CN102197260A - Led交通信号灯及其光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种信号灯，包括：具有开口端和中心轴线的外壳；封闭外壳的开口端的折射光学元件；以及与光学元件配合的光源。所述光学元件包括会聚外表面和扩散内表面。所述内表面可由多个小平面构成，并包括至少一个基本水平部分和至少一个基本竖直部分。所述信号灯还可包括支架，所述支架包括布置在其上的多个LED。

Description

LED交通信号灯及其光学元件
技术领域
本发明涉及一种照明装置。更特别地，本发明涉及一种有效的信号灯，用于控制相对较小的光源发出的光。
背景技术
现有构造的信号灯采用多个透镜来控制光，包括第一会聚透镜和第二扩散透镜(见图1)。例如，作为参考结合于此的美国专利No.5,947,587公开了一种信号灯，包括具有开口端2的箱形外壳1，所述开口端由扩展窗3封闭。LED 4集中在外壳1的中心轴线6周围，并且作为菲涅耳透镜描述的正透镜7插在扩展窗和LED之间。
LED 4布置在一阵列内，其表面面积是菲涅耳透镜7的表面面积的25％。菲涅耳透镜7会聚光束光栅，然后扩展窗3扩散所述光。采用两个光学元件，即，菲涅耳透镜和扩展窗，经过两个光学部件后会造成光损失。另外，需要制造两个单独的光学部件并将它们组装在信号灯内，这增加了LED信号灯的制造成本并降低了效率。
因此，需要开发一种有效的信号灯，该信号灯在会聚光之前扩散光，以便控制光在地面上的分布，同时使用更少的塑料零件。
发明内容
根据本新颖概念的一个示例性实施方式包括照明装置，该照明装置具有：外壳，该外壳具有开口端和中心轴线；折射光学元件，封闭所述外壳的开口端；以及光源，与所述折射光学元件配合，处于所述折射光学元件的焦点处。该光学元件包括会聚外表面和扩散内表面。
另一个示例性实施方式是提供一种信号灯，该信号灯包括：外壳，具有开口端和中心轴线；折射光学元件，具有关于所述中心轴线旋转对称的内表面和外表面；以及点光源，布置在所述光学元件的焦点处，其中所述内表面由多个小平面构成(facet)。
进一步的示例性实施方式提供一种信号装置，包括：外壳，具有开口端，该开口端具有中心轴线；至少一个光源，沿所述中心轴线布置；外光学元件，封闭所述外壳的开口端。该光学元件包括会聚外表面和与所述光源配合的扩散内表面。在光源和外光学元件之间设置有内光学元件，所述内光学元件使光源发出的光改变方向，所述光源从外光学元件的焦点向所述外光学元件偏移。
附图说明
图1为现有技术信号灯的剖面示意图。
图2为包括具有远侧会聚表面的正透镜的信号灯的剖面示意图。
图3为包括具有由多个小平面构成的可模制内表面的正透镜的信号灯的第二实施方式的剖面示意图。
图4为用于新颖的信号灯的第三实施方式中的与光源配合的两个光学元件的示意图。
图5为图3所示的与点光源配合的透镜的侧视图。
图6为图5中所公开的光学元件上的分布光栅的光度图。
图7为图5所示的光学元件的剖面示意图。
图8为参照内基准面的分布曲面的竖直剖面示意图。
具体实施方式
图2公开了一种信号灯8，包括折射光学元件10，所述折射光学元件以准直透镜示出，并与该光学元件的焦点处的点光源12配合。准直透镜10包括内表面14和外表面16。内表面14成形为与点光源12发出的光线18垂直的形状，使得这些入射光线在内表面14处发生的折射最小或无折射。外表面16构造成使光线改变方向，以提供基本上准直(平行或几乎平行)的光束光栅。例如，认为大多数光线在约20°的光束角之内时适合形成几乎准直(几乎平行)的光束光栅。
图2还示意性地示出了用于多个LED 24的支架22。如上所述，虚拟点光源12布置在透镜10的焦点处。支架22在所述实施方式中为印刷电路板，支架从准直透镜10的焦点向内偏移，并位于与中心轴线26垂直的位置。LED 24集中在准直透镜10的中心轴线26周围，该中心轴线也可以是信号灯外壳28的中心轴线，所述信号灯外壳包括LED 24和准直透镜10。信号灯的外壳28具有由准直透镜10封闭的开口端。支架22上的LED24足够靠近中心轴线26，并从透镜10的焦点向内设置，以产生与虚拟点光源12产生的光束光栅相似的光束光栅。
图3示出了信号灯48的替代实施方式。图3示出了与虚拟点光源52配合的折射光学元件50，所述虚拟点光源布置在光学元件的焦点处。透镜50可关于中心轴线66旋转对称。如果希望形成不对称的光束光栅，则透镜50的内表面54可以径向或线形(方形或菱形)的方式布置。光学元件50包括内表面54和外表面56。与图2所示的实施方式相对照，内表面54配置成类似于菲涅耳透镜，其内表面由多个小平面构成。但是，以折射光学元件50可注塑模制而成的方式，使得内表面54由多个小平面构成。这种情况下，每个小平面(图3所示的每个方向)的基本水平的部分至少与光学元件50和信号灯外壳68的中心轴线66基本平行，或呈现一个使得光学元件50可从模具脱出的角度。例如，每个小平面的水平部分58倾斜离开与所述中心轴线66平行的线，所述线与从模具脱出的方向(从水平部分的最内边缘62沿朝向水平部分的最外边缘60的方向)重合。
每个小平面还包括基本竖直的部分64，以朝向光学元件50的外表面56折射光。外表面56构造成使光束光栅变窄。如果表面54与点光源发出的光垂直，则与上述外表面16相似，外表面56构造成使光线改变方向，以产生基本上准直(平行或几乎平行)的光束光栅。例如，认为大多数光线在约20°的光束角之内时适合形成几乎准直(几乎平行)的光束光栅。下面参照图8描述不对称光束的形成。
图3示出了布置在外壳68内的支架72和布置在所述支架上的多个LED 74。LED 74和支架72从透镜50的虚拟焦点52向内偏移，与图2所示的实施方式相似。支架72可以为印刷电路板，并位于与中心轴线66基本垂直的位置。LED 74集中在中心轴线66周围。与美国专利No.5,947,587相似，LED 74的覆盖区域(footprint)的表面面积可以是折射光学元件50的表面面积的25％左右。
图3公开了从布置在折射光学元件50的焦点52处的虚拟点光源发出的光线76。通过将LED 74和支架72从焦点52朝向折射光学元件50向内偏移，LED发出的光线可遵循与虚拟点光源52所显示的光线76基本上相同的路径。
图5公开了图3所示的与单光元件(single light element)92配合的透镜90和该单光元件发出的光线94的侧视图。单光元件92位于透镜90的焦点处，与上述虚拟点光源类似。以与如上公开的信号灯相似的方式，多个LED可集中在透镜90的中心轴线周围并从虚拟点光源向内偏移，以产生与图5所示的光束光栅非常相似的光束光栅。图5更精确地示出了基本准直的光束光栅，其中，光线不是都精确地互相平行，而是基本上互相平行，以产生基本上或大致上准直的光束光栅。图7为图5所示的横剖面的近视图。
图4示出了两个折射光学元件100和102以及两个虚拟点光源104和106的剖面示意图。每个点光源104和106沿轴线108布置，所述轴线相对于两个光学元件100和102居中。光学元件102可关于中心轴线108旋转对称。但是，如果希望不对称的光束光栅，则光学元件100可不关于中心轴线108旋转对称。
外折射光学元件100包括由多个小平面构成的内表面112和光滑外表面114。由多个小平面构成的内表面112与参照图3所描述的由多个小平面构成的表面相似，其与菲涅耳型相似，但是能够注塑模制而成。外光学元件100构造成与最远的虚拟点光源104配合，以提供与图2和图3所示的实施方式相似的基本上准直的光束光栅。外光学元件100封闭信号灯外壳(未示出)的开口端，与上述光学元件10和50相似。
内光学元件102用来形成光学元件100的虚拟远焦点。光学元件102还用来通过集中LED光源的所有光或几乎所有的光而提高信号灯的效率。光学元件102减小了信号灯的厚度。图3所示的光学元件以正透镜示出；但是，所述光学元件也可设计成折射元件、衍射元件、内折射元件和/或反射元件。
内光学元件102构造成与虚拟点光源106配合，所述虚拟点光源106比远处的虚拟点光源104更靠近内光学元件102和外光学元件100。内光学元件102构造成使点光源106发出的入射光线改变方向，使得射出的光线124基本上遵循与最远的虚拟点光源104发出的光线126相同的路径。通过提供另外的内光学元件102，由于内光学元件102提供的光线的方向改变，可减小外壳的深度。因此，与参照图2和图3所描述的方式类似，LED可从虚拟点光源106向内设置(即，朝向光学元件102和100)。光学元件100和102可布置在与上述外壳28和68相似的外壳(未示出)内。
图8示出了为形成不对称的光束光栅而对光进行的控制。外表面134代表光学元件的外表面，与参照图4所描述的外表面114相似。基准表面131与参照图4所描述的内表面112和参照图3所描述的内表面64相似。入射光线132与参照图4所描述的光线124相似。为了形成不对称的光束光栅，内表面131由分布表面130替代。分布表面130定向在与基准内表面相同的角度，使得外表面134相对(against)中心轴线108传输相同的光束光栅。透镜的内分布表面130可以径向或线形(方形或菱形)的方式布置，其中透镜是包括外表面134和内分布表面130的光学元件。
此处所述的光学元件所产生的准直光束光栅形成与图6所示相似的光束光栅。在某些情况下，发现希望将光束轴线从水平轴线下移5°，以实现信号灯的预期强度。
已参照优选实施方式描述了示例性实施方式。显然，阅读和理解前面的详细描述后，可对实施方式进行修改和替换。在所附权利要求或其等同物的范围内，该示例性实施方式可理解为包括所有这些修改和替换。

Claims (18)

1.一种照明装置，包括：
外壳，具有开口端和中心轴线；
折射光学元件，封闭所述外壳的开口端，所述光学元件包括会聚外表面和扩散内表面；以及
光源，与所述光学元件配合，其中，所述光源布置成靠近所述折射光学元件的焦点。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光学元件是准直透镜，
其中，所述内表面构造成与所述光源发出的光线垂直，并且所述外表面构造成使光线改变方向，以提供基本上准直的光束光栅。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光学元件与所述外壳共用所述中心轴线。
4.根据权利要求1所述的照明装置，进一步包括支撑至少一个LED的支架。
5.根据权利要求4所述的照明装置，其中，所述支架从所述焦点朝向所述开口端偏移，并基本上垂直于所述中心轴线。
6.根据权利要求5所述的照明装置，其中，所述支架支撑多个LED。
7.一种信号灯，包括：
外壳，具有开口端和中心轴线；
折射光学元件，具有关于所述中心轴线旋转对称的内表面和外表面；
点光源，布置成靠近所述光学元件的焦点，其中，所述内表面由多个小平面构成。
8.根据权利要求7所述的信号灯，其中，由多个小平面构成的所述内表面包括至少一个基本水平部分和至少一个基本竖直部分。
9.根据权利要求8所述的信号灯，其中，所述至少一个水平部分与所述中心轴线基本平行。
10.根据权利要求8所述的信号灯，其中，所述基本竖直部分朝向所述光学元件的外表面折射光。
11.权利要求7所述的信号灯，进一步包括支架，所述支架布置在所述外壳内并包括布置在其上的多个LED。
12.权利要求7所述的信号灯，其中，所述支架从所述焦点朝向所述开口端偏移，并基本上垂直于所述中心轴线。
13.权利要求7所述的信号灯，其中，所述多个LED产生的光束光栅与所述光源产生的光束光栅非常相似。
14.一种信号装置，包括：
外壳，具有开口端和中心轴线；
至少一个光源，沿所述中心轴线布置；
外光学元件，具有焦点，并封闭所述外壳的开口端，所述光学元件包括会聚外表面和与所述光源配合的扩散内表面；以及
内光学元件，位于所述光源和所述外光学元件之间，所述内光学元件使光源发出的光改变方向，所述内光学元件从所述焦点朝向所述外光学元件偏移。
15.根据权利要求14所述的信号装置，其中，所述外光学元件和内光学元件关于所述中心轴线旋转对称。
16.根据权利要求14所述的信号装置，其中，所述外光学元件的所述内表面由多个小平面构成，并且所述外光学元件的所述外表面是光滑的。
17.根据权利要求14所述的信号装置，其中，所述光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源布置成比所述第二光源更靠近所述内光学元件。
18.根据权利要求14所述的信号装置，其中，所述外光学元件构造成与第二光源配合，以提供基本上准直的光束光栅。
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