Led光收集和均匀传输系统的制作方法

专利名称：Led光收集和均匀传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于收集从发光二极管(LED)发出的光并且将其按照均匀方式进行传输的装置和方法。
背景技术：
作为光源LED越来越多地用于大量设备中。LED小而有效并且寿命长。例如，经常可用到多种利用LED的闪光灯。例如参见美国专利No.5957714和6220719，其发明人均与本发明相同。
使用LED作为光源的设备通常包括一些收集和/或聚焦光的方法，这是因为从LED发出的光是发散的。图1表示了典型的LED和其生成的光。大量现有技术的设备包括组合式反射器和折射器元件以收集和传输LED发出的光。例如参见美国专利No.5898267。
大多数设备包括将LED成像到LED前的平面上的光学元件。然而，如果是诸如闪光灯之类的设备，则希望得到的不是LED的图像，而是一柱均匀的光。
一些现有技术参考文献注意到了这一点。例如，大量已知的设备使用了LED阵列，并且通常使用透镜阵列来生成一柱光而非点光源。例如参见美国专利No.6283613。
本领域中仍然存在对从单个LED提供集中的均匀光的装置和方法的需求。

发明内容
本发明包括三个重要元件(1)LED；(2)用于将所发射的光收集到LED侧面的锥形反射器，该反射器具有略微粗糙的内表面；以及(3)特别设计用于使所收集的光聚焦成近准直光束的透镜。
LED通常是常规类型的LED，其具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体。由于塑料内的全内反射，这种LED在其塑料壳体的顶点处会生成明亮的光带。这样的光通常被浪费掉了。该反射器具有高度反射而略微粗糙的内表面。优选的是，该反射器是具有约70°角的圆锥体。这种结构将LED发出的旁带光的方向变为向前的。
特别设计和配置该透镜用于将LED直接发出的光和反射器反射的光聚焦成近准直均匀光束。该透镜具有两个重要的特征。首先，其在每个曲表面的中心处包含平点。这就防止了该透镜使LED发射器成像以及在光束中形成暗点。因此，该透镜投射近均匀光的场。其次，该曲表面是椭圆的而不是球形的，以捕获并且近准直LED发出的快速发散光。
优选根据以下等式设计平点40.05d≤s≤0.1d，其中s是平点的直径，d是从LED的圆顶中心到透镜中心的距离。平点产生了近均匀光束，而不是由常规透镜产生的LED的图像(具有亮和暗点)。
要求该透镜的两个曲表面的椭圆曲率捕获并且近准直LED发出的快速发散光。优选的是，该椭圆形的长轴大于距离d的0.7倍。最后，椭圆形中心之间的距离应约为平点的直径s。
在一个实例中，该透镜由塑料构成，并且该透镜在边缘处的厚度是该透镜中心厚度的约三分之一。在这个实例中，(d)约为1英寸，该透镜的半厚度约为0.24英寸，半直径(如果椭圆面延伸以满足)约为0.70英寸，该透镜的边缘厚度约为0.16英寸。
可以通过反射器自身或者用于形成反射器的模具的喷珠处理形成反射器表面粗糙度。作为一实例，利用直径为0.001英寸数量级的珠粒可以实施喷珠处理。可以在粗糙表面上形成金属或介电涂层。


图1(现有技术)是表示由常规LED生成光的图像。
图2是根据本发明的LED光收集和传输装置的侧面示意图。
图3是由图2的装置生成的均匀光场的图像。
图4a是表示了本发明的略微粗糙表面的图2的锥形反射器的立体图。图4b是图4a的锥形反射器的侧剖面图。
具体实施例方式
图2是根据本发明的LED光收集和传输装置的侧面示意图。本发明包括三个重要元件
(1)LED 3；(2)用于将所发射的光收集到LED 3侧面的锥形反射器1，该锥形反射器具有略微粗糙的表面以便散射光以获得更均匀的光束；以及(3)特别设计用于使所收集的光聚焦成近准直光束的透镜2LED 3通常是常规类型的LED，其具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体。由于塑料内的全内反射，这种LED在其塑料壳体的顶点处会生成明亮的光带。这样的光通常被浪费掉了。图1(现有技术)表示了由典型LED生成的光。
反射器1具有高度反射而略微粗糙的内表面。优选的是，该反射器是具有约70°角的圆锥形。这种结构将LED 3发出的旁带光的方向变为向前的。反射器1可以是喷珠处理以及金属或介电涂敷的的金属或塑料。图4a和图4b更详细地表示了反射器1的粗糙表面。如果由塑料制成，则需要将金属涂层施加到内表面上。当围绕LED放置时，其将旁带光的方向变为向前的。由塑料内的全内反射在LED 3的塑料壳体的顶点处产生了明亮的椭圆形光。该亮点发射的光近乎垂直于正常正向光(normal forward going light)射出LED。旁带光具有正向光光输出功率的10到20％。如果没有使用反射器，则这些光就被浪费了。
回到图2，锥形反射器1优选具有大约70度的锥角以将旁带光的方向变为向前通过透镜2。二极管3在反射器1内的轴向位置确定了收集多少光以及其在何处覆盖正向光。优选的是，锥形反射表面应当在LED壳体的半球圆顶中心线下0.04英寸处与LED 3相交，以便优化光收集和光束重叠。这个距离在图2中标为(c)。
如上所述的反射器1将旁带光置于透镜前约10英尺处的正向光的顶部上。这就增加了输出光束的亮度并且通过利用尽可能多的所生成的光来提高任意LED照明设备的效率。
特别设计和配置透镜2用于将LED 3直接发出的光和反射器1反射的光聚焦成近准直基本上均匀的光束6。该透镜具有两个重要的特征。首先，其在每个曲表面5的中心处包含平点4。其次，该曲表面5是椭圆的而不是球形的。椭圆形中心之间的间隔等于平点直径。
优选根据以下等式设计平点4
0.05d≤s≤0.1d，其中(s)是平点4的直径，(d)是从LED 3的中心线到透镜2圆顶中心的距离。平点4的直径(s)通常不应当小于该间隔距离的5％或大于10％，以获得最佳性能。该平点产生了近均匀光束，而不是由常规透镜产生的LED的图像(具有亮和暗点)。
要求透镜2的两个曲表面5的椭圆曲率捕获并且近准直LED 3发出的快速发散光。大多数透镜具有球面表面，但是这种透镜不能捕获并准直LED 3发出的快速发散光。随着距椭圆中心的距离的增加，表面5的椭圆曲率变得更加明显，从而使该椭圆透镜更好地准直该光。
注意，(多个)平点的直径约等于椭圆表面中心7、8分开的量。换句话说，透镜2的上椭圆表面和下椭圆表面本质上已经被拉开，使得其两个中心7和8不再重合。中心7和8之间的透镜区域横截面不是椭圆形的，而是矩形，矩形的边包括(多个)平点。
优选的是，该椭圆的长轴大于距离d的0.7倍。此外，椭圆中心之间的距离应约为平点的直径(s)。
描述椭圆的等式是x2(a)2+y2(b)2=1,]]>其中(a)是短轴的长度或者透镜2厚度的二分之一，(b)是长轴的长度或者透镜直径的二分之一，前提允许两侧上的曲率满足条件。因此，描述二极管/透镜间隔距离与长轴之间的关系的等式是(b)≥(0.7)(d)，其中(d)是从LED 3的圆顶中心到透镜2的中心的距离。
这个等式表明，为了充分收集来自LED/反射器组件的光，透镜的每个椭圆表面的长轴必须等于或大于LED与透镜中心之间的间隔距离的约70％。小于这个值的长轴会导致由于光束限制造成的正向投影光的损失。
为了对于任意给定的间隔距离(d)都可以生成更加准直的光束，必须增加短轴。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(t)之比不应超过1比3，以便避免表面凹陷。对于任意给定边缘厚度的透镜厚度该比值给出了上限。据此，如果LED 3与透镜中心之间的间隔为1英寸，并且透镜的边缘厚度为0.16英寸，则描述透镜椭圆表面的等式为x2(0.24)2+y2(0.70)2=1]]>作为最后的关键点，等于平点直径的距离优选分离椭圆的中心。具有这些设计特征的透镜2将有效地收集并且近准直由LED/反射器组件生成的正向的和反射的光。
图3是由图2的装置生成的近均匀光场6的图像。光束照射在距离透镜24英寸的表面上。中心高强度光束的直径约为8英寸；光的外场的直径约为18英寸。
图4a是表示了本发明的略微粗糙表面10的图2的锥形反射器1的立体图。注意，表面粗糙10不是按照比例画出的，而是为说明而夸张表示的。图4b是图4a的锥形反射器1的侧剖面图。通过在电镀之前使反射器1的表面10略微粗糙，可以从图2的反射器和透镜系统获得更为均匀的光束6。
由反射器表面10上的微小峰和谷产生的光散射具有将较明亮的光区域分布到较少的光区域中的效果。因此共同模糊了较亮和较暗的照明区域。峰和谷越大，中心光束内的模糊效果越大。然而，如果峰和谷过大，中心光束内的光就会变得过于发散并且开始在中心光束外散布，从而减小了光束的整体亮度。通过实验发现，通过利用直径为0.001”的珠粒使反射器1的表面10进行喷珠处理，可以获得最佳的均匀照明和中心光束亮度。当然，更小或更大尺寸的珠粒可以用于获得特定希望得到的结果。为了生产，优选将喷珠处理应用于注模上，这样由该模具生成的部件就具有希望得到的表面质量，并且易于进行金属或介电涂层的施加。
本领域的技术人员应该理解，对于示例性实施例的各种修改均在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于以近均匀柱收集并传输LED发出的光的装置，该类型LED具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体，该装置包括围绕LED的底部设置的用于收集从LED发光元件发射的旁带光并且将其正向传输的锥形反射器；其中该锥形反射器包括粗糙的内表面以便散射所传输的光；与LED壳体相对并且与该壳体分开设置的用于聚焦来自LED的直射和反射光的透镜，其中透镜中心与LED上圆顶壳体中心之间的距离为(d)；其中该透镜以两个相对的、基本上为椭圆形的表面为界，其中(a)是透镜的半厚度，(b)是透镜的半直径，(e)是透镜的边缘厚度，并且其中每个表面包括具有直径(s)的平点。
2.根据权利要求1所述的装置，其中平点直径(s)在间隔距离(d)的约5％到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了大约70°的锥角。
4.根据权利要求1所述的装置，其中该锥形反射器以从LED上的圆顶壳体中心到底部的约0.04英寸的偏移距离(c)与LED相交。
5.根据权利要求1所述的装置，其中透镜的半直径(b)大于或等于间隔距离(d)的约70％。
6.根据权利要求1所述的装置，其中透镜的半厚度(a)约等于透镜边缘厚度(e)的1.5倍。
7.根据权利要求1所述的装置，其中透镜的上和下椭圆部分分开约等于平点直径(s)的距离。
8.根据权利要求1所述的装置，其中(d)约为1英寸，透镜的半厚度(a)约为0.24英寸，半直径(b)约为0.70英寸，边缘厚度(e)约为0.16英寸。
9.根据权利要求1所述的装置，其中由喷珠处理形成表面粗糙度。
10.根据权利要求9所述的装置，其中利用直径为0.001英寸数量级的珠粒进行喷珠处理。
11.根据权利要求9所述的装置，其中将喷珠处理应用于形成反射器的模具。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在粗糙表面上形成的金属或介电涂层之一。
13.一种用于以近均匀柱收集并传输LED发出的光的装置，该类型LED具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体，该装置包括围绕LED的底部设置的用于收集从LED发光元件发射的旁带光并且将其正向传输的锥形反射器，其中该锥形反射器包括略微粗糙的内表面以便散射所传输的光；与LED壳体相对并且与该LED的壳体分开设置的用于聚焦来自LED的直射和反射光的透镜，其中透镜中心与LED上圆顶壳体中心之间的距离为(d)；其中该透镜以两个相对的、基本上为椭圆形的表面为界，其中(a)是透镜的半厚度，(e)是透镜的边缘厚度，(b)是透镜的半直径，并且其中每个表面包括具有直径(s)的平点；以及其中平点直径(s)在间隔距离(d)的约5％到10％之间。
14.根据权利要求13所述的装置，其中该锥形反射器形成了大约70°的锥角。
15.根据权利要求13所述的装置，其中该锥形反射器以从圆顶塑料壳体中心到底部的约0.04英寸的偏移(c)与LED相交。
16.根据权利要求13所述的装置，其中透镜的半直径(b)大于或等于间隔距离(d)的约70％。
17.根据权利要求13所述的装置，其中透镜的半厚度(a)约等于透镜边缘厚度(e)的1.5倍。
18.根据权利要求13所述的装置，其中透镜的半厚度(a)约等于透镜边缘厚度(e)的1.5倍。
19.根据权利要求13所述的装置，其中由喷珠处理形成表面粗糙度。
20.根据权利要求19所述的装置，其中利用直径为0.001英寸数量级的珠粒进行喷珠处理。
21.根据权利要求19所述的装置，其中将喷珠处理应用于形成反射器的模具。
22.根据权利要求13所述的装置，进一步包括在粗糙表面上形成的金属或介电涂层中之一。
23.一种制造用于以近均匀柱收集并传输LED发出的光的装置的方法，该类型LED具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体，该方法包括以下步骤形成锥形反射器；使反射器的内表面粗糙；围绕LED的底部设置反射器用于收集从LED发光元件发射的旁带光并且将其正向传输；形成以两个相对的、基本上为椭圆形的表面为界的透镜，其中每个表面包括平点；并且与LED壳体相对并且与该壳体分开放置透镜用于聚焦来自LED的直射和反射光。
24.根据权利要求23所述的方法，其中使表面粗糙的步骤是由喷珠处理实施的。
25.根据权利要求24所述的方法，其中利用直径为0.001英寸数量级的珠粒执行喷珠处理步骤。
26.根据权利要求24所述的方法，其中利用模具实施形成反射器的步骤，并且在该模具上实施喷珠处理步骤。
27.根据权利要求23所述的方法，进一步包括在粗糙表面上施加金属或介电涂层中之一的步骤。
全文摘要
一种用于以近均匀柱收集并传输LED发出的光的装置，其包括具有粗糙内表面的锥形反射器，其围绕LED的底部用于收集发射到LED侧面的光，还包括特别设计用于将收集的光聚焦为近准直光束的透镜。该透镜具有相对的、基本上椭圆形的表面以收集并准直来自LED和反射器的快速发散光，并且每个透镜表面包括平点以防止形成阴影，从而生成了更均匀的光束。
文档编号F21V13/04GK1766409SQ200510118559
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月31日 优先权日2004年10月29日
发明者王文相, 严幼航, S·R·维托里诺, R·E·西贝尔 申请人:应用创新技术公司