CN110352317A - 可配置的灯具 - Google Patents

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Abstract

LED(40)阵列由支撑机构(65)支撑，所述支撑机构支撑通向所述LED(40)的导体(66，68)且从所述LED(40)散热。所述支撑机构可为透明导热薄片(65)或支撑所述LED(40)且散热的成不同角度的悬臂的阵列。这减少光的阻挡。所述LED(40)大体上定位于对光进行准直的凹面镜(38)阵列的焦平面中。LED(40)和镜(38)阵列可相对于彼此平移以转向聚集光束从而定制发光。在另一实施例中，多个LED定位于所述镜阵列中的每一镜上方，且在每一镜上方照明的LED的组合用以转向来自所述灯具的所述聚集光束。

Description

可配置的灯具
政府许可权
本发明是在政府支持下由美国能源部的先进能源研究计划署(ARPA-E)部门发出的合约DE-AR0000332下做出。政府对本发明享有一定权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月24日由克里斯多佛·格拉登(Christopher Gladden)等人提交的第62/462,935号美国临时申请案的优先权，该案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及例如用于家庭或办公室的一般照明，且确切地说，涉及使用发光二极管(LED)阵列和准直镜阵列的具有可控发光的灯具。
背景技术
将描述各种类型现有技术照明结构，大体上描述一组LED和一组透镜。LED和透镜相对于彼此是可平移的，以转向光束或另外定制发光。
方向性照明在许多情境中是重要的，例如为工作场所中的任务区域提供照明，突出显示零售空间或艺术展示中的对象，照明室外的人行道和道路，以及许多其它应用。提供方向性地调整照明的选项的常用照明器具通常包含照明“头部”，其可转动以指向期望的方向。单个灯组中或例如轨道照明系统等可配置系统中经常包含多个头部。对来自每一头部的输出光束的角展度的调整通常是通过安装具有所需输出光束宽度的灯泡来实现。
在约瑟夫·福特(Joseph Ford)的标题为“微结构化波导照明器(Microstructured Waveguide Illuminator)”的PCT/US2014/057873以及威廉·M·迈利特(William M.Mellette)、格伦·M·舒斯特(Glenn M.Schuster)和约瑟夫·E·福特(Joseph E.Ford)的标题为“具有受控方向性和发散的平面波导LED照明器(Planarwaveguide LED illuminator with controlled directionality and divergence)”的论文(《光学快报》第22卷第S3号，2014)中揭示了平面可调整的灯具设计。此设计提供具有宽可调性的紧凑低构型形状因数的优点。所述灯具使用具有周期性提取特征的边缘照明光导，其配合于透镜或反射器(“聚焦元件”)的阵列。通过调整提取特征和聚焦元件的相对位置，可转向光束的方向且可调整输出光束的角宽度。
图1是此设计的分解视图。其包含由光源11边缘照明的光导10，所述光源在此实例中包括发光二极管(LED)17和相关联耦合光学器件18。光导10可为如图1所示的连续模式类型或分级模式类型。在任一情况下，光导10包含提取特征12的周期性阵列。这些特征12反射或散射光以使得在光导10的导引模式中不再捕获光且光改为射出光导10以与聚焦元件15的阵列14交互。图1所示的提取特征12是反射性的，且优选地塑形为棱镜以使导引的光朝向聚焦元件15偏转，但也可以塑形为圆锥、半球或其它形状。它们近似位于聚焦元件15的焦平面中，以使得由提取元件12散射的光由聚焦元件15大体上准直。聚焦元件15全部在阵列14中的单个平面中。聚焦元件15可为透射所述大体上准直光的折射透镜，或可为弯曲反射器，其反射回准直光以使得准直光传输通过光导10，然后射出灯具进入环境。
图2是图1的可调整灯具的一部分的横截面图，示出阵列14，其包括具有反射涂层19的经电介质填充的反射聚焦元件15以及两个相关联提取特征12。来自光源11的光在光导10中导引。一些光由提取特征12偏转而射出光导10且进入聚焦元件阵列14。这些光线13反射离开反射涂层19，变成部分地准直，并且接着传输通过光导10，然后作为经转向的输出光束16射出灯具。为了可视清晰度而在图2中未描绘从光源11发出且在光导10内行进的光线；仅示出由聚焦元件15中的一个反射的实例光线13。
每一个别聚焦元件15用以大体上准直由对应提取特征12反射或散射的光，以使得所述光作为具有窄的角宽度的定向光束16发出到环境中。对个别光束16的方向性的控制是通过改变提取特征12和聚焦元件15的相对位置来实现。这可通过相对于光导10中的提取特征12平移聚焦元件15的阵列14来实现。在提取特征12的位置从聚焦元件15的中心移动到边缘时，输出光束16从垂直于光导10的平面被转向到高角度。
如果阵列14中的所有聚焦元件15相对于其对应提取特征12为相同定向，那么所有输出光束16将指向相同的方向。在此情况下，所有聚焦元件都贡献于指向单个方向的窄聚集光束。替代地，如果阵列14中的聚焦元件15相对于提取特征12的阵列扭曲，那么输出光束16中的每一个将指向稍微不同的方向。在此情况下，输出聚集光束是不同指向光束的总和，且导致较宽的聚集光束。因此，对光束指向和聚集光束宽度的独立控制是通过平移和扭曲聚焦元件阵列14和提取元件阵列的相对位置来提供。
现有技术描述此设计的若干实施方案，包含使用电动致动器和控制系统以提供对可调整灯具的输出特性的远程控制。现有技术还描述在光导中使用可切换材料，其提供对提取特征的位置和存在的像素化控制。现有技术描述用于控制此情况的机构，因而在光导的面上放置具有电可调整折射率的液晶材料层。在其低折射率状态中，此材料充当包层以保持光受限于光导内。像素化电极允许将其局部切换到高折射率状态，从而允许光与倾斜镜阵列局部交互且从光导射出。这提供用于对提取特征的位置的局部控制的机构。所述设计可用固定透镜阵列实施以提供不具有移动部分的可转向灯具设计。
图3描绘包含光发射器30的阵列的灯具设计，所述光发射器各自连接到聚焦元件31(在此情况下，反射聚焦元件)。聚焦元件31描绘为透明的以便查看光发射器30。光发射器30示出为在聚焦元件31下方，且反射光返回朝向光发射器30引导。不需要光导。光发射器30可为任何类型，但优选地为LED或激光二极管以获得紧凑性和效率。垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)是光发射器30的另一选择。在所有情况下，光发射器30电学连接成网络且由金属散热支撑结构32支撑。电连接将电力带到光发射器30以驱动光发射器，且散热支撑结构32用以将热量传递离开发射器30以降低操作温度。电连接和散热支撑结构32可任选地组合成单个结构或甚至组合成单个元件。这在图3的实例系统中示出，其中金属芯印刷电路板(MCPCB)的条带(形成散热支撑结构32)将个别光发射器30连接成线，从而提供电连接和散热元件两者。
有利的是设计系统以使得光发射器30的发光面积比聚焦元件31的面积小得多，从而使聚焦元件31能够产生具有窄的角宽度的光束。举例来说，聚焦元件31的直径可近似为发射器30的发光区域的直径的5到20倍。
当以反射聚焦元件阵列34(凹面镜阵列)实施时，还有利的是最小化电连接和散热支撑结构32的面积，因为这些将遮挡反射光且降低系统光学效率。在图3中，散热支撑结构32横跨每一聚焦元件15的整个宽度，因此所得聚集阴影可为显著的且可在照明对象上产生感知假象。
直接照明式设计使用阵列式光发射器30代替边缘照明式设计中使用的光导和提取特征。然而，其也有相同的可调整功能性。聚集光束转向是通过相对于光发射器30的阵列平移聚焦元件31的阵列来实现，且聚集光束加宽可通过相对于光发射器30的阵列扭曲聚焦元件31的阵列来实现。
直接照明式设计的优点在于其可成小形状因数以高光学效率实施。相比之下，边缘照明式设计需要具有产生光导内的所有所需光所需要的长度的一行LED。
虽然上文描述的现有技术与常规可转向灯具相比提供主要优点，但其仍经受各种限制，从而影响针对特定应用的实施方案。这些包含：i)由于被电连接和散热元件的遮挡带来的降低的光学效率和不均匀的聚集光束；ii)调整聚集光束形状的有限灵活性；以及ⅲ)由于在光束转向期间的串扰带来的光学效率的损失。
发明内容
描述各种类型的可控发光灯具。
在一个实施例中，LED阵列由支撑机构支撑，所述支撑机构支撑通向所述LED的导体且从所述LED散热。所述支撑机构可为透明导热薄片或支撑LED且散热的悬臂的阵列。所述LED大体上定位于对光进行准直的凹面镜的阵列的焦平面中。LED和镜阵列可相对于彼此平移以转向聚集光束从而定制发光。由于悬臂支撑机构的配置，镜发出的光的阻挡较少，因此改进效率且减少遮挡。
悬臂支撑臂可处于不同角度以使得光束内的所得阴影不重叠，从而消除来自光阻挡的可感知假象。
在另一实施例中，薄透明光导朝向镜阵列发射光，因此不需要散热器或导体覆盖于镜阵列上。阴影极大地减少。
在另一实施例中，多个LED定位于所述镜阵列中的每一镜上方，且在每一镜上方照明的LED的组合用以转向来自所述灯具的所述聚集光束。每一组LED可大体上横跨单个镜的整个宽度。可产生高度复杂的发光图案，因为每一镜可经历被供能LED的不同图案。在此情况下，LED阵列和镜阵列的位置可在一个或两个轴线中固定，因为通过对所选LED供能来转向聚集光束。
在另一实施例中，LED的线性布置横跨镜的线性布置，且整个系统可枢转以在正交于LED阵列的长轴的转向轴线中引导光。
LED可以附连有多种透镜以进一步塑形光束。
描述了其它实施例。
附图说明
图1是现有技术灯具的分解透视图，其中LED光学耦合到光导的一侧，且光导中的反射器朝向准直镜阵列引导光。反射器在镜的焦平面中。通过相对于光导平移准直镜，聚集光束可转向。
图2是图1的灯具的横截面，示出来自反射器的光照射在聚焦镜上且以可选角度通过光导被引导返回。
图3是图1的灯具的现有技术变化的透视图，其中LED阵列直接定位于镜阵列的焦平面中且不使用光导。
图4A-4C是由提供电导体和散热的支撑结构的不同设计支撑的LED阵列的前视图，其中LED定位于准直镜阵列的焦平面中。图4B和4C示出支撑LED的悬臂。LED阵列或镜阵列可移动以产生可转向的聚集光束。
图5A说明镜的线性阵列和LED的线性阵列。
图5B说明正方形LED可如何相对于准直镜在不同定向中安装。
图6是支撑于准直镜阵列的焦平面中的透明薄片上的LED阵列和其电导体的透视图，其中所述透明薄片或镜阵列可平移以用于转向聚集光束。
图7是灯具的前视图，其中LED光经由光导杆传输到准直镜阵列的焦平面，以便最小化光阻挡。
图8类似于图7，但每一光导杆在多个准直镜上方延伸且杆中的光提取特征朝向相关联镜发射LED光。
图9类似于图7，但不同颜色LED光学耦合到每一光导杆以改变发光颜色。
图10是灯具的一部分的前视图，所述灯具包含准直镜的线性行和横跨准直镜的宽度(孔口)的LED的线性行。选择哪些LED进行供能决定了光束在从准直镜反射之后的角度，因此聚集光束是可转向的。LED和准直镜可固定在适当位置，或可允许准直镜在正交于LED的线性行的轴线中平移。
图11类似于图10，但LED的线性阵列布置于个别支撑结构上以促进对LED的每一线性阵列中的哪些LED进行供能的单独控制。
图12A-12D示出与图11相同的凹准直镜，其中照明LED的不同组合以致使从准直镜输出的光束转向和/或具有不同形状。
图13是类似于图10的灯具的透视图，其中整个灯具可围绕枢轴旋转以用广泛多种方式转向聚集光束。
图14类似于图5B，不同之处在于LED远离支撑结构的中心安装，从而当支撑结构和聚焦元件相对于彼此处于中心时导致聚集光束倾斜远离聚焦元件的平面的法线。
图15A类似于图5B，不同之处在于LED安装于远离其相应支撑结构的中心的不同距离处，从而导致在平行于支撑结构的方向上加宽的聚集光束。
图15B类似于图5B，不同之处在于沿着第一共同轴线的支撑结构之间的距离不同于聚焦元件之间的距离，从而导致在平行于第一共同轴线的方向上加宽的聚集光束。
图16类似于图11，不同之处在于沿着第一共同轴线的支撑结构之间的距离不同于聚焦元件之间的距离。可对不同选择的LED供能以形成不同的聚集光束形状。替代地，可对不同选择的LED供能以粗略地转向聚集光束而不必相对于聚焦元件机械地平移支撑结构。
图17A类似于图5A，不同之处在于光源被极小微型LED的紧凑阵列代替。可通过改变在微型LED的每一紧凑阵列中被供能的微型LED的选择来改变聚集光束形状和强度。
图17B类似于图5A，不同之处在于光源被覆盖其相应聚焦元件的大部分区域的LED阵列代替。可通过改变在每一LED阵列中被供能的LED的选择来改变聚集光束形状、强度和方向。
图17C类似于图3，不同之处在于聚焦元件是透明折射透镜而不是凹面镜。
图17D类似于图3，不同之处在于多个LED布置成横跨每一折射透镜的区域的子阵列。
图18是可在任一实施例中使准直镜阵列进行X-Y平移或旋转以转向聚集光束的致动器的前视图。
在各图式中相同或等效的元件标记有相同数字。
具体实施方式
本发明描述提供对现有技术直接照明式可配置光束灯具的设计的改进的若干发明。虽然在实例中使用白光LED，但光发射器可以是任何其它类型的固态光发射器且可包括用于定制色温的不同颜色光发射器。
在一个实施例中，直接照明式灯具具有与LED阵列配对的反射聚焦元件阵列，从而提供多个独立可调整的光束。光束可组合以形成广泛多种发光图案。聚集光束转向可通过相对于LED阵列平移聚焦元件阵列来实现，且聚集光束加宽可通过相对于LED阵列扭曲聚焦元件阵列来实现。
现有技术图3的现有技术直接照明式结构的一个改进是减少LED支撑结构对光输出路径的阻挡。因此，更多光射出灯具，且阴影减少。
最小化支撑结构的大小且针对光源阵列改变支撑结构的定向
图4A-4C、5A和5B说明减少不透明支撑结构的面积的实例，所述不透明支撑结构在聚焦元件的焦平面中支撑LED，支撑用于LED的导电迹线，且从LED散热。
存在一般设计折衷，其中不透明支撑结构应当尽可能窄以最小化其光学阻碍，同时不透明支撑结构应当尽可能大以最大化其热导率和机械支撑。
图4A说明具有六边形孔口的聚焦元件38的阵列。聚焦元件38可为填充有空气的凹面镜，但优选地为在透明固态形式(由聚合物、玻璃或另一透明材料制成)上包括反射涂层的凹面镜，具有与反射涂层相对的平面表面。凹面镜的反射表面可为平滑的，或存在一些粗糙度或小面。聚焦元件38大体上准直来自LED 40的光，其中LED 40定位于镜阵列的焦平面处。反射光绕过LED 40和支撑结构42到环境。支撑结构42可为金属以用于良好的散热。与绝缘夹层一起制造到支撑结构42上的导电迹线将LED 40连接于控制电路中。移动支撑结构42或聚焦元件38阵列以控制光束形状和出射角。应注意，支撑结构42横跨聚焦元件38的整个孔口。期望减少支撑结构42的光阻挡。
在图4B中，用于LED 40的不透明支撑结构46仅在聚焦元件38的孔口的一半宽度上延伸，因为用于每一LED 40的支撑结构46形成聚焦元件38上方的悬臂且由较大金属总线50和52支撑。因此，与图4A的设计相比存在二分之一的光阻挡。另外，图4B中由相对的支撑结构46投射的阴影并不彼此增加，因为支撑结构46悬于聚焦元件38的相对部分上方。因此，不仅阴影减少一半，而且来自两行聚焦元件38的阴影不重叠，从而极大地减少任何可感知假象。
还在图4B中，悬臂在六边形孔口的平坦边缘上方延伸，近似垂直于所述平坦边缘。因此，悬臂覆盖孔口的最宽直径的小于一半，从而减少光阻挡。
如果金属散热支撑结构规则地布置，例如横跨镜阵列的行、列或行和列两者，那么其在每一聚焦元件38上方的阻挡的光学影响可能彼此加强且在远场聚集光束中可见。可通过改变跨越光源阵列的结构的定向来减少光学阻挡的加强，如图4C所示。在图4C中，用于LED 40的悬臂支撑结构55成各种角度以最小化各自产生的阴影的重叠。这实际上消除来自悬臂支撑结构55的任何可感知假象。悬臂支撑结构55向较大金属总线56和58传导热量。各种定向的支撑结构也可以非悬臂设计实施，其中支撑结构横跨镜的整个孔口。
在图4A-4C中，平移支撑结构或镜阵列以转向光束。在图4A-4C中，示出LED 40在相关联聚焦元件38上方处于中心，但LED 40可在聚焦元件38上方位于任何位置以实现所需聚集光束发射图案。
在图4A-4C中，示出仅两行聚焦元件38，但可能存在任何数目的行的聚焦元件38，以及用于每一行的相关联LED支撑结构。举例来说，对于图4C的设计，可能存在另一行镜，且支撑结构56可在添加的镜行上方支撑用于LED的另一组悬臂。
图5A示出具有LED 40和聚焦元件64的1xN阵列(单个行)的灯具。在此实例中，支撑结构60横跨聚焦元件64的完整孔口，以使得与大得多的金属总线62和63在相反方向上从每一LED取出热量。
改变光发射器的定向
虽然一些LED具有圆形发光表面，但大多数高功率LED具有正方形或矩形的发光表面，如图5B所示。在例如本文所描述的灯具等成像光学系统中使用的正方形LED 40将投射具有正方形形状的光束，除非采取特殊措施修改光束的形状。
在具有多个正方形LED 40的阵列且所述LED的投射光束叠加成输出聚集光束的系统中，正方形LED 40围绕与正方形LED 40的光学中心相交的法线的旋转定向可在阵列内变化。以变化的定向投射的正方形光束的叠加导致作为越来越复杂多边形的输出聚集光束形状，其随着定向的数目增加而接近圆。真实光学系统中的畸变和散射趋于软化投射光束的边缘和拐角，以使得输出聚集光束可表现为具有相对较少数目的正方形LED 40定向的大体上圆形。
图5B示出具有相隔45°的两个定向的正方形LED 40的阵列，其导致八角星形状的输出聚集光束。具有相隔15°的四个定向的另一阵列导致十六角星形状的输出聚集光束。
如果正方形LED以相对于支撑结构的形状的一致定向放置在支撑结构上，但结构的定向跨越光源阵列变化，例如图4C中示出，那么正方形LED也将在跨越光源阵列的定向上变化。在图5B的实例中，正方形LED 40的定向独立于支撑结构60的定向而变化，无论支撑结构60的定向是否跨越光源阵列变化。
用于光源阵列的透明支撑结构
如图6所示，散热支撑结构也可由例如塑料、玻璃、陶瓷或晶体的导热透明薄片65构造而成。因此，不存在散热支撑结构的光阻挡。印刷在透明薄片65上的金属迹线66经由较大迹线总线68对LED 40供电。金属迹线66可为极窄的，且大体上不阻挡光路径。迹线66可甚至由透明导体形成。两个关键限制在于大多数透明材料具有极低的热导率，例如玻璃和丙烯酸酯，或具有高热导率但极昂贵，例如蓝宝石、氮化铝和金刚石。在光源的操作功率低的应用中，透明薄片65可由具有有限热导率的透明材料制成，例如玻璃。在具有极硬前表面是有价值的应用中，透明薄片65可由具有高热导率的透明材料制成，例如蓝宝石。
如同所有实施例，在可行的情况下可组合任何实施例的特征。举例来说，图6中的金属迹线66可位于各种角度，例如图4C中示出；矩形LED可位于不同定向，例如图5B中示出；镜和LED的相对移动可受致动器控制(例如，图18)；或可使用每孔口多个LED来控制光束形状而无需致动器，如图11和12中所示。
光导引源
减少结构的光学阻挡的不同方法是用耦合到位于聚焦元件的光学路径外部的光发射器且具有与充当光源的聚焦元件相关联的光提取特征的光导阵列来代替光源阵列。
图7示出具有光导杆70的阵列的一个实施例，光导杆中的每一个在一个末端耦合到一个或多个LED 40且在与聚焦元件38相关联的另一末端具有光提取特征72。光导杆70优选地尽可能窄以容纳LED 40，以使得可以小的光提取特征72提取所有光以便提供窄的输出光束。光导杆72可由例如塑料或玻璃等透明材料制成，且提取特征72可为成角度的反射器、光散射特征或致使光导杆70内的一些光局部射出的其它结构。
图8示出使用光导杆76的阵列的另一实例，每一光导杆与一个或多个LED 40相关联，其中每一光导杆76具有沿着其长度并入的多个光提取特征78，其中每一提取特征78与个别聚焦元件38相关联。另一实例将特征在于具有以与若干聚焦元件38相关联的多个步长逐步降低的模容量的光导杆。
图9示出使用光导杆的额外益处，其中不同颜色(例如，RGB)的多个LED 80、81和82耦合到单个光导杆84中以提供颜色可调性，而不会增加每一聚焦元件作为光源所见的有效发光表面面积。不同颜色的多个发射器也可用作无光导的直接照明式灯具中的光源，但光源的有效发光表面面积增加到多个发射器的总面积，且多个颜色将不会精确对准。
直接照明式可配置灯具中的多个光发射器的子阵列
在直接照明式可配置灯具中提供发光的可配置性的不同方法是提供与每一聚焦元件38相关联的多个LED 40的子阵列，如图10-13中所示。
在图10中，多个大体上相同的LED 40作为线性阵列支撑在散热支撑结构88上，所述散热支撑结构还支撑用于为LED 40选择性地供电的金属迹线。多个LED 40横跨每一聚焦元件38的孔口。每一聚焦元件38与LED 40的子阵列相关联。在覆盖相关联聚焦元件38的每一子阵列中选择性地改变接通哪个LED 40可相对于聚焦元件38有效地移动光源的位置以在一个轴线中转向光束。因此，不需要光源相对于聚焦元件38的机械平移以在此轴线中转向聚集光束。在设计的变型中，每一子阵列中的LED 40可具有不同方向特性，以使得可对LED 40供能以在任何X-Y方向上转向光束。
图11说明相关的灯具，其中与每一聚焦元件38相关联的散热支撑结构92是悬臂式的，且支撑结构92彼此平行。所有支撑结构92可连接到总线(未图示)。通过选择一个或多个LED 40以为每一聚焦元件38供能来转向光束。在图10和11中，可对LED 40的组合供能以产生复杂发光图案。可对不同子阵列中的LED 40的不同组合供能。
图12A示出聚焦元件38和其LED 40的子阵列。LED控制器94经由支撑结构92上的薄金属迹线耦合到所有LED 40以对LED 40的任何组合选择性地供能。LED控制器94可由用户经由手动控制器手动地控制，或可由微处理器控制。图12B-12D是凹面镜聚焦元件38的侧视图以及对子阵列中的不同LED 40供能以转向光束的效果。图12B示出对相对于聚焦元件38在其焦点处于中心的LED 40供能的效果。所得光束96大体上经准直且垂直于聚焦元件38的平面。在图12C中，经供能的LED 40偏离中心，因此所得光束98相对于聚焦元件38的平面成角度。在图12C中，对两个LED 40供能以致使两个光束产生聚集光束100，所述聚集光束较宽且可通过LED 40的选择来转向。此外，可以任何亮度等级对子阵列中的所有LED 40供能以产生最宽光束。
此不同方法的益处在于光束转向和加宽是在一个轴线中实现而无需机械致动，从而改进灯具的最小物理尺寸、功率消耗、噪声和可靠性。
如果每一子阵列中选择性接通的LED 40相对于跨越整个阵列的其对应聚焦元件38的中心处于相同位置，那么输出聚集光束将被转向。如果每一子阵列中选择性接通的LED40相对于跨越整个阵列的其对应聚焦元件38的中心处于不同位置，那么输出聚集光束将被加宽。
并入与每一聚焦元件38相关联的多个LED 40的子阵列还产生超过两个阵列的相对机械移动的额外功能性。可同时接通多个LED中的多于一个LED以增加光源的有效大小，如图12D所示，其具有加宽输出聚集光束的效果。可接通LED 40的不同组合以产生多个光束、不对称光束和其它复杂光束图案。也可选择性地调暗多个LED 40以产生输出光束的发光强度分布中的不同分级。
使用多个LED 40(或其它固态光发射器)的子阵列将导致以对应于光发射器大小的离散步长发生的光束转向和加宽。在需要对光束转向和加宽的精细控制的静态应用或其中需要平滑光束改变的动态应用中，应当使用最小的实际光发射器和相邻光发射器的受控调暗以最小化离散步长的大小和其突发性。
组合多个发射器的子阵列和机械致动
对应于每一聚焦元件38的多个LED 40的子阵列可与聚焦元件38的阵列的相对机械移动组合以产生新产品价值。
一或多个移动轴线可被对每一子阵列中的多个LED 40选择性供能的功能性代替，从而简化和减少机械致动系统的操作体积。在一个实施例中，致动系统可包括机械平移以转向光束且省略旋转，从而仅依赖于多个光发射器来塑形光束。
在图13中示出的另一实施例中，致动系统可包括整个灯具在一个轴线中的机械旋转，且多个LED 40的子阵列可沿着第二垂直轴线对准，从而实现两个光束转向轴线，其最小化第二轴线中必要的操作体积，例如在其中期望具有长且窄的形状因数的线性灯具中。
可配置灯具的变化
许多设计是可能的，以便提供对光束转向和形状的所需控制。下方列出若干实例。
图14示出类似于图5B的实例，不同之处在于LED 40全部从其相应支撑结构60的中心偏移。当支撑结构60和聚焦元件64相对于彼此处于中心时，由灯具发出的聚集光束将成角度地倾斜而偏离聚焦元件64的平面的法线。可通过聚焦元件和LED阵列的相对移动来转向光束，如图5B中，但对于相等量的运动，光束将转向的角度范围改变。图5B的实例在以聚焦元件64的平面的法线为中心的角度范围上转向光束；在面向下的吊装式灯具中，这允许光束在以面向下的光束为中心的角度范围上扫掠。相比之下，图14的实例在以通过LED 40从支撑结构60的中心的偏移确定的倾斜角上处于中心的角度范围上转向光束。此倾斜设计在空间的边缘处可为有价值的，在此处可能需要照明邻近壁的底部与顶部之间的空间；遵循图14的实例，面向下的吊装式灯具可以使其光束转向范围的中心位于邻近壁的中心附近，且照明壁的底部与顶部之间的目标。
图15A和图15B示出其中各种LED 40放置在相对于每一聚焦元件64的不同位置范围的实例。在图15A中，此变化是通过将LED放置在支撑结构60上的不同位置来实现，而在图15B中，此变化是通过沿着第一共同轴线使支撑结构60之间的距离不同于聚焦元件64之间的距离来实现。两个方法也可以组合。在任一情况下，效果是改变由灯具发出的聚集光束的形状。每一个别聚焦元件64将取决于LED 40和聚焦元件64的相对位置而产生光束。由灯具发出的聚集光束将是所有个别光束的总和。在图15A和图15B的实例中，由于LED位置在一个轴线中的变化而将产生延伸的聚集光束。延伸的聚集光束将在图15A的情况下垂直于LED阵列且在图15B的情况下平行于LED阵列而定向。通过使用这些技术对LED放置的精确控制可产生广泛多种聚集光束形状和配电分布。如先前所描述，仍可使用LED阵列和聚焦元件阵列的相对运动来转向所得聚集光束形状。
图16示出其中沿着第一共同轴线测量的支撑结构60之间的距离不同于聚焦元件64之间的距离的实例。在每一支撑臂60上存在LED 40的子阵列，沿着第二正交共同轴线排列。因此，不同的LED 40关于其相关联聚焦元件64在两个轴线中不同地定位。每一LED 40如果被供能则将导致光束以由其相关联的LED 40和聚焦元件64的相对位置决定的角度射出灯具。通过对特定支撑臂上的个别LED选择性地供能，可通过在两个轴线中对聚集光束形状和方向的控制而发出光束的任意图案。此设计可实现聚集波束成形和转向而不使用移动部分。替代地，所述设计可用于经由LED的选择性供能进行粗略聚集光束转向，而精细转向仍通过聚焦元件64的阵列和LED 40的阵列的相对运动提供。
图17A示出其中LED 200的二维子阵列与每一聚焦元件64相关联的实例。举例来说，所述二维子阵列可以由小“微型LED”形成。通过对二维子阵列中的LED 200选择性地供能，灯具可发出具有可变宽度和形状的光束。二维子阵列内被供能的LED可在每一子阵列中是相同的，或可变化以用于对聚集光束形状和强度的较精细控制。一些光束转向可通过对阵列中的LED选择性地供能来实现，并且进一步转向可通过聚焦元件阵列64和LED阵列的相对运动来实现。
图17B示出以呈透明薄片204形式的支撑结构实施的相似设计。透明薄片204允许LED的二维子阵列201为稀疏的且因此散布于相关联聚焦元件的较大区域上方，同时最小化遮挡。此设计可经由选择子阵列201内的LED进行供能而提供对聚集光束形状和转向的较大控制。
到目前为止描述的大多数实施例是使用凹反射器作为聚焦元件来描述。然而，这些发明也可用折射透镜作为聚焦元件来实施。
图17C示出其中折射透镜202的阵列用作聚焦元件的实例的侧视图。支撑结构203上的LED 40的定向可根据图5B中证明的概念而变化以实现圆形聚集光束。
图17D示出与作为聚焦元件的折射透镜202阵列一起使用的LED 201的二维子阵列的实例的侧视图。光束遮挡在折射聚焦元件202的情况下不是问题，因此LED 201的子阵列中的LED可散布于相关联折射透镜202的与所需一样多的区域上，且可放置于作为支撑结构203的平面导热衬底上而不考虑透明度。通过对二维子阵列中的LED选择性地供能，灯具可发出具有可变宽度、形状和转向的光束。二维子阵列内被供能的LED在每一子阵列中可为相同的，或可变化以用于对聚集光束形状的较精细控制。粗略聚集光束转向可通过对阵列中的LED选择性地供能来实现，且精细转向可通过聚焦元件阵列和LED阵列的相对运动来实现。
并入于发射器上的辅助光学器件
辅助光学器件可并入于多个LED 40的子阵列上以调整发光图案而获得最佳光束质量。辅助光学器件可为附连于LED 40上方的小透镜以提供朗伯(Lambertian)图案(例如，半球面透镜)、准直图案(例如，子弹形透镜)或来自光源的任何其它发光图案。在一些实施例中，并入于LED 40上的折射辅助光学器件和包括反射元件的聚焦元件阵列形成反射折射混合系统。
在一个实施例中，辅助光学器件特征在于针对每一子阵列中的每个LED的相同光学设计。所述光学设计可用于调整从LED的发光以使得聚焦元件可较好地捕获和准直发光成为输出光束，或产生输出光束中的不对称亮度图案，或以其它方式改变光束特性或系统效率。
在另一实施例中，辅助光学器件可用于最小化在转向期间的串扰。来自LED的一些发光可能未被其最近的聚焦元件收集，而是可行进到相邻聚焦元件，这称为串扰。串扰中涉及的光导致大体上落在所需聚集光束外部的误定向的光，从而导致效率和光束质量的不合意的损失。辅助光学器件可用于限制对串扰敏感的成角度发出的光的量。
在另一实施例中，具有不同光学设计的辅助光学器件可附连于子阵列中的个别LED上方以从每一LED产生不同光束形状。可关于所需光束形状通过选择性地接通每一子阵列中的个别LED而改变可转向的聚集光束的形状。可通过接通每一子阵列中的不同LED而产生额外聚集光束形状，从而导致不同个别发射器光束形状的混合。可另外实施聚焦元件阵列的机械致动以提供可调整聚集光束的转向。
这些实例不是穷尽性的，且可配置灯具的其它有用实施方案将是本领域的技术人员显而易见的。
用于平移聚焦元件阵列的致动器
通过更改聚焦元件阵列和LED阵列的相对放置和定向而实现光束性质的调整。对于这两个零件的相对位置的手动或电动调整，许多机械配置是可能的。举例来说，聚焦元件阵列可相对于LED阵列手动地移动，通过将其直接滑动或借助任一种手柄附件来移动。举例来说，从聚焦元件阵列突出的手柄附件可与枢轴组合以提供操纵杆式致动机构。
图18中示出另一实例。聚焦元件阵列112与安装到固定框架126的三个凸轮(121、122和123)接触。阵列112通过片弹簧124保持抵靠凸轮。阵列112的一个侧面与单个凸轮121接触。此凸轮的旋转位置控制着阵列112在一个轴线(图18中的“x”轴线)中的平移。阵列112的垂直侧与两个凸轮122和123接触。阵列112的“y”轴线平移是通过一起调整凸轮122和123来控制且通过凸轮的平均延伸来设定，而透镜阵列的扭曲旋转是通过单独地调整凸轮122和123来控制且通过这两个凸轮的延伸之间的差来设定。凸轮可连接到旋钮以用于对光束方向和宽度的手动控制，或连接到马达以用于自动控制。图18描绘与阵列112的边缘的边缘接触的凸轮和片弹簧，但它们还可从其它位置作用于阵列112，例如在附接到反射器阵列的中心的小突起上。此设计将通过允许凸轮和片弹簧配合在反射器阵列的周界内而提供更紧凑的灯具形状因数。为了可视清晰度而从图18省略LED阵列和支撑结构，但它们在聚焦元件阵列112的孔口上方固定在适当位置。
本文揭示的一般发明包含(但不限于)以下内容：
涵盖图10-13、16、17。一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，所述光源阵列包括可朝向镜中的相关联一个镜发射光的光源子阵列，其中从镜中的相关联一个镜反射离开的光束具有通过选择所述相关联子阵列中的特定一或多个光源而控制的形状；以及
控制器，其用于对所述子阵列中的所选一或多个光源供电以用于控制来自镜中的每一个的发光形状。
涵盖图4B和4C。一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，所述光源阵列包括由散热支撑结构支撑于所述镜的孔口中的每一个上方的一或多个光源，所述支撑结构包括在所述孔口上方延伸的悬臂；以及
致动器，其用于控制所述镜阵列与所述光源阵列之间的相对移动，其中由所述光源中的一个发出的从其相关联镜反射离开的光束具有受所述镜阵列与所述光源阵列之间的所述相对移动控制的形状和方向。
上述系统其中悬臂处于多种角度以改变由悬臂的光阻挡造成的相关联光束中的阴影的位置。
涵盖图6。一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，所述光源阵列包括由散热透明支撑结构支撑于所述镜的所述孔口中的每一个上方的一或多个光源；以及
致动器，其用于控制所述镜阵列与所述光源阵列之间的相对移动，其中由所述光源中的一个发出的从其相关联镜反射离开的光束具有受所述镜阵列与所述光源阵列之间的所述相对移动控制的形状和方向。
涵盖图7-9。一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，所述光源阵列包括朝向所述镜中的相关联镜引导光的单独光导的阵列；以及
致动器，其用于控制所述镜阵列与所述光源阵列之间的相对移动，其中由所述光源中的一个发出的从其相关联镜反射离开的光束具有受所述镜阵列与所述光源阵列之间的所述相对移动控制的形状和方向。
涵盖图14和15。一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，其中所述光源位于镜孔口上方的多种位置以便产生从所述镜中的不同镜发出的不同光束；以及
致动器，其用于控制所述镜阵列与所述光源阵列之间的相对移动，其中由所述光源中的一个发出的从其相关联镜反射离开的光束具有受所述镜阵列与所述光源阵列之间的所述相对移动控制的形状和方向。
虽然已经展示且描述本发明的具体实施例，但所属领域的技术人员将显而易见的是，可在本发明的更宽广方面中在不脱离本发明的情况下做出改变和修改，并且因此，所附权利要求书将在其范围内涵盖所有此类改变和修改。

Claims (13)

1.一种用于产生光的光学系统，其包括：
用于接收光的凹面镜的阵列，每一镜具有孔口；
光源阵列，其定位于所述镜阵列的近似焦平面处，所述光源阵列包括由透明支撑结构支撑于所述镜的所述孔口中的每一个上方的一或多个光源；以及
致动器，其用于控制所述镜阵列与所述光源阵列之间的相对移动，其中由所述光源中的一个发出的从其相关联镜反射离开的光束具有受所述镜阵列与所述光源阵列之间的所述相对移动控制的形状和方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括发光二极管LED，其中导电迹线提供于所述透明支撑衬底上在所述LED与用于对所述LED供电的控制器之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述透明衬底包括塑料、玻璃、陶瓷或晶体中的一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述透明衬底从所述LED进行散热。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器控制所述光源阵列的移动。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器控制所述凹面镜阵列的移动。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述凹面镜具有六边形孔口。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述凹面镜包括透明固体材料上的反射涂层以及与所述反射涂层相对的平面表面。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源包括具有矩形形状的发光二极管LED，且其中所述LED安装在所述透明支撑衬底上以便具有不同定向以使得所述LED的边缘并非全部彼此平行或垂直。
10.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述光源中的每一个的所述透明支撑衬底上的电导体延伸跨越所述凹面镜中的每一个的所述孔口的直径的近似二分之一。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述凹面镜阵列包括两行凹面镜，其中用于所述光源的电导体平行于所述行凹面镜行进，且接着延伸跨越所述凹面镜中的每一个的所述孔口的直径的近似二分之一。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器是手动控制的。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述透明支撑衬底包括固体透明薄片。
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