固态光学系统 相关申请资料
本申请根据美国法典第35部分第119条(e)款(35U.S.C.Section119(e))要求2007年5月7号提交的共同待审查的美国临时申请NO.60/927,953的权益，该申请通过引用被全文合并于此。
背景技术
本发明涉及固态区域照明(area lighting)，例如发光二极管(LED)区域照明。LED技术最近的发展使得从简单的指示灯、便携设备的背景灯和其他低功率照明应用到包括诸如道路和街道照明应用的全面照明(general illumination)的高功率应用的迁移变得可行。LED的独特的放射特性(radiation profile)及与其他高功率光源(弧光灯等)相比其相对低的光输出要求使用特殊的光学器件来使得它们的应用有效。另外，由于半导体结必须保持在某一温度之下以提供较长的寿命，所以LED要求特殊的热管理技术。目前，高功率LED被安装在各种基底(substrate)上，最普遍的是金属芯印刷电路板(MCPCB)，其提供到各种形式的散热器的有效的热接口。
【发明内容】
在一个实施例中，本发明提供一种照明设备，该照明设备包括耦合到壳体并被配置成在路径上发射光的至少一个固态光发射器，以及反射器。固态光发射器包括被配置成发射第一部分光的第一发光部分和被配置成发射第二部分光的第二发光部分。反射器包括被置于由固态光发射器发射的光的路径上的反射表面。该反射表面包括被配置成反射第一部分光的第一基本为抛物面的区域，该第一基本为抛物面的区域具有第一焦点和第一焦距。反射表面还包括与第一基本为抛物面的区域相邻并且被配置成反射第二部分光的第二基本为抛物面的区域，该第二基本为抛物面的区域具有比第一焦距大的第二焦距以及第二焦点。
通过考虑详细的描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
【附图说明】
图1是照明设备的透视图；
图2是图1的主反射器(primary reflector)的剖面；
图3是主反射器的第二构造(construction)的剖面；
图4是示出图3的主反射器的区域的焦距的表；
图5是主反射器的第三构造的剖面；
图6是相对于发射器放置的图3的反射器的剖面；
图7是相对于发射器的第二构造放置的图3的反射器的剖面；
图8是相对于发射器的第三构造放置的图3的反射器的剖面；
图9是相对于发射器放置的图3的反射器的剖面；
图10是示出光分布的图1的照明设备的剖面；
图11是示出光分布的照明设备的第二构造的剖面；
图12是示出光分布地照明设备的第三构造的剖面；
图13是照明设备的第四构造的俯视图；
图14是照明设备的第四构造的透视图；
图15是照明设备的第四构造的侧视图；
图16是照明设备的第四构造的更详细的侧视图；
图17是图16的照明设备部分剖面；
图18是图13-16的照明设备的输出的极坐标坎德拉图(polarcandela plot)；
图19是6.5英尺安装高度的图13-16的照明设备的输出的ISO英尺烛光图；
图20是图1和图10的照明设备的输出的极坐标坎德拉图；
图21是20英尺安装高度的图1和图10的的照明设备的输出的ISO英尺烛光图；
【具体实施方式】
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解本发明在其应用方面不限定于在以下说明中提出的或者以下附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明还可以有其他实施例并且还能够以各种方式被实施或者实现。同样地，应当理解这里使用的措辞和术语旨在说明并且不应被看作限定。这里“包括”、“包含”或者“具有”以及它们的变化的使用表示涵盖(encompass)其后列出的项和它们的等同物以及附加项(additional items)。除非另外指定或者限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”以及它们的变化被广义地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和耦合。另外，“连接”和“耦合”不被限制为物理或者机械连接或者耦合。
图1示出照明设备的一种构造，该照明设备包括主反射器1、一对次级反射器2以及耦合到壳体6并且被配置成反射由多个固态光发射器3发射的光的多个固态光发射器3。发射器3优先地发射白光，但可以使用其他颜色。
多个固态光发射器3可以包括任何类型的固态光发射器，诸如，但不限于，单模或多模发光二极管(LED)和其他半导体光发射装置。在示出的构造中，多个固态光发射器3被置于与主反射器1的长相平行的线阵列上并且被置成将至少一部分的光导向主反射器1。优选地，由多个固态光发射器3发射的光的主要部分被导向主反射器1。多个固态光发射器3被安装在印刷电路板(PCB)4上，而该印刷电路板(PCB)4被依次安装在散热器5上，散热器5被安装在壳体6上。尽管可以使用任意PCB，优选地PCB 4为金属芯PCB以促进热量从多个固态光发射器3到PCB 4到散热器5的传送。优选地壳体6也可以包括导热材料以促进热量从散热器到空气的传送。壳体6包括开口7，由多个固态光发射器3发射的光通过开口7放出(escape)。开口7至少定义输出平面8，在图1中示为根据画出的坐标轴的x-y平面。输出平面8是这样的平面，光通过该输出平面8从照明设备10出去。优先地，输出平面8被配置成基本上平行于目标表面21(在图10中示出)。当然，输出平面8不一定要平行于目标表面。开口7可以处于开放状态或者可以被由塑料、玻璃或者其他合适的基本上透明的材料制成的透镜所覆盖。备选地，可以采用修正光输出的透镜。可选地，壳体6可以包括驱动电子器件(没有示出)以控制多个固态光发射器3。在其他构造中，多个固态光发射器3可以包括任何数量的固态发射器或者仅包括一个单固态发射器，最好地，但不是必需地，该单固态发射器相对于主反射器1的长居中。
主反射器1包括反射涂层(reflective finish)，诸如真空金属化的铝或者银，以及该主反射器1可以是镜面、半镜面或漫射或者它们的组合。在下文将更详细的描述主反射器1的结构。这对次级反射器2包括反射涂层，诸如真空金属化的铝或者银，以及这对次级反射器2可以是镜面、半镜面或漫射或者它们的组合。这对次级反射器2被置于相邻于主反射器1的每个纵向端，并且基本上与主反射器1垂直，以使次级反射器2的反射涂层被置成截断从主反射器1反射的且没有通过开口7从壳体6立即出去的光，以将该光重新导向开口7。另外，由多个固态发射器3中最外面的所发射的光可以直接与次级反射器2相交。次级反射器2被置成将该光重新导向开口7。与次级反射器2相交的光可以通过旋转次级反射器、改变它们的形状或者两者的结合被引导。
图2示出主反射器1的剖面。主反射器1包括与第一端15相邻的第一抛物面区域25、第二抛物面区域30以及与第二端20相邻的第三抛物面区域35。在其他构造中，可以仅采用两个抛物面区域，而在另外其他构造中可以采用多于三个抛物面区域，这点将在后文中更详细地描述。
第一抛物面区域25包括具有第一焦点40和第一焦距的第一抛物面(parabola)26的部分。在示出的构造中，第一抛物面26具有大约17毫米的第一焦距；然而，第一焦距可以被改变以达到其他曲率。
第二抛物面区域30包括具有与第一焦点40基本上一致的第二焦点41和大于第一焦距的第二焦距的第二抛物面31的部分。在示出的构造中，第二抛物面31具有大约20毫米的第二焦距；然而，第二焦距可以被改变以达到其他曲率。
第三抛物面区域35包括具有与第一焦点40和第二焦点41基本上一致的第三焦点42和大于第二焦距的第三焦距的第三抛物面36的部分。在示出的构造中，第三抛物面36具有大约22毫米的第三焦距；然而，第三焦距可以被改变以达到其他曲率。备选地，可以采用直的或弓形的第三区域。
第一抛物面区域25与第一焦点40最接近，第二抛物面区域30通常离第一焦点40更远，而第三抛物面区域35离第一焦点还要更远。抛物面区域25、30和35被平滑地合并到一起或者被置成彼此相邻。各个抛物面区域25、30和35还可以通过多个平的或者弓形区域来近似(approximate)，这点将在后文中更详细地描述。在示出的构造中，经过第一抛物面26的第一焦点40的对称轴的第一中心线27被以相对于基本上竖直的参考线46(z方向，与输出平面8垂直)的第一角度A定向，经过第二抛物面31的第二焦点41的对称轴的第二中心线32被以相对于基本上竖直的参考线46的第二角度B定向，经过第三抛物面36的第三焦点42的对称轴的第三中心线37被以相对于基本上竖直的参考线46的第三角度C定向。在示出的配置中，角度A大约为39度，角度B大约为52度而角度C大约为57度。然而，应当理解的是通过改变角度A、B和C可以在目标表面上得到不同的照明图案。图2中示出的反射器几何图形可以被改变以得到各种期望的结果；然而，把具有不同焦距的至少两个抛物面放置为彼此相邻的策略是相同的。应当理解的是焦距、相对于参考线的角度以及每个抛物面区域的比例可以被改变以得到光的期望输出图案。另外，所有焦点并不一定需要一致。抛物面区域可以被合并或者被置成彼此相邻而不合并各个焦点。然而，将各个焦点接近公共焦点放置或者在公共焦点上放置是最好的。
主反射器1可以通过注入成型或者冲压诸如铝的材料来制造，这些材料可以通过真空金属化、抛光或者类似的工艺被制成反射的。优先地，采用高度反射的半镜面材料。
图3和图4示出具有十一个抛物面区域的主反射器100的另一构造的剖面图，每个抛物面区域具有各自的焦点和各自的焦距。如上文就图2所描述的，在第一端150处开始而在第二端200处结束的各个抛物面区域具有递增的焦距并且被平滑地合并或者被置成与其他抛物面区域相邻。各个区域的焦距的值在图4中给出。备选地，抛物面区域可以由多个直的或者弓形区域来近似。优先地，将各个焦点接近公共焦点放置或者在公共焦点上放置；然而这是可选的。
图5示出如上文就图2所描述的、由多个基本上直的区域所近似的主反射器100的剖面。当描述所示的主反射器100的近似(approximation)时，参照标号101。二十五个基本上直的区域被示出；然而，可以使用更多或者更少的基本上直的区域。采用这种近似，或者采用使用不同数量的基本上直的区域的其他近似，主反射器101可以通过弯曲一片高度反射材料制成。尽管还存在其他选择，高度反射的材料可以从多种合适的高度反射的材料中选择，诸如那些从Alanod和ACA工业可以得到的。优先地，采用高度反射的半镜面材料。具有基本上平的区域的主反射器101也可以被注入成型或者冲压，如上文就主反射器1所描述的那样。备选地，基本上直的区域可以被给予小的曲率以产生漫射，在这种情况下主反射器101最好采用高度反射的全镜面材料。
图6示出多个固态发射器3和主反射器100的剖面。应当理解的是图6的描述适用于主反射器的所有构造，包括由标号1所标识的主反射器.多个固态发射器3位于主反射器100的焦点43处或者接近主反射器100的焦点43处，如上所述，与参考线45成0到90度之间的角度E并且面向主反射器100。参考线45基本上平行于输出平面8(在图1中示出)。焦点43指的是构成主反射器100的抛物面区域的焦点中的任何一个。如上所述，这些焦点不必一致。更可取地，多个固态发射器3被以大约35度到55度之间的角度E安排在焦点43处或者焦点43附近。最为可取地，多个固态发射器3被以大约45度的角度E安排在焦点43处或者焦点43附近。角度E越大，越多的光在照明设备正下方被引导向目标表面而不碰到主反射器100，并且越少的光不是在照明设备正下方被反射向目标表面的其他部分。所使用的(一个或多个)固态光发射器的类型的放射图案可以影响需要用来产生期望的光输出图案的角度E，因此角度E可以被相应地调整。
如图7和图8所示，多个固态发射器3可以包括单模发射器(图8)或者多模发射器(图7)。如图8所示，可以通过放置基本上以焦点43为中心的两行或者多行单模发射器来仿效多模发射器。多模发射器或者多个单模发射器具有更大的视在源(apparent source)尺寸，当光到达目标表面时这有助于将光图案交叠到一起。可以采用多模发射器诸如，但不限于，Citizen LED CL-190系列、Citizen LED CL-230系列或者Nichia 083系列。可以采用的单模发射器诸如，但不限于，CREE XRE系列或者Seoul Semiconductor P4系列。
图9示出相对于多个固态光发射器3和目标表面21(图10)的主反射器100的第二端200的一种可能的构造。目标表面21到多个固态发射器3可以是任意高度。从焦点43，即多个固态光发射器3的位置，朝目标表面且垂直于目标表面画线50。如所示出的，线50定义正y轴和负y轴。由主反射器100反射的大多数光被导向正y区。由多个固态光发射器发射的一部分光被直接导向目标表面，其中的一些被沿负y方向引导并且在负y区(也被称作“壳体侧”)中和目标表面相交而没有被反射。这是第二端200相对于多个固态光发射器3的几何图形的结果。角度D被定义为线50和从焦点43到第二端200所画的线55之间的角度。应当理解的是根据壳体侧需要多少光，角度D可以通过相对于多个固态光发射器3移动或者旋转主反射器100或者通过调整(trim)第二端200被改变。优先地，角度D在0到15度之间；然而，角度D根据应用可以是30度那么大或者更大。
图10示出图1的照明设备的剖面并示出由多个固态光发射器3发射并且由主反射器1反射的光的路径。图10的具体构造仅是可能的配置的一个例子。应当理解的是照明设备相对于目标表面的不同定向导致目标表面21上不同的照明图案。除其他以外，不同定向可以包括在目标表面21之上的高度、主反射器1相对于目标表面21的角度、多个固态光发射器3相对于目标表面21的角度，以及主反射器1相对于多个固态光发射器1的角度。同样地，如上所讨论的，主反射器1的几何图形可以被改变以达到不同的结果。
参考图10示出的构造，第一抛物面区域25被安排为更接近多个固态发射器3处并且被配置成通常把光从多个固态光发射器3反射到最低点(nadir)60，最低点60是位于固态光发射器3正下方或者最接近固态光发射器3的目标表面21的一部分。第一抛物面区域25被配置成分配光以使入射光具有更低的发光强度，如极坐标坎德拉分布图所示在大约270度和300度之间(图20，曲线1)。第二抛物面区域30比第一抛物面区域离多个固态光发射器3更远并且被配置成在比第一抛物面区域25离最低点60更远的正y方向上反射光。第二抛物面区域30被配置成分配光以使入射光比第一抛物面区域25分配的光具有更高的发光强度，如在图20的曲线1中可以看出的，大约在300度和320度之间。第三抛物面区域35比第二抛物面区域离多个固态光发射器3更远并且被配置成在比第一抛物面区域25和第二抛物面区域30离最低点60更远的正y方向上反射光。第三抛物面区域35被配置成分配光以使入射光比第二抛物面区域30分配的光具有更高的发光强度，如在图20的曲线1示出的，大约在320度和340度之间，在该处出现最大强度。
在完整的或半截的照明设备的情况下，开口7在最低点之上大于80度的角度处可以削弱光。主和次级反射器也可以在壳体中被重置以简化完整或者半截的规格(specification)。进一步参考图10，多个固态光发射器被配置成将一部分光直接导向在最低点60处的或者最低点60附近处的目标表面而不碰到主反射器1，以及导向壳体侧，如参考图9所描述的那样。该光与从第一、第二和第三抛物面区域25、30和35反射的光的路径分别相交。来自每个抛物面区域25、30和35的输出被引导以使每个输出与下一输出平滑地交叠，形成均匀的(homogeneous)光图案。应当理解的是目标表面21相对于照明设备10的位置可以改变。因此，在目标表面21上的照明强度将会根据目标表面21的距离而改变。
两个或多个照明设备10可以被组合成单个设备，如图11和12所示。每个照明设备10可以被定向在相同方向上，如图11所示。每个照明设备10可以被定向在相反方向上，如图12所示。另外，每个照明设备10可以与另一个相垂直或者以产生有用的光度输出的任何其他配置被放置。
图13-15示出采用4个主反射器100和4组多个固态光发射器3的照明设备65的构造。应当理解的是可以采用如上所述的、根据本发明的主反射器的任何其他构造。每个主反射器100被定向并且相对于其各自的多个固态光发射器3被放置，如上文所描述的那样。如上所述，每组多个固态发射器3被安装在印刷电路板4上，而印刷电路板4被安装在散热器上(见图1)，散热器被安装在壳体上(见图1)。另外，每个反射器-发射器对与互相垂直的其他两对邻接以形成对外朝向的主反射器100的盒，如图所示，主反射器100具有从焦点到相对的对的焦点大约250毫米的距离。这些对不必邻接。这种构造优先地被配置成用作安装在目标表面之上6.5到8英尺处的低隔间车库灯(lowbay garage light)。车库灯通常在目标表面上产生类似于IESNA V型图案的圆形的或者接近圆形的光图案。但是，也可以有其他应用。
图16示出包括壳体80以及外部透镜70的照明设备65。如图所示，外部透镜70由竖直槽75组成以提供仅在水平方向的光的有限扩散并且因此减少强光(glare)而不干扰在目标表面上的照明图案。图17示出具有竖直槽75的外部透镜70的剖面。应当理解的是外部透镜70是可选的并且可以是圆形、正方形、长方形或者任何其他形状，并且可以包含其他光学器件来修正光图案或者减少强光。另外，包括输出平面8(图1)的底部，也可以包括光学器件以平滑在最低点处的或者最低点附近的光。
图18是在图13-15中示出的照明设备65的输出的极坐标坎德拉分布图。曲线1是x-z平面(图15)中相对于角空间(angular space)的发光强度(坎德拉)图。曲线2是x-y平面(图13)中相对于角空间的发光强度(坎德拉)图。图19是在图13-15中示出的具有6.5英尺安装高度的照明设备65的ISO英尺烛光(ft-cd)分布图。
类似地，图20是在图1和图10中示出的照明设备10的输出的极坐标坎德拉分布图。曲线1是x-z平面(图1)中相对于角空间的发光强度(坎德拉)图。曲线2是x-y平面(图1)中相对于角空间的发光强度(坎德拉)图。图21是在图1和图10中示出的具有20英尺安装高度的、被配置成用于IESNA II型街道、道路或者停车场的灯的照明设备10的ISO英尺烛光分布图。
应当理解的是可以使用上述的技术来设计主反射器1或100来建造各种尺寸和形状的反射器来满足用于I、II、III、IV和V型照明设备的IESNA光图案，或者产生其他期望的光图案诸如用于隐蔽照明(cove lighting)，或者用于天花板、墙壁和其他地方的照明。根据期望的制造方法，主反射器1或者100包括如上所述的弯曲的或者有小面的(faceted)、基本为抛物面的区域。主反射器1或者100可以根据需要按比例放大或者缩小。
同样地，在某些情况下少量的向上照明(uplight)是需要的。可以通过在主反射器1或者100接近各自的第一端15或者150的一部分上打孔或者去除这一部分，并且使一部分壳体透明，因此允许小部分光在向上(z)的方向上从设备10或者65出去，来获得向上照明。
因此，除其他以外，本发明提供了具有主反射器的照明设备，主反射器包括具有增加的焦距的多个基本为抛物面的区域。本发明的各种特性和优势在下面的权利要求书中阐述。