本发明涉及一种照明设备和特别涉及远程高强度并可调焦的led灯。
背景技术：
设计一个射灯是为了可以把一个集中的光束射向一个远处的指定区域。目前，没有一个只用相同的装置和低耗能的led射灯，可以有效地及集中地远近照亮皆宜。如果一个led灯需要在较远处提供高强度的照明，通常会把很多高功率的led芯片，列阵在一块平面电路板上，加上一个抛物线凹面反射镜或一个大型透镜，以达到效果。图1和图2示意性地表示了这种结构的射灯。这些目前的方法有很多缺点，例如：(1)光学中的光束散射或汇聚原理仅适用于单点光源，使用led芯片的列阵，注定了光源不能是一个单点的大小，光束散射或汇聚将不易控制(见图1和图2)，这个特性限制了在远处的有效照明，无论在何处观察，将会看见多个亮度不均匀的光斑(见图3)。(2)畸变和失真会很明显，均匀地照亮远处非常困难。(3)因为大多数的光束散射至远离预定的目标，所以远处照明功率非常弱，为了弥补弱照明功率的问题，往往被输入更高的电能进led芯片，浪费了很多电能，同时产生大量的热，缩短了led芯片的有效寿命。(4)射灯所用的镜片通常都不是为特定的led芯片独有的光学特性而专门设计。(5)射灯如果可以调焦，通常会有一个机制调整光源和透镜或反射镜间的相对距离，以调节光束的焦点。但这些调焦机制，通常都不能防振，承受强大的后坐力、横冲击、振荡，这些调焦机制并且通常不能防水或防止气体渗入，从而不能防爆。
综合上述，有必要发明一种多用途的led灯，这灯需要耗电量低，可调节光束的焦点和方向，远近都可提供高强度的照明，在有需要的情况下，还可以是防水、防振、以及防爆。
技术实现要素：
本发明的内容，可以用以下一些实施例概要地说明。
本发明其中一个实施例，提供了一个包含多个相同色温的单点led芯片的射灯，按照灯的特定应用范畴，每一个单点led芯片会配有专门设计的透镜。在本文中所用的术语例如「聚焦透镜」或与led芯片一起使用的「透镜」，不一定是单一个透镜，可以是指一个或多个透镜结合在一起使用的镜头。
在一个实施例中，为了产生高强度的光束，根据led芯片的光电性质，每一镜头的形状是特殊设计的，并在镜头上涂有多层的特殊镀膜。
在一个实施例中，一个或多个单点led芯片安装在一个或多个芯片基板上，而相对应的镜头则安装在一个或多个与芯片基板平行的镜头基板上，这两个基板能够相对地移动。在一个实施例中，两个基板之间的距离是由专门设计的电路来控制，两个基板之间的距离决定了光束是否会直射，散射或汇聚。当led芯片与镜头相距一个焦距时，led芯片发出的光束穿越镜头后，将成为与镜头光轴方向平行的光束。当led芯片与镜头相距少于一个焦距时，led芯片发出的光束穿越镜头后，将会从镜头光轴向外散射。当led芯片与镜头相距一至二个焦距之间时，led芯片发出的光束穿越镜头后，光束将会在镜头光轴上某处汇聚在一起。
在一个实施例中，led芯片以一些特殊排列模式安装在一个平面电路板上。由于从led芯片的光束可以控制成直射，没有太多的散射或汇聚，所以即使在数百米处观察，仍可以见到一个照亮均匀的光斑。
在一个实施例中，调焦机制是手动控制的。led芯片的安装空间和镜头室是完全隔离的，调焦机制利用相反极性的磁石来达到调整芯片基板和镜头基板之间的距离，所以该射灯可以防水甚至于防爆。
在一些实施例中，该射灯可用作室内或室外的建筑物美化和照明。
在一些实施例中，该射灯可以安装在汽车、越野车、雪车、消防车、船只和直升机上用作照明和搜索。
在一个实施例中，多个不同色温的led射灯并排安装在一个灯条上，然后循环供电来开启每一射灯，模拟警笛灯条的效果，每个led射灯亦可以单独运作，用作照明。
在一个实施例中，相同颜色的单点led芯片一排地安装在一个平面电路板上，而相应的镜头安装在一个平行的镜头基板上。通过电子控制的齿轮传动，镜头基板可以向旁移动。在一个实施例中，led芯片基板设在一个垂直于镜头光轴的平面上，并保持与镜头基板距离1.15个焦距，当镜头基板向旁移动时，光束的方向可以控制和调整，本实施例用作汽车车头灯特别有用，因为能够把车头灯光束的方向，随着汽车方向盘转动的方向加以控制，因此，驾驶员可以把车头灯一直照向汽车要去的方向。
附图说明
图1展示一个射灯的示意性横切面图，射灯使用了列阵式的多粒led芯片1与抛物面反射镜2，产生如何不可以控制的光束3。
图2展示一个射灯的示意性横切面图，射灯使用了列阵式的多粒led芯片1与镜头4，产生如何不可以控制的光束5。
图3展示图1和图2所描述的led射灯，在近处，产生不均匀亮度的光斑6。
图4展示一个led芯片的放大图，其表面有一个硅树脂基球形罩，是一种用了陶瓷表面封装技术的器件(smd)。芯片尺寸为1mmx1mm，光锥角为80°，色温为6500k。制造商建议电源在700ma及3.2v时，会发出最佳流明值。
图5展示一个led芯片的放大图，其表面是一个硅树脂基平面封装的smd器件。芯片尺寸为1mmx1mm，光锥角为120°，色温为6500k。制造商建议电源在700ma及3.1v时，会发出最佳流明值。
图6展示一个led芯片的放大图，其表面是一个硅树脂基扁平半球罩封装的smd器件。芯片尺寸为1.5mmx1.5mm，光锥角为115°，色温是3000k。制造商建议电源在700ma及2.9v时，会发出最佳流明值。
图7展示一个示意图，把透镜8放置在led芯片10前面，用以改变输出光束的特性。
图8展示一个射灯的外观图，其中镜头基板9直接由调焦机制的传动轴42驱动。
图9a展示一个射灯的外观图，其中镜头室21间接地通过调焦机制的传动轴42驱动。图9a示意性地显示了两种聚焦状态。图9a的左侧下半部分显示了镜头8和led芯片10之间的距离l1较短。图9a的左侧上半部分示出了镜头8和led芯片10之间的距离l2较长。
图9b是一个放大的外观图，展示了图9a实施例的特制螺栓43和传动轴轴42中的孔45的形状互相配合。
图10是一个射灯的正面外观图，射灯有14粒led芯片。图中显示了镜头8和镜头基板9。
图11是一个射灯的侧面切面示意图，展示多个单点led芯片10如何分布在芯片基板11上，而多个相对应并特别设计的镜头8则安装在一个平行于芯片基板11的镜头基板9上。这图只用于说明led芯片10和镜头基板9可相对地移动，但有多少对led芯片10和镜头8是随意的。
图12是一个led射灯的侧面切面示意图，图中只展示其中四列的单点led芯片10、芯片基板11的一部分、对应的镜头8、镜头基板9的一部分、驱动电机12、传动螺栓43以及传动螺母46。图12的左侧显示了led芯片基板11和镜头基板9被驱动到下降的位置(down)。图12的右侧显示了led芯片基板11和镜头基板9被驱动到上升的位置(up)。
图13展示一个有线的手提电子遥控器，用于控制led射灯的传动机制。这个遥控器有以下的按键：a-选择灯、b-加亮灯光、c-散射光束、d-减暗灯光和e-汇聚光束。
图14是一个侧面切面示意图，展示当led芯片基板11与镜头基板9上的镜头8相距一个焦距，led芯片10产生直射光束15。
图15是一个侧面切面示意图，展示当一个单点led10在镜头8的光轴17上，并相距一个焦距(即是焦点位置16)，产生亮度均匀的直射光束15。
图16是一个侧面切面示意图，展示当led芯片基板11与在镜头基板9上的镜头8相距少于一个焦距，led芯片10产生亮度均匀和可控制的散射光束18。
图17是一个侧面切面示意图，展示一个单点led10在镜头8的光轴17上，并相距少于一个焦距，产生可控制的散射光束18。
图18是一个侧面切面示意图，展示当led芯片基板11与镜头基板9上的镜头8相距一到两个焦距之间，led芯片10产生亮度均匀和可控制的汇聚光束19。
图19是一个侧面切面示意图，展示当一个单点led10在镜头8的光轴17上，并相距一到两个焦距之间，产生可控制的汇聚光束19。
图20是一个射灯的正面外观图，此射灯有卅十六粒led，图中显示了镜头8。该灯功能可以通过如图22中所示的无线遥控器控制。
图21是图20射灯的led正面布局实施例。灯上有卅十六对镜头8和led芯片10，布局呈六边形，视乎具体的应用要求，该布局可以是任何形状。
图22显示一个无线遥控器，可以控制如图20和图23的射灯，该实施例有下列按钮：a-选择控制第一组灯；b-选择控制第二组灯；c-收窄光束角(远程照明)；d-扩大光束角(近距离照明)；e-逆时针方向旋转云台；f-向下旋转射灯；g-开/关遥控器；h-增加亮度；i-选择长亮或频闪；j-减低亮度；k-向上旋转射灯；l-顺时针方向旋转云台。
图23是一个射灯的正面外观图，此射灯有十八粒led。该灯的功能可以通过如图22所示的无线遥控器控制。
图24显示一个led射灯7安装在直升机上作泛照用。
图25显示一个led射灯7安装在直升机上集中照明一个小范围。
图26显示一个led射灯7安装在渔船上使用。
图27显示一个led射灯7安装在巡逻艇上使用。
图28显示一个led射灯使用在紧急救援任务(右侧)或美化建筑物外面(左侧)。
图29显示一盏有六粒led的多色射灯的侧面外观图，该灯可以射出多束可调方向及不同颜色的光束34、35。
图30是一个多色射灯应用示意图，显示一艘使用了多色多光束的led射灯的观光船。
图31是一个射灯的正面外观图，有九粒同色led射灯，可以产生可调向的光束。
图32展示图31的射灯的正面外观图。
图33展示图31的射灯的侧面切面图。
图34a展示如图31的led射灯在中档时所产生的光斑。
图34b展示如图31的led射灯当镜头基板在第一档时所产生的光斑。
图34c展示如图31的led射灯当镜头基板在第二档时所产生的光斑。
图35a展示使用led射灯作为汽车车头灯的示意图，产生照近光束19。
图35b展示使用led射灯作为汽车车头灯的示意图，产生照远光束15。
图36展示使用led射灯作为汽车车头灯的示意图，其光束19照明方向会与汽车的转弯同步转向。
图37展示一个灯条实施例的正面图，其上并排安装了三盏有十四粒led的射灯。该灯条可以安装在紧急车辆顶部作为警笛。
图38展示在一汽车顶部安装的警笛，该警笛有四盏有十四粒led的射灯。
图39a展示一个射灯的侧面切面图，该射灯有一粒led，此灯能产生可调焦光束，并且是防水和防爆的。
图39b展示图39a所示射灯的光学配件室c2的放大图。
图39c展示图39a所示射灯的主室一部份与调焦手轮31的外观图，并展露出曲线管72和导向销24的形状。
图40a展示图39a所示射灯的光斑，该光斑是射灯的聚焦镜头刚在形成图像位置(在0×焦距的位置)。
图40b展示图39a所示射灯的光斑，该光斑是射灯的聚焦镜头刚在形成最宽光束角的位置(在1.2×焦距的位置)。
图41展示一盏防水防爆的潜水射灯的外观图，该射灯的调焦机制与图39a所示射灯的调焦机制相类似。
图42展示图41所示的射灯的调焦机制和光学部件的侧面切面图。
图43展示另一防水防爆的led射灯的侧面切面图。调焦机制是通过旋转射灯末端的调焦手轮31。该灯利用磁石27、73，以完全隔离镜头室和led室。
具体实施方式
以下是本发明的几个实施例详细描述，为了方便彻底理解实施例，我们在此作出具体的结构和细节阐述。此外，在描述实施例的方位时，可以说成是「顶」、「底」、「前」、「后」、「左」、「右」等等，这些用词只是帮助读者理解各实施例，并不意味着是实物体的限制。明显地，凡此领域的技术人员，在没有具体细节下，仍可跟着此发明制作。通过参考下面的本发明实施例，此领域的技术人员可以更容易理解，但更需明白这些实施例仅用于阐明本发明，而不应用作限制本发明的范围，本发明所限定的范围是由后面所附的权利要求指定。但应当指出，一些过渡性词语例如「包含」和「构成」，它们的同义词就有「含有」或「特性」等等，这些同义词还有很多，并不排除用来描述额外的及未陈述的要诀或方法步骤。本文所用术语如「聚焦透镜」或与led芯片一起使用的「透镜」是没有必要是单一个透镜，可以是一个或许多透镜一起合而成为的镜头。
在一个实施例中，提出了一个照明装置，它包含了以下部份：(1)一个或多个led芯片基板，每一个芯片基板都包含有一个或多个单点led芯片。(2)一个或多个镜头基板，每一个镜头基板都包含有一个或多个镜头，这些镜头都有镀膜，用以改变led芯片产生的光的色温。(3)一个传动系统用以改变芯片基板和镜头基板的相对位置，每个所述镜头安放在一个或多个led芯片的光束中，且所述镜头会改变光束的光锥角，从而强化led芯片产生的光的亮度，达到高强度照明。在一个实施例中，光锥角约为1°至大约80°之间。在一个实施例中，所述照明装置包括：1、3、6、7、9、14、18或36粒单点led芯片。
在一个实施例中，所述传动系统可以手动或机动。在一个实施例中，传动系统由有线或无线遥控器来控制。
在一个实施例中，所述传动系统把镜头基板沿着平行于镜头基板上的镜头光轴的路径移动。
在一个实施例中，有防撞结构的传动系统包含了：(1)一个电机，电机有外壳和一个传动轴，传动轴有一边平坦的侧面，以及(2)一个有孔的传动螺栓，孔的横截面形状与所述传动轴的横截面形状匹配，所述传动轴透过所述相匹配的孔而联接到传动螺栓，电机的旋转力直接地从传动轴传递到传动螺栓，如有传动轴方向的横向冲击时，横向冲击力会直接传递到电机的外壳。
在一个实施例中，所述传动系统包含了：(1)一个传动螺栓，传动螺栓的一端连接到镜头基板，另一端连接有多个磁石，称之为第一磁石组，以及(2)一个手轮，包括有多个磁石，称之为第二磁石组。两组磁石极性相反，第二磁石组安放在与第一磁石组相对应的位置。所述手轮转动时，由于第一和第二磁石组之间的磁引力，将会带转传动螺栓，从而令镜头基板沿平行于所述镜头光轴的路径移动。
在一个实施例中，所述传动系统包括一个手轮，该手轮包含着镜头室，并包含有固定于所述手轮内壁上的第一组磁石。在镜头室内壁上相对应的位置，则安装有与第一组磁石极性相反的第二组磁石，所述手轮转动时，透过所述第一组磁石和第二组磁石之间的磁引力，镜头室外壁上的曲线管将同步转动，驱使曲线管上的一个传动销，沿着一个位置导向槽移动，间接地推动镜头基板沿着镜头光轴的方向移动。
在一个实施方式中，所述曲线管是刻铸成与镜头光轴形成30°至60°角度，故此磁吸引力的主要部分会驱使传动销沿着镜头光轴方向移动。在另一实施例中，所述传动系统，把镜头基板在一个平行于所述led芯片基板的平面上移动。
在一个实施例中，所述传动系统，把镜头基板相对于led芯片基板转动，从而把每个所述镜头，放置在两个或更多的led芯片的光束路径中。在一个实施例中，所述射灯发出多种颜色的光束。在另一个实施例中，所述射灯发出射向多个方向的光束。
在一个实施例中，所述传动系统包含了：一个电机主轴上的传动齿轮，所述传动齿轮匹配到一个带动两个镜头基板的传动轴，当所述传动齿轮转动时，会导致所述传动轴旋转，从而导致两个或多个镜头基板在一个平行于所述led芯片基板的平面上移动。在一个实施例中，移动所述镜头基板在一个平行于所述led芯片基板的平面上移动，将导致led芯片的光束通过在不同的镜头基板的镜头后，会汇聚成一个单点光斑或分离成多点光斑。在一个实施例中，所述射灯包含多个led芯片基板，而每一芯片基板有两个或多个的led芯片。在另一个实施例中，所述射灯包含了九个单点led芯片在多个led芯片基板上。在一个实施例中，所述射灯用作汽车车头灯。在一个实施例中，光束发射的方向可根据汽车的转动方向而改变。
实施例1、选择led、设计镜头和镀膜
要设计一个耗电量低和光束强度高的led灯，第一步是按应用需要，选择适用的led芯片。经过测试许多市场上现有的led芯片，得出的结论是，芯片发光面积的大小，光锥角的大小与光的色温是三个最重要的性质。目前市场上的led芯片都是采用圆顶或平顶透明密封，无论哪种方式，所有led芯片光束的发射都呈球状，透明封顶的半径和表面弯曲率决定了光锥角。例如，一个制造商的led芯片产生的光锥角是80°，另一制造商的led芯片产生的光锥角是120°。表一列出一些测试结果，每个led芯片的测试电源略有不同，但是差不多一样，电源不同是因为每个芯片都有其厂家建议的功率要求。
为了使光束射得更集中更远，如图7，放一个透镜8在led芯片10前面，以减少光锥角α。在一个实施例中，选择非球面透镜来投射led灯光束。用与表一相同的led芯片10和相应的测试电源，不同直径和焦距的透镜令到输出光束的光锥角和光强有很大差异。较大焦距的透镜会产生较小的光锥角α，结果在相同距离处有更高的流明值(lux)，表二列出一些测试结果。
根据表二，光束经过非球面透镜聚焦后，led芯片可以产生比原始led芯片更高强度的光束。根据表一，例如原始led芯片二号产生的光强度在1米处仅为73lux。额外的原始led芯片二号测试量得在7米处，光强度是1.6lux。通过48毫米口径和47毫米焦距的非球面透镜后，led芯片二号在7米处光强度变为1600lux，加强了一千倍。该透镜并非必须是非球面形。在我们的实施例的实验中，不同类型的透镜和我们所选择的led芯片测试，非球面透镜产生最好的结果。然而，本发明并不限定于使用非球面透镜，led芯片的特性是设计一个聚焦透镜时最重要的因素。本文具体实施例仅用于说明本发明，然而不应用作限制本发明，后面所附的权利要求才是本发明的限定范围。
为了进一步提高光的强度，有必要提高聚焦透镜和保护透镜的透射率，以及镜头室和遮光罩内壁的反射率。led芯片发出的光谱比较窄，可以使用适应每个色温的特殊防反射镀膜，该镀膜可以额外提高光强度5％至8％。此外，镜头室和遮光罩的内壁可以镀上铝膜以提高反射率。
当使用相类似电源时，发射冷白光的led芯片(例如色温6000k或更高)比发射暖白光的led芯片(例如色温3000k或更低)，可多提供35％至55％的流明。例如，一个2800k的led芯片用在汽车应用上，有需要提高供电率以产生更高的流明，故此，浪费了不必要的能源。但如果为了产生更高的流明而使用高色温的led，其冷白光可刺激和损伤人的眼睛。如果盯着超亮的冷白光甚至可引起短暂失明。驾驶时使用冷白光对迎面而来的驾驶者和行人都是危险的，几乎所有国家都已禁止驾驶时使用高色温的车头灯，如要使用高色温的灯例如高强度气体放电灯(highintensitydischargelight简称hid灯)，许多应用都会使用有色玻璃或有色的聚碳酸酯滤镜(poly-carbonatefilter简称pc滤镜)以改变光的色温。无论是有色玻璃或是有色的pc滤镜，颜色是通过添加各种染色剂，染色剂不仅会吸收光，也会阻碍散热，在运作led过程中，不处理好散热，会被损坏led和缩短led的有效寿命。
为了使用发冷光的高流明led芯片，应在透镜上镀膜来降低色温和散发属于红外线波长范围的辐射热能。透镜镀上镀膜有几个优点：(1)透射率可提高5％至8％。(2)镜头镀膜可改变光的色温，以及散发红外线辐射热能。降低过热风险可以延长led芯片的使用寿命。(3)针对不同的应用制定镀膜比制造不同颜色的pc或玻璃滤镜更容易更快。(4)耗电量较低。使用相同电量，通过使用有特殊镀膜的镜头，高色温的led产生的流明值要比低色温的led高很多。
使用镀膜以改变色温是众所周知的，只是并非在led照明的光学设备设计领域中使用。镀膜改变色温的技术、设计和应用早已被公布，例如美国专利us4145113。适用于led光谱的镀膜亦有进一步的发展和公布，例如中国专利cn1034878363a。根据镀膜领域已知的技术和方法，本发明领域的普通技术人员会很容易基于所选择的led芯片的特性，而设计适用于本发明中所使用的镜头的镀膜。镀膜改变led光谱的色温，一个本领域的普通技术人员将很容易地为每个使用的led芯片，确定镜头各层镀膜的精确厚度和需要的层数。
镜头经过镀膜后，从原来6500k的冷白光变成3000k的暖白光，仅失去4％的流明，但一个6500k冷白光的led芯片经过有特殊镀膜的滤镜后，发出的3000k暖白光却比使用发出3000k暖白光的led芯片可多发出48％以上的流明。表三列出了一个实施例中的一些测试结果。
总括来说，使用特殊镀膜的滤镜以减少光锥角、改变色温、并增加光的透射率是制造远程高强度led灯的三个重要设计原则。我们不能记录每一种led芯片及每个镀膜和镜头形状的可能组合，但本领域技术人员将很容易理解，上述实施例仅用于说明，而不是限制本发明，本发明的范畴是由随后所附的权利要求来限定。
实施例2、防震机制
一个可调焦的射灯最脆弱的部分是调节光束焦点的调焦机制。最常见的方法是通过使用齿轮和轴来移动安装在一个平面基板上的透镜和光源间距离。图8示范了使用机动、轴与齿轮调焦方法的射灯例子。例子中安装了一个保护透镜22以保护镜头室21，聚焦透镜8安装在一个平面镜头基板9上。电机12的轴42接着传动螺栓43，直接匹配到镜头室21的传动螺纹管28，当电机12顺时针或逆时针转动时，轴42将转动传动螺栓43，这将转动传动螺纹管28向前或向后移动，镜头室21的透镜8会相对于led芯片10向前或向后移动，从而改变光束的焦点。这样的射灯用在汽车和船只上时，镜头室21是相当沉重的，透镜8是相当精密的，操作的环境则充满振动和冲击，由镜头室21重量产生的冲击力会直接传递到轴42上，轴42的承托只有两个让轴42在原地旋转的微小轴承51，轴承51不能长期承受冲击力，轴42将会被移位并不能对齐，影响调焦。采用这种结构设计的射灯是不能防震的。
图9a示范了一个经过特殊设计的防震射灯的实施例。除了如何把轴42连接至镜头室21，此射灯是类似于图8中的非防震射灯。电机12的轴42由圆柱形改为有一平坦侧面的杆，一个特殊的螺栓43其上有一孔45与轴42的形状匹配(图9b)，因为螺栓43的孔与轴42紧密配合，所以两者间只存在起动与旋转的关系。螺栓43的外部和传动螺纹管28紧密配合，螺栓43被锁套33锁定而不压到轴承51，电机12的外壳和锁套33之间插入润滑片44，螺栓43不能前后移动，当轴42转动时，会起动及旋转螺栓43，连带旋转传动螺纹管28，传动螺纹管28旋转时，它会把镜头基板9向前和向后移动，改变镜头基板9和led芯片10之间的相对距离，相对距离的改变将改变光束的焦点。图9a显示了两种可能的状态，图9a的左侧下半部显示镜头8和led芯片10之间的距离l1较短，图9a的左侧上半部显示镜头8和led芯片10之间的距离l2较长。这样的结构设计，由于震动或冲击镜头室21重量产生的冲击力将会由传动螺纹管28传递到螺栓43，接着螺栓43会将冲击力传递到锁套33，然后经过润滑片44把冲击力直接转移到电机12的外壳上。沿镜头光轴方向传递的冲击力完全不影响到轴42，这将保证电机12能够精确地运转。基于这种结构设计的射灯在实际运行条件下进行测试，可以承受150g及100赫频率的冲击力，足以在大多数有很多振动和冲击的情况下使用。
实施例3、光束聚焦和方向控制机制
图10是一个led射灯的实施例，本实施例中选择了目前市场上面积最小而照明功率最高的led芯片之一，这led芯片差不多可以当成是一个单点光源。led领域的技术不断在进步，体积更小、功能更强的led芯片继续开发。可以预计，将来要达到更强的照明功率，只要把led芯片替换成更小和更强的芯片即可。
本实施例的布局图案是圆形的(图11)。然而视乎实际应用，布局图案可以是任何形状，单点led芯片10和镜头8可以是一对或多对。布局的形状和多少对led芯片10和镜头8的是基于多个因素，例如可用空间、空间形状与电源、散热条件和所需的灯光强度等等。在一个实施例中，射灯安装在车辆前面保险杠内作雾灯，保险杠上的预切孔是圆形的，本实施例便是圆形的，以适应保险杠，预切孔的尺寸只允许至多六对led芯片和镜头。
在一个实施例中(图10)，led射灯有十四个单点led芯片与14个特别设计的镜头8，十四个镜头8是安装在一个平面镜头基板9，而十四个单点led芯片是安装在其后的一个平行的led芯片基板上。
图11展示图10的led射灯的示意性正面布局图和侧面切面图。led芯片基板11和镜头基板9可以相对地移动。这些图中所示的led芯片10和镜头8的对数仅作说明之用。
在一个实施例中(图12)，镜头基板9由具有傅动螺栓43和螺母46的电机12移动。电机12可以通过例如图13的有线遥控器控制，如图14和图15所示，当led芯片基板11在离开镜头基板9一个焦距时，所有led芯片10发出的光束15将垂直于镜头基板9或平行于镜头光轴17直射出去。因为理论上光束15可以去到无限远处而没有朝任何方向分散。从远处如一百米的距离都可观察并测得到本发明的射灯的光束，仍然高度集中并清晰。在一百米处的lux测量仍高达在5米处测得的lux的95％，并无显着分散。由于单点led芯片10和相应的镜头8是圆形布局，这些镜头光轴17亦会是圆形分布的。每对镜头8和led芯片10将产生一个围绕着镜头光轴的圆形均匀照明光束15，结果照明区域亦是均匀照亮的圆形。
在另一实施例中(图16和图17)，当led芯片基板11移动至离开镜头8一个焦距之内时，所有led芯片10发出的光束18将自多个镜头以可控制的方式从镜头光轴17散射出去。单点光源的光束通过镜头的散射是可预估和可控制的。每对led芯片10和镜头8将产生相同散射角度和相同方向的光束18，如此便可以有效地控制照明的区域。
在另一实施例中(图18和图19)，当led芯片基板11移动至离开镜头8在一至两个焦距之间时，所有led芯片10发出的光束19将汇聚到镜头光轴17上。单点光源的光束通过镜头的汇聚是可预估和可控制的。每对led芯片10和镜头8对都汇聚到同一个角度和方向。每对led芯片10和镜头8将产生相同汇聚角度和相同方向的光束19，如此便可以有效地控制照明的区域，在近处有非常有效的照明，在同一距离，汇聚光束的照明功率将超过平行光束。
在一个实施例中(图20和图21)，提供了一种led射灯，它有卅六个单点led芯片10和卅六特别设计的镜头8，它们的布局图案呈六角形。射灯的结构类似于图10所示的射灯，射灯很重，并可安装在专门设计的云台26上，室内或室外、车辆、飞机或船只上均可安装云台。射灯与云台26可以用一个无线遥控器(图22)来控制。两组灯(每组十六盏灯)可以通过选择第一组(按钮a)或第二组(按钮b)来控制，可以开关遥控器(按钮g)。也可以调暗(按钮j)或加强亮度(按钮h)，把射灯切换成连续照亮或频闪模式(按钮i)，散射光束作近处照明(按钮d)或汇聚光束作远处照明(按钮c)，把射灯倾斜向下(键f)或倾斜向上(键k)，垂直转动可达210°，也可以顺时针方向(按钮l)或逆时针方向(按钮e)旋转云台，水平转动可达359°。基本上，该射灯可以透过遥控器控制，把四周的三维空间照亮。
在一个实施例中，图23展示一个led射灯，射灯有十八粒单点led芯片和十八个特别设计的镜头8，作圆形分布。射灯可以安装在特别设计的云台26，好像图20中用于卅六头led射灯的云台26，射灯亦可透过如图22相同的无线遥控器控制，选用十八粒单点led芯片主因是可以最大限度地使用大多数便携式电源例如12或24伏电池提供的电量。十八头led射灯可以安装在一个直升机上机关枪的云台上(图24和图25示意性地展示出实施例)，在一个测试中，从机关枪上发射800发子弹，虽然存在很大的反冲力和飞行振荡，然而射灯完全无损。使用在直升机上的射灯大小主要是限制于机舱上的可用空间。如果直升机高飞时，可以使用射灯的散射模式来照射更宽的区域进行搜索(图24)。如果直升机低飞时，可以使用汇聚光束或平行光束模式，集中照明较小的区域，以便搜索(图25)。
在另一实施方例中，射灯7(例如36头射灯)用作渔船(图26)或巡逻舰(图27)的搜索灯。船舶有较大的空间和电源，可以使用较大的射灯。本发明的射灯，以它的高强度、远程、集中和可调焦的特性，确是在雾里、完全黑暗或低能见度环境下非常有效的照明工具。
在另一个实施例中，本射灯可以在紧急情况和救援任务中使用。通常火警现场都充满浓烟和大火，地震和其它自然灾害现场则充满尘埃，令到紧急救援人员很难通知其它人员那里需要帮助。按照一实施例(图28)，安装在特制云台的射灯可以被控制去直接照射正在要求增援的紧急救援人员的位置。紧急救援人员的位置可以利用紧急救援人员携带的定位设备输出的数据去自动确定。这类型的定位设备通常是建基于一个全球定位系统(globalpositioningsystem，简称gps)，gps定位设备和可编程控制器则由在相关技术领域中的人员设计。
在另一实施例中，图28展示一个led射灯，用于美化建筑物和照明。
实施例4、远程多光束射灯
在一个实施例中(图29)，一个led射灯有三组led芯片10，每组都有两粒led芯片10，一共有六粒led芯片10，射灯可以发出多个色彩组合的光束。例如，led芯片10中的第一组发射红光和蓝光，第二组发射蓝光和绿光，而第三组发射绿光和红光。该射灯可在同一时间向六个不同方向发散六束强力的彩色光束34、35，该射灯用于灯光秀是最理想的。六粒led芯片10安装在led芯片基板11并以120°分开为三组。本实施例中每组2粒led芯片10配上一个镜头8，总共有三个镜头8。镜头8安装在平行于led芯片基板11的镜头基板9上。两个基板9、11之间的距离维持在镜头8的一个焦距，由于led芯片10和镜头8之间的距离为一个焦距，于是产生近乎直射的不同颜色光束34、35。光束34、35不能是完全是直射的，因为每个镜头8有两粒led芯片10。led芯片10将稍微偏离相应的镜头8的光轴的位置。设计和安装了传动机构，把镜头基板9反复来回转动15°。电机12连接到传动齿轮28，再连接到传动轴42，最后连接到镜头基板9的中心，射灯便会产生六个生动的和充满活力的光束34、35。在一个实施例中，两光束是红色的，两光束是绿色的，而两光束是蓝色的。15°是最优化的转动角，可以产生最生动、充满活力和高度集中的光束34、35。太大的转动将降低led芯片10的发光效果，因为光束34、35不会近乎直射，难以维持远程高强度。市场上有白色、红色、绿色和蓝色led芯片，其它颜色的光束可以通过组合红、蓝、绿三色的光，以不同强度来合成。理论上，可以产生无限色彩的光束。还有许多其它的方式来控制光束的移动，上面的描述绝不是限制了本发明只有本实施例。上述实施例描述固定了led芯片基板11的位置，而移动镜头基板9，根据相同的光学原理，其它实施例可设计成固定镜头基板的位置，而移动led芯片基板。
根据一个实施例(图30)，有几个远程多光束射灯安装在旅游景点航行的河上观光船顶部，当射灯亮起，生动活泼的光束远程照耀了夜空，极度触目，只看着生动的光束舞即可以成为一个很吸引的旅游景点。
实施例5、车头灯
在一个实施例中(图31、图32和图33)，九粒led芯片10分配在九个对应的镜头a1-a9的光轴上，镜头安装在镜头基板b1-b5上。镜头a1、a2和a3安装在镜头基板b1上，镜头a4安装在镜头基板b2上，镜头a9安装在镜头基板b3上，镜头a7和a8安装在镜头基板b4上，镜头a5和a6安装在镜头基板b5上。最初，每个led芯片10定位在对应的镜头(a1-a9)的焦点处。图34a(中档)显示从led芯片10的光束通过镜头(a1-a9)传输，在10米处形成光斑。镜头基板b1是不动的，其余镜头基板b2-b5可以由传动机制移动。当电机12转动时，设置在电机轴42的齿轮28将转动传递轴41，传递轴41的两端有左转螺纹和右转螺纹50，将分别推动镜头基板b4、b5上的两个螺母46、47。弹簧48的压力将导致镜头基板b4随着b3一起移到右边，镜头基板b5随着b2移到左边，移动了1.25毫米后，定位板49会截停镜头基板b4、b5，连续三个圆圈的光斑将出现(图34b)，这是第一档。当传递轴41继续转动，通过螺母46推动，镜头基板b2移到左边，通过螺母47推动，镜头基板b3移到右边。镜头基板b2、b3移动另一个1.25毫米后便停下来。连续五个圆圈的光斑将出现(图34c)，这是第二档。应用此传动原理的射灯在汽车的应用是非常有用，照明区域将被扩大，用类似的设计，跟着汽车转向而改变方向的车头灯会很容易实现。
在另一个实施例中(图35a和图35b)，如图31的led射灯的修改版用作车头灯。在一个实施例中，通过例如内置的向前感应器提供的数据及车辆上的计算器和软件程序，将可自动控制镜头基板及led芯片基板的移动。当感应器检测到迎面而来的车头灯光或前方车辆的车尾灯光，车辆上的计算器可自动调节led车头灯进入汇聚模式(图35a)，即是调节led芯片和镜头基板间的距离到一至二个焦距之间，车头灯光束19将汇聚在近处，不会刺激迎面而来车辆或前方车辆的驾驶员。当没有迎面而来的车辆或前方近处的车辆，车头灯可以调整到直射模式(图35b)，即是调节led芯片基板与镜头基板间的距离到一个焦距，使得车头灯光束15照向远处，车辆的驾驶员会看得更清楚。汽车制造商的工程师可以很容易研发感应器和车上计算器及其软件程序。
这些实施方案使用的方法，与目前车头灯的方法不同，目前车头灯有两组灯，可以手动或自动切换作远处及近处照明，一组灯照远，另一组灯照近。在上述实施例中，一组灯已经足够，通过控制所述led芯片基板与镜头基板之间的距离，便可以做到近处和远处照明。led芯片基板与镜头基板的移动用电机控制，电机可以是手动控制或由车上感应器和计算器自动控制。
另一个车头灯的实施例展示于图36中。led车头灯的led芯片基板和镜头基板的相对移动是两维的，可以用类似图31-33中描述的实施例控制。除了调节led芯片基板和镜头基板的距离，透过特别设计的固件控制另一个传动机制，令到另一组镜头基板相对于led芯片基向旁移动。该固件可以通过连接到汽车转向操作的感应器来控制，最终的效果是，光束19不仅聚焦可以控制，连照射方向也可以控制，与汽车转向操作同步，即使在一条弯路上，都可帮助驾驶员看得更清楚。汽车制造商的工程师很容易便可研发车上感应器和固件。
在另一个实施例中(图37和图38)，三至四个不同色温的led射灯(例如有14粒led芯片的射灯)安装成一排。整组灯可以安装在一辆汽车的车顶上(图38)。为了模拟频闪的蓝红白色警笛效应，可以轮流开启每一射灯的电源。在一个实施方案中，每个单独的led射灯也可以选择长亮模式用作照明。
实施例6、防水机制
调整光束聚焦和电源控制机制是很易做成射灯漏水或漏气。目前市面上的便携式射灯通常使用手轮来调节输出光束的焦点，镜头固定在一个手轮的内壁，通过旋转手轮，将改变镜头和光源之间的相对距离，相对距离的变化将改变输出光束的聚焦。许多光学仪器，如照相机、瞄准镜和望远镜都采用手轮方法调焦。为了令手轮防水，通常将o形圈放在手轮和镜头室的接触面，这需要高精度地安装o型圈以保证防水，并仍然要手轮的运作畅顺，然而，o型圈会随着时间而老化，减低了防水能力。
另一种让手轮和电源开关防水的方法是使用磁石把密封电源室完全隔离。这些方法已公布，已公布文献如cn203176758u和cn2445185y都有说明。外磁石是固定在手轮的内壁，手轮转动时，这些外磁石会沿着镜头光轴方向移动。另一组相反极性的磁石是固定在镜头室的内壁上，整个镜头室可以在光学配件室内移动。当外磁石沿镜头光轴移动，由于外磁石的引力将会牵引内磁石同样地沿镜头光轴移动。这是最简单方法，但要这种机制能均匀地移动是不容易的。光学配件室的壁位于镜头室和外磁石之间，这壁是一层非磁性材料制成，磁引力垂直于镜头室外壁的部份，会把镜头室紧压到光学配件室的内壁上。镜头室外壳和光学配件室之间的摩擦力会阻碍镜头室与外磁石同步移动，当镜头室外壁和光学配件室内壁之间的摩擦力不可以再抵抗磁引力时，会感到镜头室好像突然被释放似的，令调焦感觉好像搐动，很难精确地和畅顺地调焦。简单的手轮与磁石方法的另一个缺点是，手轮要转很多圈才可以移动镜头室一段距离。所需圈数取决于手轮螺纹的螺距大小，太大的螺距将不允许镜头室作精确移动，太小的螺距将需要转动手轮很多圈才可以移动镜头室一段距离。
本发明解决了这些问题，令防水射灯的调焦感觉均匀和可快速调焦。本发明的一个实施例(图39a)提供了一种可调焦的单点led防水射灯。该射灯使用磁石来调焦和控制电源。这射灯由以下几部分组成：主室c1、光学配件室c2、调焦机制c3、电源室c4、光源室c5和电源控制机制c6。
根据本实施例(图39a)，光学配件室c2包含有镜头室21、光学镜头23、聚焦镜头8、导向销24、导向管25、曲线管72和一组内磁石27。镜头室21可在主室c1的射灯主体74内移动。光学镜头23和聚焦镜头8都固定在镜头室21内。导向销24固定在镜头室21外。导向管25包着镜头室21，其上刻有位置导向槽251。曲线管72是刻在导向管25上并推动导向销24沿位置导向槽251移动。内磁石27被固定于曲线管72的外壁上。在本实施例中，曲线管72的实体设计是非常重要的，这将在后面进一步详细说明。
在图39b可详见一部分的光学配件室c2和光源室c5。光学镜头23、聚焦镜头8和led芯片10放置在同一轴在线。光从led芯片10发出，通过聚焦镜头8和光学镜头23，产生非常均匀的圆形光斑。光学镜头23和聚焦镜头8之间的距离为f1。聚焦镜头8可以相对于led芯片10在0-1.2×f2之间移动。f1是光学镜头23的焦距，f2是聚焦镜头8的焦距。在该段相对距离0-1.2×f2之间，有一位置叫成像位置(相对距离是0×f2和光锥角是1.2°)，另一位置叫最宽光束位置(相对距离是1.2×f2和光锥角是80°)。当聚焦镜头8在最宽光束位置，产生均匀光斑。当光学镜头23和聚焦镜头8逐渐靠近led芯片10，从led芯片10发出的光束，将逐渐集中和光锥角变小，反之亦然，此射灯适用于远近照明。当聚焦镜头8在成像位置时，光锥角最小，在led芯片10处的图像如图40a将被投影在远处。当聚焦镜头8在最宽光束位置，光锥角最大，均匀光斑如图40b将被投影在远处。当聚焦镜头8在成像位置及最宽光束位置之间，将会见到一个不那么均匀和较小的光斑。视乎光学镜头23、聚焦镜头8和光学室c2的形状，光斑可以是任何形状，本实施例绝不是要限制任何光斑形状。
根据图39a，调焦机制c3包括调焦手轮31和一组外磁石73。调焦手轮31包围着射灯主体74并可旋转，射灯主体74突出的一端装有防水保护镜22，o型圈311用来密封防水保护镜22和射灯主体74接合黠。防水保护镜22和o型圈311靠拧紧锁定环312锁定。外磁石73固定在调焦手轮31内壁上，外磁石73和内磁石27具有相反极性。当手轮31转动，外磁石73的磁吸引力会牵引内磁石27，曲线管72将同步转动，把其约束着的导向销24沿导向槽251前后推动，镜头室21会跟着前后移动，从而调整焦点。
图39c是一个外观图，放大了图39a射灯的调焦手轮31和主室c1，并抽起了手轮一部分外壳以露出曲线管72的形状，曲线管72是刻铸成一个非常大的上升角度。当调焦手轮31转动，外磁石73将吸引曲线管72与内磁石27同步转动。曲线管72的大上升角度保证了大部分的磁引力是推动导向销24沿着聚焦镜头8光轴方向移动，只有很小的分力分在垂直于聚焦镜头8光轴方向。聚焦镜头8光轴方向的引力将镜头室21迅速地沿位置导向槽251直线移动。根据图39c，曲线管72的上升角是θ，聚焦镜头8在镜头光轴方向的最大移动距离是h和导向销24所需要移动的距离l有一个关系：tanθ＝h/l，调焦手轮31最大转动角度ω可以通过ω＝l/(πd)的关系来确定，其中d是镜头室21的直径。在一个实施例中，设计成只要把调焦手轮31转动70°(ω)，镜头室21即可移动最大距离(l)，即是聚焦镜头8焦距f2的1.2倍，调焦手感非常均匀和快速。根据镜头室21的直径和聚焦镜头8焦距f2和前述的关系，得出以下的实际数据：ω＝70°，θ＝37.42°，h＝15毫米，l＝19.6毫米。根据射灯的大小和镜头室21最大移动距离所需的调焦手轮31转动角度ω，进行了不同的试验，曲线管72的上升角θ可以是30°到60°之间的任何角度。本文的具体例子仅用作说明，而不是限制本发明的范围，本发明的范围是由后附的权利要求限定的。
电源控制机制是另一个做成漏水或漏气的脆弱部分。如果用按钮、切换式按钮、滑动型开关或任何类型的按钮作为电源控制机制，会很难密封。我们的防水电源控制机制使用了磁石和手轮。根据图39a，电源室c4包含电池76、电池室77和电池室盖75。o型圈411用来密封电池室盖75和电池室77拧在一起的位置。电池室盖75有一个接触弹簧431把电池76紧密压在接触点上。
根据图39a，光源室c5包含有连接管59，led芯片10，连接管59内的led芯片电路板11和电池室77内的电源控制电路板54。电源控制电路板54的一端连接并密封到射灯主体74，而另一端则连接和密封到电池室77。led芯片10，通过led芯片的电路板11连接到电源控制电路板54，电源控制电路板54焊接到正极接触板541和负极接触板542。正极接触板541连接到电池76的正极，射灯关闭时，电池室77内壁和负极接触板542之间有一间隙。负接触板542上有一磁石5421。
根据图39a，电源控制机制c6包含一个电源控制手轮61和外磁石62。电源控制手轮61包着连接管59。电源控制手轮61从连接管59伸出的一端，包着电池室77，外磁石62固定在电源控制手轮61的内壁。外磁石62与负极接触板542上的内磁石5421极性相反。位置锁紧环611把电源控制手轮61紧固到电池室77。当电源控制手轮61转动到on的位置时，外磁石62与极性相反的内磁石5421正好相对，外磁石62吸引内磁石5421，磁引力会令负极接触板542弯曲并接触电池室77的内壁，形成一个电路关闭，射灯亮起。当电源控制手轮61转动至off的位置时，外磁石62离开内磁石5421，磁引力减弱，负极接触板542将反弹至空挡位置，不再触及电池室77内壁，电路断开，射灯熄灭。在本实施例中电池，一次充电可以持续供电22小时。如此设计，水份完全没有机会接触到电源部件，射灯变得完全防水。因为灯的高强度、可调焦和长使用时间，使这个实施例成为应急和救援任务的理想照明设备，它也可以用作潜水灯或防爆灯。
在另一个实施例中，图41和图42展示一个有多粒led并可调焦远程高强度射灯。本实施例可以看作是把七盏如图39a所示的实施例射灯放在一起，本实施例并不是要限制使用多少led芯片的数量。射灯包含以下部份：主室c1、光学配件室c2、调焦机制c3、电源室c4、光源室c5和电源控制机制c6。电源室c4包含着安装在射灯的底部的充电池。电源是通过密封电缆连接到光源室c5。下面的讨论将集中在调焦机制c3的功能和如何与光学配件室c2和光源室c5配合使用。
在一个实施例(图42)，光学配件室c2包含镜头室21、光学镜头23、聚焦镜头8、导向销24、导向管25、曲线管72和一组内磁石27。镜头室21可在射灯主体74的主室c1内移动。光学镜头23和聚焦镜头8都装在镜头室21内。导向销24固定在镜头室21外壁上，导向管25包围着镜头室21，其上刻有位置导向槽251。曲线管72包围导向管25，导向销24沿位置导向槽251移动。内磁石27固定于曲线管72的外壁上。
一组组的光学镜头23、聚焦镜头8和led芯片10放置在同一轴在线。led芯片10通过led芯片基板11连接到电源控制电路板54。光从led芯片10发出，通过聚焦镜头8和光学镜头23，产生非常均匀的圆形光斑。光学镜头23和聚焦镜头8之间的距离为f1。聚焦镜头8可以相对于led芯片10在0-1.2×f2之间移动。f1为光学镜头23的焦距，f2是聚焦镜头8的焦距。在该段相对距离0-1.2×f2之间，有一位置叫成像位置(相对距离是0×f2和光锥角是1.2°)，有另一位置叫最宽光束位置(相对距离是1.2×f2和光锥角是80°)。当聚焦镜头8在最宽光束位置，产生均匀光斑。当光学镜头23和聚焦镜头8逐渐靠近led芯片10，从led芯片10发出的光束将逐渐集中和光锥角变小，反之亦然。当聚焦镜头8在成像位置时，光锥角最小，由led芯片10产生的光，将投射到很远距离。当聚焦镜头8在最宽光束位置，光锥角最大，均匀光斑投影在远处。此射灯远近照明皆宜。
根据图42，调焦机制c3包括一个调焦手轮31和一组外磁石73。调焦手轮31包围着射灯主体74并可以转动，由射灯主体74伸出的一端，内置防水保护镜头22。o环311用以密封保护镜头22和射灯主体74的接合处。防水保护镜头22和o形环311靠拧紧锁定环312锁定。外磁石73固定在手轮31的内壁上，外磁石73和内磁石27具有相反极性。转动调焦手轮31，外磁石73的引力将牵引内磁石27，曲线管72将同步转动，推动被约束着的导向销24，沿位置导向槽251前后移动，镜头室21亦随之前后移动，从而调整焦点。利用磁力的专门设计，把电源室和光源室与可调焦的光学配件室完全隔离密封，令射灯绝对防水。
在另一个实施例中，图43展示出另一种使用手动聚调焦机制的防水和防爆射灯。内配件室的螺纹匹配到镜头基板9的传动螺栓60。内配件室有三个内磁石27，以120°角分开。调焦手轮31有相反极性的三个外磁石73，放置于与内磁石27相对应的位置。两组磁石27、73之间存在吸力，内配件室和调焦手轮31被防水板65隔离，防水板65紧压在散热罩66上，以o形环311作为密封。调焦手轮31转动时，磁引力会带动内配件室同步地向同一方向转动，镜头基板9将来回移动，改变光束焦点。这个射灯的结构是高度密封的，足以防水和防爆。非常适合在深水或美国国家电气规范(unitedstatesnationalelectricalcode)定义为class1类型和division1条件的危险地点应用。
实施例7、其它应用范围
此外，本发明的led射灯可广泛地应用在许多其它范围，包括但不谨限于以下应用范围：飞机、大卡车、服务车、越野车、雪车、农用车、工程车、火车、监控、军用、灯塔、体育场馆和大堂、特殊效果的室内照明、用于美化室外和表演用灯。