專利名稱：具有提供預先計算的角強度分布的光學變換器的照明器的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及照明系統。本發明更特別地涉及一種光變換器件，其提供了一個精確確定的光分布模式，例如那些用于導航、障礙物指示和其他的信號光源的光分布模式。
背景技術：
目前，照明系統被用于在道路和機場滑行道和跑道路線上標識障礙物和拐彎。例如，機場使用照明系統來為進場和滑行的飛機提供指引。數千的鹵素燈泡被用在機場。不幸的是，這些燈泡需要太多的電力。
在道路照明系統中，在障礙物的周圍和沿著道路的拐彎放置燈泡以給駕駛員發出信號表示存在障礙物和拐彎。這些照明系統沒有為駕駛員以一種最佳的模式充分地再導向(redirect)光線。例如，這些燈泡沒有為距離它們較遠的駕駛員提供足夠的光線。因此，這些燈泡也沒有對駕駛員接近燈泡時光照度與距離成二次方倒數的關系進行補償。特別地，這些燈泡沒有為當駕駛員更接近該燈泡時能更好地看見燈泡這一事實進行調整。此外，大部分這樣的信號器件在有用的模式中僅導向(direct)了光源所發射光的一部分。因此，它們效率低下。
發明內容
本發明提供了一種通過使用具有精確計算的反射面的光學變換器以預定的模式高效地再導向由光源發射的光的方法和裝置。在一個實施例中，本發明提供了由具有曲線的環形反射內表面的光變換器再導向的被發射的光，該反射內表面以預定的模式反射光。例如，該反射內表面反射光使得相當數量的光被反射到接近于與確定該環形發射內表面半徑的徑向線一致的軸。該光通過一個光學窗被傳輸到光變換器外。
在另一個實施例中，本發明提供了一種光再導向器件，用于傳輸光線使其具有低散射度或與一個光的方向軸基本平行。該器件可以包括第一總內反射面；包括所述第一總內反射面一部分的第一構件；位于所述第一構件一端的第一平面光學窗，所述第一平面光學窗基本垂直于所述光的方向軸；和鄰近于所述第一構件的非球面棱鏡。該器件可以還包括第二總內反射面，該表面在所述光的方向軸的對面與所述第一總內發射表面對稱；和包括所述第二總內反射面一部分的第二構件，所述第二構件在所述光的方向軸的對面與所述第一構件對稱。該器件還可以包括位于所述第二構件一端的第二平面光學窗，所述第二平面光學窗與所述光的方向軸基本垂直，所述第二光學窗在所述光的方向軸的對面也與第一平面光學窗對稱。
在另一個實施例中，本發明提供了一種光再導向器件，該器件可以包括從光源接收光的第一端；輸出所接收的光的第二端，所述第二端位于該器件與所述第一端相對的一端；位于該光再導向器件的第三端的第一構件，所述第一構件具有包含總內反射面的外部壁；位于該光再導向器件的第四端的第二構件，所述第四端位于該光再導向器件上與所述第三端相對的一端，所述第二構件具有包含總內反射面的外部壁；和位于所述第三端和所述第四端之間的軸，所述軸與所述第一端垂直。所述第一面和所述第二面再導向所接收的光到所述第二端的方向。
在另一個實施例中，本發明提供了一種用于設計光變換器的反射面的方法，該方法的步驟可以包括接收最大和最小輸出角度；接收相對于提供光的光源的所述光變換器一部分的位置；和基于所接收的所述光變換器一部分的位置，根據所接收的最大和最小輸出角，通過為輸入角的每一增量提供輸出角的相關增量，反復、逐點地計算光變換器反射面，該輸出角的相關增量與預定輸出強度分布一致，以反射所述光源所提供的光。
在另一個實施例中，本發明提供了一種用于變換和發射光的裝置，該裝置包括發射光的光源；具有曲線圓錐形反射表面的光變換器，所述反射表面以具有預先計算的角光強分布的模式反射所述光源所發射的大部分光；和傳輸所述光到所述光變換器外的光學窗。該反射內表面可以在角度α反射光以獲得與1/(tan2α)成比例的強度。該反射內表面能進一步在不同角度反射光的光線以補償感覺強度和距離光源的距離之間成反比的關系。
本發明的優選實施例將參考如下附圖進行說明，其中相同的數字指代相同的元件，其中圖1為根據一個實施例的光變換器的一個典型的透視圖；圖2為根據一個實施例的光變換器的另一個典型的透視圖；圖3為根據另一個實施例的半嵌入式全向照明器的剖視圖；圖4為根據另一個實施例的光變換器的一個典型的透視圖；圖5為根據另一個實施例的用于光變換器的照明系統的一個典型的頂視圖；圖6為根據另一個實施例的光變換器的一個典型的剖視圖；圖7為根據另一個實施例的光變換器的另一個典型的剖視圖；圖8為光變換器設計系統的一個典型的框圖；圖9為光變換器設計模塊的一個典型的框圖；圖10為全向光變換器系統的一個典型的示意圖；圖11(a)-(c)為使用源光強進行二次方倒數規律補償的典型的示意圖；圖12為如何設計一個反射面的典型的示意圖；圖13為用于設計光變換器的典型的流程圖的示意圖；圖14(a)-(c)為一個系統的典型的示意圖，該系統提供了水平面中的全向光模式，其在垂直面中具有精確預定的光強分布；圖15(a)和(b)為照明系統的合成的包絡和迭加的強度分布模式的典型的示意圖；圖16為一個環形精度光學變換器垂直剖面的典型的示意圖；和圖17為一個用于高架的全向光變換器的光學變換器的典型的示意圖。
優選實施例圖1為根據一個實施例的集成全向光變換器100的一個典型的透視圖。集成全向光變換器100可以包括光學窗110和支座120。光學窗110可以包括全向窗或任何其他傳輸光的裝置，例如棱鏡、漫射器或敞開區域。在工作時，當希望以360度的模式將光散布出光變換器100時，光變換器100可以是所示的圓形。其他的形狀和各種遮光框可以被用來實現不同的光分布模式。例如，為了使光僅通過光變換器100的一部分散布出去，光學窗110的一部分可以被遮蔽。
圖2為根據一個實施例的光變換器100的另一個典型的透視圖。圖2圖示說明光變換器100可以進一步包括一個任意的非球面反射面130。該反射面130可以是曲面圓錐內反射面。在工作時，光可以從光變換器的底部投射到反射面130上。然后，反射面130可以將光通過光學窗110反射出光變換器100。
圖3為根據另一個實施例的半嵌入式全向照明器300的剖視圖。半嵌入式全向照明器300可以包括光變換器100，光源310，殼320，接線器330，印刷電路板(PCB)340和光線350-352。半嵌入式全向照明器300也可以包括墊圈片360，加強筋370，密封部分380和粘合部分390。光源310可以是發光二極管或任何其他發光器件。接線器330可以提供到外部電路的電連接，該外部電路為半嵌入式全向照明器300提供功率和控制。PCB 340可以為光源310，接線器330和有用的電路提供用于運行該半嵌入式全向照明器的電連接。PCB 340還可以提供控制電路和電源，以便該半嵌入式全向照明器能由外部電路和功率自動進行運行。
在工作時，光源310發射光線350-352到反射面130。光線350-352根據反射面130的曲率被反射。相對于垂直軸有最小角度的光線在最大的仰角的方向被反射(光線352)，相對于垂直軸有最大角度的光線在最小的仰角的方向被反射(光線350)。因此，將形成出射光束的光束腰以最小化透光壁的垂直尺寸。最好是，更高百分比的光線350-352能沿著光線350的路徑反射。
例如，從光源310發出的70％的光可以基本上沿著光線350的路徑被反射，10％基本上沿著光線352的路徑被反射，剩余的20％基本上在光線350和352之間被反射。因此，照明器300將在較低的角度得到較高光強，幾乎所有由光源所發出的光將以預定的模式被導向。特別地，照明器300可以再導向光線，以便長程的照明度(例如，在較低的觀察角)將等于短程的照明度(例如，在較高的觀察角)。因此，當車中的駕駛員接近照明器300時，該駕駛員可以在距離照明器300較遠和較近的距離感覺到相等強度的光。
圖4為根據另一個實施例的照明器500的一個典型的透視圖。照明器500可以包括光變換器600，以及包括多個光源700的照明系統800。在運行中，光變換器600可以被放置在照明系統800上以接收和散布來自光源700的光。
圖5為根據另一個實施例的一個用于光變換器的照明系統800的典型的頂視圖。該照明系統可以包括光源700。該光源700可以是發光二極管(LEDs)或任何其他用于發光的器件。該光源700可以圍繞照明系統800，或部分圍繞照明系統800以僅使光從照明系統800的一部分發出。
圖6為根據另一個實施例的光變換器600的一個典型的剖視圖。該光變換器600可以包括如窗610的窗，非球面透鏡620，總內反射面(TIR)630和635，和透明窗或光學窗640和645。該TIR表面630和635可以是曲線環形反射內表面或任意非球面反射面。
圖7為根據另一個實施例的光變換器的另一個典型的剖視圖。圖7圖示說明了光源700散布光線710-750到光變換器600的一部分。該光源可以是LED或任何其他用于發光的器件。在工作時，光源700放射光線710-750到光變換器600。光線710-750在窗610進入光變換器600。如所示，光線730從光源沿著與確定該環形反射內表面的半徑的徑向線一致的軸直線傳播。那些直接行進到表面620的光線720，730和740被折射到低散射度或基本上與光線730平行的方向。那些直接行進到表面630和635的光線750和760通過透明窗640和645被反射到低散射度或基本上與光線730平行的方向。
圖8為光變換器設計系統900的一個典型的框圖。該光變換器設計系統900可以包括設計處理單元910，輸入器件920，輸出器件930和數據庫940。設計處理單元910可以是處理器，個人電腦，主機計算機，掌上電腦或任何其他用于處理數據的器件。輸入器件920可以是鍵盤，語音識別系統，調制解調器，掃描儀或任何其他用于輸入數據的器件。輸出器件930可以是視頻監視器，打印機，調制解調器或任何其他用于輸出數據的器件。輸出器件930也可以是用于制造光變換器的加工系統。數據庫940可以位于設計處理單元910上，高密度磁盤上，軟盤上，硬盤上或任何其他用于存儲數據的器件上的存儲器中。
在工作時，輸入器件920用于輸入數據到設計處理單元910。該數據可以被系統900的用戶所輸入。設計處理單元910可以處理數據和將數據存儲到數據庫940上。設計處理單元910也可以從數據庫940提取數據以用于處理。設計處理單元910還可以傳送數據到輸出器件930。輸出器件930可以給用戶打印輸出或顯示該數據。該輸出器件930還可以在數據的基礎上加工光變換器。
圖9為光變換器設計模塊1000的一個典型的框圖。該光變換器設計模塊1000可以包括控制器1050，存儲器1040，輸入/輸出(I/O)接口1010，數據庫接口1020和總線1030。控制器1050控制光變換器設計系統900的運行和通過網絡接口1010與輸入器件920和輸出器件930通訊，以及通過數據庫接口1020與數據庫940通訊。在工作時，例如，當設計者使用輸入器件920時，設計處理單元910可以被存取，通訊信號可以被控制器1050路由到設計處理單元910。
在一個典型的實施例中，控制器1050依照本發明通過接收最大和最小輸出角度和相對于光源的接收光變換器一部分的位置進行操作。在所接收的光變換器的一部分的位置基礎上，根據所接收的最大和最小輸出角度，控制器1050可以迭代地計算光變換器上反射光源所提供的光的點。
設計模塊1000可以被用來生成一個任意非球面反射面，例如反射面130，630或者635，這些反射面利用單個光源或給定光度特性的多個光源在水平空間中提供具有在垂直面上有著精確預定的光強分布的相等的全向模式。
圖10為全向光變換器系統1100的一個典型的示意圖。該全向光變換器系統1100可以包括全向光變換器1110，如具有全向窗1120和非球面反射面1130的光變換器100。該全向光變換器系統1100還可以包括光源1140，如LED。
非球面反射面1130可以被設計以使光源1140發出的所有光線在α’min和α’max之間的角域通過全向窗1120被反射。相對于垂直軸有最小角(αmin)的光線應在最大仰角(α’max)的方向反射，有最大角(αmax)的光線應在最小仰角(α’min)的方向反射。因此，將形成出射光束的光束腰以最小化全向窗的垂直尺寸。
圖11(a)-(c)為使用具有f’(α’)＝1/tan2(α’)角分布的源光強進行二次方倒數規律補償的典型的示意圖。圖11(a)-(c)圖示說明了觀察從光變換器和光源1210發出的光的觀察器1220。為了分析，用某一公知的函數f(α)描述光源1210的空間光分布。假設在垂直面內，光變換器所輸出的光強分布用任意函數f’(α’)描述，該函數可以滿足預先定制的要求。例如，如果該要求需要從不同距離有相等的可見度(例如，為補償二次方倒數規律)，這個函數應反比于tan2(α’)。該二次方倒數規律得到E=I(α)D2,]]>其中E是照明度，I是源光強，D是距離。因為D=Htan(α)]]>和I(α)=EH21tan2α]]>或者f′(α′)=ctan2α′,]]>其中c是常數。
反射面1130的設計是一個迭代的過程。圖12為如何逐步地為具有增量Δα的許多發射的光線AB、AC等設計反射面1320的典型的示意圖。圖12包括光源1310和輸出窗口1330。如果已經從頂點O到點B設計了反射面1320，那么反射面1320的下一點C可以通過如下公式得到a·f(α)·Δα＝f′(α′)·Δα′(1)其中a對于整個設計周期是常數。公式(1)中的條件意味著在Δα’扇區所輸出的能量等于Δα扇區所發射的能量乘以因子a。因子a如公式(2)所示a•∫0αmaxf(α)•dα=∫αminαmaxf′(α′)•dα′......(2)]]>通過輸出功率函數f’(α’)，邊界條件αmin和αmax將單值地確定參數a。因此，如圖12所示，其中α’＝α’F，且
α′F＝α′L+Δα′ (3)是反射錐的局部角(local angle)，β可以通過如下反射定律得到 已知點B的下一點C的坐標可以從如下線性方程系統通過光線AC與局部圓錐面的交點得到。 其中第二個方程是從點A出發相對于z-軸有角α的光線的方程。于是ZC=YB-tanβ•ZBtanα-tanβ..........(6)]]>和，YC＝ZC·tanα(7)這可以從點C到反射面1320上一個新的點重復這一過程，直到出射角α’未達到αmax。
圖13為用于通過控制器1050設計光變換器的典型的流程圖的示意圖。在步驟1405，控制器1050接收初始數據。該初始數據可以包括最小角，最大角，和相對于光源的光變換器的初始設計點(AO)的位置或距離。在步驟1410，控制器1050在輸入最小和最大角的基礎上計算非球面反射面常數。在步驟1415，控制器1050為設計流程設定初始點和角度。在步驟1420，控制器1050計算光變換器的反射面的局部角。在步驟1425，控制器1050計算沿著光變換器的反射面的下一個點的坐標。在步驟1430，控制器1050計算光變換器的反射面的反射角中的差值。在步驟1435，控制器1050為光變換器的反射面設置新的點。在步驟1440，控制器1050確定計算所得的反射角是否大于所接收的最小角。如果所計算的反射角不大于所接收的最小角，則控制器1050返回到步驟1420。如果所計算的反射角大于所接收的最小角，則控制器1050前進到步驟1445。在步驟1445，控制器1050輸出光變換器的反射面的最終設計。在步驟1450，流程圖結束。
本方法圖示說明了控制器1050如何設計一個具有預定光分布模式的光變換器。因此，控制器1050基于所接收的該光變換器的一部分的位置，根據所接收的最大和最小輸出角，迭代計算光變換器上反射光源所提供的光線的點。
在一些情況中，當單源的光強分布不能提供足夠的照明以滿足理想的要求時，就可以實施如上述圖5所示的具有多個光源的替代設計。圖14(a)-(c)為一個系統1500的典型的示意圖，該系統通過垂直面中精確預定的光強分布提供水平面中的全向的照明模式。多個等同的光源1510在水平面(XOY)構成一個圓形的陣列，并被環形精密光學變換器1520所包圍。該變換器1520被設計來提供水平面強度分布的最小影響和垂直平面中預定的精確的強度分布。例如，圖14(b)圖示說明了變換器如何提供從輸入光的β角到輸出光的β’角的強度分布的截面圖，其中β/2和β’/2分別代表β和β’的一半。
圖14(c)說明了如何通過迭加單獨的出射模式α’1，α’2，α’3等的方法生成水平模式。當為特定的光源1510給出理想的角強度分布時，選擇光源1510的數目和它們相對位置以提供一個具有預定的非均一性的水平包絡成為可能。圖15(a)和(b)分別為照明系統1500的所得的包絡和迭加的強度分布模式的典型的示意圖。圖15(a)和(b)圖示說明了以間隔相等的36°角放置的10盞LED的例子，這種放置提供了±5％非均一性的包絡。
圖16為一個環形精確的光學變換器1700垂直剖面的典型的示意圖；通過合并該光學變換器(AOB)的中心部分的非球面棱鏡1710，構件1720和1730生成垂直模式。例如，構件1730包括變換器的外圍設備(CDE)。構件1720和1730可以包括平面光學窗1740和1750和總內反射面1760和1770。該非球面棱鏡1710將所有在角度 內發射的光線變換為由β’max出射角的光線所限制的模式(例如，光線1’)。外圍設備的性能基于總內反射，由此所有在角度 和 之間的光線將從總內反射面1770，通過平面光學線窗1750被反射，并被調節在角度β”min和β”max之間的區域(例如，光線2’)。非球面棱鏡輪廓和總內反射面形狀都可以作為在垂直平面中的預定的強度分布的函數來計算，使用根據圖9-14所描述的方法和程序。本概念和設計提供了具有很高比率( 可達50)的光轉換，由于不合理的尺度，這通過傳統非球面光學是不可行的。
圖17為一個用于高架的全向照明器的光學變換器的典型的示意圖。該照明器可以包括光源1810，輸入面1820，反射面1830和光通道1840。該光源1810可以位于與輸入面1820距離d的位置。此外，輸入面可以是以R為半徑的半球面。另外，反射面1830可以根據圖9-14所揭示的方法進行設計。
在工作時，光源1810可以通過輸入面1820傳輸光。該輸入面1820可以用總內反射的方法引導光通過光通道1840到達反射面1830。該反射面1830可以根據特定的分布模式反射光。例如，該反射面1830可以反射在角α’的光，其中α’位于α’min和α’max之間。此外，該反射面可以用類似于在圖3中所示的半嵌入全向照明器300的方式反射光。
本發明的方法最好在編程處理器上實現。但是，該方法也可以在通用或專用目的計算機、編程微處理器或微控制器和外部集成電路元素，ASIC或其他集成電路，硬件電子或邏輯電路諸如離散元件電路，可編程邏輯器件，如PLD，PLA，FPGA或PAL等等。一般說來，任何在其上駐留能夠實現如圖所示的流程圖的有限狀態機(finite state machine)的器件可以用來實現本發明的處理器的功能。
雖然本發明通過其一些具體的實施例進行說明，但是很多替代、改進和變化對于本領域的技術人員是清楚的。因此，這里所提出的本發明的最優實施例意欲于說明性，而不是限制性的。可以進行不同的不背離本發明的精神和范圍的改進。
權利要求
1.一種光變換器，用于導向光線使其具有低散射度或與一個光的方向軸基本平行，包括第一總內反射面；包括所述第一總內反射面一部分的第一構件；位于所述第一構件一端的第一平面光學窗，所述第一平面光學窗基本垂直于所述光的方向軸；和鄰近于所述第一構件的非球面棱鏡。
2.如權利要求1所述的光變換器，進一步包括第二總內反射面，該表面在所述光的方向軸的對面與所述第一總內發射表面對稱；和包括所述第二總內反射面一部分的第二構件，所述第二構件在所述光的方向軸的對面與所述第一構件對稱。
3.如權利要求2所述的光變換器，還包括位于所述第二構件一端的第二平面光學窗，所述第二平面光學窗與所述光的方向軸基本垂直，所述第二光學窗在所述光的方向軸的對面也與第一平面光學窗對稱。
4.一種光變換器，包括從光源接收光的第一端；輸出所接收的光的第二端，所述第二端位于該器件與所述第一端相對的一端；位于該光再導向器件的第三端的第一構件，所述第一構件具有包含總內反射面的外部壁；位于該光再導向器件的第四端的第二構件，所述第四端位于該光再導向器件上與所述第三端相對的一端，所述第二構件具有包含總內反射面的外部壁；和位于所述第三端和所述第四端之間的軸，所述軸與所述第一端垂直，其中，所述第一面和所述第二面再導向所接收的光到所述第二端的方向。
5.一種用于設計光變換器的反射面的方法，包括接收最大和最小輸出角度；接收相對于提供光的光源的所述光變換器一部分的位置；和基于所接收的所述光變換器一部分的位置，根據所接收的最大和最小輸出角，通過為輸入角的每一增量提供輸出角的相關增量，反復、逐點地計算光變換器反射面，該輸出角的相關增量與預定輸出強度分布一致，以反射所述光源所提供的光。
6.一種用于以預定的模式發射光的裝置，包括發射光的光源；具有曲線圓錐形反射表面的光變換器，所述反射表面以具有預先計算的角光強分布的模式反射所述光源所發射的大部分光；和傳輸所述光到所述光變換器外的光學窗。
7.如權利要求6所示的裝置，其中反射面發射光線使得相當數量的光被反射到接近于與確定所述圓錐形發射內表面半徑的徑向線一致的軸。
8.如權利要求6所示的裝置，其中所述反射內表面反射在不同的角度的所述光的光線以在角度α獲得與1/(tan2α)成比例的強度以補償照明度二次方倒數的規律。
9.如權利要求6所示的裝置，其中所述曲線圓錐形反射表面反射所述光源所發射的光，使得相對于垂直軸有最小角的入射光線被反射到相對于水平軸有最大仰角的方向，以及相對于垂直軸有最大角的入射光線被反射到相對于水平軸有最小仰角的方向。
10.一種用于以預定的全向模式發射光的裝置，包括以基本圓形排列的多個光源，所述光源發射光；和如權利要求3所述的光變換器，其中所述變換器有環形狀圓環，并基本與所述多個光源同心。
全文摘要
本發明公開了一種高效照明器(100)。所述照明器包括發射光的光源(310)。所發射的光被光變換器再導向，該光變換器有曲面的環形反射內表面(130)，所述反射內表面以預定模式反射光。相當數量的光可以被反射到接近于與確定該環形反射內表面半徑的徑向線一致的軸。此外，相當數量的光可以以具有低散射度或平行于所述光變換器的軸的模式被反射。該光通過光學窗(110)被傳輸到該照明器外。
文檔編號F21Y101/02GK1437693SQ01810438
公開日2003年8月20日 申請日期2001年5月7日 優先權日2000年5月8日
發明者亞歷山大·里茲克因, 羅伯克·H·圖德普, 伊利亞·阿古羅科, 戴維·魯伊斯 申請人:遠光公司