專利名稱：具有精確光束控制的光信號(hào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光信號(hào)裝置，特別是一種具有精確光束控制的用于 導(dǎo)航的LED信號(hào)裝置。
背景技術(shù)：
光信號(hào)系統(tǒng)是重要的導(dǎo)航設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)，船舶和其他交通 工具。傳統(tǒng)的光信號(hào)系統(tǒng)通常采用白熾燈或弧光燈作為光源，其發(fā)光效率 和使用壽命都很低?，F(xiàn)有技術(shù)中公開了幾種用基于發(fā)光二極管(LED)的 光源來(lái)替代常規(guī)光源的方法。LED光源具有如下優(yōu)勢(shì)大大加長(zhǎng)的壽命(超 過(guò)10000小時(shí)，而白熾燈的使用壽命僅為1000小時(shí))、更低的電功耗和更 小的外形尺寸。在頒發(fā)給Lash等人的美國(guó)發(fā)明專利6086220 (下稱"Lash")中，提出一 種航海用安全燈，用于增加船只在夜晚或其他惡劣天氣中對(duì)于其他船只的 可見(jiàn)度。該安全燈由LED陣列組成，該陣列由一系列分布成星型結(jié)構(gòu)的 LED組成，該LED陣列優(yōu)選由6個(gè)均勻分布在水平面的白光LED組成， 置于一菲涅爾(Fresnd)透鏡中，從而發(fā)射出光強(qiáng)在水平方向全方位均勻 分布的光束。但是，在其實(shí)施例中，該安全燈的可見(jiàn)范圍僅在一海里左右。為了進(jìn)一步提高光亮度， 一種辦法是使用更多數(shù)量的LED芯片。然 而，需采用特殊設(shè)計(jì)的透鏡來(lái)收集LED陣列的光束。例如，在授予Arimum 的美國(guó)發(fā)明專利5224773中，公開了一種信號(hào)燈塔，它采用薄膜丙烯酸樹 脂材料熱塑成型的圓筒狀菲涅爾(Fresnel)透鏡。在授予McDermbtt的美 國(guó)發(fā)明專利6048083中，描述了一種成型有多焦點(diǎn)的光學(xué)透鏡以提高LED 光束的收集和發(fā)射效率。另一種提高LED信號(hào)裝置亮度的方法是采用高亮度LED芯片，例如 在授予Mohacsi的美國(guó)發(fā)明專利7021801和Trenchard等人的美國(guó)專利申 請(qǐng)20040095777中所描述的。在美國(guó)發(fā)明專利7021801中，采用一側(cè)面發(fā)光的高亮度LED和一多 鏡面反射鏡來(lái)產(chǎn)生一楔形定向光束，用于船舶導(dǎo)航。這種方式的缺點(diǎn)是， 由于側(cè)面發(fā)光的LED形成360—(寬)光束，這種光信號(hào)裝置很難利用多 個(gè)LED芯片來(lái)進(jìn)一步增加其亮度。在美國(guó)專利申請(qǐng)20040095777中， Trenchard等人采用12只或更多高光通量LED和一特殊設(shè)計(jì)的具環(huán)形槽的菲涅爾(Fresnd)透鏡及一光學(xué)散光片來(lái)形成均勻照明。其中光學(xué)散光片 包含至少一個(gè)隨機(jī)粗化的表面用以均衡LED光束。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于需 要采用一復(fù)雜設(shè)計(jì)的菲涅爾(Fresnel)透鏡，另外，隨機(jī)粗化的光學(xué)散光 片的插入損耗也比較大。雖然已知LED技術(shù)近期又有新的發(fā)展，單只LED的亮度目前還無(wú) 法趕上白熾燈或弧光燈。因此導(dǎo)航信號(hào)燈通常需要采用LED陣列來(lái)產(chǎn)生與 國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(例如FAA， NOAA, ICAO, UK-CAA或NATO等導(dǎo)航信號(hào) 燈標(biāo)準(zhǔn))相匹配的光亮度。另一方面，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)還要求導(dǎo)航光束在發(fā)散角、 光強(qiáng)分布、仰角等方面滿足一定標(biāo)準(zhǔn)。由于LED陣列不能看作是一個(gè)點(diǎn)光 源，這些要求無(wú)疑對(duì)LED信號(hào)裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，需要一種導(dǎo) 航用LED信號(hào)裝置，它具有一系列LED，每個(gè)LED產(chǎn)生一部分具有精確 控制的光束。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種用于導(dǎo)航的高強(qiáng)度LED信號(hào)裝置，它具有精確控制 的光束。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出一種導(dǎo)航信號(hào)裝置，它包括至 少一個(gè)、優(yōu)選為一個(gè)陣列的高亮度LED。其中每一只LED所產(chǎn)生的光束 都單獨(dú)地被一個(gè)輔助光學(xué)系統(tǒng)所控制，該輔助光學(xué)系統(tǒng)精確定義其光強(qiáng)分 布、發(fā)散角和其他光學(xué)參數(shù)。該輔助光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選地包含一非成像光學(xué)元 件以進(jìn)行光束收集， 一光學(xué)鏡片以進(jìn)行光束準(zhǔn)直，和一光學(xué)散光片以進(jìn)行光束勻化和變換。其中光學(xué)散光片優(yōu)選可采用全息散光片以獲得較高的透 光率和能夠各向異性地改變LED光束的發(fā)散角。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，LED單元在LED陣列中的相對(duì)位置、空間 分布和方位角被精確控制，從而使變換光束以預(yù)定方式疊加以產(chǎn)生所需光 強(qiáng)分布、發(fā)散角或/和其他參數(shù)。精確控制的LED陣列可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助 設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。也就是說(shuō)，LED單元是根據(jù)一組計(jì)算，例 如計(jì)算機(jī)模擬(結(jié)果)，來(lái)進(jìn)行位置設(shè)置的。這種離散型LED光束控制方法消除了對(duì)復(fù)雜透鏡設(shè)計(jì)的需求，而如 果象在現(xiàn)有技術(shù)中所描述的那樣，LED陣列中所有這些LED單元所產(chǎn)生 的光是以整體方式進(jìn)行控制，則這種復(fù)雜透鏡是必須的。本發(fā)明還提供了 可產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜光照分布的靈活性。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，該光信號(hào)裝置可以包括一系列傳感器元件 和控制單元對(duì)其性能進(jìn)行監(jiān)視和控制。例如，該傳感器可以包含光探測(cè)器 以測(cè)量LED的發(fā)光強(qiáng)度和環(huán)境光強(qiáng)度，熱敏電阻以測(cè)量LED和環(huán)境溫度， 以及顏色傳感器以監(jiān)測(cè)LED的輸出波長(zhǎng)變化。該控制單元還可以包含一無(wú) 線收發(fā)器以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。


附圖中，在不同視圖中相同的參考標(biāo)號(hào)指代相同的或功能類似的元 件，附圖與以下描述一起構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分，用于進(jìn)一步說(shuō)明各個(gè)實(shí) 施例，以解釋本發(fā)明所具有的各種原理和優(yōu)點(diǎn)。圖1 (a)是一全方向LED浮標(biāo)燈的縱向剖面圖，該浮標(biāo)燈采用高亮 度LED和光束控制元件；圖1 (b)是圖1 (a)中LED浮標(biāo)燈的透視圖；圖1 (c)是圖1 (a-b )中LED浮標(biāo)燈所用LED陣列的橫向剖面圖；圖2是所測(cè)得圖la-c中LED浮標(biāo)燈在水平面內(nèi)不同方向上的發(fā)光強(qiáng)度；圖3是圖la-c中LED浮標(biāo)燈的替代實(shí)施例的示意圖。圖4 (a)是一LED航標(biāo)燈的縱向剖面圖，該航標(biāo)燈采用高亮度LED 和標(biāo)準(zhǔn)菲涅爾(Fresnel)透鏡；圖4 (b)是圖4 (a)中LED航標(biāo)燈的橫向剖面圖；圖5 (a)是利用光跡追蹤法計(jì)算得到的圖4a-b中LED航標(biāo)燈在近距 離產(chǎn)生的LED光束；圖5 (b)是利用光跡追蹤法計(jì)算得到的圖4中LED航標(biāo)燈在遠(yuǎn)距離 產(chǎn)生的LED光束；圖6是本發(fā)明所提出的光信號(hào)裝置的監(jiān)視和控制結(jié)構(gòu)框圖；及圖7是本發(fā)明所提出的方法流程圖。熟練技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到，圖中的元件只是以簡(jiǎn)潔明了的方式展示， 并不必完全按照實(shí)物比例繪制。例如，圖中某些元件的尺寸相對(duì)于其他元 件可能會(huì)夸大，以增進(jìn)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解具體實(shí)施方式
在描述依照本發(fā)明的這些具體實(shí)施例之前，需要說(shuō)明的是，這些實(shí)施例主要是與用于導(dǎo)航的具有精確控制的光束的高強(qiáng)度LED信號(hào)裝置中的 方法步驟和裝置元件相結(jié)合的的。因而，在圖中，裝置元件和方法步驟在 適當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)以常規(guī)符號(hào)表示，只顯示出與理解本發(fā)明實(shí)施例有關(guān)的特定 細(xì)節(jié)，而不寫入那些對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而易見(jiàn)的細(xì)節(jié)以免淡化說(shuō)明書， 從而使說(shuō)明書具有此優(yōu)點(diǎn)。本文中，相對(duì)詞，例如第一和第二，頂部和底部，以及類似的 用語(yǔ)，只是用于將一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作與另一個(gè)實(shí)體或動(dòng)作相區(qū)分，并不必然 是要求或暗示著任何實(shí)體或動(dòng)作間實(shí)際的此種關(guān)系或順序。詞語(yǔ)"包括" 或任何其它變化形式，是開放式包含，因此包括一系列組成部分的一個(gè)過(guò) 程、方法、物件或裝置并不只是包括那個(gè)已列入的組成部分，還可能包括 其他的未列入的、或在這些過(guò)程或方法或物件或裝置中不是固有的組成部 分。 一個(gè)組成部分前面有"一"字并不排除多個(gè)同樣的組成部分包括在其 過(guò)程、方法、物件或裝置中。需要認(rèn)識(shí)到，此處描述的本發(fā)明實(shí)施例中，可能包括一個(gè)或多個(gè) 常規(guī)處理器和特別存儲(chǔ)的程序指令集以控制該處理器，以結(jié)合一些非處理器電路，實(shí)現(xiàn)此處描述的用于導(dǎo)航的具有精確控制的高強(qiáng)度LED信號(hào)裝置 的一種或多個(gè)或全部功能。非處理器電路可能包括但不限于無(wú)線接收、無(wú) 線發(fā)送、信號(hào)驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘電路、電源電路和用戶輸入裝置。同樣地，這些功能可能被解釋成方法中的步驟，該方法實(shí)現(xiàn)與用于導(dǎo)航的具有精確控制的高強(qiáng)度LED信號(hào)裝置有關(guān)的功能?？商娲?，部分或全部功能可能用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，該狀態(tài)機(jī)中沒(méi)有存儲(chǔ)程序指令，或者在一個(gè)或多個(gè)特定用途集成電路(ASIC)中實(shí)現(xiàn)，該ASIC中每個(gè)功能或特定功能的某些組合是以 客戶邏輯的形式實(shí)施。當(dāng)然，兩種方式的一個(gè)組合也可能被采用。因此， 用于這些方法和裝置的功能在此給予描述。還有，可以期望，普通技術(shù)人 員，盡管可能付出努力并有許多設(shè)計(jì)選擇，例如可用時(shí)間、當(dāng)前技術(shù)、經(jīng) 濟(jì)考慮等，在本發(fā)明所揭示的原理概念的指導(dǎo)下，可以容易地做出此類軟 件指令和程序和IC，而只需要做最小限度的實(shí)驗(yàn)。參見(jiàn)圖l-7，在圖la和圖lb所示出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，光信 號(hào)裝置100是一個(gè)用于航海導(dǎo)航的全方向LED浮標(biāo)燈。光信號(hào)裝置100 的光學(xué)頭部分101包含12只高亮度LED單元102，這12只LED分為的 兩組，第一組位于第二組頂部，每組包括6只LED單元在水平面上排列成 星型結(jié)構(gòu)，相鄰LED角間隔為60—。兩組LED在水平方向上錯(cuò)開30—角 以形成均勻照明。該光信號(hào)裝置IOO側(cè)面包含一組太陽(yáng)能板113用以將太 陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能為照明和其他目的提供電能。LED單元示意圖如圖1 (c)所示。每一 LED單元102包含一安裝在 熱沉104上的高亮度LED芯片103，該LED芯片-采用表面貼片封裝 (SMD)或板上芯片直裝(COB)的封裝形式。LED芯片103產(chǎn)生的光束 通過(guò)一非成像光學(xué)透鏡105收集并準(zhǔn)直為垂直和水平方向上發(fā)散角-為8一 乘8—的光束。 一全息散光片106置于非成像光學(xué)透鏡105的相對(duì)邊，該全息散光片使LED光束的光強(qiáng)分布均勻化，并使LED光束在垂直和水平 方向上的發(fā)散角分別改變?yōu)?一和60—。所有LED單元以圓周狀成形或 安裝在一六角鋁柱109的側(cè)面上以進(jìn)一步散發(fā)熱量。非成像光學(xué)透鏡105包含一衍射光學(xué)元件107和一反射光學(xué)元件108， 該兩元件的形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)以取得有效的光束收集。此非成像光學(xué)透鏡 105的光收集效率可以達(dá)到>85%。全息散光片106可以采用Lieberman等 人在美國(guó)發(fā)明專利6446467 (以下簡(jiǎn)稱Lieberman)中提出的全息散光片， 此專利在此被引作參照，該全息散光片106在其表面上有利用激光散斑寫 入的微觀結(jié)構(gòu)(散光顆粒)。與隨機(jī)粗化的散光片不同，全息散光片中散光 顆粒的尺寸和形狀可以在制造過(guò)程加以控制，從而良好地定義輸出光的發(fā) 散角度。這一特點(diǎn)一方面使全息散光片的透光率大大增加(>85%)，另一 方面使輸出光束的發(fā)散角可以按以下方式精確控制V。2=Ti2+Td2，其中 T。是出射光的發(fā)散角，Ti是入射光的發(fā)散角，Td由全息散光片的視角決 定。在本實(shí)施例中，Ti約為8—(水平方向),8一 (垂直方向)，Td約為 60—(水平方向),l一 (垂直方向)，T。約為60—(水平方向),8一 (垂 直方向)。這樣，每組6只LED的光束在水平面上形成360一均勻照明。 由于采用了高亮度的COB LED芯片103及高集光率的非成像光學(xué)透鏡105 和高透光率的全息散光片106，使光信號(hào)裝置100的發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到>60 坎德拉(candda)，其可見(jiàn)范圍在幾海里以上。通過(guò)簡(jiǎn)單采用更多數(shù)量或 更高亮度的LED，該信號(hào)裝置的發(fā)光強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高。'在本實(shí)施例中，每只LED的光強(qiáng)分布，發(fā)散角及不同LED的空間位置和取向都通過(guò)光學(xué)追跡軟件進(jìn)行精確設(shè)計(jì)以取得水平面不同方向的均勻照 明。圖2顯示了實(shí)際測(cè)得圖1中光信號(hào)裝置100的發(fā)光強(qiáng)度，可以看到，因采用上述離散LED光束控制方法，發(fā)光強(qiáng)度的均勻度達(dá)到一10%以內(nèi)。 本實(shí)施例所采用的雙層LED結(jié)構(gòu)有助于解決"點(diǎn)失效"問(wèn)題，g卩，當(dāng)某只 LED出現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)增加其它LED的驅(qū)動(dòng)電流也可以基本維持光信號(hào)裝 置的發(fā)光強(qiáng)度和均勻性不變。LED單元102封裝在一密閉防水的透明保護(hù)罩110中。LED單元102 由驅(qū)動(dòng)控制電路112和一組可充電電池111驅(qū)動(dòng)，可充電電池111則由太 陽(yáng)能板113提供電力，從而使整個(gè)LED信號(hào)裝置100無(wú)需外接電源?？沙?電電池lll可以工作在很寬的溫度范圍內(nèi)，例如，-40一C(攝氏度)到70—C (攝氏度)之間，而且可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆換。在鋁柱109的上方安裝有包含 一至多個(gè)光探測(cè)器的小電路板114用以監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度。白天時(shí)，該光探 測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)可以用來(lái)自動(dòng)關(guān)斷光信號(hào)裝置100。參見(jiàn)圖3，在本實(shí)施例 的一個(gè)略微改變的變型中，太陽(yáng)能板113采用一種可伸展式設(shè)計(jì)以充分利 用太陽(yáng)能太陽(yáng)能板113相對(duì)于太陽(yáng)位置置于不同角度，可轉(zhuǎn)換更多的太 陽(yáng)能。在不工作狀態(tài)，太陽(yáng)能板113折疊到豎直位置從而呈較小尺寸，便 于運(yùn)輸和安裝。在工作狀態(tài)時(shí)，太陽(yáng)能板113通過(guò)一個(gè)可移動(dòng)架114伸展。 太陽(yáng)能板113的傾角可根據(jù)地理位置例如根據(jù)光信號(hào)裝置的緯度調(diào)整，從 而最大量地收集太陽(yáng)能。另外，本實(shí)施例中LED信號(hào)裝置還可以包含其它 傳感器，例如，可以利用光探測(cè)器監(jiān)測(cè)LED的發(fā)光強(qiáng)度，利用熱敏電阻監(jiān) 測(cè)LED和環(huán)境溫度，利用顏色傳感器監(jiān)測(cè)LED的波長(zhǎng)變化，還可以通過(guò)一無(wú)線收發(fā)器以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光信號(hào)裝置200是一臺(tái)用于標(biāo)志船只或其他交通工具進(jìn)港通道的LED航標(biāo)燈，如圖4a、 4b所示，該光信號(hào)裝置 200包含4只COB封裝的高亮度白光LED單元201 ，每只LED單元產(chǎn)生 大于65流明(lumen)的光通量。LED光束的光強(qiáng)分布近似符合朗伯 (lambertian)分布。所有LED單元201安裝在一鋁制熱沉202上以迅速 發(fā)散LED產(chǎn)生的熱量從而防止其光學(xué)特性因溫度上升而發(fā)生變化。LED 產(chǎn)生的光束通過(guò)4只低焦距比數(shù)(f-number)的標(biāo)準(zhǔn)菲涅爾(Fresnel)透 鏡203收集并準(zhǔn)直為垂直和水平方向上發(fā)散角均為3—的近平行光束。 LED單元201由驅(qū)動(dòng)電路204控制其開關(guān)狀態(tài)和發(fā)光強(qiáng)度。所有LED單 元201，菲涅爾(Fresnel)透鏡203和驅(qū)動(dòng)電路204封裝在一密閉防水的 保護(hù)罩205中，保護(hù)罩205上有一透明窗口 206，正對(duì)LED單元201的出 射端。本實(shí)施例中通過(guò)控制菲涅爾(Fresnel)透鏡的焦距和LED單元的相 對(duì)位置使各LED光束疊加從而在選擇的或預(yù)定的遠(yuǎn)端產(chǎn)生均勻的光強(qiáng)分 布。圖5 (a)和(b)分別顯示了利用光跡追蹤法計(jì)算得到的該LED航標(biāo) 燈在近距離和遠(yuǎn)距離產(chǎn)生的LED光束，可以看到LED光束如何在設(shè)定平 面400上均勻疊加從而產(chǎn)生均勻的光強(qiáng)分布。本實(shí)施例中實(shí)測(cè)LED航標(biāo)燈 產(chǎn)生的發(fā)光強(qiáng)度大于14000坎德拉(candela)，通過(guò)采用更多數(shù)量的LED, 其發(fā)光強(qiáng)度可進(jìn)一步增加。圖6顯示了用于本發(fā)明的監(jiān)視及控制結(jié)構(gòu)框圖600，包含一微控制器 602和一無(wú)線收發(fā)器604用以控制LED 603的驅(qū)動(dòng)電流。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流的控制一方面可以根據(jù)環(huán)境(如天氣等)的變化來(lái)調(diào)節(jié)LED信號(hào)裝置的發(fā)光強(qiáng)度以維持其可見(jiàn)度，另一方面可以通過(guò)發(fā)光強(qiáng)度變化產(chǎn)生頻閃信號(hào)用于傳遞特定的信息。另外，通過(guò)采用多顏色的LED模塊603并控制或開關(guān)不 同顏色或波長(zhǎng)LED單元的發(fā)光強(qiáng)度，可以改變信號(hào)系統(tǒng)所顯示信號(hào)的含 義。這里微控制器602集成所有控制功能，對(duì)LED信號(hào)裝置的開關(guān)狀態(tài)， 發(fā)光強(qiáng)度，顏色和頻閃進(jìn)行統(tǒng)一控制。利用無(wú)線收發(fā)器604，遠(yuǎn)程控制中 心608可以通過(guò)無(wú)線通訊方式606對(duì)光信號(hào)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，此類控制 包括信號(hào)裝置的開關(guān)，亮度調(diào)節(jié)，頻閃模式選擇，通過(guò)激活部分特定LED 元件(例如可見(jiàn)光中的綠色和紅色或不可見(jiàn)光中的紅外)進(jìn)行顏色或波長(zhǎng) 選擇等等。無(wú)線通訊606可以采用加密的擴(kuò)展頻譜通訊方式以減小與其它 無(wú)線通訊方式的相互干擾。利用監(jiān)控信號(hào)607，通過(guò)嵌入的微控制器602，該光信號(hào)裝置還可以 對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行智能化的自動(dòng)控制。例如，如果發(fā)光強(qiáng)度低于某一閾值(例如正常發(fā)光強(qiáng)度的25%)，微控制器602可以自動(dòng)關(guān)斷光信號(hào)裝置并 通知控制中心。監(jiān)視信號(hào)可能來(lái)自光信號(hào)裝置中嵌入的傳感器610。此類 傳感器610可包括光探測(cè)器用于探測(cè)(i)LED 603的發(fā)光強(qiáng)度；(ii)環(huán)境光(未示出)的強(qiáng)度，環(huán)境光的強(qiáng)度可以用來(lái)估算光信號(hào)裝置的可見(jiàn)度(iii)太 陽(yáng)光的強(qiáng)度，用來(lái)估算太陽(yáng)能板所能采集的太陽(yáng)光能量。另外，傳感器610 還可以包含顏色傳感器用以監(jiān)測(cè)LED的波長(zhǎng)，熱敏電阻用以監(jiān)測(cè)LED和 環(huán)境溫度的變化，以及與天氣有關(guān)的傳感器，如云高計(jì)，風(fēng)速表，測(cè)力計(jì)， 氣壓表，雨/雪量計(jì)，閃電探頭，濕度計(jì)，蒸發(fā)計(jì)等等。采集的信號(hào)可以通過(guò)無(wú)線收發(fā)器604傳遞給遠(yuǎn)程控制中心608以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和控制。圖7顯示了用于形成具有導(dǎo)航所需光強(qiáng)分布的光束的設(shè)計(jì)流程圖 700。利用一高亮度LED陣列產(chǎn)生一系列LED光束(步驟702);在光束 形成的光路上，利用一系列光束變換器分別地控制每一 LED光束的光學(xué)參 數(shù)(步驟704);該光束變換器可以包含至少一個(gè)非成像光學(xué)元件，至少一 個(gè)光學(xué)鏡片，進(jìn)一步地，該光束變換器也可以是一光學(xué)散光片，用以控制 每一 LED光束的光強(qiáng)分布及發(fā)散角以產(chǎn)生一系列變換光束(步驟706); 通過(guò)精確控制的方式，使該一系列變換光束疊加以產(chǎn)生具有所需光強(qiáng)分布 的合成光束(步驟708)。疊加可通過(guò)控制各LED的相對(duì)位置、空間分布 和取向來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，可以利用一系列傳感器監(jiān)測(cè)和控制LED的工作特性， 還可以通過(guò)一無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制信號(hào)的收發(fā)。提出了一種形成具有導(dǎo)航所需光強(qiáng)分布的光束的方法。該方法包 括提供一系列高強(qiáng)度LED用于產(chǎn)生一系列光束，提供一系列光束變換器 用于單獨(dú)控制該系列光束的特性以產(chǎn)生一系列變換光束；以精確控制的方 式疊加該變換光束以產(chǎn)生用于導(dǎo)航的具有所需光強(qiáng)分布的合成光束。還提供一種用于導(dǎo)航的光信號(hào)裝置。該光信號(hào)裝置包括一系列光強(qiáng)度 發(fā)光二極管LED，用于產(chǎn)生一系列光束。 一系列光束變換器置于光束的光 路上，從而單獨(dú)地控制光束的一組特性，進(jìn)而使光束變成變換光束。該系 列高強(qiáng)度LED和光束變換器按預(yù)先調(diào)整和設(shè)定的位置置于光信號(hào)裝置中 使得變換光束可以疊加以產(chǎn)生一用于導(dǎo)航的光照分布。在前文說(shuō)明書中，描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員意識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，可以做出一些修改和 變化。例如，光信號(hào)裝置所產(chǎn)生的照明圖樣并不一定限于均勻圖案。通過(guò) 改變特定LED的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)散角，可以輕易實(shí)現(xiàn)其它復(fù)雜圖案。本發(fā)明中所采用的光學(xué)散光片也可以采用例如Sales等人在美國(guó)發(fā)明專利6859326 中提出的微透鏡陣列，在此該專利被引作參照。另外，本說(shuō)明書中所出現(xiàn) 的數(shù)字和材料均不具限定意義。因而，說(shuō)明書和附圖應(yīng)解釋為僅僅是說(shuō)明 性的而并非限定性的，所有變型均包括在本發(fā)明意圖保護(hù)的范圍內(nèi)。文中 所提到的一切好處、優(yōu)點(diǎn)、問(wèn)題解決方案或者任何可能帶來(lái)的或更顯著的 好處、優(yōu)點(diǎn)、問(wèn)題解決方案的元件均不能解釋為任何權(quán)利要求的關(guān)鍵的或 必須的或本質(zhì)的技術(shù)特征或元件。本發(fā)明的權(quán)利僅由所附權(quán)利要求書所定 義，包括在申請(qǐng)過(guò)程中所做的任何修改，以及授權(quán)權(quán)利要求的所有等同物。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管(LED)信號(hào)裝置，包括一系列高亮度LED用于產(chǎn)生一系列光束；一系列光束變換元件，置于該光束路徑上，用于單獨(dú)地控制該光束的一組參數(shù)以產(chǎn)生一系列變換光束；其中該一系列高強(qiáng)度LED及光束變換元件均按預(yù)先調(diào)整或設(shè)定的位置置于所述信號(hào)裝置中使得該一系列變換光束疊加以產(chǎn)生所需光強(qiáng)分布。
2. 如權(quán)利要求1所述的信號(hào)裝置，其光束變換器包含至少一個(gè)非成像光學(xué) 元件。
3. 如權(quán)利要求1所述的信號(hào)裝置，其光束變換器包含至少一個(gè)光學(xué)鏡片。
4. 如權(quán)利要求1所述的信號(hào)裝置，其光束變換器包含至少一個(gè)光學(xué)散光 片。
5. 如權(quán)利要求4所述的信號(hào)裝置，其光學(xué)散光片可以各向異性地改變光束 的發(fā)散角。
6. 如權(quán)利要求4所述的信號(hào)裝置，其光學(xué)散光片為一全息散光片。
7. 如權(quán)利要求4所述的信號(hào)裝置，其光學(xué)散光片包括微透鏡陣列。
8. 如權(quán)利要求1所述的信號(hào)裝置，還包含一系列傳感元件用于監(jiān)測(cè)和控制 LED的工作特性。
9. 如權(quán)利要求8所述的信號(hào)裝置，其傳感元件包含一光探測(cè)器。
10. 如權(quán)利要求1所述的信號(hào)裝置，還包含一無(wú)線收發(fā)器用于發(fā)送和接收遠(yuǎn) 程監(jiān)視或/和控制信號(hào)。
11. 一種產(chǎn)生具有所需光強(qiáng)分布的光束的方法，該方法包含以下步驟 提供一系列高亮度發(fā)光二極管用于產(chǎn)生一系列光束；提供一系列光束變換器用于單獨(dú)地控制該光束的光學(xué)參數(shù)以產(chǎn)生一系 列變換光束；通過(guò)調(diào)節(jié)該一系列高強(qiáng)度LED及相應(yīng)光束變換器的位置或空間分布及 取向使該變換光束以精確控制的方式疊加以產(chǎn)生一具有所需光強(qiáng)分 布的合成光束。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其光束變換器包含至少一個(gè)非成像光學(xué)元 件。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其光束變換器包含至少一個(gè)光學(xué)鏡片。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其光束變換器包含至少一個(gè)光學(xué)散光片。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其光學(xué)散光片可以各向異性地改變LED光 束的發(fā)散角。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，其光學(xué)散光片為一全息散光片。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其光學(xué)散光片包括微透鏡陣列。
18. 如權(quán)利要求.11所述的方法，其步驟還包含提供一系列傳感元件用于監(jiān)
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其傳感器包含一光探測(cè)器。
20. 如權(quán)利要求11所述的方法，其步驟還包含提供一無(wú)線收發(fā)器用于發(fā)送 和接收遠(yuǎn)程監(jiān)視或/和控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于導(dǎo)航的發(fā)光二極管(LED)信號(hào)裝置。該信號(hào)裝置包括一系列高亮度LED，其輸出光束經(jīng)高精度光束變換器單獨(dú)控制。通過(guò)控制每一LED光束的相對(duì)位置、發(fā)散角及其它光學(xué)參數(shù)，使各經(jīng)變換過(guò)的LED光束按預(yù)定方式疊加以產(chǎn)生所需光強(qiáng)分布。
文檔編號(hào)H01J1/60GK101326553SQ200680022155
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月9日
發(fā)明者群 厲, 李慶熊, 王曉路, 田榮生 申請(qǐng)人:Bwt產(chǎn)權(quán)公司