專利名稱：用于照明目標平面的led照明設備的制作方法
用于照明目標平面的LED照明設備相關申請的參考本申請是2008年1月28日提交的共同未決的第12/021，262號美國專利申請的 部分接續(xù)申請，該共同未決的第12/021,262號美國專利申請又是2007年7月16日提交的 共同未決的第11/778，502號美國專利申請的部分接續(xù)申請，將每個申請的全部內(nèi)容結合 于此作為參考。
背景技術：
當照明停車場、街道、建筑物內(nèi)部、或其它大區(qū)域時，時常期望在目標區(qū)域上提供 大體上均勻的照度。停車場、街道、以及建筑物的設計者通常指定整個目標區(qū)域所需的最小 照度(每平方英尺或平方米的流明)。目標區(qū)域上超過指定最小值的位置處的照度被認為 是浪費的照度。期望改變被引導朝向超過最小照度的區(qū)域的光的方向以減少將整個目標區(qū) 域照明到期望等級所需的能量的量。照度與點光源和將要被照明的平面上的點(即，目標區(qū)域上的點)之間的距離的 平方成反比。表面上的照度隨著入射角的余弦而變化。合并這兩個定律得到余弦立方定律。 根據(jù)該定律，對于置于目標平面上方距離d(英尺或米)處的光源，與垂直軸偏離60°方向 上的發(fā)光亮度必須是垂直軸方向上的發(fā)光亮度的八倍，以在平面上的各個位置處提供相同 的照度。已知的光源(例如，白熾燈和弧光型燈)通過設計將更多的光引導朝向目標區(qū)域 的邊緣的反射器來解決該問題。通過假定白熾光源或弧光型光源為點光源然后合適地形成 反射器來調(diào)節(jié)該點光源和目標平面上的期望結果而完成該設計。另一方面，發(fā)光二極管(“LED”)典型地功率不足以使單個LED(類似于白熾燈和 弧光型燈可用作點光源)在大的目標區(qū)域上提供足夠的照度。尤其在LED位于目標平面上 方幾英尺或米的情況下。而且，LED通常不以諸如白熾燈和弧光型燈的球形形狀發(fā)射光，因 此難以設計合適的反射器。為了向目標區(qū)域提供足夠的照度，需要多個LED來提供足夠的流明量以提供滿足 目標平面的工程規(guī)范的最小照度。LED典型地安裝在印制電路板(“PCB”)上。當PCB上 設置的LED數(shù)量變得太多時，聚集的多個LED不再用作單一的點光源。鑒于此，已知的是為 每個LED提供單獨的折射或反射的光學器件來改變從每個LED發(fā)出的光的方向。為每個 LED提供單獨的光學器件是昂貴的，且還使組件的設計困難，尤其是期望提供易于調(diào)整或修 改的燈組件使其能夠用于各種不同應用的情況。此外，滿足照度規(guī)范所需的LED的數(shù)量和 相鄰LED之間所需的間隔可導致非常大的燈組件。

發(fā)明內(nèi)容
克服上述缺點的照明設備包括多個LED和相對于多個LED布置以改變從LED向目 標平面發(fā)出的光的方向的光學器件。每個LED的中心沿有界平面的周界定位并且與和該有 界平面共面的LED曲線相交。該光學器件包括與LED曲線偏離的光重定向表面。光重定向 表面與每個LED配合并且被形成(shape)為在與目標平面的垂直線偏離小于90°角的方向上改變從LED曲線發(fā)出的光的方向。一種用于設計照明設備以照明目標平面的方法包括以下步驟確定目標平面上各位置處的期望亮度；確定目標平面至照明設備的距離d ；在照明設備內(nèi)設置多個LED ；沿至 少一條LED曲線分布多個LED;以及定位與至少一條LED曲線分開的光重定向表面以與多 個LED中的每一個配合。沿垂直于目標平面的軸A測量距離d。LED提供用于照明目標平 面區(qū)域的流明源。至少一條LED曲線位于平面中。光重定向表面被形成為改變從至少一條 LED曲線朝向目標平面發(fā)出的光的方向。


圖1是LED照明設備的平面圖。圖2是安裝到燈桿上并照明目標平面的圖1的照明設備的示意性繪圖。圖3是圖1所示照明設備的下側的透視圖。圖4是與LED所在平面垂直截取的圖1所示的照明設備的一部分的截面視圖。圖5是LED照明設備的另一個實施例的透視圖。圖6是與LED所在平面垂直截取的圖5示出的LED照明設備的反射器的截面視圖。圖7是描述一種用于設計照明目標平面的照明設備的方法的流程圖。圖8是示出目標平面的一個區(qū)域的亮度分布曲線的圖。圖9是LED照明設備的可替換實施例的透視圖。圖10是圖9所示的LED照明設備的平面圖。圖11是沿圖10中的線11-11截取的截面圖。圖IlA是圖9所示的LED照明設備一側的一部分的特寫截面視圖。圖12是用于圖9所示的照明設備的LED照明設備燈組件的分解圖。圖13是用于圖12所示的LED照明設備的透鏡的透視圖。圖14是LED照明設備的另一個實施例的透視圖。
具體實施例方式參考圖1，照明設備10包括多個發(fā)光二極管(LED) 12和與LED配合來照明目標平 面TP(圖2)的光學器件14。在圖2中示意性描述了安裝在目標平面上方的立柱頂上的照 明設備10。參考圖2，照明設備10配置成安裝到燈桿P上，且照明由停車場、街道、道路、樓 梯、運動場或其它大的區(qū)域的一部分所組成的目標平面TP。再次參考圖1，在所描述的實施 例中，LED 12安裝在平坦的支撐件上，在所描述的實施例中該平坦的支撐件是包括用于將 電能傳輸?shù)絃ED的電路(未示出)的印刷電路板(“PCB”)16。PCB 16連接至電源(圖1 中未示出)以接收電能。LED 12、光學器件14和PCB16可安裝在固定框架中，并且被透明 的或半透明的外罩和/或透鏡覆蓋(圖1中未示出)。參考圖2，照明設備10 (示意性示出)安裝在燈桿P上，并且燈桿大體定義了一垂 直軸，該垂直軸將被稱作桿軸PA。照明設備10也可以安裝在目標平面的下方，例如目標平 面為天花板的情況。在這種情況下，或者在沒有設置桿的情況下，垂直軸是大體位于照明設 備10的中心且與目標平面TP垂直的軸。如上所述，由于照度與點光源和將被照明的表面 上的點之間的距離的平方乘以該點處入射角的余弦值的乘積成反比，則來自點光源的以例如60°角度方向偏離桿軸PA的發(fā)光亮度一定是垂直方向的流明輸出的八倍，以在目標平面上光源正下方的位置處提供與在目標平面上偏離燈桿60 °的位置處相同的照度。在照明 設備10在目標平面TP上方(或者下方)足夠遠的距離的情形下，可以將照明設備假定為 點光源。照明設備10可配置為提供遠離垂直軸(即，桿軸PA)的更強的發(fā)光亮度輸出，以 為整個目標平面TP提供更均勻的照度。同時，照明設備10可被設計成工作在其中多個照 明設備安裝在多根桿上且照明設備互相配合來為整個目標平面提供大體上均勻的照度的 照明系統(tǒng)中。再次參考圖1，LED 12位于PCB 16上，以使LED的中心沿有界平面18的周界定 位。在所描述的實施例中，LED 12相對于光學器件14不是沿直線設置。LED 12的中心還 與和有界平面共面的LED曲線26相交。在所描述的實施例中，LED 12還面向目標平面TP。 換言之，PCB 16設置為基本上平行于目標平面TP，LED 12安裝在PCB的面向(最接近)目 標平面的表面上，并且每個LED的軸向角度(on-axis view)垂直于目標平面TP。軸向角度 由與其中LED發(fā)光表面(典型為LED芯片)所在的平面(在所描述的實施例中其與有界平 面18平行)垂直的軸限定。軸向角度相對于LED的光源(如，芯片)來定中心。在圖1 圖4所描述的實施例中，光學器件14是具有光重定向表面22(圖3)的 反射器，該光重定向表面是與LED 12配合來改變從LED向目標平面TP發(fā)出的光的方向的 反射表面。如果合適，可以采用折射光學器件。反射表面22大體上沿著LED曲線26，并離 開PCB 16以及有界平面18延伸。參考圖4，描述了示出反射器曲面28的反射表面22的截面。該截面的平面是在沿 反射表面上截取該截面的位置處垂直于有界平面18且垂直于反射表面22截取的。反射器 曲面28是非線性函數(shù)。圖4僅示出了一個截面，反射器曲面28的形狀可根據(jù)穿過反射表 面22截取的截面的位置而變化。由于LED 12沿LED曲線26分開，并且LED向各個方向發(fā) 光，所以反射器曲面28被形成為反射從LED曲線26上的光源發(fā)出的光，S卩，LED不需要位于 穿過反射器截取的每一個截面上。反射器曲面28被形成為將來自LED曲線26的光改變到 與目標平面的垂直線偏離小于90°的角度α的方向上。反射器曲面28可以是圓錐形，其 中LED曲線26上的相應點為圓錐的焦點。也可將LED曲線26從反射器曲面的焦點移開。反射表面22被形成為將源自LED曲線26的反射光的方向改變到目標平面上的期 望位置。在圖4中，反射器曲面28是產(chǎn)生以角度α重定向的準直光線的拋物面。角度α 典型地是在需要最大量的發(fā)光亮度來向目標平面提供期望照度的情況下的入射角。穿過照 明設備10的每個截面還限定了一開口，該開口由源于LED曲線26的開口角β限定，其中 直射(非反射)光線從照明設備射出。開口角β決定了光束形狀的寬度或掃幅(swath)， 下面將參考照明設備的另一個實施例來對其進行更詳細地描述。圖1 圖4描述了包括沿單條LED曲線設置并與單個光重定向表面配合的LED的 照明設備。在可替換的實施例中，單條LED曲線可與兩個光重定向表面配合，例如在LED曲 線的每一側上有一個光重定向表面。下面將更詳細地描述這樣的實施例。在需要許多個LED 來滿足目標表面上的期望照度的情形下，容納所有LED的單條LED曲線會導致非常大的照 明設備。在這樣的情況下，期望以其中利用了多于一條的LED曲線的組的方式來設置LED。 在該實例中，每條LED曲線與至少一個相應的光重定向表面配合。參照圖5，示出了能夠在整個目標表面或目標平面上提供均勻照度的照明設備110的另一個示例。該照明設備還用于將光輸出按照需要引向目標平面中的特定位置，而 不需要由其自身在目標平面TP上產(chǎn)生均勻照度。該實施例中的照明設備110還包括多個 LED和至少一個光學器件，在該實施例中光學器件為與LED配合來照明目標平面TP(圖2) 的反射器組件114。與參考圖1 圖4所描述的照明設備10相似，該照明設備110可安裝 到燈桿上來照明目標平面。再次參考圖5，至少一些LED位于PCB 116上，以使LED的中心 形成有界平面的周界。PCB 116連接至電源(圖5中未示出)以接收電能。LED、至少一個 光學器件和PCB 116可安裝在固定框架(未示出)中，且被半透明外罩和/或透鏡(未示 出)覆蓋。在該實施例中，LED面向目標平面TP。PCB 116設置成基本上平行于目標平面 TP，LED安裝在PCB的面向(最接近)目標平面的表面上，并且每個LED的軸向角度垂直于目標平面TP。
對于圖5所示的實施例，更具體地，LED位于PCB 116上，以使LED的中心沿有界 平面的周界定位。外部(第一)LED 122沿外部(第一)有界平面124的周界定位，且形成 與外部有界平面共面(且在該實施例中重合)的外部(第一)LED曲線126。中部(第二) LED 128沿中部(第二)有界平面132的周界定位，且形成與中部有界平面共面(且在該實 施例中重合)的中部(第二)LED曲線134。中部有界平面132與外部有界平面124共面。 在該實施例中，LED曲線是同心圓。還是在該實施例中，中心LED陣列136安裝在PCB 116 上，且與有界平面124和132共面。圖5和圖6中示出的反射器組件114安裝在PCB 116上。在所示出的實施例中， LED均面向目標平面TP以引導光大體朝向目標平面。因此，每個LED的軸向角度垂直于目 標平面。LED安裝在PCB 116的平坦的安裝表面上。如圖6中更清楚地看到的，反射器組件 114的光重定向表面均終止于基本上平行于PCB 116和有界平面的平面內(nèi)。LED曲線126和134還可被定位成形成其它的形狀，特別是在反射器可以采用除圓 形之外的構造的情況下。例如，在反射器組件114的反射表面采用多邊形構造的情形下，可 將LED設置成同樣的多邊形構造。這可以是其中多邊形構造為帶有多條邊的規(guī)則多邊形構 造的情況，以使多邊形開始近似于多邊形內(nèi)切圓的尺寸。照明設備110 (和照明設備10)的設計是可擴展的。如果目標平面TP需要更多的 光亮度，則將更多的LED(或更高功率的LED)添加到照明設備110。通過使用反射器并以 環(huán)或曲線設置LED，LED的附加環(huán)或曲線可用于照明需要更多流明輸出的目標平面的部分， 以在整個目標平面產(chǎn)生期望的照度或在整個目標平面上保持均勻的照度。如果目標平面的 外部邊緣需要更多的光亮度，那么將附加的LED環(huán)或曲線和附加的反射器添加到照明設備 110。除了可擴展之外，照明設備110還可設計成提供除圓形之外形狀的光束形狀。例 如，照明設備110可以被(例如，在圖6的軸VA處)切成一半而提供半圓形的光束形狀(參 見與圖14相關聯(lián)的論述)。反射器也可采用可替換的構造來提供長方形或正方形的光束形 狀。在圖5中示出的至少一個光學器件是具有多個光重定向表面的反射器組件，該光 重定向表面是與LED配合來改變從LED向目標平面TP發(fā)出的光的方向的反射表面。外部 LED 122與第一外部反射表面140和第二外部反射表面142配合。第一外部反射表面140 徑向位于第二外部反射面142的外部。中部LED 128與第一中部反射表面146和第二中部反射表面148配合。第一中部反射表面146徑向位于第二中部反射表面148的外部。中心 LED陣列136與中心反射表面152配合。
參考圖6，反射表面形成在截取該截面的位置處垂直于有界平面126和134且垂直 于反射表面截取的截面中，以均形成曲面。典型地，穿過這些截面的反射表面的形狀是具有 相應LED曲線的圓錐曲線，該相應LED曲線在該截面中是位于圓錐曲線的焦點處的點。相應 LED曲線還可以不位于相對于圓錐曲線的焦點上。相應反射表面的截面部分被形成為將從 相應LED曲線上的光源(圖6中描述為點)發(fā)出的光在與目標平面的垂直線偏離小于90° 角的角度α的方向上反射。角偏離是在照明設備的垂直軸VA(典型地平行于桿軸PA)與 從相應的反射表面反射的光的角度之間測得的內(nèi)角。再次參考圖6，該實施例中的每條LED曲線以及各曲線上的每個LED，對于外部LED 曲線126來說，從中心點CP(與照明設備的中心軸CA相交)分開距離rl，而對于中部LED曲 線134來說則分開距離r2。外部LED曲線126與兩個外部反射表面140和142配合，以在 與目標平面的垂直線偏離的角度的方向上改變從外部LED曲線142上的光源發(fā)出的光的方 向。在圖6所示的實施例中，配合外部LED曲線126 (注意在假定組成LED曲線126的LED 可用作連續(xù)的光源情況下，設計者可操作)的反射表面140和142在相同的常用方向上改 變光的方向。例如，第一外部反射表面140以偏離垂直軸角度Ci1的方向引導光，并且第二 反射表面142以偏離垂直軸角度α 2的方向引導光，其中0.85α 2 < α < 1. 15α20然而， 反射表面不需要都指向相同的常用方向。來自外部LED 122 (圖5)的光線也可從照明設備110出射而不被外部反射表面 140和142改變方向。來自外部LED曲線126的直射光經(jīng)由開口(由源于外部LED曲線126 的開口角P1限定)從照明設備110中射出。再次參考圖6，中部LED曲線134與兩個中部反射表面146和148配合，來在與目 標平面的垂直線偏離的方向上改變從中部LED曲線上的光源發(fā)出的光的方向。在圖6所 示的實施例中，與中部LED曲線134配合的反射表面146和148也在相同的常用方向上改 變光的方向，即，第一中部反射表面146以偏離垂直軸角度α 3的方向引導光，并且第二中 部反射表面148以偏離垂直軸角度04的方向引導光。這些角度可以大約相等，如0.85 Ci4 < α3< 1. 15α40來自中部LED128 (圖5)的光線也可從照明設備110射出，而不被中部反 射表面146和148改變方向。來自中部LED曲線134的直射光經(jīng)由開口(由源于中部LED 曲線134的開口角β2限定)從照明設備110中射出。除了 LED曲線126和134之外，中心LED陣列136被設置且與中心反射表面152 配合來引導與LED曲線相比更靠近軸VA的光。直射光(即，沒有被中心反射表面152改變 方向的光)還可沖擊到目標平面中軸VA附近的區(qū)域。照明設備110可以以以下方式設計，這決定反射表面和LED曲線的形狀及LED曲 線上的LED的位置和數(shù)量。盡管以邏輯次序依次描述了圖7所示框圖中的每個框，但這并 不被認為所述的過程需要以任何特定的次序和排列執(zhí)行。在160中，確定將被照明的目標平面區(qū)域的形狀和表面面積。比如，此區(qū)域可以是 圓形、正方形、長方形或橢圓形等。在162中，相對于將被照明的區(qū)域確定照明設備的位置。 通常，相對于區(qū)域的至少一條對稱軸將照明設備置于中心是有幫助的。還確定照明設備與 目標平面(垂直目標平面測量)偏離的距離d(典型為高度)。
在164中，確定區(qū)域中各位置的期望照度。如果只使用一個照明設備來照明該區(qū) 域，期望試圖在區(qū)域中的各個點(或位置)具有大體為常數(shù)的照度，即，區(qū)域內(nèi)所有或幾乎 所有點以大約例如llm/m2或1英尺坎德拉來照明。如果使用多于一個的照明設備來照明該 區(qū)域，則期望將多個照明設備中的每一個貢獻的照度聚集，并為區(qū)域上的每個位置加上來 自每個照明設備的貢獻。在這種情況下，在區(qū)域中的不同位置處來自一個照明設備的照度 是不相同的，例如，一個照明設備在一位置處能提供0. 251m/m2，而第二照明設備在同一位 置能提供0.751m/m2，總共為llm/m2。通過知道區(qū)域中各個位置處的期望照度，可為區(qū)域產(chǎn) 生表面圖，其中χ和y坐標指的是將被照明的區(qū)域中的位置，ζ坐標指的是區(qū)域上的該點的 照度等級。當使用多于一個的照明設備來照明區(qū)域時，圖上的ζ坐標可進一步分成來自照 明區(qū)域所使用的每個照明設備的各貢獻。知道了距離d和圖上將被照明設備照明的各個位 置處的期望照度，通過穿過垂直于目標平面的區(qū)域截取截面并與照明設備的桿軸(桿軸靠 近或非?？拷c照明設備相交的軸并且垂直于目標平面)相交，可為每個照明設備產(chǎn)生亮 度分布曲線。繪制亮度分布曲線，其中χ軸是從照明設備到區(qū)域中的該位置的入射角θ，而 y軸是在入射角度方向被引導以在區(qū)域中的該位置處產(chǎn)生期望照度的發(fā)光亮度(cd)。這基 于等式E = I*cos3 θ/d2，其中d是照明設備到目標平面的垂直距離，以及θ是入射角。圖 8示出了亮度分布曲線的示例。再次參考圖7，在166中，確定LED的數(shù)量和功率，以產(chǎn)生期望的發(fā)光亮度，從而符 合(或近似符合)為該區(qū)域產(chǎn)生的亮度分布曲線所需的最大發(fā)光亮度。在168中，LED沿將限定上述LED曲線的曲線定位。在172中，LED和與之配合的 光學器件被形成為使得光重定向表面引導其中需要其符合或接近照明標準的光。使光學表 面和LED曲線的形狀接近于將被照明的區(qū)域的形狀是容易的。這產(chǎn)生不包括在方向上急劇 變化(如拐點)的LED曲線。如果產(chǎn)生期望的發(fā)光亮度所需要的大量LED會導致一條LED 曲線，其導致用于LED的支持表面太大，例如，將會導致非常大的燈組件，那么期望的是提 供至少兩條LED曲線，這兩條LED曲線彼此偏離足夠的距離以符合與LED配合的光學表面。 在174中，使用計算機建模，可以修改LED曲線的形狀和反射表面的形狀，以使其盡可能精 確地符合區(qū)域的亮度分布曲線。參考圖8來理解設計照明設備的更具體的示例，圖8示出了其中χ軸是入射角θ、 y軸是以入射角方向引導的發(fā)光亮度的亮度分布曲線。曲線180表示以不同的入射角來照 明目標平面的區(qū)域的截面以在表面圖上的多個位置處提供期望的照度，從而滿足將被照明 的區(qū)域的照明標準所需要的坎德拉。曲線182表示照明設備110的光輸出。在圖8中，很 明顯，產(chǎn)生的亮度曲線182差不多符合期望的亮度曲線180。曲線184描述來自照明設備110中的LED曲線126 (圖6)上的外部LED 122的發(fā) 光亮度。曲線184的峰值(最大值)在大約67°的入射角處。再次參考圖6，這是α工和 %均在大約67°的結果，這導致來自外部LED 122的大部分發(fā)光亮度以約67°被引導。 曲線184在大于67°的入射角處的斜率與期望的亮度曲線180在同樣的入射角處的斜率近 似相當。在坎德拉值大于零處的曲線184的寬度是孔徑角P1(圖6)的函數(shù)，并且在θ = 39到約θ = 51之間的曲線184的平坦區(qū)歸因于來自外部LED 122的非反射光。圖8的曲線188描述了期望的發(fā)光亮度(曲線180)與外部LED122(曲線184處 所描述的)之間的差值。在中部LED曲線134上的中部LED 128產(chǎn)生曲線186處所描述的發(fā)光亮度。曲線186的峰值(最大值)在大約56°入射角處。再次參考圖6，這是α 3和 α 4在大約56°的結果。曲線186在大于56°的入射角處的斜率與曲線188在同樣入射角 處的斜率近似相當。在坎德拉值大于零處的曲線186的寬度是孔徑角β2(圖6)的函數(shù)，且 在θ = 29到約θ = 41之間的曲線186的平坦區(qū)歸因于來自中部LED 128的非反射光。曲線192描述了從曲線188減去來自中部LED 128的光亮度后的光亮度。中心LED 陣列136提供直接垂直射到照明設備110下方的大部分光。在緊隨曲線192的曲線194處 描述了來自中心LED的光亮度。從圖8可以看出，來自LED環(huán)組的光亮度的組合和與各反 射表面配合的照明設備110產(chǎn)生期望的光束形狀(由曲線182表示)，其非常接近在目標平 面的整個區(qū)域的截面中產(chǎn)生期望照度所需要的不同入射角處的坎德拉。這從曲線196可最 好地看出，曲線196是不同入射角(曲線180)處需要的坎德拉與從照明設備110的LED產(chǎn) 生的發(fā)光亮度的組合之間的差值。圖8僅描述了穿過將被照明的目標平面的區(qū)域的一個截面?？墒褂么┻^表面圖的 多個截面來產(chǎn)生多條亮度分布曲線。反射器表面的形狀可配置為提供與期望的亮度分布曲 線最相符的亮度分布曲線，類似于上述所描述的。關于確定穿過多個截面的反射器表面的 形狀，可以設計相鄰截面之間的反射器的形狀以避免方向上的突然變化。圖9披露了能夠產(chǎn)生除圓形之外的光束形狀的照明設備210。照明設備210與上 面所描述的照明設備110類似，因為照明設備210包括與至少一個光學器件配合來產(chǎn)生預 定的光束形狀的LED陣列。照明設備210包括與反射光學器件配合來產(chǎn)生基本上圓形的光 束形狀的LED。照明設備的這部分與上面所描述的照明設備110非常類似。照明設備210 還包括附加的LED，其與附加的反射光學器件配合來在對角方向上引導光以填充圓形光束 形狀周圍的“角”，從而產(chǎn)生基本正方形的光束形狀。從圖9看出，在該實施例中的照明設備210還包括多個LED和至少一個與LED配 合以照明目標平面TP(圖2)的光學器件。該照明設備210也可安裝到燈桿上來照明目標 平面。照明設備210的中心部分與參考圖5和圖6所描述的照明設備110非常相似，因此， 在圖5和圖6中描述照明設備110所使用的參考標號通過增加100來與圖9中所示的照明 設備210的相同部件對應，且不提供對這些部件的進一步描述。除了外部LED 222、中部LED 228和中心LED 236之外，LED260的附加組從外部 LED 222徑向向外設置。參考圖10，LED的附加組還沿著圓形形狀以形成有界平面262的 周界并限定LED曲線264，然而，圓形形狀被截成圓的四個單獨的圓弧，每個圓弧形成相應 的LED曲線。這些LED弧或LED曲線264均與相應截得的環(huán)狀光重定向表面268和272配 合，這些光重定向表面也是可反射的。這些反射表面268和272在平行于有界平面226、232 和262截取的截面上是弧形的，以形成直射光來填入形成在目標平面上的基本上正方形的 光束形狀的“角”的四個弧。這些截得的環(huán)狀反射表面關于中心點CP是同心的，但是如果 期望可采取其他的構造。參考圖11，附加的截得的環(huán)狀反射表面268和272還形成在垂直于有界平面并垂 直于反射表面截取的截面上，以形成為非線性函數(shù)的曲線，在LED曲線264是該截面中的點 并位于圓錐曲線的焦點處的情形下，該非線性函數(shù)典型為圓錐曲線。正如上面描述的完整 的圓環(huán)，LED曲線264也可以不位于相對于圓錐曲線的焦點上。附加的截得的反射表面268 和272被形成為與目標平面的垂直線偏離小于90°角的角度α的方向上反射從LED弧上的光源發(fā)出的光。再次參考圖9，徑向反射表面274從內(nèi)部附加的截得的環(huán)狀反射表面268徑向向外延伸，且從外部附加的截得的環(huán)狀反射表面272向上延伸。徑向反射表面274阻止從附 加的LED 260發(fā)出的光延伸到基本上正方形光束形狀的“角”之外，且被形成為將從附加的 LED曲線264發(fā)出的光朝向基本上正方形光束形狀的“角”引回。徑向反射表面274是彎曲 的(拋物形)。參考圖12，照明設備210包括安裝在印制電路板216上的LED和反射器組件214。 照明設備210還包括散熱片280，其包括多個遠離主平面284延伸且垂直于主平面的冷卻片 282?；?86從主平面284向上延伸，并且在包圍基座286的主平面284中形成填料溝槽 288。填料292填入形成在散熱片280中的填料溝槽288中。透鏡294附至散熱片280且 被護圈296定位。透鏡294配合LED以允許LED產(chǎn)生期望的光束形狀。透鏡294具有較低的側面輪 廓(profile)。透鏡包括與LED 236的中心組配合的中心圓形平面部分300。透鏡的中心 部分300被形成為使得來自LED 236的中心組的光(直射和反射的光)較少或者沒有折射 地穿過中心部分。透鏡294還包括第一(最內(nèi)部的)環(huán)狀部分302，其通常沿著相對于照明設備210 的中心軸CA(圖11)的回轉表面(在通常的徑向方向具有很小的厚度)。參考圖13，中心 部分300轉變?yōu)榈谝画h(huán)狀部分302。從圖11看出，該轉變發(fā)生在中心反射表面252和反射 表面248的最外邊緣接觸到或幾乎接觸到透鏡294的情形下。第一環(huán)狀部分302在穿過中 心軸CA并垂直于有界平面(參見圖11)的平面中所截取的截面中被彎曲，以使第一環(huán)狀部 分的曲線大體上沿著從LED曲線234(在圖11中示為一點)放射的半徑。這允許第一環(huán)狀 部分302基本上垂直于從LED曲線234發(fā)出的非反射光線。第一環(huán)狀部分302還基本上垂 直于遠離反射表面248反射的光線(雖然不如與非反射光線更垂直)。第一環(huán)狀部分302徑向向外轉變到第二環(huán)狀部分304。第二環(huán)狀部分304也沿著相對于照明設備的中心軸回轉的表面(具有小的厚度)。參考圖11A，第二部分304沿著反 射表面246的輪廓線。如圖9中更清楚看到的，圓形邊緣306形成在反射表面246中的反 射器214上，以在其中透鏡從第一環(huán)狀部分302轉變到第二環(huán)狀部分304的情形下容納透 鏡294。邊緣306允許第二環(huán)狀部分304的外表面沿著曲線(在該實施例中，為焦點在LED 曲線234上的圓錐曲線，其中該LED曲線在圖11中描述為點)。這允許外部或暴露的表面 透鏡表面(第二環(huán)狀部分304)不僅沿著反射表面246的輪廓線，還是該表面的擴展。參考 圖11A，反射表面246在邊緣306上呈階梯狀。第二環(huán)狀部分304的外表面繼續(xù)沿著由邊緣 306下面的反射表面246限定的曲線。反射表面246(透鏡內(nèi))和外透鏡表面(第二環(huán)狀部 分304)旨在被設計為用作相同的表面。由于第二環(huán)狀部分304沿反射表面246的輪廓，所 以第二環(huán)狀部分304可以反射穿過第一表面的光線，以使其反射離開第二環(huán)狀部分304，這 是由于來自LED曲線234的入射光線相對于第二環(huán)狀部分304之間成銳角入射角的結果。 穿過第二環(huán)狀部分304的光線可以反射離開反射表面246。在反射表面246和反射表面242的最外邊緣匯合并接觸或幾乎接觸透鏡294 (參 見圖11)的情形下，第二環(huán)狀部分304轉變到第三環(huán)狀部分308。第三環(huán)狀部分308沿著相 對于照明設備的中心軸回轉的表面(具有小的厚度)。第三環(huán)狀部分308在截面中被彎曲(見圖11)以使第三環(huán)狀部分的曲線通常沿著從LED曲線226(在圖11中示為一點)放射 的半徑。這允許第三環(huán)狀部分308基本上垂直于從LED曲線226發(fā)出的非反射光線。第三 環(huán)狀部分308還基本上垂直于遠離反射表面242反射的光線(雖然不如與非反射光線更垂直)。第三環(huán)狀部分308徑向向外延展而轉變到第四環(huán)狀部分312。第四環(huán)狀部分312 也沿著相對于照明設備的中心軸回轉的表面(具有小的厚度)。與第二環(huán)狀部分304相似 (并且與第二環(huán)狀部分的目的相同)，第四環(huán)狀部分312沿著反射表面240的輪廓。如在圖 9中更清楚地看到的，圓形邊緣314形成在反射表面240上的反射器214上，以在透鏡從第 三環(huán)狀部分308 變到第四環(huán)狀部分312的情形下容納透鏡294。參考圖11A，反射表面 240在邊緣314上呈階梯狀。第四環(huán)狀部分312的外表面可用作反射表面。第四環(huán)狀部分 312的外表面繼續(xù)沿著由邊緣314下面的反射表面240限定的曲線。邊緣314允許透鏡表 面(第四環(huán)狀部分312)保持該透鏡表面的外部或暴露的表面，以使其不僅沿反射表面240 的輪廓而且是該表面的擴展。反射表面240 (透鏡內(nèi))和外透鏡表面(第四環(huán)狀部分312) 旨在設計成用作相同的表面。在反射表面240和反射表面268的最外邊緣匯合并接觸或幾乎接觸透鏡294 (參 見圖11)的情形下，第四環(huán)狀部分312轉變到彎曲的外部截得的環(huán)狀(第五)部分316和 基本上平坦的外邊部分318(圖13)。彎曲的外部截得的環(huán)狀部分316在相對于照明設備的 中心軸的環(huán)繞(旋轉)方向上被平坦的外部部分318截斷。盡管回轉平面被從中心軸放射 的并且垂直于LED所在平面的平面截斷，但第五環(huán)狀部分316沿著相對于照明設備的中心 軸回轉(具有小的厚度)的表面。第五環(huán)狀部分316在截面上被彎曲(參見圖11)，以使第 五環(huán)狀部分的曲線大體上沿著從LED曲線264(在圖11中示為一點)放射的半徑。這允許 第五環(huán)狀部分316基本上垂直于從LED曲線264發(fā)出的非反射光線。第五環(huán)狀部分316還 基本上垂直于遠離反射表面268反射的光線(雖然不如與非反射光線更垂直)。第五環(huán)狀部分316徑向向外延展而轉變到沿反射表面272輪廓的第六截得的環(huán)狀 部分322。第六環(huán)狀部分322 (其也被截得)保持該透鏡表面的外部或暴露的表面(第六環(huán) 狀部分322)沿反射表面272，以使第六環(huán)狀部分322的外部表面可用作反射表面。反射表 面272 (透鏡內(nèi))和外部透鏡表面(第六環(huán)狀部分322)旨在被設計為用作相同的表面。徑向部分324將第五環(huán)狀部分316和第六環(huán)狀部分322互連。這些徑向部分沿徑 向反射表面274(參見圖9)的輪廓，并且同樣地大體為拋物線表面。透鏡294還包括大體 上垂直于平坦的外部部分318的周邊部分330。周邊包括能容納通風孔的開口和能容納電 導體以為照明設備210提供電的金屬孔。如上所述，可以修改照明設備而在目標平面上提供不同的光束形狀來照明目標平 面的不同形狀的區(qū)域。參考圖14，外部LED 222和中部LED 228的LED分布與圖9所示的 分布不同，其中圖9所示的分布是用于產(chǎn)生V型的光分布。中心LED 236還可以相對于圖 9所示的中心LED 236重新定位。例如，圖14描述了修改后的圖9的照明設備210，以形成 非對稱的或向前投射的分布，如IV型的光分布，其大體上是相對于照明設備向前投射的矩 形(半圓形)分布形狀。從I型到V型包括IV型的光分布在IESNA光手冊第9版(22. 7 部分，圖22-6)進行了更具體地描述。圖14描述的實施例包括用作防護屏和反射器的光學元件350。光學元件350將由最內(nèi)部反射表面256外切的圓形區(qū)域分割為兩部分，其中在圖14中使用非反射涂層將最 內(nèi)部反射面覆蓋。中心LED236均設置在光學元件350的同一側。附加的反射表面352從 PCB216向上延伸并且在LED 236所在的光學元件的那側上遠離光學元件350。設置兩個反 射表面352以使在大體上平行于光學元件350所在的平面的大體上相反的方向引導從中心 LED 236發(fā)出的光。換句話說，左反射表面(圖14中每個方向)將來自該反射表面左側上 的LED的光的方向向左改變，而右反射表面(圖14中每個方向)將來自該反射表面右側上 的LED的光的方向向右改變。每個反射表面352相對于設置在反射表面下面(圖14所示 的每個方向)的LED而被彎曲成例如大體上拋物線形。圖14中的照明設備210被設計為產(chǎn)生以軸SA為中心的IV型光分布，軸SA也是 照明設備的對稱軸。對稱軸SA垂直于光學元件350且與照明設備的中心點相交。在圖14 所示的實施例中，外部LED 222和中部LED 228居中并且關于與對稱軸SA偏離大約45°角 的線聚集。所有的LED 228和222定位在由光學元件350限定的平面的一側上。外部LED 222和中部LED 228與對稱軸SA在角度上偏離O1的線(圖14中僅示出一條線)上終止。 外部LED 222和中部LED 228還與對稱軸SA在角度上偏離Φ2的線(圖14中僅一條線示 出)上終止。LED 222和228不位于對稱軸SA附近，因為通常離照明設備越遠的區(qū)域(其 是遠離對稱軸SA的區(qū)域)需要的發(fā)光亮度越多，例如，其中照明設備被設計為提供IV型的 光分布。LED 222和228不能擴展所有路線到半圓形形狀的終點，因為LED以朗伯型形狀發(fā) 光以使從LED的每個最末端發(fā)射的光被圓周地與LED分開的反射器的一部分改變方向。除了使用用于每個LED的光學器件或用于整個陣 列的大的光學器件之外，所描述 的照明設備使用從部分LED陣列生成部分光束形狀的混合近似法。使用反射器將來自LED 陣列的這些部分的光改變方向，旨在有目的地填充光束形狀的部分。設計可建模來提供例 如“D”型光束形狀以及其他的光束形狀。參考已討論的實施例和替換實施例，本發(fā)明已經(jīng) 被具體地描述。然而，本發(fā)明并不僅限于本文所描述的具體實施例或所描述的替代物。相 反，本發(fā)明被所附權利要求書及其等價物廣泛地限定。
權利要求
一種照明設備，包括多個LED，每個LED的中心沿有界平面的周界定位，并與和所述有界平面共面的LED曲線相交；以及光學器件，相對于所述LED設置，以改變從所述LED向目標平面發(fā)出的光的方向，所述光學器件包括與所述LED曲線偏離的光重定向表面，所述光重定向表面與每個所述LED配合，并且被形成為在與所述目標平面的垂直線偏離小于90°角的方向上改變從所述LED曲線發(fā)出的光的方向。
2.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，每個所述LED的中心與一個點分開距離rl。
3.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，所述光重定向表面是環(huán)狀的。
4.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，每個所述LED的軸向角度垂直于所述目標平面。
5.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，所述光學器件為反射器，垂直于所述有界平 面和所述反射器的光重定向表面穿過所述光重定向表面截取的截面形成反射器曲面，該反 射器曲面被形成為以與所述目標平面的垂直線偏離的內(nèi)角α反射從所述LED曲線發(fā)出的光。
6.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，所述光重定向表面是第一光重定向表面， 并且所述照明設備還包括與所述第一光重定向表面偏離的第二光重定向表面，所述第一光 重定向表面被形成為以與所述目標平面的垂直線偏離的內(nèi)角α改變從所述LED曲線發(fā)出 的光的方向，并且所述第二光重定向表面被形成為以與所述目標平面的垂直線偏離的內(nèi)角 0. 85 α至約1. 15 α改變從所述LED曲線發(fā)出的光的方向。
7.根據(jù)權利要求6所述的照明設備，其中，所述第一光重定向表面和所述第二光重定 向表面終止于基本上平行于所述有界平面的平面。
8.根據(jù)權利要求1所述的照明設備，其中，所述多個LED是第一多個LED，所述第一多 個LED中的每一個的中心沿第一有界平面的周界定位，并與和所述第一有界平面共面的第 一 LED曲線相交，并且所述光重定向表面是第一光重定向表面，所述照明設備還包括第二多個LED，所述第二多個LED中的每一個的中心沿第二有界平面的周界定位，并與 和所述第二有界平面共面的第二 LED曲線相交；以及第二光學器件，相對于所述第二多個LED設置，以改變從所述第二多個LED向所述目標 平面發(fā)出的光的方向，所述第二光學器件包括與所述第二 LED曲線偏離的第二光重定向表 面，所述第二光重定向表面與所述第二多個LED中的每一個配合，并且被形成為在與所述 目標平面的垂直線偏離小于90°角的方向上改變從所述第二 LED曲線上的光源發(fā)出的光 的方向。
9.根據(jù)權利要求8所述的照明設備，其中，所述第一有界平面與所述第二有界平面基 本上共面。
10.根據(jù)權利要求9所述的照明設備，其中，每個LED的軸向角度垂直于所述目標平面。
11.根據(jù)權利要求8所述的照明設備，其中，所述第一光重定向表面和所述第二光重定 向表面終止于同一平面。
12.根據(jù)權利要求8所述的照明設備，其中，所述第一光重定向表面和所述第二光重定 向表面是環(huán)狀的。
13.根據(jù)權利要求12所述的照明設備，其中，所述第一光重定向表面和所述第二光重 定向表面是同心的。
14. 一種用于設計照明目標平面的照明設備的方法，所述方法包括 確定目標平面上各位置處的期望照度；確定從所述目標平面至照明設備的距離d，所述距離d沿垂直于所述目標平面的軸A測量；在所述照明設備中設置多個LED，以提供用于照明所述目標平面的區(qū)域的流明源； 沿平面中的至少一條LED曲線分布所述多個LED ；以及定位與所述至少一條LED曲線分開的光重定向表面，以使所述光重定向表面與所述多 個LED中的每一個配合，其中，所述光重定向表面被形成為改變從所述至少一條LED曲線向 所述目標平面發(fā)出的光的方向。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，分布所述多個LED包括沿第一LED曲線和與所 述第一 LED曲線分開的第二 LED曲線分布所述多個LED，并且設置所述多個LED包括設置足 夠數(shù)量和功率的LED，以在所述目標平面的各位置處至少提供所述期望照度。
全文摘要
一種照明設備，包括多個LED和相對于LED布置以改變從LED向目標平面發(fā)出的光的方向的光學器件。每個LED的中心沿有界平面的周界定位且與和有界平面共面的LED曲線相交。光學器件包括與LED曲線偏離的光重定向表面。光重定向表面與每個LED配合且被形成為在與目標平面的垂直線偏離小于90°角的方向上改變從LED曲線發(fā)出的光的方向。還披露了一種用于設計照明目標平面的照明設備的方法。
文檔編號F21Y101/02GK101802488SQ200880107359
公開日2010年8月11日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權日2007年7月16日
發(fā)明者尼科洛·馬基, 馬修·姆拉科維奇, 馬克·J·邁爾 申請人:照明有限責任公司