CN102679207A - Led交通信号器以及用于其的光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及LED交通信号器以及用于其的光学元件。照明装置包括具有开口端和几何轴线的外壳以及沿着光轴设置的至少一个光源。该照明装置进一步包括外光学元件，其具有焦点并且封闭该外壳的该开口端，该光学元件包括会聚外表面和与源自内光学元件的光配合的发散内表面。另外，该照明装置包括光源和外光学元件之间的内光学元件，该内光学元件将来自从焦点偏移的光源的光朝外光学元件重新定向。

Description

LED交通信号器以及用于其的光学元件
该申请对应的美国申请是要求在2008年9月4日提交的美国临时申请号61/094,253的权益的2009年9月4日提交的PCT申请号PCT/US2009/056029的部分继续申请。
技术领域
本公开涉及照明装置。更具体地，本公开涉及用于控制源自相对小的光源的光的高效信号灯。
背景技术
信号发送灯的当前构造允许通过采用多个透镜来控制光，这些多个透镜包括第一会聚透镜和第二扩散透镜(参见图1)。例如，美国专利号5,947,587(其通过引用结合于此)公开了包括箱形外壳1的信号灯，该箱形外壳1具有由扩展窗口3封闭的开口端2。LED 4聚集在外壳1的中心轴线6周围并且正透镜7(其描述为菲涅耳透镜)插入该扩展窗口和LED之间。
LED 4设置在具有是菲涅耳透镜7的表面积的25％的表面积的阵列中。菲涅耳透镜7起到会聚光束图案的作用并且然后扩展窗口3扩散光。使用两个光学元件(即，菲涅耳透镜和扩展窗口)导致通过这两个光学部件的光损失。此外，需要制造两个独立的光学部件并且将其组装成信号灯，这增加了制造成本以及LED信号器的效率。
因此，发展在会聚光之前扩散光以便控制光散布到场上同时使用较小的塑料部件的高效信号发送灯，这是可取的。
发明内容
在一个实施例中提供照明装置。该照明装置包括具有开口端的外壳、封闭该外壳的该开口端并且包括会聚外表面和发散内表面的折射光学元件，以及与该折射光学元件配合的光源。该光源靠近该折射光学元件的焦点设置。该光学元件可包括内表面，其具有与射入光线的轨迹正交的参考平面。备选地，该光学元件可包括准直透镜，该内表面配置为平面的并且与从光源发出的光线正交，并且该外表面配置成重新定向光线以提供大体上准直的光束图案。
在另一个实施例中，提供照明装置。该照明装置包括具有开口端和几何轴线的外壳以及沿着光轴设置的至少一个光源。该照明装置进一步包括外光学元件，其具有焦点并且封闭该外壳的开口端，该光学元件包括会聚外表面和与源自内光学元件的光配合的发散内表面。另外，该照明装置包括在光源和外光学元件之间的内光学元件，该内光学元件将来自从焦点偏移光源光朝外光学元件重新定向。外和内光学元件可关于几何轴线旋转对称。内光学元件的内表面可以是多小平面型的，外光学元件的外表面可以是光滑的。光源可包括第一和第二光源，该第一光源比该第二光源更接近内光学元件设置。外光学元件可配置成与第二光源配合来提供大体上准直的光束图案。
在再另一个实施例中，提供照明装置。该照明装置包括具有开口端的外壳和至少两个会聚透镜。定位一个会聚透镜来收集来自光源的光的大部分并且定位另一个会聚透镜来封闭信号灯的开口端并且对于给定规格散布光。可选地，至少一个光源沿着光轴设置并且外壳具有几何轴线。
在再另一个实施例中，提供照明装置。该照明装置包括具有开口端的外壳、光源和会聚透镜。该会聚透镜包括弯曲的入光面、全内反射面和出光面，其中该弯曲的入光面配置成将来自光源的光朝该全内反射面的中心会聚。
附图说明
图1是现有技术的信号灯的示意截面图。
图2是具有带有远侧会聚表面的正透镜的信号灯的示意截面图。
图3是具有带有能模塑的多小平面型内表面的正透镜的信号灯的第二实施例的示意截面图。
图4A是与光源配合用于在新颖的信号灯的第三实施例中使用的两个光学元件的示意图。
图4B是与光源配合用于在新颖的信号灯的实施例中使用的两个光学元件的备选示意图。
图5是在图3中示出的与光源配合的透镜的侧视图。
图6是在图5中示出的光学元件的光学模拟光线追踪屏幕截图。
图7是参考内参考平面的分布曲线的示意垂直截面图。
图8是根据本公开的方面的示范性透镜的部分侧视图。
图9是示出弯曲的入光面实施例的TIR元件的截面观察光线图。
图10是具有模具加工圆角的TIR元件的截面观察光线图。
图11是根据本公开的方面的信号灯的示意截面图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本公开的一个或多个实现，其中类似的标号用于指代所有类似的元件。
图2公开了信号灯8，该信号灯8包括折射光学元件10(其示出为准直透镜)，该折射光学元件10与位于该光学元件的焦点处的点光源12配合。该准直透镜10包括内表面14和外表面16。该内表面14形状适于使得它与从点光源12发出的光线18正交，使得这些射入光线在该内表面14处发生最小折射或不发生折射。外表面16配置成重新定向光线来提供大体上准直(平行或近似平行)的光束图案。例如，光线的大部分在大约20°束角内的情况被认为适于形成近似准直(近似平行)的光束图案。
图2还示意地描绘了用于多个LED 24的支承22。虚拟点光源12(如上文提到的)设置在透镜10的焦点处。支承22(其在描绘的实施例中是印刷电路板)从准直透镜10的焦点向内偏移并且处于垂直于中心轴线26。LED 24聚集在准直透镜10的中心轴线26周围，该中心轴线26也可以是信号灯外壳28(其包括LED 24和准直透镜10)的中心轴线。信号灯的外壳28具有由准直透镜10封闭的开口端。支承22上的LED 24足够接近中心轴线26并且从透镜10的焦点向内设置以产生与由虚拟点光源12产生的光束图案相似的光束图案。
图3描绘了信号灯48的备选实施例。图3描绘了折射光学元件50，其与设置在该光学元件的焦点处的虚拟点光源52配合。透镜50可以关于中心轴线66旋转对称。如果期望形成不对称的光束图案，则透镜50的内表面54可以采用例如圆型或线性(方形或菱形)模式的模式设置。光学元件50包括内表面54和外表面56。与在图2中示出的实施例相比，内表面54与菲涅耳透镜(其中内表面是多小平面型的)相似地配置。然而，内表面54采用可以注入模塑折射光学元件50这样的方式形成多小平面型的。这样做，每个小平面(在图3中示出的每取向)的大致上水平的部分至少大致上平行于光学元件50和信号器外壳68的中心轴线66或成某一角度使得光学元件50可以从模具中弹出。例如，每个小平面的水平部分58在朝水平部分的最外边缘60的方向上从水平部分的最内边缘62偏离平行于中心轴线66的线(与从模具中弹出的方向一致)倾斜。
每个小平面还包括大体上垂直的部分64来将光朝着光学元件50的外表面56折射。外表面56配置成使光束图案变窄。如果表面54与源自点源的光正交，外表面56(与上文描述的外表面16相似)配置成重新定向光线来产生大体上准直(平行或近似平行)的光束图案。例如，光线的大部分在大约20°束角内的情况被认为适于形成近似准直(近似平行)的光束图案。发展不对称的光束在下文参照图7描述。
图3描绘了设置在外壳68中的支承72以及设置该支承上的多个LED 74。与在图2中示出的实施例相似，LED 74和支承72从透镜50的虚拟点光源52向内间隔开。支承72可以是印刷电路板并且处于大致上垂直于中心轴线66。LED 74聚集在中心轴线66的周围。与美国专利号5,974,587相似，LED 74的覆盖区的表面积可以是折射光学元件50的表面积的大约25％。
图3公开了光线76，其从设置在折射光学元件50的焦点52处的虚拟点光源发出。通过将LED 74和支承72从焦点52朝折射光学元件50向内间隔开，从LED发出的光线可以遵循与对于虚拟点光源52示出的光线76大致上相同的路径。
图5公开了在图3中示出的与单个光元件92和从该单个光元件发出的光线94配合的透镜90的侧视图。与上文描述的虚拟点光源相似，该单个光元件92处于透镜90的焦点处。采用与上文公开的信号灯相似的方式，多个LED可以聚集在透镜90的中心轴线周围，该多个LED从虚拟焦点向内偏移来产生逼近图5中示出的光束图案的光束图案。图5更准确地描绘了大致上准直的光束图案，这是因为光线不是全部都精确地互相平行而是大致上互相平行来产生大体上或大致上准直的光束图案。图6是通过图5采取的横截面的近距离视图。
图4A描绘了两个折射光学元件100和102以及两个虚拟点光源104和106的示意截面图。每个点光源104和106沿着轴线108设置，该轴线108关于光学元件100和102两者在其间居中。光学元件102可以关于中心轴线108旋转对称。然而，如果期望不对称的光束图案，光学元件100可关于中心轴线108不旋转对称。
外折射光学元件100包括内多小平面型表面112和外光滑表面114。该内多小平面型表面112与参照图3描述的多小平面型表面相似，这是因为它与菲涅耳风格相似但能够被注入模塑。外光学元件100配置成与最远的虚拟点光源104配合来提供与在图2和3中示出的实施例相似的大体上准直的光束图案。与上文描述的光学元件10和50相似，外光学元件100封闭信号灯外壳(未示出)的开口端。
内光学元件102用于形成光学元件100的虚拟远焦点。光学元件102还用于通过收集LED点光源的所有或几乎所有的光来提高信号灯的效率。光学元件102降低信号灯的厚度。在图3中示出的光学元件示出为正透镜；然而，光学元件可以设计成折射元件、衍射元件、内部折射元件和/或反射元件。
内光学元件102配置成与更接近内光学元件102和外光学元件100两者的虚拟点光源106配合。内光学元件102配置成将来自点光源106的射入光线122重新定向使得射出光线124大体上遵循与从最远虚拟点光源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，外壳的深度可以由于由内光学元件102提供的光线的重新定向而减小。因此，可以采用与参照图2和3描述的那些相似的方式从虚拟点光源106向内(即朝着光学元件102和100)提供LED。与上文描述的外壳28和68相似，光学元件100和102可以设置在外壳(未示出)内部。
图4B与图4A相似并且示出外折射光学元件100和内光学元件102可以共同地起到一对会聚透镜的作用。更具体地，内光学元件102收集来自点光源104的光的大部分并且模拟对于外折射光学元件100的焦点。外折射光学元件100大体上包括复杂的引脚光学器件(pinoptics)，其将来自点光源的光散布到给定规格，其中每一个引脚具有独特的形状。图4B包括许多另外的线128，其示出光当其射出外折射光学元件100时是准直的。因此，即使当“壳体”(即，外折射光学元件100)对于给定规格散布光时，光束图案在每个透镜后变得更窄。
图7演示了控制光来产生不对称的光束图案。外表面134代表光学元件的外表面，其与参照图4描述的外表面114相似。参考表面131与参照图4描述的内表面112以及与参照图3描述的内表面64相似。射入光线132与参照图4描述的光线124相似。为了形成不对称的光束图案，内表面131被散布表面130代替。该散布表面130以与参考内表面相同的角度取向，这导致外表面134对着中心轴线108传送相同的光束图案。透镜(其是包括外表面134和内散布表面130的光学元件)的内散布表面130可以采用例如圆型或线性(方形或菱形)模式的模式设置。在某些实例中，将光束轴沿水平轴向下移动5°来提供信号灯的期望的强度，这已经发现是可取的。在再另一个实施例中，LED信号器的全内反射元件200在图8中示出。全内反射(TIR)是其中在给定的介质(例如，丙烯酸或聚碳酸酯材料)中以等于或大于临界角的角度入射到具有较疏介质(例如，空气)的边界的电磁辐射(光)从该边界完全反射的现象。在光纤技术和双目棱镜中常用地，使用全内反射的正确设计的光学部件不需要昂贵的反射镜/反射涂层表面来重新定向光。为了在TIR元件中实现材料节省，可利用一系列更小的连续TIR面而不是单个大的反射面。当连续TIR面之间的界面形成不期望的光折射时，这些面之间的界面尽可能小(或尖锐)，这是可取的。
如在图8中示出的，多个弯曲的入光面202与对应的多个TIR面204和出光面206对齐，这些多个TIR面204和出光面206使从信号器的底部发出的光重新定向在大体上向下的方向上。弯曲的入光面202具有将入射光集中到对应的TIR面204中心的光学效应，由此允许光从更广泛的角度撞击TIR面204而被重新定向以便通过期望的出光面206向下投射。TIR元件200可在出光面206上构造有阶梯式配置来最小化元件200所需要的空间和材料以及其他方面。
弯曲的入光面202的每个在下一个阶梯级的方向上倾斜，这通过减少专用于入光面202的阶梯级之间的圆角的光学区域来降低造成光损失的区。信号器可以配置用于加装到现有的白炽信号器外壳。
图9是图8的TIR元件200的一部分的近距离视图。入射到入光面202上的光线210优选地与透镜轴线平行对齐，由此大体上入射到入光面202上的所有的光会聚并且碰撞对应的TIR面204。射出出光面206的光线212由此以向下的方式被引导。
图10示出备选TIR元件210，其还具有多个弯曲的入光面212，这些弯曲的入光面212与对应的多个TIR面214和出光面216对齐，这些多个TIR面214和出光面216使从信号器的底部发出的光重新定向在大体上向下的方向上。弯曲的入光面212具有将入射光集中到对应的TIR面214中心的光学效应，由此允许光从更广泛的角度撞击TIR面214而被重新定向以便通过期望的出光面216向下投射。TIR元件210可在出光面216上构造有阶梯式配置。弯曲的入光面212的每个在下一个阶梯级的方向上倾斜，这通过减少专用于入光面212的阶梯级之间的圆角的光学区域来降低造成光损失的区。在该实施例中，在TIR面214和出光面216的阶梯之间的过渡点处增加圆角218。要理解，在阶梯式光学元件的边缘上由于模具的加工工具的几何形状或磨损而大体上存在圆角。在模具上加工最尖锐的边缘可减少由圆角产生的不受控光，但由于模具磨损它还可产生随时间的性能变化。尖锐的边缘还增加处于冲击和振动处的部分的易脆性。
如在图10中示出的，入射到入光面212上的光线220优选地与透镜轴线平行对齐，由此大体上入射到入光面212上的所有的光会聚并且碰撞对应的TIR面214。射出出光面216的光线222由此以向下的方式被引导。
现在参照图11，在信号灯的备选实施例中，光轴302是LED阵列304的中心到外透镜(或壳体)306的中心之间的假象线。注意在光轴302和几何轴线310之间存在角度308。几何轴线310和光轴302之间的该角度308取决于如由规格决定的光通量的中心。例如，在ITE(交通工程协会)规格的情况下，通量的中心是地平线下约5度。因此光轴302将比指向地平线的几何轴线310低近似5度。几何轴线310是垂直于安装轮缘(或外壳)312的中心横穿的假象线。图11还示出关于光轴302对称的(但也可以是不对称的)可选内透镜314。要意识到在图11中示出的特征可适用于先前描述的信号灯的实施例。
示范性实施例已经参照优选实施例描述。明显地，当阅读并且理解前面的详细说明时，修改和改动将被其他人想起。规定示范性实施例解释为包括所有这样的修改和改动，只要它们在附上的权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (16)

1.一种照明装置，其包括：
具有开口端的外壳；
封闭所述外壳的所述开口端的折射光学元件，该光学元件包括会聚外表面和发散内表面；以及
与所述光学元件配合的光源，其中所述光源靠近所述折射光学元件的焦点设置。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中所述光学元件包括内表面，其具有与射入光线的轨迹正交的参考平面。
3.如权利要求2所述的照明装置，其中所述光学元件包括准直透镜，所述内表面配置为平面的并且与从所述光源发出的光线正交，并且所述外表面配置成重新定向光线来提供大体上准直的光束图案。
4.如权利要求1所述的照明装置，其进一步包括承载至少一个LED的支承。
5.如权利要求3所述的照明装置，其中所述外壳具有几何轴线并且所述支承从所述焦点朝所述开口端间隔开。
6.一种照明装置，其包括：
具有开口端和几何轴线的外壳；
沿着光轴设置的至少一个光源；
外光学元件，其具有焦点并且封闭所述外壳的所述开口端，所述光学元件包括会聚外表面和与源自内光学元件的光配合的发散内表面；以及
所述光源和所述外光学元件之间的内光学元件，所述内光学元件将来自从焦点偏移的光源的光朝所述外光学元件重新定向。
7.如权利要求7所述的照明装置，其中所述外和内光学元件关于所述几何轴线旋转对称。
8.如权利要求7所述的照明装置，其中所述外光学元件的内表面是多小平面型的，并且所述外光学元件的外表面是光滑的。
9.如权利要求7所述的照明装置，其中所述光源包括第一和第二光源，所述第一光源比所述第二光源更接近所述内光学元件设置。
10.如权利要求7所述的照明装置，其中所述外光学元件配置成与第二光源配合来提供大体上准直的光束图案。
11.如权利要求7所述的照明装置，其进一步包括用于多个LED的支承。
12.一种照明装置，其包括：
具有开口端的外壳；和
至少两个会聚透镜，其中定位一个会聚透镜来收集来自光源的光的大部分并且定位另一个会聚透镜来封闭所述信号灯的开口端并且对于给定规格散布所述光。
13.如权利要求12所述的照明装置，其进一步包括沿着光轴设置的至少一个光源并且其中所述外壳具有几何轴线。
14.如权利要求12所述的照明装置，其进一步包括用于多个LED的支承。
15.一种照明装置，其包括：
具有开口端的外壳；
光源；和
会聚透镜，其包括弯曲的入光面、全内反射面和出光面，其中所述弯曲的入光面配置成将来自所述光源的光朝所述全内反射面的中心会聚。
16.如权利要求15所述的照明装置，其进一步包括用于多个LED的支承。
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