具有由多个光源和模块化折射器合成的光输出图案的照明单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于LED的照明单元，并且更具体地，涉及使用较少数目的LED元件和较少光学装置的具有合成输出图案的基于LED的照明单元。
【背景技术】
[0002]照明系统通常使用各种不同类型的照明装置，一般包括白炽灯、荧光灯和基于发光二极管(LED)的灯。为了特定的灯或照明系统的需要，基于LED的灯一般依靠多个二极管元件来产生足够的光。作为用来抵消能源价格的不断增长、并有意义地缩减温室气体的产生的一种途径，LED照明在这方面提供了巨大潜力。由于功效接近每瓦150流明，并且寿命超过50000小时，基于LED技术的LED和照明产品可能会潜在地进军住宅和商业、室内和室外应用的照明市场。
[0003]与例如白炽光源相比，基于LED的灯在效率和寿命方面具有显著优势，并产生较少的废热。举例来说，如果要制造理想的固态照明设备，可以通过使用仅仅是等效白炽灯照明源所需要能量的1/20来实现相同水平的亮度。与许多其它照明源例如白炽灯和紧凑型荧光灯相比，LED具有更高的寿命，并且不包含任何对环境有害的存在于荧光灯中的汞。基于LED的灯还具有瞬时性的优点，并且不因重复开-关循环而劣化。
[0004]如上所述，基于LED的灯一般依靠多个LED元件来产生光。如本领域已知的，LED元件是一个小的区域光源，常与成形辐射图案并协助LED输出的反射的光学器件相关联。LED经常被用作电子设备上的小指示灯，并且越来越多地用于更高功率的应用，如手电筒和区域照明。所发射的光的颜色取决于用于形成LED结的半导体材料的成分和状态，并且可以是红外线、可见光、或紫外线。
[0005]在可见光谱中，LED可以被制造成产生所需的颜色。对于LED将用在区域照明中的应用场合，白色光的输出通常是可取的。生产高强度白光LED有两种常用方法。一种是先生产发射三原色(红、绿、蓝)的单独LED，然后混合所有的颜色以产生白光。这类产品通常被称为多色白光LED，并且有时被称为RGB LED0这样的多色LED通常需要复杂的电子光学设计，以控制不同颜色的混和和漫射，并且目前这种方法很少被用来在工业中大量生产白色LED。原则上，这种机制在产生白光上具有相对高的量子效率。
[0006]产生白色LED输出的第二种方法是制造具有一种颜色的LED，例如用InGaN制成的蓝色LED，并且在LED上涂敷不同颜色的磷光体涂层以产生白光。生产这种和基于LED的发光元件的一种普通方法是将InGaN蓝色LED封装在磷光体涂覆的环氧树脂内部。常见的黄色磷光体材料是铈掺杂的钇铝石榴石(Ce3+:YAG)。根据原始LED的颜色，也可以使用不同颜色的磷光体。使用这种技术制造的LED—般称为基于磷光体的白色LED。虽然制造起来比多色LED的成本更低，但基于磷光体的LED相对于多色LED具有较低的量子效率。基于磷光体的LED也有磷光体相关的退化问题，其中，所述LED的输出将随时间退化。尽管基于磷光体的白色LED相对更容易制造，这样的LED受斯托克斯能量损失的影响，当较短波长的光子(例如，蓝色光子)转换为较长波长的光子(例如白色光子)时发生损失。因此，通常期望减少在这些应用中使用的磷光体的量，从而减少这种能量损失。其结果是，由观察者观看时，使用具有这种减少磷光体的LED元件的基于LED的白色灯通常呈蓝色。
[0007]各种其它类型的固态照明元件也可以用在各种照明应用中。例如，量子点是具有独特光学性质的半导体纳米晶体。量子点的发光颜色可以基于整个红外光谱的可见光被调谐。这使得量子点LED产生几乎所有的输出色彩。有机发光二极管(OLED)包括为有机化合物的发光层材料。为了用作半导体，有机发光材料必须具有共轭η键。所述发光材料可以是结晶相的有机小分子或聚合物。聚合物材料可以是柔性的；这样的LED被称为PLED或FLED0
【发明内容】
[0008]本发明提供一种基于LED的照明单元，其使用较少数量的LED元件产生达到所需照明特征的输出照明图案。本发明提供了许多被定向成所期望方向的点光源，使得当其与其它点光源结合时，提供合成的光输出，从而最小化LED总数，并且不需要额外的光束转向光学器件。
[0009]本发明的各个方面描述了几个新颖SSL灯具，通过减少光必须穿过的透镜面的数目从而具有更大功效，同时还对环境提供了必要的保护。这不仅提供了更大的功效，还使SSL灯具的生产更具成本效益。
[0010]因此，用于在给定照明中增加功效的一种方案是减少所产生的光必须通过的表面的数量。本发明的各个方面提供通过将扩散透镜和外部保护透镜结合在单一装置模块化折射器中以减少光必须通过的表面数目的系统、方法和装置。功效额外增益的实现可以通过使用复合抛物面反射器来准直由LED产生的光，而不是通过TIR型透镜，从而不仅使光接合表面的数量最小化，而且使其所穿过的透镜材料的体积最小化。
[0011]在一个方面，提供了一个固态照明装置。该装置一般包括具有多个不同安装表面的壳体，与所述各安装表面耦合的多个光模块，以及多个模块化折射器，每个模块化折射器与一个相应的光模块耦合，并且包括一个或多个透镜，该透镜被配置为控制与相关联的光模块耦合的一个或更多个发光二极管(LED)照明元件所产生的光的扩散。每个模块化折射器可提供与相关联的光模块的至少一些部件的环境隔离。在一些实施方案中，多个安装表面可以具有相对于将被该装置照射的表面的多个不同的安装角度。在一些进一步的实施方案中，该装置不包括单独的外部保护透镜，这样可以减少光必须穿过的表面的数目并且提高装置的功效。
[0012]在一些实施方案中，光模块中的至少一个子集包括与印刷电路板(PCB)耦合的两个或更多个LED，PCB安装在相关的安装表面上。在一些实施方案中，一个或多个安装表面可以包括被配置为转移来自相关LED的热量的散热器。
[0013]在一些实例中，模块化折射器可包括一个或多个全内反射(TIR)透镜或复合抛物面反射器。一个或多个透镜还可以包括并入外部透镜表面或与外部透镜表面耦合的扩散透镜，作为透镜的次要元件。根据一些实施例，每个模块化折射器的一个或多个透镜集成了一个模块化折射器壳体，并形成在所述壳体的任一内表面或外表面。在进一步的实施方案中，某些或所有模块化折射器的一个或多个透镜包括被共同模制在一起的具有至少两种不同折射率的材料。在更进一步的实施方案中，一个或多个模块化折射器的一个或多个透镜可以包括模制入模块化折射器的渐变折射率(GRIN)透镜。
[0014]前面已经相当宽泛地概述了根据本发明实施例的特征和技术优势，以便可以更好地理解随后的详细描述。其他的特征和优点将在下文中描述。所公开的概念和特定实施例可容易地用作修改或设计其它结构以执行本发明相同目的的基础。此类等效构造不脱离所附权利要求的精神和范围。被认为是在此公开的概念特性的特征，无论是作为其结构还是操作方法，连同相关联的优点将从下面的描述结合附图被更好地理解。每个附图被提供以用于示例和描述目的，而不作为对权利要求的限制的定义。
【附图说明】
[0015]图1是示出LED灯和气体放电灯的灯输出与灯成本的关系示意图；
[0016]图2示出了 LED灯和气体放电灯的灯输出与灯成本的关系，包括总生命周期成本；
[0017]图3示出了 LED的相对发光强度相对于从LED峰值强度所限定的传播角度的示意图；
[0018]图4是本公开的实施例的LED元件阵列的横截面图；
[0019]图5是本公开的实施例的LED元件阵列的透视图；
[0020]图6是本公开的实施例的准直光学器件的分解图；
[0021]图7是发光元件的输出的角强度的示意图；
[0022]图8是一个实施例的二维表面的示意图，在该表面上具有点光源，以在垂直于该表面的方向上提供光输出；
[0023]图9是在其上具有点光源，以提供具有不同光强度和不同准直的光输出的另一个实施例的二维表面的示意图；
[0024]图10是本公开的另一实施例的光束转向光学器件的示意图；
[0025]图11是一实施例中使用具有不对称输出图案的灯具照壳的道路的不意图；
[0026]图12是一个实施例的路面上的输出区的示意图；
[0027]图13在另一个实施例的路面上的偏移输出区的示意图；
[0028]图14是本公开的一个实施例的灯组件的顶视平面图；
[0029]图15是图14的灯组件的侧视图；
[0030]图16是图14的灯组件的透视图；
[0031]图17是本公开的另一实施例的灯组件的底部透视图；
[0032]图18是图17的灯组件的侧视图；
[0033]图19是在图17的灯组件的剖面图；
[0034]图20是部分组装的图17的灯细件的底部平面图；
[0035]图21是安装在框架中的模块化折射器组件的一个实施例的前透视图；
[0036]图22是图21的模块化折射器组件的后透视图；
[0037]图23是图21的模块化折射器组件的底视图；
[0038]图24是图21的模块化折射器组