专利名称：具有提供预先计算的角强度分布的光学变换器的照明器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及照明系统。本发明更特别地涉及一种光变换器件，其提供了一 个精确确定的光分布模式，例如那些用于导航、障碍物指示和其他的信号光源的光分布模 式。
背景技术：
目前，照明系统被用于在道路和机场滑行道和跑道路线上标识障碍物和拐弯。例 如，机场使用照明系统来为进场和滑行的飞机提供指引。数千的卤素灯泡被用在机场。不 幸的是，这些灯泡需要太多的电力。在道路照明系统中，在障碍物的周围和沿着道路的拐弯放置灯泡以给驾驶员发出 信号表示存在障碍物和拐弯。这些照明系统没有为驾驶员以一种最佳的模式充分地再导向 (redirect)光线。例如，这些灯泡没有为距离它们较远的驾驶员提供足够的光线。因此，这 些灯泡也没有对驾驶员接近灯泡时光照度与距离成二次方倒数的关系进行补偿。特别地， 这些灯泡没有为当驾驶员更接近该灯泡时能更好地看见灯泡这一事实进行调整。此外，大 部分这样的信号器件在有用的模式中仅导向(direct) 了光源所发射光的一部分。因此，它 们效率低下。
发明内容
本发明提供了一种通过使用具有精确计算的反射面的光学变换器以预定的模式 高效地再导向由光源发射的光的方法和装置。在一个实施例中，本发明提供了由具有曲线 的环形反射内表面的光变换器再导向的被发射的光，该反射内表面以预定的模式反射光。 例如，该反射内表面反射光使得相当数量的光被反射到接近于与确定该环形发射内表面半 径的径向线一致的轴。该光通过一个光学窗被传输到光变换器外。在另一个实施例中，本发明提供了一种光再导向器件，用于传输光线使其具有低 散射度或与一个光的方向轴基本平行。该器件可以包括第一全内反射面；包括所述第一全 内反射面一部分的第一构件；位于所述第一构件一端的第一平面光学窗，所述第一平面光 学窗基本垂直于所述光的方向轴；和邻近于所述第一构件的非球面透镜。该器件可以还包 括第二全内反射面，该表面在所述光的方向轴的对面与所述第一全内反射面对称；和包括 所述第二全内反射面一部分的第二构件，所述第二构件在所述光的方向轴的对面与所述第 一构件对称。该器件还可以包括位于所述第二构件一端的第二平面光学窗，所述第二平面 光学窗与所述光的方向轴基本垂直，所述第二光学窗在所述光的方向轴的对面也与第一平 面光学窗对称。在另一个实施例中，本发明提供了一种光再导向器件，该器件可以包括从光源接收光的第一端；输出所接收的光的第二端，所述第二端位于该器件与所述第一端相对的一 端；位于该光再导向器件的第三端的第一构件，所述第一构件具有包含全内反射面的外部 壁；位于该光再导向器件的第四端的第二构件，所述第四端位于该光再导向器件上与所述 第三端相对的一端，所述第二构件具有包含全内反射面的外部壁；和位于所述第三端和所 述第四端之间的轴，所述轴与所述第一端垂直。所述第一面和所述第二面再导向所接收的 光到所述第二端的方向。在另一个实施例中，本发明提供了一种用于设计光变换器的反射面的方法，该方 法的步骤可以包括接收最大和最小输出角度；接收相对于提供光的光源的所述光变换器一 部分的位置；和基于所接收的所述光变换器一部分的位置，根据所接收的最大和最小输出 角，通过为输入角的每一增量提供输出角的相关增量，反复、逐点地计算光变换器反射面， 该输出角的相关增量与预定输出强度分布一致，以反射所述光源所提供的光。在另一个实施例中，本发明提供了一种用于变换和发射光的装置，该装置包括发 射光的光源；具有曲线圆锥形反射表面的光变换器，所述反射表面以具有预先计算的角光 强分布的模式反射所述光源所发射的大部分光；和传输所述光到所述光变换器外的光学 窗。该反射内表面可以在角度α反射光以获得与l/(tan2a)成比例的强度。该反射内表 面能进一步在不同角度反射光的光线以补偿感觉强度和距离光源的距离之间成反比的关 系。
本发明的优选实施例将参考如下附图进行说明，其中相同的数字指代相同的元 件，其中图1为根据一个实施例的光变换器的一个典型的透视图；图2为根据一个实施例的光变换器的另一个典型的透视图；图3为根据另一个实施例的半嵌入式全向照明器的剖视图；图4为根据另一个实施例的光变换器的一个典型的透视图；图5为根据另一个实施例的用于光变换器的照明系统的一个典型的顶视图；图6为根据另一个实施例的光变换器的一个典型的剖视图；图7为根据另一个实施例的光变换器的另一个典型的剖视图；图8为光变换器设计系统的一个典型的框图；图9为光变换器设计模块的一个典型的框图；图10为全向光变换器系统的一个典型的示意图；图IlA-图IlC为使用源光强进行二次方倒数规律补偿的典型的示意图；图12为如何设计一个反射面的典型的示意图；图13为用于设计光变换器的典型的流程图的示意图；图14A-图14C为一个系统的典型的示意图，该系统提供了水平面中的全向光模 式，其在垂直面中具有精确预定的光强分布；图15A和图15B为照明系统的合成的包络和迭加的强度分布模式的典型的示意 图；图16为一个环形精度光学变换器垂直剖面的典型的示意图；和
图17为一个用于高架的全向光变换器的光学变换器的典型的示意图。
具体实施例方式图1为根据一个实施例的集成全向光变换器100的一个典型的透视图。集成全向 光变换器100可以包括光学窗110和支座120。光学窗110可以包括全向窗或任何其他传 输光的装置，例如透镜、漫射器或敞开区域。在工作时，当希望以360度的模式将光散布出 光变换器100时，光变换器100可以是所示的圆形。其他的形状和各种遮光框可以被用来实 现不同的光分布模式。例如，为了使光仅通过光变换器100的一部分散布出去，光学窗110 的一部分可以被遮蔽。图2为根据一个实施例的光变换器100的另一个典型的透视图。图2图示说明光 变换器100可以进一步包括一个任意的非球面反射面130。该反射面130可以是曲面圆锥 内反射面。在工作时，光可以从光变换器的底部投射到反射面130上。然后，反射面130可 以将光通过光学窗110反射出光变换器100。图3为根据另一个实施例的半嵌入式全向照明器300的剖视图。半嵌入式全向照 明器300可以包括光变换器100，光源310，壳320，接线器330，印刷电路板(PCB) 340和光 线350-352。半嵌入式全向照明器300也可以包括垫圈片360，加强筋370，密封部分380和 粘合部分390。光源310可以是发光二极管或任何其他发光器件。接线器330可以提供到 外部电路的电连接，该外部电路为半嵌入式全向照明器300提供功率和控制。PCB 340可以 为光源310，接线器330和有用的电路提供用于运行该半嵌入式全向照明器的电连接。PCB 340还可以提供控制电路和电源，以便该半嵌入式全向照明器能由外部电路和功率自动进 行运行。在工作时，光源310发射光线350-352到反射面130。光线350-352根据反射面130 的曲率被反射。相对于垂直轴有最小角度的光线在最大的仰角的方向被反射(光线352)， 相对于垂直轴有最大角度的光线在最小的仰角的方向被反射(光线350)。因此，将形成出 射光束的光束腰以最小化透光壁的垂直尺寸。最好是，更高百分比的光线350-352能沿着 光线350的路径反射。例如，从光源310发出的70%的光可以基本上沿着光线350的路径被反射，10%基 本上沿着光线352的路径被反射，剩余的20%基本上在光线350和352之间被反射。因此， 照明器300将在较低的角度得到较高光强，几乎所有由光源所发出的光将以预定的模式被 导向。特别地，照明器300可以再导向光线，以便长程的照明度(例如，在较低的观察角) 将等于短程的照明度(例如，在较高的观察角)。因此，当车中的驾驶员接近照明器300时， 该驾驶员可以在距离照明器300较远和较近的距离感觉到相等强度的光。图4为根据另一个实施例的照明器500的一个典型的透视图。照明器500可以包 括光变换器600，以及包括多个光源700的照明系统800。在运行中，光变换器600可以被 放置在照明系统800上以接收和散布来自光源700的光。图5为根据另一个实施例的一个用于光变换器的照明系统800的典型的顶视图。 该照明系统可以包括光源700。该光源700可以是发光二极管(LEDs)或任何其他用于发光 的器件。该光源700可以围绕照明系统800，或部分围绕照明系统800以仅使光从照明系统 800的一部分发出。
5
图6为根据另一个实施例的光变换器600的一个典型的剖视图。该光变换器600 可以包括如窗610的窗，非球面透镜620，全内反射面(TIR) 630和635，和透明窗或光学窗 640和645。该TIR表面630和635可以是曲线环形反射内表面或任意非球面反射面。图7为根据另一个实施例的光变换器的另一个典型的剖视图。图7图示说明了光 源700散布光线710-750到光变换器600的一部分。该光源可以是LED或任何其他用于发 光的器件。在工作时，光源700放射光线710-750到光变换器600。光线710-750在窗610 进入光变换器600。如所示，光线730从光源沿着与确定该环形反射内表面的半径的径向线 一致的轴直线传播。那些直接行进到表面620的光线720，730和740被折射到低散射度或 基本上与光线730平行的方向。那些直接行进到表面630和635的光线750和760通过透 明窗640和645被反射到低散射度或基本上与光线730平行的方向。图8为光变换器设计系统900的一个典型的框图。该光变换器设计系统900可以 包括设计处理单元910，输入器件920，输出器件930和数据库940。设计处理单元910可 以是处理器，个人电脑，主机计算机，掌上电脑或任何其他用于处理数据的器件。输入器件 920可以是键盘，语音识别系统，调制解调器，扫描仪或任何其他用于输入数据的器件。输 出器件930可以是视频监视器，打印机，调制解调器或任何其他用于输出数据的器件。输出 器件930也可以是用于制造光变换器的加工系统。数据库940可以位于设计处理单元910 上，高密度磁盘上，软盘上，硬盘上或任何其他用于存储数据的器件上的存储器中。在工作时，输入器件920用于输入数据到设计处理单元910。该数据可以被系统 900的用户所输入。设计处理单元910可以处理数据和将数据存储到数据库940上。设计 处理单元910也可以从数据库940提取数据以用于处理。设计处理单元910还可以传送数 据到输出器件930。输出器件930可以给用户打印输出或显示该数据。该输出器件930还 可以在数据的基础上加工光变换器。图9为光变换器设计模块1000的一个典型的框图。该光变换器设计模块1000 可以包括控制器1050，存储器1040，输入/输出(I/O)接口 1010，数据库接口 1020和总线 1030。控制器1050控制光变换器设计系统900的运行和通过网络接口 1010与输入器件 920和输出器件930通讯，以及通过数据库接口 1020与数据库940通讯。在工作时，例如， 当设计者使用输入器件920时，设计处理单元910可以被存取，通讯信号可以被控制器1050 路由到设计处理单元910。在一个典型的实施例中，控制器1050依照本发明通过接收最大和最小输出角度 和相对于光源的接收光变换器一部分的位置进行操作。在所接收的光变换器的一部分的位 置基础上，根据所接收的最大和最小输出角度，控制器1050可以迭代地计算光变换器上反 射光源所提供的光的点。设计模块1000可以被用来生成一个任意非球面反射面，例如反射面130，630或者 635，这些反射面利用单个光源或给定光度特性的多个光源在水平空间中提供具有在垂直 面上有着精确预定的光强分布的相等的全向模式。图10为全向光变换器系统1100的一个典型的示意图。该全向光变换器系统1100 可以包括全向光变换器1110，如具有全向窗1120和非球面反射面1130的光变换器100。该 全向光变换器系统1100还可以包括光源1140，如LED。非球面反射面1130可以被设计以使光源1140发出的所有光线在α ’ min和α ’ _之间的角域通过全向窗1120被反射。相对于垂直轴有最小角(amin)的光线应在最大仰角 (α，mJ的方向反射，有最大角(α.)的光线应在最小仰角(α，mln)的方向反射。因此， 将形成出射光束的光束腰以最小化全向窗的垂直尺寸。图ll(a)_(c)为使用具有f’ (a ‘ ) = l/tan2(a，)角分布的源光强进行二次方 倒数规律补偿的典型的示意图。图ll(a)_(c)图示说明了观察从光变换器和光源1210发 出的光的观察器1220。为了分析，用某一公知的函数f(a)描述光源1210的空间光分布。 假设在垂直面内，光变换器所输出的光强分布用任意函数f’ (α ‘)描述，该函数可以满足 预先定制的要求。例如，如果该要求需要从不同距离有相等的可见度(例如，为补偿二次方
倒数规律)，这个函数应反比于tan2 ( α ’)。该二次方倒数规律得到￡ 二 #，其中E是照
D
明度，I是源光强，D是距离。因为 = 和/(α) = EH2 _^或者/’(α’)= -^―，其中
tanWtan atan a
c是常数。反射面1130的设计是一个迭代的过程。图12为如何逐步地为具有增量Δ α的 许多发射的光线AB、AC等设计反射面1320的典型的示意图。图12包括光源1310和输出 窗口 1330。如果已经从顶点0到点B设计了反射面1320，那么反射面1320的下一点C可 以通过如下公式得到a · f (α ) · Δα = f ‘ (α ‘ ) · Δ α ‘⑴其中a对于整个设计周期是常数。公式(1)中的条件意味着在Δ α ’扇区所输出 的能量等于△ α扇区所发射的能量乘以因子a。因子a如公式(2)所示
以 max“max 通过输出功率函数f’ (α ’)，边界条件Cimin和Cimax将单值地确定参数a。因此， 如图12所示，其中α，= α，F，且α ‘ F = α ‘ L+ Δ α ‘(3)是反射锥的局部角(local angle), β可以通过如下反射定律得到 已知点B的下一点C的坐标可以从如下线性方程系统通过光线AC与局部圆锥面 的交点得到。 其中第二个方程是从点A出发相对于ζ-轴有角α的光线的方程。于是 和，Yc = Zc · tan α (7)这可以从点C到反射面1320上一个新的点重复这一过程，直到出射角α ’未达到α 0
max u图13为用于通过控制器1050设计光变换器的典型的流程图的示意图。在步骤 1405，控制器1050接收初始数据。该初始数据可以包括最小角，最大角，和相对于光源的光 变换器的初始设计点(AO)的位置或距离。在步骤1410，控制器1050在输入最小和最大角 的基础上计算非球面反射面常数。在步骤1415，控制器1050为设计流程设定初始点和角 度。在步骤1420，控制器1050计算光变换器的反射面的局部角。在步骤1425，控制器1050 计算沿着光变换器的反射面的下一个点的坐标。在步骤1430，控制器1050计算光变换器 的反射面的反射角中的差值。在步骤1435，控制器1050为光变换器的反射面设置新的点。 在步骤1440，控制器1050确定计算所得的反射角是否大于所接收的最小角。如果所计算的 反射角不大于所接收的最小角，则控制器1050返回到步骤1420。如果所计算的反射角大于 所接收的最小角，则控制器1050前进到步骤1445。在步骤1445，控制器1050输出光变换 器的反射面的最终设计。在步骤1450，流程图结束。本方法图示说明了控制器1050如何设计一个具有预定光分布模式的光变换器。 因此，控制器1050基于所接收的该光变换器的一部分的位置，根据所接收的最大和最小输 出角，迭代计算光变换器上反射光源所提供的光线的点。在一些情况中，当单源的光强分布不能提供足够的照明以满足理想的要求时，就 可以实施如上述图5所示的具有多个光源的替代设计。图14(a)-(c)为一个系统1500的 典型的示意图，该系统通过垂直面中精确预定的光强分布提供水平面中的全向的照明模 式。多个等同的光源1510在水平面(XOY)构成一个圆形的阵列，并被环形精密光学变换器 1520所包围。该变换器1520被设计来提供水平面强度分布的最小影响和垂直平面中预定 的精确的强度分布。例如，图14(b)图示说明了变换器如何提供从输入光的β角到输出光 的β，角的强度分布的截面图，其中β /2和β ’ /2分别代表β和β ’的一半。图14(c)说明了如何通过迭加单独的出射模式α，ρ α，2，α，3等的方法生成水 平模式。当为特定的光源1510给出理想的角强度分布时，选择光源1510的数目和它们相 对位置以提供一个具有预定的非均一性的水平包络成为可能。图15(a)和(b)分别为照明 系统1500的所得的包络和迭加的强度分布模式的典型的示意图。图15(a)和(b)图示说明 了以间隔相等的36°角放置的10盏LED的例子，这种放置提供了 士5%非均一性的包络。图16为一个环形精确的光学变换器1700垂直剖面的典型的示意图；通过合并该 光学变换器(AOB)的中心部分的非球面透镜1710，构件1720和1730生成垂直模式。例如， 构件1730包括变换器的外围设备(OTE)。构件1720和1730可以包括平面光学窗1740和
1750和全内反射面1760和1770。该非球面透镜1710将所有在角度|内发射的光线变换
为由β ’_出射角的光线所限制的模式(例如，光线1’)。外围设备的性能基于全内反射，
由此所有在角度I和之间的光线将从全内反射面1770，通过平面光学线窗1750被反
射，并被调节在角度和β”_之间的区域(例如，光线2’)。非球面透镜轮廓和全 内反射面形状都可以作为在垂直平面中的预定的强度分布的函数来计算，使用根据图9-14
所描述的方法和程序。本概念和设计提供了具有很高比率(4可达50)的光转换，由于不
Ρλ
合理的尺度，这通过传统非球面光学是不可行的。
图17为一个用于高架的全向照明器的光学变换器的典型的示意图。该照明器可 以包括光源1810，输入面1820，反射面1830和光通道1840。该光源1810可以位于与输入 面1820距离d的位置。此外，输入面可以是以R为半径的半球面。另外，反射面1830可以 根据图9-14所揭示的方法进行设计。在工作时，光源1810可以通过输入面1820传输光。该输入面1820可以用全内反 射的方法引导光通过光通道1840到达反射面1830。该反射面1830可以根据特定的分布模 式反射光。例如，该反射面1830可以反射在角α，的光，其中α ’位于α ’ min和α，_之 间。此外，该反射面可以用类似于在图3中所示的半嵌入全向照明器300的方式反射光。本发明的方法最好在编程处理器上实现。但是，该方法也可以在通用或专用目的 计算机、编程微处理器或微控制器和外部集成电路元素，ASIC或其他集成电路，硬件电子或 逻辑电路诸如离散元件电路，可编程逻辑器件，如PLD，PLA，FPGA或PAL等等。一般说来，任 何在其上驻留能够实现如图所示的流程图的有限状态机(finite state machine)的器件 可以用来实现本发明的处理器的功能。虽然本发明通过其一些具体的实施例进行说明，但是很多替代、改进和变化对于 本领域的技术人员是清楚的。因此，这里所提出的本发明的最优实施例意欲于说明性，而不 是限制性的。可以进行不同的不背离本发明的精神和范围的改进。
权利要求
一种用于以预定的模式发射光的装置，包括发射光的光源；具有曲线圆锥形反射表面的光变换器，所述反射表面以具有预先计算的角光强分布的模式反射所述光源所发射的大部分光；和传输所述光到所述光变换器外的光学窗。
2.如权利要求1所示的装置，其中反射面反射光线使得相当数量的光被反射到接近于 与确定所述圆锥形反射表面半径的径向线一致的轴。
3.如权利要求1所示的装置，其中所述反射内表面反射在不同的角度的所述光的光线 以在角度α获得与l/(tan2 α)成比例的强度以补偿照明度二次方倒数的规律。
4.如权利要求1所示的装置，其中所述曲线圆锥形反射表面反射所述光源所发射的 光，使得相对于垂直轴有最小角的入射光线被反射到相对于水平轴有最大仰角的方向，以 及相对于垂直轴有最大角的入射光线被反射到相对于水平轴有最小仰角的方向。
全文摘要
本发明涉及具有提供预先计算的角强度分布的光学变换器的照明器，并公开了一种高效照明器(100)。所述照明器包括发射光的光源(310)。所发射的光被光变换器再导向，该光变换器有曲面的环形反射内表面(130)，所述反射内表面以预定模式反射光。相当数量的光可以被反射到接近于与确定该环形反射内表面半径的径向线一致的轴。此外，相当数量的光可以以具有低散射度或平行于所述光变换器的轴的模式被反射。该光通过光学窗(110)被传输到该照明器外。
文档编号F21W111/06GK101907265SQ20101021692
公开日2010年12月8日 申请日期2001年5月7日 优先权日2000年5月8日
发明者亚历山大·里兹克因, 伊利亚·阿古罗科, 戴维·鲁伊斯, 罗伯特·H·图德普 申请人:远光公司