專(zhuān)利名稱(chēng)：高度控制使用多重光源(led)的照明器材的光分布的方法、系統(tǒng)和設(shè)備的制作方法
高度控制使用多重光源(LED)的照明器材的光分布的方
法、系統(tǒng)和設(shè)備相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年9月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/097，483的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)整體上以引用方式并入本申請(qǐng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的各實(shí)施方式總體上涉及用于照明的系統(tǒng)和方法。特別地，本發(fā)明的各實(shí)施方式涉及用于高度控制來(lái)自使用多重光源例如LED(發(fā)光二極管)的照明器材的光分布的系統(tǒng)、方法和設(shè)備。現(xiàn)有HID器材使用單一大光源來(lái)提供光束，可以通過(guò)改變反射器設(shè)計(jì)和安裝定向而在一定程度上控制光束。典型LED器材具有多重功能類(lèi)似的小光源。每個(gè)小光源具有光學(xué)器件(反射或折射透鏡)，以產(chǎn)生特定的光束模式。來(lái)自每個(gè)LED的光束具有相同的尺寸、 形狀，并且覆蓋相同區(qū)域(取決于在器材內(nèi)的位置，存在幾英寸的偏差，這相對(duì)于投射的光束尺寸而言不明顯)。這意味著來(lái)自器材的光束僅僅是單一光束增亮版。這種方案要求與LED —起使用的光學(xué)器件被設(shè)計(jì)成在與LED組合的狀態(tài)下產(chǎn)生最終照明輸出形狀(例如IES的II型分布)。這種方案的缺點(diǎn)是所設(shè)計(jì)的光學(xué)器件只能被用于一種形式的分布，并且要求為每個(gè)光學(xué)器件和光束類(lèi)型單獨(dú)地進(jìn)行開(kāi)發(fā)、加工和庫(kù)存?zhèn)浼刂啤＿@些類(lèi)型的器材的一個(gè)例子是BetaLED (Beta Lighting Inc.，Sturtevant，WI ； www. betaled. com)制造的LED器材，其使用為每個(gè)不同類(lèi)型的期望光束設(shè)計(jì)的陣列分布的相同“Nanoptic” 透鏡。因此，這些器材可以在控制光束的分布和強(qiáng)度以及控制眩光和溢散光方面進(jìn)行改進(jìn)。能夠提供更容易改變和控制的光束模式的照明器材因而在照明行業(yè)中是實(shí)用和理想的。

發(fā)明內(nèi)容
在下面的描述中，出于解釋的目的，大量具體細(xì)節(jié)被提供，以便更徹底地理解本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以理解，本發(fā)明的實(shí)施方式可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)施方式參照LED、LED照明等被描述，然而，本發(fā)明的實(shí)施方式同樣適用于允許多重光源一起被封裝在小區(qū)域中的其它各種固態(tài)或其它形式的照明裝置(例如， 激光器)或器材。出于描述的目的，方便的是描述其中LED面向上方的實(shí)施方式。出于描述復(fù)合光束輸出的目的，方便的是描述其中LED面向下方的設(shè)備。有關(guān)定向的描述并不意味著排除以任何其它期望定向安裝。因此，本發(fā)明的主要目的、特征、優(yōu)點(diǎn)或方面是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)作出改進(jìn)。本發(fā)明的進(jìn)一步目的、特征、優(yōu)點(diǎn)或方面是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和缺點(diǎn)。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)或方面包括用于產(chǎn)生光分布系統(tǒng)的方法，以向預(yù)定區(qū)域提供特定照明規(guī)格的照明方案。所述區(qū)域可包括標(biāo)準(zhǔn)光束形狀，例如IES/NEMA 光束類(lèi)型，以及單獨(dú)定制的光束形狀，包括具有非均勻光分布的形狀，即在一些一平方米量級(jí)的小區(qū)域內(nèi)增加或減少光量。作為一個(gè)例子，復(fù)合光束，例如在圖2A中從上方以簡(jiǎn)化形式所顯示的光束200，可包括來(lái)自單一器材10的光束210?；蛘?，復(fù)合光束220可由來(lái)自集中組(可見(jiàn)于圖2B)中的多重器材10的光束210形成。IES或IESNA(IIluminating Engineering Society of North America)禾口NEMA(National Electrical Manufacturers Association)，以及標(biāo)準(zhǔn)光束形狀，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。一些實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)包括能夠利用相對(duì)高強(qiáng)度(產(chǎn)生高坎德拉)、高效率(高流明/瓦)光源向預(yù)定規(guī)格的目標(biāo)區(qū)域提供具有期望的形狀、尺寸和強(qiáng)度的照明，例如角落、 走廊、建筑物立面，以及靠近“低照明區(qū)”的區(qū)域例如居民區(qū)、公園等。其它優(yōu)點(diǎn)包括能夠向目標(biāo)區(qū)域提供均勻照明，以避免粗糙光斑、陰影、眩光和其它不理想效果。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)或方面包括用于具有多個(gè)照明元件例如一或多個(gè)LED的照明單元的設(shè)備、方法或系統(tǒng)，每個(gè)元件具有可單獨(dú)定位的相關(guān)光學(xué)器件。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，一或多個(gè)光學(xué)器件利用優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以便通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或以其它方式定位光學(xué)器件而產(chǎn)生復(fù)合光束，從而能夠以有效的方式照明不同目標(biāo)區(qū)域。相關(guān)光學(xué)器件可包括反射器，折射透鏡，TIR透鏡，或其它類(lèi)型透鏡。確定使用哪種類(lèi)型的相關(guān)光學(xué)器件可以基于針對(duì)特定用途的可行性，例如從器材的出射角，或制造費(fèi)用和喜好。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)或方面包括照明設(shè)備、方法或系統(tǒng)，其能夠使用小量的備用光學(xué)器件和器材實(shí)現(xiàn)大范圍地改變來(lái)自可用器材的光束的類(lèi)型，從而潛在地降低器材成本，降低客戶(hù)照明的交付時(shí)間，和倍增任何可能產(chǎn)生的器材或光學(xué)器件的通用性。在一些情況下，通過(guò)使用各光束分布的組合，一小組的獨(dú)立光學(xué)器件(或許在小于10 個(gè)的量級(jí))就可能足以產(chǎn)生滿(mǎn)足大部分照明項(xiàng)目和目標(biāo)區(qū)域所需的大部分典型和專(zhuān)用復(fù)合光束。設(shè)備本發(fā)明的一些實(shí)施方式提供了一種設(shè)備，其包括具有多個(gè)獨(dú)立光源的照明器材。 所述多個(gè)獨(dú)立光源可包括固態(tài)光源(例如LED)。每個(gè)光源可包括自身的光學(xué)器件，帶有相應(yīng)的元件例如反射器，折射透鏡，遮光突片，和/或其它元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，每個(gè)獨(dú)立的光學(xué)器件是相對(duì)于器材和/或其它光源安置在特定位置的一個(gè)陣列的光學(xué)器件的一部分。該陣列可以分布成多排、圓形、輻射狀、螺旋狀模式或任何其它模式或形狀。各獨(dú)立的光學(xué)器件可通過(guò)一部件安裝在器材中，該部件還能提供相對(duì)于光源沿一或多個(gè)方向的調(diào)節(jié)，以便改變復(fù)合光束中各光束的位置。光學(xué)器件的調(diào)節(jié)可以通過(guò)制造或組裝過(guò)程而預(yù)設(shè)， 或者器材可被制造成使得各光學(xué)器件的轉(zhuǎn)動(dòng)位置可在安裝時(shí)或以后的時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。這允許，例如，各器材的局部備件可被非?？焖俚貥?gòu)造成適合于給定用途。雖然傳統(tǒng)LED器材通常利用卡配元件和/或粘合劑安裝LED，但這些安裝技術(shù)可能導(dǎo)致位置或定向上的損失，或是相對(duì)于區(qū)域照明器材的預(yù)期壽命而言器材短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障(即相對(duì)于幾十年級(jí)別的預(yù)期壽命，在幾年內(nèi)出現(xiàn)故障)。本發(fā)明構(gòu)想出的安裝/調(diào)節(jié)方法和設(shè)備在本領(lǐng)域中提供了改進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，器材可包括安裝在襯底上的LED，襯底可以是層合或分層
5金屬電路板，標(biāo)準(zhǔn)電路板材料，和/或其它材料，用以提供尺寸穩(wěn)定性，提供或固定所需的電路，和提供可選的熱學(xué)管理益處。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，器材可以可選地包括用于進(jìn)一步引導(dǎo)或控制各光束的元件，例如突片(例如圖9中的35)或類(lèi)似結(jié)構(gòu)，其可以相對(duì)于一或多個(gè)彼此獨(dú)立的光源固定在器材中，并且布置成使得能夠約束直射、非反射或非控制光，或類(lèi)似地約束對(duì)于特定用途而言以不理想的角度發(fā)射的光。系統(tǒng)本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種系統(tǒng)，其使用以各種彼此相隔的位置在待照明區(qū)域內(nèi)或周?chē)仓玫亩鄠€(gè)器材或器材組。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式可使用一或多個(gè)組，每組一或多個(gè)器材，以在預(yù)定規(guī)格的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)提供期望級(jí)別的照度，以便提供上述照明方法對(duì)于各種區(qū)域例如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)、建筑物等的協(xié)調(diào)益處。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能要求兩個(gè)或三個(gè)分開(kāi)的步驟，包括分析預(yù)期的用途，選擇各光學(xué)器件，和設(shè)計(jì)復(fù)合光束。這些可能根據(jù)需要被重復(fù)以使得設(shè)計(jì)被最優(yōu)化。a)產(chǎn)生復(fù)合光束在一個(gè)方面，光束以下述方式構(gòu)成來(lái)自每個(gè)光學(xué)器件的光束(即來(lái)自光源且被光學(xué)器件引導(dǎo)的光產(chǎn)生的光束)構(gòu)成整體光束模式的一部分。該光束部分可以是用于目標(biāo)某一部分的主光源或者基本上是唯一光源；或者，通過(guò)組合一組這樣的投射各種光束類(lèi)型 (例如圓形、加長(zhǎng)或長(zhǎng)條光束)的光學(xué)器件，一系列重疊光束能夠以期望的照度級(jí)別建立為期望的模式(例如圖3D)，這可能有助于補(bǔ)償距離(平方反比定律)和入射角(余弦定律) 或用于其它因素。例如，更多的獨(dú)立光束可被朝向復(fù)合光束的遠(yuǎn)側(cè)邊緣引導(dǎo)(參看例如圖 3B)，或者，具有不同強(qiáng)度的不同光束模式(例如圓形、加長(zhǎng)、窄、寬等)可被產(chǎn)生，以使得目標(biāo)區(qū)域中的分布是均勻的(例如許多‘十度’圓形光束可被用于照明與器材相距最遠(yuǎn)的區(qū)域，而較少的‘二十度’光束可被靠近器材使用，等等)。光束邊緣能夠以任何理想角度重疊會(huì)合的光束，以提供均勻的分布，或者整個(gè)光束可以重疊另一光束以提高強(qiáng)度，并且復(fù)合光束可以由具有不同尺寸、形狀、分布角度和定向(例如只向可用透鏡設(shè)計(jì)投射，圖4中的“長(zhǎng)條”光束403可以沿光束軸向、橫貫光束或以相對(duì)于光束軸線(xiàn)的一些其它角度定向)的一定數(shù)量的獨(dú)立光束的組合構(gòu)成。所產(chǎn)生的光束分布可以是矩形、長(zhǎng)條、橢圓、圓形、扇形或期望的其它形狀，如示于圖3A-3E。根據(jù)一些實(shí)施方式，對(duì)于可被用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的方案，這樣的光束可提供照明于例如照明器材安裝柱的基部以及提供至運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域。另外，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，光束可在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)邊緣切斷(圖3C)，同時(shí)還能靠近運(yùn)動(dòng)場(chǎng)邊緣提供適宜的照度。容易配置成被照明的各種形狀的例子包括例如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)角部(圖3E)，足球場(chǎng)(見(jiàn)圖3D)，短且寬的建筑物270 (見(jiàn)圖14A和14B)，高且窄的建筑物280 (見(jiàn)圖15A-15B)，以及許多其它特定形狀和構(gòu)造。‘像素化，不同于傳統(tǒng)照明器材，本發(fā)明的實(shí)施方式能夠以高精度級(jí)別提供‘粒狀’或‘像素化’控制光，其中，對(duì)于給定用途，可在1平方米量級(jí)的(根據(jù)透鏡設(shè)計(jì)、安裝高度器材安裝角度等可更大或更小)小區(qū)域可具有在一定程度上控制的亮度。這允許目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的一些區(qū)域被著重強(qiáng)調(diào)。對(duì)于需要照亮醒目定義的形狀的建筑物、標(biāo)記或其它用途，這些實(shí)施方式同傳統(tǒng)照明相比提供了更大的靈活性。在一個(gè)例子中，輸出36，000流明的HID燈能夠以200勒克斯(流明/m2)覆蓋大約 180m2 (12mX 15m的區(qū)域)。本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種器材，其包括多重LED，它們能夠覆蓋相同的180m2區(qū)域。每個(gè)單一 LED例如能夠輸出200流明并且為一平方米提供足夠的光。這提供了一定級(jí)別的精確控制，以實(shí)際上提供“逐個(gè)像素地”控制目標(biāo)區(qū)域上的照度， 這是傳統(tǒng)HID和LED照明不能實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)HID和傳統(tǒng)LED器材都局限于從器材投射的光束模式，這在采用只能影響整個(gè)光束或光束大部分的方法時(shí)，只能進(jìn)行小量改造。附加可選元件對(duì)于使用反射型透鏡的實(shí)施方式，如果器材需要采用平板玻璃罩，例如圖IB中的 40，并且器材需要定向?yàn)榇篌w上平行于地面，則可能工作得不佳，因?yàn)橐恍┕馐Ｊ娇赡芤蟾呷肷浣?。結(jié)果可能是，光可能被罩反射，而非傳輸透過(guò)罩。在這種情況下，可能更有效的是使用折射透鏡設(shè)計(jì)或改變罩設(shè)計(jì)。在罩上使用防反射涂層是本領(lǐng)域公知的，其理論上允許相對(duì)于垂直方向的入射角高達(dá)60 °，這可增加折射透鏡在較高角度的可用性。然而，它們的使用一般局限于與垂直方向成大約45度，這使得在一些情況下使用折射透鏡陣列比反射透鏡陣列更有效?？蛇x的附加元件可包括附加透鏡或透鏡組或其它與器材相關(guān)的光學(xué)元件，其可以對(duì)整體照明效果做出貢獻(xiàn)，或者可以提供其它益處，例如增加美學(xué)效果，保護(hù)器材的元件， 或降低直接觀看器材時(shí)的任何不佳視覺(jué)效果。使用一個(gè)陣列的LED的器材可以允許光以相對(duì)控制的角度射出，這對(duì)于一些用途來(lái)說(shuō)是可接受的，但仍可受益于附加控制。使用現(xiàn)有照明器材中常用類(lèi)型的單一遮光器可能趨向于完全遮住從靠近器材前部的光源射出的光(參看圖7B)，或是趨向于對(duì)靠近器材后部的光源射出的光的角度幾乎或完全沒(méi)有影響(參看圖7C)。如示于圖7D，多重遮光器 797可提供附加的新穎措施來(lái)精確控制來(lái)自器材的光?？擅闇?zhǔn)性本發(fā)明的一些實(shí)施方式提供了或提高了在工廠(chǎng)中針對(duì)特定位置或用途的器材預(yù)瞄準(zhǔn)能力。本發(fā)明構(gòu)想出的實(shí)施方式可容易實(shí)現(xiàn)預(yù)瞄準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兊墓庠谝粎^(qū)域上的定位能夠精確地建立并且針對(duì)器材的預(yù)期安裝位置而分度調(diào)節(jié)。另外，利用單獨(dú)瞄準(zhǔn)的光線(xiàn)/ 光學(xué)器件或利用器材上的精確制作的基準(zhǔn)進(jìn)行分度，可將器材精確地瞄準(zhǔn)。


下面將利用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式和方面進(jìn)行描述，在附圖中圖1A-1B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的器材；圖IC示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的器材；圖ID示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式提供定向和分度的子結(jié)構(gòu)或框架；圖IE示出了根據(jù)本發(fā)明組裝一個(gè)陣列的LED和光學(xué)器件的方法的實(shí)施方式；圖2A-2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式形成復(fù)合光束的方面；圖3A-3E示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的可行復(fù)合光束布局；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式可被產(chǎn)生或用作子光束的一些光束形狀的例子；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式使用反射器型光學(xué)器件的一種示例性器材的方面；圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于設(shè)計(jì)反射光學(xué)器件元件的Bezier控制；圖6B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的光學(xué)器件的未剪切圖像的曲線(xiàn)圖；圖6C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式基于光學(xué)器件剪切線(xiàn)的剪切圖像的曲線(xiàn)圖；圖6D示出了基于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的拋物面反射光學(xué)器件元件的等光強(qiáng)跡線(xiàn)；圖6E示出了基于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的拋物面反射光學(xué)器件元件的尺燭光(footcandle)跡線(xiàn)；圖6F示出了基于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的改型反射光學(xué)器件元件的等光強(qiáng)跡線(xiàn)；圖6G示出了基于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的改型反射光學(xué)器件元件的尺燭光跡線(xiàn)；圖7A-7D示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的'遮光器'的需求和用途；圖8A-8B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的'遮光器'針對(duì)LED陣列的用途；圖8C示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的器材的端視圖(一些線(xiàn)被去掉)，其中'遮光器'被應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的LED陣列；圖9示出了反射突片針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的一個(gè)陣列的LED的用途；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式調(diào)節(jié)光學(xué)器件的措施；圖11A-11B示出了帶和不帶溢散光控制時(shí)照明效果的差異；圖12A-12C示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合光束，具有相對(duì)窄光束和大入射角；圖13A-13C示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合光束，具有寬光束，以投射從低至高入射角范圍的光；圖14A-14B示出了另一建筑物類(lèi)型，其可利用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的器材來(lái)照射。圖15A-15B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的器材如何能夠向高且窄的建筑物的立面提供精確照明。作為比較，具有傳統(tǒng)圓光束的傳統(tǒng)器材在高且窄的建筑物的照射被顯
7J\ ο圖16A-D類(lèi)似于圖14A和B，顯示了適合于寬建筑物的光束如何能夠被改造成適用于窄建筑物。圖17A-17F示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的具有獨(dú)立的遮光器的光學(xué)組合結(jié)構(gòu)。圖18A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的利用它們的安裝板進(jìn)行定向的光學(xué)組
合結(jié)構(gòu)。圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式安裝在安裝板上的多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)組合結(jié)構(gòu)。
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圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式安裝在安裝板上的多個(gè)光學(xué)組合結(jié)構(gòu)，它們被相對(duì)于安裝板固定。圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式照明多個(gè)目標(biāo)的單一器材。各圖并不一定是按比例繪制的。例如，圖中一些元件的尺寸可能被加大或減小，以有助于提高對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的理解。另外，雖然本發(fā)明能夠以各種改型或替代性形式實(shí)現(xiàn)，但特定實(shí)施方式在圖中作為例子被顯示并且在后面被詳細(xì)描述。然而，本發(fā)明并不意于局限在所描述的特定實(shí)施方式。相反，本發(fā)明意在覆蓋所有改型、等同替換和替代。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各實(shí)施方式提供了設(shè)備、系統(tǒng)和方法，用于從LED (或其它獨(dú)立光源)和相關(guān)光學(xué)器件例如反射器或透鏡產(chǎn)生復(fù)合光束。復(fù)合光束可包括來(lái)自單一器材(見(jiàn)圖2A) 的光束，或來(lái)自作為集中組的一部分的多重器材的光源(見(jiàn)圖2B)的光束。所述器材包含多個(gè)(可能是大量的)圖IA所示彼此獨(dú)立的光源20和它們的相關(guān)光學(xué)器件。相關(guān)光學(xué)器件可包括圖IA所示的反射器30，圖IC所示的折射透鏡50，圖IC所示的TIR透鏡60，或其它類(lèi)型透鏡。確定使用哪種類(lèi)型的相關(guān)光學(xué)器件元件可能取決于針對(duì)特定用途的適用性， 可能包括考慮器材的類(lèi)型和形狀(例如為了考慮諸如風(fēng)負(fù)載和美學(xué)等因素)，安裝角度，外界條件等。A.設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的示例性方法-總述—般而言，使用本發(fā)明的實(shí)施方式的照明專(zhuān)業(yè)人士首先將分析預(yù)期的應(yīng)用方式 (用途)，然后，選擇各光學(xué)器件，再設(shè)計(jì)復(fù)合光束。當(dāng)然，對(duì)于可行的設(shè)計(jì)條件和約束，上述過(guò)程可能被重復(fù)進(jìn)行。分析應(yīng)用方式在分析應(yīng)用方式時(shí)，需要確定出預(yù)期目標(biāo)區(qū)域的尺寸和形狀以及基于期望用途的期望照度級(jí)別，以產(chǎn)生總的期望流明值或數(shù)字。然后，基于為所需的總流明必須提供的每個(gè)光源的流明數(shù)和每個(gè)器材的光源數(shù)，確定可被使用的類(lèi)型的器材的最小數(shù)量。這些值、參數(shù)或數(shù)字然后將基于目標(biāo)區(qū)域的需要而進(jìn)行修改，例如基于優(yōu)選的、可允許的和須避免的器材安裝位置，器材從目標(biāo)區(qū)域的后退距離，安裝高度，照明的入射角計(jì)算值，和考慮到光學(xué)器件的平方反比定律因素。在這些因素的條件下，使用若干可行方法之一，照明設(shè)計(jì)者將開(kāi)始設(shè)計(jì)光線(xiàn)布局，以提供目標(biāo)區(qū)域的期望照明。這類(lèi)似于使用傳統(tǒng)HID或LED器材時(shí)的設(shè)計(jì)。然而，設(shè)計(jì)者能夠以遠(yuǎn)為精細(xì)的規(guī)模來(lái)設(shè)計(jì)照明，因?yàn)楦鳘?dú)立光源中的每個(gè)分別構(gòu)成施加于整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的總光量中的一個(gè)小量。另外，不同于使用傳統(tǒng)HID或LED照明的情形， 如果有任何區(qū)域的光量需要增加或減少，可以通過(guò)改變少量幾個(gè)光源的瞄準(zhǔn)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)， 而不會(huì)明顯減少或增加光相鄰區(qū)域的光量。a)選擇或設(shè)計(jì)各光學(xué)器件如果對(duì)于給定的應(yīng)用方式已經(jīng)確定出令人滿(mǎn)意的各光學(xué)器件，則一或多個(gè)類(lèi)型可被選擇，以潛在地滿(mǎn)足前面已經(jīng)分析過(guò)的應(yīng)用方式的需求。如果不能從前面的設(shè)計(jì)中獲取， 則可以設(shè)計(jì)新的類(lèi)型。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，一種可用的方法如下所述本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，單一光學(xué)器件或有限數(shù)量的光學(xué)器件，可被用于產(chǎn)生多重照明構(gòu)造。這是如此實(shí)現(xiàn)的，即產(chǎn)生光學(xué)器件，其產(chǎn)生光束模式的一部分，并且可以與LED或一個(gè)陣列的相似光源中的相似光源一起使用，以產(chǎn)生形狀燈具的期望的最終光束模式 (例如IES類(lèi)型V)。使用前述設(shè)計(jì)的帶有LED陣列的光學(xué)器件并將光學(xué)器件定位在相對(duì)于 LED的各種角度，以利用由每個(gè)光學(xué)器件構(gòu)成的子模式產(chǎn)生最終光束模式，從而產(chǎn)生期望的最終光束模式。圖2A示出了由子光束210形成的復(fù)合光束200的一個(gè)例子。雖然本發(fā)明的實(shí)施方式可被用于產(chǎn)生具有如IES類(lèi)型規(guī)定的模式的區(qū)域光，來(lái)自燈具的光束模式并不局限于IES類(lèi)型，而是可以由客戶(hù)配置成將燈具用于特定的照明任務(wù)。器材的選擇或設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各器材將被選擇，以便于適宜的光學(xué)器件一起使用。這些器材將根據(jù)應(yīng)用方式的整體方案以成組的方式安置在柱上或安置在安裝位置。在這一點(diǎn)上，原始的設(shè)計(jì)因素和光學(xué)器件的選擇將根據(jù)需要進(jìn)行復(fù)核和修改，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)。B.光學(xué)器件的精細(xì)研制拋物面光學(xué)器件的不足之處下面將根據(jù)本發(fā)明的某些方面來(lái)描述適合于子光束的光學(xué)器件的研制。雖然拋物面光學(xué)器件易于設(shè)計(jì)并且可被用在本發(fā)明的實(shí)施方式中，但其它類(lèi)型的光學(xué)器件可能能夠提供更理想的結(jié)果。眾所周知，拋物面表面與位于拋物面反射器焦點(diǎn)的光源相組合，可產(chǎn)生沿著拋物面軸線(xiàn)的光斑光束。通過(guò)將拋物面軸線(xiàn)指向期望的方向，該光斑光束可被引導(dǎo)。然而，來(lái)自?huà)佄锩娴墓獍吖馐趨^(qū)域照明時(shí)的一個(gè)缺點(diǎn)是來(lái)自反射器的強(qiáng)度分布輪廓將在被照明區(qū)域上產(chǎn)生非均勻的分布，即在中心具有強(qiáng)斑，并且急劇過(guò)渡到邊緣處的零光量。這對(duì)于區(qū)域照明來(lái)說(shuō)，一般不是最佳的輸出光束。理想模式通常包含更均勻的分布，即燈具正下方的光平穩(wěn)過(guò)渡到光束邊緣。本發(fā)明的實(shí)施方式提供了能夠從單一光學(xué)器件設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同光束類(lèi)型的系統(tǒng)和方法，光學(xué)器件被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成允許將子光束平穩(wěn)地混入復(fù)合光束中。這是如此實(shí)現(xiàn)的，即采用單一光學(xué)器件而非多重光學(xué)器件，通過(guò)單一研制周期，且僅利用單一元件的備件，但能產(chǎn)生成本上的優(yōu)點(diǎn)和快速投向市場(chǎng)。本發(fā)明的實(shí)施方式提出了產(chǎn)生改型拋物面形狀，以使產(chǎn)生的輸出光束投射出用作子光束的光斑，同時(shí)在被照明區(qū)域產(chǎn)生平穩(wěn)的分布過(guò)度，以使得各子光束可被組合而從燈具產(chǎn)生理想的照明光束。指向?yàn)榕c天底(nadir)方向成70°的拋物面反射器和 CREE(Durham,North Carolina USA)型號(hào)XRE的白光LED的角度輸出的一個(gè)例子被顯示于圖6D(單元為坎德拉)，圖中示出了來(lái)自系統(tǒng)的代表性“光斑”類(lèi)型光束。利用這一光束并將其作為區(qū)域型光源照亮系統(tǒng)下方10英尺處的平面，地面上的光分布被顯示在圖6E (光輸出的單元為尺燭光)。改造拋物面光學(xué)器件一種具有Bezier控制點(diǎn)600的示例性起始點(diǎn)顯示于圖6A。每個(gè)控制點(diǎn)利用其X、 Y、Z坐標(biāo)和其控制點(diǎn)權(quán)重W進(jìn)行參數(shù)化?；緬佄锩娣瓷淦餍螤町a(chǎn)生光斑光束。拋物面形狀利用Bezier多項(xiàng)式方案被參數(shù)化，以便允許調(diào)節(jié)若干參數(shù)來(lái)控制反射器形狀，從而實(shí)現(xiàn)期望的輸出分布。Bezier算法被廣泛用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。使用Bezier算法的結(jié)果是大體描述表面的簡(jiǎn)化點(diǎn)和控制點(diǎn)列表， 并且允許通過(guò)這些參數(shù)來(lái)控制該表面。在光學(xué)設(shè)計(jì)中使用Bezier樣條見(jiàn)于許多文獻(xiàn)。
通過(guò)使用自動(dòng)優(yōu)化程序?qū)?shù)化拋物面反射器重新定義，以將反射器形狀構(gòu)造成能夠在被與上述拋物面反射器光斑光束一樣布置時(shí)使所產(chǎn)生的子光束形成更均勻的輸出光束。優(yōu)化程序是一種基因算法(例如參看: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)?；蛩惴捎欣诮鉀Q這些類(lèi)型的問(wèn)題，這是因?yàn)樵u(píng)價(jià)函數(shù)(merit function)的存在大量的變量和不確定行為。所用基因算法可包括實(shí)值染色體以及錦標(biāo)賽(tournament)選擇、交叉運(yùn)算和突變?；蛩惴ǖ钠渌男涂筛鶕?jù)需要而使用。至少一個(gè)實(shí)施方式中的評(píng)價(jià)函數(shù)定義為照明模式的中心到模式邊緣的照度衰減。隨著衰減接近于線(xiàn)性衰減，評(píng)價(jià)函數(shù)的值增加。當(dāng)然，取決于期望的用途，評(píng)價(jià)函數(shù)針對(duì)不同用途而有所不同。評(píng)價(jià)函數(shù)是眾所周知的(例如參看Press，W. H. ；Flannery, B. P. ； Teuko Isky, S. A.；以及 Vetterling， W. Τ. “ Bessel Functions of Fractional Order, Airy Functions, Spherical Bessel Functions. " § 6. 7 inNumerical Recipes in FORTRAN :The Are of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England :Cambridge University Press,1992)。表1. O示出了一種使用這種評(píng)價(jià)函數(shù)產(chǎn)生的光學(xué)器件的表面定義。光學(xué)器件由三次X三次Bezier曲面片(例如參看關(guān)于三次Bezier曲面片的美國(guó)專(zhuān)利5，253，336)描繪表 1.0表面定義
權(quán)利要求
1.一種照明器材，用于產(chǎn)生施加至相對(duì)大目標(biāo)區(qū)域的可調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)的相對(duì)高強(qiáng)度光輸出，所述照明器材包括a、殼體；b、殼體中的安裝界面；C、安裝在殼體中的安裝界面上的多個(gè)彼此獨(dú)立的照明元件，每個(gè)照明元件包括固態(tài)光源和相關(guān)光學(xué)器件，所述固態(tài)光源和相關(guān)光學(xué)器件一起產(chǎn)生具有可定制特性的光輸出；d、至少兩個(gè)照明元件被構(gòu)造成產(chǎn)生具有不同特性的光輸出，所述特性至少有關(guān)光學(xué)器件的選擇、位置和定向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，所述固態(tài)光源包括發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，光學(xué)器件包括一或多個(gè)折射或反射元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的照明器材，其中，光學(xué)器件包括反射器，其取決于對(duì)光源的可調(diào)節(jié)的定向而產(chǎn)生方向性光輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，安裝界面包括排布板，其具有預(yù)先設(shè)計(jì)的用于為每個(gè)照明元件定位和定向光源和光學(xué)器件的容納器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的照明器材，進(jìn)一步包括用于每個(gè)器材的多個(gè)排布板，以使得來(lái)自器材的不同的協(xié)調(diào)光輸出至少部分地取決于對(duì)排布板的選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，每個(gè)照明元件的光輸出特性可針對(duì)形狀、尺寸、 強(qiáng)度、分布各方面中的一或多項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，器材的光輸出在目標(biāo)區(qū)域處是均勻的，但在器材處是不均勻的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材，其中，器材的光輸出被配置成根據(jù)平方反比定律或余弦修正進(jìn)行補(bǔ)償。
10.一種照明系統(tǒng)，包括a、多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1的照明器材。
11.一種向相對(duì)大目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生光輸出的方法，包括a、在殼體中安裝多個(gè)彼此獨(dú)立的照明元件，其中，每個(gè)照明元件包括固態(tài)光源和相關(guān)光學(xué)器件，所述固態(tài)光源和相關(guān)光學(xué)器件一起產(chǎn)生具有可定制特性的光輸出；b、改變至少兩個(gè)照明元件的至少一個(gè)特性，以使所述至少兩個(gè)照明元件產(chǎn)生彼此不同的光輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，光學(xué)器件包括阻擋或副反射器，其包括遮光條或突片。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，每個(gè)光源和光學(xué)器件具有至少一個(gè)有關(guān)改變照明元件光輸出特性的可調(diào)節(jié)特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，所述可調(diào)節(jié)特征包括光源類(lèi)型和輸出，光源位置， 光源定向，光學(xué)器件類(lèi)型和特性，光學(xué)器件形狀，光學(xué)器件定向。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，照明元件包括固態(tài)光源。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中，所述固態(tài)光源包括發(fā)光二極管。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述至少兩個(gè)照明元件的至少一個(gè)特性的改變被相互協(xié)調(diào)以產(chǎn)生復(fù)合光輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，復(fù)合光輸出來(lái)自裝有所述多個(gè)彼此獨(dú)立的照明元件的單一器材。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，復(fù)合光輸出來(lái)自多個(gè)器材，每個(gè)器材裝有一組所述多個(gè)彼此獨(dú)立的照明元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，所述多個(gè)器材被相互協(xié)調(diào)以產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)區(qū)域的復(fù)合照明。
21.一種利用照明器材照明相對(duì)大目標(biāo)區(qū)域的方法，包括a、確定目標(biāo)區(qū)域處的期望的光輸出模式和分布；b、協(xié)調(diào)和配置多個(gè)彼此獨(dú)立的固態(tài)光源和相關(guān)光學(xué)器件，以在目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生期望的光輸出模式，每個(gè)光學(xué)器件包括較大的主反射器，其被配置成俘獲并沿輸出方向控制大量的來(lái)自光源的光，和較小的阻擋或副反射器，其用于在光源的瞄準(zhǔn)方向側(cè)阻擋或重新引導(dǎo)小量的來(lái)自光源的光。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，對(duì)于給定目標(biāo)區(qū)域定制期望的光輸出模式和分布。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，基于對(duì)來(lái)自每個(gè)光源和光學(xué)器件的各種可能輸出模式和分布的分析和選擇進(jìn)行定制。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括提供各種光源和光學(xué)器件的備件，以實(shí)現(xiàn)照明元件的選擇。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括針對(duì)器材殼體提供用于光源和光學(xué)器件的安裝界面的備件，每個(gè)安裝界面包括用于以不同的定向安裝多個(gè)光源和光學(xué)器件的排布板， 以產(chǎn)生不同的協(xié)調(diào)光輸出。
全文摘要
一種設(shè)備、方法或系統(tǒng)用于包括多個(gè)照明元件例如一或多個(gè)發(fā)光二極管的照明單元，每個(gè)元件具有可獨(dú)立定位的相關(guān)光學(xué)器件。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，一或多個(gè)光學(xué)器件可利用優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以使得能夠通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或以其它方式定位反射器、折射透鏡、TIR透鏡或其它類(lèi)型透鏡而產(chǎn)生復(fù)合光束，從而照明不同目標(biāo)區(qū)域。這里的照明設(shè)備、方法或系統(tǒng)能夠利用小量的光學(xué)器件和器材備件而大程度地改變來(lái)自可供使用的器材的光束類(lèi)型。在一些情況下，通過(guò)使用各種光束模式的組合，一小組的獨(dú)立光學(xué)器件足以產(chǎn)生大多數(shù)所需典型和專(zhuān)用復(fù)合光束，以滿(mǎn)足大部分照明工程和目標(biāo)區(qū)域的需要。
文檔編號(hào)F21V7/04GK102216677SQ200980145727
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者C·P·利克依斯, L·C·麥基, L·H·博克斯勒, M·D·德羅斯特, M·K·戈?duì)柖?申請(qǐng)人:馬斯科公司