CN104822984A - 带有模块化折射器的固态照明发光器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了固态照明(SSL)发光器，和构造该发光器的方法，其中SSL通过减少光必须通过的透镜表面的数目而提高了效率，同时仍能提供免受环境影响的必要保护。提供了模块化折射器，其具有与照明模块耦合的光学部件。模块化折射器可以提供对容纳在折射器内的发光部件的环境保护，并且可以不需要单独的保护性透镜。一个或多个模块化折射器的一个或多个透镜可以包括共同模制在一起的具有至少两个不同的折射系数的材料。

Description

带有模块化折射器的固态照明发光器

背景技术

基于发光二极管(LED)的固态照明(SSL)与传统的照明技术相比，市场渗透度逐渐增长。基于LED的发光器比传统照明技术有相当多的优点，诸如寿命更长、机械强度更好、效率更高，并且没有危险的污染物，诸如汞。

尽管传统的发光器典型地仅需要单一光源，诸如金属卤化物灯泡，SSL发光器通常最佳地使用多个LED来操作。尽管传统光源通常几乎全向地发射光，但高功率LED通常发出朗伯模式(Lambertian pattern)的光。如果LED作为光源要获得最优效率，则其瞄准和射束传播应被分别控制，或以非常小的组的方式控制。典型地，有效的瞄准能够通过将LED安装到印刷电路板(PCB)接着将该PCB安装到瞄准平台上来实现，该瞄准平台将每个LED或每小组的LED定向成所需的方向。此平台还提供了散热器，以便冷却LED和允许LED维持在适当的工作温度。对射束传播进行控制通过使用准直每个LED的输出的全内反射(TIR)透镜或复合抛物面反射器或用于按照需要指引光的类似装置来完成。进一步的控制通过发散透镜来完成，这些透镜可以结合到准直透镜的最终表面中或者作为辅助元件添加到该透镜上。对于大多数发光器而言，尤其是户外发光器，针对多种因素的保护需要另一个外部保护性透镜。每个附加透镜会带来两个附加表面和在附加表面之间的材料。由于每个透镜表面具有一定量的反射性，透射过所述透镜的光的量减少，降低了发光器的总效率。

发明内容

本公开内容认识到光必须透过多个表面可能降低发光器的总性能。本公开内容中提供了发光器，发光器通过减少光通过的表面的数目，和/或减少光通过的材料的数量，而提高了效率。

本公开内容的多个方面描述了几种新颖的SSL发光器，其通过减少光必须通过的透镜表面的数目而具有更大的效率，同时仍提供防止环境影响的必要保护。这使得SSL发光器具有更大的效率以及进行更有成本效益的生产。

因此，提高给定发光器的效率的一种选择方案是减少生成的光必须通过的表面的数目。本公开内容的多个方面提供了系统、方法和设备，用于通过将发散透镜和保护性外部透镜并入到单个设备，即模块化折射器中而减少了光必须通过的表面的数目。可以通过使用复合抛物面反射器以准直LED产生的光，而不是使用TIR类型的透镜来实现效率的附加增长，从而不仅最小化了光接合的表面的数目还最小化了光通过的透镜材料的体积。

一方面，提供了一种固态照明设备。该设备通常包括具有多个不同安装表面的壳，与多个安装表面耦合的多个发光模块，以及多个模块化折射器，每个模块化折射器与对应的发光模块耦合，并且包括一个或多个透镜，透镜配置成对从与相关的发光模块耦合的一个或多个发光二极管(LED)照明元件产生的光的传播进行控制。每个模块化折射器可以提供与相关的发光模块的至少一部分部件的环境隔离。在一些实施例中，多个安装表面相对于要被设备照射的表面可以具有多个不同的安装角度。在一些进一步的实施例中，该设备不包括单独的外部保护性透镜，因此减少了光必须穿过的表面的数目，提高了设备的效率。

在一些实施例中，发光模块的至少一个子集包括与印刷电路板(PCB)耦合(连接)的两个或更多个LED，该PCB安装到相关的安装表面。在一些实施例中，安装表面的一个或多个可以包括散热器，该散热器配置成将热量从相关LED转移走。

在一些示例中，模块化折射器可以包括全内反射(TIR)透镜或复合抛物面反射器中的一个或多个。透镜中的一个或多个还可以包括作为透镜的辅助元件被结合到外部透镜表面中或与外部透镜表面耦合的发散透镜。根据一些实施例，每个模块化折射器中的一个或多个透镜与模块化折射器壳集成，并且形成在所述壳的内表面或外表面上。在进一步的实施例中，一部分或全部模块化折射器的一个或多个透镜包括被共同模制在一起的具有至少两个不同的折射系数的材料。在更进一步的实施例中，模块化折射器中的一个或多个的一个或多个透镜可以包括模制到模块化折射器中的梯度折射率(GRIN)透镜。

上述内容已经相当广泛地概述了根据本公开的示例的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细说明。下文中将描述附加特征和优点。所公开的概念和特定示例可以很容易被用作修改或设计用于执行与本公开内容的相同的目的的其他构造的基础。这种等同构造并不脱离所附权利要求的精神和范围。在联系附图考虑以下说明时，将在他们的结构和工作方法、以及相关优点方面，更好地理解被认为是本文所公开的概念的特性的特征。每个图都是为了说明和描述的目的而提供的，并不是要作为限制权利要求的定义。

附图说明

通过参考附图，可以实现对本公开的本质和优点的进一步的理解。在附图中，类似的部件或特征可以具有相同的附图标记。进一步地，相同类型的多个部件可以用一个附图标记后面加上横划线和在类似部件中进行区分的第二标记来区分。

图1是根据多个实施例的模块化折射器的前透视图；

图2是根据多个实施例的模块化折射器的后透视图；

图3是根据多个实施例的模块化折射器的侧正视图；

图4是根据多个实施例的模块化折射器的俯视平面图；

图4A是沿图4的截面A-A的剖视图；

图5是图4A的一部分的详细视图；

图6是根据多个实施例的发光模块的前透视图；

图7是根据多个实施例的发光模块的俯视平面图；

图8是根据多个实施例的另一个模块化折射器的前透视图；

图9是根据多个实施例的街灯的仰视透视图；

图10是根据多个实施例的街灯的另一个透视图；

图11示出了根据多个实施例的用于发光模块和模块化折射器的示例性安装表面。

具体实施方式

以下描述提供了示例，而并不是对权利要求中表达的范围、应用性或配置进行限制。可以对讨论的元件的功能和布置做出改变，而不会脱离本发明的精神和范围。多个实施例可以适当地省略、替代或增加多个过程或部件。例如，描述的方法可以与描述不同的顺序执行，并且可以增加、省略或组合多个步骤。并且，关于某些实施例描述的特征可以在其他实施例中组合起来。

SSL发光器正在全美国和全球进行安装。基于LED的照明正在以不断增加的数目取代传统光源，诸如白炽灯、金属卤化物灯和钠汽灯。固态照明节省能量、降低工作费用并且最小化了维护和其相关成本。LED的坚固性、长寿命和效率(和其他优点)持续地增加了应用的数量和SSL发光器的市场占有率。

通常，许多个SSL发光器设计成使得它们的LED排列成简单的线性图案，这使得对所需光图案的近似较差。这可导致一致性较差，或者可能有光分布在期望的区域以外。这减少了对可用光的有效利用。精确地瞄准各个发光二极管或各小组的发光二极管实现了对光图案的更好的控制，以及更有效地利用产生的光。精确的瞄准可以多种方式完成，包括瞄准平台，其被铸造、模制、成形、弯曲或以其他方式构造成提供为了实现光照在地面上形成期望图案而需要的瞄准点的必要数目和位置。

典型地，SSL发光器的LED具有准直透镜或复合抛物面反射器，发散透镜和外部保护性透镜或折射器。效率是与消耗的电功率的量相比给定发光器如何有效地产生光的测量结果。由于为透镜使用的任何实际材料都会在每个透镜表面处呈现一定损耗，所以光必须通过的表面的数目越大，光的损耗就越大，从而效率越低。

在本发明的一个示例性实施例中，模块化折射器1，如图1中所示，具有模制的、铸造的或以其他方式形成的发散透镜区域2，其提供对从位于折射器壳内的一个或多个LED照明元件产生的光的传播的必要控制。这些区域可形成在内表面上，如该示例性实施例中所示的外表面上，这两种表面上或通过利用具有至少两个不同折射系数的材料的共同模制形成在内部，或者通过利用模制到模块化折射器1中的梯度折射率(GRIN)透镜形成。尽管此示例性实施例显示了多个这样的发散透镜区域，但可以存在其中的这种发散元件的数目与此示例性实施例不同的实施例，包括其中仅存在单个这样的元件的实例。安装框架3提供了沿图2中所示的衬垫4针对外部环境的第一级的保护。如在此所示的安装框架3是为了说明性目的而显示的，并且实际上可以按照需要采取多种形状以适应特定发光器的需求。

图2中的安装耳部或凸缘5是模块化折射器1的一部分，并且为贴靠衬垫4进行密封和将所述模块化折射器定位到其安装平台上提供了区域。金属铠装(metal-clad)印刷电路板(PCB)6为LED和连接这些LED的电路提供了安装件。金属铠装PCB 6用在示例性实施例中，是为了提供从LED的底座到安装平台的热传导路径，这种热传导路径允许除去足够多的热量，以便实现LED的正常工作和长寿命。这样的PCB还将为LED供电的工作电路与安装平台绝缘。图2和图3中所示的电连接件7提供了用于将模块内部的LED连接到外部电源的方式。安装构件8可以是本领域技术人员熟悉的几种不同紧固件中的任意紧固件，在此示例性实施例中，其将内部准直元件保持到PCB 6上，还用于将PCB 6固定到安装平台。

LED 9在图4中以及在图4A的剖视图中示出，定位在内部准直元件10内，该内部准直元件10在此示例性实施例中是复合抛物面反射器，其聚集和准直由LED产生的光。在其他实施例中，准直元件可以是可以为全内反射类型的铸造或模制透镜。这些透镜可以独立于模块化折射器，或者可以是同一个模制件或铸造件的一部分，从而更加降低了光必须通过的表面的数目。于是，发散透镜区域2将光分散或传播到为了满足此模块针对给定发光器设计的需求所需要的程度。

图4和图5中示出的内部衬垫11将模块化折射器1密封到PCB 6，提供了针对外部环境的附加级的保护，从而产生单独密封的模块。图6和图7中示出了此模块的内部。这些图中还示出了内部电连接12，其直接焊接到金属铠装PCB，并且提供了一种用于连接被安装在PCB 6上的LED的方式，以使LED能从外部连接件7供电。为了简洁起见未示出连接所述连接件的电线。在其他可能的实施例中，外部连接件7的另一种实施方式可以自身被直接焊接到PCB 6。

模块化折射器1的安装耳部或凸缘5在图8中示出，没有示出安装板。在其他实施例中，这些部件的相对尺寸可以相对于在此示例性实施例中所示的尺寸改变。模块化折射器1的其他实施例也可以与此示例性实施例中示出的矩形形式不同。这些替代形式可以是正方形的、圆形的、六角形的、三角形的，或者为了适应给定发光器设计的需求所需要的任意其他形状。这是考虑到模块化折射器内部的部件将被重新布置、更改或以其他方式构造，以便适应模块化折射器的替代形状。

在图9和图10中所示的示例性实施例中，模块化折射器组件13安装到瞄准平台14，该瞄准平台定向每个模块，以便使光照在地面上形成期望图案，还提供了到壳15的热传导路径，该壳15提供结构性支撑、热传导性和散热性。壳15可以是铸造的、模制的、用机器制造的、烧结的或以其他方式形成的，并且可以由既提供必要的机械强度又提供所需的热传导性的材料(典型的为铝)制成。然后，壳15被外皮16所覆盖，该外皮16提供了期望的美感，以及对外界影响的附加防护。

在模块化折射器组件13周围或后面的区域18被安装框架17所覆盖和保护以免受环境影响，该安装框架17可以是如示例性实施例中所示的那样为组合式的，或者可以是单件的，或者是多个单独的件，取决于给定发光器设计的需求。组合式安装框架17在之前的图中通过简化的安装框架3在概念上表示，并且通过功能类似于之前的图中所示的衬垫4的一个或多个衬垫加衬里。图11示出了独立于发光器组件剩余部分的所述组合式安装框架17。在框架中的开口19的尺寸制成适合容纳模块化折射器组件。

此示例性实施例中未示出安装在瞄准平台14上的连接件，该连接件将配合到模块化折射器组件13上的连接件7。这种配合的连接件将定位成允许模块化折射器组件13插入到瞄准平台14，以建立为LED供电的必要电连接。安装在瞄准平台14上的连接件将以适当的配置用电线连接在一起，以最优化功率的利用。这种布线将在模块化折射器组件13后面的区域18中延伸，并且将被安装框架17所保护以免受环境影响，如本领域技术人员很容易理解的。

图中未示出的一个可替换实施例可具有延伸穿过PCB 6上的孔的布线，而不是使用如附图中示出的连接件。这要求布线直接连接到电连接12上，以及在布线延伸之后孔中留下的空间要用诸如室温硫化(RTV)硅这样的化合物密封起来，该诸如室温硫化(RTV)硅通常用于密封以防止水和其他物质的进入。

为了说明的简洁起见，在附图中还未示出多个紧固件和将这些紧固件接收在相关部件中所需的孔。这样的部分和对这样部分的利用将很容易被本领域技术人员所理解。

以上联系附图陈述的详细说明描述了示例性实施例，而并不仅代表可以被实施或在权利要求范围内的实施例。术语“示例性”在此说明中使用时意味着“用作示例、实例或说明”，而不是“优选的”或“比其他实施例有利”。该具体说明包括为了提供对描述的技术理解的目的而提供的特定细节。然而，这些技术可以在没有这些具体细节的情况下实现。在一些实例中，为了避免使说明的实施例的概念不清楚，以框图的形式显示公知的结构和装置。

之前对公开内容的描述被提供来使本领域技术人员能够制造或使用本发明。对本公开的多种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在本文中定义的普通原理可应用于其他变型，而不会脱离本发明的精神或范围。在整个公开内容中，术语“示例”或“示例性”表示示例或实例，而并不意味着或要求对提到的示例的任意优先选择。因此，公开内容并不限于本文描述的示例或设计，而是符合与本文公开的原理和新颖性特征一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种固态照明设备，包括：

包括多个安装表面的壳；

多个发光模块，与所述多个安装表面耦合；以及

多个模块化折射器，每个模块化折射器与对应的发光模块耦合，以及包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜配置成对从与所述相关的发光模块耦合的一个或多个发光二极管(LED)照明元件产生的光的传播进行控制，以及每个模块化折射器提供了与所述相关的发光模块的至少一部分部件的环境隔离。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述多个安装表面相对于要被所述设备照射的表面具有多个不同的安装角度。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述设备不包括单独的外部保护性透镜。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述多个发光模块的至少一个子集包括与印刷电路板(PCB)耦合的两个或更多个LED，以及其中所述PCB安装到相关的安装表面。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述安装表面的至少一个子集包括散热器，该散热器配置成将热量从所述相关的LED转移走。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述透镜中的一个或多个包括全内反射(TIR)透镜或复合抛物面反射器。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述透镜中的一个或多个进一步包括作为所述透镜的辅助元件被结合到外部透镜表面中或与所述外部透镜表面耦合的发散透镜。

8.如权利要求1所述的设备，其中每个模块化折射器中的所述一个或多个透镜与模块化折射器的壳集成，并且形成在所述壳的内表面或外表面上。

9.如权利要求1所述的设备，其中一个或多个所述模块化折射器的所述一个或多个透镜包括被共同模制在一起的具有至少两个不同的折射系数的材料。

10.如权利要求1所述的设备，其中一个或多个所述模块化折射器的所述一个或多个透镜包括被模制到所述模块化折射器中的梯度折射率(GRIN)透镜。