照明組件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種照明組件，包括：產(chǎn)生光錐的LED光源；以及具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡，其中，校準(zhǔn)表面將光錐校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束，并且非球面形凹槽引導(dǎo)光束以源自于虛擬焦點的出射錐離開近場透鏡。此外，本實用新型還提供了另兩種照明組件。本實用新型的目的在于提供一種具有類似于白熾燈的光散射效果并能夠在車用外部照明應(yīng)用中使用的照明組件。
【專利說明】照明組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型總的涉及照明組件，更具體地，涉及用于在車用照明設(shè)備中使用的基 于LED的照明組件。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽車照明主要由聯(lián)邦政府來管理。發(fā)光圖案，特別是在外部照明應(yīng)用中使用的發(fā) 光圖案必須被控制W滿足美國聯(lián)邦政府法規(guī)。該些法規(guī)存在的目的是為了確保駕駛員、行 人W及在車輛環(huán)境中的其他駕駛員的安全。L邸光源技術(shù)正在迅速地成為白識燈泡技術(shù)的 有效替代。然而，L邸光源具有的明顯缺陷在于它們產(chǎn)生高度定向的光。LED光源產(chǎn)生的光 的定向?qū)傩砸呀?jīng)抑制了能夠滿足美國聯(lián)邦政府法規(guī)、特別是在車用外部照明應(yīng)用中使用的 基于LED的照明組件的發(fā)展。
[0003] LED光源在其產(chǎn)生光的形式方面明顯地不同于白識燈光源。光從白識燈泡W幾近 360°發(fā)出，而光從LED由一個表面W錐體（立體角）形式發(fā)出。近場透鏡（NFL)在當(dāng)前被 用來校準(zhǔn)由L邸產(chǎn)生的光的錐體（立體角），但是幾乎不能增加與白識燈泡所產(chǎn)生的光的散 射相當(dāng)?shù)墓獾纳⑸?。另外，被常?guī)的NFL校準(zhǔn)的基于LED的光不具有焦點，而焦點是設(shè)計同 樣能夠在車用外部照明應(yīng)用中使用的其他部件如反射器的必要條件。
[0004] 因此，需要能夠基本上復(fù)制白識燈泡的光的散射并且有利于在特定應(yīng)用中、特別 是在車用外部照明應(yīng)用中使用的各種封裝的基于LED的照明組件。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的在于提供一種具有類似于白識燈的光散射效果并能夠在車用 外部照明應(yīng)用中使用的照明組件。
[0006] 根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種照明組件。該照明組件包括產(chǎn)生光錐的 L邸光源W及具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡。校準(zhǔn)表面將光錐校 準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束，并且非球面形凹槽引導(dǎo)光束W源自于虛擬焦 點的出射錐離開近場透鏡。
[0007] 根據(jù)本實用新型，近場透鏡構(gòu)造成鄰近于L邸光源，使得校準(zhǔn)表面將光錐的大部 分校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束。
[0008] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽具有連續(xù)變化的曲率半徑。
[0009] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿向后的聚合方向引導(dǎo)光 束W源自于虛擬焦點的出射錐離開近場透鏡。
[0010] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿向前的聚合方向引導(dǎo)光 束W源自于虛擬焦點的出射錐離開近場透鏡。
[0011] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿均勻地分布在向前方向 和向后方向上的聚合方向引導(dǎo)光束W源自于虛擬焦點的出射錐離開近場透鏡。
[0012] 根據(jù)本實用新型的另一個方面，提供了一種照明組件。該照明組件包括產(chǎn)生光錐 的L邸光源W及具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡。校準(zhǔn)表面將光 錐校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束，并且非球面形凹槽引導(dǎo)光束W源自于正 虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0013] 根據(jù)本實用新型，近場透鏡構(gòu)造成鄰近于L邸光源，使得校準(zhǔn)表面將光錐的大部 分校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束。
[0014] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽具有連續(xù)變化的曲率半徑。
[0015] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于正虛擬聚焦環(huán)沿均勻地分布在向前 方向和向后方向上的聚合方向引導(dǎo)光束W源自于正虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0016] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于正虛擬聚焦環(huán)沿向后的聚合方向引 導(dǎo)光束W源自于正虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0017] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于正虛擬聚焦環(huán)沿向前的聚合方向引 導(dǎo)光束W源自于正虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0018] 根據(jù)本實用新型，還包括：類拋物面反射器，構(gòu)造成將出射錐反射成車用外部照明 圖案。
[0019] 根據(jù)本實用新型的又一個方面，提供了一種照明組件。該照明組件包括產(chǎn)生光錐 的L邸光源W及具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡。校準(zhǔn)表面將光 錐校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束，并且非球面形凹槽引導(dǎo)光束W源自于負 虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0020] 根據(jù)本實用新型，近場透鏡構(gòu)造成鄰近于L邸光源，使得校準(zhǔn)表面將光錐的大部 分校準(zhǔn)成從前表面朝向非球面形凹槽反射的光束。
[0021] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽具有連續(xù)變化的曲率半徑。
[0022] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于負虛擬聚焦環(huán)沿均勻地分布在向前 方向和向后方向上的聚合方向引導(dǎo)光束W源自于負虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0023] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于負虛擬聚焦環(huán)沿向后的聚合方向引 導(dǎo)光束W源自于負虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0024] 根據(jù)本實用新型，非球面形凹槽構(gòu)造成相對于負虛擬聚焦環(huán)沿向前的聚合方向引 導(dǎo)光束W源自于負虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開近場透鏡。
[0025] 根據(jù)本實用新型，還包括；類拋物線形反射器，構(gòu)造成將出射錐反射成車用外部照 明圖案。
[0026] 本實用新型的有益效果在于提供一種具有類似于白識燈的光散射效果并能夠在 車用外部照明應(yīng)用中使用的照明組件。
[0027] 本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究了下面的說明書、權(quán)利要求和附圖之后將理解和認識到本 實用新型的該些及其他方面、目的和特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[002引在附圖中：
[0029] 圖1是根據(jù)一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的立體圖，該近場透鏡具有非 球面形凹槽；
[0030] 圖2是根據(jù)另一個實施例的具有反射器的圖1所示照明組件的立體圖；
[0031] 圖3是圖示根據(jù)又一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的操作示意圖，該近場 透鏡具有校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽；
[0032] 圖3A是根據(jù)另外的實施例的圖3所示照明組件的放大圖，其示出了用基于積分數(shù) 學(xué)的算法對非球面形凹槽的形成；
[0033] 圖4A是根據(jù)再一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具 有校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽，其構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿基本向前的聚合方向從虛擬焦點 引導(dǎo)出射光錐；
[0034] 圖4B是根據(jù)另一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具 有校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽，其構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿基本向后的聚合方向從虛擬焦點 引導(dǎo)出射光錐；
[00巧]圖4C是根據(jù)再一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具 有校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽，其構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿基本均勻地分布在向前和向后方 向上的聚合方向從虛擬焦點引導(dǎo)出射光錐；
[0036] 圖4D是根據(jù)另一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具 有多個校準(zhǔn)表面并且具有非球面形凹槽，其構(gòu)造成相對于虛擬焦點沿基本均勻地分布在向 前和向后方向上的聚合方向從虛擬焦點引導(dǎo)出射光錐；
[0037] 圖5是根據(jù)另外的實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具有 校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽，其構(gòu)造成從正虛擬聚焦環(huán)引導(dǎo)出射光錐；W及
[0038] 圖6是根據(jù)另一個實施例的具有近場透鏡的照明組件的截面圖，該近場透鏡具有 校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽，其構(gòu)造成從負虛擬聚焦環(huán)引導(dǎo)出射光錐。

【具體實施方式】
[0039] 本實用新型的具體實施例按要求在此公開，然而，應(yīng)當(dāng)理解，在此公開的實施例僅 為本實用新型的示例，其能夠W各種替代方式實施。附圖不一定是具體設(shè)計；可對一些圖表 放大或縮小W顯示功能概況。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不應(yīng)視為限定，而僅作 為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員W各種方式應(yīng)用本實用新型的代表性基礎(chǔ)。
[0040] 出于說明的目的，詞語"向前""向后""側(cè)部"及其派生詞語應(yīng)當(dāng)依據(jù)圖1中所示 的照明組件和部件。圖1中的'卞"和"R"分別指代向前方向和向后方向。然而，應(yīng)理解的 是除非明確作出相反說明，本實用新型可呈現(xiàn)各種替代的定向。還應(yīng)理解的是在附圖中顯 示和在下列說明書中說明的具體設(shè)備和工藝僅僅為權(quán)利要求書中的權(quán)利要求所設(shè)定的創(chuàng) 造性概念的示例性實施例。因此，涉及該里所公開的實施例的具體尺寸和其它物理特征不 應(yīng)視為限定，除非權(quán)利要求中作了其他明示。
[0041] 參照圖1，示出了根據(jù)一個實施例的具有近場透鏡1的照明組件10的立體圖，該近 場透鏡1具有非球面形凹槽14。近場透鏡1具有沿向前方向"F"定向的前表面4和面向 LED光源（圖1中未示出）的后表面8。如圖所示，近場透鏡1關(guān)于從向后方向"R"向向前 方向"F"跨越的軸線2對稱地布置。近場透鏡1還具有側(cè)表面12,其配置成圍繞軸線2并 且形成在前表面4和后表面8之間。側(cè)表面12包括非球面形凹槽14。
[0042] 近場透鏡1基本上是透明的。優(yōu)選地，近場透鏡元件由玻璃、聚碳酸醋和/或聚甲 基丙帰酸甲醋（PMMA)材料構(gòu)造。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解的，為了光學(xué)清晰的目 的，該些材料應(yīng)當(dāng)足夠地透明。通常，面向后表面8的L邸光源3產(chǎn)生沿向前方向"F"的光 錐3a(立體角）（未示出），光錐3a通過折射的方式行進通過后表面8而進入近場透鏡1 中。來自光錐3a(立體角）的光然后基本上在透鏡1內(nèi)在前表面4處朝向側(cè)表面12反射。 來自光錐3a (立體角）的反射光的大部分然后穿過非球面形凹槽14作為出射錐6離開透 鏡1。因此，來自L邸光源3的呈光錐3a (立體角）形式的入射光被引導(dǎo)穿過近場透鏡1并 且穿過非球面形凹槽14被再次引導(dǎo)至透鏡1之外。
[0043] 如本文所限定的，術(shù)語"非球面形"與本公開中描述的近場透鏡元件的特定表面相 關(guān)聯(lián)。本文描述的近場透鏡元件的"非球面形"表面具有曲率值半徑不同的多個外部點。 因此，該些表面由于不能夠延伸和圍繞W形成完美的球面形而在該層意義上是"非球面形" 的。
[0044] 如圖2所示，根據(jù)另一個實施例，圖1中所描述的照明組件10能夠配置有反射器 16。反射器16關(guān)于軸線2配置并且圍繞近場透鏡1的側(cè)表面12配置。另外，反射器16在 軸線2上處于非球面形凹槽14后面的位置。另外，反射器16具有由如本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員所知的反射材料制造的面向向前方向"F"的光學(xué)反射外表面。
[0045] 在圖2所描述的結(jié)構(gòu)中，照明組件10能夠控制來自透鏡1的出射錐6并且再次引 導(dǎo)該光沿向前方向"F"離開反射器16。來自出射錐6的反射光此時W光圖案6a的形式沿 向前方向"F"發(fā)出。優(yōu)選地，近場透鏡1和反射器16設(shè)計成產(chǎn)生呈具有適于滿足施行的美 國聯(lián)邦政府法規(guī)的車用外部照明應(yīng)用的強度和角展度的圖案的光圖案6a。
[0046] 再次參照圖2,照明組件10的近場透鏡1被描述為具有前表面罩4a。因為從LED 光源3發(fā)出并且行進穿過透鏡1的光錐3a(立體角）通常從前表面4(未示出）內(nèi)部地反 射，所W表面4能夠被前表面罩4a覆蓋。罩4a能夠布置為與照明組件10相關(guān)聯(lián)的造型元 件。另外，在一些實施方式中，罩4a可W具有面向近場透鏡1的前表面4的基本反射性內(nèi) 表面（未示出）。罩4a的反射性內(nèi)表面然后能夠反射來自光錐3a(立體角）的沒有在透鏡 1內(nèi)從前表面4內(nèi)部地反射的任何光。因此，結(jié)合與罩4a相關(guān)聯(lián)的反射性內(nèi)表面能夠改善 照明組件10的光收集效率。
[0047] 在描述照明組件10的截面圖時，圖3示出了根據(jù)另一個實施方式的照明組件10 的操作。如圖所示，照明組件10包括LED光源3和透明的近場透鏡1。LED光源3產(chǎn)生光 錐3a (立體角）。優(yōu)選地，L邸光源3鄰近于透鏡1的后表面8布置，使得光錐3a (立體角） 基本撞擊在后表面8上。L邸光源3可W包括能夠提供W光錐3a(立體角）為形式的高強 度的定向光圖案的多種LED相關(guān)發(fā)光源中的一個或多個。其他部件（未示出）可W構(gòu)造成 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知地那樣驅(qū)動和控制L邸光源3。
[004引圖3中所示的照明組件10的近場透鏡1具有沿向前方向"F"定向的前表面4和 面向LED光源3的后表面8。如圖所示，近場透鏡1關(guān)于從向后方向"R"向向前方向"F"跨 越的軸線2對稱地布置。后表面8還包括校準(zhǔn)表面5。注意，在一些實施方式中，后表面8 可W包括多個校準(zhǔn)表面5 (例如，如圖4D所示的校準(zhǔn)表面5和8a)。另外，如圖3所示，近場 透鏡1還具有側(cè)表面12,側(cè)表面12圍繞軸線2構(gòu)造并且形成在前表面4和后表面8之間。 側(cè)表面12包括非球面形凹槽14。
[0049] 再次參照圖3,照明組件10的近場透鏡1如下地操作。面向后表面8的L邸光源3 產(chǎn)生沿向前方向"F"的光錐3a(立體角），光錐3a行進穿過校準(zhǔn)表面5進入近場透鏡1中。 優(yōu)選地，校準(zhǔn)表面5在尺寸上構(gòu)造成充分地校準(zhǔn)從L邸光源3發(fā)出的光錐3a (立體角）。因 此，校準(zhǔn)表面5能夠根據(jù)與從在照明組件10中使用的特定L邸光源3發(fā)出的光錐3a (立體 角）相關(guān)聯(lián)的展開程度而較大或較小。另外，校準(zhǔn)表面5可W基于L邸光源3接近于校準(zhǔn) 表面5的相對位置而設(shè)定尺寸。優(yōu)選地，校準(zhǔn)表面5構(gòu)造有連續(xù)變化的曲率半徑。
[0050] 來自光錐3a(立體角）的光然后被校準(zhǔn)表面5校準(zhǔn)為近場透鏡1內(nèi)朝向前表面4 的光束圖案5a。光束圖案5a然后在透鏡1內(nèi)在前表面4處朝向側(cè)表面12反射。前表面4 優(yōu)選地在近場透鏡1內(nèi)W大約45°角構(gòu)造 W確保光束圖案5a朝向側(cè)表面12的完全內(nèi)部反 射。該樣，將光束圖案5a從前表面4反射成反射的柱狀圖案化。
[0051] 反射的柱狀圖案化（源自于光錐3a (立體角））的大部分然后穿過側(cè)表面12的非 球面形凹槽14 W出射錐6離開近場透鏡1。特別地，非球面形凹槽14根據(jù)斯涅爾定律通過 折射引導(dǎo)柱狀圖案化W具有虛擬焦點18的出射錐6離開透鏡1。盡管出射錐6不穿過虛 擬焦點18,但其光線能夠被反向匯聚到虛擬焦點18。非球面形凹槽14特別地設(shè)計成沿對 應(yīng)于虛擬焦點18的方向?qū)⒅鶢顖D案化擴散成出射錐6。非球面形凹槽14還設(shè)計成確保 與針對近場透鏡1選擇的材料的折射率相關(guān)聯(lián)的臨界角不被超過。當(dāng)從H維觀察時，照明 組件10產(chǎn)生具有徑向離開軸線2發(fā)出的光的柱形（在向后側(cè)"R"和向前側(cè)"F"具有成角 面）的出射錐6。優(yōu)選地，非球面形凹槽14設(shè)計成具有連續(xù)變化的曲率半徑。
[0052] 如圖3A中所示，非球面形凹槽14可W使用基于積分數(shù)學(xué)的諸如W下由方程式（1) 提供的算法來創(chuàng)建。非球面形凹槽14可W基于對于虛擬焦點18的期望位置和虛擬焦點18 與非球面形凹槽14之間的期望距離在其形狀方面進行設(shè)計。特別地，非球面形凹槽14可 W在圖示的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)該兩個維度上來創(chuàng)建。X坐標(biāo)沿著軸線2,分別橫跨在向后方向 "R"至向前方向叩"。Y坐標(biāo)與X坐標(biāo)垂直。（已經(jīng)選擇的）虛擬焦點18與非球面形凹槽 14朝向軸線2的最低點之間的距離由焦距14a(在W下方程式（1)中也標(biāo)為"If")限定。 另外，方程式（1)中的ni和ri2(并且在圖3A中進行示出）分別對應(yīng)于近場透鏡1和透鏡1 周圍環(huán)境的折射率值。
[0053] 同樣如圖3A中所示，近場透鏡1將被空氣包圍，因此ri2等于1. 00029或者為了使 方程式簡化而等于1。如前面所提到的，透鏡1可W由透明材料制造。在本實例中，透鏡1 由聚碳酸醋制造，從而為其提供等于1.586的折射率ni。方程式（1)能夠用來生成與非球 面形凹槽14相關(guān)聯(lián)的曲率。例如，當(dāng)焦距14a(If)被設(shè)定為10mm時，在X = 5mm時，f (X) =11.7411mm。最后，根據(jù)方程式（1)來限定非球面形凹槽14,使得f(x)定義作為沿X軸 位置的函數(shù)的沿Y軸的非球面形凹槽14的位置。
[0054]

【權(quán)利要求】
1. 一種照明組件，其特征在于，包括： 產(chǎn)生光錐的LED光源；以及 具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡， 其中，所述校準(zhǔn)表面將所述光錐校準(zhǔn)成從所述前表面朝向所述非球面形凹槽反射的光 束，并且所述非球面形凹槽引導(dǎo)所述光束以源自于虛擬焦點的出射錐離開所述近場透鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其特征在于，所述近場透鏡構(gòu)造成鄰近于所述LED 光源，使得所述校準(zhǔn)表面將所述光錐的大部分校準(zhǔn)成從所述前表面朝向所述非球面形凹槽 反射的所述光束。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其特征在于，所述非球面形凹槽具有連續(xù)變化的 曲率半徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其特征在于，所述非球面形凹槽構(gòu)造成相對于所 述虛擬焦點沿向后的聚合方向引導(dǎo)所述光束以源自于所述虛擬焦點的所述出射錐離開所 述近場透鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其特征在于，所述非球面形凹槽構(gòu)造成相對于所 述虛擬焦點沿向前的聚合方向引導(dǎo)所述光束以源自于所述虛擬焦點的所述出射錐離開所 述近場透鏡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其特征在于，所述非球面形凹槽構(gòu)造成相對于所 述虛擬焦點沿均勻地分布在向前方向和向后方向上的聚合方向引導(dǎo)所述光束以源自于所 述虛擬焦點的所述出射錐離開所述近場透鏡。
7. -種照明組件，其特征在于，包括： 產(chǎn)生光錐的LED光源；以及 具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡， 其中，所述校準(zhǔn)表面將所述光錐校準(zhǔn)成從所述前表面朝向所述非球面形凹槽反射的光 束，并且所述非球面形凹槽引導(dǎo)所述光束以源自于正虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開所述近場透 鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明組件，其特征在于，還包括： 類拋物面反射器，構(gòu)造成將所述出射錐反射成車用外部照明圖案。
9. 一種照明組件，其特征在于，包括： 產(chǎn)生光錐的LED光源；以及 具有前表面、校準(zhǔn)表面和非球面形凹槽的透明的近場透鏡， 其中，所述校準(zhǔn)表面將所述光錐校準(zhǔn)成從所述前表面朝向所述非球面形凹槽反射的光 束，并且所述非球面形凹槽引導(dǎo)所述光束以源自于負虛擬聚焦環(huán)的出射錐離開所述近場透 鏡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的照明組件，其特征在于，還包括： 類拋物線形反射器，構(gòu)造成將所述出射錐反射成車用外部照明圖案。
【文檔編號】F21S8/10GK204187477SQ201420638047
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】詹森·杜蘭德 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司