專利名稱：用于改進(jìn)的照明區(qū)域填充的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供照明的方法和設(shè)備，更具體地說，本發(fā)明涉 及能量高效、典型地超過90%的能量效率并因而特別適于低功率光源 的方法和設(shè)備，由此允許代替較高功率、較小能量效率的光源，而沒 有照明強(qiáng)度的損失。
背景技術(shù)：
典型的LED發(fā)射器以幾乎半球形光束圖案輻射光能。大多數(shù)LED 用途要求這種輸出光束輪廓的顯著修改，以提供有用能量。在現(xiàn)有技 術(shù)本體中修改這種LED能量的典型裝置是錐形反射器、透鏡或者這些 的組合。
由LED源產(chǎn)生光束的最廣泛使用裝置之一是半球形球透鏡的使 用。透鏡典型地放置成使其中心離開發(fā)射器的中心近似 一 個(gè)半徑的距 離。為了提供把這種透鏡放置在發(fā)射器上方的裝置，包括從半球的基 座向后向發(fā)射器延伸的圓柱形表面。這種方案利用從LED可得到的能 量的約60%,并且創(chuàng)建較平滑斑點(diǎn)，該斑點(diǎn)的光束角度基于LED發(fā) 射器尺寸與球透鏡直徑的比值。這是在標(biāo)準(zhǔn)3mm和5mm LED外殼 中利用的方法。這對(duì)于小型裝置是比較高效的光學(xué)方案，但收集效率 不是最佳。這種方法的主要缺陷是由結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的色差，當(dāng)用在"白色"LED系統(tǒng)中時(shí)特別不希望它發(fā)生。
另一種普通技術(shù)是單表面的轉(zhuǎn)動(dòng)錐形反射器的使用。當(dāng)橫截面是 拋物線或具有長(zhǎng)焦距的橢圓時(shí)，產(chǎn)生的光束在中心中比在其周緣亮得 多。盡管對(duì)于閃光燈和其它某些裝置非常有用，但這對(duì)于所有LED照 明要求是不適當(dāng)?shù)摹．?dāng)橫截面是具有短焦距的橢圓時(shí)，生成光束的一 部分穿過其中心軸線，并且在一段距離處在照明圖案中創(chuàng)建較小能量 的中心區(qū)或"孔"。由這些構(gòu)造的任一種產(chǎn)生平滑光束的嘗試， 一般通 過擴(kuò)散器的添加，導(dǎo)致顯著的效率損失。
對(duì)于球透鏡手段的適度改進(jìn)是在單個(gè)光學(xué)裝置中包括球透鏡和錐 形反射器的集成光學(xué)系統(tǒng)。從這種手段輻射的能量圖案遭受類似的色 差、或顏色分離，使'白色，LED與球透鏡系統(tǒng)一樣。這種方法稍微比 球透鏡裝置更高效。
在現(xiàn)有技術(shù)中從光源創(chuàng)建光束的普通方法是CPC (合成拋物線聚 集器)。這種裝置實(shí)際上開發(fā)成向焦點(diǎn)收集能量用于太陽光線收集器， 但最近已經(jīng)添加到反射器設(shè)計(jì)的技術(shù)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中定義為 一種用來照明表面的設(shè)備，該設(shè)備 包括光源，其強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的光線的角度的 函數(shù)而變化；和反射器，具有基座和孔徑。反射器靠近光源，并且通 過其孔徑定義系統(tǒng)半角，這允許直接輻射的能量從光源通過反射器的 孔徑傳播到表面，以在表面上提供直接輻射能量分布圖案。反射器具 有三個(gè)相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn)表面。第一區(qū)是拋物線形的， 第二區(qū)是直錐形的，及第三區(qū)是橢圓形的，按該順序，從反射器的基 座開始并且向其孔徑運(yùn)動(dòng)。這些區(qū)提供重疊到在表面上的直接輻射能 量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案，該反射能量分布圖 案與直接輻射能量分布圖案相組合，以在表面上產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制的合 成能量分布圖案。
從光源產(chǎn)生的光的大體全部或至少90%是在表面上的設(shè)計(jì)者控 制的合成能量分布圖案中。在一個(gè)實(shí)施例中，反射器包括全內(nèi)反射器(TIR)。在另一個(gè)實(shí)施 例中，光源包括LED光源，并且全內(nèi)反射器(TIR)整體地制造為用 于LED光源的外殼覆蓋物，或者光學(xué)地集成有LED光源。
全內(nèi)反射器還包括布置在全內(nèi)反射器的外部的選擇部分上的反射 涂層，以保證其中光的內(nèi)反射。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還包括實(shí)心或絞合光纖，其中設(shè)計(jì)者 控制的合成能量分布圖案進(jìn)入實(shí)心或絞合光纖中。
在再一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還包括照明燈具，在該照明燈具中， 包括光源和反射器。照明燈具包括PAR燈具、MR燈具、路燈、陣列 燈(array )、或LCD面板燈、信號(hào)(signage)燈、飛機(jī)燈、汽車燈、 航標(biāo)燈、室內(nèi)或室外建筑燈(architectural light )、裝飾燈、作業(yè)燈(task light )、或泛光照明燈。
本發(fā)明還可特征化為一種用來照明表面的方法，該方法包括步驟 從光源直接輻射光，該光源的強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維立體 角的函數(shù)而變化；和從反射器反射光，該反射器具有基座和孔徑。反 射器靠近光源，并且通過其孔徑定義系統(tǒng)半角，并允許直接輻射的能 量從光源傳播到表面，以在表面上提供直接輻射能量分布圖案。反射 器具有三個(gè)相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn)表面。第一區(qū)是拋物線形 的，第二區(qū)是直錐形的，及第三區(qū)是橢圓形的，按該順序，從反射器 的基座開始并且向其孔徑運(yùn)動(dòng)。所提供的是重疊到在表面上的直接輻 射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案，該反射能量分 布圖案與直接輻射能量分布圖案相組合，以在表面上產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制 的合成能量分布圖案。
本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例是反射器形狀的 一種計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)方法， 該反射器具有三維表面、基座及孔徑。反射器反射來自光源的光，該 光源的強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維立體角的函數(shù)而變化。該方 法包括步驟把從光源輻射的光的整個(gè)強(qiáng)度和空間分布圖案特征化為 在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)；把在目的地處的所需能量圖案確定為在計(jì)算機(jī)中 的最后數(shù)據(jù)解；把從光源到目的地的所需距離確定為輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)；由從光源和反射器的公共軸線測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)出希望的兩維半角， 包括確定反射器高度和孔徑寬度，以允許直接輻射光從光源傳播到目 的地；計(jì)算來自光源的全部可獲得光減去直接輻射光之差的剩余部分； 及把反射器的三維表面定義為三個(gè)相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn)表 面。第一區(qū)是拋物線形的，第二區(qū)是直錐形的，及第三區(qū)是橢圓形的， 按該順序，從反射器的基座開始并且向其孔徑運(yùn)動(dòng)。結(jié)果是重疊到直 接輻射光上的設(shè)計(jì)者控制的反射光，該反射光與直接輻射光相組合， 以在目的地處形成用戶定義合成光圖案。
本發(fā)明仍然進(jìn)一步實(shí)施為一種用來照明表面的設(shè)備，該設(shè)備包括 光源，其強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的光線的角度的函數(shù)而 變化；和反射器，具有孔徑。反射器靠近光源，通過其孔徑定義一系 統(tǒng)角，并允許直接輻射的能量從光源通過反射器的孔徑傳播到上述表 面，以在該表面上提供直接輻射能量分布圖案。反射器具有從傳遞函 數(shù)導(dǎo)出的定義形狀，該傳遞函數(shù)作為輸入具有光源的三維輻射圖案； 光束參數(shù)，如光源到表面的距離和光束直徑；反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如 反射器尺寸和反射器的孔徑尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。 傳遞函數(shù)作為輸出具有通過反射器的孔徑傳播的直接輻射能量的量； 來自光源的全部可得到輻射能量減去通過反射器孔徑直接輻射到表面 上的能量的剩余部分；及在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為 在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反 射器形狀，該反射器形狀對(duì)于提供重疊上述直接輻射能量圖案的反射 能量圖案以在表面上形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布是必需的。
以相同方式，本發(fā)明也實(shí)施為一種用來照明表面的方法，該方法 包括步驟從光源輻射光，該光源的強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源 輻射的光線的角度的函數(shù)而變化；和從反射器反射光，該反射器具有 孔徑，反射器靠近光源，通過其孔徑定義一系統(tǒng)角，及允許直接輻射 的能量從光源通過反射器的孔徑傳播到表面，以在表面上提供直接輻 射能量分布圖案。反射器具有從傳遞函數(shù)導(dǎo)出的定義形狀，該傳遞函 數(shù)作為輸入具有光源的三維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到表面的距離和光束直徑；反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器的孔徑 尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。傳遞函數(shù)作為輸出具有通 過反射器的孔徑傳播的直接輻射能量的量；來自光源的全部可得到輻 射能量減去通過反射器孔徑直接輻射到表面上的光能的剩余部分；及 在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在表面上提供所需合成能 量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反射器的形狀，該反射器的
形狀對(duì)于提供重疊所述直接輻射能量圖案的反射能量圖案以在表面上 形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布是必需的。
本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中也特征化為反射器形狀的 一 種計(jì)算機(jī)化設(shè) 計(jì)方法，該反射器具有三維表面、基座及孔徑，反射器反射來自光源 的光，該光源的強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維角的函數(shù)而變化， 該方法包括定義用于反射器的形狀，該形狀在計(jì)算機(jī)中由傳遞函數(shù)導(dǎo) 出，該傳遞函數(shù)包括輸入光源的三維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源 到表面的距離和光束直徑；反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射 器的孔徑尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。該方法包括輸出 通過反射器的孔徑傳播的直接輻射能量的量；來自光源的全部可得到 輻射能量減去通過反射器孔徑直接輻射到表面上的能量的剩余部分； 及在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在表面上提供所需合成 能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反射器的形狀，該反射器 的形狀對(duì)于提供重疊所述直接輻射能量圖案的反射能量圖案以在表面 上形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布是必需的。
本發(fā)明可選擇地實(shí)施為用來以任意選擇合成能量分布照明表面的 設(shè)備，該設(shè)備包括光源、和具有孔徑的反射器。反射器靠近光源。光 從光源通過反射器的孔徑直接輻射到表面上，以在表面上提供直接輻 射能量分布圖案。反射器借助于從任意選擇合成能量分布導(dǎo)出的選擇 性定義空間位置和選擇性定義方位在每個(gè)點(diǎn)處具有選擇性定義形狀， 該反射器產(chǎn)生到表面上的反射能量分布，該反射能量分布當(dāng)重疊到在 表面上的直接輻射能量分布圖案上時(shí)，在表面上產(chǎn)生任意選擇合成能 量分布。ii更進(jìn)一步，本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中特征化為一種用來照明表面的
設(shè)備，該設(shè)備包括光源，其強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維立體 角的函數(shù)而變化；和反射器，具有基座和孔徑。反射器靠近光源，通 過其孔徑定義一系統(tǒng)角，及允許直接輻射的能量從光源通過反射器的 孔徑傳播到表面，以在表面上提供直接輻射能量分布圖案。反射器具 有至少兩個(gè)錐形區(qū)和另一個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)提供一旋轉(zhuǎn)表面。第一區(qū)是拋 物線形的，第二區(qū)是過渡表面，及第三區(qū)是橢圓形的，按該順序，從 反射器的基座開始并且向其孔徑運(yùn)動(dòng)，過渡表面在第一與第三區(qū)之間 延伸。結(jié)果是重疊到在表面上的直接輻射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控 制的反射能量分布圖案，該反射能量分布圖案與直接輻射能量分布圖 案相組合，以在表面上產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布圖案。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明定義為一種用來照明表面的設(shè)備，該 設(shè)備包括光源、和具有孔徑的反射器。反射器靠近光源，并且允許直 接輻射的能量從光源通過反射器的孔徑傳播到表面，以在表面上提供 直接輻射能量分布圖案。反射器具有多個(gè)成形區(qū)，每個(gè)區(qū)用來把光引 導(dǎo)到在表面上的合成能量分布圖案的選擇部分中，以提供重疊到在表 面上的直接輻射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案， 以在表面上產(chǎn)生合成能量分布圖案。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用來照明表面的設(shè)備，該設(shè)備包 括光源，其強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的光線的角度的函 數(shù)而變化；和反射器，具有基座和孔徑。反射器從光源接收光。光源 指向孔徑的基座，并且布置在反射器的基座的縱向前方。反射器具有 從傳遞函數(shù)導(dǎo)出的定義形狀，該傳遞函數(shù)作為輸入具有光源的三維 輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到反射器的距離、反射器到表面的距離、 及光束直徑；反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器的孔徑尺寸； 及在表面上的所需能量分布。傳遞函數(shù)作為輸出具有通過反射器的 孔徑傳播的輻射能量的量；和在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位， 其作為在表面上提供所需能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義 反射器的形狀，該反射器的形狀對(duì)于提供反射能量圖案是必需的，其中傳遞函數(shù)構(gòu)造反射器的形狀，以把來自從反射器基座到在反射器上 的預(yù)定邊界延伸的反射器的第一部分的反射光發(fā)送到在表面上任意設(shè) 計(jì)者選擇的能量分布的第一部分，并且其中傳遞函數(shù)構(gòu)造反射器的形 狀，以把來自從在反射器上的預(yù)定邊界到反射器的孔徑延伸的反射器 的第二部分的反射光發(fā)送到在表面上任意設(shè)計(jì)者選擇的能量分布的第
二部分。
在又一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明是一種用來照明表面的設(shè)備，該設(shè)備
包括光源，其強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的光線的角度的 函數(shù)而變化；反射器，具有孔徑，反射器靠近光源，通過其孔徑定義 一系統(tǒng)角；及透鏡，用來允許輻射的能量直接從光源通過透鏡傳播到 照明表面，以在照明表面上提供定向能量分布圖案。反射器具有從傳 遞函數(shù)導(dǎo)出的表面和定義形狀，該傳遞函數(shù)作為輸入具有光源的三 維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到表面的距離和光束直徑；透鏡參數(shù)、 反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器的孔徑尺寸；及在照明表 面上的所需合成能量分布。傳遞函數(shù)作為輸出具有通過透鏡傳播的 定向輻射能量的量；來自光源的全部可得到輻射能量減去通過透鏡傳 播到照明表面的定向光的能量的剩余部分；及在反射器的表面上每個(gè) 點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在照明表面上提供所需合成能量分布所需 要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反射器的形狀，該反射器的形狀對(duì)于提 供重疊所述定向能量圖案的反射能量圖案是必需的，以在表面上形成 設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布。
在一個(gè)實(shí)施例中，反射器的表面的點(diǎn)包括多個(gè)成形表面區(qū)，每個(gè) 表面區(qū)用來把光導(dǎo)向到在表面上的合成能量分布圖案的選擇部分中， 以在照明表面上提供重疊到定向能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射 能量分布圖案，從而在照明表面上產(chǎn)生合成能量分布圖案。
盡管為了語法流暢性起見借助于功能解釋已經(jīng)或?qū)⒁枋鲈O(shè)備和 方法，但要清楚地理解，除非特意按照35USC112規(guī)定，不要將權(quán)利 要求書理解為以任何方式必須由"裝置，，或"步驟，，限制而限制，而是要 符合在等效物的司法條義下由權(quán)利要求書提供的限定的意義和等效物的整個(gè)范圍，并且在其中權(quán)利要求書特意按照35 USC 112構(gòu)成的情況 下，要符合在35USC112下的完全法定等效物。通過現(xiàn)在轉(zhuǎn)到其中類 似元件由類似附屬標(biāo)記指示的附圖，可更好地直觀化本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的橫斷面圖，其中具有錐形段的反射器 放置在商業(yè)可得到LED的發(fā)射器的上方，并且在其一個(gè)實(shí)施例中，反 射器表面包括三個(gè)錐形段。實(shí)施例可以稱作三錐形裝置。圖2是圖l反射器的橫截面表面的兩維橫截面輪廓的簡(jiǎn)化直線圖。圖3是由圖1和2的實(shí)施例產(chǎn)生的光束圖案的射線集合的橫斷面 圖。圖3的上部是在目標(biāo)表面處光束的斜投影視圖，以更清楚地描述 光源的反射能量和直接能量的重疊。為了清楚，僅表示反射能量的一 側(cè)，這必須理解成通過繞反射器的對(duì)稱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)橫斷面圖案而完成。圖4是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的橫斷面圖，使圖l的敞開反射器由 實(shí)心模壓TIR反射器代替。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的橫斷面圖，其中圖4的TIR反射器模壓為 LED的保護(hù)蓋，并且包括在LED本身的制造中。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的反射器組件的橫斷面圖，其中反射器從傳 遞函數(shù)導(dǎo)出，并且可以叫做超面積光裝置(super-area light device )。圖7是圖6的裝置的橫斷面圖，表示反射器的增量面積或角增量 及其對(duì)于重疊反射光束的相對(duì)影響。斜投影視圖也表示在圖的上部中， 以表明增量對(duì)于重疊反射光束的影響。圖8是圖6處的實(shí)施例的橫斷面圖，其中反射器由實(shí)心模壓TIR 反射器代替。圖9是實(shí)施例的橫斷面圖，其中圖7的TIR反射器模壓為L(zhǎng)ED 的保護(hù)蓋，并且在LED的制造時(shí)被結(jié)合。圖10是用來把能量引入到纖維中的本發(fā)明的三錐形反射器的橫 斷面圖。該圖表示為了最大耦合效率光線都在纖維的數(shù)值孔徑內(nèi)。圖11是耦合到纖維上的本發(fā)明的超面積光的橫斷面圖。圖12是組合到照明燈具中的本發(fā)明的裝置的陣列。圖13是在超面積光裝置中的反射LED光源的橫斷面圖。 圖14是在超面積光裝置中的混合LED光源的橫斷面圖。 現(xiàn)在通過轉(zhuǎn)到呈現(xiàn)為在權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明的表明例子的 優(yōu)選實(shí)施例的如下詳細(xì)描述，可更好地理解本發(fā)明和其各種實(shí)施例。 清楚理解的是，由權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明可以比下面描述的說明 實(shí)施例更寬廣。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及發(fā)光二極管(LED)和一種以增大能量 效率收集和分布從它們輻射的能量的方法。事實(shí)上，在LED光源的情況下，優(yōu)選實(shí)施例產(chǎn)生近似等于或好于90%的能量效率。然而，要清 楚地理解，本發(fā)明不限于LED光源，而是可以與白熾、等離子弧、熒 光光源或現(xiàn)在已知或以后設(shè)計(jì)的任何類型的光源(特別是具有類似或 相等能量效率的那些) 一起使用。另外，必須理解的是術(shù)語"光"在 其最廣意義上使用，包括光語的紫外和紅外部分；并且可通過光學(xué)射 線跟蹤而近似建模的任何光頻率都設(shè)想在本發(fā)明的范圍內(nèi)。利用本發(fā)明的裝置用在一般照明；裝飾和建筑照明；用于家庭、 飛機(jī)或汽車的閱讀燈；作業(yè)照明；泛光照明燈照明；緊急照明；光纖 照亮；面板背景照明；信號(hào)燈；及太多不能描述的其它用途中。不可 能提供完全列出，并因而必須理解，其中可使用本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例 的較大組件或系統(tǒng)包括現(xiàn)在已知或以后設(shè)計(jì)的所有照明用途。而且，礎(chǔ)，該更復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)具有另外的光學(xué)元件和光學(xué)處理。本發(fā)明的表 明實(shí)施例提供從LED輻射到希望或定向光束中的能量的實(shí)際完全的 收集效率。在生成光束中的能量的分布由設(shè)計(jì)控制，并且能夠通過任 意設(shè)計(jì)或用戶選擇來預(yù)定或控制。本發(fā)明的圖示實(shí)施例提供優(yōu)于用來由LED源產(chǎn)生受控、平滑光束 的現(xiàn)有技術(shù)的顯著改進(jìn)，并且在這樣做時(shí)利用從LED輻射的大體所有 能量。光通過介質(zhì)的透射，如通過透鏡、全內(nèi)反射器(TIR)、穿過光 學(xué)界面；或從反射表面的光反射永遠(yuǎn)不完全或永遠(yuǎn)不是100%。這些固有損失情形為了本說明書的目的定義為"光學(xué)修改(touch )"或簡(jiǎn)單 地對(duì)于光或光的叫奮改"，有時(shí)也稱作光的"改性(modification)"。典 型的是關(guān)于當(dāng)前適用的商業(yè)級(jí)反射器，對(duì)于一次修改的光強(qiáng)度的約 8。/。量級(jí)的損失；和關(guān)于當(dāng)前適用的商業(yè)級(jí)透鏡或TIR，對(duì)于一次修改 的光強(qiáng)度的約4%量級(jí)的損失。因此，某些能量總是損失在光學(xué)修改 中。術(shù)語"大體上全部"為了本說明書和其權(quán)利要求書的目的應(yīng)該理解 成，是指僅由光的最小修改(如來自折射或反射的一次或兩次修改) 的固有損失減少的在感興趣頻帶內(nèi)由光源產(chǎn)生的所有光，或者至少該 光強(qiáng)度的損失量是這樣的，從而它對(duì)于人的肉眼不容易識(shí)別。照明系統(tǒng)產(chǎn)生被準(zhǔn)直的光束，像探照燈，全向的；如熒光燈管或 標(biāo)準(zhǔn)燈泡；窄錐形光圖案，如聚光燈；寬錐形光圖案，如地?zé)艋蜻@些 的某種組合。本發(fā)明具有的主要優(yōu)點(diǎn)在于，由從安裝在常規(guī)散熱片或 外殼基片11上的LED發(fā)射器10輻射的能量高效地創(chuàng)建窄的和寬的錐 形光圖案的能力。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，從LED發(fā)射器IO輻射的能量分段或 分隔成繞LED 10的光軸定義的兩個(gè)區(qū)或射線集合，這兩個(gè)區(qū)每個(gè)被 不同地處置或光學(xué)處理。貫穿本說明書，術(shù)語"能量"將認(rèn)為是指能量， 例如焦耳；和功率或每單位時(shí)間的能量，例如瓦特。在如下討論中將 假定，LED10總是具有對(duì)稱光軸，從而其輻射圖案在制造公差內(nèi)繞軸 線近似是對(duì)稱的。LED芯片或發(fā)光界面典型地制造成形狀是正方形或 矩形的，并且具有映像發(fā)光界面的形狀的三維輻射圖案。要理解，本 發(fā)明不限于對(duì)稱發(fā)光界面或輻射圖案，并且能以與下面教導(dǎo)相一致的 方式被修改，以兼容任意成形的輻射圖案或發(fā)光界面。第一區(qū)或射線 集合20 (在圖3中的射線集合A)是從LED發(fā)射器IO輻射的中心錐 形能量，在圖3中表示得最清楚。第二區(qū)或射線集合22是從LED發(fā) 射器10輻射的幾乎半球形能量分布的剩余部分，它們?cè)趫D3中共同地 表示成射線集合B、 C及D。同樣，必須清楚地認(rèn)識(shí)到，常規(guī)LED發(fā) 射器實(shí)際上具有一種輻射分布圖案，該輻射分布圖案在水平下面延伸 或從發(fā)光界面的法線延伸90。半角或極角。典型地，常規(guī)LED發(fā)射器布圖案，盡管在這些角度中的光 的強(qiáng)度急劇減小。在本說明書的其余部分中，為了簡(jiǎn)單起見將假定， 輻射分布圖案延伸到90°半角，但可容易地以與本發(fā)明的教導(dǎo)相一致 的方式進(jìn)行包括較大半角所必需的修改。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在第一區(qū)20中的能量保持光學(xué)未改性 或未修改，并且直接輻射到被照明的目標(biāo)或表面上。通過不把任何光 學(xué)表面放置在這個(gè)第一區(qū)20中的光的路徑中，沒有從LED發(fā)射器10 到光束目標(biāo)的能量損失。對(duì)于在這個(gè)第一區(qū)20中的能量錐選擇的夾角 定義為裝置12的設(shè)計(jì)或系統(tǒng)角。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)于近似10°-70° 的半夾角是實(shí)用的。第二區(qū)22的能量或者由用戶設(shè)計(jì)的部分多段的反射器14的表面 16改性，或者由定義一也被定制修整或成形的轉(zhuǎn)動(dòng)表面的單一反射器 表面16改性。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，反射器表面16劃分成 三個(gè)區(qū)16a、 16b及16c，如在圖2中最清楚地描繪的那樣。通過為反 射器14的這三個(gè)區(qū)16a、 16b及16c的每一個(gè)選擇適當(dāng)?shù)膬删S收集角 或半角，可定義光束的獨(dú)特、任意設(shè)計(jì)者控制的能量分布。從第二區(qū) 22由反射器14產(chǎn)生的光束的能量被添加到第一區(qū)20的來自源10的 直接光的能量上。因此，在系統(tǒng)中的能量損失只是來自第二區(qū)或射線 集合22的由反射器14修改或改性的LED能量的部分的表面損失。因 而，來自LED 10的發(fā)射能量的剩余部分分布到打算光束中，導(dǎo)致幾 乎100%的收集和幾乎100%的光分布。圖示的反射器14的區(qū)16a、 16b及16c利用兩維收集角或半角描 述，該兩維收集角或半角在與發(fā)射器IO垂直的通過其中心的射線(也 叫做發(fā)射器10的法向射線或光軸18)與也通過中心但從原始垂直線 或法線以某一角度傾斜的另一條射線之間導(dǎo)出。離發(fā)射器10最遠(yuǎn)的 (產(chǎn)生在圖3中的射線集合B)、并且定義反射器14的上部周緣部分 的第 一反射器區(qū)16a在表明實(shí)施例中 一般描述成繞系統(tǒng)的軸線18的轉(zhuǎn) 動(dòng)表面，該表面的兩維輪廓可以是錐的， 一般是橢圓的部分段，使一 個(gè)焦點(diǎn)放置在發(fā)射器10的中心附近。所以，由第一區(qū)16a反射的所有光會(huì)聚在橢圓的第二焦點(diǎn)處或其附近。在笫一區(qū)16a的兩維輪廓上在 反射器14上離發(fā)射器10的最遠(yuǎn)點(diǎn)與射線相重合，該射線在上面描述 成預(yù)計(jì)的或系統(tǒng)光束的半角。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)點(diǎn)幾乎 垂直于在橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)之間的中點(diǎn)。這允許從系統(tǒng)的區(qū)20和區(qū)22導(dǎo)出的兩個(gè)相異光束幾乎完全彼此 重疊，盡管它們的重疊程度由圖3的圖示描繪最小化。在離發(fā)射器IO 的較大相對(duì)距離處，除圖3的描繪之外來自區(qū)20和22的射線允許， 在照明表面上來自區(qū)20和22的圖案的幾乎完全重疊。反射器的這個(gè) 區(qū)16a的對(duì)于本發(fā)明具體實(shí)施例的收集角由對(duì)于在照明表面上的光束 的合成能量分布的設(shè)計(jì)要求而確定。反射器14的、最靠近發(fā)射器10 的區(qū)16c (產(chǎn)生在圖3中的射線集合C)也可定義為系統(tǒng)的繞軸線18 的旋轉(zhuǎn)表面，該表面的兩維輪廓能是錐形的， 一般是拋物線形的，使 其焦點(diǎn)放置在發(fā)射器10的中心附近。所以，由反射器14的區(qū)16c反 射的光被近似準(zhǔn)直并且與光軸18相平行。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中， 拋物線形輪廓放置在這樣一個(gè)位置中，從而拋物線的拱高或從拋物面 或區(qū)16c的上限到跨過上限的弦的距離在反射器14的第一區(qū)16a的橢 圓內(nèi)。反射器14的區(qū)16c的收集角也基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)(如反射器 14的深度和孔徑尺寸、和從發(fā)射器10至照明表面的距離)而選擇。繼續(xù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，反射器14的第三區(qū)16b (產(chǎn)生在圖3 中的射線集合D)是錐的段，其橫截面是分別在最遠(yuǎn)和最近16a和16c 的兩維輪廓的端點(diǎn)之間延伸的線。換句話說，區(qū)16b是在區(qū)16a與16c 之間過渡的正圓錐段。區(qū)16b的這種橫截面輪廓也能是任何形狀的曲 線，該曲線連接上述的區(qū)16a和16b，并且與區(qū)16a和16b的相應(yīng)端 點(diǎn)選擇地相切或近似相切，即提供在區(qū)16a與區(qū)16c之間的平滑過渡， 或至少對(duì)于人的肉眼在視覺上顯得是平滑的。一般地，本發(fā)明的表明實(shí)施例預(yù)期兩個(gè)或多個(gè)定義區(qū)16a和16c 和/或在橫截面中小平面和/或旋轉(zhuǎn)表面或其它裝置的添加，以提供完 整、或均勻化的生成合成光束。以上描述的本發(fā)明的表明實(shí)施例可不 精確地稱作三錐形裝置12，但必須理解，只有其中兩個(gè)區(qū)16a和16b需要為錐形段的形狀。包括本發(fā)明的多個(gè)裝置12可以組裝成陣列并且/或者包括在光學(xué) 元件的組件中，以根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)原理提供輔助功能性。本發(fā)明的兩個(gè) 或更多單元的陣列可以包括對(duì)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的特定集合分別優(yōu)化的裝 置。這些陣列對(duì)于LCD監(jiān)視器和其它面板顯示器用于背景光。這些 陣列可用于標(biāo)牌的背景照明。優(yōu)選實(shí)施例可建造成反射器、可選擇地附加到LED外殼上的TIR 鏡片，或者建造成與LED外殼整體形成的OEM外殼替代鏡片。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，反射器14使用傳遞函數(shù)而設(shè) 計(jì)，以把LED發(fā)射器10的三維能量分布映像到對(duì)于本發(fā)明的裝置12 的輸出光束所希望的兩維能量圖案上。同樣，為了簡(jiǎn)單起見，將假定 發(fā)射器IO具有對(duì)稱軸線，從而其能量分布圖案可僅通過參考能量分布 圖案的兩維半角或極角而有用地描述。在光源10的能量分布圖案是自 由形式或完全任意的并且沒有對(duì)稱性的場(chǎng)合，本發(fā)明的傳遞函數(shù)能以 與本發(fā)明的教導(dǎo)相 一致的方式適當(dāng)?shù)匦薷模约嫒葸@樣的不規(guī)則性。在表明的實(shí)施例中，傳遞函數(shù)導(dǎo)致定義反射器14的表面的旋轉(zhuǎn)表 面的每個(gè)點(diǎn)，反射器14的表面具有表面法線，繞這些法線光能量跨過 裝置12的中心線18或與其相平行地被反射，并且該反射表面把光能 量分布到反射光束中，該反射光束重疊或部分地重疊來自光源10的、 未反射離開反射器14的直接輻射能量。如將由下面的公開認(rèn)識(shí)到的那 樣，反射光束和因此合成光束將具有由任意用戶定義或選擇而確定的 能量或強(qiáng)度分布。本發(fā)明的這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例由如下方法確定，該方法優(yōu)選地在計(jì)算 機(jī)(未表示)中進(jìn)行。首先，基于選擇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定系統(tǒng)半角、 反射器孔徑直徑及從光源10至預(yù)計(jì)目標(biāo)的距離。這建立在反射器14 的邊沿上的最外點(diǎn)。離中心線18的角度比由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定的角度更窄 的LED 10的所有能量都直接輻射到打算的目標(biāo)表面。在隨后的反射 器表面點(diǎn)計(jì)算中計(jì)算和利用在目標(biāo)區(qū)中的能量的分布。如果目標(biāo)是兩 維平表面，并且如果使用標(biāo)準(zhǔn)Lambertian LED 10，則能量分布將幾乎作為離開系統(tǒng)的中心線18的角度的余弦而下降。系統(tǒng)角以及從源到 目標(biāo)的距離定義用于在目標(biāo)上的能量分布圖案的開始半徑。其次，從源IO輻射的剩余能量的分布的圖案可同樣基于選擇的設(shè) 計(jì)標(biāo)準(zhǔn)被修改或不被修改。在優(yōu)選實(shí)施例中，在目標(biāo)表面上的分布圖 案打算在反射光束中幾乎是平的。這通過把輻射LED能量分布劃分成 小角度增量A0、并且首先把直接輻射光束的能量含量求和成系統(tǒng)的向 前中心立體角而完成。把直接輻射光束的能量含量從由LED IO輻射 的總能量減去，并且剩余部分用來計(jì)算反射器點(diǎn)或段。角度增量Ae的 每一個(gè)的能量含量跨過將被反射的剩余LED能量的角度被規(guī)則化。規(guī)則化因子= 在角增量Ae中的能量(總輻射能量-直接輻射能量)作為例子，如果選擇一度增量Ae并且系統(tǒng)的半角是三十度，那么從由LED 10輻射的總能量減去在最初三十度中的能量。假定LED具 有100。半角輸出，剩余70。的角度，LED10的周緣立體角，由其總剩 余能量的百分比規(guī)則化。例如，如果0.75瓦特的能量在30。半角中從 1.0瓦特源10直接輻射到目標(biāo)表面，并留下0.25瓦特待輻射到將被反 射的70。半角中，那么在70。半角中的每一個(gè)角度增量的能量或功率含 量被規(guī)則化，以提供將在這些角增量Ae中分布的0.25瓦特的分?jǐn)?shù)或百 分比。然后計(jì)算目標(biāo)的面積。從剛好在反射器14的孔徑26的邊緣內(nèi)的 最初增量角度A0i開始，入射在增量角度A9!上的剩余能量的部分被映 像到目標(biāo)表面28的對(duì)應(yīng)增量區(qū)域上，該區(qū)域在表明的實(shí)施例中是圓環(huán) 24，如在圖7中最清楚表示的那樣。在這個(gè)例子中，忽略源到目標(biāo)的 放大比值?？捎?jì)算和考慮的是，并且是本發(fā)明的意圖的是，允許這種 計(jì)算，然而，有益的是描述更簡(jiǎn)單的情形。每個(gè)角增量A0i由從該角增 量A9i反射的能量與反射的總能量的比值特征化。在目標(biāo)表面28上的 反射照明(該反射照明與入射到反射器14上的照明相比未作修改)是 合乎需要的表明實(shí)施例中，從每個(gè)角增量A0i反射到在目標(biāo)表面28上 的對(duì)應(yīng)增量區(qū)域的光也由在目標(biāo)表面28中的相同能量比值特征化。在這個(gè)實(shí)施例中，無論什么能量分布入射在反射器表面上，都如實(shí)地以較小固有反射損失復(fù)制在目標(biāo)表面28上。也完全在本發(fā)明的范圍內(nèi)的 是，提供目標(biāo)表面28的均勻反射照明，或者如下面描述的那樣，根據(jù) 設(shè)計(jì)控制把與在反射器表面上的能量分布任意不同的反射能量的能量 分布提供到目標(biāo)表面28上。在表明實(shí)施例中的這種比值相等性因而定義與反射器14的增量 角度A0i相對(duì)應(yīng)的環(huán)24的內(nèi)半徑。利用反射角度計(jì)算，對(duì)于反射器14 的對(duì)應(yīng)增量區(qū)域的法線可從在進(jìn)入射線(從源10到反射器14的增量 區(qū)域的中心點(diǎn))與出去反射射線(從中心點(diǎn)到在目標(biāo)上的環(huán)24的中心) 之間的角度導(dǎo)出，并且是該角度的平分線。然而，必須清楚地理解， 可等效地采用除增量區(qū)域的中心和環(huán)24之外的其它點(diǎn)。例如，計(jì)算可 以是關(guān)于環(huán)24的一個(gè)對(duì)應(yīng)邊緣的增量區(qū)域的一個(gè)邊緣。對(duì)應(yīng)增量反射區(qū)域因而由其相對(duì)于源10的空間位置和其在感興 趣的點(diǎn)處的表面的法線定義。其在反射器表面上的端點(diǎn)是用于與角度 A02相對(duì)應(yīng)的下個(gè)增量區(qū)域的開始點(diǎn)。對(duì)于反射器點(diǎn)的計(jì)算繼續(xù)，直到定義與角增量Aei相對(duì)應(yīng)的所有增量區(qū)域。結(jié)果是與用于每個(gè)增量區(qū) 域的開始和結(jié)束點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值表格，這些點(diǎn)用來定義 反射器表面。給定在空間中的一組點(diǎn)，有可能導(dǎo)出定義在空間中那些 點(diǎn)位于其上的平滑曲線或表面的分析函數(shù)，即具有數(shù)值計(jì)算系數(shù)的多 項(xiàng)式序列。存在提供這種能力的多種計(jì)算曲線示蹤應(yīng)用程序。方法的 這部分因而可變成計(jì)算機(jī)化分析函數(shù)，如果希望或適用，并且整個(gè)反 射器表面然后由分析函數(shù)定義。某些優(yōu)選實(shí)施例可如上述那樣簡(jiǎn)單地計(jì)算。其它利用對(duì)于角增量 的能量分布的修改計(jì)算。作為例子，直接輻射光束的接近余弦下降， 因子可包括在用于重疊、反射光束的計(jì)算中，以補(bǔ)償下降并且使它平 滑。換句話說，反射光束可被更重地加權(quán)，或者集中在直接輻射光束 的下降區(qū)中，以使它平滑或使它消除。如上所述，用于不同反射器增量A9i的放大比值的計(jì)算，作為目標(biāo) 到源的距離的函數(shù)，也可通過加權(quán)或修改來自反射器14的反射光的集中而補(bǔ)償或消除。在另一個(gè)實(shí)施例中，補(bǔ)償可以通過添加乘數(shù)、比值、定義的曲線 偏移、下垂或在到目標(biāo)表面上的重疊反射光束的面積分布中的其它補(bǔ) 償而進(jìn)行，該補(bǔ)償反向計(jì)算成在由兩維反射器輪廓所確定的反射光束 中的能量的分布。如果對(duì)于一定用途，極高精度是要求的或希望的，則從反射器的 兩維輪廓導(dǎo)出的反射光束能量分布可由從三維反射器表面導(dǎo)出的反射光束能量分布代替。在這種情況下，角增量由角度對(duì)(A0i、 Acpi)給 出，并且對(duì)應(yīng)增量區(qū)域或區(qū)不是以上假定的旋轉(zhuǎn)表面，而是在反射器 表面上的面積塊。優(yōu)選實(shí)施例在目標(biāo)表面處提供平滑的、平的光束輪廓，此時(shí)本發(fā) 明的多個(gè)單元用在陣列中。陣列提供極平滑的總分布，而沒有與現(xiàn)有 技術(shù)相關(guān)聯(lián)的'熱點(diǎn)，。結(jié)果是平滑的、高效率的及有效的光束，該光 束在大多數(shù)用途中不要求任何擴(kuò)散器或另外的光學(xué)處理。其中如上述那樣采用傳遞函數(shù)以設(shè)計(jì)反射器形狀的本發(fā)明的方法 概括在下面的表格中。_^_1. 估計(jì)源產(chǎn)生或確定3D分布圖通過2D角度段規(guī)則化數(shù)據(jù)__i_2. 確定系統(tǒng)參數(shù)辨別希望光束(距離和角度) 在目標(biāo)距離處的光束的半徑 反射器末端直徑__i_3. 計(jì)算系統(tǒng)能量直接角度之和從總的減去直接的以得到反射能量_^___4. 把反射能量劃分成2D角度段定義段增量通過角度規(guī)則化反射能量 確定在目標(biāo)光束中的希望分布_5. 定義對(duì)于光束的段影響計(jì)算對(duì)于當(dāng)前段所要求的總區(qū)域百分 比，以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)處的希望分布計(jì)算在目標(biāo)處當(dāng)前段能量所要求的半徑 基于反射角度計(jì)算用于段的法線6. 對(duì)于剩余段重復(fù)優(yōu)選實(shí)施例可建造為反射器、可選擇性地附加到LED外殼上的 TIR鏡片、或OEM外殼替換鏡片。本發(fā)明還表明在多個(gè)實(shí)施例中。圖4是裝置12的橫斷面圖，在該 裝置12中，反射器14由具有外部表面40的全內(nèi)反射器代替，該外部 表面40設(shè)有圖1的三個(gè)定義區(qū)形狀，即拋物線、直錐及橢圓或拋物線、 過渡區(qū)、及橢圓。TIR30也設(shè)有基本反射處理或涂層32，以保證也以 某些角度提供內(nèi)反射，否則這些角度對(duì)于在TIR 30內(nèi)的內(nèi)反射可能是 不利的角度。發(fā)射器10提供在常規(guī)LED外殼34中，該LED外殼34 通常不提供來自發(fā)射器10的光的折射。在發(fā)射器10與外殼34之間的 內(nèi)部空間填充有光學(xué)膠或材料38，該光學(xué)膠或材料38提供指數(shù)匹配， 從而在發(fā)射器10與外殼34的表面之間沒有光學(xué)中斷。光學(xué)匹配粘合 劑也提供在外殼34的表面與附加到它上的TIR反射器30的相符表面 之間，從而僅由從發(fā)射器10輻射的光線遇到的光學(xué)情形是來自表面 40或涂層32的全內(nèi)反射、和通過孔徑界面42的折射。圖5是與圖4的裝置相類似的裝置12的橫斷面圖，其中TIR反射器30與作為OEM制造的LED外殼34的制造整體地進(jìn)行。圖6是裝置12的橫斷面圖，該裝置12設(shè)有由上述傳遞函數(shù)所確 定的超面積成形反射器14。發(fā)射器10設(shè)有以上聯(lián)系圖4所描述的常 規(guī)LED外殼34。圖8是裝置12的橫斷面圖，在該裝置12中TIR反射器44已經(jīng) 代替圖6的超面積成形反射器14，并且該裝置12提供由以上聯(lián)系圖7 描述的傳遞函數(shù)所導(dǎo)出的超面積成形外部表面46。圖9是與圖8的裝置相類似的裝置12的橫斷面圖，其中TIR反 射器44與作為OEM制造的LED外殼34的制造整體地進(jìn)行。圖IO是聯(lián)接到纖維50的輸入上的圖1、 4或5的裝置12的橫斷 面圖。纖維50可以是空心的、實(shí)心的、單根或絞合的。圖10為了簡(jiǎn) 單目的表示單根空心纖維。圖11是聯(lián)接到纖維50的輸入上的圖6、 8或9的裝置12的橫斷 面圖。纖維50可以是空心的、實(shí)心的、單根或絞合的。圖9為了簡(jiǎn)單 目的表示單根空心纖維50。裝置12—般是指包括某種類型的反射器14和光源10，但也可以 包括另外的光學(xué)、結(jié)構(gòu)及機(jī)械元件，這些元件在本說明書中一般集體 地稱作照明燈具。圖12是照明燈具52的立體圖，該照明燈具52包括 在圖1-9的任一個(gè)中所表示的裝置12的陣列或多個(gè)。照明燈具52的 元件是常規(guī)的，并且可以包括另外的光學(xué)元件。陣列的結(jié)構(gòu)可構(gòu)造成 現(xiàn)在已知或以后設(shè)計(jì)的燈陣列的任何構(gòu)造或布置。圖13是裝置12的橫斷面圖，該裝置12在本說明書中叫做反射光 源，該反射器14已經(jīng)根據(jù)與圖7相聯(lián)系的教導(dǎo)和超面積燈而設(shè)計(jì)。關(guān) 于反射裝置12的進(jìn)一步細(xì)節(jié)提供在標(biāo)題為"為了照明用于光的高效收 集和分布的方法和設(shè)備"的美國專利申請(qǐng)no.10/361,137中，該專利申 請(qǐng)通過參考包括在這里。圖6-9的反射器的任一種可用在圖13的反射 裝置12中。發(fā)射器10包含在常規(guī)LED外殼34中，定位在反射器14 的光軸上及旋轉(zhuǎn)成面對(duì)反射器14的基座。反射器14具有從傳遞函數(shù) 導(dǎo)出的定義形狀，該傳遞函數(shù)作為輸入具有光源的三維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到反射器的距離、反射器到表面的距離、和光束直徑；反射器14的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器14的孔徑尺寸； 及在表面上的所需能量分布。傳遞函數(shù)作為輸出具有通過反射器14 的孔徑傳播的輻射能量的量；和在反射器14上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方 位，作為在表面上提供所需能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定 義提供反射能量圖案所必需的反射器14的形狀。要理解，傳遞函數(shù)的 輸入和輸出在所有實(shí)施例中可以根據(jù)手頭的用途而增加或減小。這里 輸入和輸出的列出不打算是限制性的，并且更少或更多的輸入和輸出 可包括，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。傳遞函數(shù)構(gòu)造反射器14的形 狀，以把來自從反射器14的基座到在反射器14上的預(yù)定邊界延伸的 反射器14的第一部分的反射光，發(fā)送到在表面上任意設(shè)計(jì)者選擇的能 量分布的第一部分上，如照明表面28的外部部分上，從而避免散熱片 54和光源10,并且使裝置12的數(shù)字損失(figure losses )的量最小。 傳遞函數(shù)構(gòu)造反射器14的形狀，以把來自從在反射器14上的預(yù)定邊 界到反射器14的孔徑延伸的反射器14的第二部分的反射光，發(fā)送到 在表面上任意設(shè)計(jì)者選擇的能量分布的第二部分上，如照明表面28 的內(nèi)部部分上。在反射器14上的預(yù)定邊界在表明的實(shí)施例中選擇在這 樣一個(gè)位置處，從而從反射器14的第二部分反射的光在任何情況下一 般不由散熱片54和光源10阻礙。在表明的實(shí)施例中，從反射器14 的第一部分反射的光基本上繞散熱片54和光源IO導(dǎo)向到表面28。然 而，必須理解，根據(jù)本發(fā)明，來自反射器14的第一和第二部分的光可 導(dǎo)向到表面28的任何部分。另外，圖13的反射裝置12能可選擇地借助于在圖1-5中所示的 類型的三錐反射器實(shí)施。圖14是實(shí)施例的橫斷面圖，在本說明書中叫做混合LED光源， 其中透鏡56布置在聯(lián)系圖6-9描述的類型的反射器14的縱向前方， 以便允許直接來自光源10的輻射能量通過透鏡56傳播到照明表面 28，以在照明表面28上提供直接能量分布圖案。反射器14同樣具有 從上迷傳遞函數(shù)導(dǎo)出的表面和定義形狀，但傳遞函數(shù)也可以包括輸入過透鏡56傳播的定向輻射能量 的量；來自光源IO的全部可得到輻射能量減去通過透鏡傳播到照明表 面28上的定向光的能量的剩余部分；以及在反射器14的表面上每個(gè) 點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在照明表面28上提供所需合成能量分布所 需要的角度的函數(shù)。該計(jì)算定義提供重疊定向能量圖案的反射能量圖 案以在表面28上形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布所必需的反射器14 的形狀。關(guān)于混合裝置12的進(jìn)一步細(xì)節(jié)提供在標(biāo)題為"使用發(fā)光二極 管的改進(jìn)光源和收集從它們輻射的能量的改進(jìn)方法"的美國專利申請(qǐng) No.10/897，297中，該專利申請(qǐng)通過參考包括在這里。另外，圖14的混合裝置12能可選擇地借助于在圖1-5中所示類 型的三錐反射器實(shí)施。多種變更和修改可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行，而不脫離本發(fā)明 的精神和范圍。因此，必須理解，表明的實(shí)施例僅為了例子的目的已經(jīng)敘述，并 且它不應(yīng)該認(rèn)為限制由如下權(quán)利要求書定義的本發(fā)明。例如，盡管有 下面在一定組合中敘述權(quán)利要求的元件的事實(shí)，但必須清楚地理解， 本發(fā)明包括更少、更多或不同元件的組合，這些元件即使當(dāng)在這樣的 組合中初始不要求保護(hù)時(shí)也在以上公開。在本說明書中用來描述本發(fā)明和其各個(gè)實(shí)施例的詞語不僅要在它 們的普通定義意思上理解，而且包括超過普通定義意義的范圍的在本 說明書結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作中的特定定義。因而如果元件在本說明書的 上下文中可理解為包括多于一個(gè)意思，那么其在權(quán)利要求中的使用必 須理解為是對(duì)于由說明書和由詞語本身所支持的所有可能意思的通 稱。如下權(quán)利要求書的詞語或元件的定義因此在本說明書中定義，以 不僅包括文字?jǐn)⑹龅脑慕M合，而且也包括以大體相同方式用來實(shí) 現(xiàn)大體相同功能以得到大體相同結(jié)果的所有等效結(jié)構(gòu)、材料或作用。. 在這個(gè)意義上，因此想到的是對(duì)于在下面的權(quán)利要求書中的元件的 任何一個(gè)可以進(jìn)行兩個(gè)或更多個(gè)元件的等效替代；或者單個(gè)元件可以代替在權(quán)利要求中的兩個(gè)或更多元件。盡管元件在以上描述成在一定實(shí)施例中起作用并且甚至初始像這樣要求保護(hù)，但要清楚地理解來 自要求保護(hù)組合的一個(gè)或多個(gè)元件在某些情況下可從組合刪去；并且 要求保護(hù)的組合可以涉及子組合或子組合的變化。由本領(lǐng)域的技術(shù)人員所看到的來自要求保護(hù)主題的不顯著變化 (現(xiàn)在已知或以后設(shè)計(jì)的)清楚地設(shè)想為等效地在權(quán)利要求書的范圍 內(nèi)。因此，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員現(xiàn)在或以后知道的顯著替代定義成 在定義元件的范圍內(nèi)。因而將權(quán)利要求書理解成，包括以上明確表明的和描述的、在概 念上等效的、可明顯代替的、以及基本上包括本發(fā)明的基本想法的所 有東西。
權(quán)利要求
1.一種用來對(duì)一表面進(jìn)行照明的設(shè)備，包括光源，其強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的光線角度的函數(shù)而變化；和反射器，其具有基座和孔徑，反射器靠近光源，通過其孔徑定義一系統(tǒng)半角，并允許直接輻射的能量從光源通過反射器的孔徑傳播到所述表面，以在所述表面上提供直接輻射能量分布圖案，反射器具有三個(gè)相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn)表面，第一區(qū)是拋物線形的，第二區(qū)是直錐形的，第三區(qū)是橢圓形的，按照該順序，從反射器的基座開始并且向著其孔徑運(yùn)動(dòng)，以提供重疊到在表面上的直接輻射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案，該反射能量分布圖案與直接輻射能量分布圖案相組合，以在表面上產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布圖案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，從光源產(chǎn)生的大體全部光 都在表面上的設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布圖案中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，從光源產(chǎn)生的光的至少90% 在表面上的設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布圖案中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反射器包括一全內(nèi)反 射器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，光源包括LED光源，并且 所述全內(nèi)反射器整體地制造為用于LED光源的外殼覆蓋物，或者光學(xué) 地集成有LED光源。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，全內(nèi)反射器具有外部表面， 并且還包括布置在全內(nèi)反射器的選擇部分上的反射涂層，以保證其中 光的內(nèi)反射。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，全內(nèi)反射器具有外部表面， 并且還包括布置在全內(nèi)反射器的選擇部分上的反射涂層，以保證其中 光的內(nèi)反射。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括實(shí)心或絞合光纖，其中設(shè) 計(jì)者控制的合成能量分布圖案進(jìn)入實(shí)心或絞合光纖中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的設(shè)備，還包括照明燈具，在該照明燈具 中包括光源和反射器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，照明燈具包括PAR燈具、 MR燈具、路燈、陣列燈、或LCD面板燈、信號(hào)燈、飛機(jī)燈、汽車燈、 航標(biāo)燈、室內(nèi)或室外建筑燈、裝飾燈、作業(yè)燈或泛光照明燈。
11. 一種用來對(duì)一表面進(jìn)行照明的方法，包括 從光源直接輻射光，該光源的強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維立體角的函數(shù)而變化；和從反射器反射光，該反射器具有基座和孔徑，反射器靠近光源， 通過其孔徑定義一系統(tǒng)半角，并允許直接輻射的能量從光源傳播到所 述表面，以在表面上提供一直接輻射能量分布圖案，反射器具有三個(gè) 相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn)表面，第一區(qū)是拋物線形的，第二區(qū) 是直錐形的，第三區(qū)是橢圓形的，按照該順序，從反射器的基座開始 并且向著其孔徑運(yùn)動(dòng)，以提供重疊到在所述表面上的所述直接輻射能 量分布圖案上的一設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案，該反射能量分布 圖案與直接輻射能量分布圖案相組合，以在表面上產(chǎn)生一設(shè)計(jì)者控制 的合成能量分布圖案。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，直接輻射和反射光大體 把從光源產(chǎn)生的所有光都傳輸?shù)皆诒砻嫔系脑O(shè)計(jì)者控制的合成能量分 布圖案中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，直接輻射和反射光把從 光源產(chǎn)生的光的至少90%傳輸?shù)皆诒砻嫔系脑O(shè)計(jì)者控制的合成能量 分布圖案中。
14. 反射器形狀的 一種計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)方法，該反射器具有三維表 面、基座及孔徑，該反射器用來反射來自光源的光，該光源的強(qiáng)度作 為從光源輻射的光線的三維立體角的函數(shù)而變化，該方法包括把從光源輻射的光的整個(gè)強(qiáng)度和空間分布圖案特征化為在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)；把在目的地處的所需能量圖案確定為在計(jì)算機(jī)中的最后數(shù)據(jù)解； 把從光源到目的地的所需距離確定為輸入到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)； 由從光源和反射器的公共軸線測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)出所需的兩維半角，包括確定反射器高度和孔徑寬度，以允許直接輻射光從光源傳播到目的地；計(jì)算來自光源的全部可獲得光減去直接輻射光之差的剩余部分；以及把反射器的三維表面定義為三個(gè)相異的錐形區(qū)，每個(gè)提供一旋轉(zhuǎn) 表面，第一區(qū)是拋物線形的，第二區(qū)是直錐形的，第三區(qū)是橢圓形的， 按照該順序，從反射器的基座開始并且向著其孔徑運(yùn)動(dòng)，以提供重疊 到直接輻射光上的設(shè)計(jì)者控制的反射光，該反射光與直接輻射光相組 合，以在目的地處形成用戶定義的合成光圖案。
15.—種用來對(duì)一表面進(jìn)行照明的方法，包括從光源輻射光，該光源的強(qiáng)度作為從三維輻射圖案的光源輻射的 光線角度的函數(shù)而變化；和從反射器反射光，該反射器具有孔徑，反射器靠近光源，通過其 孔徑定義一系統(tǒng)角，并允許直接輻射的能量從光源通過反射器的孔徑 傳播到所述表面，以在所述表面上提供一直接輻射能量分布圖案，其中，反射器具有從一傳遞函數(shù)導(dǎo)出的定義形狀，該傳遞函數(shù)作 為輸入具有光源的三維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到表面的距離和光束直徑； 反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器的孔徑尺寸；及 在表面上的所需合成能量分布； 并且該傳遞函數(shù)作為輸出具有 通過反射器的孔徑傳播的直接輻射能量的量； 來自光源的全部可得到輻射能量減去通過反射器孔徑直接輻射到 表面上的光線的能量的剩余部分；及在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在表面上提供所需合 成能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反射器的形狀，該反射 器的形狀對(duì)于提供重疊所述直接輻射能量圖案的一反射能量圖案以在 表面上形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布是必需的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，直接輻射和反射光大體 把從光源產(chǎn)生的所有光都傳輸?shù)皆诒砻嫔系脑O(shè)計(jì)者控制的合成能量分 布圖案中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，直接輻射和反射光把從 光源產(chǎn)生的光的至少90%傳輸?shù)皆诒砻嫔系脑O(shè)計(jì)者控制的合成能量 分布圖案中。
18. 反射器形狀的一種計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)方法，該反射器具有三維表 面、基座及孔徑，反射器用來反射來自光源的光，該光源的強(qiáng)度作為 從光源輻射的光線的三維角的函數(shù)而變化，該方法包括定義用于反射 器的形狀，該形狀在計(jì)算機(jī)中由傳遞函數(shù)導(dǎo)出，該傳遞函數(shù)包括輸入光源的三維輻射圖案；光束參數(shù)，如光源到表面的距離和光束直徑； 反射器的系統(tǒng)參數(shù)，如反射器尺寸和反射器的孔徑尺寸；及 在表面上的所需合成能量分布； 和輸出通過反射器的孔徑傳播的直接輻射能量的量；來自光源的全部可得到輻射能量減去通過反射器孔徑直接輻射到 表面上的光線能量的剩余部分；及在反射器上每個(gè)點(diǎn)的計(jì)算位置和方位，作為在表面上提供所需合 成能量分布所需要的角度的函數(shù)，該計(jì)算定義反射器的形狀，該反射 器的形狀對(duì)于提供重疊所述直接輻射能量圖案的一反射能量圖案以在 表面上形成設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布是必需的。
19. 一種以任意選擇合成能量分布對(duì)一表面進(jìn)行照明的設(shè)備，包括光源，和反射器，其具有孔徑，反射器靠近光源，光從光源通過反射器的 孔徑直接輻射到表面上，以在表面上提供一直接輻射能量分布圖案，其中，反射器借助于從任意選擇合成能量分布導(dǎo)出的選擇性定義 空間位置和選擇性定義方位在每個(gè)點(diǎn)處具有選擇性定義形狀，該反射 器產(chǎn)生到表面上的反射能量分布，該反射能量分布當(dāng)重疊到在表面上 的直接輻射能量分布圖案上時(shí)，在表面上產(chǎn)生任意選擇合成能量分布。
20. —種用來對(duì)一表面進(jìn)行照明的設(shè)備，包括 光源，其強(qiáng)度作為從光源輻射的光線的三維立體角的函數(shù)而變化；和反射器，其具有基座和孔徑，反射器靠近光源，通過其孔徑定義 一系統(tǒng)角，并允許直接輻射的能量從光源通過反射器的孔徑傳播到表 面，以在表面上提供一直接輻射能量分布圖案，反射器具有至少兩個(gè) 錐形區(qū)和另一個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)提供一旋轉(zhuǎn)表面，第一區(qū)是拋物線形的， 第二區(qū)是過渡表面，第三區(qū)是橢圓形的，按照該順序，從反射器的基 座開始并且向著其孔徑運(yùn)動(dòng)，過渡表面在第一區(qū)與第三區(qū)之間延伸， 以提供重疊到在所述表面上的直接輻射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制 的反射能量分布圖案，該反射能量分布圖案與所述直接輻射能量分布 圖案相組合，以在表面上產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制的合成能量分布圖案。
21. —種用來對(duì)一表面進(jìn)行照明的設(shè)備，包括 光源，和反射器，其具有孔徑，反射器靠近光源，并且允許直接輻射的能 量從光源通過反射器的孔徑傳播到表面，以在表面上提供直接輻射能 量分布圖案，其中，反射器具有多個(gè)成形區(qū)，每個(gè)區(qū)用來把光引導(dǎo)到在表面上 的合成能量分布圖案的一選擇部分中，以提供重疊到在表面上的直接 輻射能量分布圖案上的設(shè)計(jì)者控制的反射能量分布圖案，從而在表面 上產(chǎn)生合成能量分布圖案。
全文摘要
一種用于諸如LED之類的光源的反射器提供有一種形狀，該形狀高效地向照明表面收集和導(dǎo)向能量，借此幾乎100％的光被收集和分布到設(shè)計(jì)者合成光束中。在一個(gè)實(shí)施例中的形狀包括三個(gè)區(qū)，這三個(gè)區(qū)從在反射器基座處的拋物線旋轉(zhuǎn)表面開始，隨后是過渡或直錐形區(qū)，并以橢圓區(qū)結(jié)束。在另一個(gè)實(shí)施例中，反射器形狀根據(jù)傳遞函數(shù)而確定，該傳遞函數(shù)允許在反射器上每個(gè)點(diǎn)處的反射射線的任意設(shè)計(jì)者控制，該控制在與來自源的直接輻射相組合時(shí)，產(chǎn)生設(shè)計(jì)者控制合成光束或照明。裝置具有大于90％的能量效率，并且允許代替大功率、低能量效率光源而沒有照明強(qiáng)度損失。
文檔編號(hào)F21L4/00GK101619834SQ20091016049
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者G·羅茲, R·G·霍爾德 申請(qǐng)人:照明管理解決方案公司