性能够从公式8中推算出。第一，既然P_cont(φ)是可物理测量的能量分布，那么它不能是负的，所以对于在θ₂至θ₃之间范围内的所有φ，P_y(φ)必须超过P_source(φ)。具体地，如果照度是均匀的，公式6和8说明P_y(φ)不能小于P_source(φ)。第二，注意到，P_y(φ)随φ而增加，同时P_source(φ)通常在φ＝0时达到峰值，并在更高的φ下减小，因此差别函数P_cont(φ)必须是比P_y(φ)更强的蝙蝠翼形分布。而且，用于蝙蝠翼形分布P_y(φ)的最小值通过P_source设定。这可总结为：

$P_{\mathrm{cont}}\left(\mathrm{\&phi;}\right)\&GreaterEqual;\frac{P_{\mathrm{source}}\left(0\right)}{{\cos }^3\mathrm{\&phi;}}$ (公式9)

反射体典型地将大部分收集的光重新定向为φ的更高期望值。第三，反射体所收集的总能量局限于从θ₁至θ₂和从θ₃至θ₄的受控角度范围内的能量。如果不受控角度范围θ₂至θ₃太大，那么几乎没有能量可供反射体收集，因而不能满足公式9。这限制了角度范围和可实现的均匀性水平。因此，当区域相对于辐射源对称地设置时，仅当被照明区域在短轴(即，y＝±H)内被限定为φ≈±45°时能够达到最佳均匀性。当区域不对称地设置时，短轴内的φ的总的边对边角度仍然优选地小于90°，并且短轴内的最大角度φ优选地小于大约60°(即，|y|＜Htan[60°])。这些限制仅适用于区域的短轴；长轴模式由透镜控制，并且不以同样的方式受限制。

每一个反射体能够被设计成仅照亮输出分布的一部分。在图6中，反射体602主要照亮右手侧输出角度，如光线608所示的，并且反射体604主要照亮左手侧输出角度，如光线610所示的。然而，反射体602也可设计成照亮左手侧输出角，在此情况下，反射体604将照亮右手侧输出角。可替换地，根据所需的具体角度分布，每一个反射体表面均能够被设计成照亮左手侧输出角度和右手侧输出角度。这些选择中的每一个都将需要不同的反射体轮廓。

图7示出了使用如上所计算的两种示例性轮廓、并具有模拟Cree 7090 XR-E LED光源的蒙特卡罗光线追踪模拟的结果。该图表示出了距离系统25英尺的平面上的模拟照明的两个横截面，其以光源发出的每总流明的尺烛光(fc)为单位。每流明照度的数据集702是在纵向对称平面内，并且每流明照度数据集704是在横向对称平面内。

图8示出了辐射分布系统800的另一实施例。该图示出了透镜802在纵向对称平面中的横截面。密封介质804与透明电介质光源穹顶806光学接触。透镜802具有电介质光入射表面808，其与光出射表面810相对。在此具体实施例中，光入射表面808包括安装在光源穹顶806上的穹顶腔812。光源816发出的示例性光线814依次被光源穹顶806、透镜光入射表面808、以及透镜光出射表面810折射。在确定轮廓时，必须考虑所有三次折射，以确保这些表面配合产生所需的蝙蝠翼形分布。在此实施例中，透镜802可通过诸如铸塑、喷射造型法、以及压缩模塑法等普通电介质成型工艺制造。一些可接受的材料包括玻璃、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚苯乙烯、以及环状烯烃共聚物。

如果使用喷射造型工艺制造透镜，需要使厚度最小化，并且也要使透镜的不同部分的厚度变化最小化。另一优点是增加与透镜一体成型的安装部件的能力。图9a-c示出了适用于这些目的的透镜900的实施例的三个视图。图9a和9b示出了两个透视图；图9c示出了在纵向对称平面内的横截面视图。光入射表面902已被改进为形成显著减小透镜厚度的中空区域904。这些区域904被成形为使材料总量和总的厚度变化最小化，同时仍然避免由透镜900透射的光的显著流失。例如，光入射表面的一部分906设置成与中心轴线908成一定角度β。如果β太大，透镜厚度将不会有多少降低。如果β太小，部分906就会拦截太多的已发射光。对于多数光源，光基本上分布在由极限角θ限定的锥形内。在此情况下，β优选地近似于θ或者稍大于θ。例如，对于Cree XLamp 7090LED，θ约为55-60°，并且β可有利地在50°和70°之间选择。

另外，横截面视图示出了透镜900设置在穹顶形密封材料910上。类似于图8中所示出的系统，此实施例的光入射表面902包括设计成与光源穹顶910配合的穹顶腔912。

透镜900还包括与透镜900一体模制的定位脚914。由于具有中空区域904，脚914优选地附加至透镜900的位于相对于轴线908成比θ大的角度的区域，以使它们拦截少量的已发射光。

图10a和10b示出了另一实施例的辐射分布系统1000的两个视图。图10a是透视图，并且图10b是透镜1002在横向对称平面中的横截面视图。反射表面1004和1006在纵向方向上比单一透镜1002更长。附加透镜1002和辐射源1008可线性地设置在一对细长的反射表面1004、1006之间。在此实施例中，多个透镜1002可模制成单一透镜阵列，以减少塑造成本并简化组装。

在一些实施例中，如果系统1000能够有效地消散辐射源所产生的热，就能增强辐射源的工作性能和可靠性。在图10中，例如，辐射源1008可以是LED。五个辐射源1008组成的线性阵列能够焊接至单一金属芯电路板1010上。然后将电路板1010附接至底板1012，底板可能为铝或者其他具有高导热性的材料。底板1012还为反射体1014、1016(分别包括反射表面1004、1006)和散热片1018提供安装表面。

良好的热消散要求在电路板1010、底板1012、以及散热片之间的界面处具有低热阻。电路板1010与底板1012之间的界面可填充以热界面材料层1020。热界面材料层1020通过最小化或者消除电路板1010与底板1012之间的气隙降低了热阻。通过确保界面材料层1020为均匀薄层而实现了最小化热阻。这可通过在电路板1010上施加压力使其靠着底板1012来实现。

此外，反射体1014、1016自身能够成为热消散的路径。反射体1014、1016优选地由硬的、导热材料(诸如铝)构成。通过将两个元件螺接在一起或者以其他方式固定它们所提供的夹紧力，反射体1014、1016因此能够起到夹具的作用以向电路板1010施加压力使其靠着底板1012。反射体1014、1016还能够起到散热片的作用以将热量从电路板1010中驱散走。如果通过增加热界面材料层1022、1024而使得从电路板1010到反射体1014、1016的热阻最小的话，那么通过反射体1014、1016的热消散就是最有效的。层1022设置于电路板1010与反射体1014、1016之间。层1024设置于反射体1014、1016与底板1012之间。层1022、1024是柔性的，以使反射体1014、1016仍然能够施加夹紧力。

图11示出了另一个实施例的辐射分布系统1100。反射体1102、1104一体形成在底板1106上。例如，底板1106和反射体1102、1104能够被挤压成一个部件。在此实施例中，从底板1106到反射体1102、1104的热阻被最小化，并且能够使用一些替换方法以将电路板1108夹紧至底板1106。

图12a和12b示出了透镜/辐射源阵列1200的实施例，图12b提供了阵列1200的分解图。多个透镜1202设置在相应的辐射源1204上。在此实施例中，辐射源1204包括LED，尽管也可使用其它辐射源。透镜1202可独立制造并安装至安装表面，或者它们也可如图12b中所示的制造为单一部件。多个透镜间隔开以使它们与安装至电路板1206的LED相配合。

图13a和13b示出了辐射分布系统1300的实施例，图13b提供了系统1300的分解图。诸如图12a中所示阵列的透镜/辐射源阵列1302设置在电路板1304上。反射体1306设置在电路板1304上以使阵列1302如所示那样设置在任意两个反射体1306之间。反射体设置成使得两个不同的反射面1308、1310面向阵列1302并且与从如上所详细描述的阵列1302发射出的一部分辐射相互作用。在图13b的分解图中，组合形成阵列1302的辐射源1312和透镜1314被独立示出。虽然阵列1302被示出为包括5个透镜/辐射源对，可以理解，根据设计要求，也可使用更多或者更少的透镜/辐射源对。

图14a和14b示出了辐射分布系统1400的实施例，图14b提供了系统1400的横截面视图。系统1400包括多个透镜/辐射源阵列1402，如所示的，每一个透镜/辐射源阵列设置在任意两个反射体1404之间。当线性阵列1402以这种方式并排设置时，通过在一个反射体上形成多个反射表面简化了制造和组装。因此，系统1400很容易升级。虽然所示出的两个阵列1402设置在三个反射体1404之间，可以理解，可按需要增加另外的阵列和反射体，例如，用来增加系统1400的辐射输出。

图15a和15b示出了辐射分布系统1500的实施例。此具体实施例包括透镜/辐射源对1502的10x10的阵列。如所示出的，透镜/辐射源对设置在反射体1504之间。系统1500是能升级的；可按需要增加另外的透镜/辐射源对和反射体。系统也可按比例缩小用于更紧凑的应用。

图12-15所示的所有实施例都可包括另外的元件以改进性能和效率。如图11中所示，一种此类元件为散热片。散热片可独立地附接至单独的透镜/辐射源对、附接至透镜/辐射源对阵列、或者附接至作为单一元件的多个阵列。随着辐射源数量的增加，对良好热消散的需求通常也增加，所以在二维阵列系统中特别需要低热阻。

另外，系统可安装至灯具且悬置在用于例如街道照明等应用的表面上。在用于阵列系统的典型应用中，从辐射源灯具到入射表面的距离远大于(例如，大于10倍以上)阵列的尺寸。在此情形下，众所周知，用于阵列系统的输出分布将基本上类似于用于单一元件系统的输出分布。

虽然已参照其特定构造详细描述了本发明，其它变型也是可行的。因此，本发明的精神和范围不应受以上所述型式的限制。

Claims (35)

1.一种辐射分布系统，包括：

设置在安装表面上的透镜，所述透镜具有电介质表面，所述电介质表面包括：

中间部，具有从两侧向内逐渐变细的中心区域；和

两个圆形的端部，在所述中间部的每一侧上有一个所述端部；以及

至少一个细长反射表面，位于所述透镜外部并且设置成靠近所述透镜。

2.根据权利要求1所述的辐射分布系统，还包括辐射源，所述辐射源设置在所述安装表面上以使得从所述辐射源发出的辐射的大部分与所述透镜相互作用。

3.根据权利要求2所述的辐射分布系统，其中，所述辐射源包括发光二极管(LED)。

4.根据权利要求2所述的辐射分布系统，其中，所述辐射源包括多个LED。

5.根据权利要求2所述的辐射分布系统，其中，所述辐射的与所述透镜相互作用的部分被所述至少一个反射表面重新定向。

6.根据权利要求2所述的辐射分布系统，其中，所述辐射与所述透镜以及所述至少一个反射表面相互作用以产生蝙蝠翼形分布模式。

7.根据权利要求2所述的辐射分布系统，还包括散热片，所述散热片与所述辐射源热接触，以使所述散热片不会阻挡从所述辐射源发射出的辐射。

8.根据权利要求2所述的辐射分布系统，还包括设置于所述光源上的密封材料，所述透镜安装在所述密封材料上。

9.根据权利要求8所述的辐射分布系统，其中，所述密封材料是穹顶形的，并且装配在所述透镜的穹顶形腔内。

10.根据权利要求1所述的辐射分布系统，所述电介质表面关于纵向轴线和横向平面具有对称性。

11.根据权利要求10所述的辐射分布系统，其中，所述透镜沿纵向方向比在横向方向更长。

12.根据权利要求1所述的辐射分布系统，所述至少一个反射表面包括第一细长反射表面和第二细长反射表面，所述第一反射表面和第二反射表面靠近所述透镜设置在相对的两侧上，以使所述第一反射表面面向所述第二反射表面。

13.根据权利要求12所述的辐射分布系统，其中，所述第一细长反射表面和第二细长反射表面是凹形的。

14.根据权利要求1所述的辐射分布系统，其中，所述至少一个细长反射表面包括高导热性材料。

15.根据权利要求1所述的辐射分布系统，其中，所述至少一个细长反射表面包含铝。

16.根据权利要求1所述的辐射分布系统，所述电介质表面关于纵向轴线具有对称性，其中，所述透镜沿纵向方向比沿垂直于纵向方向的方向更长。

17.根据权利要求1所述的辐射分布系统，其中，位于所述中间部处的所述电介质表面在所述中间部处具有鞍点。

18.一种发光二极管(LED)阵列，包括：

多个LED，所述多个LED中的每一个至少部分地被透镜遮盖；以及

多个反射体，所述反射体中的每一个均具有沿所述反射体的长度延伸的两个反射表面，所述反射表面面朝外相互背离；

其中，所述LED设置在所述反射体中的任意两个之间，以使从所述LED发出的光的一部分与面向所述LED的反射表面相互作用。

19.根据权利要求18所述的LED阵列，其中，所述透镜和所述反射表面与已发射的光相互作用以产生蝙蝠翼形分布。

20.根据权利要求18所述的LED阵列，还包括至少一个印刷电路板(PCB)，所述多个LED设置于所述至少一个PCB上。

21.根据权利要求20所述的LED阵列，还包括底板，所述至少一个PCB和所述反射体安装在所述底板上。

22.根据权利要求21所述的LED阵列，还包括散热片，所述散热片与所述PCB及所述反射体热接触，以使所述散热片不会阻挡从所述多个LED发射的光。

23.根据权利要求21所述的LED阵列，还包括热界面材料，设置于所述底板与所述PCB之间以及所述底板与所述反射体之间，以促进热量在整个所述LED阵列的流动。

24.根据权利要求18所述的LED阵列，其中，所述反射体包括高导热性材料，并促进热量流动离开所述多个LED。

25.根据权利要求18所述的LED阵列，其中，所述反射体包含铝。

26.根据权利要求18所述的LED阵列，所述透镜中的每一个包括：

中间部，具有带有中心鞍点的表面；以及

两个圆形的端部，在所述中间部的每一侧上具有一个所述端部。

27.根据权利要求18所述的LED阵列，还包括安装柱，其中，所述多个LED在一表面上方的一定高度处安装至所述安装柱，以使所述表面被以蝙蝠翼形分布模式发射的光照亮。

28.根据权利要求18所述的LED阵列，其中，所述LED设置在二维阵列内。

29.一种可升级光源，包括：

多个线性光源子阵列，设置成形成二维阵列；

多个透镜，所述多个透镜中的各个透镜设置成与所述光源中的每一个相互作用；以及

多个反射体，所述反射体中的各个反射体设置于每个线性光源子阵列的两个较长侧上，所述反射体包括相互背向的两个细长反射表面；

其中，所述透镜和所述反射表面设计成与从所述光源发出的光相互作用，以使照明具有蝙蝠翼形分布。

30.根据权利要求29所述的可升级光源，其中，所述线性光源子阵列中的每一个均包括印刷电路板，所述光源安装在所述印刷电路板上。

31.根据权利要求29所述的可升级光源，还包括散热片，所述散热片与所述光源热接触，以促进热量流动离开所述光源。

32.根据权利要求29所述的可升级光源，所述透镜中的每一个包括：

中间部，具有从两侧向内逐渐变细的中间区域；以及

两个圆形的端部，在所述中间部的每一侧上具有一个所端部。

33.根据权利要求29所述的可升级光源，其中，所述反射表面中的每一个相对于所述光源中最近的光源呈凹形。

34.根据权利要求29所述的可升级光源，其中，所述反射体包含具有高导热性的材料。

33.根据权利要求29所述的可升级光源，其中，从所述光源发出的光分布于类型II道路照明模式中。

35.一种用于产生光分布模式的方法，包括：

提供光源；

通过基本包围所述光源的透镜使从所述光源发出的光被第一次重新定向；以及

通过两个反射表面使所述光的一部分被第二次重新定向，所述光源的每一侧上设有一个所述反射表面；

其中，已发射的光以蝙蝠翼形模式分布。

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