全向灯的制作方法

专利名称：全向灯的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大致涉及一种照明装置，更特别地涉及一种 具有固定光源的全向灯。
背景技术：
常规灯泡是全向的，但是它们的照明在超过一短距离时并不 强烈。为了提供能够将它的照明投射到更远距离上的灯，已经研发 了手电筒和聚光灯。这些装置聚焦光束以便其在更远的距离上传 播，但是灯的全向性损失。因此，许多设备已经研发了这样的灯具，其具有围绕轴线以 高速旋转的聚焦光束。这些快速旋转的灯首先提供超过固定位置光 源能力的全向灯，但是作用于灯泡的机械力縮短了这种旋转灯泡的 寿命，从而使得它们不可接受。美国专利No. 4054791描述了一种具有高速旋转光束的便携式 提灯(lantern)。反射镜相对于竖直方向以45度角安装并以高速旋 转。结果得到快速旋转的聚光灯光束，其提供一种强烈的全向灯。然而，已经确定由于以45度角安装的平坦、平面物品的固有 不稳定性，因此以45度角定位的快速旋转反射镜存在旋转问题。 从而，在高速旋转下，振动出现，并且不能得到更高的旋转速度。美国专利No. 5126923描述了一种使用单个光源的全向灯，其 将光束引导到一对以每秒数百转数旋转的反射镜上。所述反射镜以 "X"构形安装以提供无振动操作。光束被分成两半并由所述反射 镜沿相反的方向引导。美国专利No. 5057827公开了一种用于产生光幻觉(optical illusion)的装置。旋转件旋转，并且光图像沿径向方向从旋转件 产生。图7示出了使用单个光图像元件202的实施例。元件202沿 着一管的中心轴线设置并在该管内定位，所述管在从电动机206延 伸的一端204处钻孔。钻孔的管允许在该钻孔管的一端内部放置 LED或激光二极管，对于来自基座内固定光源的光束传导不通过。 该钻孔管然后安装到电动机的实际轴并旋转。反射表面212在中空 轴204的轴向端处铰链安装在铰链210上。反射表面可以用于将元 件202发射的光重新引导到发光表面214上。在光入射的地方，观 察者将观察到表面214上点亮的像素或光点。反射表面212的枢转 通过连接到杆218和载体220的控制器216控制。由于反射表面 212安装在旋转中空轴的轴向端部上，因此装置可能受到平衡方面 的问题。同样，由于光源在电动机上方安装在中空轴中，因此将能 量提供到光源更复杂。希望提供一种无振动、利用低功率并提供高输出的照明系统。 此外，希望提供一种紧凑、容易制造和相对便宜的照明系统。同样， 希望提供一种与已知光源相比，呈现较低环境危险和安全性增加的 照明系统。发明内容在一个实施例中，照明装置具有基座、安装在基座上的电动 机和安装在电动机上的旋转组件。基座接收散射光并将该散射光聚 焦为光束。电动机具有设置成接收光束的可旋转中空轴。旋转组件
包括联结到电动机的中空轴的可旋转光学轴，以便光学轴和电动机 的中空轴一起旋转。反射器定位在光学轴中，其中通过电动机的中 空轴接收的光束入射反射器并通过光学轴的侧壁被引导。基座可以具有安装在其中的光源。光源可以是LED阵列。基 座可以包括定位在LED阵列中心处的准直光学元件。准直光学元件 可以是锥形反射器。定位在光学轴中的反射器以从大约35度AOI 至大约55度AOI角的范围的角度倾斜。反射器可以以约45度AOI 的角度倾斜。根据本发明的一个方面，提供一种照明装置，其具有电动机， 旋转组件和反射器。电动机具有定位以接收光束的可旋转中空轴。 旋转组件安装在电动机上并包括联结到电动机中空轴的可旋转光 学轴，以便光学轴和电动机的中空轴一起旋转。反射器定位在光学 轴中，其中通过电动机的中空轴接收的光束传播通过可旋转光学 轴，并且入射反射器，并通过光学轴的侧壁被引导。根据本发明的另一个方面，提供一种照明装置，其具有电动 机，旋转组件和主要的光学系统。电动机具有定位成接收光束的可 旋转中空轴。旋转组件安装在电动机上并包括联结到电动机中空轴 的可旋转光学轴，以便光学轴和电动机的中空轴一起旋转。主要的 光学系统定位在可旋转光学轴上，其中通过电动机的中空轴接收的 光束传播通过可旋转光学轴，并且入射主要的光学系统并通过旋转 光学轴的侧壁被引导。根据本发明的又一方面，提供一种方法，其通过利用多个LED 产生集中光束并以从约3000rpm至约lOOOOrpm的速率范围360° 扫描该集中光束来提供全向照明。


为了更完整的理解本发明的实施例，应当结合所附附图参考 下面的详细说明。图1是全向灯系统的实施例的前透视图，其中其顶罩被去除。图2是图1所示全向灯系统的前透视图，其中其顶罩在原位。图3是基座子组件的一部分的顶端正视图。图4是全向灯的实施例的截面示意图。图5是从电动机延伸到顶罩中的旋转子组件的透视图。图6是装配在图5所示的光学轴内的主要光学系统的透视图。图7是主要光学系统包含在其中的光学轴的可替换实施例。图8是全向灯系统的另 一 实施例的示意图。图9是完全装配的图8所示的照明装置的示意图。图10-13是根据本发明另一实施例的照明系统的示意图。
具体实施方式
不同于传统的泛光照明(flood illumunation)，其中光子在 大面积上以连续方式分布(disburse),本发明照明装置的实施例 沿特定方向引导集中光束，即聚光，并以高速沿着完整的圆扫描该 光束。使用人眼每秒取样大约30帧的事实，在对眼睛取样一次的 时间内，光束将进行至少一次完整的360度扫描，从而给予照明是 连续的印象。图1是全向灯系统10的实施例的前透视图，其中其顶罩32 (见图2)被去除。灯系统IO包括三个主要部分基座子组件11， 定位在壳体12中的电动机14，和旋转子组件16。基座子组件11 包括多个部分，其包括壳体18， LED阵列20，和光束引导光学系 统22。电动机14包括中空轴24，其朝着基座子组件壳体18向下 延伸，如图所示。旋转子组件16包括联结到电动机14的中空轴 24的光学轴26、和定位在光学轴26中的主要光学系统(optics)(未示出)。形成在光学轴26中的窗口 30将光引导到外部环境， 如下文所详细描述的那样。图2是图1所示全向灯系统10的前透视图，其中其顶罩32 在原位。顶罩32优选是透明的并由塑料或玻璃构成。可替换地， 顶罩32可以利用常规技术着色。顶罩32保护光学轴26和光学系 统不受其中放置灯系统10的环境影响。此外，顶罩可以基本上是 透明的，并包括覆盖一部分顶罩的不透明罩，用于阻碍辐射沿预选 定的方向传播。同样，顶罩可以包括用于提高预选定区域的亮度的 反射器。现在将描述灯系统10的操作。LED阵列20由12伏DC电源供 电。从LED阵列20发射的光通过光束控制光学系统被收集、聚焦 和准直。在优选实施例中，光束控制光学系统包括以锥形棱镜的形 式定位在基座子组件11中的光束引导光学系统22，和定位在电动 机的中空轴24中的聚焦和准直透镜(未示出)。准直光沿着电动机 14的中空轴24和联结到电动机14的旋转子组件16被向上引导， 在其处它入射到主要反射器上，并被引导穿过形成在光学轴26中 的窗口 30，然后通过顶罩32出射。电动机14以范围从大约3000rpm 至大约10000rpm的速度旋转。出射到放置灯系统10的环境中的光 呈现出是连续的。由于使用LED，因此照明装置比常规照明源例如 汞灯更安全。图3是定位在壳体18中的基座子组件11的一部分的顶端正 视图。如前所述，基座子组件ll包括壳体18、 LED阵列20和光束
控制光学系统22的一部分。优选地，壳体18由塑料制成，尽管它 不必须如此。光束控制光学系统定位在其中的壳体18的内部表面 涂敷有反射材料，例如铝层(flashing),如从构造汽车的前灯反 射器可获知的。壳体18优选地具有圆柱形状，尽管它可以具有其 它形状，特别是取决于它的应用。在一个实施例中，LED阵列20 是环的形式，所述环围绕壳体18的内周壁，并定位在壳体18的基 座处。LED阵列20通过对于每个LED具有单独安装结构的环形成。 安装结构例如可以是孔或狭缝，或任何其它设计为保持LED的结 构。每个LED设有其自己的布线。具有LED的LED阵列安装在基座 子组件11的底板上。LED阵列20可以安装在基座子组件11的其 它部分上，如参考图8所述，并且不需要是环的形式。收集光学系 统定位在壳体18的基座上，优选地在其中心处。聚焦和准直光学 系统(未示出)定位在电动机的中空轴24内部。图4是全向灯的实施例的截面示意图。光路如阴影线所示。 电动机14的中空轴24直接延伸到收集光学系统22上方的基座子 组件11中。优选地，电动机是无电刷电动机。优选地，电动机14 卡接(snap)在基座子组件11上。旋转子组件16装配在电动机 14的顶部上并优选卡接到适合的位置。由于三个部件之间的该卡 接型装配，因此成本最小化以及装配得到简化，因为这三个部件可 以作为完成的组件输送到装配线。在优选的实施例中，旋转子组件 16由塑料制成，尽管它不必须如此。旋转子组件16包括光学透射 的光学轴，其连接到电动机的中空轴24以便它与中空轴一起旋转。 此外，主要光学系统28装配到光学轴内部，如参考图5所述。在 一个实施例中，光学轴可以通过出于惯性考虑优选由塑料制成的中 空管形成，但是不必须是塑料。旋转子组件16的光学轴26与电动
机14的轴一起旋转，而在图4的截面图中未示出的顶罩32保持静 止。图5是从电动机14延伸到顶罩32中的光学轴26的透视图。 在本实施例中，光学轴26是中空的圆柱轴，其具有开口的顶端。 窗口 30形成在光学轴26的一侧中，光束将通过它被引导，如下文 的详细描述。光学轴26的内部设有刚好定位在窗口 30下方的边缘 (rim)(未示出)，其有助于正确地定位和支撑插入到光学轴中的 主要光学系统28，如参考图6所述。图6是装配在图5所示的光学轴26中的主要光学系统28的 透视图。如前所述，图5所示的光学轴26是中空的并具有开口的 顶部。主要光学系统28是圆柱的形状，其底部部分以范围从约35 度至约55度的入射角(AOI)、更优选地以45度AOI的角度被切割。 主要光学系统28的底部成角度表面涂敷有反射材料例如铝或银以 形成反射器。反射器也可以涂敷有在特定波长处具有反射属性的材 料，即用于红外波长的金。在本实施例中，反射器示出为平面件， 尽管它不必须是。反射器可以是弯曲的以便它具有例如凹或凸的反 射表面。主要光学系统插入到中空轴的顶部中，并由形成在中空轴 的内部上的边缘(未示出)定位和支持。主要光学系统28利用环 氧树脂类和/或机械紧固件例如螺钉或销固定在中空轴的内部。旋 转子组件16从而设有一个反射表面。图7是主要光学系统的可替换实施例并解决平衡问题。如前 所述，光学轴是光学透射的。在本实施例中，主要光学系统28利 用透明的丙烯酸杆(或任何其它光学透射的材料)形成。所述杆以 相对于杆的端部从约35度至约55度范围的角度被切割成两半，更 优选地，以约45度的角度。反射涂层应用到圆柱杆的上半部的成
角度的表面，然后这两块优选利用环氧树脂反向结合在一起。由于 使用实心的柱体，因此本实施例提供平衡系统10。如参考美国专利No. 4054791所讨论的，提供对称的两个反射镜(mirror)系统， 因为考虑仅利用一个反射表面不能得到平衡的系统。图8是全向灯系统10的另一实施例的示意图。用于基座子组 件和电动机的壳体未示出以便简化本实施例的描述。在本实施例 中，LED阵列20是安装在基座子组件壳体顶部中的阵列，其中LED被朝向子组件的底板。定位在基座子组件的底板上的是反射抛物面 反射器(parabolic dish) 34，向上指向LED。抛物柱面反射器作 用为光束收集器。光束收集器34收集光束，并将它们引导到光束 准直器33上，其准直光束并将它们引导到电动机的中空轴24。定 位在电动机14的中空轴24中的是光束縮减光学系统，优选是两个 间隔的透镜的形式。然后将光束引导到主要光学系统28。 图9是完全装配的图8所示的照明装置的示意图。 在优选实施例中，用于本发明实施例中的LED阵列可以是图1 或图8所示的任一构形。更优选地，为了根据本发明实施例从照明 系统10得到真正的白光，当需要时，以下述量使用红、绿和蓝色 LED: 50%蓝(470nm); 25%红(635nm);和25%绿(525nm)。可 替换地，可以提供控制器，其允许改变每种颜色的单独输出以便用 户可以控制他们愿意用什么颜色来照明。如已知的，LED通过环或 阵列均匀分散。根据本发明实施例的照明系统10将所有电子设备 容纳基座子组件中，由此简化装置的构造和制造。由于它们将电流转换为光的高效率，同时产生很少的热量， 因此选择阵列形式的LED。在优选实施例中，LED阵列消耗不大于 90瓦的功率。优选地，安装结构在阵列中具有孔，所述孔封装每 个LED,由此捕获单独的LED的热量并将其散发到整个阵列的更大 的传导表面，所述表面吸收和辐射热量，使其离开LED朝向壳体 18的外部表面。通过使光源定位在在此所述的各个实施例的主要光学系统的 反射表面下方，与现有技术中所述的在反射表面之上相反，存在的 好处在于光源产生的热量可以被隔离以减小或防止LED阵列20和 电动机所产生的热量对光学系统的损害。过多的热量，特别是任何 灯丝灯泡产生的热量，如果不仔细隔离，可以很快损害光学表面和 电动机14本身。在此所述的实施例包含并将光源产生的热量与电 动机14和光学元件隔离。任何产生的热量被隔离并利用已知的散 热技术引导远离光学系统和电动机14，从而提供具有长寿命周期 的系统10。从而，将LED放置在基座中允许对于LED的机械保护 以及热隔离和热传导。它还允许来自LED阵列的总照明输出的特定 方向控制。电动机的中空轴是导管，来自LED的总照明通过它到达主要 光学系统，例如反射镜。中空轴将LED和它们产生的热量与主要光 学系统隔离。更特别地，灯系统10被安装成使得基座子组件12安装到一 结构，并且电动机14安装到不同的结构。LED环和电动机14每个 包含在它们自己的空间中。通过对于LED产生的安装孔，每个LED 由LED环围绕。LED环直接连接到基座子组件12，由LED产生的热 量将被捕获并直接引导到基座子组件12的壳体，以及向外到基座 子组件12安装在其上的结构。同样地，电动机包含在它自己的空 间中并通过电动机14的顶部安装到一结构。电动机14产生的热量 通过该结构的顶部和侧面被捕获并向下引导到相同的基板，以及从
该结构的表面向外辐射。此外，主要光学系统和旋转子组件16被设计为在电动机上具 有最小的负荷。利用每英寸大约一盎司的负荷，电动机14经历很少的扭转负载并运转时产生最少热量。无刷电动机14可以连续操 作，同时消耗小于10的总瓦数。考虑到热量增加，电动机14通过 其顶部安装到安装结构，其允许任何通过电动机14产生和辐射的 热量被吸收和引导到壳体的外部表面，其中它将被辐射到外部空 气。这些散热技术确保光学系统不受到过热的影响，过热将导致光 学系统的快速劣化，以及确保任何电动机产生的热量也被引导远离 光学系统和电动机。这允许长寿命的产品，其应当经历超过30， 000 小时的使用寿命。现在描述系统10的操作。电动机14通电以便它的中空轴以 及从而旋转子组件16光学轴旋转。主要反射镜位于光学轴的顶端 处并通过电动机被旋转。通过反射镜表面的特定设计，主要反射镜 可以在非常限定和特定的区域中分布输出光。这消除了在除了需要 的区域以外的任何区域中分布的光。光学系统的旋转还提供不能由 任何其它类型的固定照明源提供的属性。光引擎(light engine) 以均匀的图案分布它的光，而没有亮斑或死区。光源被通电，由此 产生的光通过光束控制光学系统向上引导通过中空轴24以及进入 旋转子组件16的光学轴，其中在那里它入射主要光学系统的反射 表面并被引导出光学轴的窗口 30 (图5)或通过光学轴的一侧(图 7)。装置可以构造为永久连接到一结构，例如车辆，或它可以是 移动的以便它可以在不同地方之间移动。装置的结构提供紧凑的封 装，机械封套优选不大于约12X12X12英寸，重量不超过10磅。 由于它优选使用LED技术，因此它具有好的耐久性。已经发现该装 置可以利用"运动场照明"充满10,000平方英尺区域，而仅消耗 不大于100W灯泡的功率。装置通过例如12伏的电池供电，或它可以插入能量源例如车 辆的点烟器中，或可以提供AC/DC转换器以将该装置插入到壁插座 中。可替换地，装置可以通过其它能量源例如太阳供电，只要提供 足够的电流。优选地，功率系统10是低功率、低电压系统。通过 利用中空轴电动机，光源和供电该光源的源例如电池定位在一起。 由于光源不需要在电动机上方移动，因此所有有源的电部件可以位 于基座内的固定的平台上，从其上功率能够在更可靠和持久的基础 上分布。光源可以选择以便它具有特定波长，从而它可以在某些条件 下使用，例如对于雾的黄光。此外，光源可以由例如红外激光器的 微波辐射源替换。顶罩32可以是透明的或它可以具有颜色，取决于装置将被使 用的应用。此外，顶罩32在一些应用中是不需要的。同样，顶罩 可以是透明的并具有部分覆盖其一部分的不透明罩。图10-13是根据本发明另一实施例的照明系统50的示意图。 在本实施例中，存在基座子组件52和组合的电动机和旋转组件54。 基座子组件52包括多个LED 56，每个具有连接到其输出的光缆58。 光缆的输出向基座子组件52的中心引导并聚焦到透镜60上。电动 机/旋转组件54位于基座子组件52的顶部上，并具有透镜62，其 与基座子组件中的透镜60对准。光缆64从透镜的输出延伸到反射 器66。电动机和旋转组件一起旋转。由LED产生的光源经由光缆 向上引导到反射器，其中它反射到旋转组件外。
装置不仅可以用于泛光照明，而且可以通过停止电动机14和 旋转子组件16的旋转从而用于照明非常聚焦的区域。装置还可以 设有上下翻转光束和扩宽或变窄照明区域的能力。通过提供附加的 光学系统例如倾斜反射镜，光束的垂直控制可以通过操纵基座子组件12内的光束控制光学系统来实现。优选地，装置的从停止/启动 电动机14到倾斜光束的所有控制将远离装置而被控制，例如无线控制。用于该装置的应用范围可以从围绕农业机械到施工设备到建 筑结构、例如谷仓和仓库、停车场的泛光照明。此外，装置可以替 换传统的车辆照明系统。军事应用可以包括领空或基于地面的车辆或固定物体周围的红外(IR)饱和度，使尝试采集作为目标的所述 物体的IR敏感系统失灵。同样，装置可以用于海洋应用。当然， 各个元件需要被做成防水的。装置是值增加照明系统，其与固定的LED源相比，成倍增加 可用的流明。随着LED在流明输出增加以及在功率输入减小，在 LED的固定阵列可获得的总流明输出增加之前，根据本发明实施例 的装置具有一定的宽裕度将甚至进一步改进的LED结合到本装置 中。特别是，根据本发明实施例的照明装置的流明输出超过传统的 固定光源至少IO个因子。
权利要求
1.一种照明装置，包括电动机，具有定位成接收光束的可旋转中空轴；安装在电动机上的旋转组件，所述旋转组件包括联结到电动机中空轴的可旋转光学轴，从而光学轴和电动机的中空轴一起旋转；和反射器，定位在光学轴中，其中通过电动机的中空轴接收的光束传播通过可旋转光学轴，并且入射所述反射器并被引导通过光学轴的侧壁。
2. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，还包括联结到 电动机的基座，其中基座容纳产生光束的光源。
3. 根据权利要求2的照明装置，其特征在于，光源是LED环。
4. 根据权利要求2的照明装置，其特征在于，光源是LED阵列。
5. 根据权利要求3的照明装置，其特征在于，还包括定位在 LED环中心处的准直光学元件。
6. 根据权利要求5的照明装置，其特征在于 是锥形反射器。
7. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于 从约35度AOI至约55度AOI角的角度倾斜。
8. 根据权利要求7的照明装置，其特征在于，反射器以约45，准直光学元件 ,反射器以范围 度AOI的角度倾斜。
9. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，还包括覆盖旋 转组件的顶罩。
10. 根据权利要求9的照明装置，其特征在于，顶罩由塑料制成。
11. 根据权利要求9的照明装置，其特征在于，顶罩由玻璃制成。
12. 根据权利要求9的照明装置，其特征在于，顶罩由着色 材料制成。
13. 根据权利要求9的照明装置，其特征在于，顶罩由透明 材料制成。
14. 根据权利要求9的照明装置，其特征在于，顶罩基本上 由透明材料制成并包括覆盖其一部分的不透明罩。
15. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，还包括基座， 其中所述基座包括壳体；沿壳体的内周定位的LED阵列；和 定位在壳体中心处的光束引导光学系统。
16. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，光学轴是中 空的并具有形成在光学轴的侧壁中的窗口。
17. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，光学轴是实 心透明的丙烯酸杆。
18. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，电动机以范围从约3000rpm至约10000rpm的速率旋转中空轴。
19. 根据权利要求15的照明装置，其特征在于，LED阵列通 过对于每个LED具有单独安装位置的环形成。
20. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，反射器是平 面的。
21. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，反射器是曲 线的。
22. 根据权利要求21的照明装置，其特征在于，反射器是凸的。
23. 根据权利要求21的照明装置，其特征在于，反射器是凹的。
24. 根据权利要求1的照明装置，其其特征在于，可旋转光 学轴是中空的。
25. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，可旋转光学 轴由实心透明材料制成。
26. 根据权利要求25的照明装置，其特征在于，该材料是丙 烯酸。
27. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，还包括基座， 其中基座包括壳体；定位在壳体顶部中的LED阵列，其中LED阵列将其照明引导到壳体的底部；和定位在壳体底板上的光束收集器。
28. 根据权利要求27的照明装置，其特征在于，光束收集器 是反射抛物面反射器。
29. 根据权利要求1的照明装置，其特征在于，光学轴是光 学透射的。
30. —种照明装置，包括电动机，具有定位成接收光束的可旋转中空轴； 安装在电动机上的旋转组件，所述旋转组件包括联结到电动机中空轴的可旋转光学轴，从而光学轴和电动机的中空轴一起旋转；禾口主要光学系统，定位在可旋转光学轴中，其中通过电动机的 中空轴接收的光束传播通过可旋转光学轴，并且入射所述主要光学 系统并被引导通过可旋转光学轴的侧壁。
31. 根据权利要求30的照明装置，其特征在于，主要光学系 统是反射器。
32. 根据权利要求30的照明装置，其特征在于，主要光学系 统通过一块实心透明丙烯酸杆形成，该杆己经被在倾斜面上被切割 为两个部分，其中反射涂层形成在倾斜切割表面上并且该部分结合 到实心透明丙烯酸杆的剩余部分。
33. 根据权利要求30的照明装置，其特征在于，光学轴是光 学透射的。
34. —种提供全向照明的方法，该方法包括以下步骤利用多个LED产生集中光束；和以范围从约3000rpm至约10000rpm的速率360°扫描该集中光束。
全文摘要
一种光引擎，其通过产生沿特定方向的聚集光束并以完整的圆以高速扫描该光束，使其产生呈现为全向光源。光引擎包括通过卡接型装配彼此联结的子组件，以便成本最小化以及装配得到简化。
文档编号G02B26/08GK101213482SQ200680024172
公开日2008年7月2日 申请日期2006年5月9日 优先权日2005年5月9日
发明者S·L·厄尔克 申请人:Seo精密公司