CN109416154A - 来自照明设备的不对称光强分布 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，形成一种高架路灯（照明设备），其具有不对称光强分布，其中峰值强度沿着街道的方向是最大的，直跨街道是较低的，并且在街道的住宅侧上是低得多的。圆形透明光导的边缘周围是将光注入到光导中的白光LED。为了帮助控制光强分布的不对称性，在与光发射表面相反且平行于街道的光导表面中形成锯齿形沟槽。高斯漫射器用于使光部分地漫射。通过适当选择沟槽、高斯漫射器和由光导周围的LED区段发射的光的相对量，在光出射表面的直视图呈现为均一光的同时实现所希望的不对称光强分布。

Description

来自照明设备的不对称光强分布

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月22日提交的美国临时专利申请号62/298,355、2016年4月27日提交的美国临时专利申请号62/328,402、以及2016年6月7日提交的欧洲专利申请号16173295.3的优先权。美国临时专利申请号62/298,355、美国临时专利申请号62/328,402、以及欧洲专利申请号16173295.3并入本文。

技术领域

本发明涉及使用发光二极管（LED）灯的一般照明，并且特别地，涉及产生适用于照射街道、小路、墙壁或其他区域的不对称光强分布的照明设备。

背景技术

常规路灯正被更有效且更可靠的LED照明设备所替代。所希望光强分布提供沿着街道的最高峰值光强，而在与街道相反方向上的非常小的光强。照明设备背离街道的一侧在本文中称为“住宅侧”，并且照明设备面向街道的一侧在本文中称为“街道侧”。住宅侧方向上的光强应仅足以照射沿着街道的人行道或路缘。

使用LED的现代路灯通过在高功率LED之上使用不对称透镜来控制光强分布。可替代地，常规二次光学器件用于将光向下和旁边定向，同时阻断在住宅侧方向上发射光。这类路灯在观察者直视照明设备时具有高眩光。例如，一种类型的路灯使用平行的两列八个高功率白光LED，其中每个LED之上具有分离的透镜。当直视时，可看到16个非常明亮的点源。这称为像素化照明并且是审美上所不希望的。

需要一种使用LED的有效照明设备，所述照明设备具有可控不对称光强分布（诸如被优化用于高架街道照明），其中当直视时，所述照明设备具有非像素化图案。

发明内容

在一个实施例中，形成一种高架路灯（照明设备），其具有不对称光强分布，其中峰值强度沿着街道的方向是最高的，直跨街道是较低的，并且在街道的住宅侧上是低得多的。强度分布可以是垂直于街道的镜像。

所述照明设备包括圆形透明光导，诸如直径约15英寸（38 cm）且厚度约0.5 cm。圆形金属框架支撑光导。光导的边缘周围是在柔性条带上的白光LED，所述白光LED将光注入到光导的抛光边缘中以维持方向性。

条带上的LED被划分到多个区段、诸如十二个区段中（这取决于照明设备的大小）。这些区段可被设计或控制来发射不同量的光，以有助于形成所希望的不对称光强分布。每个区段所发射的光的量可通过改变每个区段中的LED的数量或改变通向每个区段的电流来控制。在另一个实施例中，来自每个区段的光发射是相同的。每个区段可含有串联连接的LED，并且这些区段可并联连接。

在另一个实施例中，LED以可变间距或密度放置，并且潜在地，取决于所需集中度而具有一排或多排LED，以实现所希望的方位角光强分布（即，在水平角度平面中）。

注入到光导中的光内部地反射、直到光被提取，这样光在光导内稍微混合，同时仍具有一些方向性。

为了还要控制光强分布的不对称性，在与光发射表面相反的光导表面中形成平行的锯齿形沟槽。这些沟槽与街道平行。

在一个实施例中，所有这些沟槽完全相同，并且它们的角度和间隔可被设计来微调发射表面上的光分布和发光度均一性。这些沟槽的成角度表面总体上面向住宅侧LED，并且这些沟槽的垂直表面总体上面向街道侧LED，这样，来自住宅侧LED和街道侧LED两者的光线在从沟槽表面反射离开之后总体上朝向街道定向。这些沟槽之间的间隔可沿着光导变化，以便使光跨光导的光出射表面更均一地扩展。

在另一个实施例中，这些锯齿形沟槽的角度和深度朝向街道侧逐渐增大，以便减少往回朝向住宅侧反射的光的量并且进一步提高发射表面上的发光度均一性。

光导的光发射侧上可以是印刷半透明点，诸如基于环氧树脂的点，这些点可帮助提高光提取效率并使街道侧射束变宽。这些点在直径上可以是约1 mm并且具有高斯光发射（与朗伯不同）。高斯点使入射光线沿着入射光线的方向稍微漫射，诸如提供12度的半最大值半宽度扩展。这些点可在光导的表面上均一排列并且占据光发射表面的面积的大约一半。可替代地，这些点可具有可变大小分布或可变密度分布，以提高整个发射表面上的发光度均一性。

替代点，也可以使用高斯连续漫射层或表面纹理（诸如大约为“磨砂玻璃”的光洁度）。

这些漫射元件也可以放置在光导的背侧表面上并且与沟槽交替。来自漫射元件的光将在光导内进一步混合以提高均一性。

反射器定位在光导上方以将从光导逸出的任何向上的光往回反射。

插入在光导的出射表面下方的另外的透明光学板可用于保护光导并提供一些另外的光分布控制，诸如过滤掉高角度光线以减少眩光。可进一步向光导表面添加纹理以减少或抑制朝向住宅侧定向的光。

通过适当地选择沟槽，可控制街道侧照明和住宅侧照明的相对量。通过控制每个LED区段发射的光的量，可进一步控制不对称光强分布。通过使用高斯点（或其他合适的漫射器），离开光导的光保持方向性但得到充分漫射，使得直视光导的光发射表面的观察者看见总体上均一的舒适的光。

在其他实施例中，光导可以是矩形的、带有修圆角的矩形的、平行六面体的（带有可能修圆的角）、或椭圆的。这些光导也可以被形成为楔形，从而消除对锯齿形沟槽的需要。可采用高斯点或其他漫射器。

在另一种矩形照明设备中，照明设备相对于街道成角度，并且LED条带仅沿着两个住宅侧边缘定位，以导致将光的大部分沿着街道定向。模制到光导的后表面中的棱柱进一步控制光强分布的不对称性。可采用高斯点（Gaussian dots）或其他漫射器。

LED可定位在形成于光导的外缘附近的孔内，而不是将LED光边缘注入到光导的侧面中。

所述照明设备可用于希望不对称光强分布的任何其他目的。

公开了其他实施例。

附图说明

图1是用作高架路灯的本发明实施例（照明设备）的透视图。

图2是来自对图1的灯进行的测试的、在与所发射发光强度（坎德拉）针对其最大的竖直角度相交的水平光锥中的光强分布，其示出沿着街道定向的最高强度、跨越街道定向的较低光强、以及朝向住宅侧（与街道侧相反）定向的最低光强。

图3是来自对图1的灯进行的测试的、在与所发射发光强度（坎德拉）针对其最大的水平角度相交的竖直平面中的光强分布，其示出沿着街道以稍微向下的角度定向的最高光强、以及朝向住宅侧定向的低得多的光强。

图4是移除了顶盖的照明设备的自顶向下视图，其示出围绕顶部之上具有反射器片的圆形光导的LED区段。

图5是示出印刷在光发射表面上的高斯点（约1 mm直径）的光导的自底向上视图。在一个实施例中，这些点占据光导的底部表面的大约一半。

图6A是柔性印刷电路条带或刚性印刷电路板上的串联连接的LED的一个区段的前视图，其中所述区段含有5个LED。

图6B是柔性印刷电路条带或刚性印刷电路板上的串联连接的LED的另一个区段的前视图，其中所述区段仅含有2个LED以减小光输出。

图7示出在光导的与含有点的表面相反的后表面上形成的平行锯齿形沟槽的阵列。

图8是图7的照明设备的一部分的截面视图，其示出将光发射到光导的边缘中的LED、光发射表面上的高斯点（定向的但漫射的）、后表面中的平行的锯齿形沟槽、以及光导之上的反射器。

图9示出图8的照明设备，但是其中沟槽是完全相同的并且它们的间隔是变化的。

图10示出图8的照明设备，但是其中沟槽是完全相同的并且漫射点印刷在沟槽之间。

图11是矩形照明设备的一部分的截面视图，其中可使用楔形形状替代图8-10的沟槽，并且其中也使用高斯点。

图12是图11的照明设备的自顶向下视图，其示出如何可仅需要沿着楔形形状的光导的相反边缘定位LED。

图13是平坦矩形照明设备的自顶向下视图，其中光导相对于街道以一定角度定位，变化深度的棱柱的阵列在后表面中形成（例如，模制）以控制不对称光强分布（朝向住宅侧的强度较低），并且LED条带仅定位在光导的住宅侧上以主要在街道的方向上注入光。

图14示出模制到图13的光导的后表面中的单个棱柱，其示出如何将来自两个LED区段的光线朝向街道并背离住宅侧内部地反射。可以使用其他形状的反射器。

图15示出圆形照明设备（诸如图1所示）中的LED区段如何可通过控制通向区段的电流来输出不同光功率以实现所希望的不对称光强分布。

图16是圆形光导的自底向上视图，所述圆形光导在其外缘周围具有孔（诸如用于15英寸照明设备的168个孔）以用于接收一圈LED。

图17是图16的光导的截面视图，其进一步示出孔内的LED和LED之上的反射器环。光导包括先前所描述的高斯点和沟槽或棱柱。

相同或相似的元件以相同数字来标记。

具体实施方式

尽管本发明可用于多种多样的应用，但示出被优化以用于用作路灯的实例。图1示出由支撑结构12支撑在街道14之上的照明设备10。照明设备10的不对称光强分布是相对于街道侧和住宅侧描述的。所希望光强分布是沿着街道的一定长度的高光强、跨越街道延伸的较低光强、以及在朝向住宅侧的相反方向上发射的低得多的光强。沿着街道的所述长度的光与来自相邻路灯的光融合以提供对整个街道的相当均一的照射。

下文所描述的实例在观察者直视时并不呈现高亮度像素化光图案。相反，光在照明设备的光发射部分的整个底部表面之上扩展，以产生比像素化光图案舒适得多的基本上均一的漫射光。

图2示出从对图1的灯进行的测试获得的、在与所发射发光强度（坎德拉）针对其最大的竖直角度相交的水平光锥中的所希望光强分布16 （以坎德拉为单位进行测量），其中照明设备10位于轴线的相交处。许多其他类似的分布是可实现的，并且最佳分布可取决于要照射的街道的特定特性。例如，对于较窄的街道，垂直于街道定向的街道侧强度分布可以是凹面的。在所示实例中，沿着（总体上平行于）街道定向的峰值光强是直接垂直于街道定向的峰值光强的2-3倍高，并且朝向住宅侧定向的峰值光强小于直接垂直于街道定向的光强的三分之一。这类住宅侧光可用于照射沿着街道的小路，或者在照明设备完全悬垂到街道中的情况下用于路缘区域。

图3示出从对图1的灯进行的测试获得的、在与所发射发光强度（坎德拉）针对其最大的水平角度相交的竖直平面中的所希望光强分布18 （以坎德拉为单位进行测量），其中照明设备10位于轴线的相交处。在所示实例中，最高峰值光强沿着街道以稍微向下的角度定向，并且低得多的峰值光强朝向住宅侧定向。街道侧峰值光强远超朝向住宅侧定向的峰值强度的三倍。

光强相对于垂直于街道的中心线基本上是镜像。

使用下文所描述的结构可实现许多其他不对称光强分布。

图4是移除了顶盖的图1的照明设备10的一部分的自顶向下视图。具有底部开口的圆形金属框架20在其内周缘周围安装有含有白光LED的线性阵列的柔性电路带。白光LED可以是高功率的、基于GaN的蓝色发射LED，其具有YAG磷光体（产生黄光）以产生白光。可添加其他磷光体以获得所希望的色温或显色指数（CRI）。

在一个实施例中，框架20在直径上为约15英寸，并且存在约168个LED。LED被划分到多个区段22、诸如12个区段中，其中单个区段22中的LED串联连接，并且多个区段22并联连接。如果LED具有3.5伏特的正向电压，则照明设备10的操作电压为约42伏特。

图5的圆形光导24位于框架10中，其中印刷点26向下面朝街道。光导24可以是约4-5 mm厚的透明聚合物，诸如PMMA。稍后将相对于图8更全面地描述印刷点26。

反射器片28 （图4）定位在光导24和LED之上以将所有的光向下反射（反射器片28被示出为是更小的，以便不遮挡LED）。在一个实施例中，反射器片28是镜面的或稍微漫射的镜片，以便基本上保持光线的方向性，从而获得对光强分布的不对称性的更好控制。在另一个实施例中，反射器片28可具有白色表面以大大地增强光的漫射。反射器片28可与光导24间隔开或直接位于光导表面上。

金属盖（未示出）附连在照明设备10之上。

在一个实施例中，为了对光强分布的不对称性提供更多控制，LED区段22被设计来发射不同量的光。图6A示出被设计来发射高亮度的LED区段30，所述LED区段30用于沿着照明设备10的后部部分（住宅侧）定位，诸如定位在图4所示的位置中，使得高亮度沿着街道并背离住宅侧定向。示出由柔性电路36上的导体34串联连接的五个LED 32。在实际实施例中，一个区段22中可存在大约14个LED。LED 32具有总体上朗伯发射。

图6B示出同样可在照明设备10中使用的输出减小亮度的另一个LED区段38。在该实例中，区段38中仅有2个LED 32。区段38可定位在图4所示的位置处以在住宅侧的方向上提供低亮度。

在光导24周围的其他位置中的LED区段22可被设计成具有不同光输出，以进一步定制光强分布。可替代地，可向完全相同的LED区段22施加不同电流以定制来自区段22的光输出。

在一个实施例中，光导周围的每个区段22完全相同并接收相同电流，并且灯的光强分布使用其他技术（诸如下文描述的那些）来定制。

图7示出图5的光导24，其示出模制或机器加工到光导24的与具有点26的表面相反的表面中的平行沟槽40。沟槽40是锯齿形的。每个沟槽40的宽度可在0.5-4 mm之间。沟槽40将射入光向下朝向街道侧重新定向，并减少从光导24的边缘往回内部地反射的光的量。

图8是照明设备10的截面视图，其示出沟槽40和印刷点26的一个实施例。安装在柔性电路36上的LED 32被示出为向光导24中发射白光。光总体上通过TIR从光导24的平滑内表面反射离开，直到光由成角度沟槽24向下反射或者射入在半透明点26上。点26可以是基于环氧树脂的并含有漫射粒子（例如，TiO2、高折射率微珠（micro-bead）等），所述漫射粒子仅使光围绕射入光线42的方向稍微漫射，诸如通过使光扩展约12度的HWHM。这保持射入光的一些方向性，但充分地使光漫射，使得照明设备对观察者呈现出均一的白色。来自点26的漫射光中的一些还往回反射到光导24中，以最终逸出。

沟槽40具有平行于街道的长度，其中沟槽40的倾斜表面向下成角度以便接收来自住宅侧LED （左侧上）的入射光的大部分。应注意沟槽40如何以越来越大的角度变得越来越深入到光导24中以渐进地增大来自照明设备的住宅侧的光线将由沟槽40向下反射的机会。这大大地减少将离开光导24的右侧边缘往回朝向住宅侧反射的光的量，从而减少朝向住宅侧向发射的光的量。此外，由于光导24内的来自住宅侧LED的光的量通过沿着光导24的长度发射、同时越来越多地被变化深度/角度的沟槽40拦截而渐进地减少，沟槽40的变化的深度/角度导致将来自住宅侧LED的光更均一地朝向光导24的光出射表面定向。因此，在仍维持图2和图3所示的不对称光强分布的同时，在光导24的光出射表面处存在良好的光均一性。

相反地，成角度沟槽40的总体上垂直的表面导致将大量街道侧LED光往回朝向街道侧反射，从而增强来自街道侧的光发射。由于街道侧LED定位在光导24的前向180度周围，来自街道侧LED的光将背离住宅侧反射并朝向街道发射。在另一个实施例中，沟槽40全都具有相同的角度并且变得越来越深，并且沟槽40的宽度朝向街道侧渐进地增大。

从光导24的顶部逸出的任何光由反射器片28往回反射到光导24中。如先前所提及，反射片28可以是镜面的（为了最大方向性）、漫射镜面的、或白色的（为了最小方向性）。

在一个实施例中，由于点26覆盖光导24的底部表面的约一半，所以进入光导24的光的约50百分比离开而不被点26漫射，并且剩余50百分比被点26漫射。点26可以不是半球形，诸如可以是修圆角矩形、修圆角三角形、平顶圆、平边棱柱或产生漫射高斯发射的其他合适的形状。

通过控制沟槽40的深度及其角度，可获得图2和图3的光强分布。对分布的另外控制可通过控制不同LED区段22 （图4）的相对光输出功率来获得。

图9示出图8的照明设备，但是其中光导44中的沟槽43是完全相同的并且它们的间隔是变化的。沟槽43随着沟槽43接近街道侧而变得更靠近在一起，以将更多的光向下反射。由于来自住宅侧LED的光沿着光导44渐进地减少，沟槽43的增大的密度导致在直视时沿着光导44的光出射表面的光更均一。

在另一个实施例中，沟槽43均匀地间隔，同时仍实现图2和图3的不对称光强分布，因为来自住宅侧LED的光总体上由沟槽43的成角度表面向下定向，而来自街道侧LED的光由沟槽43的面向街道侧LED的垂直表面总体上往回（并且最终向下）反射。

图10示出图8的照明设备，但是其中光导46中的沟槽45是完全相同的并且漫射高斯点26印刷在沟槽45之间。点26以漫射/定向方式将入射光线向上和向下重新定向。向上重新定向的光由反射器片28向下往回反射。光导46的光出射表面可具有漫射层47，诸如层压片或者通过机器加工或模制光导46来形成。漫射量应受限制，以便实现图2和图3的不对称光强分布。

可在带沟槽表面上形成其他漫射元件，诸如使表面粗化或将棱柱模制到表面中。

尽管圆形照明设备相对于矩形照明设备具有一些优点，但使用矩形照明设备仍可实现良好的不对称光强分布。图11是具有以反射片52覆盖的成角度顶部表面（楔形形状）的矩形光导50的截面。图12是图11的照明设备的自顶向下视图。成角度顶部表面导致由住宅侧LED （左侧）发射的光的大部分背离住宅侧离开光导50。光可直接离开光导50，或者由点26稍微漫射。由街道侧LED发射的光的大部分从光导50的相反平坦壁反射离开，并且由成角度顶部表面和点26重新定向出去。

图13是平坦（非楔形形状）光导56的自顶向下视图，所述光导56相对于街道成角度，使得其前侧面相对于街道处于45度角。LED条带58和60沿着在住宅侧上的光导56的相邻侧面定位。来自LED的光被定向在街道的方向上。为了将光向下和旁边重新定向到街道中，将图14所示的棱柱62的阵列模制到光导56的后表面中，以将光线63朝向街道重新定向。LED条带58/60的位置主要控制朝向街道且背离住宅侧的方向性。一些光往回反射离开光导56的相反边缘并产生小的住宅侧向发射。棱柱壁的角度可被控制来产生图2和图3的不对称光强分布或其他所希望分布。高斯点可印刷在光导56的光发射表面上。

图15示出图4的一般照明设备，但是其中LED区段64具有的亮度是通过使用电流控制电路66为多个区段64选择不同电流来控制。电路66可以是能够电子地控制以实现照明设备的所希望光强分布的无源电路（例如，电阻器或金属互连图案）或者装置。

替代在光导的边缘周围安装LED （由空气间隙分开或更直接地光学耦合），柔性电路上的LED可定位在于光导的外缘周围形成的孔中，诸如图16和图17所示。图16示出在光导72的周缘周围形成的通孔70。在一个实施例中，类似于图4所示的那些，LED 74 （图17）可被布置在多个区段中。支撑LED 74的柔性电路76形成环。反射环78定位在孔70的顶部之上，并且还可覆盖光导72。光导72可包括先前所描述的沟槽（图8-10）和高斯点26以产生图2和图3的不对称光强分布。

图17的孔70中的LED 74可以是侧向发射的，其中反射层在磷光体层之上直接在LED管芯的顶部表面上形成。

还设想到椭圆形照明设备。

预期到使用本文所描述的技术来产生具有其中在一个弧周围比在另一个弧周围发射多得多的光的分布的许多其他照明设备的设计。例如，如果照明设备用于照射窄走道并且定位在距离地面仅约一英尺处，那么它们可以是相对小的（例如，直径为4英寸），它们可具有以下光强分布，所述光强分布具有非常大且窄（wide and narrow）的侧叶、用于窄走道的短得多的前叶、并且基本上无住宅侧向发射。类似照明设备可用于照亮房间以更均一地突出墙壁，其中光沿着墙壁更均匀地扩展。

虽然已经示出并且描述本发明的特定实施例，但本领域技术人员将清楚，可在于本发明的更广泛方面上不脱离本发明的情况下做出改变和修改，并且因此所附权利要求将会在其范围内涵盖落入本发明的真正精神和范围内的所有改变和修改。

Claims (12)

1.一种产生不对称光强分布的照明装置（10），其包括：

平坦圆形光导（24、44、46、72），其具有外缘；

多个发光二极管（LED）（32），其邻近所述光导外缘的至少一部分安装以便将光注入到所述光导中；

所述光导的表面上的高斯漫射器（26），所述漫射器产生在使射入光线漫射的同时维持所述光线的方向性的高斯发射；以及

平行线性沟槽（40、43、45），其沿着所述圆形光导的宽度延伸，每个沟槽具有成角度表面，以用于将光朝向所述光导的光出射表面定向，并且每个沟槽具有与所述光导的光发射表面基本上垂直的表面，

其中所述沟槽基本上垂直于所述光导的前向发射和后向发射，

其中安装在沿着所述光导的所述外缘的第一弧中的第一LED产生第一入射光线，所述第一入射光线由所述沟槽的所述成角度表面朝向所述光发射表面定向，以主要促成所述光导的所述前向发射和侧向发射，并且

其中安装在沿着所述光导的所述外缘的第二弧中的第二LED产生第二入射光，所述第二入射光由所述沟槽的基本上垂直于所述光发射表面的表面往回朝向所述第二LED反射，以同样主要促成所述光导的所述前向发射和侧向发射，

其中所述多个LED、所述漫射器和所述平行线性沟槽被配置成产生包括所述前向发射、所述后向发射和所述侧向发射的不对称光强分布，其中所述侧向发射具有的峰值强度是所述前向发射的峰值强度的至少两倍，并且所述后向发射的峰值强度小于所述前向发射的峰值强度。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述沟槽（40）的所述成角度表面随着所述沟槽延伸远离所述第一LED而渐进地深入到所述光导（24）中。

3. 如权利要求1所述的装置，其中所述沟槽（40、43、45）具有在0.5-4 mm之间的宽度。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述沟槽（43）具有随着所述沟槽延伸远离所述第一LED而变小的变化的间隔。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述高斯漫射器包括在所述光导（24、44、72）的光发射表面上形成的半透明点（26），所述点产生在使射入光线漫射的同时维持所述光线的方向性的高斯发射。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述高斯漫射器包括在所述光导（46）的与所述光导的光发射表面相反的后表面上形成的半透明点（26），所述点产生在使射入光线漫射的同时维持所述光线的方向性的高斯发射。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述高斯漫射器包括在所述光导（46）上的半透明表面（47），所述漫射器产生在使射入光线漫射的同时维持所述光线的方向性的高斯发射。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述高斯漫射器包括在所述光导（24、44、46、72）的第一表面上形成的半透明点（26），其中所述半透明点含有光散射粒子。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述点（26）占所述光导（24、44、46、72）的所述光发射表面的少于三分之二。

10. 如权利要求1所述的装置，其中所述LED （32）被划分到区段（22、30、38）中，其中所述区段取决于所述区段沿着所述光导（24、44、46、72）的所述外缘的位置输出多种光强。

11. 如权利要求1所述的装置，其中所述LED （32）被布置在所述光导（24、44、46）的所述外缘之外。

12. 如权利要求1所述的装置，其中所述LED （32）被布置在所述光导（72）的所述外缘周围的孔（70）中。