CN105190157A - 用于定向灯的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种定向灯组件包括光源(102)、具有第一部分(122)和第二部分(124)且操作成将从光源(102)发射的光引导至目标区域的反射镜(120)、包围反射镜(120)且操作成消散由光源(102)产生的热的热沉(130)，以及布置在光源(102)上且操作成将光透射到目标区域的光扩散透镜(140)。反射镜(120)的第二部分(124)径向地布置在第一部分(122)的外侧且与热沉(130)整体组合形成。

Description

用于定向灯的光学系统
背景
领域
本公开内容的方面大体上涉及光学系统，并且具体地涉及用于使用板上芯片(COB)发光二极管(LEB)的光引擎的反射镜组件。
相关技术的描述
定向灯大体上用于商业和居住建筑来以高强度聚焦的光束照亮空间内的区域，诸如办公室和起居空间。此类灯对于照亮较大的办公室空间特别有用且成本效益合算，因为它们可选择性地位于期望照明的位置。这是与全方向灯相比较的，全方向灯大体上照亮整个区域或空间，而不管是否需要照明。除选择性定位之外，定向灯通常安装成关于天花板结构齐平或凹入，以产生流线型的美观外形。尽管定向光照提供了多种益处和功能，但方向和安装要求可产生迄今并未令人满意地解决的若干设计挑战和困难。
大体上期望将定向灯构造成使得光较宽地投射而不减小目标区域中的光强度。对于此定向灯的一个标准(取自对于整体式LED灯的能源之星要求)在于至少百分之八十(80%)的光能落入限定的角范围或边界内，而其余散射到边界外。为了实现这种程度的方向性，现有技术的灯通常包括具有抛物线或双曲线形状的反射镜。在具有这种形状或轮廓的灯反射镜中，布置在反射镜的焦点处的光将作为定向光的瞄准射束分配，这也称为平行光能束。这是与产生散射阵列的光能的常规白炽灯泡相比较的。
除将光能聚焦在选择区域内之外，大体上期望定向灯应当发射柔和的光学上舒适的光束。尽管如前述段落中论述的用于定向灯的抛物线或双曲线反射镜形状可用于定向光，但该形状将趋于产生高强度光束，这可令使用者的眼睛不舒服。此外，使用此反射镜的灯阵列可能需要高密度的光(即，多个密集的灯)以提供光学环境内的均匀的覆盖。结果，需要更多功率(即，瓦数)来照明空间，同时附带成本上的增加。
定向灯必须消散相对较大量的热，因为用于灯照明的几乎百分之七十(70%)的电能转换成热。将认识到的是，由凹入安装施加的空间限制可约束或限制可用于热消散的通路。因此，必须提供适合的热沉。
将有利的是提供一种光学系统，其投射宽的柔和(即，光学上舒适)的发射光，且提供用于热消散的有效通路，同时光学上成本效益合算。
因此，将期望的是提供一种光引擎，其解决上文所述的问题中的至少一些。
发明内容
如本文所述，示例性实施例克服了本领域中已知的以上或其它缺点中的一个或多个。
本公开内容的一个方面涉及一种定向灯组件。在一个实施例中，定向灯组件包括：光源；反射镜，其具有第一部分和第二部分且操作成将从光源发射的光引导至目标区域；热沉，其围绕反射镜且操作成消散由光源产生的热；以及，光扩散透镜，其布置在光源上且操作成将光透射到目标区域，其中反射镜的第二部分径向地布置在第一部分的外侧且与热沉整体组合形成。
本公开内容的另一方面涉及一种用于定向灯组件的反射镜，该定向灯组件具有用于产生光源的光引擎、操作成消散由光源产生的热的热沉，以及操作成将光透射到目标区域的透镜盖。在一个实施例中，反射镜包括：第一反射镜部分，其具有用于容纳光引擎的孔口且具有限定圆锥角θ的第一圆锥表面；第二反射镜部分，其布置成与第一反射镜部分组合且径向地布置在第一反射镜部分的外侧，并且具有限定圆锥角β的第二圆锥表面，第二圆锥表面与热沉整体组合形成。
示例性实施例的这些和其它方面和优点将从连同附图考虑的以下详细描述中变得清楚。然而，将理解的是，附图仅出于图示目的设计，且并未作为限制本发明的限定，为此应当参照所附权利要求。本发明的另外的方面和优点将在以下描述中阐明，且从描述中部分地清楚，或可通过实施本发明理解到。此外，本发明的方面和优点可借助于所附权利要求中特别指出的工具和组合来实现和获得。
附图说明
在附图中：
图1示出了结合本公开内容的方面的用于定向灯组件的光学系统的一个实施例的断面侧部透视图。
图2为图1中所示的定向灯组件的断面顶视图。
图3为大致沿图2的线3-3截取的定向灯组件的放大截面视图。
图4为随着结合本公开内容的方面的圆锥形反射镜组件的一个实施例的圆锥角和高度比变化的光效率和光分布轮廓的点图。
在适用的情况下，相似的参考标号表示贯穿这几个视图的相同或对应的构件和单元，其并未按比例，除非另外规定。
公开实施例的详细描述
参看图1，结合本公开内容的方面的定向灯组件的一个实施例大体上通过参考标号10指出。公开实施例的方面大体上针对一种定向灯组件10，其包括光源102、反射镜120、围绕光源102的热沉130，以及布置在光源102上的光扩散透镜140。在一个实施例中，反射镜120构造成将由光源102产生的光引导至目标区域(未示出)。光扩散透镜140构造成产生越过目标区域的光的大致均匀分布。
在一个实施例中，反射镜120包括第一部分122和第二部分124。如图1的实施例中所示，反射镜120的第二部分124相对于纵向对称轴线10A径向地布置在第一部分122外侧，且与热沉130的上部整体地形成。在一个实施例中，反射镜120的第一部分122包括用于容纳光引擎100的孔口126。热沉130支承反射镜120的第一部分122，且整体地形成其第二部分124以增加由光源102产生的热的消散。光扩散透镜140与由光源102产生的光相互作用以将光透射到目标区域，且光从反射镜120的第一部分122和第二部分124反射。
光引擎100包括单个光源102，诸如发光二极管(LED)。在一个实施例中，光引擎102包括板上芯片(COB)发光二极管。尽管公开的实施例的方面大体上在本文中以包括单个板上芯片发光二极管的光引擎100的背景描述，但多种光源中的任一种可在结合本公开内容的方面的定向灯组件10中使用。例如，定向灯组件10可包括LED阵列，或其它固态发光源，诸如有机发光二极管(OLED)和聚合物发光二极管(PLED)。因此，将认识到的是，本文的公开内容仅为定向灯组件10的一个实施例的示例，且应当鉴于所附的权利要求组来广义理解。
在图1中所示的实施例中，光引擎100布置在热沉130内且由控制电子装置104供能。图1中所示的控制电子装置104封装在定向灯组件10的下端盖106内。
如上文所述，反射镜120的第一部分122包括用于容纳光引擎100(且更具体而言光源102)的孔口126。在一个实施例中，第一部分122还构造成将光引擎100固定到热沉130，从而产生第一热消散通路，即，用于消散由光源102产生的热的通路。此外，第一部分122布置在热沉130的腔132内，且由图1和图2中所示的沿第一部分122的下侧布置的若干轴向柱134固定到其上。
参看图1和图2，在所述的实施例中，第一反射镜部分122限定大体上具有截头形状的第一圆锥表面128，其从光源102发散。更具体而言，第一圆锥表面128构造成使得截头体的较小截面的端部限定用于容纳光产生元件102的孔口126。截头体的较大截面的端部或底座与腔132的边缘136邻接。
反射镜120的第二部分124径向地布置在第一部分122的外侧且限定第二圆锥表面138。如图1和图2中所示，第二圆锥表面138相对于中心纵向对称轴线10A径向地在第一圆锥表面128的外侧。第二圆锥表面138大体上具有截头形状，其从光源102发散。
参看图3，第一圆锥表面128限定在大约二十八度(28°)到大约三十八度(38°)之间的范围内的圆锥角θ。第二圆锥表面138限定在大约八十度(80°)到大约九十度(90°)之间的范围内的圆锥角β。在一个实施例中，第二圆锥表面138以角β发散，角β为第一圆锥表面128的角倾斜的大约两倍以上。结果，没有从光源102到第二圆锥表面138的直接"视线"，且由第二圆锥表面138再引导的光必须首先与光扩散透镜140相互作用或从其转向。即，当一部分光最初透射穿过光扩散透镜140时，另一部分光例如朝第二圆锥表面138反射回到定向灯组件10中。结果，光从第二圆锥表面138再引导朝向和穿过光扩散透镜140，使得产生较柔和的更均匀的光分布。
为了理解该效果，人们可从光源102看到光的第一部分，其由第一圆锥表面128引导或反射且透射到目标区域的第一部分。此外，与光扩散透镜140相互作用的来自光源102的光的另一部分再引导回第二圆锥表面138或向下朝第二圆锥表面138再引导。光然后被第二圆锥表面138反射且再次朝扩散透镜140透射。在光的第二或随后的重复反射中，光透射穿过透镜140，但朝向目标区域的第二较大部分。结果，第一圆锥表面128和第二圆锥表面138的成角度构造(也称为阶梯构造)实现了较柔和的更均匀的光分布。
参看图3，第二反射镜部分124与热沉130整体组合形成。第二反射镜部分124与热沉130的整合提供了用于热消散的第二通路，热消散的第一通路由第一反射镜部分122形成。取决于第二反射镜部分124的表面面积，该第二通路可为用于热消散的主导或主要通路。除形成用于热消散的通路之外，第二反射镜部分124与热沉130的整合减少了与定向灯组件10相关联的构件部分的总体数目，以及与其相关联的成本。
在所述实施例中，第一反射镜部分122由聚碳酸酯材料制成。适合的聚碳酸酯材料在Panlite®的商标下销售，其由总部在美国佐治亚州诺克罗斯市的Teijin Chemicals LTD.制造。第二反射镜部分124通过将反射性粉末涂层(PTW)沉积在热沉130的第二圆锥表面138(即，热沉130的外周缘132与腔134的周缘136之间的表面)上制造。适合的粉末涂层可在商品名PTW90135下从总部在美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的Valspar Corporation获得。在所述实施例中，粉末涂层PTW是静电施加的，且随后在热下(即，在烘箱或高压釜中)固化。此外，粉末可为热塑性或热固性的聚合物材料。由于涂层直接地连结或熔合到热沉140的表面，故存在与传导传热相关的较少"接触损失"。结果，该构造提供对于传热和消散很高效率的解决方案。
光扩散透镜140大体上包括具有悬垂于其中的反射性颗粒的聚碳酸酯树脂基质。更具体而言，光扩散透镜140的树脂基质载有颗粒，其具有小于或等于大约百分之十(10%)的密度(即，颗粒材料的浓度作为透镜总质量的百分比)。此外，悬垂颗粒通常具有小于或等于大约二十(20)微米直径的尺寸。
图4为描述两个不同类型的反射镜的光效率和光分布曲线或轮廓的图表。曲线202、206绘制为沿Y轴线随"圆锥角"(即，如图3中所见的角θ)而变，且沿X轴线随第一反射镜部分122的高度(HREF1)与第一反射镜部分122和第二反射镜部分124的总高度(HTOTAL)之比(即，"高度比")而变。高度值从相应圆锥截头体的底座平面到相同圆锥截头体的上区段平面测得。当在相同图表上绘出时，曲线202、206产生重叠区域210。重叠区域210大体上限定结合本公开内容的方面的反射镜120的优化特征。在该重叠区域210中，反射镜120的光效率将大于大约89%，同时确保了至少80%的透射光落入目标区域或相关区域，这也可描述为π球面度的立体角。
第一曲线202用于获得大于大约89%的光效率的圆锥形反射镜。如图4中所示，由第一曲线202表示的反射镜的光效率趋于随高度比HREF1/HTOTAL减小而增大，其中第一曲线202上方的任何点都代表光效率大于89%的设计空间。例如，查看25度的圆锥角，当某人沿该线从右移到左时(即，减小高度比)，则可看到其从低于89%的轮廓(即，＜89%光效率)到高于89%的轮廓(即，＞89%光效率)。
第二曲线206用于圆锥形反射镜，其构造成将大约80%的透射光引导到π球面度的立体角中，即，到期望目标区域中。由第二曲线206代表的反射镜的目标区域内的光的百分比随高度比HREF1/HTOTAL增大而减小，使得达到可接受的值，其中HREF1/HTOTAL之比取决于圆锥角等于大约50%。因此，曲线206右侧的点表示公开实施例的反射镜120的圆锥角和高度比的优化参数。结果，识别到代表圆锥角θ和高度比HREF1/HTOTAL的组合的重叠区域210，其实现了结合本公开内容的方面的反射镜120的最佳光效率和光分布。重叠区域210识别出，在大约二十八度(28°)到大约三十八度(38°)之间的范围内的圆锥角θ满足光效率和光分布的要求。
总之，本公开内容的方面提供了一种定向灯组件的形式的光学系统，其投射或发射宽的柔和(即，光学上舒适)的光能束。这通过使用反射镜120来实现，反射镜120具有与光扩散透镜或盖140组合的至少两个反射镜区段122、124，其也称为阶梯反射镜。本公开内容的光学系统通过使反射镜的第二部分与热沉整合提供了用于热消散的有效通路以改善光学系统的热性质。
因此，尽管已示出、描述和指出了如应用于其示例性实施例的本发明的基本新颖特征，但将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可由本领域的技术人员在所示的装置和方法的形式和细节中及其操作中作出各种省略、置换和改变。此外，明确期望使大致以相同方式执行大致相同的功能以实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都在本发明的范围内。此外，应当认识到的是，连同本发明的任何公开形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤都可以作为设计选择的通用内容结合在任何其它公开或描述或提出的形式或实施例中。因此，期望仅由所附权利要求的范围指出的那样限制。

Claims (19)

1. 一种定向灯组件，包括：
光源；
反射镜，其具有第一部分和第二部分且操作成将从所述光源发射的光引导至目标区域；
热沉，其围绕所述反射镜且操作成消散由所述光源产生的热；以及
光扩散透镜，其布置在所述光源上且操作成将光透射到所述目标区域；
其中所述反射镜的所述第二部分径向地布置在所述第一部分的外侧且与所述热沉整体组合形成。
2. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第一部分包括反射性聚碳酸酯材料。
3. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第二部分包括布置在所述热沉的一部分上的反射性粉末涂层。
4. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第一部分将所述光源的一部分固定到所述热沉以限定用于热消散的第一通路。
5. 根据权利要求4所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第二部分与所述热沉组合以限定用于热消散的第二通路。
6. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述光扩散透镜与从所述光源产生的光相互作用，使得所述光的一部分透射穿过所述透镜以照亮目标区域的第一部分，且所述光的另一部分从所述反射镜的所述第二部分再引导并且透射穿过所述透镜以照亮所述目标区域的第二部分。
7. 根据权利要求6所述的定向灯组件，其特征在于，所述目标区域的所述第二部分的面积大于所述目标区域的所述第一部分的面积。
8. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述热沉包围所述光源，且包括用于附接所述光扩散透镜的第一周缘，以及用于容纳所述反射镜的所述第一部分的第二周缘。
9. 根据权利要求8所述的定向灯组件，其特征在于，布置在所述第一周缘与所述第二周缘之间的表面由所述反射性粉末涂层涂布以限定所述反射镜的所述第二部分。
10. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第一部分包括限定圆锥角θ的第一圆锥表面，其中所述反射镜的所述第二部分包括限定圆锥角β的第二圆锥表面，所述圆锥角β大于所述圆锥角θ。
11. 根据权利要求10所述的定向灯组件，其特征在于，所述圆锥角β为所述圆锥角θ的大小的至少两倍。
12. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第一部分包括限定圆锥角θ的第一圆锥表面，所述圆锥角θ在大约二十八度(28°)到大约三十八度(38°)之间的范围内。
13. 根据权利要求12所述的定向灯组件，其特征在于，所述反射镜的所述第二部分包括限定圆锥角β的第二圆锥表面，所述圆锥角β在大约八十度(80°)到大约九十度(90°)之间的范围内。
14. 根据权利要求1所述的定向灯组件，其特征在于，所述光源为发光二极管。
15. 一种用于定向灯组件的反射镜，所述定向灯组件具有用于产生光源的光引擎、操作成消散由所述光源产生的热的热沉，以及操作成将光透射到目标区域的透镜盖，所述反射镜包括：
第一反射镜部分，其具有用于容纳所述光引擎的孔口且具有限定圆锥角θ的第一圆锥表面；
第二反射镜部分，其布置成与所述第一反射镜部分组合，且径向地布置在所述第一反射镜部分的外侧，并且具有限定圆锥角β的第二圆锥表面，所述第二圆锥表面与所述热沉整体组合形成。
16. 根据权利要求15所述的反射镜，其特征在于，所述圆锥角θ在大约二十八度(28°)到大约三十八度(38°)之间的范围内。
17. 根据权利要求15所述的反射镜，其特征在于，所述圆锥角β为所述圆锥角θ的大小的至少两倍。
18. 根据权利要求15所述的反射镜，其特征在于，所述第一反射镜部分由反射性聚碳酸酯材料制成。
19. 根据权利要求15所述的反射镜，其特征在于，所述圆锥角β大于所述圆锥角θ。
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