具有多光源准直器的照明系统及其操作方法

具有多光源准直器的照明系统及其操作方法
【专利摘要】提供了一种透镜，其被沿着轴线伸长从而适应LED直线阵列，所述透镜的伸长导致光束输出图案的相应伸长；实践中，伸长的轴线可以被定向从而适合目标区域或其某一部分。提供了一种方法论，以用于与所述透镜一起使用，从而针对光源和灯具设计的给定组合估算诸如光效下降、热量管理、和光输出的各个因子。透镜的替代设计、以及替代的光学装置，也被提出以用于与所述方法论一起使用。
【专利说明】具有多光源准直器的照明系统及其操作方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119要求享有2011年9月26日提交的序列号为61/539，166的美国临时申请的优先权，该申请因此通过引用其整体而被合并。
【背景技术】
[0003]在当前的技术水平中，运动及其它广域照明场合通常利用高强度放电(HID)灯泡；最经常的，是高瓦数(例如，1000瓦或以上)灯泡，其安装在高高地举在目标区域上方的灯具中，并且伴有有助于使从其投射的光定形的各种各样的光学装置。在HID灯具中使用的一些典型的光学装置包括反射器、透镜、遮光板、等等，并且被设计成反射、校准、阻挡、或以其它方式引导光以便在目标区域处或附近产生期望的光束型式。在很多场合中术语“目标区域”不仅是指执行任务所在的表面，而且指所述表面上方和/或周围的规定的空间。作为一个实例，棒球场上方的空间可能被认为是目标区域的一部分，因为对于飞行中的球来说贯穿其轨迹而被适当地照亮是合乎需要的。
[0004]HID灯泡，并且尤其是金属卤素HID灯泡，由于长工作寿命(例如，数千小时)、高发光输出(例如，超过100k Im)、高发光效能(例如，大约1001m/W)、出色的色彩渲染(例如，65或以上的CRI)、和模仿自然光的能力(例如，CCT大约4200K)的组合而经常是精选的光源；后两种特性 对于电视播送的事项来说尤其重要。多年以来广域HID照明系统的设计技术已经展开以便处理诸如维持最小光级、确保指定的照明均匀性、和减轻眩光的问题以便满足例如各种安全性、可玩性、或光污染的问题。
[0005]话虽如此，该技术仍有提高的空间。例如，在高瓦数HID灯泡产生巨大量的光的同时，这些灯泡本身是很大的(例如，超过300mm长并且直径超过200mm)并且经常需要大且复杂的光学装置来驾驭光并引导其朝向目标区域；这给灯具增加了成本和尺寸。灯具尺寸的增加经常增大了风力荷载(即，拖拉力)和重量；因此举升结构(例如，柱)必须更加坚固，这也增加了成本。尽管那样，从单一光源发射的光有多少可以被定形以适于目标区域是有限度的。例如，即使利用一大群光学装置，对于单一金属卤素HID灯具来说也难于充分地照亮道路中的弯道(例如，如在苜蓿叶形立体交叉中)而没有溢出(即，对目标区域的照明没有贡献并因此被浪费的光)。
[0006]—种解决方案是使用若干更小(例如，大约150mm长并且直径75mm)、更低瓦数(例如，400瓦)的HID灯泡代替单一的、高瓦数HID灯泡；这将可能提供HID灯泡的益处同时潜在地允许具有可被独立控制的多个光源的更小、更紧凑的灯具。遗憾的是，在当前的技术水平中，更低瓦数的HID灯泡受困于下降的效能(例如，大约801m/W)。考虑到许多运动及其它广域照明系统在更换灯泡前被操作二十年或以上，事实证明，随着时间的推移，所增加的控制导致操作这些更低瓦数HID灯泡所增加的成本不合理。
[0007]发光二极管(LED)为有吸引力的替代光源，因为如果工作条件适当，它们具有比HID长的多的工作寿命(例如，好几万小时)和比得上或超过HID的效能；此外，它们可被设计成具有各种各样的色彩特性。采用多个LED的广域照明系统具有以使用现有技术的HID灯泡不容易实现的方式照亮复杂的目标区域的潜力。话虽如此，对LED的使用还没有扩展到运动及其它广域照明场合，至少部分地因为将一种类型的光源简单地换成另一种并不能处理热量管理的问题，而已知这是极大影响LED的工作寿命和效能的一种因素，该问题如果不正确处理，便减小使用LED的益处。
[0008]极大关注的另一问题是“光效下降(droop) ” -由LED经历的一种现象，其中在电流增大时效能急剧下降。光效下降是广域照明场合-或任何一般照明场合-特别关注的，因为要使LED的使用更值得(affordable)，高工作电流是必须的。遗憾的是，此折衷使效能显著下降；在一些情况中，增大电流超过几毫安(mA)就导致下降如此严重以至于使得LED在将电转换成光时比其它商业可用的光源(例如，荧光灯)效率低。关于光效下降的更多【背景技术】可由多种来源提供，包括下列出版物，其公开内容通过引用合并于此:“The LED’s Dark Secret” [在线]，[检索于 2011-07-13]/检索自互联网:〈URL:http://spectrum, iee.0rg/semiconductors/optoeIectronics/the-leds-dark-secret/0>,发表于 IEEE Spectrum,第 46 卷,第 8 期,第 26-31 页(2009)。
[0009]因而，本领域中对于运动及其它广域照明系统而言有必要利用LED的益处同时处理热量管理和光效下降，然而，在相比于传统的HID系统时还证明经济有效。这不是容易的任务，因为据估算基于LED的运动照明系统可以花费标准的基于HID的运动照明系统的若干倍那么多(最初)；这至少部分地由于为接近单一高瓦数HID灯泡的光输出而需要的LED的绝对数量。
[0010]一种解决方案是使用能够大量输出光的LED从而需要较少的数量来接近传统HID灯泡的光输出；推测来看，这将稍微增大灯具的成本但允许对从其投射的光的大大增加的控制。这里的不足之处在于，因为LED还是新兴的技术，在维持可接受的效能的同时可以产生的光输出是有限度的。此外，可被制造成适合LED并且仍通过经济有效的模制技术来成型的光学镜的尺寸是有限制的。
[0011]另一种解决方案是使用在高于额定电流下被驱动的商业上可用的LED ;推测来看，这将在每个LED产生更多的光从而需要较少的数量来接近传统HID灯泡的光输出。这里的不足之处在于，会到达增大电流产生的回报减少的临界点；光效下降并且温度上升，由此减少工作寿命和效能。因此，该技术有提闻的空间。

【发明内容】

[0012]为平衡在运动及其它广域照明场合中使用LED所增加的成本，值得期望的是，对于那些LED而言，证明效能至少与在当前使用的HID灯泡中所看到的相似，并且进一步地，对于那些基于LED的灯具而言，拥有对从其投射的光的更多控制(在与当前使用的HID灯具相比时)。理想地，基于LED的灯具也将证明比传统的广域HID灯具长的工作寿命，尽管这对于某些场合而言可能不是必需的。
[0013]因此本发明的原则性目标、特征、优点、或方面是对现有技术的改进和/或处理该技术中的问题、争论点、或不足之处。
[0014]根据本发明的另外的目标、特征、优点、或方面可以包括下列中的一个或多个:
[0015]a.用于为运动和/或其它广域照明场合定制基于LED的灯具的手段；
[0016]b.用于使基于LED的灯具的更经济有效的手段；以及[0017]c.用于针对给定的基于LED的灯具平衡热量管理、光效下降、和/或其它因子对光输出的方法论。
[0018]根据本发明的一个方面，一种灯具被设计以便容纳多个LED模块，每个模块具有与预想的透镜相结合的一个或多个光学装置，所述透镜被设计成容纳直线阵列中的一个或多个LED。以这种方式，所述LED模块在所述灯具内部的瞄准以及所述灯具本身可以被调整从而产生期望的复合的光束输出图案。而且，在每个模块内部的LED的数量和类型、以及输入功率，可以被调整从而产生期望的光输出水平、效能、成本效能比、等等。实质上，根据本发明的一些方面，可以为LED灯具的特定设计定制光输出、效能、或其它因子以适合特定的照明场合。
[0019]本发明的这些及其它目的、特征、优点、或方面根据附随的详细说明和权利要求将更为明显。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]本说明中将一直参考由图号识别的且在下面加以概括的附图。
[0021]图1A - C示出了对于透镜和LED的不同组合的间距要求。图1A在分解视图中示出了常规的透镜和相应的LED。图1B在分解视图中示出了并列的两个常规的透镜和相应的LED。图1C在分解视图中示出了根据本发明的一方面的具有并列的两个LED的透镜。
[0022]图2A- E示出了图1C的预想的透镜的各个详细视图。
[0023]图3A和B示出了分别来自常规的LED/透镜装置(如图1A和B中的)和预想的LED/透镜装置(如图1C中的)的光束输出图案的比较。
[0024]图4以流程图的形式示出了根据本发明的一方面确定实际光输出和/或发光效能的一种可行方法。
[0025]图5用图解法示出了根据本发明的一方面确定光效下降因子的一种可行方法。
[0026]图6A和B示出了根据本发明的一方面的替代的LED/透镜装置-在此被称作四
方装置。
[0027]图7示出了来自图6A和B的四方装置的光束输出图案。
[0028]图8A - F示出了根据本发明的一方面的反射器的各个详细视图，该反射器可以代替图6A和B的四方装置的透镜被使用以产生图7的光束输出图案。
【具体实施方式】
[0029]A.概述
[0030]为进一步理解本发明，根据本发明的特定的示例性实施方式将详细进行描述。在本说明书中将频繁提到附图。附图标记将被用来指示附图中的某些部件。除非另外指明，相同的附图标记将被用来贯穿各附图地指示相同的部件。
[0031]尽管本发明的一些方面可以被应用至各种各样的场合、灯具设计、和LED型号，但下列示例性实施方式以实例的方式并且不以限制的方式采用通过引用合并于此的公布号为2012/0217897的美国专利中所描述的灯具，以及可从Cree，Inc.，Durham, NC, USA得到的型号XM-L的LED。
[0032]另外，要注意的是，术语“LED” -当其在此被使用时-指的是完整的LED封装(即，主透镜，封装本体，和二极管(也被称作芯片或裸片))。
[0033]B.示例性方法和装置的实施方式I
[0034]采用足够类型并且以足够数量的多个LED的灯具被预想，以便接近在广域照明场合中使用的传统HID灯泡的光输出；后者的一个实例为可从GE LightingHeadquarters, Cleveland, OH, USA得到的型号37405的石英金属齒素灯泡。根据本发明的一些方面，两个或多个LED被并排地放置以形成直线阵列，单一组光学装置被用于每个直线阵列以便减少灯具的成本-或至少减少灯具成本的增加。因此例如，共用单一透镜、遮光板、和/或反射器的两个LED的直线阵列实质上加倍了 LED的数量而没有加倍光学装置的数量；实质上，加倍了光输出能力而没有加倍成本。这是与传统观点相反的，因为多芯片LED在商业上可用是已知的；可从Cree，Inc.，Durham, NC, USA得到的型号
MC-EXLAMP?是一个实例。
[0035]尽管占用区域更大(B卩，需要更多的物理空间)，但已被发现的是，单一芯片式LED的直线阵列展示出与商业上可用的具有相同数目的二极管的多芯片LED相当的效能，如果不是大于的话。相比较而言，例如，前述的型号MC-E的LED，如由Cree所报道，其在9.5瓦时具有751流明的最大光输出(791m/W)，而型号XP-G，如由Cree所报道，其在4.9瓦时具有493流明的最大光输出(1001m/W)。考虑到型号MC-E的LED包含四个芯片而型号XP-G仅包含一个芯片，可以看出运行于4.9瓦的一个额外的XP-G (共计两个单一芯片式LED)在相当的功率下产生的光比四芯片的MC-ELED多。
[0036]此外，已被发现的是，以直线阵列布置单一芯片式LED产生某种程度上在一个平面中散布的光束，这对于广域照明场合而言可能是有利的，该场合中清晰的截断是合乎需要的。商业上可用的多芯片LED通常被布置在格栅中(例如，2x2，4x4)并且因此不能优先在平面中散布光束。当然，椭圆透镜可以与多芯片LED—起使用以便接近在一个平面中散布的光束，但该方法并不能处理多芯片LED的较低效能。
[0037]1.多光源准直器
[0038]根据本发明的一个方面，细长的透镜被形成以便适应LED的前述的直线阵列；与传统透镜的比较在图1A-C中被示出。如在图1A中可见，典型的单一裸片LED具有长度X1,宽度Y1，和高度Z1 ;型号XM-L的LED尺寸测量为分别5mm，5mm,和3mm。相应的透镜具有长度X2,宽度Y2，和高度Z2 ;为适应型号XM-L的LED，典型的窄光束透镜尺寸测量为分别大约21mm，21mm，和11mm。以常规方式加倍LED的数量需要2X2的长度以便适应第二透镜(见图1B);对于两个XM-L LED而言，为42mm的长度。根据本发明，细长的透镜对于两个XM-LLED而言仅需要1.Tk2 (25.2mm)的长度。实践中，细长的透镜的准确长度(见图1C)将取决于阵列中的LED的数量和尺寸，但将始终⑴完全封装阵列中的这些LED，并且(ii)短于使用图1B中示出的常规方法的情形。如可被意识到的，图1C中示出的方法允许比图1B中示出的方法对LED更有效的包装；或许甚至允许将直线阵列中的所有LED安装至共同的板，如果需要的话。
[0039]图2A-E更详细地示出了图1C的预想的透镜。如可由图2E所见，透镜100具有与发光面101(见图2B)相交的总体上呈抛物线的外形，这是LED透镜的典型外形。取决于照明场合的要求，发光面101可以是带肋的、相对平滑的(S卩，抛光的)、棱柱的，或者包括微型透镜的一些其它特征或设计。此外，发光面101可以是平坦的、弯曲的(凸的或凹的)，或者包括孔口(如在一些LED透镜中常见的)。如惯常的做法，透镜100的LED相邻面102被形成以便适当地封装主透镜并齐平地坐靠着阵列中每个LED的封装本体；再次，如果需要的话，具有相应的主透镜的一个或多个二极管可以共用封装本体。透镜100可以利用传统的模制技术由透光的(例如，透明的或半透明的)材料形成，尽管其它的成型技术(例如，机械加工)或另外的处理步骤(例如，压缩)可能是必需的，如果透镜100超过特定长度的话；替代方案在后面进行讨论。透镜100的精确形状和光学特性可以根据需要或需求变化。
[0040]实践中，将透镜100的长度沿着相对于目标区域的平面、轴线、或特征对准可能是有利的。例如，对于安装在地面附近并且朝上瞄准目标区域的灯具-有时被称作洗墙照明场合-而言，将透镜100的长度或多或少地在竖直面内对准以便沿着目标区域的高度延伸可能是优选的。替代地，如果该灯具被安装在目标区域的上方并且总体上向下瞄准(例如，如在公布号为2012/0217897的前述美国专利的图15A中那样)，将透镜100的长度或多或少地在水平面中对准以便沿着目标区域的长度延伸而没有反向影响由遮光板(如果该灯具包括遮光板的话)提供的光束截断可能是优选的。
[0041 ] 图3A和B示出了分别来自常规的LED/透镜装置和使用透镜100的LED/透镜装置的等光强曲线的比较。如可由图3A看出，分别具有窄光束TIR二次透镜的两个XM-L LED-相当于图1B的装置-产生了在所有方向上基本相同地延伸的光束输出图案。替代地，如可由图3B看出，具有图2A-E中所示设计的TIR 二次透镜的两个XM-L LED-相当于图1C的装置-产生了类似于图3A的图案但在一个方向上被拉长的光束输出图案；注意图3A和B之间刻度方面的改变。在这两个案例中，张角由最外面的虚线曲线表示并且光束角由最里面的虚线曲线表示。初步测试已发现使用预想的透镜相比于传统的透镜非常少直至没有导致传输效率上损失；根据一项测试，相比于使用诸如在图1A和B中示出的传统的窄光束透镜(例如，可从FraenCorporation, Reading, MA, USA得到的 FCP Series for Cree XT,AMP?
中任意型号的窄光束透镜)在传输效率上10%的损失，预想的透镜100导致了传输效率上9%的损失。
[0042]2.用于平衡热量管理和光输出的方法论
[0043]预想的透镜100提供了许多益处；作为结果的光束在优选的方向上被稍微拉长，透镜100对于给定数量的LED与如果相同数量的LED分别采用透镜相比需要更少的空间，并且容纳给定数量的具有透镜100的LED比具有单独透镜的LED成本更少。例如，采用公布号为2012/0217897的前述美国专利的图1A - C中所示出的照明模块。通过使用板200上的两个或三个LED的直线阵列代替仅仅一个，以及预想的透镜100代替透镜400 (见前述专利申请的图1B)，对模块10的很小的修改是需要的。当该替代方案为简单地增加更多模块10 (分别具有单一 LED)时，可被意识到本示例性实施方式的预想的透镜100有助于为广域照明场合定制特定的基于LED的灯具并且以经济有效的方式进行。
[0044]当然，增加共用二次透镜(即，透镜100)的LED的数量和增加灯具中的LED的总数提出了热量管理的问题，这些问题必须被处理，如果要实现LED的前述益处的话，特别是如果与常规的HID灯泡相比的话。因此，需要一种方法论，其允许识别热量/光效下降和光输出之间的可接受的平衡，并且其可以被应用而不管在直线阵列中所使用的LED的数量和类型、灯具的设计，等等；这一方法论在图4中被示出并且马上进行讨论。
[0045]作为方法300的第一步骤(301)，选中的灯具被特征化以便在实质上确定该灯具作为散热器是如何有效。使用在公布号为2012/0217897的前述美国专利中所描述的灯具作为实例，可以容易地确定灯具外壳(见前述专利申请的图10A)的物理尺寸，以及形成其的材料(例如，铸造铝合金)。其后，可以容易地确定通常由灯具外壳所容纳的LED的数量和类型；以实例的方式，假定该灯具外壳典型地包含78个LED模块(见前述专利申请的图
1A)，分别采用单一 XM-L LED并且在LED之间具有50mm的间距。知道了 LED的类型，就可以容易地确定LED的热阻抗(因为该信息是可从LED制造商得到的)。知道了所有这些，就可以使用商业上可用的模拟程序诸如Qfin4.0 (可从Qfinsoft Technology, Inc., Rosslan
d,British Columbia, Canada得到的)来确定对于给定的正向电流的灯具外壳温度。尽管相比于更冗长的(并且可能昂贵的)分析被大大简化，出于本发明的目的该灯具外壳温度被假定为与LED阵列的焊点温度(也被称作壳体温度)相当。
[0046]作为方法300的第二步骤(302)，针对特定类型的LED对于给定的正向电流光效下降因子被确定。如上所述，本例中灯具采用78个XM-L LED;假定对于广域照明场合每个LED在2450mA下被操作。LED制造商们通常提供相对通量对正向电流的图表；没有光损失的完美线性走向和报道的数据之间的差异被用来确定光效下降因子。因此查看图5中的假想实例，在800mA时报道的相对发光通量(在点a:处)为理想情况下的发光通量(在点a2处)的一半；于是，光效下降因子为0.50。对于根据公布号为2012/0217897的美国专利的包含分别工作于2450mA的78个XM-L LED的灯具的前述实例，使用来自制造商的针对特定型号的信息，并且应用与图5中所示的相同的方法论，0.66的光效下降因子被确定。
[0047]作为方法300的第三步骤(303)，温度因子被确定以便解释在25°C和实际结温下的数据之间的差异-因为在25°C下操作实际的广域照明系统是不可行的-以及解释与增加的温度相关的其它损失。如先前所述，根据方法300的步骤301对灯具外壳特征化允许确定对于给定的正向电流的灯具外壳温度，该外壳温度被假定为与LED阵列的焊点温度相当。以实例的方式，当这些LED被操作在2450mA时，假定所述特征化产生了 90°C的外壳温度。知道了 XM-L LED的结壳之间的热阻抗为2.50C /ff(因为这是由制造商提供的)并且知道了对于XM-L LED而言在2450mA时功率为8W (因为这是由制造商提供的或是基于由制造商提供的其它信息容易导出的)，实际的结温可以根据下列等式被确定:
[0048]Tjled = Tspa+(RJc*Pled) (I)
[0049]其中，Tjled为阵列中的每个LED的实际结温，Tspa为LED阵列的焊点温度，Rjc为LED的热阻抗，并且Pmi为阵列中的每个LED的瓦数。对于上面概述的特定实例，T#D =90 °C +(2.5 °C /ff*8ff) = 110°C。
[0050]LED制造商们通常针对指定的正向电流提供相对通量对结温的图表；利用该图表可以确定基于Tjm的温度因子。当然，如果报道的数据中的正向电流并不类似于实际的工作条件(例如，如果制造商报道了在750mA时相对通量对结温，而在本例中正向电流为2450mA)，依然可以使用该报道的数据，但执行独立测试或获取更有代表性的数据可能是更可取的。假定报道的数据是足够的并且对于工作在2450mA下的一个XM-L LED已经计算出110°C的结温，可以查看相对通量对结温的曲线并找到相应的相对发光通量为82% ;于是，温度因子为0.82。
[0051]方法300的最后步骤(304)为考虑到灯具设计、LED类型、和工作条件而确定LED阵列的实际光输出和/或效能。手头有了光效下降和温度因子，并且知道了额定的效能(因为这是由制造商提供的)，就可以计算出实际光输出和/或效能。假定对于XM-L LED的1611m/ff的额定效能,实际光输出和效能可以根据下列等式被确定:
[0052]Φ3 = LEr*PLED*DF*TF*n (2)
[0053]LEa= cV(PLED*n) (3)
[0054]其中Oa为阵列的实际光输出，LEr为额定发光效能，为阵列中的每个LED的瓦数，DF为光效下降因子，TF为温度因子，η为阵列中的LED的数量，并且LEa为实际发光效能。因此对于根据本实施方式的概述的实例来说，Φ3 = 1611m/W*8W*0.66*0.82*1 = 6971m并且 LEa = 6971m/ (8ff*l) = 871m/W。
[0055]现在假定不是在具有传统透镜(见公布号为2012/0217897的前述美国专利的图
1B)的LED模块中使用在8W下被驱动的单一 XM-L LED，而是两个XM-L LED被使用在具有预想的透镜100的LED模块中并且分别在4W下被驱动；方法300的应用表明了效能上的更可取的变化。
[0056]根据步骤301，灯具外壳被特征化。可以重运行该分析(例如，通过Qfin或其它程序)但考虑到LED的类型未变并且LED阵列的占用区域仅仅增加了几毫米-这实际上是有利的因为其将更多的热量传递至灯具外壳，并且因此远离LED -外壳温度将很可能仅改变了很小的量。因而，来自最初的外壳特征化的结果将被用于该替代的情况中。
[0057]根据步骤302，针对特定类型的LED对于给定的正向电流，光效下降因子被确定；假定对于XM-L LED而言，工作在4W时与1300mA相关(再次，该数据通常由LED制造商提供或可以从由LED制造商提供的数据中被导出)。使用来自制造商的针对特定型号的信息并且应用与图5中所示的相同的方法论，0.80的光效下降因子被确定。
[0058]根据步骤303，温度因子被确定。在第一个实例中用来接近焊点温度的外壳温度在该替代的情形中被用于焊点，因为总功率对于被串联连接并分别工作在4W下的两个XM-LLED与对于工作在8W下的一个XM-L LED而言是相同的。于是，使用相同的焊点温度和热阻抗(因为LED的类型没有改变)，就可以利用等式⑴来计算T#D;在本例中，T#D =90°C +(2.5°C /W*4W) = 100°C。利用100°C作为阵列中的每个LED的实际结温，就可以按照该适当的制造商提供的(或独立开发的)相对通量对结温的曲线找到相应的相对发光通量；假定该相应的相对通量为84%，则温度因子为0.84。
[0059]根据步骤304，实际光输出和/或效能根据等式(2)和(3)分别被确定。针对该替代的情形利用来自步骤301 - 303的结果，Oa = 1611m/W*4W*0.80*0.84*2 = 8661m并且LEa = 8661m/(4W*2) = 1081m/W。因此对于该特定实例可以看出，每一模块的一个LED所增加的成本-并且不存在增加的功率成本因为功率未增加-导致了优于传统的LED/透镜装置的24%的效能增加。以这种方式，就可以平衡成本对效能、正向电流对光损失、或各因子的一些其它组合从而确定对于LED和灯具的组合什么是可接受的。
[0060]C.示例性方法和装置的实施方式2
[0061]在某些情况下，各因子的组合可能引导使用者背离LED的直线阵列的方案，即使相应的光束输出图案是期望的。例如，其可能发现对于给定尺寸的灯具为了实现目标效能，LED的直线阵列不允许在可用的空间中对光源充分的包装。在某些情况下，产生关于所有的轴线对称的光束输出图案可能是更可取的。在某些情况下，可能被发现的是对于给定型号的LED，光损失更容易归因于光效下降而不是升高的温度。在这种情况下，为实现期望的效能，其可能需要考虑每个透镜包括更多的LED从而减少光效下降的影响同时接受全体温度的增加。无论出于什么原因，设计非直线阵列以便与预想的透镜100—起使用并不偏离根据本发明的一些方面；该替代的实施方式在图6A - B和7中示出。
[0062]如可由图6A所见，LED的非直线阵列(以下被称作四方阵列)具有与先前的实施方式中相同的长度(2XJ和高度(Z1)但具有两倍的宽度OY1)-也参见图1C。相应的透镜的一种可行的设计在图6A和B中示出；如可看出的，四方阵列透镜100具有与先前的实施方式中相同的长度(1.2X2)和高度(Z2)，以及1.2Y2的宽度。再次引用尺寸测量为5mm x5mmx3mm的XM-L LED，常规的方法(如图1B中)将需要尺寸测量为大约42mm x42mm xllmm的空间。替代地，根据本实施方式的透镜仅需要尺寸测量为25.2mm x25.2mm xllmm的空间。再次，预想的透镜的精确尺寸将取决于阵列中的LED的数量和尺寸，以及所述LED在阵列内部的布置，但将始终⑴完全封装阵列中的各LED和(ii)比如果使用图1B中所示的常规方法更紧凑。
[0063]图7示出了来自图6A和B的LED/透镜装置的等光强曲线；如可看出的，光束输出图案在所有方向上基本相同地延伸。再次，初步测试已发现使用预想的透镜相比于传统的透镜非常少直至没有导致传输效率上损失。
[0064]方法300以与实施方式I中类似的方式被应用。在该情形中，不是在具有传统透镜的LED模块中使用在8W下被驱动的单一 XM-L LED，而是四个XM-L LED被使用在四方阵列透镜中(见图6A和B)并且分别在2W下被驱动。方法300的应用表明了效能上的更可取的改变。
[0065]至于实施方式I中的直线阵列，来自最初的外壳特征化的结果被用来满足步骤301。根据步骤302，针对特定类型的LED对于给定的正向电流，光效下降因子被确定；假定对于XM-L LED而言，工作在2W时与690mA相关(再次，该数据通常由LED制造商提供或可以从由LED制造商提供的数据中被导出)。使用来自制造商的针对特定型号的信息并且应用与图5中所示的相同的方法论，0.89的光效下降因子被确定。
[0066]根据步骤303，温度因子被确定。在实施方式I中被用来接近焊点温度的外壳温度在该替代的情形中被用于焊点，因为总功率对于被串联连接并分别工作在2W下的四个XM-L LED与对于工作在8W下的一个XM-LLED而言是相同的。于是，使用相同的焊点温度和热阻抗(因为LED的类型没有改变)，就可以利用等式(I)来计算T#D ;在本例中，T#D =90°C +(2.5°C /W*2W) = 95°C。利用95°C作为阵列中的每个LED的实际结温，就可以按照该适当的制造商提供的(或独立开发的)相对通量对结温的曲线找到相应的相对发光通量；假定该相应的相对通量为87%，则温度因子为0.87。
[0067]根据步骤304，实际光输出和/或效能根据等式(2)和(3)分别被确定。针对该替代的实施方式利用来自步骤301 - 303的结果，Φ3 = 1611m/W*2W*0.89*0.87*4 = 9971m并且LEa = 9971m/(2W*4) = 1251m/W。因此对于该特定实例可以看出，每一模块的三个LED所增加的成本-并且不存在增加的功率成本因为功率未增加-导致了优于传统的LED/透镜装置的44%的效能增加。
[0068]在该替代的实施方式中有一些事项要注意。首先，可以看出在本实施方式中-相比于直线阵列-在光效下降因子方面(0.89对0.80)比温度因子(0.87对0.84)方面存在更大的改变。这道出了 LED中的光损失的本性并且强调了在确定效能时考虑光效下降的重要性(在当前的技术水平中没有常规去做的事情)。其次，其提供了机会来警告在方法300的使用中做过多假设的风险。在该替代的实施方式中，每一模块的四个LED被使用以代替每一模块的一个LED，尽管灯具外壳温度在由Qfin (或类似程序)确定时被假定为对于两种情况是相同的，并且进一步被假定为LED阵列的焊点温度的代表。等式(I)的应用显示，本实施方式中阵列中的每个LED的结温相比于传统的单一裸片LED/透镜组合被降低，但实践中234个额外的LED已被增加到了灯具。应当注意的是所有的灯具都有个限度，超过了该限度它们就不再是有效的散热器，并且对方法300的任何假设应当相应地被做出。
[0069]D.可选方案和替代方案
[0070]本发明可以采取许多形式和实施方式。以上的实例只是其中的几个。为给出某种意义上的一些可选方案和替代方案，下面给出几个实例。
[0071]尽管这些示例性实施方式是相对于LED的特定型号、灯具的设计、和LED在所述灯具内部的布置而被做出的，但可以被意识到的是，根据本发明的一些方面可以被应用至其它型号的LED和灯具的设计，以及LED的各种各样的布置或阵列。作为一个实例，灯具可以包括柔性的管状照明装置(也被称作绳灯)；灯具的该特定设计可以很好地适合于共用单一透镜的LED的直线阵列。
[0072]此外，根据本发明的一些方面可以被应用至其它类型的光源，或许甚至是并不经历光效下降的光源；如果情况如此，步骤302可以从方法300中被省略并且不偏离根据本发明的一些方面。替代地，LED的技术进步可能导致消除光效下降-这将同样地允许从方法300中免除步骤302。
[0073]再另外，尽管这些示例性实施方式是相对于广域照明而被做出的，但可以被意识到的是，根据本发明的一些方面可以被应用至其它类型的照明场合。例如，根据本发明的一些方面可以被应用至通常在规模上很小并且在本质上为建筑学的室内跑道或吊挂照明场合。替代地，根据本发明的一些方面可以被应用至在规模和实用方面都可能不同的室外泛光照明场合。
[0074]如被预想的，透镜100被设计成作为用于阵列中的一个或多个LED的二次透镜工作。尽管使用透镜100作为主透镜(即，与裸芯片一起)是可能的，但传输效率上的损失将很可能减少任何益处。话虽如此，通过包括折射率匹配液来桥接芯片和透镜100之间的间隙，效率损失可能被减轻；通过引用而合并于此的美国专利申请N0.13/030，932论述了这种方法。
[0075]如进一步被预想的，图2A-E的透镜100被设计成产生窄光束输出图案，尽管沿着透镜100的长度被拉长；这只是个实例。通过改变透镜100的外形(见图2C和E)、面101的形状和/或结构(见图2B)、构成透镜100的材料，或通过任何其它手段，透镜100的光束输出图案可以被改变以适合一场合、接近已知的光束类型(例如，如由NEMA所限定的)、等等；例如，比较直线阵列透镜100的光束输出图案(图3B)和四方阵列透镜100的光束输出图案(图7)。
[0076]此外关于透镜100，已经陈述过，可被制造成适合LED并且仍通过经济有效的模制技术被成型的光学镜的尺寸是有限度的；透镜100不能免于该限度。因而，采用阵列中的大数量的LED的场合可以受益于不同种类的光学镜；一个可能的实例是图8A - F中示出的反射器200。如所预想的，反射器200是对四方阵列透镜(见图6A和B)的直接替换并且总体上包括LED相邻面202、发光面203、和反射性内面201。如同透镜100的LED相邻面102一样，反射器200的LED相邻面202被形成以便适当地封装主透镜并齐平地坐靠着阵列中的每个LED的封装本体；再次，如果需要的话，具有相应的主透镜的一个或多个二极管可以共用封装本体。然而，与透镜100的发光面101不同，反射器200的发光面203并不在LED发出的光的直接路径上。更确切地，发光面203更是充当凸缘以便帮助将反射器200定位地粘贴在前述的LED模块内。实践中，反射器200可以由各种各样的材料形成并且内面201被处理以便产生期望的光洁度、镜面反射性、反射率、等等；作为一个实例，反射器200可以由低成本的塑料形成而内面201根据现有技术水平被金属化。
[0077]关于方法300，可被意识到的是，报道的和/或在各示例性实施方式中计算出的那些值仅仅是实例；可从制造商处得到的数据的准确类型，以及那些数据的值，可以变化。
[0078]进一步关于方法300，应当注意的是，对灯具效率的分析未被考虑。话虽如此，利用系数等等可以被包括在方法300中从而为使用者提供另一因子以进行平衡。
[0079]再进一步，如在各示例性实施方式中所布置的，方法300假定在灯具中的模块之间所有的LED具有相同的类型和数量；这仅仅是实例的方式。尽管等式(I) - (3)的复杂性可以增加，但混合灯具内光源的类型和数量并不偏离根据本发明的一些方面。
【权利要求】
1.针对给定的一组工作条件确定灯具外壳中的一个或多个光源的效能的方法，包括: a.将所述灯具外壳特征化为具有散热器的作用； b.至少部分地基于对灯具外壳的所述特征化而在所述给定的一组工作条件下为一个或多个光源确定一个或多个光源输出退化因子；以及 c.基于对灯具外壳的所述特征化和所述一个或多个退化因子而预测所述一个或多个光源的实际光输出和/或效能。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述灯具外壳特征化的步骤包括针对所述给定的一组工作条件基于下列一项或多项而确定外壳温度: a.所述灯具外壳的至少一部分的物理尺寸； b.构成所述灯具外壳的一种或多种材料的特性； c.所述灯具外壳中光源的数量； d.所述灯具外壳中光源的特性；以及 e.所述灯具外壳中光源之间的间距。
3.如权利要求2所述的方法，其中将所述灯具外壳特征化的步骤还基于所述灯具外壳中各光源的数量和特 性。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述给定的一组工作条件包括用于所述各光源的假定的正向工作电流。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个退化因子包括下列一个或多个: a.与所述给定的一组工作条件有关的各光源的流明衰减； b.与除所述各光源以外有关的流明衰减。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述各光源为固态光源并且所述一个或多个退化因子包括下列一个或多个: a.与所述固态光源的结温有关的温度因子； b.与所述固态光源的光效下降有关的光效下降因子。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述温度因子包括: a.导出相对发光通量和所述固态光源的至少之一的结温之间的比率。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述光效下降因子包括: a.针对所述固态光源之一导出额定的和理想的相对发光通量之间的比率。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述额定的发光通量从光源制造商处得到并且所述理想的发光通量假定没有光损失。
10.如权利要求1所述的方法，其中预测所述各光源的实际光输出和/或效能的步骤包括: a.针对所述各光源导出额定的发光效能； b.额定的发光效能乘以灯具外壳中所有的所述光源的累计数和功率；以及 c.通过: 1.光效下降因子；及
11.温度因子 来调整该乘积。 I1.如权利要求10所述的方法，其中被预测的实际光输出和/或效能被用来:a.设计灯具及其光束输出图案； b.按照灯具外壳中的面积或空间选择与光源数量有关的光源阵列的配置； c.比较具有不同的光源、灯具外壳、或假定工作条件的两个灯具； d.改变灯具的设计； e.操作灯具；或者 f.调整灯具的操作。
12.如权利要求1所述的方法，还包括针对给定的灯具外壳使用被预测的实际光输出和/或效能来实现目标效能。
13.如权利要求1所述的方法，还包括使用被预测的实际光输出和/或效能来为所述光源中的至少一些选择配置。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述配置包括光学元件和直线阵列中所述光源的至少一些，其中所述阵列共用所述光学元件。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述光学元件包括透镜，反射器，和/或遮光板。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述配置包括使得所述光源的至少一些处于非直线阵列中。
17.如权利要求1所述的方法，还包括透镜，其用于与共用所述透镜的一个或多个光源一起使用，所述透镜包括: a.在以下特征之间延伸的透镜本体: 1.第一表面，其被形成以便充分封装一个或多个光源的发光部分； ?.第二表面，来自所述一个或多个光源的光从其中流出。
18.如权利要求1所述的方法，还包括反射器，其用于与共用所述反射器的一个或多个光源一起使用，所述反射器包括: a.反射器本体，其具有: 1.近侧部分，所述一个或多个光源的发光部分至少部分地穿过其延伸； ?.反射表面，其将从所述光源发出的光的至少一些俘获并改变方向； ii1.远侧部分，从所述光源发出的以及由所述反射表面俘获并改变方向的光从其中流出。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个光源被置于直线阵列中。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述第二表面为下列之一: a.平坦的； b.弯曲的； c.带波纹的； d.棱柱形的； e.带肋的； f.具有微型透镜设计的；或者 g.具有空穴的。
21.如权利要求17所述的方法，其中所述本体具有总体上呈抛物线的外形。
22.—种灯具，其包括: a.外壳；b.安装于所述外壳中的照明模块； c.所述照明模块中的多个LED光源； d.用于所述照明模块中的所述多个LED光源的一个光学元件。
23.如权利要求22所述的灯具，还包括外壳中的多个所述照明模块，每个照明模块相对于所述外壳是可调整的。
24.如权利要求22所述的灯具，其中所述光学元件包括透镜。
25.如权利要求22所述的灯具，其中所述光学元件包括反射器。
26.如权利要求22所述的灯具，还包括电源，其被构造成基于各LED光源的热特性而调整送至各LED光源的功率。
27.一种灯具，其包括: a.外壳； b.安装于所述外壳中的 多个光源模块； c.每个光源模块包括: 1.单一芯片式LED的阵列； ?.用于所述阵列的单一光学元件； d.连接至每个光源的电力电路。
28.如权利要求27所述的灯具，其中所述电力电路被构造成基于退化因子递送功率至每个光源。
29.如权利要求28所述的灯具，其中所述退化因子为以下一个或多个: a.温度因子；以及 b.光效下降因子。
30.如权利要求27所述的灯具，其中所述阵列包括以二乘二配置的四个LED。
【文档编号】F21V5/04GK103975190SQ201280057146
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年9月26日
【发明者】M·戈尔丁, L·H·博克斯勒 申请人:马斯科公司