CN105051451A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LED的照明单元，其使用较少数量的LED元件来产生符合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理想方向的点光源，使得当其与其它点光源结合时，提供合成的光输出，以最小化LED总数。提供具有与照明模块耦合的光学器件的模块化折射器。模块化折射器可向容纳在折射器内的照明部件提供环境保护，并且可以不需要单独的外部保护透镜。一个或一个以上的模块化折射器的一个或多个透镜可包括共同模制在一起的具有至少两个不同折射率的材料。

Description

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

技术领域

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

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。

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。

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。

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RGBLED。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。

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一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。

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π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FLED。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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；

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；

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；

图4是本公开的实施例的LED元件阵列的横截面图；

图5是本公开的实施例的LED元件阵列的透视图；

图6是本公开的实施例的准直光学器件的分解图；

图7是发光元件的输出的角强度的示意图；

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；

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；

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；

图11是一实施例中使用具有不对称输出图案的灯具照亮的道路的示意图；

图12是一个实施例的路面上的输出区的示意图；

图13在另一个实施例的路面上的偏移输出区的示意图；

图14是本公开的一个实施例的灯组件的顶视平面图；

图15是图14的灯组件的侧视图；

图16是图14的灯组件的透视图；

图17是本公开的另一实施例的灯组件的底部透视图；

图18是图17的灯组件的侧视图；

图19是在图17的灯组件的剖面图；

图20是部分组装的图17的灯细件的底部平面图；

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；

图22是图21的模块化折射器组件的后透视图；

图23是图21的模块化折射器组件的底视图；

图24是图21的模块化折射器组件的前视图和侧视图；

图25是图24所示的截面的细节视图；

图26是图21的模块化折射器组件的内部部件的前透视图；

图27是图21的模块化折射器组件的内部部件的前视图；

图28是图21的无框架的模块化折射器组件的前透视图；

图29是另一实施例的无框架的模块化折射器组件的前透视图；

图30是图29的模块化折射器组件的正视图和侧视图；

图31是结合了多个图29的模块化折射器组件的灯组件的一个实施例的前透视图；

图32是结合了多个图29的模块化折射器组件的灯组件的一个实施例的四分之一底部透视图；

图33是被并入图32和33的灯组件的组合式保护框架的一个实施例的前透视图；

图34是被并入图32和33的灯组件的组合式保护框架的一个实施例的四分之一底部透视图。

具体实施方式

本发明认识到基于LED的照明设计以创建包含LED阵列的低成本的LED灯是令人满意的。本发明还认识到需要产生均匀的照明图案，或者，在需要特定的非均匀照明图案的情况下，需要提供期望的照明图案。此外，本发明认识到，为了进一步降低成本，要求准直的LED数量也应最小化。本发明提供了符合这些标准的照明单元，以及产生这种增强设计的方法。在使用该灯的应用中，如道路照明、办公室或其他场所的照明、或住宅照明，有基本输出图案的要求。这种输出图案的要求可以包括英尺烛光的最小照度，和取决于灯的高度和灯之间的间距的照明区域范围。首先，当所要求的图案宽度足以允许它，足够数量的非准直的LED被用于创建中心照明峰。在此之后，狭窄的LED光束指向“填充”输出图案以创建符合输出图案要求的均匀输出图案。因此，本发明提供了具有期望输出图案的灯，并通过减少照明元件的数量和减少灯所需的光学器件来降低灯成本。

首先参照图1，对表示不同类型的灯的相对成本的曲线图进行讨论。如从图1中可以观察到，一个典型的气体放电灯的每流明输出的成本随着流明输出的增加而下降。但是，为了提高LED灯的流明输出，需要添加更多的LED元件，使得LED灯的成本与输出呈线性关系。换句话说，对于增加的输出而言，LED灯的每流明输出的成本基本上是恒定。根据现今的设计，这将创建一个场景，其中至少在三个情形下，基于LED的照明设备相对于气体放电灯具有成本竞争力。第一个是在较低的流明输出水平的情形下，如通常见于低功率照明市场诸如汽车照明和手电筒中，其中基于LED的照明已经获得显著的市场份额。第二个是在装饰灯具的成本在总照明设备成本中占高百分比的情况下，如在建筑照明中。第三个是在更换光源的成本(通常被称为生命周期成本或所有权的总成本)高的情况下，例如在高处，难以接近照明应用。

随着技术的不断进步，LED输出在增加，而成本在下降，这具有降低图1所示的LED灯曲线的斜率的作用，使得较高功率应用更具吸引力。因为用于普通照明应用的LED灯具一般需要LED灯具的阵列(放置在为待点亮的整个区域提供足够照明的位置的多个灯)，在LED灯具的功效和应用所需的灯的数量之间存在一种准交易(aquasi-trade)。这种交易用来平衡预期生命周期储蓄与承受的初始成本损失。

现在参考图2，对示出不同类型灯的相对生命周期成本的曲线图进行讨论。图2的曲线示出两个LED灯的成本曲线和一个气体放电灯的成本曲线。标记的LED灯1的曲线示出了具有使用较低工作电流运行的较多数量的LED元件的LED灯的生命周期成本。标记的LED灯2的曲线示出了具有使用相对于LED灯1而言较高工作电流运行的较少数量的LED元件的LED灯的生命周期成本。标记的气体放电灯曲线示出了气体放电灯的生命周期成本，示出在曲线中对应于重新换灯成本的几个不连续处。图2所示的两个LED灯的情况中，LED灯1具有较高的功效，而初始成本也较高。LED灯1具有比LED灯2更高的生命周期储蓄，而初始成本损失也更高。对于特定应用而言，优选哪个灯将取决于各种经济因素。从所有权总成本的角度来看，由于成本整体降低，LED灯1是优选的。但是，次要因素如金钱的时间价值(扣除日后节省)和相对于时间的成本的心理可能产生LED灯2甚至气体放电灯更具吸引力的情况。理想情况下将提供具有减少数目的LED元件的LED灯，使用相对低的工作电流运行，从而降低了运行成本，并延长了灯的寿命。

如上所讨论的，从光输出的角度来看，单个LED是相对低的光水平的设备，通常约100流明。为了获得一个正常的白炽灯或紧凑型荧光灯泡的输出，使用现今的技术需要10至20个LED发射器。这导致相对于传统的照明装置，灯具有相对高的初始安装费用。本发明通过提供LED灯具使设计中使用的LED数量的最小化，从而提供了与当前产品相比具有成本竞争力的基于LED的照明产品。在灯中使用的LED元件的数量被称为LED总数。

LED总数受多个因素的影响。第一个，光通维持，是指LED的年龄和释放电力随着时间推移的方式。传统的方法是设计灯使得在灯的寿命开始时多余产生的光与在寿命的指定结束时光输出的减少相同。例如，由于典型LED的寿命被定义为当其功率降到相对于其初始值的30％时，基于LED的照明产品将包含高于30％的LED总数，以实现该流明维持。LED总数的另一个因素是产生从所述灯发出的期望的光束图案所需要的LED元件的数量。LED总数的另一个因素是灯所需的总输出，需要更高的流明输出的灯需要更高的LED总数。

由于基于LED的照明设备使用多个单LED发射器，所得的照明图案是各个LED的图案的非相干总和。例如，通常创建照明图案使用的图案是所有同一方向上的多个LED图案的总和。在这种情况下，全体LED的输出图案紧随每个单独LED的图案。其它设计可使用具有相关联的光学器件以提供光束形状的LED元件组，当其与其它LED元件的输出进行组合，提供符合指定标准的灯输出。因此，来自离散LED元件的重叠光束被用于创建所需照明图案的粗近似值。一般地，为了将照明图案外边缘的光强度提高至最小所需强度，这样的设计提供照明图案的中央峰值比所需的高。但是，这产生了LED总数显著小于最佳值的一个设计。通过将照明图案进一步剪裁至符合照明装置的实际要求，本发明取得了巨大进步。

现在参考图3，示出了未经准直的白色LED和未经准直的彩色LED的基本输出的曲线图。可以观察到的是，相对发光强度基本上为Cos(θ)形式，其中θ是基于LED峰值强度所限定的传播的角度。这种类型的辐射图案经常被称为朗伯图案(Lambertianpattern)。用LED光束工作的一个关键考虑因素是定义光束的宽度。对于B型分布的IESNA/ANSI/NEMA定义，“光束角”被定义为最大值的50％。并且“视场角”为最大值的10％。这些角度通常是指半角。在图3的曲线中，未经准直的LED的光束角将是大约50度，以及视场角将是大约20度。通过传播上述角度分布至所需表面上的突出部，获得在远离光源一定距离的平面上的光强度。

现在参考图4，示出了用于一个实施例的5个LED的阵列以及相关联的准直光学器件的横截面图。在本实施例中，阵列100包括被安装在基板108上的5个单独的LED104。基板108包括连接每个LED104到相关联的电源(未示出)的内部连线。基板108还可以包括一个热转移机构，如散热器，其用来消散由LED104产生的热量。准直光学器件112安装在基板108上并位于每个相关联的LED104上方，以从每个LED104提供输出光图案，其相对于无需准直光学器件112而产生的光束而被准直。图4的横截面示出了一种混合型设计，其中来自每个LED104的所述中央光线经由折射元件116经历准直，并且外部光线经由反射部件120经历准直。这样的光学器件是公知技术，并且折射元件可以包括用来将光折射成所希望的图案的光学透镜，以及反射部件，其可以包括沉积的反射材料以创建镜像表面来将光反射至所希望的图案中。在一个实施方案中，LED104的准直产生的光束角在5％范围内。在另一个实施例中，LED104产生约2％的光束角。在图4的图示中，还应当指出的是，5个光学器件都指向同一方向，并且将具有间距分布，其强度分布与各光束的强度分布相同。如参考图3所描述的，无任何次级光学器件的LED通常会辐射出Cos(θ)或朗伯图案。添加具有适当焦距的正功率以及数值孔径的光学器件将用来准直辐射图案，以创建具有发散图案的光束，该图案比由没有任何光学器件的LED产生的图案更窄。

为了理解远场强度准直后的效果，首先注意的是，具有朗伯辐射图案的未经准直的LED具有如下强度分布：

Io＝PT/2[cos(θ)]

其中PT为总发出功率。准直LED具有如下分布：

Io＝nPT/2[cos(nθ)]

标准朗伯图案具有120°的半高宽(FWHM)角，并且5°的FWHM准直图案将有n＝24。因此，在图4的实施例中，阵列中的每个LED为准直的LED提供方程中所限定的强度。

现在参考图5，讨论了用于一个实施例的LED元件的阵列150的透视图。在本实施例中，5个LED154的阵列被安装在基板158上。同样如上面参考图4所描述的，基板158包括将每个LED154连接到相关联电源(未图示)的内部连线。基板158还可以包括热转移机构，如散热器，其用来消散由LED154产生的热量。准直光学器件162安装在基板158上并在每个相关联的LED154上方，以从每个LED154提供输出光图案，其相对于无需准直光学器件162而产生的光束而被准直。在此实施例中，为了提供所述LED154输出的附加成形，菲涅尔型透镜166可以附接到准直光学器件162，以进一步成形准直光输出。这些可拆卸的镜头166类型可以创建更宽和椭圆型图案。因此，LED150阵列的输出可被选择成提供聚集的、或合成的、具有期望特性的图案。

图6是准直光学器件162的示意图。准直光学器件162包括适于容纳LED照明元件154的透镜部分170。在该实施例中，透镜170通过粘合垫174被安装到基底上。如上所述，菲涅尔型透镜可以被附接到透镜170，以进一步成形光输出。如将在下面另外详细地描述的，能降低给定照明所需的LED数量的具有均匀输出的低成本灯，可以通过使用非准直、狭准直、广角和/或椭圆形投影LED光束图案的适当组合来被实现。

如上面参考图3所讨论的，几乎所有的LED发射器具有一个中心波瓣，在该处所发射的光强度为峰值，并且当角度函数远离中心线时所述强度下降。这也是对于准直和成形个别LED发射器的情况。这个中心波瓣可被认为是一个矢量，其在XYZ空间中的方向坐标描述了中心波瓣的传播方向，并且该矢量的大小是光的峰值强度。在未经准直的LED的情况下，该中心波瓣的矢量将在零度，并且大小等于Pt/2。如上所述，准直的LED将具有类似的方向和nPT/2的大小，其中n是准直度。

当制造具有均匀照明图案的灯时，照明元件的角强度也必须考虑。参考图7，高度h处的灯照亮一个表面。对于给定的角度(θ)，离被照射表面的法线走得越远，该角度的被照射表面将增长。对于均匀照明，角强度必须遵循以下关系：

h[tan(θ+δ/2)-tan(θ-δ/2)]

在典型的照明环境中，灯的间距由灯的高度来定义；即，如果灯之间的间距是nh，那么需要考虑的最大角度是tan(θmax)＝n/2。均匀照明图案的创建将对应于一种情形，其中传播到角度Δθ的LED光必须通过上面所示的关系增加，以提供期望的光强度。

在一个实施例中，选择LED元件来放置在灯组件中，以便提供所希望的输出图案。在本实施例中，所述灯组件本身包括被安装在不同表面上的LED，以在不同方向从LED提供光输出。通过选择的光的方向，结合未经准直光学器件、狭准直、广角和椭圆形投影LED光束的图案，可以开发一种合成的灯输出，其通过最小数量的LED元件提供均匀的照明图案。这种灯将在表面上提供处于或高于所需照明水平的照明，并且具有降低的成本，基于很少的，如果有超出在整个所希望的照明领域提供指定照明亮度所需要的最小数目的额外的LED元件的话，则基于很少的额外的LED元件。

在一个实施方案中，通过设计LED元件的布局以产生所需的输出光图案来实现这样的LED灯组件。对于LED照明，来自单个LED元件的光强度通过不连贯的增加呈线性增加。当设计LED布局时，假定当每条光束的半强度点匹配，则两个光束之间的强度几乎相等。在这样的实施例中，如上所述，输出中心波瓣可被认为是一个矢量，其在XYZ空间中的方向坐标描述了中心瓣的传播方向，并且该矢量的大小将对应于光的峰值强度。在一个实施方案中，可以通过创建一个表面来合成照明图案，使得LED中心波瓣矢量垂直于该表面。例如，图8和9示出了在其上具有LED元件的二维表面，以照亮照明区域上的不同区域。在图8的例子中，表面200包括五个LED元件，A至E。在本实施例中，每个LED元件A-E包括准直光学器件，其准直来自各LED的输出光束，以提供一个5°光束角。照明区域的部分分别示出为区域A1至E1，由相应LED元件A至E照亮。图9示出了一个实施例，其中不同的光学器件设置在表面250上的不同LED上。在此实施例中，被示为“A”的第一LED，是具有20°光束角的未经准直的LED，从而为照明区域的部分A1提供照明。被示为“B”的第二LED，包括准直光学器件以为LED提供5°的光束角，从而为照明区域的所述部分B1提供照明。类似地，第三LED，被示为“C”，包括准直光学器件以为LED提供5°的光束角，从而提供照明到照明区域的所述部分C1。安装到表面250的其余LED可以是未经准直的，或者可以包括准直光学器件和/或扩散透镜，以提供所希望强度的光至照明区域，使得整个照明区域具有一致的均匀性。

在这样的方式中，可以产生提供所需的光学照明图案的基于LED的灯。对作为矢量组合的灯输出进行建模可以允许各种技术，如创建指向矢量的密度和强度以产生期望的强度图案；选择会聚矢量的密度来创建期望的强度；以及选择平行矢量的密度以提供LED输出的拼接(tiling)。当然，矢量的组合可以被用于创建密度和拼接的强度变化。此外，LED阵列的成形类型变化也可被建模。理想图案导致基于矢量方向变化、矢量密度变化、以及矢量长度(强度)变化的矢量的最优组合。

现在参考图10，对另一实施方式进行说明。除了在具有多个矢量方向的灯泡表面设置LED，结合有LED元件的光束转向光学器件也可用来产生期望的照明图案。在图10的例子中，表面300包括两个LED元件304、308。每个LED元件分别具有一个相关联的光束转向光学器件312、316。因此，从LED304产生的光束通过光束转向光学器件312在期望的方向定向。同样，从LED308产生的光束通过光束转向光学器件316在期望的方向定向。多个LED元件可以被包括在一个表面上，用不同的LED，或LED组，与特定光束转向光学器件相关联，以产生符合特定应用需要的合成照明图案。此外，在其它实施例中，可以结合使用具有多个矢量方向的灯表面和光束转向光学器件来产生期望的照明图案。

在一个实施方案中，基于来自灯具的所需输出图案，图案合成被用来确定灯具的结构。这种方法示意性地描述在图11中。在本实施例中，期望增强在道路中的物体的可见性。由于道路照明的目的不仅是为了看清道路，也是为了看到可能在路上任何物体。如道路照明领域中所理解的，通常用在没有中间分隔带和双向交通的街道上的双向灯具，通过正负对比度创建小的目标能见度(STV)。在间距周期通常发生两次对比度反转，即第一次在灯具下方的线上，以及第二次在灯具之间距离的约三分之一处。通过交错安排，对比度反转的数目可以增加。期待的是减少正负对比度之间反转的次数和减少反转区域。在正对比度区域，该目标正面应尽可能明亮并且与看起来相反的道路表面应该相当暗。在负对比度区域中，事实应当相反。因此，期望实现具有从接近最大限度至最低限度的亮度均匀性变化的所需的平均路面亮度。正确的照明分布和间距的选择对实现高值STV是非常关键的。

再次参照图11，示出了具有高h的安装高度且间距为d的灯具320与相对于行进在道路324上的方向的关系。灯前面的照明图案的主要范围被示为x，并且灯后的照明图案的主要范围被示为y，并且灯之间的重叠被视为z。从灯到远离灯柱的地面的角度被定义为θ，灯柱处θ＝0。所期望的照明图案将具有灯前面照明图案的主要范围，使得距离x对应于一个角度，该角度比迎面而来的驾驶者可见的角度更小。这将减少在道路表面320的行进方向行进的驾驶者的眩光经历。灯后面的主要范围y由例如过度侵入和对相对车道的驾驶者产生眩光的问题所限制。此外，目标的能见度是通过最小化灯之间的重叠区域z而被增强。通过小心控制光的下落区域可以做到这一点。均匀的照明图案将具有本质上描述为正切函数的角强度。在一个实施方案中，相对窄的光束被用来提供这个终止，从tan(θ)角强度线的过渡，到尽快趋于零的过渡。这个过渡线应遵循光的最外光束分量的光束图案。由图案合成处理所限定的高度准直的光束的使用，可以被用来创建使光幕亮度和眩光最小化以及提高目标的能见度所需的图案终止特性。具有灯320和区域x，y和z的示例性道路324的顶视平面图示于图12。

图12的图示很适合用于道路324的一个或多个车道具有单一行进方向的应用中。这种应用可以包括划分的公路和单向通道。已经发现，将光向下指向道路(沿行进方向)的最佳角度为60度至76度之间，并且更优选为约72度至76度之间。已经发现，(入射到行进方向的)上游光的最佳角度为是零至约50度之间。相对车流以更高角度发射的光更可能直接照射司机的眼睛，造成安全隐患。在图11的实施例中，LED模块被配置在每个灯内以在沿着行进方向的方向提供大约72度的光输出，并在进入行进方向的方向提供约45度光输出。

在两个(或多个)具有相对的行进方向的车道都存在于道路中的应用中，诸如图12所示的灯320是不太适合的，因为在一个方向的交通将有更多的眩光，从而减少了对小目标的能见度。在另一个实施方案中，如图13所示，每个灯输出照明图案，其中道路表面350的照明区域是基于道路350中特定车道的行进方向而被偏移。在本实施例中，灯具354沿着道路350的第一车道行进的方向以大约72度的角度输出光，该照明区域在图13中标识为区域“a”。灯具354在背离第一车道行进的方向以大约45度角输出光，该照明区域在图13中标识为区域“b”。同样地，灯具354在背离第二车道行进的方向沿以45度角输出光和在背离第二车道行进的方向以约72度角输出光，这些区域在图13中分别标识为区域“c”和“d”。

一种利用图案合成来设计实现期望输出图案的照明灯具的设计方法包括几个要素。在一个实施方案中，提供了光度文件，该光度文件提供用于LED封装的光输出的模型。这样的文件可以由LED制造商提供或通过光学实验室产生。该LED光度文件被用来形成灯模型。接着，产生用于组合了任何次级光学器件的LED的光度文件。如果不包含必要的次级光学装置，则可以使用建模表面或实体建模软件，如Rhino和Solidworks，进行设计。然后，预测在照明系统的水平和/或垂直表面上的照度的照明应用软件，诸如AGI32，被用于瞄准各个LED或LED模块。一旦LED已经被定位和瞄准，该照明应用软件就开始计算系统的性能。此步骤几次迭代可能是必要的，以微调所述瞄准。在这一点上，表面软件可以被用来制作所谓的盘或模块。如本文中所提到的，盘或模块是LED的聚集，被组合成和模制为单个光源。然后，表面软件被用于按照由照明应用软件生成的图表瞄准盘。然后，实体建模软件，如Solidworks，被用来模拟灯具，也就是壳体、透镜和其它部件。然后仿真新灯具的光度性能。然后灯具模型可以用在照明应用软件中，如AGI32，以计算在各种照明应用中的灯具性能。

现在参考图14至16，描述了一个实施例的基于LED的灯组件。在本实施例中，灯组件400包括一个表面404，其具有多个不同角度的安装表面406，在表面406上安装有LED组件408。灯组件400提供主轴线410方向上的光输出。在本实施例中，LED组件408类似于如图4和5先前描述的LED阵列100和150。在本实施例中，LED组件408包括五个LED元件的阵列，并且可以包括与LED相关联的准直或其它光束整形光学器件。本实施例的灯组件400，被设计为传统150瓦特金属卤化物类型建筑路灯的一种替代。该LED组件408包括一个类型的标准LED，并且在一个实施例中LED是以大约500到600毫安的电流运行并提供约170至250流明的输出通量的白色LED。

在一个实施方案中，LED组件408包括三种类型的准直，即5度窄光束，20度光束(未经准直的)，以及一个20度乘5度的椭圆形光束。如上所述，本实施例的LED组件包括五个LED，并提供LED输出的拼接。这种组件通过允许将五元件的阵列安装到表面404，从而简化制造。然而，容易认识到单独的LED可被安装在一个表面上，或者可以采用在阵列上具有不同数目LED的LED阵列。在另一个实施方案中，LED组件408，各包括一个将输出光准直成2度窄光束的准直器，然后扩散光学器件可以被放置在LED/准直器上来传播输出光至不同的期望扩散。在一个这样的实施例中，每个灯组件具有30英尺的安装高度，灯之间的距离为6倍安装高度(180英尺)，每个灯从灯位置照亮道路上下稍微大于+/-3倍安装高度的区域。在本实施例中，指向自灯的中心线3倍安装高度和更大(90+英尺)的区域的发光二极管不耦合任何扩散透镜。指向自灯的中心线2.5至3倍之间安装高度(75至90英尺)的区域的LED与具有5度扩散的扩散透镜耦合。指向自灯的中心线2至2.5倍之间安装高度(60至75英尺)的区域的LED与具有15度扩散的扩散透镜耦合。指向自灯的中心线1至2倍之间安装高度(30至60英尺)的区域的LED与具有25度扩散的扩散透镜耦合。最后，指向自灯的中心线零至1倍之间安装高度(0至30英尺)的区域的LED与具有50度扩散的扩散透镜耦合。

现在参考图17至20，对另一个实施例的基于LED的灯组件500进行说明。在本实施例中，灯组件500是包括外部壳体504和外部透镜508的“钟”形组件。若干安装子组件512、516、520安装在壳体504内，每个子组件512、516、520具有多个不同角度的安装表面524，在该表面上，LED组件528被安装在一侧，并且散热装置532被安装在相反侧。灯组件500提供在由虚线510标识的区域内的光输出。在此实施例中，LED组件528类似于图4和5先前描述的LED阵列100以及150。在本实施例中，LED组件528包括五个LED元件的阵列，布置成3/2结构，并且可以包括与LED相关联的准直光学器件或其他光束整形光学器件。本实施例的灯组件500，被设计为提供对传统150瓦特金属卤化物类型建筑路灯的一种替代。该LED组件528包括一个类型的标准LED，并且在一个实施例中LED是以大约500到600毫安的电流运行并提供约170至250流明的输出通量的白色LED。如上所述，本实施例的LED组件包括五个LED，并提供LED输出的拼接，并通过使一个五元件阵列被安装到表面524来简化制造。然而，容易认识到单独的LED可被安装在一个表面上，或者可以采用在阵列上具有不同数目LED的LED阵列。

在另一实施例中，LED组件528，各包括一个将输出光准直成2度窄光束的准直器，然后扩散光学器件可以被放置在LED/准直器上来传播输出光至不同的期望扩散。在一个这样的实施例中，每个灯组件具有30英尺的安装高度，并且灯之间的距离为6倍安装高度(180英尺)，每个灯从灯位置照亮道路上下稍微大于+/-3倍安装高度的区域。在本实施例中，指向自灯的中心线3倍安装高度和更大(90+英尺)的区域的发光二极管不耦合任何扩散透镜。指向自灯的中心线2.5至3倍之间安装高度(75至90英尺)的区域的LED与具有5度扩散的扩散透镜耦合。指向自灯的中心线2至2.5倍之间安装高度(60至75英尺)的区域的LED与具有15度扩散的扩散透镜耦合。指向自灯的中心线1至2倍之间安装高度(30至60英尺)的区域的LED与具有25度扩散的扩散透镜耦合。最后，指向自灯的中心线零至1倍之间安装高度(0至30英尺)的区域的LED与具有50度扩散的扩散透镜耦合。

正如可在所描述的实施例中观察到的，提供的是具有若干功能的灯具，包括具有不对称的光分布以提供具有降低眩光的改进可视性的正对比(positivecontrast)道路照明系统。该系统符合IESNARP-8-2000和AASHTO高速公路照明的要求，也满足了对于灯柱间距5∶1或更高的安装高度比例。此处所描述的一些实施例的系统提供了改进的可视性，其具有正对比度和减少的上行光，通过实现充分截止和减少从照明器向上投射的光量从而减少光污染。还可以通过具有由呈现交叉图案的几个光元件产生的光的光束，使得来自光元件的任何杂散光被包含在灯壳体内，从而实现减少的上行光。这种减少的上行光，以及减少的由更多定向的和有针对性的输出图案提供的侵入，大大地减少了光污染，并有助于实现存在于多个管辖区的“昏暗的天空”的目标。此外，几个实施例的照明系统通过以更高的垂直角提供更好的灯利用和光输出来节省能源。

在另一个实施方案中，本发明提供了用于从基于LED的灯产生期望照明图案的方法。该方法包括确定将要实现的照明图案。所述照明图案可以基于某些类型的照明应用的要求来确定，如最低的照明要求和灯的最小高度等。照明图案也可以基于用于特定应用的一组自定义标准。例如，如果灯将被用作路灯，对于街道照明存在各种规范，包括最小照明要求。在这种情况下，有关规范是在确定照射图案时的一个因素。确定照明图案的另一个因素是灯组件的高度和间距。可基于用于特定应用的规范来确定灯组件的高度和间距。例如，街道照明应用可能具有涉及灯之间的最大间距以及被定位在道路上的灯的最小高度的规范。可选地，可以在设计灯组件与相关联的LED元件之后来确定灯组件的高度和间距。例如，灯组件可被设计成当放置在一个特定高度时能在特定区域提供均匀照明。在这样的情况下，灯组件的间距是基于被照明区域的照明所需的均匀性来确定的。

在灯中使用的LED元件的一种或多种类型被选择，并且由所选择的LED元件提供的照明被确定用于不同类型的准直和用于相对于灯组件的主轴线的不同角度。照明的均匀性被确定，包括对于被照明区域的最小磁通水平。接着，灯表面被确定，其包括相对于所述主轴线具有不同角度的多个不同的安装表面，使得当LED被安装到安装表面上时，该灯将提供具有所需均匀性的期望的照明图案。从LED元件输出的光强度和光束角被选择以提供均匀的角强度。

在另一个示例性实施例中，如图21所示，模块化折射器组件601已经模制、浇铸或以其它方式形成扩散透镜区域602以提供对所产生的光的传播的必要控制。该实施例结合了原应用的图5中所示的扩散透镜166的功能与在原应用的图17和19中描述的外部保护透镜508功能。以这种新颖的方式组合这两种功能通过降低个别精密光学器件的数目，并且还通过去除大的模制、铸造或其它方式形成的外部保护透镜，从而提供了成本优势。劳动力成本也可以通过在组装过程中需要放置的零件结果数而减少。

所述的扩散透镜区域602可以是本示例性实施例中所描绘的菲涅耳透镜，或者它们可以是常规透镜、渐变折射率(GRIN)透镜或能够执行扩散功能的其他透镜类型。这些扩散透镜区域602可以形成于模块化折射器的外表面、内表面、或两者，因为可能需要这些以达到所需的光学性能。如果光学要求可以通过形成所述透镜区域602到模块化折射器的单个表面而被满足，优选的是该表面是模块化折射器的内表面以加强透镜区域的保护，并为所述表面提供最长的实际寿命。

虽然本示例性实施例示出了多个这些扩散透镜区域602，还可能有其他的实施方案，其中这种扩散元件的数量不同于包括一种实施方式其中只存在单个此类元件的本示例性实施例。扩散透镜区域602的数目可以与如本示例性实施例中所描述的多个准直元件和LED或多LED封装相匹配。其它实施例可包括不具有对应扩散透镜区域602的准直元件，以保持最窄可能的波束角。在具有多个扩散透镜元件的实施方案中，所述元件可以被设计成彼此具有相同的波束扩散或在给定的模块化折射器中具有不同的光束扩散。

如图22所示，该安装框架603连同垫片604提供了对外部环境的一级保护。此处所描绘的安装框架的示出是用于说明目的，并且在实践中根据需要可以采取各种形状或尺寸，以适应特定的照明设计中的要求。

图22中的安装耳或壁架605是模块化折射器601的一部分，并且提供用于密封所述垫圈604同时用于将所述模块化折射器定位在安装平台上的区域。印刷电路板(PCB)606提供多个LED的安装以及连接LED的电路。示于图22和23的电连接器607提供了一种用于连接模块内部的LED与外部电源的装置。安装硬件608可以是本领域技术人员熟知的多种紧固件的任何一种，并且在该示例性实施例中，将内部准直元件保持在PCB606上并将PCB606固定到安装平台。

这些LED609在图24中被示为横截面图，并被定位在收集和准直由LED产生的光的复合抛物面反射器610之内。然后扩散透镜区域602将光扩散至满足给定灯具设计的该模块的要求所需要的程度。

在图24和25中所示的内垫圈611将模块化折射器601密封连接至PCB6，以提供对外部环境的额外水平的保护，从而创造一个单独密封的模块。此处所描述的垫圈的几何形状，是几个可能的垫圈几何形状之一，其在此使用以提供对外部环境入口的足够密封。该模块的内部示于图26和27。在这些图中还示出了被直接焊接在金属箔电路板上的内部电连接物612，并提供了用于连接安装在PCB606上的LED的装置，该PCB606从所述外部连接器607供电。为清楚起见未示出提供所述连接器之间的电路径的导线。在其它可能的实施方案中，外部连接器607另一种实现方法是本身可直接焊接至PCB606。

在图28中模块化折射器601的安装耳或壁架605显示为没有安装板。在其他实施方案中，它们可以不同于在本示例性实施例中所示的相对尺寸。其它实施例的模块化折射器601也可以不同于本实施方式中示出的矩形形式。这些替代形式可以是方形、圆形、六边形、三角形或满足给定光源设计的要求所需的任何其它形状。假设模块化折射器的内部部件将被重新布置、修改或以其他方式构造，以适合模块化折射器的替代形状。

在另一个示例性实施例中，图29中的模块化折射器组件613被示出为不包括安装耳。类似于先前描述的实施例，透明的外部保护折射器壳体614具有多个模制、铸造或其它方式形成的扩散透镜区域602。在本实施例中，安装硬件616位于折射器的整体外部尺寸内而不是具有如前所示的外部安装耳。如图30的横截面图所示的壳体内部是准直透镜617和用于所述透镜617的安装支架618。在这个示例性实施例中，所述透镜为浇铸或模制的全内反射(TIR)种类。

在图31和32中所示的示例性实施例中，模块化折射器组件613被安装到定向每个模块的目标平台620，以实现地面上的光的所需图案，并且还提供一个导热路径至所述壳体(此处未示出)，该壳体提供结构支撑性、导热性和散热性。壳体可以被铸造、模塑、机械加工、烧结或以一些其他形式成形，并且由能同时提供必要的机械强度和所需的热传导性的材料制成，典型地为铝。

模块化折射器组件613周围和后面的区域621由安装框架622覆盖并保护，该安装框架可以是如示例性实施例中所示的组合件，或者可以是单个片或多个单独的片，这取决于给定灯具设计的要求。在本示例性实施例中只示出了一个这样的框架622。在前面的图中，组合式安装框架622被概念性地表示为简化的安装框架603，并由功能上类似于在前面图中所示的垫片604的一个垫片或多个垫片支持。这些垫片的形状和尺寸形成为符合模块化折射器组件613的外部几何形状，以便提供对外部元件的密封。

图31示出了独立于灯具组件的其余部分的组合式安装框架622。框架中的开口623的形状和尺寸形成为适当地容纳所述模块化折射器组件，并给垫圈提供适当的压力。

在本实施方式中未示出安装在目标平台620上的连接器，其将配合模块化折射器组件613上的连接器607，这些配合的连接器将被定位成允许模块化折射器组件613插入到目标平台614，以建立必要的电连接为LED供电。安装在目标平台614上的连接器将以适当的安排被布线在一起，以优化电源利用率。此布线将在模块化折射器组件613背后的区域621中延伸，并由安装框架622提供环境保护。

一个未示出的替代实施例中将是电配线穿过PCB606中的通孔延伸，而不是使用在前面的示例性实施例示出的连接器。这将需要配线直接连接到电连接612，并且配线走线后在孔中留下的空间用诸如室温硫化(RTV)硅化合物密封，通常用来抵御水、灰尘和其它物质的进入。

在这些实施例中没有示出各种紧固件，以及在相关组件中容纳它们所需的孔。用于给定用途的紧固件的适当选择对本领域技术人员而言应是显而易见的。

提供所公开的实施例的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对这些实施例的各种修改将对本领域技术人员而言是显而易见的，且本文中所界定的一般原理可应用于其它实施例而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明不是旨在限于本文所展示的实施例，而是要符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种灯组件装置，包括：

具有多个安装表面的壳体，所述多个安装表面包括相对于第一平面具有多个不同角度的表面，所述第一平面基本上平行于待被灯组件照亮的表面；

至少一个固态发光元件，其被安装到各安装表面上，所述多个发光元件的至少一个子集中的每一个发光元件各自提供沿着相应主轴线的光输出，所述主轴线与垂直于所述第一平面的第二平面相交并且与壳体的中心线相交，多个固态发光元件的输出相结合以提供合成的照明图案；以及

多个模块化折射器，每个模块化折射器与相应的安装表面耦合，并包括一个或多个透镜，所述透镜配置成控制从相关联的至少一个固态发光元件产生的光的传播，并且每个模块化折射器为相关联的至少一个固态发光元件提供环境隔离。

2.根据权利要求1的装置，其中所述装置不包括单独的外部保护透镜。

3.根据权利要求1的装置，其中所述多个模块化折射器的每一个都包括扩散透镜和/或次级光学组件。

4.根据权利要求1的装置，还包括与一个或多个固态发光元件相关联的反射器，其配置成准直来自所述固态发光元件的光。

5.根据权利要求1的装置，其中所述模块化折射器各自包括与相关的安装表面耦合的保护框架和垫圈。

6.根据权利要求1的装置，其中所述模块化折射器各自包括一个或多个全内反射(TIR)透镜或复合抛物面反射器。

7.根据权利要求6的装置，其中所述一个或多个透镜进一步包括合并到外部透镜表面中的或与外部透镜表面耦合的扩散透镜，作为透镜的次要元件。

8.根据权利要求1的装置，其中每个模块化折射器的一个或多个透镜集成了模块化折射器壳体，并被形成在所述壳体的内表面或外表面上。

9.根据权利要求1的装置，其中一个或多个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。

10.根据权利要求1的装置，其中一个或多个模块化折射器的一个或多个透镜包括模制到模块化折射器中的渐变折射率(GRIN)透镜。