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CN103459919B - 用于偏置宽光束生成的led设备 - Google Patents

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CN103459919B CN200980140502.1A CN200980140502A CN103459919B CN 103459919 B CN103459919 B CN 103459919B CN 200980140502 A CN200980140502 A CN 200980140502A CN 103459919 B CN103459919 B CN 103459919B
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Abstract

光源与光学件和反射器相组合。入射到所述反射器上的光以单次反射的方式被反射。所述反射器至少相对于任何光学功能占据除所述光学件之外围绕所述光源的立体角的部分。所述反射器直接接收光的第二部分。所述光学件基本上占据所述预先确定的立体角的其余部分的全部，以直接接收来自所述光源的光的第一部分。来自所述反射器的反射光束被反射为预先确定的反射模式。所述光学件的内表面和/或外表面被成形为折射或引导来自光的第一部分的从所述光源被直接发送到所述光学件中的光，和/或折射或引导来自所述反射光束的从所述反射器被反射到所述光学件中的光，以形成预先确定的光束。

Description

用于偏置宽光束生成的LED设备
本申请涉及2008年8月14日递交的No.61/088,812和2008年12月12日递交的No.61/122,339的美国临时专利申请，并且根据35USC 119要求这些专利申请的优先权，本文通过引用将这些专利申请并入本申请。
背景技术
技术领域
本发明涉及这样的设备和方法的领域，所述设备和方法用于使用LED或其他光源来在表面上生成预先确定的偏置宽分布(wide profile)的二维照明模式，其中使用已经被光学地修改以提供相应的宽分布光束的光源或多个修改后的光源的阵列。
现有技术的描述
目前，发光二极管(LED)被用于一般的发光应用，例如街道照明、停车场照明、停车位以及许多室内的应用。LED每瓦特已经达到了超过几乎所有传统光源(例如HID、紧凑型荧光灯、白炽灯等)的效率值。然而，与这些传统灯源相比，LED以每美元流明计仍非常昂贵。因此，为实现在成本上与传统发光装置可竞争的产品，光效率、电子效率以及热效率仍然是非常重要的因素(disciplines)。所需要的是与这些传统发光系统相比，具有可竞争的或优越的光效率并且因此具有增加的能量效率的LED发光解决方案。
当与传统发光装置相比，使用每流明的成本作为衡量标准时，LED照明的初始投资成本是昂贵的。然而这会随着时间改变，这种高成本促进LED光学系统的光收集和分布效率。与传统照明装置(例如白炽灯、荧光灯以及霓虹灯)相比，所述系统效率越高则成本效益越好。
利用LED生成宽光束的传统方案是使用一个或更多个反射器和/或一个或更多个透镜来收集LED能量，并且然后将所述LED能量发散为期望的光束形状，并且来提供这样的LED的成角度的阵列，所述LED安装在具有以各种平面或角度进行指向的LED和光学件的设备上。街灯照明模式传统地被界定为五个类别，即类型I-V。
另一技术是使用准直透镜和/或反射器以及例如物理器件公司(PhysicalDevices Corporation)制造的片状光学件，来将所述能量发散到期望的光束中。反射器基于所使用的金属化技术而具有预先确定的表面损失。没有涂覆抗反射涂层的透镜也具有与其相关联的表面损失。来自物理器件公司的片状材料具有约8％的损失。
全内反射器(TIR)透镜(例如图13中图示说明的TIR 44)先前已经被使用，来使折射光(例如图13中通过冠部(crown)56的光线52)和全内反射光(例如图13中从表面46反射的光线50)结合。TIR透镜44内的光线中的一些以在TIR透镜44中多次反射的方式从表面46并且通常从数个其他内表面被反射，以横过(across)TIR透镜44的中心线54被引导。然而，只有表面46的部分以相对于来自光源1的要被全反射的入射光成正确角度的方式被安置，其中所述入射光线的剩余部分被折射通过表面46，并且在通过冠部56的期望的光束方向以外的方向上被发送。另外，即使是在那些光线从表面46被近似地“全内反射”的情况下，由于实际上内反射不全归因于光学表面46上和制成透镜44的光学材料的缺陷，从而这些TIR光线的一部分(例如由光线48所描绘的)实际上被折射通过表面46。此外，由表面46反射的任何光线都必须先被TIR透镜44的内表面58折射，从而进一步减少了最终实现意图的光束的光份额，因为每次折射和反射都以相当于8％(取决于光学质量和形状的损失)的幅度减少光强度。
现有技术中接近高效率系统的一个实施例是由飞利浦流明照明公司(PhilipsLumileds Lighting Company)出售的“侧发射器(Side-emitter)”设备。然而，所述“侧发射器”是意图创建从在方位角对称的强度分布中的LED辐射模式的中心线偏置有几乎90度角的光束。其具有预计15％的内损失，并且仅仅提供方位角对称光束分布，而不是方位角非对称或方位角引导的光束，即等烛光图在三维上是回转曲面。另一流明公司(Lumileds)LED，一般被称为低顶(low dome)，在所述LED封装上具有透镜以重新引导所述光，但要注意的是，其在前表面上具有单一独特的曲率半径并且不是预期的，其也不适于生成例如街道或停车位照明所需的平滑的二维模式化表面。
存在许多这样的系统，所述系统被设计为使用支架来以相对于地面成一定角度的方式支撑光学件22系统，以在地面上获得发散光束模式。这样的支架通常是复杂的和/或难于装配。
(还存在数种系统，所述系统在一个方向上使光学件滑离中心位置，允许光束在系统的中心线的相对方向上移离中心位置，以使照明模式偏斜。
所需的是这样的设备，所述设备创建宽角度光束、方位角非对称发散光束，这些光束可以利用这样的方法来创建，所述方法允许设计者在一定距离处实现光滑二维表面，所述设备可以是LED阵列并且不会受到现有技术的固有不足的影响，其中所述LED全都被安装在相同平面内或相同平面上。
发明内容
本发明图示说明的实施方案涉及一种用来以预先确定的光的模式照明目标表面的设备(例如街灯)，用于行进表面的照明设备，内部照明，车辆、飞行器或船舶照明，或者任何其他照明应用。所述设备包括用于产生光的光源，所述光具有被辐射进入预先确定的立体角的预先确定的辐射模式。在本发明的示例性实施方案中，所述光源为发光器件(LED)或更一般地为目前已知的或随后设计出的多种LED封装中的任一种。所述设备包括反射器，来自所述光源的光入射到所述反射器上并且入射光从所述反射器被反射。所述入射光可以从所述反射器以单次反射的方式被反射，以至少相对于从所述光源直接入射到所述反射器上的入射光形成反射模式。具有内表面和外表面的光学件被提供，所述表面典型地但不是必须地为折射表面。所述反射器至少相对于任何光学功能占据除所述光学件之外围绕所述光源的所述预先确定的立体角的部分。换言之，所述光学件和反射器围绕所述光源被安置，其中每一个在其相应的区中排他地且直接地接收来自所述光源的光，而所述光不会先光学地接触另一个。所述光学件直接接收来自所述光源的光的第一部分。所述反射器基本上占据所述预先确定的立体角的其余部分的全部以直接接收来自所述光源的光的第二部分。由此，基本上来自所述光源的光的全部被直接入射到所述光学件或所述反射器上。来自所述反射器的反射光束包括基本上所述光的第二部分的全部并且被反射为预先确定的反射模式。所述光学件的内表面和/或外表面被成形为折射和/或引导来自所述光的第一部分的从所述光源被直接发送到所述光学件中的光，和/或折射或引导来自所述反射光束的从所述反射器被反射到所述光学件中的光，以形成预先确定的光束。所述预先确定的光束被入射到所述目标表面，以在所述目标表面上形成所述预先确定的复合模式。
在一个实施方案中，所述光源的所述预先确定的辐射模式基本上是半球的，并且相对于所述光源所述反射器所对着的所述立体角小于2π立体弧度。换言之，所述反射器仅仅包住所述半球的部分，从而一些光被辐射到所述设备之外，而不接触所述反射器。因此，可以理解的是，所述反射器没有形成为像传统TIR光学件或壳体反射器那样的完整的回转曲面，而是将以仅部分围绕所述光源的方式在方位角上延伸。
例如，所述光源可以被设想(visualized)为安置在虚参考平面上，其中所述反射器在所述虚参考平面上相对于所述光源对着从大于0°到小于360°的各种范围的方位角，例如：小于360°；大约315°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约45°±15°的方位角光束发散；大约300°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约60°±15°的方位角光束发散；大约270°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约90°±15°的方位角光束发散；大约240°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约120°±15°的方位角光束发散；大约180°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约180°±15°的方位角光束发散；或者大约90°±15°，从而在所述目标表面上所述预先确定的光的模式具有在所述目标表面上的大约270°±15°的方位角光束发散。
在一个实施方案中，所述光源和反射器被安置在所述光学件内。在另一实施方案中，所述反射器和光学件共同形成围绕所述光源的包围物(enclosure)，其中每一个占据包围壳(enclosing shell)中的其所拥有的部分。所述反射器可以部分地被嵌入所述光学件并且具有这样的表面，所述表面替换所述光学件的内表面的部分。
在又另一实施方案中，所述光学件相对于所述光源被空间地配置，以基本上直接接收在所述预先确定的所述光源的辐射模式中除直接入射到所述反射器的部分以外的光的全部。所述直接入射部分被反射到所述光学件的内表面，从而基本上所述光的全部在所述预先确定的辐射模式中。换言之，没有因为所述光学件和所述反射器的有缺陷的光学性质而被吸收或误导向的辐射的光的全部被所述光学件引导为所述预先确定的光束。
在一个实施方案中，所述光源、光学件和反射器包括发光器件。在一个实施方案中，多个发光器件被设置在载体上。所述发光器件被排列在所述载体上以形成发光器件阵列，从而相加地产生预先确定的集合光束，所述集合光束以所述预先确定的光的模式照明所述目标表面。
在又一实施方案中，所述设备还包括灯具，至少一个阵列被设置在所述灯具中。
在再另一实施方案中，所述设备还包括多个设置在所述灯具中的阵列，以相加地产生所述预先确定的集合光束，所述集合光束以所述预先确定的光的模式照明所述目标表面。
例如，光源具有主轴，围绕所述主轴定义所述预先确定的辐射模式。所述预先确定的模式的光的强度相对于所述光源的所述主轴被定义为方位角和极角的函数。所述反射器相对于所述光源被安置，所述反射器具有弯曲的表面和成形的轮廓，所述弯曲的表面和成形的轮廓被选择来基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的至少一个。在另一实施方案中，所述光学件相对于所述光源被安置，从而所述光学件的内表面和/或外表面的形状被选择来基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的至少一个。当所述光学件用于控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的一个时，所述反射器用于基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的另一个。因此，所述反射器和光学件可以被成形，以每一个地或共同地控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性，或者以任何期望的结合方式控制这两者。
在图示说明的实施方案中，所述光学件的外表面被成形为具有光滑表面，所述光滑表面防止来自环境的灰尘、污物、碎屑或任何光学遮挡材料的积聚或聚集。
在一个实施方案中，所述反射器包括第一表面反射器，而在另一实施方案中，所述反射器包括第二表面反射器。
在一个实施方案中，所述光学件具有界定在所述光学件内的接收表面，并且其中所述反射器是被安装在所述光学件的所述接收表面中的反射器，并且是通过所述光学件的所述接收表面相对于所述光源被导向的。所述光学件的所述接收表面和所述反射器具有互锁的成形部分或相互对准的部分，所述互锁的成形部分或相互对准的部分在装配时被热嵌合或固定在一起。
在另一图示说明的实施方案中，所述预先确定的光束被引导进入的半球空间被界定为前半半球和后半半球。所述反射器相对于所述光源被安置，所述反射器被弯曲并且被提供有这样的轮廓，以致在所述预先确定的辐射模式中的所述光的能量的大部分被所述反射器和/或光学件引导进入所述半球的前半。应当注意的是，前后非对称是一种实施方案，并且其他这样的非对称性与本发明是密切相关的。
上述简要说明主要是本发明各种实施方案的结构性限定，然而，本发明的实施方案还可以被功能性地限定。本发明图示说明的实施方案包括用于以预先确定的光的模式照明目标表面的设备，所述设备包括产生光的光源和反射器装置，其中所述光具有被辐射进入预先确定的立体角的预先确定的辐射模式，所述预先确定的立体角具有第一区和第二区，来自所述光源的光直接入射到所述反射器装置上。所述反射器装置以单次反射方式反射所述直接入射光以形成预先确定的反射光束。光学件装置将基本上从所述光源直接发出的光的全部折射或引导进入所述辐射模式的所述预先确定的立体角的所述第一区，形成折射/引导光束。基本上所述第二区中的光的全部从所述光源直接入射到所述反射器装置并且被所述反射器装置反射成所述预先确定的反射光束，基本上所述第二区中的光的全部包括所述辐射模式的所述立体角的其余部分的全部或整个辐射模式。所述光学件装置折射或引导来自所述反射器的所述预先确定的反射光束，以从所述折射/引导光束和所述反射光束形成复合光束。当被入射到所述目标表面时，所述复合光束在所述目标表面上形成所述预先确定的模式。
换言之，在本发明的示例性实施方案中，所述光源具有完全地或基本上被所述光学件或所述反射器拦截的(intercepted)辐射模式，并且来自所述反射器的所述反射光然后也被引导通过所述光学件，形成复合光束。然而，要明确地理解的是，本发明的范围包括这样的实施方案，其中所述光源具有仅部分被所述光学件或所述反射器拦截的辐射模式。
如上所述，本发明的实施方案包括光学件装置和反射器装置，所述光学件装置和反射器装置形成具有方位角发散的复合光束，从而所述目标表面上的所述预先确定的光的模式在所述目标表面上具有大约45°±15°、大约60°±15°、大约90°±15°、大约120°±15°、大约180°±15°或大约270°±15°的方位角光束发散。±15°的误差线(error bar)已经被公开作为图示说明的实施方案，但要理解的是，针对这种测量的误差线的其他大小可以被等同地替换，而不偏离本发明的范围。
如在上面的实施方案中所描述的，所述光源和反射装置被安置在所述光学件装置内。
一实施方案包括这样的光学件装置，所述光学件装置相对于所述光源被空间地配置，以基本上直接接收在所述预先确定的所述光源的辐射模式中除直接入射到所述反射器装置的部分以外的光的全部，所述直接入射到所述反射器装置的部分被反射到所述光学件装置的内表面，从而基本上所述预先确定的辐射模式中没有因为所述光学件和所述反射器的有缺陷的光学性质而被吸收或误导向的光的全部被所述光学件装置引导为所述预先确定的光束。
在一个实施方案中，所述光源、所述光学件装置和所述反射器装置包括发光器件，并且更进一步地包括多个发光器件和载体，所述发光器件排列在所述载体上以形成发光器件阵列，从而相加地产生预先确定的集合光束，所述集合光束以所述预先确定的光的模式照明所述目标表面。
在另一实施方案中，所述设备还包括灯具，至少一个阵列被设置在所述灯具中。
在又另一实施方案中，所述设备还包括多个设置在所述灯具中的阵列，以相加地产生所述预先确定的集合光束，所述集合光束以所述预先确定的光的模式照明所述目标表面。
在再另一实施方案中，所述光源具有主轴，围绕所述主轴定义所述预先确定的辐射模式。所述预先确定的模式的光的强度相对于所述光源的所述主轴被定义为方位角和极角的函数。所述反射器装置基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的至少一个。
在另一实施方案中，所述光学件装置基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的至少一个。在这种情况下，也有可能的是，所述反射器装置基本上控制基本上没有被所述光学件装置控制的所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的任一个的另一个。
在一个实施方案中，所述光学件装置包括被成形为具有光滑表面的外表面，所述光滑表面防止来自环境的灰尘、污物、碎屑或任何光学遮挡材料的积聚或聚集。
在本发明的许多示例性实施方案中，所述反射器装置包括第一表面反射器，而第二表面反射器也被包括在本发明的范围内。
图示说明的实施方案还包括用来提供与光源一起使用并且用于以预先确定的光的复合模式照明目标表面的设备的方法，所述光源具有被辐射进入预先确定的立体角的预先确定的辐射模式，所述方法包括以下步骤：提供反射器，来自所述光源的光入射到所述反射器上并且入射光从所述反射器以单次反射的方式被反射以形成反射模式；提供具有内表面和外表面的光学件；以及以对齐方式将所述反射器设置在所述光学件中或靠近所述光学件，从而所述反射器至少相对于任何光学功能占据除所述光学件之外围绕所述光源的所述预先确定的立体角的部分以直接接收来自所述光源的光的第二部分，所述光学件基本上占据所述预先确定的立体角的其余部分的全部以直接接收来自所述光源的光的第一部分，来自所述反射器的反射光束包括基本上所述光的第二部分的全部并且被反射为预先确定的反射模式，所述光学件的内表面和/或外表面被成形为折射或引导来自所述光的第一部分的从所述光源被直接发送到所述光学件中的光，和/或折射或引导来自所述反射光束的从所述反射器被反射到所述光学件中的光，以形成预先确定的光束，其中，当被入射到所述目标表面时，所述预先确定的光束在所述目标表面上形成所述预先确定的光的复合模式。
在实施方案中，其中所述光源具有主轴，围绕所述主轴定义所述预先确定的辐射模式，并且其中所述预先确定的模式的光的强度相对于所述光源的所述主轴被定义为方位角和极角的函数，所述反射器装置包括具有多个子表面的反射表面，所述多个子表面在方位角和极角方向具有不同的曲率，并且其中所述子表面中的每一个基本上控制所述预先确定的模式的光的强度的方位角相关性或极角相关性中的一个或两者。
尽管出于文法流畅的缘故，所述设备和方法已经或将要被利用功能性说明进行描述，要明确地注意的是，除非是在35 USC 112下明确阐述的，权利要求书不应被解释为必定被所述的“装置”限制或“步骤”限制的结构以任何方式限制，而是要符合在法定等同性原则下由权利要求书所提供的限定的含义和等同物的全部范围，并且在权利要求书在35USC112下被明确阐述的情况下，要符合35USC 112下的全部法定等同物。现在通过转向所附的附图，本发明可以被更好地展现，在所述附图中相似的部件以相似的编号表示。
附图说明
图1是本发明的示例性实施方案的侧面平面视图。
图2是图1示出的本发明的实施方案通过剖面线A-A获得的剖视图。
图3是图1示出的本发明的实施方案通过剖面线B-B获得的剖视图。
图4是图1示出的本发明的实施方案的转动后的轴测图。
图5是如图2所示的剖面A-A的放大后的侧面剖视图。
图6是计算机生成的二维表面绘图(plot)，表征图1-5的实施方案的典型的等英尺烛光图(iso-foot-candle graph)。
图7是以分解视图示出的本发明的第二实施方案的顶部立体视图。
图8是以分解视图示出的图7的本发明的第二实施方案的底部立体视图。
图9a是本发明的实施方案的顶部剖视图，用于提供如通过图9b的剖面线C-C所见的大约120°的方位角发散光束。
图9b是图9a的本发明的实施方案的侧面平面视图，其中以虚线示出下面的结构。
图10a是本发明的实施方案的顶部剖视图，用于提供如通过图10b的剖面线A-A所见的大约180°的方位角发散光束。
图10b是图10a的本发明的实施方案的侧面平面视图，其中以虚线示出下面的结构。
图11a是本发明的实施方案的顶部剖视图，用于提供如通过图11b的剖面线B-B所见的大约270°的方位角发散光束。
图11b是图11a的本发明的实施方案的侧面平面视图，其中以虚线示出下面的结构。
图12是建筑物占地(building footprint)的图解平面视图，其中方位角发散光束光源被提供于所述建筑物轮廓的各种位置上，以使用本发明的各种实施方案提供大约270°、180°和90°的照明地面模式。
图13是现有技术TIR光学件的侧面剖视图。
图14是使用本发明的设备的光源的立体视图。
图15是使用本发明的设备的装配好的阵列的立体视图。
图16是示出将所述设备装配为阵列并装配到光源中的流程图，所述设备包括光源、反射器以及光学件。
通过转向被限定在权利要求书中的本发明图示说明的示例性实施方案的下述具体描述，本发明的各种实施方案现在可以被更好地理解。要明确地理解的是，由于本发明是由权利要求书限定的，可以比下面所描述的图示说明的实施方案范围更宽。
具体实施方式
图1图示说明对应于本发明第一实施方案的设备10的侧面平面视图。设备10包括LED(发光二极管)或LED封装，其中仅封装1的底座在图1的视图中是可视的，以及针对光学件22的光学表面11的底座6，其中外表面11在图1中被示为大体上是半球的。光学件22的光滑外表面11使易于停留在(lodge)、粘着或者粘附到光学件22的灰尘、污物或碎屑的量最小化，从而当设备10在光源中被用作裸露的发光源时，其易于摆脱随着时间而可能会模糊(obscure)或减少光学件22的外表面11的光学透射性的环境夹杂物。因此，必须要理解的是，尽管图1的实施方案示出基本上为半球的外表面11，在本发明的范围内，外表面11可以被提供有可以根据设计具有选择性的折射质量的其他光滑三维形状。
图2是图1示出的本发明的实施方案通过剖面线A-A获得的剖视图。图2在如图1的剖面线A-A处所见的侧面剖视图中示出光学件22的设备10，其中反射器或反射镜16(以下称作“反射器”)的反射表面3位于LED封装1和光学件22之间由光学件22的内表面4界定的空间内。然而，“反射镜”一般被理解为这样的光学件，所述光学件具有由反射性的或镀铝的涂层或薄膜创建的反射表面，如在本说明书和权利要求书中使用的术语“反射器”要被理解为包括反射镜、全内反射表面、反射光栅或者全部或部分反射光的任何其他种类的光学器件。LED封装1的顶(dome)14被设置到由光学件22的内表面4界定的腔或空间中。存在空气间隙，从而光学件22的内表面4是围绕LED封装1的顶14被安置的折射表面。通过改变光学件22的内表面4，从LED芯片或源12设置的光线可以被改变以适应使用者限定的可以根据应用不同而变化的系统需求。此外，反射器16的反射表面3可以被选择性地弯曲并选择尺寸，来提供利用由目标表面上最终所需的照明模式所支配的受控参数设置的光线。图2的侧面剖视图示出反射器16在纵轴上被弯曲或者是极角的函数，并且如在图3的顶部剖视图中所最佳地示出的，反射器16还在方位角上被弯曲。在图示说明的实施方案中，反射表面3是第一表面反射器，即反射器16的最内侧表面被提供有反射涂层，然而第二表面反射器的使用也包括在本发明的范围内。
图3示出本发明的实施方案，其中光学件22的内表面4围绕LED封装1的顶14的中心线被径向地设置。相对于LED封装1的辐射模式(pattern)的中心线为偏心结构的光学件22也被考虑为在本发明的可能的设计选项的范围内。被反射表面3遮挡了光源12的光学件22的表面4可以为本发明的主要部件的装配所需的任何形状。在图1-5的实施方案中，被反射器16遮挡的表面4的部分被成形以提供支撑和定位(registering)表面，来将反射器16相对于光源12支撑和调整在正确的位置和角定向，以从设备10获得设计的最终的(net)辐射模式。
例如，如图5所示的，在该实施方案中表面4具有被界定于其中的凹口4a，从反射器16一体地延伸的柱(post)在装配期间被安置到凹口4a中。如在图4中最佳可见的，定位凸缘5从表面4延伸来为反射器16的下弯曲部分提供多点引导。如在图4和5中最佳可见的，侧夹5a从表面4延伸来扣入被限定在反射器16的下前缘中的匹配凹陷。许多不同的安装和调准方案可以被用于光学件22中反射器16的装配。在图7-11b的第二实施方案中示出附加的实施方案，所述实施方案不以任何方式限制等同设计的范围。在图4中，LED封装1从光学件22内的腔被垂直地移除，以示出光学件22的内部细节。如图1-5中示出的底座凸缘6是光学件22的可选特征，底座凸缘6被用于转动安装定向或角分度。
在可替换的实施方案中，反射器16可以由内表面4具有特别外形的或弯曲的部分替代，所述具有特别外形的或弯曲的部分已经被金属化或者被成形或被处理以形成反射表面，代替独立的反射器16而用于区2照明。区1和2照明在下面被进一步更加详细地描述。
图5示出从LED光源12辐射并且通过光学件22传播的示例光线7、8、9和13。光线7和8表征这样的一组光线，所述光线可以在第一区或立体角(区1)内从所述源辐射并且直接从光学件22的表面4和11折射或通过所述表面4和11折射。直接入射光线9和13表征这样一组光线，所述光线可以在第二区或立体角(区2)内从光源(例如LED)12辐射，以单次反射的方式从反射器16的反射表面3反射并且然后从光学件22的表面4和11折射或者通过所述表面4和11折射。光学件22和反射器16相对于光源12的辐射模式在空间上和角度上定向，从而基本上来自光源12的光的全部从区1被收集并且直接由表面4和/或11折射，或者在区2内被收集并且由反射器16反射到折射表面4和/或11，以与光线7和8的那组光线汇合，形成来自光学件22的相应的照明模式。因此，基本上所述光的全部从光源12被收集并且被分布到来自光学件22的光束中。在本文中，术语“基本上”被理解为意指以意图的朗伯(Lambertian)辐射模式或设计的辐射模式被辐射出LED光源12的顶14之外的光的全部减去通常由有缺陷的折射、反射或光学几何结构中的细小不精准或形状的损失导致的有缺陷的光学件或有缺陷的光源造成的固有损失的一小部分光。
图6表征图1-5的实施方案的设备10的等英尺烛光照明模式。一个或更多个光学组件10被安置在照明的表面上，例如街道，最可能的是作为安装在光源或灯具中的这样的设备10的阵列或多个阵列。所述照明模式通过从设备10辐射的能量的大部分落到表面的街道侧而较少的量落到路缘(curb)侧的方式被示出，其中所述路缘由人工水平线18绘出的。改变图1-5中的表面3、4和/或11允许光学件设计人员根据设计规范(例如，满足IES标准的包括类型I-V街道照明模式的各种模式中的一个)改变或形成所述设备的最终能量分布20。
光学件22的组件10可以由内表面4的弯曲的或成形的部分附加地改变，以针对根据在任一给定的应用中可以被期望的使用者限定的系统需求，将其重新引导至光学件22的外表面11的选择的部分。例如，常见的情况是，LED封装1的垂直轴17(如图5所示)上或靠近所述垂直轴17的光需要相对于轴17被重新引导至不同的角度，即离开中心光束朝向周边或朝向选择的方位角方向。在这样的情况下，内表面4在其接近或邻近轴17的冠部区域内则将具有改变的形状，以将来自LED封装1的中心轴光折射到期望的方位角和极角方向或多个方向上。例如，内表面4可以被成形，从而入射到位于包括轴17的虚垂直平面的一侧的表面4的部分上的光被引导至所述虚垂直平面的相对侧。
要明确地理解的是，图示说明的附加光学效果的实施例并不对本发明的范围或精神造成限制，本发明的范围或精神考虑所有可能的由内表面4的单独改变或结合光学件22的外表面11的相关改变可实现的光学效果。在图示说明的实施方案的设备10中存在对设计人员来说可获得的各种独立设计控制。除下面讨论的设计控制之外，要理解的是，用于光学部件的材料选择被明确考虑作为另一设计控制，所述另一设计控制不以任何方式穷尽可以被操纵的设计控制的可能的范围。光学件22的外表面11可以被选择性地成形以独立地控制被折射或分布通过表面11的光的方位角或极角分布。类似地，光学件22的内表面4可以被选择性地成形以独立地控制被折射或分布通过表面4的光的方位角或极角分布。更进一步地，反射器16的表面3可以被选择性地成形以独立地控制从表面3被反射的光的方位角或极角分布。这六种设计输入或参数的每个可以选择性地独立于彼此被控制。然而，在图示说明的实施方案中，表面3、4和11的每个被选择性地成形以控制来自相应表面的光的方位角和极角分布二者，可能的是，除其他表面中的一个或两个以外，仅控制来自所述表面的光分布的一个角方面。例如，明确地要考虑，在本发明的范围内的是，所述光束的折射部分或区1部分的方位角分布可以完全地或基本上仅由外表面11控制，而所述光束的区1部分的极角分布将完全地或基本上仅由内表面4控制，或者反之亦然。还要考虑的是，从区2的光获得的照明光束的方位角发散和所述光束的量可以相对于区2的光由反射器16的曲率和轮廓及其相距光源12的距离控制。类似地，反射器16可以被用于完全地或基本上控制所述反射光束的方位角或极角分布，或者控制所述反射光束的方位角和极角分布二者。
现在考虑图7-12的第二实施方案。相同的部件以相同的参考编号表示，并且并入如上所述的相同的特征和方面。图示说明的实施方案被申请人定义为“串滴光学件(bloboptics)”，以结合多个商业上可获得的一个或更多个LED封装1中的任一个的方式被并入图7-11b的设备10。通过术语“串滴光学件”表示的是这样一种类型的光学件，其中其意指折射表面在设计上是自由形式的，并且特别地其特征在于这样的折射表面，所述折射表面在表面4和/或11上相对于光学表面的周围部分形成正向地或负向地界定的瓣(lobes)。因此，要清楚地理解的是，“串滴光学件”只是可以被用在本发明的实施方案中的一种类型的光学件。在图7-11b的图示说明的实施方案中，所述瓣被正向地界定在光学件22的外表面11上，而光学件22的内表面4基本上仍为半球的。然而，明确地要考虑的是，内表面4的部分也可以是光滑平坦的或瓣形的，以在被界定在外表面11上的折射的瓣形腔之外选择性地提供折射局部表面。
被正向地或负向地界定的瓣的概念可以被展现或界定的一种方式是如果一虚球面被放置到接触折射表面的部分的位置，基本上最偏离所述球面的所述折射表面的该部分限定所述瓣。如果所述瓣是被界定在表面4或11上从而光学件22的光学材料在虚球面一边的所述瓣的体积内延伸，则所述瓣是被正向界定的，或者如果所述瓣是被界定到表面4或11内从而空的空间或腔将被界定到在虚球面一边的光学件22的光学材料中，则所述瓣是被负向界定的。因此，必须要理解的是，瓣可以在多个位置上并且以在多个方向上延伸的方式局部地被成形在光学件22的内表面或外表面4、11上或者内表面或外表面4、11内。瓣形光学件的设计被进一步公开在2007年2月26日递交的共同待审的申请No.11/711,218中，该申请被转让给与本申请相同的受让人，该共同待审的申请通过引用被并入文本。
在第二实施方案中，反射器16同样在由内表面4界定的腔中被完全地容置于光学件22之内。反射器16被一体地提供有向后延伸的基座凸缘24。如在图8中可见的，基座凸缘24平直地配接到被界定在表面4中的肩26上，所述基座凸缘24起到将反射器16定位和定向到设计的结构中这两个作用。在该实施方案中，在光学件22的冠部中不存在凹口，也不存在从反射器16延伸的柱。凸缘24从反射器16一体地向后延伸，以邻近铆钉柱30齐平地固定到光学件22的肩26上。铆钉柱30在装配期间被热嵌合以在凸缘24的底部表面上软化和变形，来有效地形成铆钉柱头部，所述铆钉柱头部通过凸缘24和配接肩26将反射器16固定到为其所界定的位置和定向上。
图9a-11b图示说明各种实施方案，其中照明模式的光束发散是变化的。图9a和9b的实施方案限定图7和8中所示的类型的设备10，其中由表面4和11以及反射器16生成的方向角光束发散包括大约120°的方向角。地面上的照明模式的方向角发散无需是准确的120°，而是可以从该标准的方向角发散变化±15°或更多。在如通过图9b的剖面C-C可见的图9a的顶部剖视图中，虚光束发散边缘32被示出从光源12的中心延伸、接触反射器16的反射表面3的前尽头(extremity)以形成发散角，所述发散角被示出为大约120°。明显地，反射器16的轮廓在垂直轴上无需是一致的，从而来自光源12的区2的更大或更小的角度段可以入射到反射表面3。
图10a和10b的实施方案限定图7和8中所示的类型的设备10，其中由表面4和11以及反射器16生成的方向角光束发散包括大约180°的方位角。同样，地面上的照明模式的方向角发散无需是准确的180°，而是可以从该标准的方向角发散变化±15°或更多。在如通过图10b的剖面A-A可见的图10a的顶部剖视图中，虚光束发散边缘32被示出从光源12的中心延伸、接触反射器16的反射表面3的前尽头以形成发散角，所述发散角被示出为具有180°的数量级，或者在图示说明的实施方案中，稍稍超过180°。在包括设备10的光源的期望应用中，其将被安装在杆(pole)或灯具上，所述杆或灯具从其所安装到的建筑物延伸远离一段距离，或在街道照明的情况下，远离所述光源所安装到的杆。由于这个原因，地面或街道上的照明模式相对于最低点(nadir)具有大于180°的方位角发散，以包括延伸回所述建筑物或延伸回如图6的等英尺烛光图中所示的路缘的照明模式中的一部分。
以相同的方式，如图9a、9b、11a和11b的那些实施方案的其他实施方案可以从公称设计的方位角发散被增加或减少。同样，反射器16的轮廓在垂直轴上无需是一致的，从而来自光源12的区2的更大或更小的角度段可以入射到反射表面3，并且该方位角光束发散可以为相对光学件22底座的垂直距离的选择性地选择的函数。
图11a和11b的实施方案限定图7和8中所示的类型的设备10，其中由表面4和11以及反射器16生成的方向角光束发散包括大约270°的方位角。同样，地面上的照明模式的方向角发散无需是准确的270°，而是可以从该标准的方向角发散变化±15°或更多。在如通过图11b的剖面B-B可见的图11a的顶部剖视图中，虚光束发散边缘32被示出从光源12的中心延伸、接触反射器16的反射表面3的前尽头以形成发散角，所述发散角被示出为大约270°。再者，反射器16的轮廓在垂直轴上无需是一致的，从而来自光源12的区2的更大或更小的角度段可以入射到反射表面3，并且该方位角光束发散可以为相对光学件22底座的垂直距离的选择性地选择的函数。在图示说明的实施方案中，图11a和11b的反射器16是马鞍形反射器，所述马鞍形反射器具有如在图11b中的虚线轮廓可见的沿其垂直轴界定的面向光源12的凹面，以及如在图11a中的剖面B-B中可见的沿其水平轴界定的面向光源12的凸面。
以如图9a-11b中图示说明相同的方式，实施方案可以根据本发明的教导被提供，来提供这样的设备10，所述设备10具有大约90°±15°或更多的方位角光束发散，或者根据应用可能需要的任何其他角度发散。
图12图示说明一种应用，其中这样变化的光束发散设备10可以有益地被采用。L形建筑物34的占地被示出。在建筑物周边或占地照明的不同点具有不同方位角发散是需要的，以提供有效率且有效益的地面照明。例如，在内侧角落36处，90°设备10可以有效地以使消耗在无照明需求的墙壁或屋顶的部分上的浪费的光能量最小的方式照明邻近的地面。外侧角落38和40有益地采用具有270°发散的设备10，来同样以使投射到无需照明的墙壁或其他表面的浪费的光能量最小的方式，覆盖所述建筑物的这些角落近侧的地面区域。沿建筑物34的长平坦壁的位置42处可以具有门或通道，位置42被有益地提供有具有180°光束发散的设备10，其中浪费的照明能量也是最小的。与图12的实施方案相比，在这些相同的点使用常规的360°照明灯具，几乎两个附加的光源的能量通过被引导至照明无法有效利用的表面上而被浪费。使用导向器具或角形物来实现图12的模式分布是如此的复杂或昂贵，以致一般而言是不切实际的并且没有这方面的尝试来基本上仅将来自源的光的全部引导至恰好需要光的那些区域。因此，可以理解的是，包括在本发明中的阵列60或光源62的LED的数目还可以是变化的，以匹配光束发散，从而地面上的光强度或能量针对每个实施方案都是一致的。换言之，位置36处的90°照明可以具有点38和40处的270°照明的LED数目的三分之一的LED，并且是用于位置42处的180°照明的LED数目的一半。来自每一点处的地面上的光强度模式可以是相似的或相等的，只是能量将由用于每一位置的光源提供以有效地匹配其所期望被使用的应用。
在第一实施方案中，位置40以立体轮廓被图示说明为具有理想化的四分之三或270°的圆形地面模式。可选的用于瓣形设备10的矩形地面模式在图12中以虚线图示说明。换言之，用在位置40处的设备10可以包括可以具有被界定在光学件22的内表面和或外表面内的三个瓣的光学件22，以提供三角的或270°矩形地面模式。所述瓣可以被界定在内表面4内，并且包括一个在中心线上对准反射器16的瓣以及两个位于垂直所述中心线的线上的对称设置的侧瓣。尽管内表面4和反射器16的形状可以在方向角上可以是非对称的，设备10可以具有横穿中心线平面的反射器对称性。
下面的表1概述上面所描述的(包括其他方式)建筑上的光束发散，但不以任何方式穷尽可以被采用的本发明中的实施方案。
包括设备10的阵列60和光源62的图示说明在图14和15中被示出。如在图14所示的一个实施方案中所描绘的，多个这样的阵列60(每个被提供有多个被定向的设备10)被装配到灯具或光源62中。附加的传统散热部件可以被包括并且热耦合到被包括在阵列60和光源1中的电路板。在本发明的一个实施方案中，多个光学件22被保留为裸露于环境，以避免由任何保护性透明覆盖物的环境因素导致的退化或模糊将会造成的光学性能随着时间的任何损失或变差。然而，在本发明的范围内的是，可以包括罩体、面板(bezel)或其他覆盖物。如上面结合阵列60的装配所描述的，设备10的密封和防风雨性允许光学件22(连同光学件22的裸露的外表面11的摆脱灰尘、污物和碎屑的光滑形状)对环境裸露的可能性。光源62则又耦合到杆或其他安装结构，以起到路灯或街灯或用于目标表面的其他类型的照明设备的作用。
照明器具62的装配的理想化流程图在图16中被图示说明。在步骤66被提供的反射器16在步骤68中被安装和排列到在步骤64被提供的光学件22中。光源12在步骤70中被提供并且在步骤72中被调准、安装到印刷电路板上或印刷电路板中，并且电气地调准、安装到相应的驱动器和配线。来自步骤68的光学件/反射器16、22随后在步骤74中被调准和安装到印刷电路板上，以形成部分完成的阵列60。然后，在步骤76中，出于防风雨和机械完整性目的，阵列60被最后处理或密封。在步骤78中，完成的阵列60然后被安装到照明器具62中或照明器具62上并被接线到照明器具62中。
本领域普通技术人员可以进行许多变通和修饰，而不偏离本发明的精神和范围。因此，必须要理解的是，上述图示说明的实施方案已经仅仅出于提供实施例的目的被阐述，并且不应像所附的权利要求书的限定那样限制本发明。
例如，尽管事实是权利要求的要素以特定的结合方式在权利要求书中被阐述，必须要明确地理解的是，本发明可以包括更多、更少或不同要素的其他结合方式，即使初始地不是以这样的结合方式要求保护的，这些结合方式都在上面进行了公开。两个要素以被要求保护的结合方式结合的教导要进一步被理解为也允许这样的要求保护的结合，其中所述两个要素不是相互结合的，而是可以单独使用或以其他结合方式进行结合。
为描述本发明及其各种实施方案，在本说明书中所使用的词语要被理解为不是仅就其普遍被定义的含义而言，而是包括通过本说明书的结构、材料或作用的特殊定义而超过普遍被定义的含义范围。因此，如果本说明书的内容中的要素可以被理解为包括多于一种含义，则其在权利要求中的使用必须被理解为对由本说明书和该词语本身支持的所有可能的含义是通用的。
因此，所附的权利要求的词语或要素的定义在本说明书中被限定，以不仅包括文字阐述的要素的结合，而且包括用于以基本上相同的方式执行基本上相同的功能来获得基本上相同的结果的所有等同的结构、材料或作用。因此在这种情况下，要考虑的是，可以针对所附的权利要求书中的要素的任一个，进行两个或更多个要素的等同替换，或者可以以单一要素替换权利要求中的两个或更多个要素。尽管要素可以在上面以在特定的结合方式中发挥作用的方式被描述并且甚至初始地这样地要求保护，明确地要理解的是，来自要求保护的结合方式的一个或更多个要素在一些情况下可以从被要求保护的结合方式中被去除，并且要求保护的结合方式可以设计子结合或子结合的变体。
本领域普通技术人员在看到要求保护的主题内容时当下已知或随后设想出的可能的非实质性变化都被明确地考虑为以等同的方式落入权利要求书的范围。因此，本领域普通技术人员当下或随后知晓的明显的替换被限定为在所限定要素的范围内。
因此，权利要求书要被理解为包括上面详细地图示说明和描述的内容、在概念上是等同的内容、可以明显被替换的内容以及在本质上包括了本发明的本质思想的内容。

Claims (17)

1.一种照明系统(10)，所述照明系统(10)包括：
发光二极管LED，所述LED被邻近底座设置；
光学件(22)，所述光学件(22)被邻近所述底座设置并且包括界定面向所述LED的腔的内表面(4)；以及
反射器(16)，所述反射器(16)被安置来接收来自所述LED的光并且引导接收的光通过所述光学件(22)，
其中所述光学件(22)包括热嵌合的铆钉柱(30)，并且
其中所述热嵌合的铆钉柱(30)被热嵌合来在所述反射器(16)的凸缘(24)的底部表面上变形，以致所述反射器(16)被耦合到所述光学件(22)。
2.如权利要求1所述的照明系统(10)，其中所述光学件(22)包括肩(26)，并且其中所述热嵌合的铆钉柱(30)将所述反射器(16)的所述凸缘(24)保持在所述光学件(22)的所述肩(26)上。
3.如权利要求1所述的照明系统(10)，其中所述LED的垂直轴(17)远离所述底座伸出，
其中所述LED和所述反射器(16)的反射表面(3)被设置在所述腔中，所述反射表面(3)被设置在所述垂直轴(17)的第一横向侧；并且
其中所述反射表面(3)被定向来形成光束(9，13)，所述光束(9，13)发送通过所述腔并且入射在所述内表面(4)的被设置在与所述垂直轴(17)的所述第一横向侧相对的所述垂直轴(17)的第二横向侧的部分上。
4.如权利要求3所述的照明系统(10)，其中所述内表面(4)的所述部分可操作来将所述入射光束(9，13)朝向所述光学件(22)的与所述内表面(4)相对的光滑外表面(11)折射。
5.如权利要求3所述的照明系统(10)，其中所述LED被定向来朝向所述内表面(4)的所述部分发射光线(7，8)，所述光线(7，8)与所述入射光束(9，13)的光线汇合。
6.如权利要求3所述的照明系统(10)，其中所述LED可操作来将光(7，8)发射到所述内表面(4)的所述部分上，
其中所述入射光束(9，13)和发射的光(7，8)以汇合的方式照明所述内表面(4)的所述部分，并且
其中所述内表面(4)使所述入射光束(9，13)和所述发射的光(7，8)中的每个折射。
7.如权利要求1所述的照明系统(10)，其中所述LED包括LED封装(1)，所述LED封装(1)包括顶(14)，所述顶(14)与所述内表面(4)以空气间隙分离，
其中所述底座包括基本上平坦的表面，
其中所述光学件(22)包括光学材料，并且
其中所述反射器(16)包括反射镜。
8.一种照明系统(10)，所述照明系统(10)包括：
光学件(22)，所述光学件(22)包括：
内表面(4)，所述内表面(4)界定腔并且包括所述内表面(4)的部分；以及
外表面(11)，所述外表面(11)与所述内表面(4)相对；
LED，所述LED基本上被设置在所述腔中并且具有延伸通过所述内表面(4)和所述外表面(11)的垂直轴(17)，其中虚垂直平面包括所述垂直轴(17)，所述内表面(4)的所述部分被设置在所述虚垂直平面的第一侧；以及
反射器(16)，所述反射器(16)在所述虚垂直平面的第二侧被设置在所述腔中并且被定向来反射由所述LED发射的光(9，13)，从而基本上所有反射的光(9，13)在所述腔中朝向所述内表面(4)的所述部分传播时与所述虚垂直平面相交；
其中所述光学件(22)包括热嵌合的铆钉柱(30)，并且其中所述热嵌合的铆钉柱(30)被热嵌合来在所述反射器(16)的凸缘(24)的底部表面上变形，以致所述反射器(16)被耦合到所述光学件(22)。
9.如权利要求8所述的照明系统(10)，其中所述外表面(11)基本上是半球的。
10.如权利要求8所述的照明系统(10)，其中所述内表面(4)的所述部分操作来使所述反射的光(9，13)折射以透射通过所述外表面(11)。
11.如权利要求8所述的照明系统(10)，其中所述LED操作来朝向所述内表面(4)的所述部分发射第二光(7，8)。
12.如权利要求8所述的照明系统(10)，其中所述反射器(16)包括反射镜，
其中所述光学件(22)由光学材料构成，并且
其中所述LED包括LED封装(1)。
13.如权利要求8所述的照明系统(10)，其中所述LED被定向来将第二光(7，8)发射到被设置在所述虚垂直平面的所述第一侧的所述腔中，从而所述第二光(7，8)与所述反射的光(9，13)在所述内表面(4)的所述部分汇合。
14.一种照明系统(10)，所述照明系统(10)包括：
光学件(22)，所述光学件(22)包括：
内表面(4)，所述内表面(4)形成腔；以及
外表面(11)，所述外表面(11)与所述内表面(4)相对；
LED封装(1)，所述LED封装(1)包括顶(14)，所述顶(14)被设置在所述腔中，所述顶(14)和所述内表面(4)之间具有空气间隙；以及
反射器(16)，所述反射器(16)被设置在所述腔中并且定向来将从所述顶(14)发射、入射在所述反射器(16)上的基本上所有光线(9，13)重新引导至所述内表面(4)上；
其中所述光学件(22)包括热嵌合的铆钉柱(30)，所述热嵌合的铆钉柱(30)被热嵌合来在所述反射器(16)的凸缘(24)的底部表面上变形，以致所述反射器(16)被耦合到所述光学件(22)。
15.如权利要求14所述的照明系统(10)，其中所述反射器(16)操作来形成所述重新引导的光线(9，13)的光束。
16.如权利要求14所述的照明系统(10)，其中所述反射器(16)操作来形成所述重新引导的光线(9，13)的光束，所述光束横过所述腔中的所述LED封装(1)的垂直轴(17)发送。
17.如权利要求14所述的照明系统(10)，其中所述反射器(16)可操作来将所述入射在所述反射器(16)上的基本上所有光线(9，13)形成光束，所述光束在通过所述外表面(11)离开所述光学件(22)之前与从所述顶(14)发射的其他光线(7，8)汇合。
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