專利名稱：基于錯列發(fā)光二極管的高強度光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強度光源，更具體地涉及發(fā)光二極管高強度障礙燈標(biāo)。
背景技術(shù)：
導(dǎo)航和障礙躲避用燈標(biāo)需要高強度光源。例如，障礙燈標(biāo)必須能夠滿足FAA(US Federal Aviation Authority，美國聯(lián)邦航空局)L865-L864 標(biāo)準和 ICAOQnternational Civil Aviation Organization，國際民航組織)中的中強度導(dǎo)航燈的20，OOOcd要求。過去，燈標(biāo)使用常規(guī)頻閃燈。然而，這種燈是能耗與維護密集型的。近來，利用發(fā)光二極管 (LED)來制造光源。LED造就了獨特的要求，以便相比于常規(guī)頻閃燈而在尺寸、重量、價格與擁有成本方面有望在商業(yè)上可行。在20，OOOcd燈標(biāo)的例子中，F(xiàn)AA規(guī)定和ICAO規(guī)定為所有旋轉(zhuǎn)角(方位角)的光束特性設(shè)定了下列嚴格要求。光源在相對于水平面的3°范圍(仰角)內(nèi)的有效(時均) 強度必須大于7500坎德拉(cd)。光源還必須具有僅適用于ICAO的15，000 25，OOOcd 的峰值有效強度以及“最小50%和最大75%”的-1°仰角的有效強度窗。ICAO標(biāo)準設(shè)定了-1°仰角的該光束特性“窗”，并且必須在所有旋轉(zhuǎn)角(方位角)都滿足該標(biāo)準。光源設(shè)備還必須滿足在100毫秒(msec)閃光中生成60，OOOcd峰強度的FAA兼容版的要求。這種光源還必須滿足在750毫秒閃光中生成25，333cd峰強度的ICAO兼容版的要求。實際上，還可對光源加以組合或配置以提供日間和夜間工作用的20，OOOcd白光以及 2，OOOcd 紅光。為了使用LED實現(xiàn)FAA或ICAO兼容版光源所要求的總光強度，必需使用大量的 LED光源。然而，當(dāng)將大量的LED光源對準極少反射器時，難以生成具有期望強度的波束圖。 而且，需要更小且因而更多的反射器以符合總體尺寸限制。這些限制條件都導(dǎo)致以大量包含單獨LED和小型反射器的光學(xué)元件來進行設(shè)計。最終任務(wù)是使多個光學(xué)元件對準，從而將它們的輸出合成以形成在所有方位角都均勻的光束。目前，可用的LED燈通常將多個光學(xué)元件對稱而無偏移地層疊，而且使用大型反射器且每個反射器中有多個LED。雖然這種燈可以符合標(biāo)準，但它們通常要求超過最優(yōu)數(shù)量的LED，于是更復(fù)雜更昂貴。因此，目前不存在始終如一且容易滿足FAA、ICAO標(biāo)準的高效LED燈。從而，需要可使用相對較小反射器的LED燈以滿足所述標(biāo)準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開的一個例子涉及一種具有第一同心環(huán)的高強度LED光源，所述第一同心環(huán)包括多個反射器和多個發(fā)光二極管。所述同心環(huán)具有安裝有所述多個反射器中的每個反射器的平面，每個所述反射器與所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝。第一多個反射器中的一些反射器可相對于各自的發(fā)光二極管的位置單獨地調(diào)整，以便從發(fā)光二極管產(chǎn)生精確的波束圖。
另一例子為一種符合FAA標(biāo)準和ICAO標(biāo)準的高強度燈標(biāo)。所述燈標(biāo)包括第一同心環(huán)，其具有第一多個反射器和第一多個發(fā)光二極管。第一同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管在位置上相關(guān)聯(lián)地安裝的平面。所述多個反射器中的每個反射器可相對于各自的發(fā)光二極管的位置單獨地調(diào)整， 以從發(fā)光二極管產(chǎn)生精確的波束圖。在第一同心環(huán)上安裝有第二同心環(huán)。第二同心環(huán)具有第二多個反射器和第二多個發(fā)光二極管。第二同心環(huán)具有使所述多個反射器中的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面。第二多個反射器和第二多個發(fā)光二極管相對于第一同心環(huán)的反射器和發(fā)光二極管偏移。在第二同心環(huán)上安裝有第三同心環(huán)。第三同心環(huán)具有第三多個反射器和第三多個發(fā)光二極管。第三同心環(huán)具有使所述多個反射器中的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面。第三多個反射器和第三多個發(fā)光二極管相對于第二同心環(huán)的反射器和發(fā)光二極管偏移。在第三同心環(huán)上安裝有第四同心環(huán)。第四同心環(huán)具有第四多個反射器和第四多個發(fā)光二極管。第四同心環(huán)具有使所述多個反射器中的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面。第四多個反射器和第四多個發(fā)光二極管相對于第三同心環(huán)的反射器和發(fā)光二極管偏移。另一例子為一種光源中使用的光學(xué)元件。所述光學(xué)元件包括發(fā)光二極管和具備反射面的反射器。反射面成形為由來自發(fā)光二極管的反射光射出特定波束圖。反射器包括使反射器可在相對于發(fā)光二極管的多個位置之間進行調(diào)節(jié)的定位部件。鑒于參照附圖對各種實施例作出的詳細說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可更好地理解本發(fā)明的其他方面，以下對所述附圖進行簡述。


圖1為錯列LED高強度光源的例子的立體圖；圖2為圖1的LED高強度光源的LED和反射器的底部同心環(huán)的立體圖；圖3為圖1的LED高強度光源的LED和反射器的兩個同心環(huán)的立體圖；圖4為將LED和反射器的第三同心環(huán)添加到圖1的LED高強度光源的兩個同心環(huán)的立體圖；圖5為在圖1的高強度光源的一個同心環(huán)上所安裝的具有單個LED和反射器的光學(xué)元件的立體圖和光線軌跡；圖6為從圖5的光學(xué)元件輸出的測得的光的圖；圖7表示來自使用5度偏移角的錯列同心環(huán)的一組光學(xué)元件的波束圖；圖8表示來自圖1的高強度光源的錯列同心環(huán)的一組光學(xué)元件的波束圖；并且圖9為錯列LED高強度光源的第二例的電子系統(tǒng)的電路圖；圖10為錯列LED高強度光源的第二例的光引擎的立體圖；圖11為圖10的高強度光源的LED和反射器的一個同心照明環(huán)的一部分的立體圖；圖12為圖10的高強度光源的一個同心環(huán)上所安裝的具有單個LED和反射器的光學(xué)元件的立體圖；圖13為圖12的光學(xué)元件的側(cè)視圖；并且
圖14為從圖12 13的光學(xué)元件中算出的光輸出的圖。雖然這些例子會受很多不同的形式的實施例影響，然而在附圖中圖示并在文中詳述了優(yōu)選的例子，但要明白，本公開是示例性的，而不能將廣義的方面限制到所示的實施例。
具體實施例方式圖1表示高強度LED光源100的例子。LED燈可用作航空障礙燈標(biāo)，并且可符合所適用的FAA、ICA0標(biāo)準。高強度LED光源100具有基體102、頂殼104以及透明圓筒狀殼體 106?；w102、頂殼104以及透明圓筒狀殼體106包圍照明陣列108?；w102和頂殼104 為照明陣列108提供支撐與對準，同時可使熱量從照明陣列108中的LED和電源傳遞給周圍環(huán)境。照明陣列108具有下述的一系列同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120。如圖1 所示，同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120以豎直疊層排列，使同心照明環(huán)110處于疊層頂部且同心環(huán)120處于疊層底部。圓筒狀殼體106通常為圓筒狀透明殼體，該殼體保護同心照明環(huán)110、112、114、 116、118、120上的光學(xué)元件，同時允許由同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120上的光學(xué)
元件所產(chǎn)生的光的透射。基體102通常為圓筒狀，并且包含用于同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120的光學(xué)元件的布線、電源和控制裝置?；w102具有可使光源100安裝于平面上的多個安裝點122。頂殼104包括多個螺栓124，螺栓124固定于貫穿同心照明環(huán)110、112、114、116、 118、120而延伸的桿(未圖示)。螺栓IM裝在桿上且保持所述桿，以將頂殼104固定于基體102。如后所述，所述桿使同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120在適當(dāng)位置對準。圖2為圖1的底部同心照明環(huán)120的立體圖。同心照明環(huán)120具有從同心照明環(huán) 120的整個圓周射出光的多個光學(xué)元件200。如圖2所示，同心照明環(huán)120支撐并使圍繞同心照明環(huán)120的整個圓周的光學(xué)元件200對準。同心照明環(huán)120包括具有環(huán)形頂面204的環(huán)狀基體部件202。在本例中，在弧形支撐電路板206上安裝有六個光學(xué)元件200。在本例中，在同心照明環(huán)120中，總計36個光學(xué)元件200安裝于六個支撐電路板206上。圍繞同心照明環(huán)120排列的三十六(36)個光學(xué)元件200布置為使得每個光學(xué)元件200 (LED 210 和反射器212)占用同心照明環(huán)120的10°圓周。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，可采用不同數(shù)量的光學(xué)元件和電路板。每個光學(xué)元件200具有LED210和反射器212。支撐電路板206用于支撐并使LED 210和反射器212對準。電路板206將熱量從LED 210傳遞給基體部件202，并且通過圖1的基體102中的電源將直流電提供給LED 210。在本例中，支撐電路板206為具有鋁或銅的金屬芯的導(dǎo)熱印刷電路板(PCB)。優(yōu)選地利用焊料、易熔連接或?qū)嵴澈蟿┒筁ED 210附著于電路板206。支撐電路板206可具有用于使反射器212與每個LED 210光學(xué)對準或居中的物理配準特征，例如孔或縫隙?；w部件202包括外裝配環(huán)220，外裝配環(huán)220包括多個孔222?？?22可使同心照明環(huán)120通過螺栓(未圖示)而固定于圖1中的基體102。基體部件202還包括內(nèi)裝配環(huán)224，內(nèi)裝配環(huán)2 可以是單獨的部件，或者是與基體部件202 —體的部件。內(nèi)裝配環(huán)224 可容納多個對準桿226，對準桿2 從同心照明環(huán)120向上延伸，以使圖1中的更多同心照明環(huán) 110、112、114、116、118 對準。圖3表示彼此裝配的同心環(huán)120和同心環(huán)118的立體圖。在圖3中，為同心環(huán)118 中與同心環(huán)120相同的元件給出了相同的附圖標(biāo)記。類似于底部同心環(huán)120，同心照明環(huán) 118包括環(huán)狀基體部件202，環(huán)狀基體部件202具有用于支撐六個支撐電路板206的環(huán)形頂面204。電路板206安裝有總計36個光學(xué)元件200，從而每個光學(xué)元件200 (LED 210和反射器212)占用同心照明環(huán)118的10°圓周。同心照明環(huán)118具有內(nèi)裝配環(huán)230。內(nèi)裝配環(huán)230具有一系列對準孔232，各個對準孔232彼此以約1. 6667度(圓心角)(radial degree)錯位排列。在本例中，在每組孔中有六個對準孔232(導(dǎo)致六層36個單色LED)，但應(yīng)當(dāng)理解，可使用不同數(shù)量個對準孔，并且這些孔彼此可以隔開不同的角度。對準桿2 穿過三組孔中的每組的相應(yīng)孔232，以使同心照明環(huán)118相對于底部同心照明環(huán)120偏移1. 6667度(圓心角)。這種布置導(dǎo)致底部同心照明環(huán)120中的每個光學(xué)元件200相對于后一個同心照明環(huán)118中的每個光學(xué)元件200 偏移1.6667度(圓心角)。其他同心照明環(huán)110、112、114、116與同心照明環(huán)118相同，并且彼此間類似地偏移。同心照明環(huán)118還具有與內(nèi)裝配環(huán)230熱耦接的散熱器對0，散熱器240可以是單獨的部件或與環(huán)118 —體形成。散熱器240具有多個徑向延伸的葉片M2，所述葉片M2 裝配于內(nèi)裝配環(huán)230和中心環(huán)244之間。支撐電路板206可具有用于在基體部件202和散熱器240上固定其徑向位置的物理配準特征，例如突起或縫隙。散熱器240可使電路板206 散熱。圖4為底部同心照明環(huán)120和同心照明環(huán)118的組裝立體圖。圖4圖示了在組裝于同心照明環(huán)118、120之前的同心照明環(huán)116。在圖4中，為同心環(huán)116中與同心環(huán)118、 120相同的元件給出了相同的附圖標(biāo)記。類似于同心環(huán)118，同心照明環(huán)116包括環(huán)狀基體部件202，環(huán)狀基體部件202具有用于支撐六個支撐電路板206的環(huán)形頂面204。電路板 206安裝有總計36個光學(xué)元件200，從而每個光學(xué)元件200 (LED 210和反射器21 占用同心照明環(huán)116的10°圓周。如圖4所示，通過利用不同的對準孔232連同對準桿226，使同心環(huán)116與同心環(huán) 118有偏移地對準。以適當(dāng)偏移將同心環(huán)116對準，并以對準桿2 作為導(dǎo)桿而使同心環(huán) 116布置于同心環(huán)118上。使用對準桿2 可防止公差累積，并使同心環(huán)110、112、114、116、 118、120之間的偏移被恰當(dāng)?shù)貙?。同心環(huán)110、112、114、116、118、120中的光學(xué)元件200的LED 210中的熱量經(jīng)由電路板206、通過導(dǎo)熱油脂或粘合劑傳導(dǎo)給散熱器240而被排除。每個散熱器240具有與上方或下方同心照明環(huán)中的散熱器240充分配合的表面，并且還可使用導(dǎo)熱油脂以降低接觸熱阻。熱量經(jīng)由環(huán)110、112、114、116、118、120而傳導(dǎo)給用于將同心照明環(huán)固定于基體102的底板。底部同心環(huán)120中的熱量被傳遞給基體102，然后可傳導(dǎo)給安裝面，或通過對流而傳遞給周圍空氣。熱量還可經(jīng)由傳導(dǎo)或?qū)α髀窂蕉懦o頂殼104。還可通過在所述環(huán)上附加散熱片并使用循環(huán)風(fēng)扇而使熱量從散熱器240中對流性地排除?？赏ㄟ^對頂殼104、底板和基體102實施諸如涂漆等表面處理，從而提高輻射熱損。圖5為設(shè)在圖1中的每個同心環(huán)110、112、114、116、118、120上的光學(xué)元件200的特寫立體圖。諸如光學(xué)元件200的每個光學(xué)元件包括LED210和反射器212。LED 210相對于反射器212垂直地定向。在本例中，LED210為高亮度白光LED，諸如可從Cree獲得的 XLamp XREffHT 7090)(R系列LED。或者，可使用諸如紅光LED的不同顏色LED。反射器212 具有光學(xué)面250。反射器212的光學(xué)面250可具有多個曲面?；蛘?，光學(xué)面250可具有一個以上拋物面，然而可使用例如橢球或雙曲面等其他表面幾何形狀，而且可使用例如圓錐面、 非球面、變形面或多面體面等所述曲面的各種組合。設(shè)計反射器212以形成其半峰強度約有5° 10°寬的水平(方位角)束。在本例中，反射器212由塑料制成，并以每組六個反射器元件來成組地鑄造。反射器212涂敷有鋁或其他高反射材料。LED 210包括封閉單元沈2，封閉單元262包括透鏡254。通過使用包括用于提供中等準直度的透鏡254的功率LED封裝，可使所要求的反射器212的尺寸最小化， 從而可使每個LED 210實際使用一個單獨的反射器212。當(dāng)然，可使用非準直或近朗伯 (near-lambertiarOLED，但是為捕獲充足的光而需要的反射器表面通常較大，或者使效率較低。LED 210的垂直定向使得來自LED 210的大部分光在離開光學(xué)元件200之前射中諸如反射器212的光學(xué)面250等反射面。如圖5中的光線所示，這確保大部分光可被設(shè)計面所控制。垂直定向還允許使用較小的反射器以用于光束成形。為單個LED 210而對每個單獨的反射器212的光學(xué)面進行優(yōu)化。反射器表面設(shè)計為形成所需的垂直(仰角)校準， 并形成所期望的水平(方位角)束。如圖3和圖4所示，各個同心照明環(huán)110、112、114、116、118、120彼此旋轉(zhuǎn)偏移，從
而導(dǎo)致各自的光學(xué)元件200彼此錯位排列。各個同心環(huán)的偏移位置使得它們各自的光學(xué)元件200具有與所有方位角密切匹配的關(guān)于仰角的光強度的合成波束圖，從而使混合束位于 ICAO,FAA對例如圖1中的光源100規(guī)定的容許“窗”內(nèi)。組合光學(xué)元件200在固定仰角上的強度對方位角的圖會呈現(xiàn)最小的變化或“波動”。這里，“波動”定義為在所有方位角上的強度對平均強度的峰-峰(peak-to-peak)變化。沿方位角的波動源可歸為兩類重合誤差和LED誤差。重合誤差包括構(gòu)造的機械誤差和未對準、光學(xué)公差以及光學(xué)面設(shè)計缺陷。 LED誤差包括通量或強度變化和束形變化，二者都是各LED之間的問題。LED誤差還包括 LED模型誤差，其為實際LED和在光學(xué)設(shè)計中使用的LED的光學(xué)模型的光束特性之間的差異。各環(huán)間的徑向錯列使來自兩個波動源的波動最小化。最小波動使高強度光源100可行地滿足FAA要求和ICAO要求。此外，減小了在所有點處實現(xiàn)最小強度所必需的驅(qū)動電流和 /或LED數(shù)目。圖6表示來自諸如圖2 3中的光學(xué)元件200的單個典型的LED-反射器光學(xué)元件的測得的光。圖6為表示在固定仰角上的強度對方位角的圖。如上所述，在例如圖2所示的同心環(huán)120的同心環(huán)的直徑內(nèi)，單行元件200布置有10°的徑向間隔。例如同心環(huán)118 的光學(xué)元件200的第二個環(huán)填充了如圖2 3所示的第一個環(huán)120的“間隙”(低光強度區(qū)域)。為隨后實現(xiàn)所期望的總體光輸出，最少必需三對所述環(huán)。圖7表示來自兩個錯列同心環(huán)的一組光學(xué)元件的波束圖，所述兩個錯列同心環(huán)在各環(huán)之間采用了 5度偏移角。如圖7所示，強度隨著方位角的變化(“波動”)較小，但是一行輸出中的間隙未被偏移行完全填充。這是因為單獨的光學(xué)元件的50%方位強度振幅點和斜率不理想，并且波動仍占了平均方位值的較大百分比。圖8表示來自圖1中的高強度光源100的六個錯列同心環(huán)的一組光學(xué)元件的波束圖。光學(xué)元件200的六個同心環(huán)110、112、114、116、118、120的偏移(“錯列”)被優(yōu)化為每個環(huán)偏移1.667° (每個元件10°除以六個環(huán))。這樣，極大降低了算出的輸出變化(“波動”)。這樣通過三倍地避免波動重復(fù)或強化(每層可以一倍地避免重復(fù)或增強)，進一步減小了反射器-LED設(shè)計方案中的任何殘余波動。利用這種方法，可計算出使用不同行數(shù)或每行不同光學(xué)元件數(shù)的其他偏移量。各同心環(huán)間的徑向偏移大致等于360度除以給定顏色的層數(shù)再除以每層的LED數(shù)。還可預(yù)想50%方位角束寬為10°的反射器設(shè)計方案可以以一層而非如上所述的兩層來完全填充方位角。這還允許將各層錯位排列為使波動最小化， 并且還可實現(xiàn)一些靈活性以用于不同的強度要求。還可進一步優(yōu)化反射器設(shè)計方案，使得如圖7 8所示的總強度的波動變化更小。可對圖1中的示例性高強度光源100作出各種變化。可通過添加紅光LED同心環(huán)而改裝光源100。借助附加的紅光LED同心環(huán)，所述光源可用于日間(使用六個同心環(huán)中的光學(xué)元件)，或使用紅光LED同心環(huán)而用于夜間。在圖9中圖示了這種變型的例子。圖9為根據(jù)FAA要求和ICAO要求而具有日間及夜間功能的高強度LED光源的一部分的電氣控制系統(tǒng)900的框圖。在本例中，電氣控制系統(tǒng)900為42個LED提供電氣控制，所述42個LED在七個同心環(huán)之每個同心環(huán)上被分成六個LED及對應(yīng)的反射器。存在與電氣控制系統(tǒng)900類似的五個其他控制系統(tǒng)以構(gòu)成整個高強度LED光源。電氣控制系統(tǒng)900包括電源902和定時與控制模塊904。電源902對類似于圖1的光源100中的同心環(huán)110、112、114、116、118、120的各電路板206的電路板910、 912、914、916、918、920供電。電路板910、912、914、916、920每個都具有與齊納二極管924 并聯(lián)布線的六個高強度白光LED 922，所述齊納二極管擬4用于在斷路故障時對各個白光 LED 922中的電流提供旁路。電路板910、912、914、916、918、920各耦接于恒流源926。當(dāng)然，可對LED進行其他串聯(lián)和并聯(lián)布線配置。電氣控制系統(tǒng)900還包括另一電路板930，電路板930具有一系列高強度紅光LED 932。紅光LED 932每個都與齊納二極管934并聯(lián)耦接，齊納二極管934用于在斷路故障時為各個紅光LED 932中的電流提供旁路。電路板930耦接于恒流源936。電氣控制系統(tǒng)900適用于在日間和夜間都可用的障礙燈。日間使用要求更亮的燈，所述燈的形式為至少是與圖1的光源100中的同心環(huán)110、112、114、116、118、120類似的六個同心環(huán)的發(fā)射白光的光學(xué)元件。夜間使用要求具有諸如圖9的電路板930的多個電路板的至少一個單個紅光LED同心環(huán)。定時與控制模塊904耦接有日光傳感器940。日光傳感器940可安裝于光源的外表面上，例如安裝于圖1中的光源100的頂殼104上。從日光傳感器940接收的信號可使定時與控制模塊904激活日間模式或夜間模式。在日間模式下，將控制脈沖經(jīng)由控制線942發(fā)送給電流源926以使白光LED 922導(dǎo)通和截止。在夜間模式下，將控制脈沖經(jīng)由控制線944發(fā)送給電流源936以使紅光LED 932導(dǎo)通和截止。此夕卜，導(dǎo)線可從成串的LED922、LED 934耦接至定時與控制模塊904，以感測跨越LED 922,LED 934的電壓，從而檢測斷路故障。定時與控制模塊904可編程為向操作者發(fā)出對這種故障的警報。光學(xué)元件200還可變化為使反射器具有其他幾何形狀。而且，光學(xué)元件200可使用將光導(dǎo)回至反射器的側(cè)發(fā)光LED。所述反射器還可以是聯(lián)合成組的反射器。而且，對每個反射器可使用多個LED。反射器可使用錯列TIR鏡片。每個環(huán)可使用不同數(shù)量的LED，并且還可使用不同數(shù)量的環(huán)?？墒褂镁哂蓄愃频腻e列源的等效線性光源?？墒褂闷渲锌烧{(diào)節(jié)每個LED或LED組的電流的電氣控制系統(tǒng)，以便進一步減小光束強度與均勻性的變化。圖10表示LED光源1000的光引擎1008的第二例的立體圖。LED光源1000可安裝于與圖1的LED光源100的殼體類似的殼體中。LED光源1000可用作航空障礙燈標(biāo)，并且可符合FAA、ICAO適用標(biāo)準。高強度LED光源1000具有基體1002，基體1002上安裝有光引擎1008?；w1002具有包括多個安裝孔1006的環(huán)形支撐面1004，安裝孔1006用于固定于與圖1中所示外部部件類似的LED光源1000的外部部件。光引擎1008具有如后所述的一系列同心照明環(huán)1010、1012、1014、1016。如圖10 所示，同心照明環(huán)1010、1012、1014、1016以豎直疊層排列，使同心照明環(huán)1010處于疊層頂部而使同心環(huán)1016處于疊層頂部。因此，完整的光引擎1008包括安裝于基體1002的四個垂直堆疊的同心環(huán)組件1010、1012、1014、1016。當(dāng)然，可使用不同數(shù)量的環(huán)組件，例如，一個、兩個或六個組件。同心照明環(huán)1010、1012、1014、1016每個都具有從同心照明環(huán)1016的整個圓周發(fā)出光的多個光學(xué)元件1020。例如如圖10所示，同心照明環(huán)1016支撐并使圍繞同心照明環(huán) 1016的整個圓周的光學(xué)元件1020對準。每個光學(xué)元件1020都具有LED 1022和反射器 1024?；w1002通常為圓筒狀，并且包含用于同心照明環(huán)1010、1012、1014、1016的光學(xué)元件的布線、電源和控制裝置。在本例中，在同心照明環(huán)1016中總計有三十六(36)個光學(xué)元件1020。圍繞同心照明環(huán)1016排列的三十六(36)個光學(xué)元件1020布置為使得每個光學(xué)元件1020 (LED 1022 和反射器10 )占用同心照明環(huán)1016的10°圓周。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，可使用不同數(shù)量的光學(xué)元件。每個反射器IOM設(shè)計為形成其半峰強度約有5° 10°寬的水平(方位角)束。 在本例中，反射器IOM單獨由模制塑料構(gòu)成，并且涂敷有鋁或其他高反射材料。各個照明環(huán)1010、1012、1014、1016彼此偏移，使得每個所述環(huán)的光學(xué)元件1020偏移2. 5度。諸如環(huán)1010、1016的同心照明環(huán)各具有環(huán)狀散熱器1030。在本例中，環(huán)狀散熱器1030為單個鋁殼。散熱器1030的內(nèi)表面具有一系列上突起1032和一系列下突起1034。 應(yīng)當(dāng)理解，偏移角為每個環(huán)的LED數(shù)和每個光引擎的環(huán)數(shù)的函數(shù)。這里，2. 5度的特定偏移角用于總計四個環(huán)1010、1012、1014、1016且每個環(huán)有36個LED的示例性情況。下突起1034 各具有穿過其而延伸的一系列對準孔1036。如此確立各個對準孔1036之間的角間距，以便通過在制造期間選擇這些孔之一用于對準，以使得相鄰?fù)沫h(huán)之間的偏移角確立在約1. 66 度 約5.0度范圍內(nèi)。這允許使用相同的環(huán)部件來裝配具有不同數(shù)量的LED和不同數(shù)量的環(huán)的光引擎。將螺栓(未圖示)插入各個照明環(huán)1010、1012、1014、1016的相應(yīng)的孔1036 中，以使每個環(huán)與相鄰環(huán)偏移所期望的偏移角度。這使得諸如環(huán)1016的同心照明環(huán)中的每個光學(xué)元件1020相對于后一個同心照明環(huán)1014中的每個光學(xué)元件1020偏移所期望的偏移量，在本例中所期望的偏移量為2. 5度(圓心角)。圖11表示照明環(huán)1016的特寫立體圖。支撐用圓弓形電路板1040用于支撐并使每個LED 1022和反射器IOM對準。電路板1040將由LED 1022產(chǎn)生的熱量傳遞給散熱器環(huán)1030。因此，熱量從LED 1022經(jīng)由印刷電路板1040和環(huán)1010、1012、1014、1016的傳導(dǎo)而排除到基體1002。熱量從基體1002傳遞給燈標(biāo)安裝面，或通過對流傳遞給周圍空氣。電路板1040將直流電從電源(未圖示)提供到LED 1022，所述電源可安裝于同心環(huán)1010、1012、1014、1016的中間。主電路板(未圖示)可安裝于基體1002中。在本例中， 支撐電路板1040為具有鋁或銅的金屬芯的導(dǎo)熱印刷電路板(PCB)。優(yōu)選地通過焊料、易熔連接或?qū)嵴澈蟿﹣硎筁ED1022附著。支撐電路板1040具有用于在散熱器環(huán)1030上固定其徑向位置的物理配準特征。支撐電路板1040具有一系列安裝面1044，所述安裝面1044 使每個相應(yīng)的反射器IOM可與對應(yīng)的LED 1022單獨地光學(xué)對準或居中，這一點在后面說明。沿著照明環(huán)1016的整個圓周設(shè)有環(huán)形波束阻擋器1046，以防止來自光學(xué)元件1020的光束向下投射。圖12和圖13分別表示圖10 11中的一個光學(xué)元件1020的反射器IOM及對應(yīng)的LED 1022的立體圖和側(cè)面圖。采用光學(xué)建模軟件和軟件方法來設(shè)計反射器IOM，以便關(guān)于所期望的波束圖的限定的評價函數(shù)來優(yōu)化反射器表面。圖12和圖13還表示了由LED 1022發(fā)射且由反射器IOM反射的選定光線束軌跡1050。反射器IOM大致關(guān)于中央面1052左右對稱。反射器IOM的每個反射“側(cè)”包括外表面區(qū)1054、內(nèi)表面區(qū)1056以及嵌入表面區(qū)1058。外表面區(qū)IOM相對于內(nèi)表面區(qū)1056 而定位。嵌入表面區(qū)1058為嵌入內(nèi)表面區(qū)1056內(nèi)的非球形凹面。各個表面區(qū)10MU056、 1058自身都是不服從簡單數(shù)學(xué)描述且沒有任何對稱線或?qū)ΨQ面的復(fù)曲面。在本例中，反射器IOM每個都在物理上隔離且單獨地構(gòu)造。反射器IOM的材料例如可以是涂敷有諸如鋁等反光材料的模制塑料。反射器IOM每個都包括裝配柱1060，裝配柱1060置于圖11中的電路板1040的安裝面1044上。這種單獨構(gòu)造獨特地允許每個反射器IOM可相對于其各自的LED 1022物理移動，以使反射器IOM與LED 1022實現(xiàn)最優(yōu)光學(xué)對準。一旦達到期望位置，可將諸如螺釘(未圖示)的緊固件插入裝配柱1060中，以將反射器IOM固定在合適位置。還可通過例如將薄材料帶插入三個反射器安裝點之一的下面、通過從一組角向不同的反射器中選擇反射器或通過其他類似方式，從而使反射器10 傾斜。相比于圖1中的LED光源100，圖10中的LED光源1000和對應(yīng)的光引擎1008具有幾個不同特征。圖13 14中所示的反射器IOM的反射器表面ΙΟΜ、1056、1058具有附加的復(fù)曲面，所述復(fù)曲面生成進一步優(yōu)化的仰角波束圖，以在所有方位角滿足在-1°仰角時的ICAO強度要求。反射器IOM基于后面進一步描述的疊加仰角波束圖的構(gòu)思。圖10中的每個反射器IOM都在物理上隔離，并且可與其所關(guān)聯(lián)的LED 1022單獨地進行調(diào)節(jié)。這與圖1中的LED光源100不同，在該LED光源100中，反射器以六個的陣列鑄造并且不能相對于所關(guān)聯(lián)的六個LED進行調(diào)節(jié)。圖10 11中的單獨的波束阻擋器元件 1046達到了 -10°的ICAO要求和FAA要求，即水平面以下-10°的光強度小于同一方位角的峰強度的3%，而不要求任何在反射器光學(xué)面的設(shè)計中的折衷。如圖10 11所示的環(huán)形波束阻擋器1046用于消除-10°以下仰角的雜散光。反射器IOM的單獨可對準性與可調(diào)性解決了來自各LED、即便來自同一制造批次的LED的光發(fā)射圖案總是略有不同的問題。來自LED的光的這些變化由多種因素引起，例如LED芯片(晶片)相對于LED封裝的確切位置；所述封裝中的LED芯片的微小角變化 (傾斜)；LED芯片上方設(shè)有的熒光物質(zhì)和密封劑材料的厚度和輪廓；LED封裝的透鏡元件的精確布局和/或形狀；決定LED芯片相對于電路板的位置的LED封裝結(jié)構(gòu)的確切尺寸； LED輸出的亮度等等。對光學(xué)元件1020和反射器IOM的設(shè)計可認識到這些變化是制造工藝中所固有的，因此，必須適應(yīng)它們以在諸如嚴格的波束圖要求下的應(yīng)用場合中獲得最優(yōu)光學(xué)性能。在所述制造工藝中，每個單獨的反射器IOM定位(對準)為由所述單獨的反射器及其對應(yīng)的LED實現(xiàn)所期望的波束圖。反射器IOM相對于其對應(yīng)的LED 1022的定位(移位)可以是一維、二維或三維的，并且還可包括相對于LED 1022的光軸的反射器角度的變化。在使每個反射器IOM對準之后，將其在機械上固定，以使反射器IOM的位置和方向隨后不會變化。這種機械上的固定可包括螺釘、粘合劑或其他類似的已知方式。確定最優(yōu)單個波束圖，以便由多個如此對準的光學(xué)元件1020生成期望的總波束圖。為易于制造起見，所有光學(xué)元件可與同一最優(yōu)單個波束圖對準。然而，這種構(gòu)思的延伸是對不同的光學(xué)元件或光學(xué)元件組應(yīng)用不同的對準標(biāo)準以實現(xiàn)各種可期望的總波束圖。或者，反射器IOM可以以陣列的形式鑄造，例如六個反射器一組，通過薄的柔性部件來連接陣列內(nèi)的每個反射器。這降低了鑄造、涂敷和處理反射器的成本，而仍允許每個反射器微小地移位和調(diào)節(jié)角度以實現(xiàn)與其各自LED的最優(yōu)光學(xué)對準。在本例中，為易于制造起見，每個反射器IOM具有同樣的光學(xué)面。然而，可使用具有不同光學(xué)面的反射器以實現(xiàn)各種期望的總波束圖。在-1°仰角或附近處具有拐點(“肩部”或“臺階”)的仰角波束圖可滿足-1° ICAO 要求而允許對反射器IOM的變化的更大容限。如圖14中的曲線圖1400所示，光學(xué)元件 1020生成兩個仰角波束圖，然后所述兩個仰角波束圖合成或相加以形成在-1°仰角或附近處具有拐點的期望的仰角波束圖。曲線圖1400中的χ軸為仰角度數(shù)，而y軸為光束強度。圖14表示了來自第一光束1402和第二光束1404的光輸出，它們合成為期望的波束圖1406。因此，光學(xué)元件1020是對現(xiàn)有反射器的改進，所述現(xiàn)有反射器生成的仰角波束圖通常單調(diào)地上升至波峰然后單調(diào)地下降，因此沒有拐點，故仰角波束圖的曲線不易于落入 ICAO要求在-1°仰角的約束條件內(nèi)?；诓ㄊ鴪D疊加的構(gòu)思，照明元件1020的反射器IOM生成在約-1°仰角處具有所謂的“臺階”或“肩部”的仰角波束圖，該波束圖在滿足在-1°的ICAO最小-最大強度要求的情況下提供了更大的容限。盡管LED光發(fā)射特性有變化，然而可單獨對準的反射器 IOM可生成高度精確的波束圖?？蓡为殞实姆瓷淦鱅OM允許采用同樣的部件而生成不同的總波束圖。例如，滿足ICAO的期望的總仰角波束圖可在+2°可具有波峰(最大強度)， 而用于FAA應(yīng)用場合的光引擎可生成在0°具有波峰的優(yōu)化的仰角波束圖，并且可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)反射器位置和方向而生成所述兩個仰角波束圖。波束阻擋器1046可使本發(fā)明的光引擎1008滿足雜散光要求(-10°以下)，而沒有對反射器光學(xué)面設(shè)計的不當(dāng)?shù)南拗啤Ｎ闹兴龅臉?gòu)思和發(fā)明主題不限于燈標(biāo)或障礙燈，而可適用于要求對照明波束圖進行精確控制的任何照明源。雖然文中詳細圖示并說明了優(yōu)選實施例，但然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可作出各種變化、增加、替代等，且這些變化、增加、替代等因而落入由所附的權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于高強度光源的光引擎，該光引擎包括第一同心環(huán)，其具有第一多個反射器和第一多個發(fā)光二極管，所述同心環(huán)具有用于使所述多個反射器中的每個反射器與所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管在位置上相關(guān)聯(lián)地安裝的平面，所述多個反射器中的一些反射器可相對于所述各自的發(fā)光二極管的位置單獨地調(diào)整，以從所述發(fā)光二極管產(chǎn)生精確的波束圖。
2.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，至少一個所述反射器具有反射側(cè)，所述反射側(cè)具有外反射面、內(nèi)反射面以及設(shè)于所述內(nèi)反射面上的嵌入反射面。
3.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，所述第一同心環(huán)具有環(huán)形波束阻擋器，以防止雜散光以低于預(yù)定仰角射出。
4.如權(quán)利要求1所述的光引擎，還包括第二同心環(huán)、第三同心環(huán)和第四同心環(huán)，每個環(huán)具有在所述第一同心環(huán)上所安裝的多個反射器和多個發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求4所述的光引擎，還包括第五同心環(huán)，其具有多個反射器和多個發(fā)光二極管，其中，所述第一同心環(huán)至第四同心環(huán)的發(fā)光二極管為白光發(fā)光二極管，且所述第五同心環(huán)的發(fā)光二極管為紅光發(fā)光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，所述高強度光源符合美國聯(lián)邦航空局標(biāo)準和國際民航組織標(biāo)準。
7.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，所述第一同心環(huán)包括安裝有所述發(fā)光二極管的多個電路板以及耦接于所述多個電路板的散熱器。
8.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，所述反射器各包括裝配柱，該裝配柱可與安裝面配合以允許所述反射器相對于所述發(fā)光二極管橫向調(diào)節(jié)和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。
9.如權(quán)利要求1所述的光引擎，其中，所述反射器各形成約5 10度寬的水平束。
10.如權(quán)利要求4所述的光引擎，其中，所述同心環(huán)彼此偏移以減小方位角波動。
11.如權(quán)利要求4所述的光引擎，其中，所述第二同心環(huán)相對于所述第一同心環(huán)可調(diào)， 以便生成不同的偏移角。
12.—種符合美國聯(lián)邦航空局標(biāo)準和國際民航組織標(biāo)準的高強度燈標(biāo)，所述燈標(biāo)包括第一同心環(huán)，其具有第一多個反射器和第一多個發(fā)光二極管，所述同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器與所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管在位置上相關(guān)聯(lián)地安裝的平面，所述多個反射器的每個反射器可相對于所述各自的發(fā)光二極管的位置單獨地調(diào)整，以從所述發(fā)光二極管產(chǎn)生精確的波束圖；第二同心環(huán)，其安裝于所述第一同心環(huán)上，所述第二同心環(huán)具有第二多個反射器和第二多個發(fā)光二極管，所述第二同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面，所述第二多個反射器和第二多個發(fā)光二極管相對于所述第一同心環(huán)的所述反射器和發(fā)光二極管徑向偏移；第三同心環(huán)，其安裝于所述第二同心環(huán)上，所述第三同心環(huán)具有第三多個反射器和第三多個發(fā)光二極管，所述第三同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面，所述第三多個反射器和第三多個發(fā)光二極管相對于所述第二同心環(huán)的所述反射器和發(fā)光二極管徑向偏移；以及第四同心環(huán)，其安裝于所述第三同心環(huán)上，所述第四同心環(huán)具有第四多個反射器和第四多個發(fā)光二極管，所述第四同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器相對于所述多個發(fā)光二極管中的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面，所述第四多個反射器和第四多個發(fā)光二極管相對于所述第三同心環(huán)的所述反射器和發(fā)光二極管徑向偏移。
13.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，至少一個所述反射器具有反射側(cè)，所述反射側(cè)具有外反射面、內(nèi)反射面以及設(shè)于所述內(nèi)反射面上的嵌入反射面。
14.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述第一同心環(huán)具有環(huán)形波束阻擋器，以防止雜散光以低于預(yù)定仰角射出。
15.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述反射器各包括裝配柱，該裝配柱可與安裝面配合以允許所述反射器相對于所述發(fā)光二極管橫向調(diào)節(jié)和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。
16.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述第一多個發(fā)光二極管為三十六個發(fā)光二極管，且第二多個發(fā)光二極管為三十六個發(fā)光二極管。
17.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述反射器各形成約5 10度寬的水平束。
18.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述同心環(huán)之間的所述偏移用于減小方位角波動。
19.如權(quán)利要求12所述的燈標(biāo)，其中，所述第二同心環(huán)相對于所述第一同心環(huán)可調(diào)，以便生成不同的偏移角。
20.一種光源中使用的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括 發(fā)光二極管；和具有反射面的反射器，所述反射面成形為由來自所述發(fā)光二極管的反射光射出特定波束圖，所述反射器包括使所述反射器可在相對于所述發(fā)光二極管的多個位置之間進行調(diào)節(jié)的定位部件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于具有高效均勻光輸出的障礙燈標(biāo)的高強度LED照明陣列。所述高強度LED照明陣列具有第一同心環(huán)，該第一同心環(huán)具有多個反射器和發(fā)光二極管。所述同心環(huán)具有使所述多個反射器的每個反射器相對于多個發(fā)光二極管的各自的發(fā)光二極管垂直地安裝的平面。第一多個反射器中的至少一些可相對于各自的發(fā)光二極管的調(diào)節(jié)位置，以由發(fā)光二極管生成精確的波束圖。
文檔編號B64F1/20GK102458997SQ201080029724
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月1日
發(fā)明者克雷格·菲爾茲, 凱文·布倫南, 湯姆·帕帕內(nèi)克, 肯·科赫曼 申請人:埃賽力達科技固態(tài)照明有限公司