CN102245964A - 发光二极管道路照明光学器件 - Google Patents

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约翰·亚当·克里斯托弗·罗伊
亚当·弗雷德里克·查菲
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Abstract

本发明公开了一种用于照明灯具的光学模块，该照明灯具用于提供道路照明。光学模块包括具有多个发光二极管(LED)的电路板。反射杯围绕多个LED中的每一个LED，并且该反射杯包括围绕每个LED的窄端以及位于与每个LED相反的第二端的较大的开口。折射透镜盖件包括多个模制透镜，每个模制透镜设置在反射杯的第二端。

Description

发光二极管道路照明光学器件
相关申请的交叉引用
本申请要求在2008年9月15日提交的美国临时专利申请No.61/097216、在2008年9月15日提交的美国临时专利申请No.61/097211和在2009年8月31日提交的美国临时专利申请No.61/238348的优先权，这些美国临时专利申请的内容在此通过引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)照明灯具，特别地涉及在用于道路照明的LED照明灯具中使用的LED照明部分。
背景技术
室外照明通常使用高强度的放电灯(通常是高压钠灯(HPS))来照射道路、停车场、庭院、人行道、公共集会区、标牌、工地和建筑物。朝向提高能量效率的方向的努力已经将作为HPS照明的替代方式的发光二极管(LED)技术置于商业和市政应用中值得注意的显著地位。LED照明具有在室外应用中提高能量效率和增加光输出的潜力，然而，由于热量要求、光输出和图案特性的原因，在常用的眼镜蛇头状照明灯具中难以包含LED灯。因此，存在对改进用于室外用途的LED照明灯具的需要。
发明内容
根据本发明，提供一种在照明灯具中使用的光学模块，所述照明灯具用于对照射平面进行照射。所述光学模块包括：多个发光二极管(LED)，其安装在电路板上；多个反射杯，每个反射杯在其较小的第一端围绕所述多个LED中的每一个LED，并且每个反射杯在其与每个LED相反的第二端具有较大的开口；以及透镜盖件，其包括用于覆盖所述多个反射杯的多个模制透镜，所述透镜盖件的所述多个模制透镜中的每一个设置在所述反射杯的第二端并且在每个反射器的开口上设置折射透镜，其中，所述多个模制透镜中的每一个具有以预定的照明图案向所述照射平面提供照明的方位。
附图说明
根据与附图结合而作出的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得明晰，其中：
图1是道路照明灯具的顶侧的透视图；
图2是道路照明灯具的底侧的透视图；
图3示出道路照明灯具的底侧；
图4A至图4C示出由道路照明灯具提供的照明图案的表现形式；
图5示出道路照明灯具的横截面；
图6示出道路照明灯具的照明部分；
图7A至图7C是照明部分的透镜盖件的视图；
图8是光学模块的透视图；
图9是光学模块的侧视图；
图10是光学模块的俯视图；
图11示出透镜盖件的一部分；
图12示出透镜盖件和透镜构造；
图13A至图13C是反射器的视图；
图14示出LED引擎电路板；
图15示出从LED发出的光经反射器反射然后通过折射透镜的光分布；
图16A示出透镜元件的在纵向平面内的曲率(C1&C2)；
图16B示出透镜元件的在横向平面内的曲率(C3&C4)；
图17是透镜1和透镜2的透视图；
图18A示出透镜1和透镜2的在纵向平面内的曲率；
图18B示出透镜1和透镜2的在横向平面内的曲率；
图19是透镜3～5的透视图；
图20A示出透镜3～5的在纵向平面内的曲率；
图20B示出透镜3～5的在横向平面内的曲率；
图21是透镜6～12的透视图；
图22A示出透镜6～12的在纵向平面内的曲率；
图22B示出透镜6～12的在横向平面内的曲率；以及
图23A至图23D是可选的透镜盖件构造的视图。
需要注意的是：所有附图中的相同特征用相同的附图标记来表示。
具体实施方式
参考图1至图23，仅仅通过举例的方式对实施例进行描述。
常规的眼镜蛇头照明灯具存在散热、光输出和图案特性等方面的问题，并且其对于代替现有的HPS照明系统而言是欠佳的。为了克服这些问题，提供了一种包括改进的照明部分的改进的灯具。
提供反射和折射的组合设计以获得满足北美照明工程学会(IESNA)对亮度、亮度等级和均匀性的规定的最佳的第二种类型(type II)光分布。光分布还被设计为满足国际照明委员会(CIE)对亮度等级和均匀性的规定。为了符合上述标准，选择照明图案以将照明效率最大化并将灯杆间隔最大化。
如图1所示，提供了一种用于LED灯的改进的室外照明灯具100。室外照明灯具100与眼镜蛇头安装件相容。照明灯具100具有所需的光学和热学性质，从而LED照明灯具100可以用于根据第二种类型的IES光分布要求来照射道路。包括LED灯引擎(即，其上组装有LED的PCB板)的角度在内的照明灯具100的设计可以满足照明工程学会(IES)对道路照明的第二种类型的光分布要求。除了为提供适当的照明所需的约束条件之外，照明灯具100的设计还取决于热模型，以确保由LED灯引擎的LED产生的热量被充分地耗散，从而保证对LED的适当的操作。
如图2和图3所示，照明灯具100具有两个LED引擎200a、200b，如图2所示，每个LED引擎位于照明灯具100的中心部分202的每一侧。将光源拆分为两个LED部分200a、200b允许从LED发出的热量分散在这两个部分之间，这有助于减少LED的热劣化。通过将LED拆分成两个LED部分且每个LED部分由整个灯具一半数目的LED组成，还减少了来自相邻LED的LED交叉放热量。照明灯具100的中心部分202将两个LED部分分开。如图1所示，中心部分202的外部具有包含拱形横截面的顶面。中心部分202的内部容纳有包括用于LED的电源的电子器件。中心部分202可以包括用于封入电子器件的可密封的前部。可密封的前部可以被使用例如螺钉固定在照明灯具100上的盖板密封。中心部分202还可以包括由灯杆安装区域和电连接区域组成的尾部230。尾部230可以被铰链门覆盖。
图4A至图4C示出了由照明灯具100生成的照明图案的例子。选择照明图案400以将照明效率最大化、将灯杆间隔最大化并形成均匀照明。所得到的照明分布由作为国际公认的标准化组织的北美照明工程学会(IESNA)限定。被称为PR-8的IES标准为全世界范围内的街道设计工程师所使用。RP-8手册说明了对不同街道和道路布局(例如二车道、三车道、四车道高速路、立体交叉道和所有其他不同形式的街道布局)的量化照明规定。IES 2车道街道布局需要本方面的灯具所提供的IES第二种类型(Type II)照明图案，并且该照明图案是2车道街道最常用的图案。
图5示出了道路照明灯具100的横截面。每个LED部分200a、200b收容有一个或多个光学模块，该光学模块包括安装在照明灯具的隔室中的LED引擎板500a、500b，LED引擎板500a、500b在电路板上设置多个LED。在引擎板500a、500b的每个LED灯的周围设置有反射器502a、502b，并且反射器502a、502b由透镜盖件504a、504b覆盖以引导光按照所需图案输出。外部肋540将热量从LED灯引擎中除去，以提供冷却效果。
如图6所示，光学器件被拆分成两个部分200a、200b，这两个部分照射道路的不同区域。光学器件相对于水平道路的角度为30°，这有助于提供在满足IESNA和CIE的要求的同时实现优化的灯杆间隔所需要的投射。对于其他可定制的光分布图案，可以改变该角度以优化光学器件的构造。
图7A至图7C是照明部分的透镜盖件的视图。透镜盖件包括透镜，该透镜用于各个相关联的LED和反射杯。成对设置的透镜盖件504a、504b提供对称的照明图案。图7A示出从下方观察到的与照射平面成30°角的透镜盖件504a、504b。图7B示出呈平直构造的透镜盖件504a、504b。图7C示出从背面观察到的透镜盖件504a、504b。
图8是LED光学模块800的透视图，图9是光学模块800的侧视图，图10是光学模块800的俯视图，光学模块800包括灯引擎500，灯引擎500包含多个LED 802。反射器502包括多个反射体或反射杯810，每个反射杯810覆盖LED。透镜盖件504设置有透镜812，透镜812单独地覆盖与之相关联的透镜反射器，并且透镜812具有引导光从相关联的LED中输出的方位。灯引擎500的电路板(仅示出一部分)可以容纳属于不同照明组的多个照明部分，或者可以仅仅与单一的照明部分相关联。电路板可以基于要容纳的模块的数目来附设LED 802。
如图11所示，每个透镜盖件可以包括多组透镜，每一组透镜采用多个独特的元件将光引导至道路的特定区域，以便实现均匀的光分布。折射元件包含在丙烯酸透镜盖件内。具体地说，将透镜模制为大的透镜盖件，从而单独的折射透镜正好悬置在每个反射杯的开口上。透明的聚碳酸酯、玻璃或者其他透光材料也可用于透镜的设计。
用于提供道路或其他表面上的完整的光分布图案的光学模型允许以光来开启光学模块，从而在不影响道路的光分布的情况下提高或降低道路的光照等级。
单侧透镜结构设计为具有球面轮廓，该结构还使用对阵列的渐进式方位调整，从而使透镜元件随机化，以获得更好的均匀性并且特别能够避免例如条带或阴影等不需要的特征。
例如，以下表现形式是包括结合在丙烯酸透镜盖件中的12个透镜元件的光学模块的典型实例。在该阵列中有三种不同“类型”的透镜：
透镜1(1101)和透镜2(1102)有助于提供光投射能力，并且
有助于将光散布到未被其他类型的透镜覆盖的区域中。
透镜3(1103)、透镜4(1104)和透镜5(1105)提供对灯具
正前方的区域的照明。
透镜6(1106)～透镜12(1112)提供光分布的主投射。
一种类型的透镜中的每个透镜通常具有类似的几何形状，然而它们可以稍微变型，以适应在透镜盖件内所需要的位置和方向。
透镜元件的曲率被设计为使光沿着可产生例如IESNA第二种类型、IES第三种类型等光分布图案的方向弯曲。因此，可以调整光学模型和透镜形状以产生任何所需的分布，而不会影响对使灯杆间隔得到优化的分布特征进行控制的曲率。
图12示出了透镜盖件504和透镜构造。12个透镜1200的透镜图案可以沿着盖件的长度而重复。例如，四组透镜构造1200、1202、1204和1206提供相同的光图案分布，使得能够通过启用或禁用灯组来实现可变的光输出。这种模块化设计与图12所示的透镜盖件中的重复的透镜图案组对应。这允许LED照明灯具提高或降低光强度，以便代替具有多种光输出和不同输入功率的标准路灯。透镜盖件的内侧可以是基本平坦的，或者可以设置有与反射器接合的透镜表面。
图13A至图13C是反射器的视图。图13A示出反射器502的顶部透视图。反射器模块设置有12个反射杯810，然而其他数目和构造也是可行的。图13B是反射器502的俯视图。图13C是反射器502以单个的反射杯810覆盖LED的仰视图。每个反射器模块使用多个独特的反射元件以将光引导至道路的特定区域，从而获得基于IESNA和CIE标准的均匀的照明分布。每个LED周围的反射器可以全部是相同的，或者反射器对于列阵中的每个LED可以是不同和独特的。反射器还可以从一个LED旋转到另一个LED，或者可以是为模块中的每个LED定制的。
反射器由尺寸稳定的塑料或者其他可模制材料制成，以获得最高的温度操作性并使因反射器和LED引擎之间的线性膨胀系数不同而产生的不对准现象最少化。这种材料具有尺寸稳定性，具有小的热膨胀系数，并且具有范围非常宽的操作温度，并且能够满足在我们的LED灯中所需要的所有对稳定性和温度的要求。
反射器的基部涂布有真空金属化涂层(铝涂层或其他金属涂层或者由可以以最少的光损失提供最大程度的光学反射的涂层)，并且反射器的顶部涂布有保护塑料涂层或者有机涂层，以获得具有高反射率(例如，通常在85％以上)的表面。
每个反射元件围绕每个LED并收集来自每个LED的光。反射器的内侧表面由以抛物面形内侧壁形状为基础的光学反射表面(涂布有铝反射涂层)组成。反射器的壁面设计将所收集的指向灯具下方区域的道路侧的光的量最大化并且将指向房屋侧或者指向灯具背面的区域的光的量最小化。
含有12个LED反射器的光学模块(或者基于从1个到任何更大数值的任何数目的LED的模块)的实例允许模块化，并且可以降低制造和组装LED灯的时间。
图14示出了LED引擎电路板500。相邻的LED的中心之间的间隔为24mm，并且各个LED交错排列，以便在保证电路板尽可能地紧凑的同时消除各个LED之间的交叉放热。在电路板的表面上，LED的沿着道路方向的行间隔为15mm，而沿着与道路方向垂直的方向的行间隔为20mm。在交错排列的图案中，沿着道路方向的一行中的一个LED和与之同处一行的下一个LED的间隔为30mm。沿着与道路垂直的方向的一行中的一个LED和与之同处一行的下一个LED的间隔为40mm。电路板的长度为488mm且宽度为82mm。仅仅需要置入与所需数目的光学模块相适应的所需数目的LED。作为选择，如果不需要完整的构造，则可以为每个光学模块设置单独的电路板。
在走线和焊盘之间的空隙内留有铜，从而允许更大的热质量从LED中带走热量。采用小截面的表面安装插入式连接器以便于连接和模块化。采用有机保焊剂(OSP)抛光以获得对铜表面的最佳保护和最佳的焊接粘结性。电路板具有用作光学器件的定位孔和安装孔的台阶形的安装孔。优化焊盘的尺寸以获得最高水平的贴装精度。
齐纳二极管可以设置为与各个LED平行以提供烧坏保护，并且一旦LED烧坏，则允许串列继续操作。齐纳电压为6.2V，从而齐纳二极管不会过早地在LED所需的正常电压下点亮，但是当LED烧坏时，齐纳电压足够低以对串列的电压产生最小的影响。齐纳二极管的功率为3W以便适应1W或2W的LED的功率，并且采用具有小的底面积和最小型面的powermite封装。然而，在我们的竞争对手的灯上未发现这种应用。当LED失效时，齐纳二极管提高电流的旁路等级，并且作为提高LED照明灯具的可靠性的结构。
图15示出了从LED 802发出的光经反射器810反射然后通过折射透镜812发射出的照明分布。透镜使得光输出1500朝向期望的照射位置。每个透镜的外形提供不同的光输出以覆盖期望的照射表面。
如图16A所示，透镜元件的曲率(C1和C2)限定在纵向平面内。在图16B中示出了透镜元件的在横向平面内的曲率(C3和C4)。存在4个可以被操纵以控制或调整光学输出性能的主要曲率，其中两个曲率(C1和C2)在纵向平面内，另两个曲率(C3和C4)在横向平面内。如图16A所示，曲率C1控制光沿主投射方向的散播，曲率C2控制由光学元件产生的投射量。如图16B所示，曲率C3控制光在街道侧区域的分布宽度。调整该曲率将直接改变由灯具所产生的IESNA分布类型。曲率C4允许对非期望的背光进行控制，或者允许对指向灯具下方和背面的房屋侧区域的光进行控制。
在一组12个透镜元件中有3个基本透镜元件。如图17至图22所示，在每个基本透镜元件中，曲率(C1～C4)被限定为各不相同。折射元件具有产生所需图案的方位。重复方位的变化以对准反射器模块，以便保持光学器件的模块性。
图17所示的透镜1(1101)和透镜2(1102)分别由图18A和图18B所示的纵向平面和横向平面分隔。在纵向平面中，透镜1700的前部具有大约4mm的曲率半径，透镜1700的尾部具有大约60mm的曲率半径。在横向平面中，透镜的中部具有大约5.25mm的曲率半径和大约20°的外角以及2.5mm、50mm、1mm的曲率半径和大约110°的外角。
如图19所示，透镜3～5(1103～1105)分别由图20A和图20B所示的纵向平面和横向平面分隔。在纵向平面中，透镜1900的前部具有大约2mm的曲率半径，透镜1900的尾部具有大约100mm的曲率半径。在横向平面中，透镜具有大约2mm和50mm以及60mm和2mm的曲率半径。
如图21所示，透镜6～12(1106～1112)分别由图22A和图22B所示的纵向平面和横向平面分隔。在纵向平面中，透镜具有大约10mm和60mm的曲率半径。在横向平面中，透镜2100的前部具有大约2mm的曲率半径和大约110°的内角，透镜2100的中部具有70mm的曲率半径和大约12°的内角，透镜2100的尾部具有2mm的曲率半径以及大约12°的内角。如图中所示，透镜的一些外形已经被修改以便使透镜配合在透镜阵列内。例如，透镜9、10和11具有截顶的外形C1以适应在阵列中的位置。
下面以长×宽×高的形式列出透镜组中组成12透镜阵列的单个元件的可以接受的尺寸。
元件1和元件2：20.7mm×21.6mm×3.85mm
元件3～5：29.6mm×19.4mm×3.95mm
元件6～12：23.1mm×23.0mm×3.72mm
如前面所作的限定，以每个元件的高度和曲率来确定其长度和宽度尺寸。元件的尺寸可以有所变化，然而基于总体设计的要求，元件的曲率半径仅仅可以接受大约+/-0.2mm的细微变化。透镜的尺寸可以基于反射杯的尺寸而作调整。尽管示出了一组12个透镜的构造，然而应当理解：可以使用包括多个LED的任何构造。
图23A至图23D是照明部分的可选透镜盖件的视图。透镜盖件包括透镜，该透镜用于各个相关联的LED和反射杯。成对设置的透镜盖件504c、504d提供对称的照明图案。图23A示出从下方观察到的与照射平面成30°角的透镜盖件504c、504d。图23B示出呈平直构造的透镜盖件504c、504d。图23C示出从表面观察到的透镜盖件504c、504d，并且图23D是透镜的透视图。模制的透镜盖件设计为具有光学建模的平坦或弯曲的收集刻面，该收集刻面用于形成多种不同的街道光学图案，例如IES第一种类型、第二种类型、第三种类型、第四种类型和第五种类型等的图案。
将透镜模制为大的透镜盖件，从而单独的折射透镜正好设置在每个反射杯的开口上。透明的聚碳酸酯、玻璃也可用于透镜设计。折射元件由朝向LED的定制的菲涅表面和顶部透镜的组合构成，该顶部透镜与反射器结合产生所需的照明图案，即第一种类型、第二种类型等的照明图案。折射元件具有产生所需图案的方位。重复方位的变化以对准反射器模块，以便保持光学器件的模块性。
本领域的技术人员显而易见的是：在不背离本发明的要旨和范围的情况下，可以对本文所描述的特定实施例做出多种修改和变更。

Claims (23)

1.一种在照明灯具中使用的光学模块，所述照明灯具用于对照射平面进行照射，所述光学模块包括：
多个发光二极管(LED)，其安装在电路板上；
多个反射杯，每个反射杯在其窄的第一端围绕所述多个LED中的每一个LED，并且每个反射杯在其与每个LED相反的第二端具有较大的开口；以及
透镜盖件，其包括用于覆盖所述多个反射杯的多个模制透镜，所述透镜盖件的所述多个模制透镜中的每一个设置在所述反射杯的第二端，在每个反射器的开口上提供折射器，其中，所述多个模制透镜中的每一个具有以预定的照明图案向所述照射平面提供照明的方位。
2.如权利要求1所述的光学模块，其中，所述多个模制透镜中的每一个具有提供光图案的方位，并且所述透镜盖件包括两组或更多组重复的透镜，每一组透镜提供同一种光分布图案，所述透镜模制在所述透镜盖件的外部并且朝向所述照射平面。
3.如权利要求2所述的光学模块，其中，所述模制透镜构造为这样：当所述光学模块具有以相对于所述照射平面的30°角朝向所述照明灯具的中心线的方位时，所述模制透镜照射所述平面，所述照明灯具具有至少两个相对的光学模块，所述两个相对的光学模块在所述照明灯具的灯罩内的中心部分的每一侧以末端隔开，所述两个相对的光学模块照射所述照射平面的相反两侧。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光学模块，其中，一组重复的透镜包括12个透镜，每个透镜与所述多个LED中的一个LED相关联。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光学模块，其中，每个透镜盖件包括四组重复的透镜。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光学模块，其中，所述多个模制透镜中的每一个包括四种曲率构型中的一种，其中的两种曲率构型在所述透镜的纵向平面中，其余两种曲率构型在所述透镜的横向平面中。
7.如权利要求6所述的光学模块，其中，所述十二个透镜中的每一个包括限定在所述纵向平面和所述横向平面中的三种构型中的一种。
8.如权利要求7所述的光学模块，其中，所述构型中的一种包括下述透镜：所述透镜具有大约10mm和60mm的纵向曲率半径，所述透镜的前部具有大约2mm的横向曲率半径和大约110°的内角，所述透镜的中部具有大约70mm的横向曲率半径和大约12°的内角，并且所述透镜的尾部具有大约2mm的横向曲率半径和大约12°的内角。
9.如权利要求8所述的光学模块，其中，所述透镜的尺寸为23.1mm×23.0mm×3.72mm(长×宽×高)。
10.如权利要求7所述的光学模块，其中，所述构型中的一种包括下述透镜：所述透镜的前部具有大约2mm的纵向曲率半径，所述透镜的尾部具有大约100mm的纵向曲率半径，并且所述透镜具有大约2mm和50mm以及60mm和2mm的横向曲率半径。
11.如权利要求10所述的光学模块，其中，所述透镜的尺寸为29.6mm×19.4mm×3.95mm(长×宽×高)。
12.如权利要求7所述的光学模块，其中，所述构型中的一种包括下述透镜：所述透镜的前部具有大约4mm的纵向曲率半径，所述透镜的尾部具有大约60mm的纵向曲率半径，并且所述透镜的中部具有大约5.25mm的横向曲率半径和大约20°的外角以及大约2.5mm、50mm、1mm的横向曲率半径和大约110°的外角。
13.如权利要求12所述的光学模块，其中，所述透镜的尺寸为20.7mm×21.6mm×3.85mm(长×宽×高)。
14.如权利要求9、11和13中任一项所述的光学模块，其中，所述尺寸的公差为+/-0.2mm。
15.如权利要求1至14中任一项所述的光学模块，其中，所述模制透镜具有平坦的或弯曲的刻面。
16.如权利要求2所述的光学模块，其中，所述照明灯具与眼镜蛇头安装件接合。
17.如权利要求1至16中任一项所述的光学模块，其中，提供了IES第二种类型(Type II)照明图案。
18.如权利要求1至17中任一项所述的光学模块，其中，所述折射透镜是球面非对称折射透镜。
19.如权利要求1至18中任一项所述的光学模块，其中，所述反射杯包括抛物面形、椭圆形、复合抛物面形聚光体和复合椭圆形反射体。
20.如权利要求1至19中任一项所述的光学模块，其中，所述反射杯的内侧表面包括光学反射表面。
21.如权利要求20所述的光学模块，其中，所述反射体由尺寸稳定的塑料制成。
22.如权利要求21所述的光学模块，其中，所述反射器的基部涂布有真空金属化铝涂层，所述反射器的顶部涂布有由保护塑料制成的涂层或者有机涂层，以获得反射率为85％或更高的表面。
23.如权利要求1至22中任一项所述的光学模块，其中，所述透镜盖件由丙烯酸、透明的聚碳酸酯或玻璃制成。
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