專利名稱：用于收集并均勻傳輸led光的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于收集發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光并以均勻的方式傳輸所述光的裝置和方法。
背景技術(shù)：
LED越來越多地在許多設(shè)備中用作光源。它們小而有效并且壽命較長。例如，幾種利用了LED的閃光燈都是很有效的。參見諸如美國專利US5957714和US6220719，這兩個專利的發(fā)明人與本申請相同。
將LED用作光源的設(shè)備通常包括一些收集和/或聚焦光的方法，這是因為LED發(fā)出的光是散開的。圖1示出了典型的LED及其生成的光。一些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備包括組合的反射器和折射器元件，以用于收集并傳輸LED發(fā)出的光。參見例如美國專利US5898267。
多數(shù)設(shè)備包括將LED成像到該LED前方平面上的光學(xué)器件。然而，對于諸如閃光燈之類的設(shè)備，所需要的不是LED的像，而是均勻光柱。
一些現(xiàn)有技術(shù)參考文獻意識到了這一點。例如，一些已知的設(shè)備利用LED陣列，而且往往還利用透鏡陣列以生成光柱，而不是點光源，參見諸如美國專利US6283613。
在本領(lǐng)域中，仍然需要以單一LED提供集束均勻光的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括三個重要元件(1)LED；(2)用于收集發(fā)射到LED側(cè)面光的錐形反射器；和(3)特別設(shè)計用于將收集到的光聚焦成近準(zhǔn)直光束的透鏡。
該LED通常是具有基部、發(fā)光元件及與基部連接并覆蓋發(fā)光元件的半球形透明塑料殼體的傳統(tǒng)型LED。由于塑料中的全內(nèi)反射，這樣一種LED在其塑料殼體的頂點處產(chǎn)生光的亮帶。這些光通常被浪費掉。該反射器具有高度反射內(nèi)表面。優(yōu)選的是，該反射器是具有大約70°角的錐形。這種結(jié)構(gòu)使LED發(fā)出的邊帶光的方向變?yōu)橄蚯暗摹?br> 該透鏡是特別設(shè)計并配置成用于將LED直接發(fā)出的光和反射器反射的光聚焦為近準(zhǔn)直均勻光束。該透鏡具有兩個重要特征。首先，在每個曲面中心都包括一個無明暗差別點。這防止了該透鏡對LED發(fā)射器成像以及防止了在光束中形成暗點。因此，該透鏡投射接近均勻的光場。第二，該曲表面是橢圓的，而不是球面的，從而捕獲LED發(fā)出的快速發(fā)散光，并使其近似地準(zhǔn)直。
優(yōu)選根據(jù)以下等式設(shè)計該無明暗差別點40.05d≤s≤0.1d，其中s是無明暗差別點的直徑，d是從LED前方到透鏡中心的距離。該無明暗差別點產(chǎn)生接近均勻的光束，而不像傳統(tǒng)透鏡生成LED圖像(具有亮點和暗點)。
需要將透鏡的兩個曲表面的橢圓曲率設(shè)計成捕獲LED發(fā)出的快速發(fā)散光并使其近似地準(zhǔn)直。優(yōu)選的，該橢圓形的長軸小于距離d的0.7倍。最后，橢圓中心之間的距離應(yīng)約為s，即無明暗差別點的直徑。
在一個實施例中，該透鏡是由塑料構(gòu)成的，該透鏡邊緣處的厚度約為透鏡中心處厚度的三分之一。在這個實施例中，(d)約為1英寸，該透鏡的一半厚度約為0.24英寸，一半直徑(假定橢圓邊延長并相遇)約為0.70英寸，透鏡的邊緣厚度約為0.16英寸。


圖1(現(xiàn)有技術(shù))是表示了傳統(tǒng)LED生成的光的圖像。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的收集并傳輸LED光的裝置的側(cè)面示意圖。
圖3是圖2的裝置生成的光的均勻場圖。
具體實施例方式
圖2是根據(jù)本發(fā)明的收集并傳輸LED光的裝置的側(cè)面示意圖。本發(fā)明包括三個重要元件(1)LED 3；(2)用于收集發(fā)射到LED 3側(cè)面的光的錐形反射器1；和(3)特定設(shè)計用于將收集到的光聚焦成近準(zhǔn)直光的透鏡2。
LED3通常是具有基部、發(fā)光元件及與基部連接并覆蓋發(fā)光元件的半球形透明塑料殼體的傳統(tǒng)型LED。由于塑料中的全內(nèi)反射，該LED在其塑料殼體的頂點處產(chǎn)生光的亮帶。這種光通常被浪費掉。圖1(現(xiàn)有技術(shù))表示了典型LED生成的光。
反射器1具有高度反射內(nèi)表面。優(yōu)選的，該反射器是具有大約70°角的錐形。這種結(jié)構(gòu)使LED3發(fā)出的邊帶光方向變?yōu)橄蚯?。反射?可以是具有拋光反射表面的金屬或塑料。如果由塑料制成，則需要在內(nèi)表面上施加金屬涂層。當(dāng)該反射器置于LED周圍時，其將邊帶光方向變?yōu)橄蚯啊Ｔ贚ED3的塑料殼體頂點處，由塑料中的全內(nèi)反射生成了橢圓形亮斑。這個亮斑發(fā)出的光以幾乎垂直于光正常前行的方向射出LED。邊帶光的光輸出功率為前行光的10到20％之間。如果未使用反射器，那么這部分光被浪費掉。
回到圖2，錐形反射器1優(yōu)選具有大約70度的錐角，從而將邊帶光的方向變?yōu)橄蚯安⑼ㄟ^透鏡3。二極管3在反射器1內(nèi)的軸向位置確定了收集到多少光以及該光將在何處與前行光重疊。優(yōu)選的是，該錐形反射表面應(yīng)當(dāng)在LED殼體的半球形圓頂?shù)闹行木€下方0.04英寸處與LED3相交，以便優(yōu)化光的聚集和光束的重疊。這個距離在圖1中表示為(c)。
如上所述，反射器1將邊帶光置于透鏡前方前行光之上約10英尺處。這樣，盡可能多地利用所生成的光，提高了輸出光束的亮度并增強了任一LED照明設(shè)備的效率。
透鏡2特別設(shè)計并配置成用于將直接來自LED3的光和反射器1反射的光聚焦為近準(zhǔn)直的基本均勻的光束6。該透鏡具有兩個重要特征。首先，每個曲表面5中心都包括一個無明暗差別點4。第二，該曲表面5是橢圓的，而不是球面的。橢圓中心的間隔等于無明暗差別點直徑。
優(yōu)選根據(jù)以下等式設(shè)計無明暗差別點40.05d≤s≤0.1d，其中(s)是無明暗差別點4的直徑，(d)是從LED3的中心線到透鏡1中心的距離。為了獲得最佳性能，無明暗差別點4的直徑(s)通常不應(yīng)小于間隔距離的5％或者大于間隔距離的10％。該無明暗差別點產(chǎn)生接近均勻的光束，而不像傳統(tǒng)透鏡生成LED圖像(具有亮點和暗點)。
需要將該透鏡1的兩個曲表面5的橢圓曲率設(shè)計成捕獲LED3發(fā)出的快速發(fā)散光并使其近似地準(zhǔn)直。多數(shù)透鏡具有球面表面，但是這種透鏡不能捕獲LED3發(fā)出的快速發(fā)散光并使其準(zhǔn)直。為了使橢圓透鏡更好地準(zhǔn)直光束，半徑增加，表面5的橢圓曲率變得更加突出。
優(yōu)選的是，該橢圓形的長軸小于距離d的0.7倍。此外，橢圓中心之間的距離應(yīng)約為(s)，即無明暗差別點的直徑。
描述橢圓表面的等式是x2/(a)2+y2(b)2＝1其中如果透鏡兩面延長并相遇，那么(a)是透鏡2的短軸長度或者二分之一厚度，(b)是該透鏡的長軸長度或者二分之一直徑。因此，描述二極管/透鏡間隔距離和長軸之間關(guān)系的等式是(b)≥(0.7)(d)，其中(d)是從LED3到透鏡2中心的距離。
這個等式表示，為了充分收集來自LED/反射器組件的光，該透鏡的每個橢圓表面的長軸必須等于或大于LED和透鏡中心之間間隔距離的約70％。由于光束限幅，小于這個值的長軸將導(dǎo)致向前投射光的損失。
對于任意給定的間隔距離(d)，為了生成更準(zhǔn)直的光束，必須增大短軸。如果該透鏡是利用注模制造方法由塑料制成的，那么邊緣厚度(e)與中心厚度之比不應(yīng)超過3比1，以便避免表面下陷。這個比例給出了對于任意給定邊緣厚度的透鏡厚度上限?；诖?，如果LED3和透鏡中心之間的間隔是1英寸并且透鏡的邊緣厚度是0.16英寸，那么描述透鏡橢圓表面的等式是x2/(0.24)2+y2/(0.70)2＝1作為最后一個要點，等于無明暗差別點直徑的距離優(yōu)選將橢圓的中心分開。具有這些設(shè)計特征的透鏡2將有效地收集由LED/反射器組件生成的行光和反射光并使之近似地準(zhǔn)直。
圖3是圖2的裝置生成的接近均勻的光場6的圖像。該光束照射到距離透鏡24英寸的表面上。中心高強度光束的直徑約為8英寸；外圍光場的直徑約為18英寸。
權(quán)利要求
1.一種用于收集LED發(fā)出的光并以接近均勻的圓柱形式傳輸所述光的裝置，該LED具有基部、發(fā)光元件及與基部連接并且覆蓋該發(fā)光元件的半球形透明塑料殼體，該裝置包括圍繞該LED的基部放置的錐形反射器，用于收集LED發(fā)光元件發(fā)出的邊帶光并將其向前傳輸；與LED殼體相對并相隔放置的透鏡，用于將LED發(fā)出的直射光和反射光聚焦，其中透鏡中心與該LED上的半球形殼體的中心之間的距離是(d)；其中，該透鏡以兩個相對的、基本上為橢圓的表面為界，其中(a)是該透鏡的一半厚度，(b)是該透鏡的一半直徑，并且其中每個表面都包括一個直徑為(s)的無明暗差別點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中無明暗差別點直徑(s)在間隔距離(d)的約5％和10％之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該錐形反射器形成大約70°的錐角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該錐形反射器由金屬構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該錐形反射器由具有金屬涂層的塑料構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該錐形反射器在朝基部方向距離LED上的半球形殼體的中心約0.4英寸的偏移距離(c)處與LED相交。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該透鏡的一半直徑(b)大于或等于間隔距離(d)的約70％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該透鏡的一半厚度(a)約等于該無明暗差別點的直徑(s)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該透鏡由塑料構(gòu)成，并且該透鏡邊緣處的厚度(e)約為透鏡中心處厚度的三分之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中(d)約為1英寸，一半厚度(a)約為0.24英寸，一半直徑(b)約為0.70英寸，透鏡的邊緣厚度(e)約為0.16英寸。
11.用于收集LED發(fā)出的光并以接近均勻的圓柱形式傳輸所述光的裝置，該LED具有基部、發(fā)光元件及與基部連接并且覆蓋該發(fā)光元件的半球形透明塑料殼體，該裝置包括圍繞該LED的基部放置的錐形反射器，用于收集LED發(fā)光元件發(fā)出的邊帶光并將其向前傳輸；與LED的殼體相對并相隔放置的透鏡，用于將LED發(fā)出的直射光和反射光聚焦，其中透鏡中心與該LED上的半球形殼體的中心之間的距離是(d)；其中該透鏡以兩個相對的、基本上為橢圓的表面為界，其中(a)是該透鏡的一半厚度，(b)是該透鏡的一半直徑，并且其中每個表面包括具有直徑(s)的無明暗差別點；以及其中無明暗差別點的直徑(s)在間隔距離(d)的約5％與10％之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該錐形反射器形成大約70°的錐角。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該錐形反射器在朝基部方向距離半球形塑料殼體的中心約0.4英寸的偏移距離(c)處與LED相交。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該透鏡的一半直徑(b)大于或等于間隔距離(d)的約70％。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該透鏡的一半厚度(a)約等于該無明暗差別點的直徑(s)。
16.用于收集LED發(fā)出的光并以接近均勻的圓柱形式傳輸所述光的裝置，該LED具有基部、發(fā)光元件及與基部連接且覆蓋發(fā)光元件的半球形透明塑料殼體，該裝置包括圍繞該LED的基部放置的錐形反射器，用于收集LED發(fā)光元件發(fā)出的邊帶光并將其向前傳輸；與LED的殼體相對并相隔放置的透鏡，用于將LED發(fā)出的直射光和反射光聚焦，其中透鏡中心與該LED上的半球形殼體的中心之間的距離是(d)；其中該透鏡以兩個相對的、基本上為橢圓的表面為界，其中(a)是該透鏡的一半厚度，(b)是該透鏡的一半直徑，并且其中每個表面包括具有直徑(s)的無明暗差別點；其中無明暗差別點的直徑(s)在間隔距離(d)的約5％和10％之間；以及其中該透鏡的一半直徑(b)大于或等于間隔距離(d)的約70％。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該錐形反射器形成大約70°的錐角。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中該透鏡的一半厚度(a)約等于該無明暗差別點的直徑(a)。
全文摘要
用于收集LED發(fā)出的光并以接近均勻的圓柱形式傳輸光的裝置，包括圍繞該LED基部的錐形反射器，用于收集發(fā)射到LED側(cè)面的光，以及特別設(shè)計用于將收集到的光聚焦為近準(zhǔn)直光束的透鏡。該透鏡具有相對的、基本上為橢圓的表面，以收集來自LED和反射器的快速發(fā)散光并使其準(zhǔn)直，每個透鏡表面包括無明暗差別點，以防止形成陰影，從而生成更加均勻的光束。
文檔編號F21V13/04GK1643703SQ03806386
公開日2005年7月20日 申請日期2003年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者S·R·維托里諾, R·E·西貝爾 申請人:應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)公司