高度控制使用多重光源(LED)的照明器材的光分布的方法、系统和设备

摘要

一种设备、方法或系统用于包括多个照明元件例如一或多个发光二极管的照明单元，每个元件具有可独立定位的相关光学器件。在本发明的实施方式中，一或多个光学器件可利用优化技术进行开发，以使得能够通过转动或以其它方式定位反射器、折射透镜、TIR透镜或其它类型透镜而产生复合光束，从而照明不同目标区域。这里的照明设备、方法或系统能够利用小量的光学器件和器材备件而大程度地改变来自可供使用的器材的光束类型。在一些情况下，通过使用各种光束模式的组合，一小组的独立光学器件足以产生大多数所需典型和专用复合光束，以满足大部分照明工程和目标区域的需要。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年9月16日提交的美国临时申请61/097,483的优先权，该申请整体上以引用方式并入本申请。

背景技术

本发明的各实施方式总体上涉及用于照明的系统和方法。特别地，本发明的各实施方式涉及用于高度控制来自使用多重光源例如LED(发光二极管)的照明器材的光分布的系统、方法和设备。

现有HID器材使用单一大光源来提供光束，可以通过改变反射器设计和安装定向而在一定程度上控制光束。典型LED器材具有多重功能类似的小光源。每个小光源具有光学器件(反射或折射透镜)，以产生特定的光束模式。来自每个LED的光束具有相同的尺寸、形状，并且覆盖相同区域(取决于在器材内的位置，存在几英寸的偏差，这相对于投射的光束尺寸而言不明显)。这意味着来自器材的光束仅仅是单一光束增亮版。

这种方案要求与LED一起使用的光学器件被设计成在与LED组合的状态下产生最终照明输出形状(例如IES的II型分布)。这种方案的缺点是所设计的光学器件只能被用于一种形式的分布，并且要求为每个光学器件和光束类型单独地进行开发、加工和库存备件控制。这些类型的器材的一个例子是BetaLED(Beta Lighting Inc.，Sturtevant，WI；www.betaled.com)制造的LED器材，其使用为每个不同类型的期望光束设计的阵列分布的相同“Nanoptic”^TM透镜。

因此，这些器材可以在控制光束的分布和强度以及控制眩光和溢散光方面进行改进。能够提供更容易改变和控制的光束模式的照明器材因而在照明行业中是实用和理想的。

发明内容

在下面的描述中，出于解释的目的，大量具体细节被提供，以便更彻底地理解本发明的实施方式。然而，本领域技术人员显然可以理解，本发明的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下实现。

本发明的实施方式参照LED、LED照明等被描述，然而，本发明的实施方式同样适用于允许多重光源一起被封装在小区域中的其它各种固态或其它形式的照明装置(例如，激光器)或器材。

出于描述的目的，方便的是描述其中LED面向上方的实施方式。出于描述复合光束输出的目的，方便的是描述其中LED面向下方的设备。有关定向的描述并不意味着排除以任何其它期望定向安装。

因此，本发明的主要目的、特征、优点或方面是对现有技术作出改进。

本发明的进一步目的、特征、优点或方面是解决现有技术中存在的问题和缺点。

本发明的进一步的目的、特征、优点或方面包括用于产生光分布系统的方法，以向预定区域提供特定照明规格的照明方案。所述区域可包括标准光束形状，例如IES/NEMA光束类型，以及单独定制的光束形状，包括具有非均匀光分布的形状，即在一些一平方米量级的小区域内增加或减少光量。作为一个例子，复合光束，例如在图2A中从上方以简化形式所显示的光束200，可包括来自单一器材10的光束210。或者，复合光束220可由来自集中组(可见于图2B)中的多重器材10的光束210形成。IES或IESNA(Illuminating Engineering Society of North America)和NEMA(National Electrical Manufacturers Association)，以及标准光束形状，对于本领域技术人员是公知的。

一些实施方式的优点包括能够利用相对高强度(产生高坎德拉)、高效率(高流明/瓦)光源向预定规格的目标区域提供具有期望的形状、尺寸和强度的照明，例如角落、走廊、建筑物立面，以及靠近“低照明区”的区域例如居民区、公园等。其它优点包括能够向目标区域提供均匀照明，以避免粗糙光斑、阴影、眩光和其它不理想效果。

本发明的进一步的目的、特征、优点或方面包括用于具有多个照明元件例如一或多个LED的照明单元的设备、方法或系统，每个元件具有可单独定位的相关光学器件。在本发明的一些实施方式中，一或多个光学器件利用优化技术进行开发，以便通过转动或以其它方式定位光学器件而产生复合光束，从而能够以有效的方式照明不同目标区域。相关光学器件可包括反射器，折射透镜，TIR透镜，或其它类型透镜。确定使用哪种类型的相关光学器件可以基于针对特定用途的可行性，例如从器材的出射角，或制造费用和喜好。

本发明的进一步的目的、特征、优点或方面包括照明设备、方法或系统，其能够使用小量的备用光学器件和器材实现大范围地改变来自可用器材的光束的类型，从而潜在地降低器材成本，降低客户照明的交付时间，和倍增任何可能产生的器材或光学器件的通用性。在一些情况下，通过使用各光束分布的组合，一小组的独立光学器件(或许在小于10个的量级)就可能足以产生满足大部分照明项目和目标区域所需的大部分典型和专用复合光束。

设备

本发明的一些实施方式提供了一种设备，其包括具有多个独立光源的照明器材。所述多个独立光源可包括固态光源(例如LED)。每个光源可包括自身的光学器件，带有相应的元件例如反射器，折射透镜，遮光突片，和/或其它元件。根据本发明的实施方式，每个独立的光学器件是相对于器材和/或其它光源安置在特定位置的一个阵列的光学器件的一部分。该阵列可以分布成多排、圆形、辐射状、螺旋状模式或任何其它模式或形状。各独立的光学器件可通过一部件安装在器材中，该部件还能提供相对于光源沿一或多个方向的调节，以便改变复合光束中各光束的位置。光学器件的调节可以通过制造或组装过程而预设，或者器材可被制造成使得各光学器件的转动位置可在安装时或以后的时间进行设置。这允许，例如，各器材的局部备件可被非常快速地构造成适合于给定用途。

虽然传统LED器材通常利用卡配元件和/或粘合剂安装LED，但这些安装技术可能导致位置或定向上的损失，或是相对于区域照明器材的预期寿命而言器材短时间内出现故障(即相对于几十年级别的预期寿命，在几年内出现故障)。本发明构想出的安装/调节方法和设备在本领域中提供了改进。

根据本发明的实施方式，器材可包括安装在衬底上的LED，衬底可以是层合或分层金属电路板，标准电路板材料，和/或其它材料，用以提供尺寸稳定性，提供或固定所需的电路，和提供可选的热学管理益处。

在本发明的实施方式中，器材可以可选地包括用于进一步引导或控制各光束的元件，例如突片(例如图9中的35)或类似结构，其可以相对于一或多个彼此独立的光源固定在器材中，并且布置成使得能够约束直射、非反射或非控制光，或类似地约束对于特定用途而言以不理想的角度发射的光。

系统

本发明的实施方式提供了一种系统，其使用以各种彼此相隔的位置在待照明区域内或周围安置的多个器材或器材组。此外，本发明的实施方式可使用一或多个组，每组一或多个器材，以在预定规格的目标区域内提供期望级别的照度，以便提供上述照明方法对于各种区域例如运动场、停车场、建筑物等的协调益处。

照明系统设计方法

根据本发明的实施方式，照明系统设计可能要求两个或三个分开的步骤，包括分析预期的用途，选择各光学器件，和设计复合光束。这些可能根据需要被重复以使得设计被最优化。

a)产生复合光束

在一个方面，光束以下述方式构成：来自每个光学器件的光束(即来自光源且被光学器件引导的光产生的光束)构成整体光束模式的一部分。该光束部分可以是用于目标某一部分的主光源或者基本上是唯一光源；或者，通过组合一组这样的投射各种光束类型(例如圆形、加长或长条光束)的光学器件，一系列重叠光束能够以期望的照度级别建立为期望的模式(例如图3D)，这可能有助于补偿距离(平方反比定律)和入射角(余弦定律)或用于其它因素。例如，更多的独立光束可被朝向复合光束的远侧边缘引导(参看例如图3B)，或者，具有不同强度的不同光束模式(例如圆形、加长、窄、宽等)可被产生，以使得目标区域中的分布是均匀的(例如许多‘十度’圆形光束可被用于照明与器材相距最远的区域，而较少的‘二十度’光束可被靠近器材使用，等等)。光束边缘能够以任何理想角度重叠会合的光束，以提供均匀的分布，或者整个光束可以重叠另一光束以提高强度，并且复合光束可以由具有不同尺寸、形状、分布角度和定向(例如只向可用透镜设计投射，图4中的“长条”光束403可以沿光束轴向、横贯光束或以相对于光束轴线的一些其它角度定向)的一定数量的独立光束的组合构成。所产生的光束分布可以是矩形、长条、椭圆、圆形、扇形或期望的其它形状，如示于图3A-3E。

根据一些实施方式，对于可被用于运动场的方案，这样的光束可提供照明于例如照明器材安装柱的基部以及提供至运动场上的远侧区域。另外，在本发明的实施方式中，光束可在运动场边缘切断(图3C)，同时还能靠近运动场边缘提供适宜的照度。容易配置成被照明的各种形状的例子包括例如运动场角部(图3E)，足球场(见图3D)，短且宽的建筑物270(见图14A和14B)，高且窄的建筑物280(见图15A-15B)，以及许多其它特定形状和构造。

‘像素化’

不同于传统照明器材，本发明的实施方式能够以高精度级别提供‘粒状’或‘像素化’控制光，其中，对于给定用途，可在1平方米量级的(根据透镜设计、安装高度器材安装角度等可更大或更小)小区域可具有在一定程度上控制的亮度。这允许目标区域内的一些区域被着重强调。对于需要照亮醒目定义的形状的建筑物、标记或其它用途，这些实施方式同传统照明相比提供了更大的灵活性。

在一个例子中，输出36,000流明的HID灯能够以200勒克斯(流明/m²)覆盖大约180m²(12m×15m的区域)。本发明的实施方式提供了一种器材，其包括多重LED，它们能够覆盖相同的180m²区域。每个单一LED例如能够输出200流明并且为一平方米提供足够的光。这提供了一定级别的精确控制，以实际上提供“逐个像素地”控制目标区域上的照度，这是传统HID和LED照明不能实现的。传统HID和传统LED器材都局限于从器材投射的光束模式，这在采用只能影响整个光束或光束大部分的方法时，只能进行小量改造。

附加可选元件

对于使用反射型透镜的实施方式，如果器材需要采用平板玻璃罩，例如图1B中的40，并且器材需要定向为大体上平行于地面，则可能工作得不佳，因为一些光束模式可能要求高入射角。结果可能是，光可能被罩反射，而非传输透过罩。在这种情况下，可能更有效的是使用折射透镜设计或改变罩设计。在罩上使用防反射涂层是本领域公知的，其理论上允许相对于垂直方向的入射角高达60°，这可增加折射透镜在较高角度的可用性。然而，它们的使用一般局限于与垂直方向成大约45度，这使得在一些情况下使用折射透镜阵列比反射透镜阵列更有效。

可选的附加元件可包括附加透镜或透镜组或其它与器材相关的光学元件，其可以对整体照明效果做出贡献，或者可以提供其它益处，例如增加美学效果，保护器材的元件，或降低直接观看器材时的任何不佳视觉效果。

使用一个阵列的LED的器材可以允许光以相对控制的角度射出，这对于一些用途来说是可接受的，但仍可受益于附加控制。使用现有照明器材中常用类型的单一遮光器可能趋向于完全遮住从靠近器材前部的光源射出的光(参看图7B)，或是趋向于对靠近器材后部的光源射出的光的角度几乎或完全没有影响(参看图7C)。如示于图7D，多重遮光器797可提供附加的新颖措施来精确控制来自器材的光。

可瞄准性

本发明的一些实施方式提供了或提高了在工厂中针对特定位置或用途的器材预瞄准能力。本发明构想出的实施方式可容易实现预瞄准，因为它们的光在一区域上的定位能够精确地建立并且针对器材的预期安装位置而分度调节。另外，利用单独瞄准的光线/光学器件或利用器材上的精确制作的基准进行分度，可将器材精确地瞄准。

附图说明

下面将利用附图对本发明的实施方式和方面进行描述，在附图中：

图1A-1B示出了根据本发明的实施方式的器材；

图1C示出了根据本发明的实施方式的器材；

图1D示出了根据本发明的实施方式提供定向和分度的子结构或框架；

图1E示出了根据本发明组装一个阵列的LED和光学器件的方法的实施方式；

图2A-2B示出了根据本发明的实施方式形成复合光束的方面；

图3A-3E示出了根据本发明的实施方式的可行复合光束布局；

图4示出了根据本发明的实施方式可被产生或用作子光束的一些光束形状的例子；

图5示出了根据本发明的实施方式使用反射器型光学器件的一种示例性器材的方面；

图6A示出了根据本发明的实施方式的用于设计反射光学器件元件的Bezier控制；

图6B是根据本发明的实施方式产生的光学器件的未剪切图像的曲线图；

图6C是根据本发明的实施方式基于光学器件剪切线的剪切图像的曲线图；

图6D示出了基于根据本发明的实施方式产生的抛物面反射光学器件元件的等光强迹线；

图6E示出了基于根据本发明的实施方式产生的抛物面反射光学器件元件的尺烛光(footcandle)迹线；

图6F示出了基于根据本发明的实施方式产生的改型反射光学器件元件的等光强迹线；

图6G示出了基于根据本发明的实施方式产生的改型反射光学器件元件的尺烛光迹线；

图7A-7D示出了根据本发明的实施方式的′遮光器′的需求和用途；

图8A-8B示出了根据本发明的实施方式的′遮光器′针对LED阵列的用途；

图8C示出了根据本发明的实施方式的器材的端视图(一些线被去掉)，其中′遮光器′被应用于根据本发明的实施方式的LED阵列；

图9示出了反射突片针对根据本发明的实施方式的一个阵列的LED的用途；

图10示出了根据本发明的实施方式调节光学器件的措施；

图11A-11B示出了带和不带溢散光控制时照明效果的差异；

图12A-12C示出了根据本发明的实施方式的复合光束，具有相对窄光束和大入射角；

图13A-13C示出了根据本发明的实施方式的复合光束，具有宽光束，以投射从低至高入射角范围的光；

图14A-14B示出了另一建筑物类型，其可利用根据本发明的实施方式的器材来照射。

图15A-15B示出了根据本发明的实施方式的器材如何能够向高且窄的建筑物的立面提供精确照明。作为比较，具有传统圆光束的传统器材在高且窄的建筑物的照射被显示。

图16A-D类似于图14A和B，显示了适合于宽建筑物的光束如何能够被改造成适用于窄建筑物。

图17A-17F示出了根据本发明的实施方式的具有独立的遮光器的光学组合结构。

图18A-B示出了根据本发明的实施方式的利用它们的安装板进行定向的光学组合结构。

图19示出了根据本发明的实施方式安装在安装板上的多个可转动光学组合结构。

图20示出了根据本发明的实施方式安装在安装板上的多个光学组合结构，它们被相对于安装板固定。

图21示出了根据本发明的实施方式照明多个目标的单一器材。

各图并不一定是按比例绘制的。例如，图中一些元件的尺寸可能被加大或减小，以有助于提高对本发明的实施方式的理解。另外，虽然本发明能够以各种改型或替代性形式实现，但特定实施方式在图中作为例子被显示并且在后面被详细描述。然而，本发明并不意于局限在所描述的特定实施方式。相反，本发明意在覆盖所有改型、等同替换和替代。

具体实施方式

本发明的各实施方式提供了设备、系统和方法，用于从LED(或其它独立光源)和相关光学器件例如反射器或透镜产生复合光束。复合光束可包括来自单一器材(见图2A)的光束，或来自作为集中组的一部分的多重器材的光源(见图2B)的光束。所述器材包含多个(可能是大量的)图1A所示彼此独立的光源20和它们的相关光学器件。相关光学器件可包括图1A所示的反射器30，图1C所示的折射透镜50，图1C所示的TIR透镜60，或其它类型透镜。确定使用哪种类型的相关光学器件元件可能取决于针对特定用途的适用性，可能包括考虑器材的类型和形状(例如为了考虑诸如风负载和美学等因素)，安装角度，外界条件等。

A.设计照明系统的示例性方法-总述

一般而言，使用本发明的实施方式的照明专业人士首先将分析预期的应用方式(用途)，然后，选择各光学器件，再设计复合光束。当然，对于可行的设计条件和约束，上述过程可能被重复进行。

分析应用方式

在分析应用方式时，需要确定出预期目标区域的尺寸和形状以及基于期望用途的期望照度级别，以产生总的期望流明值或数字。然后，基于为所需的总流明必须提供的每个光源的流明数和每个器材的光源数，确定可被使用的类型的器材的最小数量。这些值、参数或数字然后将基于目标区域的需要而进行修改，例如基于优选的、可允许的和须避免的器材安装位置，器材从目标区域的后退距离，安装高度，照明的入射角计算值，和考虑到光学器件的平方反比定律因素。在这些因素的条件下，使用若干可行方法之一，照明设计者将开始设计光线布局，以提供目标区域的期望照明。这类似于使用传统HID或LED器材时的设计。然而，设计者能够以远为精细的规模来设计照明，因为各独立光源中的每个分别构成施加于整个目标区域的总光量中的一个小量。另外，不同于使用传统HID或LED照明的情形，如果有任何区域的光量需要增加或减少，可以通过改变少量几个光源的瞄准方向来实现，而不会明显减少或增加光相邻区域的光量。

a)选择或设计各光学器件

如果对于给定的应用方式已经确定出令人满意的各光学器件，则一或多个类型可被选择，以潜在地满足前面已经分析过的应用方式的需求。如果不能从前面的设计中获取，则可以设计新的类型。根据本发明的实施方式，一种可用的方法如下所述：

本发明的一个优点是，单一光学器件或有限数量的光学器件，可被用于产生多重照明构造。这是如此实现的，即产生光学器件，其产生光束模式的一部分，并且可以与LED或一个阵列的相似光源中的相似光源一起使用，以产生形状灯具的期望的最终光束模式(例如IES类型V)。使用前述设计的带有LED阵列的光学器件并将光学器件定位在相对于LED的各种角度，以利用由每个光学器件构成的子模式产生最终光束模式，从而产生期望的最终光束模式。图2A示出了由子光束210形成的复合光束200的一个例子。

虽然本发明的实施方式可被用于产生具有如IES类型规定的模式的区域光，来自灯具的光束模式并不局限于IES类型，而是可以由客户配置成将灯具用于特定的照明任务。

器材的选择或设计

在设计过程中，各器材将被选择，以便于适宜的光学器件一起使用。这些器材将根据应用方式的整体方案以成组的方式安置在柱上或安置在安装位置。在这一点上，原始的设计因素和光学器件的选择将根据需要进行复核和修改，以实现精细调节的设计。

B.光学器件的精细研制

抛物面光学器件的不足之处

下面将根据本发明的某些方面来描述适合于子光束的光学器件的研制。虽然抛物面光学器件易于设计并且可被用在本发明的实施方式中，但其它类型的光学器件可能能够提供更理想的结果。众所周知，抛物面表面与位于抛物面反射器焦点的光源相组合，可产生沿着抛物面轴线的光斑光束。通过将抛物面轴线指向期望的方向，该光斑光束可被引导。然而，来自抛物面的光斑光束在区域照明时的一个缺点是来自反射器的强度分布轮廓将在被照明区域上产生非均匀的分布，即在中心具有强斑，并且急剧过渡到边缘处的零光量。这对于区域照明来说，一般不是最佳的输出光束。理想模式通常包含更均匀的分布，即灯具正下方的光平稳过渡到光束边缘。

本发明的实施方式提供了能够从单一光学器件设计产生不同光束类型的系统和方法，光学器件被专门设计成允许将子光束平稳地混入复合光束中。这是如此实现的，即采用单一光学器件而非多重光学器件，通过单一研制周期，且仅利用单一元件的备件，但能产生成本上的优点和快速投向市场。

本发明的实施方式提出了产生改型抛物面形状，以使产生的输出光束投射出用作子光束的光斑，同时在被照明区域产生平稳的分布过度，以使得各子光束可被组合而从灯具产生理想的照明光束。指向为与天底(nadir)方向成70°的抛物面反射器和CREE(Durham，North Carolina USA)型号XRE的白光LED的角度输出的一个例子被显示于图6D(单元为坎德拉)，图中示出了来自系统的代表性“光斑”类型光束。利用这一光束并将其作为区域型光源照亮系统下方10英尺处的平面，地面上的光分布被显示在图6E(光输出的单元为尺烛光)。

改造抛物面光学器件

一种具有Bezier控制点600的示例性起始点显示于图6A。每个控制点利用其X、Y、Z坐标和其控制点权重W进行参数化。基本抛物面反射器形状产生光斑光束。

抛物面形状利用Bezier多项式方案被参数化，以便允许调节若干参数来控制反射器形状，从而实现期望的输出分布。Bezier算法被广泛用于计算机辅助设计，并且对于本领域技术人员是公知的。使用Bezier算法的结果是大体描述表面的简化点和控制点列表，并且允许通过这些参数来控制该表面。在光学设计中使用Bezier样条见于许多文献。

通过使用自动优化程序对参数化抛物面反射器重新定义，以将反射器形状构造成能够在被与上述抛物面反射器光斑光束一样布置时使所产生的子光束形成更均匀的输出光束。优化程序是一种基因算法(例如参看：Vose，Michael D(1999)，The Simple Genetic Algorithm：Foundations and Theory，MIT Press，Cambridge，MA.Whitley，D.(1994)；以及A genetic algorithm tutorial.Statistics and Computing 4，65-85)。基因算法可有利于解决这些类型的问题，这是因为评价函数(merit function)的存在大量的变量和不确定行为。所用基因算法可包括实值染色体以及锦标赛(tournament)选择、交叉运算和突变。基因算法的其它改型可根据需要而使用。至少一个实施方式中的评价函数定义为照明模式的中心到模式边缘的照度衰减。随着衰减接近于线性衰减，评价函数的值增加。当然，取决于期望的用途，评价函数针对不同用途而有所不同。评价函数是众所周知的(例如参看：Press，W.H.；Flannery，B.P.；Teukolsky，S.A.；以及Vetterling，W.T.″Bessel Functions of Fractional Order，Airy Functions，Spherical Bessel Functions.″§6.7 inNumerical Recipes in FORTRAN：The Are of Scientific Computing，2^nd ed.Cambridge，England：Cambridge University Press，1992)。

表1.0示出了一种使用这种评价函数产生的光学器件的表面定义。光学器件由三次×三次Bezier曲面片(例如参看关于三次Bezier曲面片的美国专利5,253,336)描绘：

表1.0

表面定义

  点#  X  Y  Z  权重  1  9.52  7.88  -0.79  1.000  2  11.59  6.18  5.97  1.547  3  7.82  4.74  13.22  2.368  4  6.84  -0.04  -0.46  1.296  5  9.70  1.83  3.48  2.968  6  5.43  3.48  10.46  3.859  7  3.61  -4.24  -0.15  0.739  8  5.28  -0.96  4.98  1.846  9  3.19  1.34  9.22  0.771  10  0.00  -2.63  0.00  1.000

  11  0.00  -2.60  6.91  2.113  12  0.00  0.67  9.27  0.727  13  0.00  4.57  11.53  1.000

请注意只有右半部分控制点被列出，因为左半部分控制点与它们相对于y轴线对称。图6B是未剪切图像的曲线图(显示了两半部分上的控制点)，图6C是基于表2.0中描述的剪切线剪切的图像的曲线图。

表2.0

切口剪切线

  点#  X  Y  Z  1  0  0.54  0  2  0.213  0.54  0  3  2.647  4.645  0

在形状优化后，子光束具有如示于图6F和6G的后续角度和照度输出。当光学器件随后围绕LED转动以实现特定的模式时，所产生的输出模式是更理想的照明。

示例性基因程序算法

在基因算法的实施方式中，受控的变量是每个控制点的X、Y和Z坐标，以及每个控制点的Bezier权重(例如参看：Xiaogang Jin和Chiew-Lan Tai，Analytical methods for polynomial weighted convolution surfaces with various kernels，Computers & Graphics，Volume 26，Issue 3，2002年6月，第437-447页)。对于特定的例子，有36个变量。评价函数是对来自距器材5英尺到距器材50英尺的单一反射器的照度数据进行切片而确定的。数据以1英尺的增量采集，然后与穿过同样点的理论均匀线做比较。与该线上的每个点的偏差被计算和平方，总差值为平方值之和的平方根。用于该算法的拟合函数需要实际增加，以展示更好的性能，从而最终有益值为1/(总差值)，以使得其随着对该线的拟合变好而接近于无穷。计算拟合的实际编码如下所述：

在该特定的例子中，具有36个基因(总变量数)的实值染色体被使用(换言之，变量不被转化为零值和1值)。群体大小设置为100。锦标赛格式被用于确定哪个染色体存活成为下一代的母体并且具有8个在锦标赛中竞赛的个体。锦标赛选择是随机的。交叉运算使用随机交叉掩码被执行，其中0表示保持第一母体基因，1表示保持第二母体基因，并且颠倒母体次序以便为每对母体产生一对子体。以突变阈值0.3(30％的突变概率)允许子体突变，突变量局限于37.5％(如果发生突变，突变量随机选择在0和37.5％之间)。用于优化的1000代被运转。

本领域技术人员可以理解，可能有其它组合可被用于使结果加速或获得更高阶拟合函数。

C.示例性方法-产生定制(非标)光束形状

定制光束原理

根据本发明的实施方式，可使用众所周知的光学原理设计各光学器件，以投射具有期望的形状和分布的光束。例如，光学器件可提供具有长竖直分布的类型5横向光束分布，或具有短竖直分布的类型2横向光束分布，或任何其它期望光束分布。光学透镜和反射器的设计和构造方法是本领域公知的。用于照明远处目标的接近于平行地面的器材具有相对于器材的‘更平坦’的出射角，其中反射光学器件可能更为适合；而相对于地面更为竖直定向的器材，或用于照明较短距离目标或位于正下方目标的器材，相对于器材的出射角‘更陡峭’，其中折射光学器件可能更为适合。然而，在上述选项之间存在相当大的重叠，因此反射还是折射需要根据环境而作出。或者，对于一些用途，在同一器材上同时使用反射和折射光学器件可能是适宜的。

设计每个IESNA的复合光束

在分析了光向目标区域整体施加方案，并且选择或设计了适宜的各光学器件后，设计者将每个独立的光学器件布置在每个器材中，以设计复合光束。为了为给定应用方案和目标区域设计特定的复合光束，本领域技术人员公知的若干方法可被使用。对一些方法的讨论见于：IESNA Lighting Education：Intermediate Level，New York：Illuminating Engineering Society of North America，1993，sections 150.5A、150.5B。

在一些实施方式中，光建模可被用于选择各光束的光学器件设计和定向，以从器材产生复合光束。例如，从示于图4的光束形状400-403或从其它光束形状选择一或多个，照明设计者，借助于可选的商业供应的照明软件程序的辅助，可产生期望的复合光束形状和强度。设计者可确定器材中透镜提供的光束模式的数量和组合。对于每个器材，设计者可继续进行选择各器材，其使用一定数量的反射和/或折射透镜。由于设计的选定透镜可被部署在器材中的位置和定向上，以使得光根据期望而分布在目标区域上。根据本发明的实施方式，对目标区域的各边缘进行专门的考虑，以便在各边缘提供均匀照明，而没有过多的溢散光超出目标区域。

利用灯具等价物设计光束

在本发明的实施方式中另一设计特定复合光束的方法包括使用现有的软件即客户照明设计软件计算每个独立的光学组合结构的“灯具等价物(luminaire equivalence)”。使用这种方法，每个独立的光源被看作是灯具。设计者可基于其测光性能来选择光学器件系统，并将来自每个独立光源的光射向期望的目标区域。这一过程被重复，直至期望的复合光束形状和强度级别被达到。在一或多个实施方式中，如果需要的话，一定级别的自动化可被添加到设计软件中。

利用标准布局工具设计光束

根据本发明的实施方式的另一设计特定复合光束的方法是使用标准布局工具，例如绘画板，计算机辅助设计软件，或其它工具，以将选择的光束形状分布成产生复合模式。例如，如果期望的复合光束模式看上去类似于示于图3B的，则可供使用的光学器件可基于它们的分布和强度被选择。这些独立的光束被布置成充填区域，并且多重光束重叠以实现期望的强度。

下面的表3.0描绘了构成光源光学器件系统的各光束的光学器件选择和定向，以产生示于图3B的复合光束。

表3.0

利用其它方法设计光束

其它复合光束设计方法也是可行的并且被认为包含在本申请中。

除了基于使用单一器材设计复合光束以外，本发明的实施方式还可以基于众所周知的照明原理使用多重器材以指向相同或重叠区域，以将强度建立到期望的级别。来自两个或更多器材的复合光束可被组合，以提供整个目标区域的照明。

定制光束的例子

后面的图中示出了根据本发明的实施方式的各种简化的复合光束。图12A-C示出的复合光束具有相对窄光束240和大入射角。图13A-C示出的复合光束250具有宽光束，其投射从低到高入射角范围的光。图15A-B示出了所构想出的类型的器材如何能够向高且窄的建筑物提供精确照明。图15B适应性示出了如何将各光束组合起来覆盖建筑物上期望的区域，同时基本上避免浪费或‘溢散’光。

图15C示出了建筑物可被使用简单光学器件的传统照明器材或LED类型器材照明的情形。圆光束完全照亮建筑物，但具有明显的溢散光290。图15B以简化形式示出了相同是建筑物如何可被从根据本发明的实施方式器材发出的复合光束照亮。多重独立光束被引导成避免明显的溢散光，但能提供完全照明目标区域。

图14A-C示出了可被根据本发明的实施方式的器材照亮的另一建筑物类型。图16A-C示出了一种现有结构所提供的光束320如何适合于照明在330处重合的宽建筑物(300)，但不适合于窄建筑物310。作为改型的光束(340，图16D)示出了根据本发明的实施方式器材10如何可被设计成为建筑物310提供适宜的照明。

图3A-E中的复合光束还示出了定制或非标复合光束形状如何可被产生以适合于专门的用途。例如，图3E中的复合光束将良好地适合于照亮目标区域的角部。图3B还示出了如何通过叠加光束来增加光束远侧部分的强度(本例中为光束形状400)。

D.示例性设备-反射透镜器材

器材构造

具有各独立的光学器件的器材10的一个例子显示于图1A。固态光源20被以错置的列的模式安装在图1E所示电路板80或其它结构上。根据本发明的实施方式，其它模式也可使用。各反射器从每个光源产生期望的光束模式，并且也安装在电路板上，位于每个光源上方并且沿期望的方向定向。本发明的实施方式中的反射器可以在一定程度上具有镜面反射性、扩散性和/或吸收性，取决于期望的效果。

将反射器附连于电路板或其它结构的各种方法可用于本发明的实施方式中。附连反射器的方法的例子包括，但不局限于，利用作为单独零件的安装销、紧固件或粘合剂安装在光源上方。自动拾取和定位组装机可在本发明的实施方式中使用，以确保精确定位反射器和正确定向每个照明设计。或者，反射器可被安装在图1D-1E所示的能够提供定向和分度的子结构或框架90上。

光学器件

图1A所示器材中使用的各光学器件是是反射器(图1C中的30)，位于LED光源20上方，基于反射器设计将光线以期望的模式投射。所述多个反射器沿各种方向定向，以提供如示于图2A作为可行复合光束模式一个例子的光束模式。每个反射器的定向基于期望的光束模式和强度确定。

反射器可以彼此错置，以避免潜在地将来自光源的光向其后侧阻挡。它们包括反射器30中的可选的v形切口(图6C和图9)，以允许一些光线被向下而非向外引导。这可以为提供器材正下方或前方提供照明。图5示出了根据本发明的实施方式的一个阵列的独立光源和可行典型反射器角定向的例子。

反射器可由各种材料制成，取决于用途、成本因素、可获得性等。例如，反射器可由带金属化表面的模制塑料制成，通过注射成型制成，由铝机加工和抛光制成，等等。

一种类型的调节或分度方法的一个例子将各独立的透镜俘获在圆形孔中，每个孔可以具有度数或分度标记。透镜可设有螺丝刀插槽a并且被调节至期望的位置。或者，透镜可借助于在器材上临时标引的精调器械实现定位。透镜可以通过摩擦配合或通过任何数量的夹持或紧固方法保持就位。光学器件还可以利用分度系统(例如切口95、垫片、凸台等)简单地定位在图1E所示基体90中。另外，可在现场进行光分布的精细调节，并且如果特定位置需要改变，则来自器材的光分布可按需要进行改造。

根据一些实施方式，分度系统可被自动机加工或制造成基体的一部分；光学器件阵列可被附连，以使得通过使用能够与各独立光源的安装结构中的分度结构精确配合安装销、螺钉、凸台等(参看例如100，图1E)，预定的间距、转动定位等针对各独立光源和照明器材建立和维持。此外，该安装方法可在长时间内(在几十年的级别上)提供高安装精度，并且这种将光学器件阵列安装到各独立光源上的方法基于小量的元件，它们被制造成具有一定的许用工差，以确保配合元件的精确分度。

其它调节特征可包含作为系统的一部分，以允许在不大体平行于器材的平面中进行调节。例如，使用耳轴型安装件55，借助于例如定位螺钉45或齿轮和扇形调节元件(见图10)，通过将反射器相对于安装平面‘倾斜’，反射器可被调节。类似地，覆盖型光源可被设计成将反射器保持在相对于安装表面或模板的特定‘竖直’角度。

光束布局的例子

表4.0描述了分布来自图5中的光源光学器件系统的各光束以产生复合光束的一种可行方法。在这个例子中，一般复合光束是IES类型4形状的。本实施方式中的反射器全都是抛物面形的，但其它实施方式中也可使用其它形状。在本例中，一般复合光束利用具有抛物面型设计的普通光学器件设计产生，器材上的全套光源都使用这种光学器件设计。参看图5，示出了参照下面的表4.0构造的一种示例性器材和光学布局。

表4.0

E.示例性设备-折射透镜

图1C中的光学折射透镜50或TIR透镜60可被安置在LED光源上方以便分布光线，以从具有多个光源的照明器材产生类似的效果，即高度控制和可定制复合光束。透镜可由各种材料制成，取决于用途、成本因素、可获得性等。例如，透镜可由模制塑光学玻璃等制成。

F.示例性设备-遮光条

在本发明的实施方式中，遮光条被示于图8A-C，并且被安装成限制光线从器材发射的角度。图7a示出了从根据本发明的一些方面的简化了的器材的光源711a-c发出的代表性光线760a-c、770a-c和780a-c。在图11A中，从照明器材10发出的示例性光线170和180(由多重光线770a-n和780a-n组成，如图7a中所表示)处在不理想角度，导致光线不是照亮图11A-B中的照明网球场140，而是沿着非期望方向运行。将遮光器790如图7b所示安装，以根据期望阻挡光线770和780，而且还阻挡了来自LED711c的光线760c。如图7c所示安装遮光器790，可以根据期望不允许光线760a-c传播，但允许光线770a-b和780a-b传播，这是不期望的。根据本发明的实施方式的一种可选的方案显示于图7d。在示于图7d的实施方式中，安装多个相同的遮光条797a-c，以允许光线760a-c按照期望传播，同时阻止各光线770a-c和780a-c沿它们的非期望路径传播并且重新引导它们以在目标区域提供可用光。

这些遮光条被显示为与反射光学器件一起使用，然而，在本发明的实施方式中这些遮光条也可以与折射或其它光学器件一起使用。

遮光条可由金属、塑料或其它材料制成。它们可被涂覆各种材料，以提供任何类型的表面期望，例如镜面反射、扩散或光吸收性表面。遮光条的尺寸(即高度)、定位和角度可被计算，以提供特定的益处，例如(a)在相对于器材的某个角度阻挡光，(b)向下反射光，如可见于图7D，以便在给定区域(例如安装柱/结构的正下方/前方)提供附加光。遮光条的边缘可以是直线的，或者可以被成形或改型以提供特定光扩散特性。可选地，不是具有平表面，本发明的实施方式中遮光条可被赋予某种形状，以提供光控制或分布方面的进一步益处。

遮光条797可以(a)以标准配置安装在每个器材中，(b)可以根据客户配置或半客户器材配置设计和安装在特定角度或位置，或(c)可被安装者或使用者调节。图7D中的遮光条797相对于器材的安装角度和高度可在工厂或现场调节。例如，在本发明的实施方式中，器材可由能够提供可变倾角的机构调节，或者将遮光条以可规定的安装角度安装，或通过其它手段安装。安装高度可由垫片调节，针对每个用途选择不同的遮光器高度，螺纹调节，或采用其它手段调节。

G.示例性设备-遮光突片

一种附加可选的特征是图9中的设在光源附近的突片35，其被用于阻挡和/或反射由光源直接发出而未被反射器反射的光。突片可由能够阻挡或反射光的材料制成，并且可以或多或少地具有镜面反射、扩散和/或吸收性，取决于期望的作用、相对于光源的位置等。

H.示例性设备-带有独立的遮光器的透镜

已经发现，LED照明设计中的一种有益且新颖的途径是，构造为用于单芯式LED(例如型号XPE或XPG，可购自Cree，Inc.，Durham，NC，U.S.)的光学器件的反射器能够非常适宜地用作用于较大的4芯式LED(例如Cree MCE LED)的光学器件。这使得能够从给定尺寸的器材或减小尺寸的器材增加照明输出，倍数几乎为四。以前为单芯式LED设定尺寸的器材典型为光学控制而最优化，并且具有过度的排热性能。本实施方式更接近于最优照明输出和热学设计，以有助于降低每个芯片的固定成本，并且能够降低灯具封装和运输方面的相对成本。

因此，根据本发明的实施方式，示于图17A(组装图)和图17B(分解图)的器材800中的独立的光学器件组合结构包括反射透镜820和独立的遮光器810，它们相对于彼此固定，并且可相对于器材和其它独立的光学器件组合结构调节。在一个实施方式中，透镜820和遮光器810通过旋转瓦840组装，并且包括可在安装板830中转动的光学单元，安装板中包含一或多个光学单元，所述光学单元固定在装有一或多个LED的电路板或衬底上。这些元件可被分开制造，或模塑或以其它形成为单件或多件，取决于本行业常见的制造因素。在本实施方式中，瓦840具有两个同心半径850和860，它们与基板830中的开口的半径870和880匹配。这允许光学单元在基板830中转动90°左右。为实现180°光束分布，基板830可以构造成使其左右侧成镜像。或者，光学器件组合结构可被构造成允许任何期望转动运动。一个实施方式中，将LED和相应光学单元在每个方向上的对角距离为1.375英寸，各元件的高度为1英寸左右。其它间隔分布方式(例如六边形基体)和元件规模也是可行的。

光学单元的位置通过瞄准过程设定，并且其位置随着基板830被靠近电路板或衬底保持而被限定。或者，基板830可为光学单元提供稳定性，且每个转动单元可通过独立的螺钉、夹持器或其它设备保持就位。

遮光器810以理想角度切断光，并且由于随着光学器件组合结构转动遮光器810维持其相对于光源和反射透镜820的定向，因此遮光器810确保切断效果基本保持相同，而不论光学器件单元的方向如何。一个实施方式中与LED的安装平面(其通常近乎水平或竖直定向，取决于用途)之间的切断角度在65°左右，当然这仅仅是示例性的而非限制性的。除了提供光线切断功能外，遮光器还能将光沿有用方向反射，从而增加光源的利用率。遮光器尺寸通过照明领域公知的方法基于期望的切断角度和光学器件单元中反射光的需要而确定。

在一种可选的构造中，示于图17E(组装图)和图17F(分解图)的包括反射透镜825和独立的遮光器815的光学单元805可以通过安装板875固定就位，安装板将单元按照期望相对于光源转动定向和保持。通过将基板875更换为具有期望的内置瞄准角度的新的板，也可实现快速瞄准变化。

基板830或875可被设计成保持单一光学单元。这允许根据需要使用多个基板将多重光学器件安装在器材中。每个基板可被制造成定向为与围绕的板并置，并且通过紧固件、卡配或其它方法保持就位。还有一种结构可被设计成根据期望的器材尺寸保持六个(见图17C和17D)、十二个(见图18A和18B)或一些其它数量的光学单元(见图19和20)。基板830或875相对于LED定位的精度需要在几分之一英寸左右，但不需要相对于器材自身专门地安置。这就不需要在器材和LED板之间具有高精度的许用公差，因为LED板或衬底和光学器件组合结构不需要精确配合于器材。

具有多重光学单元的基板830或875可为标准用途构造成在相同器材内向不同目标提供定制照明，例如可见于图21，其中各独立的器材900分别向单独的目标例如人行道910、雕像920和标记930提供照明。这一点可特别受益于使用4芯式LED，其允许利用相对小器材来为多重目标提供足够级别的照明。

这些实施方式的附加优点包括可以仅库存小量的备件，这些备件可容易地构造成为每个器材进行客户定制，客户定制可在工厂中，在制成后且安装前，或在安装后。这使得能够实现“准时制”生产，以使得器材的最终照明目标不必确定或决定，直至瞄准坐标在工厂中设定，这可以恰在附装准备装运之前进行。库存中的各单元可容易构造成满足新出现的要求。另外，当器材到达它们的计划安装位置时，安装者常会发现安装条件发生了变化，这使得必需对照明结构做出改变。这些变化可能由许多因素引起，包括现场物理变化，树、灌木生长，区域重新规划，现场测量或记录文件不恰当或有误，等等。因此，不必要求购买新的器材且导致长时间耽搁，可在原计划的安装时间内利用新的瞄准设置安装器材，并且附加成本可被极大地降低。同样，安装后的现场变化可容易被补偿，并且如果某个订单被撤回或改变，适用于特定用途的器材可容易被重构。

I.示例性设备-透镜类型的组合

根据本发明的实施方式，器材中独立的光学器件组合结构可包括混合使用折射透镜和反射器，并且还可包括反射突片或遮光条。

J.设备-示例性，非限制性

上面描述的各种元件意在解释一些类型的可能性。前述例子仅仅是示例性实施方式，它们在任何意义上都不对本发明的范围构成限制。

总之，如各示例性实施方式中所揭示，本发明提供了新颖的系统、方法和构造，用于从LED或其它照明元件输出复合光束。虽然上面给出了本发明的一或多个实施方式的描述，但各种替代、修改和等同替换对于本领域技术人员而言是容易理解的，而不会改变本发明的主旨。因此，上述描述不应看作限制本发明的范围。

可对这些示例性实施方式做出各种修改和添加，而不脱离本发明的范围。例如，虽然前面参照特定的特征描述了各种实施方式，但本发明的范围还包括具有各种特征的不同组合方式的实施方式和不包含全部所描述特征的实施方式。因此，本发明的范围意在涵盖全部这样的替代、修改和改型。