专利名称：用于小型高功率发射器的点tir透镜系统的制作方法
用于小型高功率发射器的点TIR透镜系统相关申请的交叉引用本申请要求共同转让的、于2011年5月5日提交的第61/483,036号美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用并入本文以用于各种目的。本申请还涉及共同拥有的、于2010年4月8日提交的第12/756,861号美国专利申请(代理人案卷号为91924-000510US-776092)、于2011年12月28日提交的第13/338，912号美国专利申请(代理人案卷号为91924-001600US-808563)以及于2011年12月28日提交的第13/338,936号美国专利申请(代理人案卷号为1924-001700US-808564)，以上申请的全部内容通过引用并且并入本文。
背景技术：
本公开一般涉及照明装置及制造方法，具体地，涉及用于各种应用的基于LED的 高功率窄光束光源。随着基于发光二极管(LED)的照明源变得普及，更多的消费者要求高功率的窄光束光源。例如，在一些高顶棚照明应用中，充足的光可能需要达到12米或者更远，而在一些舞台照明应用中，充足的光可能需要达到40至60米。用于这些应用的常规照明设备通常利用较大的发射器和反射器外壳。需要反射器是因为利用这种较大的发射器，就可能难以利用非常大的次级透镜，例如，TIR次级透镜。常规方式具有局限，如以下更详细地描述。因此，期望提供改进的基于LED的光源。
发明内容
本发明的实施方式提供了一般涉及基于发光二极管(LED)的照明系统的技术。更具体地，本发明的实施方式提供了全内反射(total-internal_reflection,TIR)透镜系统，其优选与小型高功率LED发射器集成。在一些实施方式中，照明系统能够利用单个发射器在长距离上实现超高勒克斯(lux)。仅通过示例的方式，描述了用于高顶棚照明或者舞台照明应用的、与80W发射器集成的点TIR透镜(spotTIR lens)系统。但是，应当认识到，本发明具有更宽泛的适用范围。根据本发明的一些实施方式，一种灯包括具有基底的单个发射器结构、全内反射(TIR)透镜以及支座，所述基底具有设置于其上的25个或者更多个发光二极管(LED)以及80瓦特或更高的额定功率。透镜包括光学主体件，光学主体件在其下部具有基本笔直的内开放通道，所述内开放通道具有用于容纳单个发射器结构的下部开口。光学主体件具有阶梯状上表面以及多个折射表面区，所述阶梯状上表面限定从所述光学主体的内部延伸到光学主体的上部开口的渐宽腔体，多个折射表面区设置在所述光学主体的所述阶梯状上表面上。支座具有成型为容纳所述光学主体件的凹的内表面以及凸的外表面。支座还具有设置为包围所述光学主体件的所述下部开口的第一开口以及与所述第一开口相对的第二开口，其中所述光学主体件能够通过所述第二开口插入所述支座。支座还包括多个凹口、指宽大小的豁口以及三个或者更多个支承部，所述多个凹口沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合，所述支承部设置在所述支座的所述第一开口周围，并且配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。在灯的实施方式中，透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比小于6。在具体的实施方式中，基础树脂为PMMA，硬化剂与基础树脂的重量比约为4. I比2. I。在另一实施方式中，基础树脂为环氧树脂，硬化剂与基础树脂的重量比约为4. I比2. I。在又一实施方式中，基础树脂是硅树脂，硬化剂与基础树脂的重量比约为4. I比
2.I。在灯的一些实施方式中，灯被配置为在三米或者更远处提供均匀颜色的光。在一个实施方式中，灯被配置为在80%的光学效率下提供15度的FWHW (全宽半峰)，其中光学效率被定义为通过次级TIR透镜的光输出与发射器的光输出之比。在一些实施方式中，灯的特征在于80mm的直径和50mm的高度。
根据本发明的又一实施方式，用于形成透镜的方法包括，通过模制具有小于6的硬化剂与基础树脂的重量比的硬化剂和基础树脂的混合物来形成透镜。在具体的实施方式中，基础树脂为PMMA，硬化剂与基础树脂的重量比约为4. I比2. I。在另一实施方式中，基础树脂为环氧树脂或硅树脂，硬化剂与基础树脂的重量比约为4. I比2. I。根据本发明的一些实施方式，一种灯包括具有基底的单个发射器结构、全内反射(TIR)透镜以及支座，所述基底具有设置于其上的多个发光二极管(LED)。透镜包括光学主体件，光学主体件在其下部具有基本笔直的内开放通道，所述内开放通道具有用于容纳单个发射器结构的下部开口。光学主体件具有上表面以及多个折射表面区，所述上表面限定从所述光学主体的内部延伸到上部开口的渐宽腔体，多个折射表面区设置在所述光学主体的所述上表面上。支座具有成型为容纳所述光学主体件的凹的内表面以及凸的外表面。支座还具有设置为包围所述光学主体件的所述下部开口的第一开口以及与所述第一开口相对的第二开口，其中所述光学主体件能够通过所述第二开口插入所述支座。支座还包括多个凹口以及三个或者更多个支承部，所述多个凹口沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合，所述支承部设置在所述支座的所述第一开口周围，并且配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。在灯的实施方式中，光学主体件的上表面包括多个阶梯部。在另一实施方式中，灯还包括设置在所述光学主体的所述上表面上的多个折射表面区。在灯的实施方式中，透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比为4. I比2. I。在另一实施方式中，透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比在I. 5:1到2. 5:1之间。根据本发明的某个其它实施方式，一种灯，其包括具有基底的单个发射器结构、全内反射(TIR)透镜以及支座，所述基底具有设置于其上的25个或者更多个发光二极管(LED)以及80瓦特或更高的额定功率，所述透镜具有设置在光学主体的阶梯状上表面上的多个折射表面区，所述支座具有多个凹口以及三个或者更多个支承部，所述多个凹口沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合，所述支承部配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。在具体的实施方式中，透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比小于6。在另一实施方式中，透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比在I. 5:1到2. 5:1之间。
根据本发明的又一实施方式，一种形成透镜的方法包括通过模制具有小于6的硬化剂与基础树脂的重量比的硬化剂和基础树脂的混合物来形成透镜。在具体的实施方式中，硬化剂与基础树脂的重量比在I. 5:1到2. 5:1之间。在另一实施方式中，硬化剂与基础树脂的重量比为4. 1:2. I。以下连同附图进行的详细描述将提供对本发明的本质和优势更好的理解。
图I是根据本发明的实施方式的基于LED的灯的简化的横截面侧视图；图2是根据本发明的具体实施方式
的实现图I的发射器封装104的25管芯发射器的简化的俯视图；图3分别图示了根据本发明的实施方式的，发射器、支座以及透镜分离时以及作为组装灯时的示例性灯的透视图； 图4分别示出了图3中的灯的俯视图、侧视图以及横截面图；图5示出了根据本发明的实施方式的透镜的俯视图、侧视图以及横截面图；图6示出了图5的透镜的另一透视图和俯视图；图7图示了根据本发明的实施方式的透镜支座的各个视图；图8图示了根据本发明的实施方式的图7的透镜支座的俯视图；图9图示了根据本发明的实施方式的、具有支座的透镜的透视图以及支座的上部的详细视图；图10分别图示了根据本发明的实施方式的、透镜和支座组合在分离位置和组装位置的透视图；图11图示了根据本发明的实施方式的、组件中的透镜和支座组合的俯视图和横截面图。
具体实施例方式本发明的实施方式提供了一般地涉及基于发光二极管(LED)的照明系统的技术。更具体地，本发明的实施方式提供了全内反射(TIR)透镜系统，其优选与小型高功率LED发射器结合。在一些实施方式中，照明系统能够利用单个发射器在长距离上实现超高勒克斯(lux)。仅通过示例的方式，描述了用于高顶棚照明或者舞台照明应用的、与80W发射器结合的点TIR透镜系统。但是，应当意识到，本发明具有更宽泛的适用范围。例如，在一些高顶棚照明应用中，充足的光可能需要达到12米或者更远，而在一些舞台照明应用中，充足的光可能需要达到40至60米。用于这些应用的常规照明设备通常利用较大的发射器和反射器外壳。需要反射器是因为利用这种较大的发射器，就会难以利用非常大的次级透镜，例如TIR次级透镜。然而，本发明的实施方式提供了与单个小型高功率LED发射器结合的TIR透镜。本发明的实施方式包含一些性能，例如TIR次级透镜和高功率小型发射器的光准直能力，以便在长距离上得到较高的勒克斯。在一些实施方式中，照明系统包括25个管芯的发射器，其能够具有12mmX12mm那么小的尺寸，并且能够具有80W的额定功率。发射器封装括设置在多层基底上的25个LED管芯。较小的多层基底利用具有匹配的热性能和机械性能的材料，使其在所附接的发射器具有高达80W的功耗时，也能够保持平坦而不会变形。类似的多层基底在共同拥有的第12/756，861号美国专利申请中进行了描述，该申请的全部内容通过引用并入本文。在一些实施方式中，照明系统能够在80%的光学效率下具有15度的FWHW (fullwidth half max，全宽半峰)，并且在3米以及更远处具有极好的亮度和色彩均匀性。这里，80%的光学效率被定义为通过次级TIR透镜的光输出与发射器的光输出之比。在具体的实施方式中，具有受控的CTE (coefficient of thermal expansion,热膨胀系数)的多层基底使发射器能够利用玻璃主透镜而不会 破裂。就本发明的发明人所知，由于热膨胀失配可能导致分层或破裂，所以常规照明设备难以在高功率的LED或发射器上使用玻璃透镜。以下更详细地描述照明设备和各个部件。光学设计由于80W发射器的尺寸，所以针对在窄角光束处具有高光学效率和极好强度及色彩均匀性的规格的光源设计光学器件是一项有挑战的任务。图6示出了根据本发明的实施方式的TIR透镜的透视图和俯视图。该创新的光学设计结合了透镜，该透镜的特征在于TIR性能，其确保了高效率、提供良好均匀性的顶部微透镜、实现窄束角的大尺寸以及减少透镜质量的阶梯式结构。当透镜较大时，光路也较长。因此，透射损耗变得明显。为了使损耗最小化，透镜的中心部分被切割成阶梯状，这不会改变光束角和光束均匀性方面的光学性能。但减少了透镜质量，并且降低了透射损耗。这还能够使制造过程更短并且更容易。以上的全部特征的结合使得该透镜对于在长距离上需要超高的中心勒克斯以及极好的色彩和亮度均匀性、例如高顶棚照明和舞台照明的应用来说是独特的。下表总结了根据本发明的实施方式的具体TIR透镜系统的光学性能。
权利要求
1.一种灯，包括 单个发射器结构，具有基底，所述基底具有设置于其上的25个或者更多个发光二极管(LED)以及80瓦特或更高的额定功率； 全内反射(TIR)透镜，所述透镜包括 光学主体件，在其下部具有基本笔直的内开放通道，所述内开放通道具有用于容纳所述单个发射器结构的下部开口； 所述光学主体件具有阶梯状上表面，所述阶梯状上表面限定从所述光学主体的内部延伸到所述光学主体的上部开口的渐宽腔体；以及 多个折射表面区，设置在所述光学主体的所述阶梯状上表面上；以及支座，具有成型为容纳所述光学主体件的凹的内表面以及凸的外表面，所述支座具有设置为包围所述光学主体件的所述下部开口的第一开口以及与所述第一开口相对的第二开口，其中所述光学主体件能够通过所述第二开口插入所述支座中，所述支座还包括 多个凹口，沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合； 指宽大小的豁口 ；以及 三个或者更多个支承部，围绕所述支座的所述第一开口设置，并且配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。
2.如权利要求I所述的灯，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比小于6。
3.如权利要求2所述的灯，其中所述基础树脂为PMMA，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
4.如权利要求2所述的灯，其中所述基础树脂为环氧树脂，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2.1。
5.如权利要求2所述的灯，其中所述基础树脂是硅树脂，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
6.如权利要求I所述的灯，其中所述灯被配置为在三米或者更远处提供均匀颜色的光。
7.如权利要求I所述的灯，其中所述灯被配置为在80%的光学效率下提供15度的FWHW(全宽半峰)，其中所述光学效率被定义为通过次级TIR透镜的光输出与发射器的光输出之比。
8.如权利要求I所述的灯，其中所述灯的特征在于80mm的直径和50mm的高度。
9.一种形成如权利要求I所述的灯的方法，包括通过模制硬化剂和基础树脂的混合物来形成透镜，其中所述硬化剂与所述基础树脂的重量比小于6。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述基础树脂为PMMA，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述基础树脂为环氧树脂或者硅树脂，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
12.—种灯，包括 单个发射器结构，其具有基底，所述基底具有设置于其上的多个发光二极管(LED)； 全内反射(TIR)透镜，所述透镜包括光学主体件，在其下部具有基本笔直的内开放通道，所述内 开放通道具有用于容纳所述单个发射器结构的下部开口； 所述光学主体件具有上表面，所述上表面限定从所述光学主体的内部延伸到所述光学主体的上部开口的渐宽腔体；以及多个折射表面区，设置在所述光学主体的所述上表面上；以及 支座，具有成型为容纳所述光学主体件的凹的内表面以及凸的外表面，所述支座具有设置为包围所述光学主体件的所述下部开口的第一开口以及与所述第一开口相对的第二开口，其中所述光学主体件能够通过所述第二开口插入所述支座中，所述支座还包括 多个凹口，沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合；以及 三个或者更多个支承部，设置在所述支座的所述第一开口周围，并且配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。
13.如权利要求12所述的灯，其中所述光学主体件的所述上表面包括多个阶梯部。
14.如权利要求13所述的灯，还包括设置在所述光学主体的所述上表面上的多个折射表面区。
15.如权利要求12所述的灯，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比为4. I比2. I。
16.如权利要求12所述的灯，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比在I. 5 I到2. 5 I之间。
17.一种形成如权利要求12所述的灯的方法，包括 采用重量比小于6的硬化剂和基础树脂的混合物来形成所述透镜。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比在I. 5 I到2. 5 I之间。
19.一种灯，包括 单个发射器结构，具有基底，所述基底具有设置于其上的25个或者更多个发光二极管(LED)以及80瓦特或更高的额定功率； 全内反射(TIR)透镜，所述透镜包括设置在光学主体的阶梯状上表面上的多个折射表面区；以及 支座，具有多个凹口以及三个或者更多个支承部，所述多个凹口沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合，所述支承部配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。
20.如权利要求19所述的灯，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比小于6。
21.如权利要求19所述的灯，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比在I. 5 I到2. 5 I之间。
22.—种形成透镜的方法，包括通过模制硬化剂和基础树脂的混合物来形成透镜，其中硬化剂与基础树脂的重量比小于6。
23.如权利要求22所述的方法，其中硬化剂与基础树脂的重量比在I.5 : I到2.5 : I之间。
24.如权利要求22所述的方法，其中硬化剂与基础树脂的重量比为4.I 2.1。
25.一种透镜组件，包括 全内反射(TIR)透镜，所述透镜包括 光学主体件，在其下部具有基本笔直的内开放通道，所述内开放通道具有用于容纳光源的下部开口； 所述光学主体件具有阶梯状上表面，所述阶梯状上表面限定从所述光学主体的内部延伸到所述光学主体的上部开口的渐宽腔体；以及 多个折射表面区，设置在所述光学主体的所述阶梯状上表面上；以及 支座，具有成型为容纳所述光学主体件的凹的内表面以及凸的外表面，所述支座具有设置为包围所述光学主体件的所述下部开口的第一开口以及与所述第一开口相对的第二开口，其中所述光学主体件能够通过所述第二开口插入所述支座中，所述支座还包括 多个凹口，沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合； 指宽大小的豁口 ；以及 三个或者更多个支承部，设置在所述支座的所述第一开口周围，并且配置为将所述光学主体件相对于所述光源置于中心。
26.如权利要求25所述的透镜组件，其中所述透镜包括硬化剂和基础树脂的混合物，硬化剂与基础树脂的重量比小于6。
27.如权利要求26所述的透镜组件，其中所述基础树脂为PMMA，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
28.如权利要求26所述的透镜组件，其中所述基础树脂为环氧树脂或硅树脂，所述硬化剂与所述基础树脂的重量比约为4. I比2. I。
全文摘要
一种灯，其包括具有基底的单个发射器结构、全内反射(TIR)透镜以及支座，所述基底具有设置于其上的25个或者更多个发光二极管(LED)以及80瓦特或更高的额定功率，所述透镜具有设置在光学主体的阶梯状上表面上的多个折射表面区，所述支座具有多个凹口以及三个或者更多个支承部，所述多个凹口沿所述支座的内边缘设置并且配置为与所述透镜的凸缘径向压紧配合，所述支承部配置为将所述光学主体件相对于所述单个发射器结构置于中心。使用低于6的硬化剂与基础树脂的低重量比，例如，在1.5:1到2.5:1之间。
文档编号F21V5/04GK102777786SQ201210150018
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月7日 优先权日2011年5月5日
发明者大宝·A·阿德彼, 蒋芜, 闫先涛 申请人:Led工程公司