CN107013826A - 用于led装置的可定向透镜 - Google Patents

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Abstract

一种用于装配多个LED的装配表面具有多个可定向透镜，每个可定向透镜围绕单个LED单独地固定。每个可定向透镜具有将从单个LED发射的光引导到可定向透镜的反射表面的折射透镜和主反射器，所述反射表面反射光离开主LED光输出轴。

Description

用于LED装置的可定向透镜
本案为分案申请，母案是申请号为200980122021.8的进入国家阶段的PCT申请，其发明名称为“用于LED装置的可定向透镜”，申请日为2009年6月12日。
美国专利商标局 美国弗吉尼亚州亚历山大
发明专利申请
发明人：Jean-François Laporte，加拿大公民，住址：加拿大魁北克J7G 2A7，Boisbriand，640 Curé-Boivin
相关申请的交叉引用
根据35 USC § 119(e)，本申请要求当前待审的、以Jean-François Laporte为唯一发明人的、于2008年6月13日提交的名称为“Orientable Lens for a LED Fixture（用于LED装置的可定向透镜）”的第61/061392号的美国临时申请的优先权和权益。
代理人案号ZL442/08018。
技术领域
本发明总体上涉及可定向透镜，并且更具体地涉及用于发光二极管装置（fixture）的可定向透镜。
背景技术
已结合反射由LED发射的光的各种透镜来使用发光二极管或LED。而且，已提供在将多个LED用作光源的灯具（light fixture）中使用的各种透镜。
附图说明
图1是具有本发明的可定向透镜的LED装置的顶部透视图，其中平板被填充有多个LED并且被以三个可定向透镜示出，它们中的两个围绕各自的LED被固定到平板上并且它们中的一个被示出为从其相应的LED分开；
图2是图1的可定向透镜之一的顶部透视图；
图3是图2的可定向透镜的底部透视图；
图4A是沿着线5－5取得的图2的可定向透镜的顶部透视图，以及附接于装配表面的LED的剖面图，其中可定向透镜围绕LED被固定到装配表面；
图4B是沿着线5－5取得的图2的可定向透镜的顶部透视图；
图5A是沿着线5－5取得并且关于具有从LED发出并与折射透镜接触的示例性光线的光线轨迹的LED示出的图2的可定向透镜的剖面图；
图5B是沿着线5－5取得并且关于具有从LED发出并通过侧壁并且或者与反射部分（portion）接触或者被引导朝向光学透镜的示例性光线的光线轨迹的LED示出的图2的可定向透镜的剖面图；
图6A是沿着线6－6取得并且以从源发出并与主反射器的各部分接触的示例性光线的光线轨迹示出的图2的可定向透镜的剖面图；
图6B是沿着线6－6取得的图2的可定向透镜的正视顶部透视图；
图7示出在垂直平面中以坎德拉定标的具有朗伯光分布而没有使用本发明的可定向透镜的单个LED的极角分布（polar distribution）；
图8示出在垂直平面中以坎德拉定标的使用本发明的可定向透镜的实施例的图7的相同LED的极角分布；
图9示出在水平平面中以坎德拉定标的没有使用本发明的可定向透镜的图7的相同LED的极角分布；以及
图10示出在水平平面中以坎德拉定标的使用了图8的相同可定向透镜的图7的相同LED的极角分布。
具体实施方式
要理解，本发明不会在其应用中被局限于在下面的描述中阐述或者在图中说明的组件的构造和布置的细节。本发明能够应用于其他实施例并且能够以各种方式实行或实施。而且，要理解，在本文中使用的措词和术语为了说明的目的并且不应该被视为限制。“包括”、“包含”或“具有”或其变型的使用在本文中意味着包括在此后列出的项目和其等同物以及附加项目。除非以其他方式限制，术语“连接”、“耦合”、“通信”和“装配”及其变型在本文中被宽泛地使用，并且包括直接和间接连接、耦合和装配。此外，术语“连接”和“耦合”及其变型不限于物理或机械连接或耦合。此外，以及如在后续段落中描述的那样，在图中图示的具体机械配置旨在示范本发明的实施例并且其他可替换机械配置是可能的。
现在详细参考图1－图10，其中遍布若干视图同样的标号指示同样的元件，示出了用于LED装置的可定向透镜的各个方面。可定向透镜可以结合单个LED使用，并且可以安装有各种LED并且和各种LED一起使用。可定向透镜优选地被用作用于具有朗伯光分布的LED的透镜，尽管它也可以被配置成用于并且用作用于具有其他光分布的LED的透镜。图1示出LED平板1，在其上装配有具有朗伯光分布的五十四个LED 4。在LED平板1的一些实施例中，LED平板1是具有有益的热分布属性的金属板，例如但不限于铝。在其他实施例中，LED平板1是阻燃4（FR－4）印刷电路板或其他普通印刷电路板。LED平板1和多个LED 4仅是在其中可以使用用于LED的多个可定向透镜的大量LED配置、许多LED和大量板的示例。诸如但不限于热、期望的流明输出、以及期望的光分布模式（pattern）的设计考虑可以产生对不同LED数量、不同LED配置和/或不同材料的选择。
还在图1中示出可定向透镜10的一个实施例的三个，三个可定向透镜10中的两个被示出为放在各自的LED 4上并且与平板1配合，并且它们中的一个被示出为从其相应的LED 4分开。可定向意味着每个透镜可被单独调整成围绕给定LED的给定取向。如将变得清楚那样，当多个可定向透镜10结合多个LED使用时，每个可定向透镜10可以被单独地定向，而不会顾及其他可定向透镜10的取向，例如图1的每一个都以唯一方向定向的三个可定向透镜10。此外，当存在多个LED时，在一些优选实施例中少至一个LED或者多达所有LED可以被提供有单独的可定向透镜10。一些或所有透镜可以在创建具有可定向透镜的LED装置时被单独且永久地调整成给定的取向，或者一些或所有透镜可以被附接以允许在现场调整。因此，当与多个LED（例如但不限于平板1上的多个LED 4）一起使用多个可定向透镜10时，可以实现复杂的光度测定分布模式以及分布模式的灵活性。
现在转向图2和图3，更详细地示出了可定向透镜10的实施例。可定向透镜10具有在该实施例中被示出为具有基本上平坦并且基本上圆形的内部配合表面14和外部配合表面16的基底12，内部和外部配合表面14和16每一个都具有基本上圆形的内部和外部边界。图2的基底12还示出有在内部和外部配合表面14和16的大部分之间提供的凹进部分（portion）15。除了别的以外，提供基底12，以便将可定向透镜10附接到其上装配LED的表面，例如附接到图1的平板1）。基底12附接到在其上装配LED的表面而不是附接到LED自身降低了从LED到可定向透镜10的热传输。在一些实施例中，内部和外部配合表面14和16二者与用于附接可定向透镜10的表面配合。在一些实施例中，仅内部配合表面14与用于附接可定向透镜10的表面配合，并且外部配合表面16与用于关于LED对准可定向透镜10的表面相互作用。在一些实施例中，内部和/或外部配合表面14和16或者所提供的其它表面可以被粘附到用于附接可定向透镜10的装配表面。在一些实施例中，内部和/或外部配合表面14和16或者所提供的其它表面可以与用于附接可定向透镜10的装配表面扣合。在一些实施例中，内部和/或外部配合表面14和16或者所提供的其它表面可以对着用于附接可定向透镜10的装配表面压缩。如本领域普通技术人员普遍已知的那样，并且可以基于本文的教导，可以提供基底12到装配表面的其它附接方法。
基底12还具有为了审美目的或者为了支撑或附接可定向透镜10的其它组成部件的部分。例如，在一些优选实施例中，至少主反射器24（如图6A中所示）和反射棱镜30被附接到基底12并且由基底12支撑。可定向透镜10的一些实施例可以被提供有具有支撑物18或19的基底12，所述支撑物18或19可以帮助提供对反射棱镜30的支撑，并且还可以被提供来完全密封可定向透镜10。为了安装方便或者出于其他原因，可定向透镜10的基底12的一些实施例还可以被提供有边缘部分17，并且如果期望还可以提供有类似的附属物。在一些实施例中，当可定向透镜围绕LED安装在装配表面上时，薄片（sheet）或其它物体可以接触边缘部分17、或者基底12的其它部分（例如围绕边缘部分17提供的凸缘部分），并且沿装配表面的方向在可定向透镜10上提供压缩力，从而使得内部和/或外部配合表面14和16与用于附接可定向透镜10的装配表面配合。
在其它实施例中，基底12可以采用不同形状和形式，只要它使得可定向透镜10能够适合于与给定LED一起使用并且可以围绕LED光输出轴以任何取向安装，LED光输出轴是从任何给定LED的发光部分的中心发出的并且远离LED装配表面定向的轴。例如，在一些实施例中，可以提供没有凹进部分15且仅具有一个与其中示出的内部和外部配合表面14和16相对的不同配合表面的基底12。而且，例如，基底12可以被提供有具有不同于圆形的形状的内部和/或外部外围。而且，例如，基底12可以被提供有用于附接到和/或支撑可定向透镜10的组成部件的其它配置，例如主反射器24和反射棱镜30。关于基底12的其它变化对本领域技术人员来说是清楚明白的。
图2中还示出了折射透镜22、主反射器24、表面26、反射部分28和反射棱镜30的部分。当可定向透镜10围绕LED放置并且基底12被固定到表面（例如图4A、图5A、图5B和图6A的LED 9和表面5）时，折射透镜22和主反射器24接近LED 9。特别地，主反射器24被定位以使得它部分地围绕LED 9的发光部分，并且折射透镜22被定位以使得它与LED 9的LED光输出轴交叉并且部分地被主反射器24围绕。在一些实施例中，主反射器24是抛物面反射器。折射透镜22和主反射器24被定位成使得从LED 9发射的大部分光将聚集地入射到这二者中的一个上。在一些实施例中，主反射器24可以被提供以使得它完全围绕LED 9的发光部分。在一些实施例中，诸如在图中示出的那些实施例中，主反射器24仅部分地围绕LED 9的发光部分，并且反射部分28被提供在邻近主反射器24定位的LED 9的发光部分的一侧上，并且表面26被提供在LED 9的发光部分的基本相对的侧上并且还邻近主反射器24定位。
在一些附加实施例中，折射透镜22被定位在侧壁23的基底处并且侧壁23基本围绕LED 9的发光部分。从LED 9发出并入射到折射透镜22上的大部分光线将被折射以使得它们被引导朝向反射棱镜30的反射表面32。在一些实施例中，折射透镜22被配置成使得它折射光线，所以它们基本上被准直成朝向反射表面32，例如图5A中示出的示例性光线。
在其它实施例中，从LED 9发出的其它光线将入射到接近主反射器24的侧壁23上，以改变的角度从其中通过并且将入射到主反射器24上。入射到主反射器24上的大部分光线被反射并被引导朝向反射棱镜30的反射表面32，例如图6A中所示的示例性光线，其被引导朝向反射表面32的部分（其未在图6A中示出，但参考其他附图是明显的）。在可定向透镜10的一些实施例中，主反射器24具有某成分和取向，使得入射到其上的大部分光线被内部反射并且被引导朝向反射表面32。在其它实施例中，主反射器24由反射材料构成。
在附加实施例中，从LED 9发出的其它光线将入射到接近反射部分28的侧壁23上，以改变的角度从其中通过并且将入射到反射部分28上。入射到反射部分28上的大部分光线被反射并被引导朝向反射棱镜30的反射表面32，例如图5B中示出的入射到反射部分28并且被引导朝向反射表面32的示例性光线。在一些实施例中，反射部分28被定位并配置成引导来自主反射器24和折射透镜22引导的那些光线的唯一方向的光线，使得它们还以唯一方向离开可定向透镜10。在可定向透镜10的实施例中，反射部分28具有某成分和取向以使得入射到其上的大部分光线被内部反射并且被引导朝向反射表面32。在其它实施例中，反射部分28由反射材料构成。
在一些实施例中，从LED 9发出的其它光线将入射到接近表面26的侧壁23上，以改变的角度从其中通过并且将被引导朝向反射棱镜30的光学透镜34，例如图5B中示出的示例性光线。这些光线的大部分将通过光学透镜34并且许多光线还将通过支撑物18，如图5B中所示。而且，如图5B中所示，一些光线还可以入射到表面26上并被反射且被引导朝向透镜34以及可能地被引导朝向支撑物18。本领域技术人员将会认识到可定向透镜10的变化的配置可以要求折射透镜22、侧壁23、主反射器24、表面26和反射部分28的任一个或全部的变化的配置，以便实现期望的光分布特性。
在一些实施例中，提供侧壁23，以便提供折射透镜22，并且许多光线在入射到主反射器24以及（可能地）反射部分28和表面26之前通过侧壁23。在一些实施例中，侧壁23改变通过其中的光线的行进路径。在一些实施例中，侧壁23的高度被缩短成接近其与反射部分28的连接。在其它实施例中，使用附接到主反射器24的内表面的薄支撑物或者其它方式定位折射透镜22，并且不提供侧壁23。而且，在一些实施例中，例如图中所示，提供侧壁23，并且由合适介质的整体成型固体单元形成可定向透镜10。在其中可定向透镜10形成整体成型固体单元的这些实施例中，一旦从LED发射的光线进入可定向透镜10，它们就行进通过合适介质直到它们离开可定向透镜10为止。在一些实施例中，所述介质是光学级丙烯酸并且在可定向透镜10内发生的所有反射是内反射的结果。
反射棱镜30的反射表面32可以具有某成分和取向，以使得已被折射透镜22准直或者被主反射器24或反射部分28反射并被引导朝向反射表面32的光线被反射离开反射表面32并被引导朝向光学透镜34，例如图5A和5B中示出的那些光线。优选地，光线在内部被反射离开反射表面32，尽管反射表面32也可以由反射材料形成。在一些实施例中，入射到光学透镜34上的大部分光线可能地以改变的角度通过光学透镜34。优选地，通过光学透镜34的光线的方向仅被稍微改变。在其中可定向透镜10的组成部件形成整体成型固体单元的实施例中，反射表面32内部反射入射到其上的任何光线，并且从LED发出并进入可定向透镜10的光线行进通过可定向透镜10的介质，直到它们通过光学透镜34或以其它方式离开可定向透镜10为止。
反射棱镜30的反射表面32不需要是平坦表面。在一些实施例中，诸如图中示出的那些，反射表面32实际上包括处于稍微不同角度的两个面，以便允许从反射表面32反射的光的更精确控制，以及允许由可定向透镜10发射的光线的较窄范围。在其它实施例中，可以提供弯曲的、凹的、凸的反射表面，或者可以提供具有多于两个面的反射表面。类似地，光学透镜34可以采用变化的实施例，以允许从反射表面32反射的光的更精确控制以及/或者允许将由可定向透镜10发射的光线的较窄范围。
通过使用可定向透镜10，从给定LED发射的光能够以相对于LED光输出轴的角度被重定向离开该LED光输出轴。因为可定向透镜10可以围绕LED光输出轴以任何取向安装，所以该光可以同样围绕LED光输出轴以任何取向分布。依赖于给定可定向透镜10及其组成部件的配置，从LED发射的光被重定向离开LED光输出轴的角度可以变化。此外，被重定向的光束的传播同样可以变化。当在安装于表面上的多个LED（例如平板1和多个LED 4）上使用多个可定向透镜10时，可以围绕LED轴以任何给定取向安装每个可定向透镜10，而不会使装配表面复杂。此外，可以利用装配在表面上的多个LED（例如平板1和多个LED 4）来实现复杂的光度测定分布模式和光分布的灵活性。
图7示出在垂直平面中以坎德拉定标的具有朗伯光分布而没有可定向透镜的单个LED的极角分布。图9示出在水平平面中以坎德拉定标的图7的相同LED的极角分布。图8示出在垂直平面中以坎德拉定标的使用了图中所示可定向透镜实施例的图7的相同LED的极角分布。图10示出在水平平面中以坎德拉定标的使用了图8的相同可定向透镜的图7的相同LED的极角分布。
如可从图8和图10所见，可定向透镜10引导具有朗伯光分布的LED输出的大部分光离开LED光输出轴。在图8中示出的垂直平面中，大部分光被引导在从大约50°到75°的范围内离开光输出轴。在图10中示出的水平平面中，大部分光被引导在40°范围内远离光输出轴。由具有朗伯光分布的使用图8和图10的可定向透镜实施例的LED输出的光的大约90％被分布离开光输出轴。为了说明可定向透镜的实施例，提供图7至图10。当然，可以提供产生在不同的范围中引导光离开并远离光输出轴的不同极角分布的可定向透镜的其它实施例。因此，在其它实施例的垂直平面中，光可以主要地被引导在较宽或较窄的范围中并以各种角度远离光输出轴。在其它实施例的水平平面中，光可以同样地在较宽或较窄的范围中被引导。
为了说明目的给出前面的描述。其不意图是穷尽的或者将本发明限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导许多修改和变化显然是可能的。要理解，尽管已经说明并描述了用于LED装置的可定向透镜的某些形式，但可定向透镜不限于此，除非在这样的限制包括在下面的权利要求以及其可允许的功能等同物中的情况下。

Claims (15)

1.一种用于LED装置的光学系统，包括：
具有多个附接的LED（4）的装配表面（1）；
多个透镜（10），每个透镜（10）具有基底（12）；
每个所述透镜的所述基底围绕所述多个LED的单个LED以相对于所述单个LED的取向固定到所述装配表面；
每个所述透镜的所述基底被附接到主反射器（24），所述主反射器至少部分地围绕折射透镜（22）；
每个所述透镜的所述主反射器和所述折射透镜将从所述单个LED发射的大部分光引导到有角度的反射表面（32），该有角度的反射表面（32）由所述基底支撑并形成反射大部分所述光离开所述单个LED的LED光输出轴的角度；
其特征在于，所述透镜是可定向的，并且至少一个LED或多达所有LED被提供有单独地可调节的可定向透镜。
2.根据权利要求1所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所述有角度的反射表面（32）包含在反射棱镜（30）中；
并且其特征在于，所述反射棱镜具有用于引导所述光离开主LED光输出轴的光学透镜（34）。
3.根据权利要求1或2所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，每个所述可定向透镜的所述主反射器和所述折射透镜由从所述折射透镜的外围朝向所述主反射器的顶部延伸的侧壁（23）附接。
4.根据权利要求1或2所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，每个所述可定向透镜的所述反射表面形成在垂直平面中反射大部分所述光在50°到75°的范围内离开所述LED光输出轴的角度。
5.根据权利要求4所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所述主反射器、所述折射透镜以及所述反射表面被配置成在水平平面中反射大部分所述光在40°的范围内离开所述LED光输出轴。
6.根据权利要求1或2所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，每个所述可定向透镜的所述反射表面反射所述光离开所述主LED光输出轴到每个所述可定向透镜的光学透镜，所述光学透镜被附接到所述反射器并且朝向所述基底延伸。
7.根据权利要求1或2所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所述可定向透镜是整体成型单元。
8.根据权利要求6所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所述光学透镜改变通过其的光的方向。
9.根据权利要求3所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，提供有附接到邻近所述主反射器并且通常面向所述折射透镜的每个所述可定向透镜的所述侧壁的反射部分（28），并且其特征在于，每个所述可定向透镜的所述反射部分引导从每个所述单个LED发射并通过所述侧壁的一部分光到所述反射表面。
10.根据权利要求3所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，提供有附接到邻近所述主反射器并且通常面向所述折射透镜的每个所述可定向透镜的所述侧壁的反射部分（28）。
11.根据权利要求10所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，每个所述可定向透镜的所述反射部分引导从每个所述单个LED发射并通过所述侧壁的一部分光到每个所述可定向透镜的所述反射棱镜的所述反射表面。
12.根据权利要求11所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，提供有基本上在所述反射部分对面、邻近所述主反射器并且通常面向所述折射透镜的表面（26）。
13.根据权利要求1所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所有透镜被单独且永久地调整成给定的取向。
14.根据权利要求1所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，一些透镜被单独且永久地调整成给定的取向。
15.根据权利要求1所述的用于LED装置的光学系统，其特征在于，所有透镜被附接以允许在现场调整。
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