CN102458997A - 基于错列发光二极管的高强度光源 - Google Patents

基于错列发光二极管的高强度光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于具有高效均匀光输出的障碍灯标的高强度LED照明阵列。所述高强度LED照明阵列具有第一同心环,该第一同心环具有多个反射器和发光二极管。所述同心环具有使所述多个反射器的每个反射器相对于多个发光二极管的各自的发光二极管垂直地安装的平面。第一多个反射器中的至少一些可相对于各自的发光二极管的调节位置,以由发光二极管生成精确的波束图。

Description

基于错列发光二极管的高强度光源
技术领域
[0001] 本发明涉及高强度光源,更具体地涉及发光二极管高强度障碍灯标。 背景技术
[0002] 导航和障碍躲避用灯标需要高强度光源。例如,障碍灯标必须能够满足FAA(US Federal Aviation Authority,美国联邦航空局)L865-L864 标准和 ICAOQnternational Civil Aviation Organization,国际民航组织)中的中强度导航灯的20,OOOcd要求。过去,灯标使用常规频闪灯。然而,这种灯是能耗与维护密集型的。近来,利用发光二极管 (LED)来制造光源。LED造就了独特的要求,以便相比于常规频闪灯而在尺寸、重量、价格与拥有成本方面有望在商业上可行。
[0003] 在20,OOOcd灯标的例子中,FAA规定和ICAO规定为所有旋转角(方位角)的光束特性设定了下列严格要求。光源在相对于水平面的3°范围(仰角)内的有效(时均) 强度必须大于7500坎德拉(cd)。光源还必须具有仅适用于ICAO的15,000〜25,OOOcd 的峰值有效强度以及“最小50%和最大75%”的-1°仰角的有效强度窗。ICAO标准设定了-1°仰角的该光束特性“窗”,并且必须在所有旋转角(方位角)都满足该标准。
[0004] 光源设备还必须满足在100毫秒(msec)闪光中生成60,OOOcd峰强度的FAA兼容版的要求。这种光源还必须满足在750毫秒闪光中生成25,333cd峰强度的ICAO兼容版的要求。实际上,还可对光源加以组合或配置以提供日间和夜间工作用的20,OOOcd白光以及 2,OOOcd 红光。
[0005] 为了使用LED实现FAA或ICAO兼容版光源所要求的总光强度,必需使用大量的 LED光源。然而,当将大量的LED光源对准极少反射器时,难以生成具有期望强度的波束图。 而且,需要更小且因而更多的反射器以符合总体尺寸限制。这些限制条件都导致以大量包含单独LED和小型反射器的光学元件来进行设计。最终任务是使多个光学元件对准,从而将它们的输出合成以形成在所有方位角都均勻的光束。
[0006] 目前,可用的LED灯通常将多个光学元件对称而无偏移地层叠,而且使用大型反射器且每个反射器中有多个LED。虽然这种灯可以符合标准,但它们通常要求超过最优数量的LED,于是更复杂更昂贵。
[0007] 因此,目前不存在始终如一且容易满足FAA、ICAO标准的高效LED灯。从而,需要可使用相对较小反射器的LED灯以满足所述标准。
发明内容
[0008] 本发明公开的一个例子涉及一种具有第一同心环的高强度LED光源,所述第一同心环包括多个反射器和多个发光二极管。所述同心环具有安装有所述多个反射器中的每个反射器的平面,每个所述反射器与所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装。第一多个反射器中的一些反射器可相对于各自的发光二极管的位置单独地调整,以便从发光二极管产生精确的波束图。[0009] 另一例子为一种符合FAA标准和ICAO标准的高强度灯标。所述灯标包括:第一同心环,其具有第一多个反射器和第一多个发光二极管。第一同心环具有使所述多个反射器的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管在位置上相关联地安装的平面。所述多个反射器中的每个反射器可相对于各自的发光二极管的位置单独地调整, 以从发光二极管产生精确的波束图。在第一同心环上安装有第二同心环。第二同心环具有第二多个反射器和第二多个发光二极管。第二同心环具有使所述多个反射器中的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面。第二多个反射器和第二多个发光二极管相对于第一同心环的反射器和发光二极管偏移。在第二同心环上安装有第三同心环。第三同心环具有第三多个反射器和第三多个发光二极管。第三同心环具有使所述多个反射器中的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面。第三多个反射器和第三多个发光二极管相对于第二同心环的反射器和发光二极管偏移。在第三同心环上安装有第四同心环。第四同心环具有第四多个反射器和第四多个发光二极管。第四同心环具有使所述多个反射器中的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面。第四多个反射器和第四多个发光二极管相对于第三同心环的反射器和发光二极管偏移。
[0010] 另一例子为一种光源中使用的光学元件。所述光学元件包括发光二极管和具备反射面的反射器。反射面成形为由来自发光二极管的反射光射出特定波束图。反射器包括使反射器可在相对于发光二极管的多个位置之间进行调节的定位部件。
[0011] 鉴于参照附图对各种实施例作出的详细说明,本领域技术人员可更好地理解本发明的其他方面,以下对所述附图进行简述。
附图说明
[0012] 图1为错列LED高强度光源的例子的立体图;
[0013] 图2为图1的LED高强度光源的LED和反射器的底部同心环的立体图;
[0014] 图3为图1的LED高强度光源的LED和反射器的两个同心环的立体图;
[0015] 图4为将LED和反射器的第三同心环添加到图1的LED高强度光源的两个同心环的立体图;
[0016] 图5为在图1的高强度光源的一个同心环上所安装的具有单个LED和反射器的光学元件的立体图和光线轨迹;
[0017] 图6为从图5的光学元件输出的测得的光的图;
[0018] 图7表示来自使用5度偏移角的错列同心环的一组光学元件的波束图;
[0019] 图8表示来自图1的高强度光源的错列同心环的一组光学元件的波束图;并且
[0020] 图9为错列LED高强度光源的第二例的电子系统的电路图;
[0021] 图10为错列LED高强度光源的第二例的光引擎的立体图;
[0022] 图11为图10的高强度光源的LED和反射器的一个同心照明环的一部分的立体图;
[0023] 图12为图10的高强度光源的一个同心环上所安装的具有单个LED和反射器的光学元件的立体图;
[0024] 图13为图12的光学元件的侧视图;并且[0025] 图14为从图12〜13的光学元件中算出的光输出的图。
[0026] 虽然这些例子会受很多不同的形式的实施例影响,然而在附图中图示并在文中详述了优选的例子,但要明白,本公开是示例性的,而不能将广义的方面限制到所示的实施例。
具体实施方式
[0027] 图1表示高强度LED光源100的例子。LED灯可用作航空障碍灯标,并且可符合所适用的FAA、ICA0标准。高强度LED光源100具有基体102、顶壳104以及透明圆筒状壳体 106。基体102、顶壳104以及透明圆筒状壳体106包围照明阵列108。基体102和顶壳104 为照明阵列108提供支撑与对准,同时可使热量从照明阵列108中的LED和电源传递给周围环境。
[0028] 照明阵列108具有下述的一系列同心照明环110、112、114、116、118、120。如图1 所示,同心照明环110、112、114、116、118、120以竖直叠层排列,使同心照明环110处于叠层顶部且同心环120处于叠层底部。
[0029] 圆筒状壳体106通常为圆筒状透明壳体,该壳体保护同心照明环110、112、114、 116、118、120上的光学元件,同时允许由同心照明环110、112、114、116、118、120上的光学
元件所产生的光的透射。
[0030] 基体102通常为圆筒状,并且包含用于同心照明环110、112、114、116、118、120的光学元件的布线、电源和控制装置。基体102具有可使光源100安装于平面上的多个安装点122。顶壳104包括多个螺栓124,螺栓124固定于贯穿同心照明环110、112、114、116、 118、120而延伸的杆(未图示)。螺栓IM装在杆上且保持所述杆,以将顶壳104固定于基体102。如后所述,所述杆使同心照明环110、112、114、116、118、120在适当位置对准。
[0031] 图2为图1的底部同心照明环120的立体图。同心照明环120具有从同心照明环 120的整个圆周射出光的多个光学元件200。如图2所示,同心照明环120支撑并使围绕同心照明环120的整个圆周的光学元件200对准。同心照明环120包括具有环形顶面204的环状基体部件202。在本例中,在弧形支撑电路板206上安装有六个光学元件200。在本例中,在同心照明环120中,总计36个光学元件200安装于六个支撑电路板206上。围绕同心照明环120排列的三十六(36)个光学元件200布置为使得每个光学元件200 (LED 210 和反射器212)占用同心照明环120的10°圆周。当然,应当理解,可采用不同数量的光学元件和电路板。每个光学元件200具有LED210和反射器212。支撑电路板206用于支撑并使LED 210和反射器212对准。电路板206将热量从LED 210传递给基体部件202,并且通过图1的基体102中的电源将直流电提供给LED 210。在本例中,支撑电路板206为具有铝或铜的金属芯的导热印刷电路板(PCB)。优选地利用焊料、易熔连接或导热粘合剂而使LED 210附着于电路板206。支撑电路板206可具有用于使反射器212与每个LED 210光学对准或居中的物理配准特征,例如孔或缝隙。
[0032] 基体部件202包括外装配环220,外装配环220包括多个孔222。孔222可使同心照明环120通过螺栓(未图示)而固定于图1中的基体102。基体部件202还包括内装配环224,内装配环2¾可以是单独的部件,或者是与基体部件202 —体的部件。内装配环224 可容纳多个对准杆226,对准杆2¾从同心照明环120向上延伸,以使图1中的更多同心照明环 110、112、114、116、118 对准。
[0033] 图3表示彼此装配的同心环120和同心环118的立体图。在图3中,为同心环118 中与同心环120相同的元件给出了相同的附图标记。类似于底部同心环120,同心照明环 118包括环状基体部件202,环状基体部件202具有用于支撑六个支撑电路板206的环形顶面204。电路板206安装有总计36个光学元件200,从而每个光学元件200 (LED 210和反射器212)占用同心照明环118的10°圆周。
[0034] 同心照明环118具有内装配环230。内装配环230具有一系列对准孔232,各个对准孔232彼此以约1. 6667度(圆心角)(radial degree)错位排列。在本例中,在每组孔中有六个对准孔232(导致六层36个单色LED),但应当理解,可使用不同数量个对准孔,并且这些孔彼此可以隔开不同的角度。对准杆2¾穿过三组孔中的每组的相应孔232,以使同心照明环118相对于底部同心照明环120偏移1. 6667度(圆心角)。这种布置导致底部同心照明环120中的每个光学元件200相对于后一个同心照明环118中的每个光学元件200 偏移1.6667度(圆心角)。其他同心照明环110、112、114、116与同心照明环118相同,并且彼此间类似地偏移。
[0035] 同心照明环118还具有与内装配环230热耦接的散热器对0,散热器240可以是单独的部件或与环118 —体形成。散热器240具有多个径向延伸的叶片M2,所述叶片M2 装配于内装配环230和中心环244之间。支撑电路板206可具有用于在基体部件202和散热器240上固定其径向位置的物理配准特征,例如突起或缝隙。散热器240可使电路板206 散热。
[0036] 图4为底部同心照明环120和同心照明环118的组装立体图。图4图示了在组装于同心照明环118、120之前的同心照明环116。在图4中,为同心环116中与同心环118、 120相同的元件给出了相同的附图标记。类似于同心环118,同心照明环116包括环状基体部件202,环状基体部件202具有用于支撑六个支撑电路板206的环形顶面204。电路板 206安装有总计36个光学元件200,从而每个光学元件200 (LED 210和反射器21¾占用同心照明环116的10°圆周。
[0037] 如图4所示,通过利用不同的对准孔232连同对准杆226,使同心环116与同心环 118有偏移地对准。以适当偏移将同心环116对准,并以对准杆2¾作为导杆而使同心环 116布置于同心环118上。使用对准杆2¾可防止公差累积,并使同心环110、112、114、116、 118、120之间的偏移被恰当地对准。
[0038] 同心环110、112、114、116、118、120中的光学元件200的LED 210中的热量经由电路板206、通过导热油脂或粘合剂传导给散热器240而被排除。每个散热器240具有与上方或下方同心照明环中的散热器240充分配合的表面,并且还可使用导热油脂以降低接触热阻。热量经由环110、112、114、116、118、120而传导给用于将同心照明环固定于基体102的底板。底部同心环120中的热量被传递给基体102,然后可传导给安装面,或通过对流而传递给周围空气。热量还可经由传导或对流路径而排除给顶壳104。还可通过在所述环上附加散热片并使用循环风扇而使热量从散热器240中对流性地排除。可通过对顶壳104、底板和基体102实施诸如涂漆等表面处理,从而提高辐射热损。
[0039] 图5为设在图1中的每个同心环110、112、114、116、118、120上的光学元件200的特写立体图。诸如光学元件200的每个光学元件包括LED210和反射器212。LED 210相对于反射器212垂直地定向。在本例中,LED210为高亮度白光LED,诸如可从Cree获得的 XLamp XREffHT 7090)(R系列LED。或者,可使用诸如红光LED的不同颜色LED。反射器212 具有光学面250。反射器212的光学面250可具有多个曲面。或者,光学面250可具有一个以上抛物面,然而可使用例如椭球或双曲面等其他表面几何形状,而且可使用例如圆锥面、 非球面、变形面或多面体面等所述曲面的各种组合。设计反射器212以形成其半峰强度约有5°〜10°宽的水平(方位角)束。在本例中,反射器212由塑料制成,并以每组六个反射器元件来成组地铸造。反射器212涂敷有铝或其他高反射材料。
[0040] LED 210包括封闭单元沈2,封闭单元262包括透镜254。通过使用包括用于提供中等准直度的透镜254的功率LED封装,可使所要求的反射器212的尺寸最小化, 从而可使每个LED 210实际使用一个单独的反射器212。当然,可使用非准直或近朗伯 (near-lambertiarOLED,但是为捕获充足的光而需要的反射器表面通常较大,或者使效率较低。
[0041] LED 210的垂直定向使得来自LED 210的大部分光在离开光学元件200之前射中诸如反射器212的光学面250等反射面。如图5中的光线所示,这确保大部分光可被设计面所控制。垂直定向还允许使用较小的反射器以用于光束成形。为单个LED 210而对每个单独的反射器212的光学面进行优化。反射器表面设计为形成所需的垂直(仰角)校准, 并形成所期望的水平(方位角)束。
[0042] 如图3和图4所示,各个同心照明环110、112、114、116、118、120彼此旋转偏移,从
而导致各自的光学元件200彼此错位排列。各个同心环的偏移位置使得它们各自的光学元件200具有与所有方位角密切匹配的关于仰角的光强度的合成波束图,从而使混合束位于 ICAO,FAA对例如图1中的光源100规定的容许“窗”内。组合光学元件200在固定仰角上的强度对方位角的图会呈现最小的变化或“波动”。这里,“波动”定义为在所有方位角上的强度对平均强度的峰-峰(peak-to-peak)变化。沿方位角的波动源可归为两类:重合误差和LED误差。重合误差包括:构造的机械误差和未对准、光学公差以及光学面设计缺陷。 LED误差包括:通量或强度变化和束形变化,二者都是各LED之间的问题。LED误差还包括: LED模型误差,其为实际LED和在光学设计中使用的LED的光学模型的光束特性之间的差异。各环间的径向错列使来自两个波动源的波动最小化。最小波动使高强度光源100可行地满足FAA要求和ICAO要求。此外,减小了在所有点处实现最小强度所必需的驱动电流和 /或LED数目。
[0043] 图6表示来自诸如图2〜3中的光学元件200的单个典型的LED-反射器光学元件的测得的光。图6为表示在固定仰角上的强度对方位角的图。如上所述,在例如图2所示的同心环120的同心环的直径内,单行元件200布置有10°的径向间隔。例如同心环118 的光学元件200的第二个环填充了如图2〜3所示的第一个环120的“间隙”(低光强度区域)。为随后实现所期望的总体光输出,最少必需三对所述环。
[0044] 图7表示来自两个错列同心环的一组光学元件的波束图,所述两个错列同心环在各环之间采用了 5度偏移角。如图7所示,强度随着方位角的变化(“波动”)较小,但是一行输出中的间隙未被偏移行完全填充。这是因为单独的光学元件的50%方位强度振幅点和斜率不理想,并且波动仍占了平均方位值的较大百分比。
[0045] 图8表示来自图1中的高强度光源100的六个错列同心环的一组光学元件的波束图。光学元件200的六个同心环110、112、114、116、118、120的偏移(“错列”)被优化为每个环偏移1.667° (每个元件10°除以六个环)。这样,极大降低了算出的输出变化(“波动”)。这样通过三倍地避免波动重复或强化(每层可以一倍地避免重复或增强),进一步减小了反射器-LED设计方案中的任何残余波动。利用这种方法,可计算出使用不同行数或每行不同光学元件数的其他偏移量。各同心环间的径向偏移大致等于360度除以给定颜色的层数再除以每层的LED数。还可预想50%方位角束宽为10°的反射器设计方案可以以一层而非如上所述的两层来完全填充方位角。这还允许将各层错位排列为使波动最小化, 并且还可实现一些灵活性以用于不同的强度要求。还可进一步优化反射器设计方案,使得如图7〜8所示的总强度的波动变化更小。
[0046] 可对图1中的示例性高强度光源100作出各种变化。可通过添加红光LED同心环而改装光源100。借助附加的红光LED同心环,所述光源可用于日间(使用六个同心环中的光学元件),或使用红光LED同心环而用于夜间。
[0047] 在图9中图示了这种变型的例子。图9为根据FAA要求和ICAO要求而具有日间及夜间功能的高强度LED光源的一部分的电气控制系统900的框图。在本例中,电气控制系统900为42个LED提供电气控制,所述42个LED在七个同心环之每个同心环上被分成六个LED及对应的反射器。存在与电气控制系统900类似的五个其他控制系统以构成整个高强度LED光源。电气控制系统900包括电源902和定时与控制模块904。电源902对类似于图1的光源100中的同心环110、112、114、116、118、120的各电路板206的电路板910、 912、914、916、918、920供电。电路板910、912、914、916、920每个都具有与齐纳二极管924 并联布线的六个高强度白光LED 922,所述齐纳二极管拟4用于在断路故障时对各个白光 LED 922中的电流提供旁路。电路板910、912、914、916、918、920各耦接于恒流源926。当然,可对LED进行其他串联和并联布线配置。
[0048] 电气控制系统900还包括另一电路板930,电路板930具有一系列高强度红光LED 932。红光LED 932每个都与齐纳二极管934并联耦接,齐纳二极管934用于在断路故障时为各个红光LED 932中的电流提供旁路。电路板930耦接于恒流源936。
[0049] 电气控制系统900适用于在日间和夜间都可用的障碍灯。日间使用要求更亮的灯,所述灯的形式为至少是与图1的光源100中的同心环110、112、114、116、118、120类似的六个同心环的发射白光的光学元件。夜间使用要求具有诸如图9的电路板930的多个电路板的至少一个单个红光LED同心环。定时与控制模块904耦接有日光传感器940。日光传感器940可安装于光源的外表面上,例如安装于图1中的光源100的顶壳104上。从日光传感器940接收的信号可使定时与控制模块904激活日间模式或夜间模式。在日间模式下,将控制脉冲经由控制线942发送给电流源926以使白光LED 922导通和截止。在夜间模式下,将控制脉冲经由控制线944发送给电流源936以使红光LED 932导通和截止。此夕卜,导线可从成串的LED922、LED 934耦接至定时与控制模块904,以感测跨越LED 922,LED 934的电压,从而检测断路故障。定时与控制模块904可编程为向操作者发出对这种故障的警报。
[0050] 光学元件200还可变化为使反射器具有其他几何形状。而且,光学元件200可使用将光导回至反射器的侧发光LED。所述反射器还可以是联合成组的反射器。而且,对每个反射器可使用多个LED。反射器可使用错列TIR镜片。每个环可使用不同数量的LED,并且还可使用不同数量的环。可使用具有类似的错列源的等效线性光源。可使用其中可调节每个LED或LED组的电流的电气控制系统,以便进一步减小光束强度与均勻性的变化。
[0051] 图10表示LED光源1000的光引擎1008的第二例的立体图。LED光源1000可安装于与图1的LED光源100的壳体类似的壳体中。LED光源1000可用作航空障碍灯标,并且可符合FAA、ICAO适用标准。高强度LED光源1000具有基体1002,基体1002上安装有光引擎1008。基体1002具有包括多个安装孔1006的环形支撑面1004,安装孔1006用于固定于与图1中所示外部部件类似的LED光源1000的外部部件。
[0052] 光引擎1008具有如后所述的一系列同心照明环1010、1012、1014、1016。如图10 所示,同心照明环1010、1012、1014、1016以竖直叠层排列,使同心照明环1010处于叠层顶部而使同心环1016处于叠层顶部。因此,完整的光引擎1008包括安装于基体1002的四个垂直堆叠的同心环组件1010、1012、1014、1016。当然,可使用不同数量的环组件,例如,一个、两个或六个组件。
[0053] 同心照明环1010、1012、1014、1016每个都具有从同心照明环1016的整个圆周发出光的多个光学元件1020。例如如图10所示,同心照明环1016支撑并使围绕同心照明环 1016的整个圆周的光学元件1020对准。每个光学元件1020都具有LED 1022和反射器 1024。基体1002通常为圆筒状,并且包含用于同心照明环1010、1012、1014、1016的光学元件的布线、电源和控制装置。
[0054] 在本例中,在同心照明环1016中总计有三十六(36)个光学元件1020。围绕同心照明环1016排列的三十六(36)个光学元件1020布置为使得每个光学元件1020 (LED 1022 和反射器10¾)占用同心照明环1016的10°圆周。当然,应当理解,可使用不同数量的光学元件。每个反射器IOM设计为形成其半峰强度约有5°〜10°宽的水平(方位角)束。 在本例中,反射器IOM单独由模制塑料构成,并且涂敷有铝或其他高反射材料。
[0055] 各个照明环1010、1012、1014、1016彼此偏移,使得每个所述环的光学元件1020偏移2. 5度。诸如环1010、1016的同心照明环各具有环状散热器1030。在本例中,环状散热器1030为单个铝壳。散热器1030的内表面具有一系列上突起1032和一系列下突起1034。 应当理解,偏移角为每个环的LED数和每个光引擎的环数的函数。这里,2. 5度的特定偏移角用于总计四个环1010、1012、1014、1016且每个环有36个LED的示例性情况。下突起1034 各具有穿过其而延伸的一系列对准孔1036。如此确立各个对准孔1036之间的角间距,以便通过在制造期间选择这些孔之一用于对准,以使得相邻同心环之间的偏移角确立在约1. 66 度〜约5.0度范围内。这允许使用相同的环部件来装配具有不同数量的LED和不同数量的环的光引擎。将螺栓(未图示)插入各个照明环1010、1012、1014、1016的相应的孔1036 中,以使每个环与相邻环偏移所期望的偏移角度。这使得诸如环1016的同心照明环中的每个光学元件1020相对于后一个同心照明环1014中的每个光学元件1020偏移所期望的偏移量,在本例中所期望的偏移量为2. 5度(圆心角)。
[0056] 图11表示照明环1016的特写立体图。支撑用圆弓形电路板1040用于支撑并使每个LED 1022和反射器IOM对准。电路板1040将由LED 1022产生的热量传递给散热器环1030。因此,热量从LED 1022经由印刷电路板1040和环1010、1012、1014、1016的传导而排除到基体1002。热量从基体1002传递给灯标安装面,或通过对流传递给周围空气。
[0057] 电路板1040将直流电从电源(未图示)提供到LED 1022,所述电源可安装于同心环1010、1012、1014、1016的中间。主电路板(未图示)可安装于基体1002中。在本例中, 支撑电路板1040为具有铝或铜的金属芯的导热印刷电路板(PCB)。优选地通过焊料、易熔连接或导热粘合剂来使LED1022附着。支撑电路板1040具有用于在散热器环1030上固定其径向位置的物理配准特征。支撑电路板1040具有一系列安装面1044,所述安装面1044 使每个相应的反射器IOM可与对应的LED 1022单独地光学对准或居中,这一点在后面说明。沿着照明环1016的整个圆周设有环形波束阻挡器1046,以防止来自光学元件1020的光束向下投射。
[0058] 图12和图13分别表示图10〜11中的一个光学元件1020的反射器IOM及对应的LED 1022的立体图和侧面图。采用光学建模软件和软件方法来设计反射器IOM,以便关于所期望的波束图的限定的评价函数来优化反射器表面。图12和图13还表示了由LED 1022发射且由反射器IOM反射的选定光线束轨迹1050。
[0059] 反射器IOM大致关于中央面1052左右对称。反射器IOM的每个反射“侧”包括外表面区1054、内表面区1056以及嵌入表面区1058。外表面区IOM相对于内表面区1056 而定位。嵌入表面区1058为嵌入内表面区1056内的非球形凹面。各个表面区10MU056、 1058自身都是不服从简单数学描述且没有任何对称线或对称面的复曲面。
[0060] 在本例中,反射器IOM每个都在物理上隔离且单独地构造。反射器IOM的材料例如可以是涂敷有诸如铝等反光材料的模制塑料。反射器IOM每个都包括装配柱1060,装配柱1060置于图11中的电路板1040的安装面1044上。这种单独构造独特地允许每个反射器IOM可相对于其各自的LED 1022物理移动,以使反射器IOM与LED 1022实现最优光学对准。一旦达到期望位置,可将诸如螺钉(未图示)的紧固件插入装配柱1060中,以将反射器IOM固定在合适位置。还可通过例如将薄材料带插入三个反射器安装点之一的下面、通过从一组角向不同的反射器中选择反射器或通过其他类似方式,从而使反射器10¾ 倾斜。
[0061] 相比于图1中的LED光源100,图10中的LED光源1000和对应的光引擎1008具有几个不同特征。图13〜14中所示的反射器IOM的反射器表面ΙΟΜ、1056、1058具有附加的复曲面,所述复曲面生成进一步优化的仰角波束图,以在所有方位角满足在-1°仰角时的ICAO强度要求。反射器IOM基于后面进一步描述的叠加仰角波束图的构思。
[0062] 图10中的每个反射器IOM都在物理上隔离,并且可与其所关联的LED 1022单独地进行调节。这与图1中的LED光源100不同,在该LED光源100中,反射器以六个的阵列铸造并且不能相对于所关联的六个LED进行调节。图10〜11中的单独的波束阻挡器元件 1046达到了 -10°的ICAO要求和FAA要求,即水平面以下-10°的光强度小于同一方位角的峰强度的3%,而不要求任何在反射器光学面的设计中的折衷。如图10〜11所示的环形波束阻挡器1046用于消除-10°以下仰角的杂散光。
[0063] 反射器IOM的单独可对准性与可调性解决了来自各LED、即便来自同一制造批次的LED的光发射图案总是略有不同的问题。来自LED的光的这些变化由多种因素引起,例如:LED芯片(晶片)相对于LED封装的确切位置;所述封装中的LED芯片的微小角变化 (倾斜);LED芯片上方设有的荧光物质和密封剂材料的厚度和轮廓;LED封装的透镜元件的精确布局和/或形状;决定LED芯片相对于电路板的位置的LED封装结构的确切尺寸; LED输出的亮度等等。对光学元件1020和反射器IOM的设计可认识到这些变化是制造工艺中所固有的,因此,必须适应它们以在诸如严格的波束图要求下的应用场合中获得最优光学性能。
[0064] 在所述制造工艺中,每个单独的反射器IOM定位(对准)为由所述单独的反射器及其对应的LED实现所期望的波束图。反射器IOM相对于其对应的LED 1022的定位(移位)可以是一维、二维或三维的,并且还可包括相对于LED 1022的光轴的反射器角度的变化。在使每个反射器IOM对准之后,将其在机械上固定,以使反射器IOM的位置和方向随后不会变化。这种机械上的固定可包括螺钉、粘合剂或其他类似的已知方式。确定最优单个波束图,以便由多个如此对准的光学元件1020生成期望的总波束图。
[0065] 为易于制造起见,所有光学元件可与同一最优单个波束图对准。然而,这种构思的延伸是对不同的光学元件或光学元件组应用不同的对准标准以实现各种可期望的总波束图。或者,反射器IOM可以以阵列的形式铸造,例如六个反射器一组,通过薄的柔性部件来连接阵列内的每个反射器。这降低了铸造、涂敷和处理反射器的成本,而仍允许每个反射器微小地移位和调节角度以实现与其各自LED的最优光学对准。
[0066] 在本例中,为易于制造起见,每个反射器IOM具有同样的光学面。然而,可使用具有不同光学面的反射器以实现各种期望的总波束图。
[0067] 在-1°仰角或附近处具有拐点(“肩部”或“台阶”)的仰角波束图可满足-1° ICAO 要求而允许对反射器IOM的变化的更大容限。如图14中的曲线图1400所示,光学元件 1020生成两个仰角波束图,然后所述两个仰角波束图合成或相加以形成在-1°仰角或附近处具有拐点的期望的仰角波束图。曲线图1400中的χ轴为仰角度数,而y轴为光束强度。图14表示了来自第一光束1402和第二光束1404的光输出,它们合成为期望的波束图1406。因此,光学元件1020是对现有反射器的改进,所述现有反射器生成的仰角波束图通常单调地上升至波峰然后单调地下降,因此没有拐点,故仰角波束图的曲线不易于落入 ICAO要求在-1°仰角的约束条件内。
[0068] 基于波束图叠加的构思,照明元件1020的反射器IOM生成在约-1°仰角处具有所谓的“台阶”或“肩部”的仰角波束图,该波束图在满足在-1°的ICAO最小-最大强度要求的情况下提供了更大的容限。尽管LED光发射特性有变化,然而可单独对准的反射器 IOM可生成高度精确的波束图。可单独对准的反射器IOM允许采用同样的部件而生成不同的总波束图。例如,满足ICAO的期望的总仰角波束图可在+2°可具有波峰(最大强度), 而用于FAA应用场合的光引擎可生成在0°具有波峰的优化的仰角波束图,并且可通过适当地调节反射器位置和方向而生成所述两个仰角波束图。波束阻挡器1046可使本发明的光引擎1008满足杂散光要求(-10°以下),而没有对反射器光学面设计的不当的限制。
[0069] 文中所述的构思和发明主题不限于灯标或障碍灯,而可适用于要求对照明波束图进行精确控制的任何照明源。虽然文中详细图示并说明了优选实施例,但然而本领域的技术人员应当明白,在不脱离本发明的精神的情况下可作出各种变化、增加、替代等,且这些变化、增加、替代等因而落入由所附的权利要求书所限定的范围。

Claims (20)

1. 一种用于高强度光源的光引擎,该光引擎包括:第一同心环,其具有第一多个反射器和第一多个发光二极管,所述同心环具有用于使所述多个反射器中的每个反射器与所述多个发光二极管中的各自的发光二极管在位置上相关联地安装的平面,所述多个反射器中的一些反射器可相对于所述各自的发光二极管的位置单独地调整,以从所述发光二极管产生精确的波束图。
2.如权利要求1所述的光引擎,其中,至少一个所述反射器具有反射侧,所述反射侧具有外反射面、内反射面以及设于所述内反射面上的嵌入反射面。
3.如权利要求1所述的光引擎,其中,所述第一同心环具有环形波束阻挡器,以防止杂散光以低于预定仰角射出。
4.如权利要求1所述的光引擎,还包括:第二同心环、第三同心环和第四同心环,每个环具有在所述第一同心环上所安装的多个反射器和多个发光二极管。
5.如权利要求4所述的光引擎,还包括:第五同心环,其具有多个反射器和多个发光二极管,其中,所述第一同心环至第四同心环的发光二极管为白光发光二极管,且所述第五同心环的发光二极管为红光发光二极管。
6.如权利要求1所述的光引擎,其中,所述高强度光源符合美国联邦航空局标准和国际民航组织标准。
7.如权利要求1所述的光引擎,其中,所述第一同心环包括安装有所述发光二极管的多个电路板以及耦接于所述多个电路板的散热器。
8.如权利要求1所述的光引擎,其中,所述反射器各包括装配柱,该装配柱可与安装面配合以允许所述反射器相对于所述发光二极管横向调节和旋转调节。
9.如权利要求1所述的光引擎,其中,所述反射器各形成约5〜10度宽的水平束。
10.如权利要求4所述的光引擎,其中,所述同心环彼此偏移以减小方位角波动。
11.如权利要求4所述的光引擎,其中,所述第二同心环相对于所述第一同心环可调, 以便生成不同的偏移角。
12. —种符合美国联邦航空局标准和国际民航组织标准的高强度灯标,所述灯标包括:第一同心环,其具有第一多个反射器和第一多个发光二极管,所述同心环具有使所述多个反射器的每个反射器与所述多个发光二极管中的各自的发光二极管在位置上相关联地安装的平面,所述多个反射器的每个反射器可相对于所述各自的发光二极管的位置单独地调整,以从所述发光二极管产生精确的波束图;第二同心环,其安装于所述第一同心环上,所述第二同心环具有第二多个反射器和第二多个发光二极管,所述第二同心环具有使所述多个反射器的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面,所述第二多个反射器和第二多个发光二极管相对于所述第一同心环的所述反射器和发光二极管径向偏移;第三同心环,其安装于所述第二同心环上,所述第三同心环具有第三多个反射器和第三多个发光二极管,所述第三同心环具有使所述多个反射器的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面,所述第三多个反射器和第三多个发光二极管相对于所述第二同心环的所述反射器和发光二极管径向偏移;以及第四同心环,其安装于所述第三同心环上,所述第四同心环具有第四多个反射器和第四多个发光二极管,所述第四同心环具有使所述多个反射器的每个反射器相对于所述多个发光二极管中的各自的发光二极管垂直地安装的平面,所述第四多个反射器和第四多个发光二极管相对于所述第三同心环的所述反射器和发光二极管径向偏移。
13.如权利要求12所述的灯标,其中,至少一个所述反射器具有反射侧,所述反射侧具有外反射面、内反射面以及设于所述内反射面上的嵌入反射面。
14.如权利要求12所述的灯标,其中,所述第一同心环具有环形波束阻挡器,以防止杂散光以低于预定仰角射出。
15.如权利要求12所述的灯标,其中,所述反射器各包括装配柱,该装配柱可与安装面配合以允许所述反射器相对于所述发光二极管横向调节和旋转调节。
16.如权利要求12所述的灯标,其中,所述第一多个发光二极管为三十六个发光二极管,且第二多个发光二极管为三十六个发光二极管。
17.如权利要求12所述的灯标,其中,所述反射器各形成约5〜10度宽的水平束。
18.如权利要求12所述的灯标,其中,所述同心环之间的所述偏移用于减小方位角波动。
19.如权利要求12所述的灯标,其中,所述第二同心环相对于所述第一同心环可调,以便生成不同的偏移角。
20. 一种光源中使用的光学元件,所述光学元件包括: 发光二极管;和具有反射面的反射器,所述反射面成形为由来自所述发光二极管的反射光射出特定波束图,所述反射器包括使所述反射器可在相对于所述发光二极管的多个位置之间进行调节的定位部件。
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