改进的用于生成宽束的led装置以及制造该装置的方法

专利名称：改进的用于生成宽束的led装置以及制造该装置的方法
技术领域：
本发明涉及的领域为使用发光二极管(LED)或其他光源来生成预定宽断面二维照明图案(predetermined wide profile twodimensional illumination pattern)的设备和方法；其中使用的是已经被光学调整为提供相应的宽断面(wide profile)光束的光源，或者由多个这种调整光源(modified light source)构成的平面阵列。
背景技术：
与传统的照明设施相比，以每流明使用成本为量度，LED照明的初始投资成本是昂贵的。虽然这可以随时间而改变，但这一高成本在LED光学系统的采集和分配效率(collection and distributionefficiency)上造成了额外费用。系统效率越高，LED照明与传统照明设施——诸如白炽灯、荧光灯、霓虹灯——相比的成本收益
(cost-benef it)越好。
用LED生成宽束(broad beam)的一个传统方案是4吏用一个或多个反射体和/或透镜，以采集LED的能量并接着将其扩展成所需的束形
(beam shape )，并提供安装在弯曲夹具(fixture )上的、这种LED的成角阵列。例如，街灯照明图案常规上被限定为五类类型I至V。类型I是街道上的长形(oblong)图案，其中灯位于该长形的中心上方。
类型n是对称四瓣形图案，其中灯位于该瓣形图案的中心上方。类型m是扁平长形图案，其中灯靠近该长形的扁平侧。类型iv是具有平坦底部的抛物线图案，其中灯靠近该平坦底部。类型v是圆形图案，其中灯位
于该圆形的圆心上方。通过将光源安装在弯曲的支架(armature)或夹具中，可以获得这几类图案的任意的非对称示象(aspect )。通过夹具的弯折或调角，将LED或光源指向需要的方向，以在诸如街道的表面上产生宽阔的或扩展的光束，其中一部分光必然远离街道而被向上导向天
々么o
因此，所有的飞机乘客都熟悉夜间着陆时被照亮的城市景色。这一经常令人目眩的景象很大程度上缘于街灯，更具体而言，是缘于具有倾斜(canted)夹具以产生扩展光束从而将大量光集体导向天空的街灯。在一个被有效地照亮的城市中，该城市对于飞行器而言将显得昏暗得多，因为其街灯应仅照在街道上，而不照入天空。从飞行器和山顶看到的令人目眩的城市灯光可能是浪漫的，但也代表着巨大的能源损失，不必要的燃料使用，以及来自发电厂的、为了生成用于这无益的错误指向的光的电能所需的、成吨的不必要的温室气体排放。
另一种技术是使用准直透镜(collimating lens )和/或反射体以及诸如Physical Devices Corporation制造的薄片光学器件(sheetoptic),以将能量扩展为所期望的光束。基于所利用的金属化(metalizing)技术，反射体具有预定的表面损失。未涂覆抗反射涂层的透镜也具有与所利用的金属化技术相关联的表面损失。来自PhysicalDevices Corporation的薄片材料具有约8%的损失。
现有技术的一个接近于高效系统的实例是Lumileds公司作为其LED组装件(packaging)卖品的一部分来销售的"侧发射器"装置。但是"侧发射器"意在产生具有大致90度放射状图案的光束，而不是向前的光束。它的内部损失估计为15%。 Lumileds^^司的另一种LED—
—其通常被称为低官顶(low dome) LED或蝠翼(bat wing) LED--
在其LED外壳上具有透镜以使光重定向，但应注意，所述透镜不具有用于将夕卜周向前立体角(peripheral forward solid angle)中的来自LED的光重定向的底切(undercut)表面。类似地，应注意，对于常规的5mm ,顶透镜(dome lens)或为LED而提供的组装件而言，其常顶完全没有任何底切表面。
所需要的是一种产生宽角光束(wide angle beam)、甚至有可能产生放射非对称(radially asymmetric)光束的装置，所述光束可以用这样的设计方法产生一一该方法允许设计者实现不具有现有技术固有缺陷的光滑光束断面。

发明内容
本发明的示例性实施方案包括一种从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案提供预定被照明表面图案的方法。该方法包括以下步骤为光学器件的透镜形状定义估计光学传递函数
(estimated optical transfer function )， 所述光学器件具有潜在折射夕卜表面和内表面(potentially refracting exterior and innersurface),该外表面和内表面至少部分地包裹所述LED外壳的透光,顶；使用该透镜形状的估计光学传递函数，从该光源的预定能量分布图案生成能量分布图案；生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影；将该能量分布图案的投影与该预定照明表面图案相比较；调整
(modify)该透镜形状的估计光学传递函数；以及，重复前述使用包括光学器件内表面的透镜形状的估计光学传递函数从光源的预定能量分布图案生成能量分布图案的步骤，生成该能量分布图案投射到被照明表面上的投影，并将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比较，直到在该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。接着制造这样的透镜一一其包括该光学器件的成形
(shaped)内表面、具有最终获得的估计光学传递函数。
在LED外壳被置于载体中的井内的实施方案中，定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数的步骤包括以下步骤安置和配置该光学器件的内表面，以将光导向井外；如果没有重定向，该光原本将被所述井拦截(intercept )。
在另一个实施方案中，定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数的步骤包括以下步骤安置和配置该光学器件的内表面，以将光导向满足用户自定义系统需要的方向。虽然出于功能解释的语法流畅目的已经描述了或将要描述一些设
备和方法，但应明确理解，除非35 USC 112明确规定，否则权利要求 不应被解释为以任何方式必然被"设施"或"步骤"的句法构造所限制， 而是应与权利要求按照司法等同原则而提供的限定的涵义及等同物的 全部范围相符；而在35 USC 112明确规定的情况下，权利要求应与35 USC 112的全部法定等同物相符。现在参照下述附图可以更好地理解本 发明，附图中相同的元件用相同的参考数字标示。


图l是该示例性实施方案的侧截面图。
现在，参照下述优选实施方案的详细描述，可以更好地理解本发明 及其各种实施方案，所述实施方案作为权利要求所限定的本发明的示例 而呈现。应明确理解，权利要求所限定的本发明可以比该示例性实施方 案更宽泛。
具体实施例方式
作为在图1中总体由参考数字IO标示的滴状透镜(blob lens)或 光学器件一一其与上文提及的各种被纳入的申请中描述的LED外壳l相 组合一一的进一步改进，图l针对另一个实施方案，其示出了放射对称 的(radially symmetric)滴状光学器件10的侧截面图，该图绘有近 似朗伯(Lambertian) LED源12的平面光线轨迹。LED外壳1的穹顶 14被示为近似半球状。官顶14被布置于限定在光学器件10中的腔内。 存在空气隙，或至少存在具有差异折射率的区域26，以使光学器件10 的内表面4放射状地围绕官顶14的潜在折射表面。无论是将区域26看 作具有该限定折射表面，还是将光学器件10的内表面4看作该限定表 面，都不重要，因为是区域26和光学器件10的共有边界处的折射率不 连续性限定了该折射表面。通过调整滴状光学器件10的内表面4，可 以将来自LED源12的光线集(ray set)调整为适应用户自定义系统的
需要，该需要可以因具体应用而异。
例如，在图l的图示中，LED源12和外壳l被置于限定在载体18 中的井20中，其中LED源12位于载体18的上表面22的水平面之下。说明书第5/8页
滴状光学器件IO也被示为安装在井20中，并在表面22的水平面之下 延伸。
图1示出，来自LED源12的光线3——其从LED源12的垂直中心 线16呈90度辐射一一如果未被内表面4重定向，那么光线3将错过滴 状光学器件10的外表面2,从而被损失掉或者不可用于任何种类的有 用应用。当然，这不仅对光线3成立，而且对通常位于LED外壳1的前 半球(forward hemispherical solid angle )辐射图案的下部(lower ) 外围立体角一一其被高至表面22的井20的内壁拦截了_ —中的所有光 线都成立。
为了避免由光学器件10与LED外壳1的组合而造成的、输出或光 束的这一能量分量的损失，光学器件10的内表面4沿下部外围或裙部 (skirt) 24向内弯曲，以在常顶14和光学器件10的内表面之间产生 折射区域26，其径向向外张开，以将来自LED外壳1的被拦截光折射 至光学器件10外表面2的、位于所述表面22水平面之上的一部分。在 该示例性实施方案中，表面4的张开裙部24关于LED源12呈方位角对 称(azimuthally symmetric).但是，完全落在本发明范围内的是，向 外张开部分24可以具有随方位角而改变的形状。
通过对内表面4进行其他形状调整，可以预期(contemplate)另 外的效果。例如，不仅来自LED外壳1的、被选择以重定向的被拦截光， 而且来自LED外壳1的辐射光的任何部分都可以被光学器件10的内表 面4的弯曲或成形(shaped)部分光学地处理，以将这部分光重定向至 光学器件10的外表面2的选定部分，以满足在任何给定应用中所期望 的用户自定义系统的需要。例如，经常的情况是，需要将LED外壳1的 轴线16上或附近的光重定向至关于轴线16的不同角度，也即偏离中央 光束而朝向外围或朝向选定的外围方向。在这种情况下，内表面4将在 其上部冠区28、邻近或接近轴线16处具有变化的(altered)形状， 以将来自LED外壳1的中央轴线光折射至所期望的一个或多个方向。例 如，内表面4可以被形成为使得入射在表面4的、位于包含轴线16的 假想垂直平面的一侧上的一部分上的光线被导向该假想垂直平面的对 侧或穿过光学器件10。
应明确理解，另外的光学效应的示例并未限制本发明的范围或精神— 一本发明预期通过单独地或与光学器件10的外表面2的相关调整相 结合地调整内表面4而实现的所有可能的光学效应。
总之，本发明的示例性实施方案是一种从具有透光t顶的LED外壳 内的LED光源的预定能量分布图案来提供预定被照明表面图案的方法。 该方法包括以下步骤定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数， 该光学器件具有至少部分地包裹该LED外壳的透光官顶的潜在折射外 表面和内表面；使用该透镜形状的估计光学传递函数，从该光源的预定 能量分布图案生成能量分布图案；生成该能量分布图案投射到被照明表 面上的投影；将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比 较；调整该透镜形状的估计光学传递函数；以及，重复前述使用包括光 学器件内表面的透镜形状的估计光学传递函数从光源的预定能量分布 图案生成能量分布图案的步骤，生成该能量分布图案投射到被照明表面 上的投影，并将该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案相比 较，直到在该能量分布图案的投影与该预定被照明表面图案之间获得可 接受的一致性。
本方法还包括制造这样的透镜一一其包括该光学器件的成形内表 面、具有最终获得的估计光学传递函数。该制造方法包括当前已知的或 以后将做出的所有构造模式(modes of construction)。例如， 一旦根 据上述步骤确定了用于该光学器件的可接受的传递函数，就完全限定了 该光学器件的外表面和内表面的形状。该光学器件通常由透明塑料或光 学塑料或聚合物模制而成。
在该示例性实施方案中，所重复的步骤生成了能量分布图案投射到 被照明表面上的投影，该能量分布图案顺应预定的街灯照明图案，或更 具体而言，顺应街灯照明图案类型I至V之一。
在大多数实用的实施方案中，多个LED光源被组合，因此要为所述 多个LED光源中的每个重复以下步骤定义估计光学传递函数；生成能 量分布图案；生成能量分布图案投影，比较能量分布图案投影；以及调 整透镜形状的估计光学传递函数。
另外，在大多数实用的实施方案中，多个LED光源被安装在一个夹 具中，或被安装在一个载体中一一该载体转而被安装在一个夹具中。考 虑到每个LED光源在夹具中或在夹具中的栽体中的位置和方向，为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤定义估计光学传递函数；生成能 量分布图案；生成能量分布图案的投影；比较能量分布图案的投影；以 及调整透镜形状的估计光学传递函数。
通常，在许多装备中，LED外壳被置于限定在载体中的井内，因此 使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案的步骤包括生 成能量分布图案，其中一部分光被导向井外，而不使来自LED光源的光 撞到井上，这部分光从该LED光源发出，进入以该LED光源为中心的前 半球立体角的至少一部分；如果没有重定位，这部分光原本将撞到该井 的某部分上。将一部分光导向井外的步骤包括:使用该光学器件的内表 面上的向内张开的裙部将这部分光导向井外。
大体而言，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案 的步骤包括生成能量分布图案，其中光被引导成一种图案以满足用户 自定义系统的需要。
在另一个实施方案中，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能 量分布图案的步骤包括生成能量分布图案，其中光从其被外表面折射 处被引导穿过该光学器件的外表面、射向该光学器件的对侧。
除上述公开的方法之外，该示例性实施方案明确包括了通过这些方 法提供的光学器件本身，或包括了包含多个这种光学器件及其LED光源 的夹具或栽体。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以 做出许多更改和调整。因此，必须理解，该示例性实施方案仅出于举例 目的被阐明，而不应被用来限制下述权利要求所限定的本发明。例如， 虽然下文以特定组合的方式阐明了权利要求的元素，但必须明确理解， 本发明包括更少、更多或不同元素的其他组合，其也在上文中被爿>开， 即使最初并未就这些组合作要求。
本说明书中用以描迷本发明及其各种实施方案的词语应被理解为 不仅具有其通常定义的涵义，而且，通过本说明书中的特殊定义，包括通
常定义的涵义的范围以外的结构、材料或作用。因此，如果某个元素在 本说明书的语境中可以被理解为包括不止一个涵义，那么它在权利要求 中的使用必须被理解为统具有被说明书和该词语自身支持的所有可能 的涵义。因此，下述权利要求的词语或元素的定义在本说明书中被定义为不 仅包括在字面上阐明的元素的组合，而且包括用于以基本相同的方式执 行基本相同的功能以获得基本相同的结果的所有等价的结构、材料或作
用。因此，在这个意义上有如下预期可将权利要求中的任一元素等价 置换为两个或更多个元素，或者可将某一个权利要求中的两个或多个元 素置换为单个元素。虽然这些元素在上文中可被描述为以特定组合而作 用，甚至最初就是这样要求的，但应明确理解，来自所要求的组合的一 个或多个元素在一些情况下可被从该组合中去除，而所要求的组合可以 针对一个子组合或一个子组合的变体。
来自本领域普通技术人员所能观察到的、所要求的主题中的当前已 知或以后将做出的非实质性改变，可被明确视为等价地落入权利要求的 范围内。因此，对本领域普通技术人员在当前或以后知晓的明显置换被 定义为落入所限定的元素的范围内。
因此，权利要求应被理解为包括上文具体图示和描述的内容、在概 念上等价的内容、可被明显置换的内容、以及本质上包含本发明根本理 念的内容。
权利要求
1.一种从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案提供预定被照明表面图案的方法，包括定义光学器件的透镜形状的估计光学传递函数，所述光学器件具有至少部分地包裹所述LED外壳的透光穹顶的潜在折射外表面和内表面；使用透镜形状的估计光学传递函数，从所述光源的预定能量分布图案生成能量分布图案；生成所述能量分布图案投射到被照明表面上的投影；将所述能量分布图案的投影与所述预定被照明表面图案相比较；调整所述透镜形状的估计光学传递函数；以及重复前述使用包括光学器件的内表面的透镜形状的估计光学传递函数从光源的预定能量分布图案生成能量分布图案的步骤，生成所述能量分布图案投射到被照明表面上的投影，并将所述能量分布图案的投影与所述预定被照明表面图案相比较，直到在所述能量分布图案的投影与所述预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括制造这样的透镜一一其包 括所述光学器件的成形内表面、具有最终获得的估计光李传递函数。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所重复的步骤生成了所述 能量分布图案投射到被照明表面上的、顺应预定街灯照明图案的投影。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所重复的步骤生成了所述 能量分布图案投射到被照明表面上的、顺应街灯照明图案类型I至V之 一的投影。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述LED光源是多个LED光 源，并且其中，为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤定义估计 光学传递函数，生成能量分布图案，生成能量分布图案的投影，比较能 量分布图案的投影，以及调整透镜形状的估计光学传递函数。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述LED光源是夹具中的多 个LED光源，并且其中，考虑到每个LED光源在夹具中的位置和方向， 为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤定义估计光学传递函数， 生成能量分布图案，生成能量分布图案的投影，比较能量分布图案的投 影，以及调整透镜形状的估计光学传递函数。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述多个LED光源被布置在安装于夹具中的载体中，并且其中，考虑到每个LED光源在夹具中的载体中的位置和方向，为所述多个LED光源中的每个重复以下步骤定义估计光学传递函数，生成能量分布图案，生成能量分布图案的投影，比较能量分布图案的投影，以及调整透镜形状的估计光学传递函数。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述LED外壳被置于限定在载体中的井内，并且其中，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案包括生成能量分布图案，其中， 一部分光被导向井外，而不使来自所述LED光源的光撞到井上，这部分光从所述LED光源发出，进入以所述LED光源为中心的前半球立体角的至少一部分；如果没有重定向，这部分光原本将撞到所述井的某部分上。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，将一部分光导向井外包括使用所述光学器件的内表面上的向内张开的裙部将这部分光导向井外。
10. 根据权利要求l所述的方法，其中，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案包括生成能量分布图案，其中，光被引导成一种图案以满足用户自定义系统的需要。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，使用透镜形状的估计光学传递函数来生成能量分布图案包括生成能量分布图案，其中，光从其被外表面折射处被引导穿过所述光学器件的外表面、射向所述光学器件的对侧。
12. —种用于从具有透光官顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案提供预定被照明表面图案的光学器件，所述光学器件包括至少部分地包裹所述LED外壳的透光,顶的潜在折射外表面和内表面，所述外表面和内表面定义了估计光学传递函数，其当与所述LED光源的预定能量分布图案组合时生成能量分布图案；从所述能量分布图案可得出所述能量分布图案投射到被照明表面上的投影，其中通过将所述能量分布图案的投影与预定照明表面图案相比较来限定所述外表面和内表面；调整所述外表面和内表面的估计光学传递函数；以及，重复前述生成能量分布图案的步骤，以生成所述能量分布图案的投影，并将所述能量分布图案的投影与所述预定被照明表面图案相比较，直到在所述能量分布图案的投影与所述预定被照明表面图案之间获得可接受的 一致性。
13. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述外表面和内表面共同提供所述能量分布图案投射到被照明表面上的、顺应预定街灯照明图案的投影。
14. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述外表面和内表面共同提供所述能量分布图案投射到被照明表面上的、顺应街灯照明图案类型I至V之一的投影。
15. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述LED光源是多个LED光源，所述多个LED光源各自具有相应的光学器件，并且其中，所述多个LED光源的外表面和内表面共同定义了估计光学传递函数，能量分布图案，以及与所述预定被照明表面图案之间具有可接受的一致性的、所述能量分布图案的投影。
16. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述LED光源是多个LED光源，所述多个LED光源各自具有被布置在夹具中的相应的光学器件，并且其中，考虑到每个LED光源在夹具中的位置和方向，所述多个LED光源的外表面和内表面共同定义了估计光学传递函数，能量分布图案，以及与所述预定照明表面图案之间具有可接受的一致性的、所述能量分布图案的投影。
17. 根据权利要求16所述的光学器件，其中，所述多个LED光源被置于安装在夹具中的载体中，并且其中，考虑到每个LED光源在夹具中的载体中的位置和方向，所述多个LED光源的外表面和内表面共同定义了估计光学传递函数，能量分布图案，以及与所述预定照明表面图案之间具有可接受的一致性的、所述能量分布图案的投影。
18. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述LED外壳被置于限定在载体中的井内，并且其中，所述外表面和内表面提供了能量分布图案，其中， 一部分光被导向井外，而不使来自所述LED光源的光撞到井上，这部分光从所述LED光源发出，进入以所述LED光源为中心的前半球立体角的至少一部分；如果没有重定向，这部分光原本将撞到所述井的某部分上。
19. 根据权利要求18所述的光学器件，其中，所述光学器件的内表面上的向内张开的裙部将这部分光导向井外。
20. 根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述外表面和内表面生成了能量分布图案一一其中光被引导成一种图案以满足用户自定义系统的需要。
21.根据权利要求12所述的光学器件，其中，所述外表面和内表面提供了能量分布图案一一其中光从其被外表面折射处被引导穿过所述光学器件的外表面、射向所述光学器件的对侧。
全文摘要
从具有透光穹顶的LED外壳内的LED光源的预定能量分布图案生成预定被照明表面图案。通过至少部分地包裹该LED外壳的透光穹顶的外表面和内表面，生成光学器件的透镜形状的估计光学传递函数。通过将该估计光学传递函数和该光源的预定能量分布图案相组合，获得能量分布图案。确定该能量分布图案投射到被照明表面上的投影。将该投影与该预定被照明表面图案相比较。接着调整该估计光学传递函数，并重复前述步骤，直到在该投影与该预定被照明表面图案之间获得可接受的一致性。
文档编号B60Q1/26GK101687473SQ200880016872
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年5月21日
发明者G·罗兹, R·G·霍尔德 申请人:照明管理解决方案有限公司