使用发光二极管的改良光源和从中采集辐射能量的改良方法

摘要

一个发光二极管(LED)或白炽光源被置于一个设置用以反射来自LED或白炽光源的光线的反射器之内，此光线由发光二极管或白炽光源在反射器所定义的外围正向立体角之内辐射发出。一个透镜被纵向置于LED或白炽光源之前，用以将光线聚焦至预定的图样，此光线是由LED或白炽光源在透镜定义的中心正向立体角范围内辐射发出。由此组合构成的装置投射含有中心正向立体角辐射光和外围正向立体角辐射光的光束。

说明书

相关申请

本发明涉及于2003年10月6日提交的美国临时专利申请60/508,996，在此通过引用的方式纳入本说明书，并依据35USC119要求其优先权。

                       发明背景

发明领域

本发明涉及用发光二极管作光源的领域，特别涉及从上述光源采集辐射能量的装置和方法。此设备可被用于一般照明，装饰照明和建筑照明，便携照明和固定式照明，紧急照明，光纤照明和许多其它的应用。

现有技术描述

在现有技术典型的发光二极管(LED)光源中，一个透镜或反射器被用来采集LED辐射发光中2π球面度正向立体角或正向半球面波波前中的大部分。回忆起表面积S所对向的立体角Ω是定义为将此表面积投影到一个单位球上所覆盖的表面积Ω。这可被写为：

$>>\Omega >\equiv >\int >>\int >S>\frac{{}^{}}{}>->->->>(>1>)>>>s>$

其中是从原点的单位矢量，da是表面块(patch)的微分面元，r是从原点到面元的距离。采用球坐标表示，以φ表示余纬度(极角)，θ表示经度(方位角)，上式变为：

Ω≡∫∫_Ssinφdθdφ             (2)

立体角以球面度为单位度量，全空间所对向的立体角是4π。

全内反射(TIR)也被利用，其中来自LED的能量被一个第一透镜内部形成的类反射器表面和形成于此第一透镜外表面或者内表面上的第二透镜共同收集。

通常，单独利用反射器的设备产生一束由两部分构成的光束，一部分光束被反射器反射及控制，另一部分光束直接由LED辐射产生，不被控制，也就是不由任何其它元件反射或折射。在此两部分光束射向的表面上，直射光看来很像反射光周围很大的光晕。在传统的LED封装中，一个球状透镜被置于一个柱形杆(cylindrical rod)前面，LED侧面放射的能量在产生于基片发射结之外的时候将完全不受控制或充分放射出去。在全内反射系统中，LED异质结辐射能量的一部分通过封装的壁渗漏出去，仍然不可控。此外，还存在体积损耗和形态损耗(bulk and form losses)。在将LED倒置使其向后指向凹面反射器的系统中，来自LED的中心能量会被LED封装本身遮挡屏蔽掉，于是典型地，这些能量就损失掉了，或者不能被收集为有用的光束。

现在需要的是一些新的设计类型，借此可实现绝大多数LED辐射能量的高效收集，并将之投射为具有所需照明分布的有用的定向光束。

                          发明内容

本发明定义为一个装置，该装置包括一个LED光源，一个设置用以反射来自LED光源的光线的反射器，其中所述光线由LED光源在所述反射器定义的外围正向立体角之内辐射发出，以及一个纵向设置于LED光源之前用以将光线聚焦为预定图样的透镜，其中所述光线由LED光源在上述透镜定义的中心正向立体角之内辐射发出，如此，该装置投射包含有辐射于中心正向立体角和外围正向立体角的光的光束。鉴于前述光源在示意性实施方案中被描述为LED，必须清楚的知道，白炽光源或其它光源可完全等价地将之替代。因此，在说明书中“光源”一词被用及的任何地方，它都必须理解为包含LED，白炽光，电弧，荧光或等离子电弧或其它现在已知或将来设计的等效光源，无论是不是在可见光波段。光源还可进一步集合性的包括组构成一个阵列的多个这样的LED，白炽光，电弧，荧光或等离子光源或任意其它现在已知或将来设计的光源。

中心正向立体角和外围正向立体角是以光源的光轴为中心，在大约π球面度的立体角处彼此区分开。光源包括一个LED发射器和该LED发射器所置于其中的封装。该封装包括一个封装透镜，用以将LED发射器发出的光被该封装的折射最小化。系统透镜被纵向置于此封装透镜之前。

在一种实施方案中，透镜可通过支架被悬于封装透镜之前。

透镜将LED光源的发出的光大致准直到中心正向立体角之内，而反射器将LED光源发出的光大致准直到外围正向立体角之内。在本发明的一个实施方案中，这两个独立形成的光束如同一个整体一样出现。但是，设计者具有对各个光束的控制，可以分别或者整体地对光束输出进行剪裁，以产生需要的结果。在另一个优选的实施方案中，光束是可调的，对一束或双束光线的调整将提供所需的光束效果，如变焦或放大等。

在另一个实施方案中，透镜被设置在封装透镜上。该透镜由具有第一曲率半径r₁的外围环状部分和具有第二曲率半径r₂的中心部分构成，其中r₁＞r₂。外围环状部分最低限度地折射，如果还存在折射的话，LED光源的辐射发光，中心部分则将LED光源发出的光折射形成预设的光图样。

反射器具有中心在LED光源的焦点。

在图示的实施方案中，透镜被相对LED光源安排和设置，使得中心正向立体角延伸到以光轴为中心大约π球面度的立体角。反射器相对LED光源安排设置，使得外围正向立体角延伸到以光轴为中心大约2π球面度的立体角。更具体的，反射器被相对LED光源安排和设置，使得外围正向立体角从以光轴为中心大致π球面度的立体角延伸到以光轴为中心大致2π球面度的立体角。

在一个执行实施方案中，透镜被相对LED光源安排和设置，使得中心正向立体角延伸到以光轴为中心大于π球面度的立体角，而反射器被相对LED光源安排和设置，使得外围正向立体角从中心正向立体角延伸到以光轴为中心大于2π球面度的立体角。

本发明也可定义为包含如下步骤的一种方法：从一个LED光源辐射发光，将LED光源在外围正向立体角内发出的光反射到第一预设光束部，以及将LED光源在中心正向立体角内发出的光聚焦到第二预设光束部。中心正向立体角和外围正向立体角在以光轴为中心大约π球面度的立体角处彼此区分开来。在光源包含LED发射器和该发射器所置于其中的封装的情况下，上述方法还包含将LED发射器发出的光在外围正向立体角内通过该封装时的折射最小化的步骤。将光聚焦到第二预设光束部的步骤包括将LED光源发出的光大致准直到中心正向立体角内。将光束反射到第一预设光束部的步骤则包括将LED光源发出的光大致准直到外围正向立体角内。

在透镜被置于LED封装上的实施方案中，将光线聚焦到第二预设光束部的步骤包括：安放一个置于LED光源上的透镜，将LED光源发出的光通过透镜中第一曲率半径r₁的外部环状部分发射到外围正向立体角内，以及将LED光源发出的光通过透镜中第二曲率半径r₂的中心部分发射到中心正向立体角内，其中r₁＞r₂。将LED光源发出的光通过透镜的外围环状部分传播的步骤最低限度地折射LED光源发出的光，如果还存在折射的话。将LED光源发出的光通过透镜的中心部分传播则将LED光源发出的光折射而形成预设的光图样。

将光线反射到第一预设光束部的步骤包括将反射器的焦点置中于LED光源上。将光线聚焦到第二预设光束部的步骤则包括产生中心正向立体角，以延伸到以光源光轴为中心的大约π球面度的立体角。将光线反射到第一预设光束部的步骤还包括产生射入外围正向立体角的反射光，该外围正向立体角延伸至以光轴为中心大约2π球面度的立体角，更明确的说，将来自LED光源的光反射到以光轴为中心从大约π球面度的立体角延伸到以光轴为中心大约2π球面度立体角的外围正向立体角之内。

在一个实施方案中，将光线聚焦到第二预设光束部的步骤包括产生聚焦光束部分到中心正向立体角内，其中该中心正向立体角延伸到以光轴为中心大于π球面度的立体角，而将光线反射到第一预设光束部的步骤则包括产生反射光束部分到外围正向立体角内，其中该外围正向立体角从中心正向立体角延伸到以光轴为中心大于2π球面度的立体角。

虽然所述装置和方法是出于功能解释的语法流畅性来进行描述或将要进行描述的，但是应该清楚的知道，除非在35USC112中清楚阐明的，本权利要求不能被必然地以任何方式局限解释为“方法”或者“步骤”，而是相应于在等同原则下权利要求所提供的含义和等同定义的全部范畴；在依据35USC112清楚阐明所述权利要求的情况下，相应于35USC112下全部法定等同物。现在转到下面的附图会使本发明更加形象化，图中相似的元件用同样的数字作参考符号。

附图描述

图1是本发明LED器件第一实施方案的透视图。

图2是图1中实施方案的侧面剖面图。

图3是本发明第二实施方案的侧面剖面图。

图4是图3中第二实施方案的透视图。

图5是本发明一项实施方案的侧面剖面图，其中缩放控制由器件中不同元件的相对移动提供，并形成一个宽角度光束。

图6是图5实施方案形成窄角度光束的侧面剖面图。

图7是图5和图6中实施方案的侧面剖面图，展示了为遥控或自动缩放控制而设计的马达和齿轮传送链。

现在转到优选实施方案的详细描述，本发明及其多种实施方案会更好理解，这里的优选实施方案是权利要求中定义的发明的示意性例子。可以清楚理解的是，权利要求定义的本发明可以比下述阐明的示意性实施方案范围宽泛。

优选实施方案的详细内容

在图1-4中，引入本发明的器件被参考数字24一般性的标出。LED光源1显示为被封装在传统封装中，该封装包括一个发光结被定义其中的衬底，此衬底被密封在一个透明环氧树脂或塑料外壳之中，以在发光结或基片(chip)上提供半球状正向球冠或透镜。LED制造商可以利用许多不同种类和形状的封装，所有这些种类和形状都被包含在本发明范围之内。在本说明书下文中，术语“LED光源1”以及另一实施方案中的“LED光源18”都应理解为包含发光结或基片所置其中的钝化封装(passivating package)。图1示出了本发明的一个优选实施方案，其中第二透镜2被附着于反射器3中凹槽26的臂9悬于LED光源1对面。必须清楚知道的是，透镜2意味着也包含多个透镜，比如一组复合透镜或透镜组成的光学组件。反射器3的表面可以是特殊处理或制备的，用以为LED光源1的发光波长提供高度镜面或反射的表面。在图示的实施方案中，透镜2在图1-4中表现为具有一个半球状前表面20与图1和2的实施方案中的后部平面22或图3和4的实施方案中的后部曲面23。再次需要清楚理解的是，透镜2不需要被限制于具有半球状前表面20的一个透镜，而可被不同结构的多个透镜的组合替代。反射器3可包含或被连接于一个外壳28，该外壳提供对可安置器件24的装置(无图示)的支撑和连接。LED光源1通过LED光源1、反射器3和透镜2共同光轴上的外壳28或其它工具(无图示)被置于反射器3的中心。透镜2通过支架9以如此方式被悬于反射器3和LED光源1对面，使得尽可能少地干扰反射器3发出或射入的光。图1和图2的实施方案示出了一个三腿的支架9，不过许多其它的装置也可被采用为完全等价物。

在图2中，LED光源以如此方式被充分地置于凹面反射器3的焦点，以基本上收集所有来自LED光源1，并射入LED光源1的中心线或光轴上约π球面度正向立体角(侧面剖面图中45度半角)和中心线或光轴上约2.12π球面度正向立体角(侧面剖面图中95度半角)之间区域的能量。此区域中的能量由图2的光线跟踪图中光线7表征，如光线5所图示的那样被反射。由LED光源1直接发出的光线，图示为偏离中心线或光轴约45度的光线4，将会被反射器3反射或被透镜2收集，而不会如图2的光线4延长线所描述的那样继续向外。

如光线8所图示，被限制于约45度和0度角度之内的LED光源1发出的光线将会被透镜2所收集，并由透镜2的光学特性所控制，如图2光线6图示。臂9可以如图1和图2所示，或者由许多其它结构提供，用以将透镜2悬挂在LED光源1对面。对臂9唯一的约束是要将透镜2支撑在光轴上与本发明的教导相一致的所需纵向位置处，同时对光线传播提供最小的干扰。与这个目标相一致的臂9的任何结构可被认为其在本发明的考虑之内。

因此可以理解为，本发明可被调整适应于光束的缩放或可变焦点。例如，在图2的实施方案中，如图5更清楚的描述，一个机动化的装置30，31被连接到支架9从而连接到透镜2，用以沿反射器3的光轴方向纵向移动透镜2，以缩放或变更所产生光束的散度或会聚度。图7示出一个连接于齿轮传动链31的电动机30，以提供缩放控制的动力。装置30，31可以采取任何形式的现在已知或将被发明的动力机械装置，例如，可以包括一个可旋转圆环(无图示)上的多个倾斜凸轮或斜面，其中当圆环按一种方式旋转时，凸轮将弹簧负载的支架8沿着纵轴向前推进，当圆环以相反方式旋转时，允许弹簧负载的支架8沿纵轴被弹簧(无图示)拉回。该圆环可通过手动进行旋转或者优选地通过电动马达或螺线管旋转，其中该马达或螺线管被安装在闪光灯体上的开关(无图示)控制，允许单手对缩放焦点进行操作，同时同一只手握住闪光灯。关于手动控制的手动或电动化缩放已被阐明，但是可以采用光学或射频电路和电动机30相连以提供遥控的内容也被包含在本发明的范围之内。

本发明中焦点缩放的可变性可以通过透镜2，反射器3和/或LED光源1的任意组合中的相对移动来实现。因此，透镜2和反射器3作为一个单元可相对于固定的LED光源1纵向地被移位，或者反之亦然，即透镜2和反射器3作为一个单元被固定，而LED光源1被移动。相似地，透镜2可如上所述的相对于作为固定单元的LED光源1和反射器3纵向移位，反之亦然，即透镜2是固定的，而LED光源1和反射器3作为一个单元被移动。此外，透镜2，反射器3和LED光源1相对彼此的每一个运动都可按递增方式且彼此独立地进行，这也在本发明范围内。用以在本发明上下文中允许这些元件的上述相对运动，并为进行所述运动提供动力的装置是通过运用传统的设计原理获得的。

光线5被定义为从反射器3反射并正好避过透镜2的光线。在图5的宽角度光束中，光线5图示为处于第一位置，该位置在图6的窄角度光束结构中由光束29体现。在图6中，光线5径向向外发射。因此，能量从图6的光束中反射准直的狭窄部分被取走，放入图5的宽光束结构中光束的发散折射部分。通过这种方式，宽角度光束的强度与在图6和图5之间进行从窄光束到宽光束结构缩放转变时没有发生能量转移的情形相比而言可保持更加均匀。

图4是本发明的另一个实施方案的透视图。LED光源18和第二透镜10被置于凹面反射器17之内，图3的侧面剖面图对其给予了最清楚的显示。在图3的实施方案中，透镜10是与LED源18本身相独立的构件。在图3的实施方案中，透镜10显示为具有一个后表面23，该表面与LED源18的封装的前表面相一致。透镜10的前表面具有复合的曲率，即一个球状外围或方位环(azimuthal ring)状表面27和中心半球状表面部分25，其中表面27具有大致以发射器12为中心的第一曲率半径r₁，中心半球状表面部分25以较小的第二曲率半径r₂的表面自表面27延伸，其中r₂＜r₁。透镜10可被引入替代LED源18的封装中的透镜。

基本上所有来自LED发射器12，没有被LED基片吸收的辐射光能量都在图3的光线图解中由光线11，16或14表征。由光线16表征的LED发射器12所发出的光能量显示为偏离LED源18的中心或光轴大约45度，也就是在π球面度的正向立体角之内。光线14表征辐射到光线16界定的π球面度正向立体角之外直至偏离中心或光轴90度以上，也就是直至2π球面度正向立体角之外的范围内的光线。透镜10中光线14穿过的部分相对于LED发射器12基本上是球形，使得它不会在任何显著的程度上影响或折射光线14的方向。光线15表征从反射器17反射的光线。光线11表征位于一个立体锥之内的光线，该立体锥以LED发射器12为中心，从LED源18的中心光轴到光线16，也就是π球面度的正向立体角。光线13表征被透镜10的表面25折射的光线。透镜10中光线13通过的部分25会折射或改变光线13的方向。图3中所示的光线16和图2中所示的光线4显示为分别由源18和源1直接辐射，但是实际上，所选择的几何形状使得光线4和光线16或者被分别反射为光线5和光线15，或者被分别折射为光线6和光线13。

本发明提供对LED源1或18以照明为目的所辐射的光能几乎全部或100％的收集效率，并将所收集能量分布至被控制和可定义的光束图样。要提醒的是LED就是基片或衬底的表面上设置的一块发光区域。发光结发出的光主要从基片表面出射向前，非常少部分射向侧面，极少量在衬底水平面以下。从发光结射入衬底的光线被部分反射，折射以及吸收为热。本发明基本上收集发自设置在衬底上或之中的LED源1或18的没有在衬底中被吸收的所有光线或能量，并且将其重新引导为下面描述的两个不同的光束。通过设计，这些光束可主要瞄准单一的方向，但在一个需要所述光束的不同分布的应用场合不必如此。

本发明收集在两个区域或光束的所有LED能量。第一个区域是大约正向2π球面度的立体角(侧面剖面图中45度半角)，第二个区域是在，例如正向1.04π球面度和2.12π球面度之间的立体角内(分别相应侧面剖面图中47度半角和95度半角)由LED源1或18所辐射的能量。这两束光束之间精确的角度划分线可以根据即将实施的应用而变化。因此本发明可基本上控制LED源1或18所辐射的全部能量，仅伴有表面的、少量形状(figure)损失和由半球状透镜2的悬置装置9所致的少量损失。形状损失包括光学系统某些方面的缺陷所致的光损失，这些缺陷源于光路中的接缝、边缘、嵌条和其它机械破裂没有用数学锐度完美定义，而是由具有波长或更高量级的微观粗糙程度或物理公差的三维材料物体形成的事实。由于菲涅尔透镜的边缘并不是无限锋锐，或至少在大于一个波长的尺度下至少是部分程度上具有锐度缺失所导致的损失就是上述形状损失的一个例子。

例如在图1和图2的实施方案中，第一区域之内的能量通过悬于LED1对面的透镜2被收集。第二区域内的能量通过反射器3被收集。收集角度的轻微交叠是用以确保没有发自放射器的能量由于LED放射器大于一个点光源而在两个区域之间渗漏出去。通过改变基本元件的任一个或两者，即透镜2或反射器3，合成的光束可以被设计为与系统的要求相匹配。本发明允许前述表面20和22中的任一个被改变，以控制合成的光束。

反射器3可被设计为提供准直的，会聚的或发散的光束。反射器3可以是或不是一个公共圆锥曲面，也可以被刻为小面(facet)或刻上凹痕(dimple)或者以其它方式被改进以提供所需的光束图样。器件24可选择性的具有至少一个额外的透镜和/或表面，形成LED封装的一部分，以进一步控制或更改从反射器3和透镜2辐射的光线。

因此，现在可以理解，为了实现本发明的目标，透镜2和10的光学设计，包括它们相对于发射器12的纵向定位，可根据本发明的教导而改变。例如，上述由两部分构成的光束中中心立体角内的照明特性可以被透镜2和10的光学设计，如准直度操纵。更进一步的，光束的两部分，即光束的中心和外围立体角之间的划分线和过渡，可依据透镜2和10相对发射器12的纵向定位和径向尺度或范围加以操纵。

多个数目的器件24可被排为阵列以提供额外的功能。这些阵列可包括两个或更多的本发明实例，这些实例可通过具有一套独有的透镜2和反射器3的组合单独地进行优化。例如，一个上述的器件阵列可被用以提供比单一元件或单元更多的光。依照本发明的多种光源在上述阵列中可被指向选定的方向，所述方向根据取决于即将施行的照明应用的每一个元件设计而变化。这些元件可各自具有不同的焦点或光束图样，或者可包括至少多于一个元件群，每个元件群具有不同的焦点或光束图样。例如，当用在街道照明时，本发明可被设计为一列，以在电灯阵列正下方具有宽的扩展光束，并且以更集中或更明确的聚焦点或聚焦环向外发送光线至照明图样的外围边缘。

本领域普通技术人员可在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行多种改造和改进。例如，尽管图示的发明实施方案是结合便携闪光灯描述的，但是必须明白，潜在的应用范围是更宽泛的，具体包括但不限于，头灯，自行车灯，战术闪光灯，医疗头灯，机动车头灯或尾灯，摩托车灯，飞机照明，水上和潜艇航海应用，非便携灯和任何其它可能需要LED光源的应用。

此外，当被实施为闪光灯时，本发明可具有多个开关和聚焦选项或其组合。例如，一个尾盖开关(a tail cap switch)可以与一个通过扭转闪光灯头部或其它部分实现手动操作的聚焦或缩放装置相结合。此尾盖开关可被实现为一个扭转通/断开关，滑动开关，摇臂开关或按钮开关，并可与电开关相结合以聚焦。该开关的本质、形状和位置及其激活的控制可采取任何现在已知或将被发明的形式，并可与一个手动、机动、自动和采用其它任何现在已知或将被发明的形式的聚焦装置相结合。

因此，必须明白图示的实施方案仅仅以举例为目的被阐明，它不应该被作为对下述权利要求所定义的本发明的限定。例如，尽管权利要求的要素在下文中是按照特定组合阐明的，但是必须清楚理解，本发明包括更少，更多或不同要素的其他组合，这些要素在上文中被公开，即使那样的组合最初没有被要求保护。

本说明书中用来描述本发明及其多种实施方案所用的词语不仅要被理解为他们通常被定义的含意，还要包括通过说明书中的特别定义的超出所述通常定义的含意范围之外的结构，材料或行为。因此，如果一个要素在说明书上下文中可被理解为包含多于一个含意，那么它在权利要求中的用法应该被理解为对说明书和该词语本身支持的所有可能的含意都普适适用。

因此，以下权利要求书中词语或要素的定义在本说明书中被定义为不仅包括字面阐明的要素的组合，还包括通过实质上同样的方式执行实质上同样的功能，以获得实质上同样的结果的所有等价的结构、材料或行为。因此，在这个意义上可以预期，对下文权利要求书中任意一个要素，可进行两个或更多要素的等价替代，或者，权利要求中两个或更多要素可由一个单一要素替代。尽管要素在上文可能被描述为作用在特定组合当中，甚至最初也是如此要求保护的，但是要清楚理解，被要求保护的组合中的一个或多个要素可在一些情况下从该组合中被除去，该被要求保护的组合可被转向到一个子组合或子组合的变体。

对于本领域普通技术人员而言对被要求保护的主题进行的非实质的改变，无论现在已知还是即将发明，都被清楚地考虑为等效地在权利要求书的范围之内。因此，对本领域普通技术人员来说现在已知或将被知晓的明显替换被定义为在被定义的要素范围之内。

该权利要求书因而应被理解为包括上文具体阐明和描述的内容，概念上等价的内容，可被明显替代的内容以及实质上引入本发明本质思想的内容。