CN1643703A - 用于收集并均匀传输led光的系统 - Google Patents

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Abstract

用于收集LED发出的光并以接近均匀的圆柱形式传输光的装置,包括围绕该LED基部的锥形反射器,用于收集发射到LED侧面的光,以及特别设计用于将收集到的光聚焦为近准直光束的透镜。该透镜具有相对的、基本上为椭圆的表面,以收集来自LED和反射器的快速发散光并使其准直,每个透镜表面包括无明暗差别点,以防止形成阴影,从而生成更加均匀的光束。

Description

用于收集并均匀传输LED光的系统
本申请声明要求享有2002年9月9日提交的美国临时专利申请NO.60/409265的优先权。
技术领域
本发明涉及用于收集发光二极管(LED)发出的光并以均匀的方式传输所述光的装置和方法。
背景技术
LED越来越多地在许多设备中用作光源。它们小而有效并且寿命较长。例如,几种利用了LED的闪光灯都是很有效的。参见诸如美国专利US5957714和US6220719,这两个专利的发明人与本申请相同。
将LED用作光源的设备通常包括一些收集和/或聚焦光的方法,这是因为LED发出的光是散开的。图1示出了典型的LED及其生成的光。一些现有技术的设备包括组合的反射器和折射器元件,以用于收集并传输LED发出的光。参见例如美国专利US5898267。
多数设备包括将LED成像到该LED前方平面上的光学器件。然而,对于诸如闪光灯之类的设备,所需要的不是LED的像,而是均匀光柱。
一些现有技术参考文献意识到了这一点。例如,一些已知的设备利用LED阵列,而且往往还利用透镜阵列以生成光柱,而不是点光源,参见诸如美国专利US6283613。
在本领域中,仍然需要以单一LED提供集束均匀光的装置和方法。
发明内容
本发明包括三个重要元件:
(1)LED;
(2)用于收集发射到LED侧面光的锥形反射器;和
(3)特别设计用于将收集到的光聚焦成近准直光束的透镜。
该LED通常是具有基部、发光元件及与基部连接并覆盖发光元件的半球形透明塑料壳体的传统型LED。由于塑料中的全内反射,这样一种LED在其塑料壳体的顶点处产生光的亮带。这些光通常被浪费掉。该反射器具有高度反射内表面。优选的是,该反射器是具有大约70°角的锥形。这种结构使LED发出的边带光的方向变为向前的。
该透镜是特别设计并配置成用于将LED直接发出的光和反射器反射的光聚焦为近准直均匀光束。该透镜具有两个重要特征。首先,在每个曲面中心都包括一个无明暗差别点。这防止了该透镜对LED发射器成像以及防止了在光束中形成暗点。因此,该透镜投射接近均匀的光场。第二,该曲表面是椭圆的,而不是球面的,从而捕获LED发出的快速发散光,并使其近似地准直。
优选根据以下等式设计该无明暗差别点4:
0.05d≤s≤0.1d,
其中s是无明暗差别点的直径,d是从LED前方到透镜中心的距离。该无明暗差别点产生接近均匀的光束,而不像传统透镜生成LED图像(具有亮点和暗点)。
需要将透镜的两个曲表面的椭圆曲率设计成捕获LED发出的快速发散光并使其近似地准直。优选的,该椭圆形的长轴小于距离d的0.7倍。最后,椭圆中心之间的距离应约为s,即无明暗差别点的直径。
在一个实施例中,该透镜是由塑料构成的,该透镜边缘处的厚度约为透镜中心处厚度的三分之一。在这个实施例中,(d)约为1英寸,该透镜的一半厚度约为0.24英寸,一半直径(假定椭圆边延长并相遇)约为0.70英寸,透镜的边缘厚度约为0.16英寸。
附图说明
图1(现有技术)是表示了传统LED生成的光的图像。
图2是根据本发明的收集并传输LED光的装置的侧面示意图。
图3是图2的装置生成的光的均匀场图。
具体实施方式
图2是根据本发明的收集并传输LED光的装置的侧面示意图。本发明包括三个重要元件:
(1)LED 3;
(2)用于收集发射到LED 3侧面的光的锥形反射器1;和
(3)特定设计用于将收集到的光聚焦成近准直光的透镜2。
LED3通常是具有基部、发光元件及与基部连接并覆盖发光元件的半球形透明塑料壳体的传统型LED。由于塑料中的全内反射,该LED在其塑料壳体的顶点处产生光的亮带。这种光通常被浪费掉。图1(现有技术)表示了典型LED生成的光。
反射器1具有高度反射内表面。优选的,该反射器是具有大约70°角的锥形。这种结构使LED3发出的边带光方向变为向前。反射器1可以是具有抛光反射表面的金属或塑料。如果由塑料制成,则需要在内表面上施加金属涂层。当该反射器置于LED周围时,其将边带光方向变为向前。在LED3的塑料壳体顶点处,由塑料中的全内反射生成了椭圆形亮斑。这个亮斑发出的光以几乎垂直于光正常前行的方向射出LED。边带光的光输出功率为前行光的10到20%之间。如果未使用反射器,那么这部分光被浪费掉。
回到图2,锥形反射器1优选具有大约70度的锥角,从而将边带光的方向变为向前并通过透镜3。二极管3在反射器1内的轴向位置确定了收集到多少光以及该光将在何处与前行光重叠。优选的是,该锥形反射表面应当在LED壳体的半球形圆顶的中心线下方0.04英寸处与LED3相交,以便优化光的聚集和光束的重叠。这个距离在图1中表示为(c)。
如上所述,反射器1将边带光置于透镜前方前行光之上约10英尺处。这样,尽可能多地利用所生成的光,提高了输出光束的亮度并增强了任一LED照明设备的效率。
透镜2特别设计并配置成用于将直接来自LED3的光和反射器1反射的光聚焦为近准直的基本均匀的光束6。该透镜具有两个重要特征。首先,每个曲表面5中心都包括一个无明暗差别点4。第二,该曲表面5是椭圆的,而不是球面的。椭圆中心的间隔等于无明暗差别点直径。
优选根据以下等式设计无明暗差别点4:
0.05d≤s≤0.1d,
其中(s)是无明暗差别点4的直径,(d)是从LED3的中心线到透镜1中心的距离。为了获得最佳性能,无明暗差别点4的直径(s)通常不应小于间隔距离的5%或者大于间隔距离的10%。该无明暗差别点产生接近均匀的光束,而不像传统透镜生成LED图像(具有亮点和暗点)。
需要将该透镜1的两个曲表面5的椭圆曲率设计成捕获LED3发出的快速发散光并使其近似地准直。多数透镜具有球面表面,但是这种透镜不能捕获LED3发出的快速发散光并使其准直。为了使椭圆透镜更好地准直光束,半径增加,表面5的椭圆曲率变得更加突出。
优选的是,该椭圆形的长轴小于距离d的0.7倍。此外,椭圆中心之间的距离应约为(s),即无明暗差别点的直径。
描述椭圆表面的等式是:
x2/(a)2+y2(b)2=1
其中如果透镜两面延长并相遇,那么(a)是透镜2的短轴长度或者二分之一厚度,(b)是该透镜的长轴长度或者二分之一直径。因此,描述二极管/透镜间隔距离和长轴之间关系的等式是:
(b)≥(0.7)(d),
其中(d)是从LED3到透镜2中心的距离。
这个等式表示,为了充分收集来自LED/反射器组件的光,该透镜的每个椭圆表面的长轴必须等于或大于LED和透镜中心之间间隔距离的约70%。由于光束限幅,小于这个值的长轴将导致向前投射光的损失。
对于任意给定的间隔距离(d),为了生成更准直的光束,必须增大短轴。如果该透镜是利用注模制造方法由塑料制成的,那么边缘厚度(e)与中心厚度之比不应超过3比1,以便避免表面下陷。这个比例给出了对于任意给定边缘厚度的透镜厚度上限。基于此,如果LED3和透镜中心之间的间隔是1英寸并且透镜的边缘厚度是0.16英寸,那么描述透镜椭圆表面的等式是:
x2/(0.24)2+y2/(0.70)2=1
作为最后一个要点,等于无明暗差别点直径的距离优选将椭圆的中心分开。具有这些设计特征的透镜2将有效地收集由LED/反射器组件生成的行光和反射光并使之近似地准直。
图3是图2的装置生成的接近均匀的光场6的图像。该光束照射到距离透镜24英寸的表面上。中心高强度光束的直径约为8英寸;外围光场的直径约为18英寸。

Claims (18)

1.一种用于收集LED发出的光并以接近均匀的圆柱形式传输所述光的装置,该LED具有基部、发光元件及与基部连接并且覆盖该发光元件的半球形透明塑料壳体,该装置包括:
围绕该LED的基部放置的锥形反射器,用于收集LED发光元件发出的边带光并将其向前传输;
与LED壳体相对并相隔放置的透镜,用于将LED发出的直射光和反射光聚焦,其中透镜中心与该LED上的半球形壳体的中心之间的距离是(d);
其中,该透镜以两个相对的、基本上为椭圆的表面为界,其中(a)是该透镜的一半厚度,(b)是该透镜的一半直径,并且其中每个表面都包括一个直径为(s)的无明暗差别点。
2.根据权利要求1所述的装置,其中无明暗差别点直径(s)在间隔距离(d)的约5%和10%之间。
3.根据权利要求1所述的装置,其中该锥形反射器形成大约70°的锥角。
4.根据权利要求1所述的装置,其中该锥形反射器由金属构成。
5.根据权利要求1所述的装置,其中该锥形反射器由具有金属涂层的塑料构成。
6.根据权利要求1所述的装置,其中该锥形反射器在朝基部方向距离LED上的半球形壳体的中心约0.4英寸的偏移距离(c)处与LED相交。
7.根据权利要求1所述的装置,其中该透镜的一半直径(b)大于或等于间隔距离(d)的约70%。
8.根据权利要求1所述的装置,其中该透镜的一半厚度(a)约等于该无明暗差别点的直径(s)。
9.根据权利要求1所述的装置,其中该透镜由塑料构成,并且该透镜边缘处的厚度(e)约为透镜中心处厚度的三分之一。
10.根据权利要求1所述的装置,其中(d)约为1英寸,一半厚度(a)约为0.24英寸,一半直径(b)约为0.70英寸,透镜的边缘厚度(e)约为0.16英寸。
11.用于收集LED发出的光并以接近均匀的圆柱形式传输所述光的装置,该LED具有基部、发光元件及与基部连接并且覆盖该发光元件的半球形透明塑料壳体,该装置包括:
围绕该LED的基部放置的锥形反射器,用于收集LED发光元件发出的边带光并将其向前传输;
与LED的壳体相对并相隔放置的透镜,用于将LED发出的直射光和反射光聚焦,其中透镜中心与该LED上的半球形壳体的中心之间的距离是(d);
其中该透镜以两个相对的、基本上为椭圆的表面为界,其中(a)是该透镜的一半厚度,(b)是该透镜的一半直径,并且其中每个表面包括具有直径(s)的无明暗差别点;以及
其中无明暗差别点的直径(s)在间隔距离(d)的约5%与10%之间。
12.根据权利要求11所述的装置,其中该锥形反射器形成大约70°的锥角。
13.根据权利要求1所述的装置,其中该锥形反射器在朝基部方向距离半球形塑料壳体的中心约0.4英寸的偏移距离(c)处与LED相交。
14.根据权利要求11所述的装置,其中该透镜的一半直径(b)大于或等于间隔距离(d)的约70%。
15.根据权利要求11所述的装置,其中该透镜的一半厚度(a)约等于该无明暗差别点的直径(s)。
16.用于收集LED发出的光并以接近均匀的圆柱形式传输所述光的装置,该LED具有基部、发光元件及与基部连接且覆盖发光元件的半球形透明塑料壳体,该装置包括:
围绕该LED的基部放置的锥形反射器,用于收集LED发光元件发出的边带光并将其向前传输;
与LED的壳体相对并相隔放置的透镜,用于将LED发出的直射光和反射光聚焦,其中透镜中心与该LED上的半球形壳体的中心之间的距离是(d);
其中该透镜以两个相对的、基本上为椭圆的表面为界,其中(a)是该透镜的一半厚度,(b)是该透镜的一半直径,并且其中每个表面包括具有直径(s)的无明暗差别点;
其中无明暗差别点的直径(s)在间隔距离(d)的约5%和10%之间;以及
其中该透镜的一半直径(b)大于或等于间隔距离(d)的约70%。
17.根据权利要求11所述的装置,其中该锥形反射器形成大约70°的锥角。
18.根据权利要求16所述的装置,其中该透镜的一半厚度(a)约等于该无明暗差别点的直径(a)。
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