CN103649638B - Led系统以及与卤素灯具一起使用的外壳 - Google Patents

Led系统以及与卤素灯具一起使用的外壳 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种LED光学光引擎聚光灯，所述LED光学光引擎聚光灯可容纳可变数量的发光二极管（LED）。安装在LED前面的光学投影透镜将单独的LED光束合并为单个光束，该单个光束类似于由卤素灯和反射器提供的单个光束。散热器提供对高达约华氏100度进行的对流冷却。可选的风扇针对更极端的条件提供额外的散热。所述描述的装置可包括200度的竖向倾斜。最佳地，所描述的装置被设计为具有在顶点（0度）到水平方向（90度）到完全压下（135度）之间的完全竖向倾斜范围。可选的辅助透镜提供额外的能力，所述额外的能力例如包括泛光透镜、彩色透镜以及防石保护件。所描述的装置可以为硬连接或无线连接。所描述的装置可适用于多种底座单元和/或平移和倾斜平台。

Description

LED系统以及与卤素灯具一起使用的外壳
相关申请的引用
本申请是一个非临时申请，其要求于2011年7月11日提交的临时申请No.61/506,594以及于2011年11月17日提交的临时申请No.61/561,162的优先权，其中每一篇申请的全部内容以引用的方式合并于此。
技术领域
背景技术
照明系统和外壳是本领域所熟知的。这些现有技术的外壳具有许多缺点。卤素灯系统提供单一光束，该单一光束用于照亮较大区域（泛光）或用于照出光斑。然而，卤素灯易碎且需要经常更换，这通常是麻烦且危险的。与许多其他类型的灯相比，卤素灯烧灼出过度的热量。发光二极管（LED）在较低的温度下烧灼且持续时间较长，但不能通过点反射器提供卤素灯光的强烈的、单光束照明。卤素灯和LED的尺寸也不同，使得不可能简单地将卤素聚光灯替换为LED。由于由卤素聚光灯与LED提供的照明上的差别，因此这种替换还不能提供相同的光照。
相关技术的前述示例和与其相关的限制旨在进行解释说明而非限制性的。本领域的技术人员基于该说明书的阅读和附图的研究可以清楚得知相关技术的其他限制。
发明内容
以下实施例及其各个方面结合系统、工具和方法进行描述和说明，这意味着该描述和说明为示例性的和说明性的，并不限制本发明的范围。在各种实施例中，已经减少或消除了一个或多个上述的问题，同时其他实施例涉及其他的改进。
所公开的灯外壳被设计为成容纳可变数量的发光二极管（LED）。安装在LED前面的投影透镜将来自LED的单独的LED光束合并为单个光束，该单个光束类似于由卤素灯提供的单个光束。LED安装系统使得LED可以放置在最初针对单个卤素灯设计的空间中。所描述的装置可包括在顶点（0度）到水平方向（90度）到完全压下（135度）之间的竖向倾斜。可选的辅助透镜提供额外的能力，所述额外的能力例如，包括将光斑特性转换为泛光的泛光透镜、彩色透镜以及防石保护件。所描述的装置可以为硬连接或无线连接。所描述的装置可适用于多种底座单元和/或平移和倾斜平台。
该LED全光引擎为替代具有反射器的卤素单元的即插即用，使得具有相似的光束性能而没有卤素单元的缺点。所公开的装置具有简单和不受气候影响的设计，这使得易于组装和维护。所公开的装置提供了改进的耐久性和耐候性。
除了以上所述的示例性方面和实施例之外，通过参照构成该说明书的一部分的附图（其中相同的标号表示不同视图中相应的部件），另外的方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
在对本发明的所公开的实施例进行详细地解释之前，应该理解的是，由于本发明能够应用于其它实施例，因此本发明的应用不限于所示的特定排列的细节。参照附图来说明示例性实施例。本文所公开的实施例和附图意在进行解释性说明而非限制性说明。本文所使用的技术也是出于描述而非限制的目的。
图1为本申请的光引擎组件的一个实施例的分解图。
图2为不具有平移和倾斜平台的图1的LED灯的前视立体图。
图3为图2的前侧正视图。
图4为图2的左侧正视图。
图5为图2的底视平面图。
图6为图2的后视立体图。
图7为图2的后侧正视图。
图8为图2的右侧正视图。
图9为图2的旋转的底视平面图。
图10为本申请的透镜的一个实施例的射束模式的前视立体图。
图11为图10的顶视平面图。
图12为根据本申请的透镜的立体图。
图13为根据本申请的透镜的正视图。
图14表示折射和内部全反射的图。
图15为菲涅耳透镜的左侧或右侧平面图。
图16为使用本申请的透镜的灯组件的光强分布。
具体实施方式
图1为灯组件100的分解图。该图描述了可选的辅助透镜170，如果存在的话，该辅助透镜170安装到边框130。辅助透镜170能够提供多种功能，包括泛光透镜、彩色透镜或防石保护件的功能。散热器110包括许多散热片330，散热片330从散热器110的顶部和底部辐射出。必须针对LED及其散热的要求仔细调整该散热器的设计。在使用中，由LED160产生的热量通过散热片330耗散。防护透镜120通过硅树脂附接到散热器110，由此气密性地密封夹置在两者之间的零件。这些介入的零件包括安装在印刷电路板（PCB）190上的LED160。投影透镜140安装在PCB190上方。在使用中，投影透镜140将来自LED160的单独的光束聚焦为能够照亮较大区域（非常像卤素灯光）的单一光束。边框130安装在防护透镜120上方并且附接到散热器110。边框130包括散热片135。当边框130被附接到散热器110时，空气在边框130的底部处进入，并且行进经过散热器110底部的散热片330b、往上行进经过散热器310顶部的散热片330a，并且经过散热片135离开，从而允许进行对流和空气冷却。空气流动的方向由图2和图6中的箭头表示。如果包括有可选的风扇200，这种对流和空气冷却将更加明显。
在所描述的实施例中，散热器110包括铝，并且通过铸造产生。本领域的技术人员将理解的是，针对金属的散热性能来选择金属。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，可使用具有与铝类似性能的任何材料。附图描述了10个LED，然而，本领域的技术人员将理解的是，可提供可变数量的LED。在所描述的实施例中，投影透镜140由丙烯酸树脂制成，并塑模为单件。在替代性实施例中，投影透镜140可包括丙烯酸树脂。在所描述的实施例中，硅树脂垫片将PCB190连接到散热器110。硅树脂提供优良的热传递以辅助LED160的对流冷却。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，可使用具有与硅树脂类似性能的其他材料，并且可制造多个透镜，随后互相连接或附接到PCB。在所描述的实施例中，LED为丽讯（Luxeon）星形LED。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，丽讯LED可替换成其他品牌和类型的LED。在所描述的实施例中，边框130由塑料制成。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，可使用具有与塑料类似性能的任何材料来形成边框。
接下来转到散热器110后面的机械部件，可选的风扇200安装在与LED160相对的散热器110的底部。卡夹件300将风扇200附接到散热器110。在所描述的实施例中，风扇200是防水的。LED的对流冷却足以满足高达大约华氏100度（100°F）的温度。风扇200能够在更为极端的条件下（例如温度高于100°F）进行安装。前壳体210和后壳体220封装驱动器230。后壳体220连接到LED160和功率输入端（未示出）。在所描述的实施例中，驱动器230包括PCB并且向LED提供介于大约10伏到30伏之间的电力。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，在确定使用一个驱动器还是多个驱动器时，对成本和位置的考虑很可能是主要进行的考虑。支架240安装在散热器110后面。支架240将倾斜机构250保持在适当位置。在所描述的实施例中的倾斜机构250的位置仅是示例性的。倾斜机构250可安装在灯组件100中的不同位置处而仍在本公开的范围内。在所描述的实施例中，支架240包括塑料。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，可替换为具有与塑料类似性能的任何材料。
接下来转到图2-9中，示出了组装的但没有盖的LED系统。在图2中，散热器110、边框130、防护罩120、投影透镜140以及LED160保持可见。此时轴承260是可见的。轴承260附接到散热器110并允许该单元竖向倾斜。轴承260还减少了枢轴点的磨损并且增加了枢轴点的润滑性。
图3示出了所有的前述零件，并且还示出了螺钉270，螺钉270用于将PCB190附接到散热器110。第二组螺钉280将边框130附接到散热器110。尽管描述的是螺钉，但是本领域的技术人员将理解的是，可以使用任意数量的紧固件而仍在本公开的范围内。
在图4中，支架240和倾斜机构250为部分可见。图5示出了风扇200的底部、前壳体210以及后壳体220。在图6中，前壳体210以及后壳体220可见。从该视图中能够观察到将卡夹件300和前壳体210附接到散热器110的螺钉290。另一组螺钉310通过支架240将倾斜机构250附接到散热器110。尽管描述的是螺钉，但是本领域的技术人员将理解的是，可以使用任意数量的紧固件而仍在本公开的范围内。
图7示出了从前壳体210延伸的支柱320，螺钉290通过支柱320附接到散热器110。图8和图9从其他角度示出了部件以提供LED系统的完全三维视图。
图10为灯组件100的前视立体图。灯组件100包括投影透镜140，投影透镜140将多个光学投影透镜互相串联放置。投影透镜140包括一系列的突出部420。突出部420形状上为半球形。突出部420被设计为安装在LED160上方，使得每个LED160在突出部420内近似地居中。这种布置使得突出部420的优点最大化。在使用中，每个突出部420将来自LED160的单独的光束440聚焦，以便会聚为能够照亮较大区域（非常像卤素灯光）的单一光束。该图描述了10个LED，然而，本领域的技术人员将理解的是，可提供可变数量的LED。在所描述的实施例中，光学透镜410由丙烯酸树脂制成，并塑模为包含多个串联的光学透镜的单件。在所描述的实施例中，LED为丽讯（Luxeon）星形LED。本领域具有普通水平的技术人员将理解的是，丽讯LED可替换成其他品牌和类型的LED。
接下来转到图11，示出了灯组件100的俯视图。从这个角度能够观察到投影透镜140对来自LED160的光束的作用。突出部420的形状使得来自LED160的光束440变得更加集中。投影透镜140上的突出部420的间距和位置导致光束440会聚，从而提供与单个卤素灯提供的照明类似的照明。精确的间距将取决于投影透镜140的尺寸和LED的数量。
图12示出了没有灯组件100的投影透镜140。
图13为投影透镜140的正视图。从该角度，突出部420被示出成具有两个突出部420相接处的平整边缘450。该平整边缘使得突出部420可以更加靠近地放置在一起。这在期望在小空间中获得最大数量的可能的LED时是有用的。每个突出部420成形为对其光束进行聚焦，使得该光束会聚。
接下来转到图14和图15，其中描述了投影透镜140的射束模式。一般而言，使用折射来聚焦单独的光线以产生期望的射束模式。与此同时，如图16所示，投影透镜140的设计使得一系列的LED灯可以实现大约200,000坎德拉的基本单一的聚焦光强度。
突出部420可以包括两种类型的透镜，两种类型中的任一种都可产生上述效果。在第一实施例中，突出部420包括平凸透镜，该透镜的一侧为弯曲的且另一侧为平的。在所描述的实施例中，突出部420为实心半球体，其中，最接近发光二极管160的侧面430为平的，并且相对的侧面450为弯曲的。换言之，光从突出部420的平面侧430行进到突出部420的曲面侧450。该平凸透镜将与透镜轴线平行行进并穿过透镜的平行光会聚或聚焦到单个的焦点。在本申请中所描述的一系列突出部420的布置将来自每个突出部420的光集中为单个光束。
在第二实施例中，突出部420利用菲涅尔透镜的理论。投影透镜140被分为称为“菲涅耳区”的一组同心环形部分。图15中标记为Z1的最外区域具有最厚的透镜。透镜的总厚度在每个随后的区域中减少，直到达到近似平面的凸面中心C。在透镜最厚的点处，投影透镜140的厚度约为0.63英寸。投影透镜140的设计使得可以大大减少投影透镜140的总厚度，这反过来又减小了制造投影透镜140所需的材料的体积。
本领域的技术人员将理解的是，尽管已经分别讨论了菲涅尔透镜与平凸透镜，但是包括在单个投影透镜140中同时由菲涅尔透镜和平凸透镜组成的突出部420是可能的。
根据本申请的照明系统具有几个优于现有照明系统的优点。所描述的装置将照明系统中的卤素灯泡替换为多个发光二极管，使得照明系统可以运行的时间更长并且经历更少的零件更换。本照明系统包括投影透镜，该投影透镜将来自多个发光二极管的光束合并为单个光束。该单个光束提供相当于卤素灯的照明。另外，本照明系统将发光二极管容纳在结构紧凑的、密封的壳体组件中。最后，该灯组件可包括倾斜装置，从而为该装置提供竖向倾斜能力。
尽管已经讨论了以上多个示例性方面和实施例，但是本领域的技术人员将认识到其某些修改、置换、增加和子组合。因此，在下文中所附的权利要求将被解释为包括在本发明真实的精神和范围内的所有这样的修改、置换、增加和子组合。本文所描述的每个装置的实施例具有多个等同的实施方案。
已经采用的术语和表达用于作为描述性术语而非限制性术语，且并不意在使用这种术语和表达来排除所示和所描述特征的任何等同物或及其部分，但是应认识到的是，在本发明所要求的范围内可进行各种修改。因此，应该理解的是，尽管本发明已经通过优选的实施例和任选的特征进行详细地公开，但是本领域的技术人员可诉诸于本文所公开的内容的修改和变化，并且这种修改和变化被认为是在由附加的权利要求所限定的本发明的范围内。当本说明书中给出范围时，所有中间范围和子范围以及所有包括在所给出的范围内的单独的值意在包括在本公开内容中。当本文使用马库什（Markush）组或其他组时，该组的所有单独的成员以及该组的所有可能的组合和子组合意在单独地包括在本公开内容中。
一般来说，本文所用的术语和短语具有其领域公认的含义，该含义可通过参照标准教科书、期刊参考文献及本领域的技术人员所知的内容获得。提供上述限定以阐明其在本发明的内容中的具体使用。
本说明书中提及的所有专利和出版物表明了本发明所在领域的技术人员的技术水平。本文所引用的所有参考以引用的方式合并，以达到没有与本说明书的公开内容不一致的程度。本文所提供的一些参考通过引用的方式合并于此，以提供与额外的原材料、另外的合成方法、另外的分析方法和本发明的其它用途相关的详细说明。

Claims (11)

1.一种透镜，包括：
多个突出部；
每个突出部具有变化的厚度；
其中，所述突出部的最外边缘具有最厚的尺寸；
其中，所述突出部的中心具有最薄的尺寸；并且
其中，所述多个突出部适用于将单独的光束合并为单个光束。
2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述突出部为半圆形。
3.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述突出部的邻接边界处是平整的。
4.一种透镜，包括：
多个半圆形整块式突出部，所述多个半圆形整块式突出部具有大致圆形边界并且被安装在单个透镜件中；
每个整块式突出部包括平凸透镜；
所述多个半圆形突出部在所述透镜件的基本平整的平面内沿着至少两条轴线延伸；
其中，所述多个半圆形整块式突出部适用于将单独的光束合并为单个光束。
5.根据权利要求4所述的透镜，其中，所述突出部的邻接边界是平整的。
6.一种照明系统，包括：
外壳器件，所述外壳器件支撑多个发光二极管；
透镜器件，所述透镜器件在所述多个发光二极管的上方附接到所述外壳器件；以及
所述透镜器件包括一系列的半圆形整块式突出部，所述一系列的半圆形整块式突出部具有大致圆形边界并且被安装在单个透镜件中；
所述多个半圆形整块式突出部在基本平整的平面内沿着至少两条轴线延伸；
其中，所述多个整块式突出部适用于将单独的光束合并为组合的单个光束。
7.根据权利要求6所述的照明系统，其中，每个整块式突出部具有变化的厚度；
其中，所述整块式突出部的最外边缘具有最厚的尺寸；并且
其中，所述整块式突出部的中心具有最薄的尺寸。
8.根据权利要求6所述的照明系统，其中，每个整块式突出部包括平凸透镜。
9.根据权利要求8所述的照明系统，其中，每个平凸透镜包括平面侧和曲面侧；并且
其中，光从所述平面侧到所述曲面侧行进。
10.根据权利要求6所述的照明系统，其中，所述多个发光二极管中的每个靠近整块式突出部近似地居中。
11.根据权利要求6所述的照明系统，其中，所述整块式突出部的邻接边界是平整的。
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