使用tir透镜的薄型灯的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种灯。所述灯包括光源和透镜。所述透镜包括与第二表面相对的第一表面，其中所述第二表面包括入射表面，并且第一表面包括向所述入射表面会聚的多面光学元件。所述光源通过所述入射表面将光入射到所述透镜中，并且所述光折射通过所述第一表面，同时从所述第一表面和所述第二表面向所述透镜的外围进行全内反射。
【专利说明】使用TIR透镜的薄型灯
【技术领域】
[0001]本发明的示例性实施例总体上涉及一种照明设备。这些实施例特别适用于薄型(low profile)灯，并且将特别参考所述薄型灯进行描述。但是，应了解，本发明的示例性实施例也适用于其他类似的应用。
【背景技术】
[0002]灯通常包括一个或多个光源，所述光源可能随时间的推移和/或温度而退化。但是，灯通常无法补偿此类退化和/或提供此类退化的通知。因此，灯可能无法根据规格运行和/或向灯的操作员提供足够的通知以在发生故障之前更换灯。
[0003]此外，灯通常包括发光面，一个或多个光源发出的光透过所述发光面。通常，最好是从所述发光面均匀地发光。但是，灯的发光面通常大于光源。因此，难以使从光源发出的光均匀分布。
[0004]一种选择包括使用反射折射光学系统。反射折射光学系统使用折射和反射，通常通过透镜(屈光学)和曲面镜(反射光学)实现，以聚焦光线。但是，使用反射折射光学系统的一个问题在于所述反射折射光学系统通常非常厚。因此，在需要使用薄型灯的情况下，通常难以使用反射折射光学系统。
[0005]另一种选择涉及使用沿灯的发光面分布的光源矩阵。此类选择不依赖于光学系统将光源发出的光分布在灯的发光面上。相反，它完全依赖于光源的数量。但是，使用矩阵的一个问题在于增加光源的数量将增加不必要的成本、降低效率并增加灯的复杂性。
[0006]本发明旨在新的和改良系统和/或方法，以解决所述和其他问题。
【发明内容】
[0007]下文将概述本发明的各方面细节，以提供基本理解。本
【发明内容】
部分不是本发明的宽泛概述，并不旨在确定本发明的特定元素，也不描述本发明的范围。相反，本
【发明内容】
部分的目的是在以下更详尽的说明之前简要地提出本发明的特定概念。
[0008]根据本发明的一方面，提供了一种灯。所述灯包括光源和透镜。所述透镜包括与第二表面相对的第一表面，其中所述第二表面包括入射表面，并且第一表面包括向所述入射表面会聚的多面光学元件。所述光源经由所述入射表面将光入射到所述透镜中。所述光折射通过所述第一表面，同时从所述第一表面和所述第二表面向透镜的外围全内反射(totalinternally reflect)。
[0009]根据本发明的另一方面，提供了一种灯。所述灯包括光源、光传感器和电源。所述电源基于所述光传感器测量的光输出而控制光源的光输出。所述灯进一步包括透镜，其中所述透镜包括发光面。所述透镜配置成接收从所述光源发出的光并且使用全内反射和折射将所接收的光均匀地分布在所述发光面上。所述光传感器设置在所述透镜的所述发光面上。
[0010]根据本发明的另一方面，提供了一种透镜。所述透镜包括与第二表面相对的第一表面，其中这些表面限定波导通道。朝向所述第一表面和/或所述第二表面的光全内反射到所述透镜的外围。所述透镜进一步包括:入射表面，所述入射表面从光源接收光；以及多面光学元件，所述多面光学元件与所述入射表面相对。所述多面光学元件向所述入射表面会聚，其中所述入射表面接收的光从所述多面光学元件向所述透镜的外围全内反射。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]以下说明和附图详细提供了本发明的一些实施例，所述实施例提出能够实现本发明多个原理的多个示例性方式。但是，说明性的实例并不排除本发明许多可能的实施例。以下对本发明的详细说明将结合附图提供本发明的其他对象、优点和新颖性特征，在附图中:
[0012]图1是根据本发明各方面的灯的方框图；
[0013]图2是根据本发明各方面的灯的俯视图；
[0014]图3是图2所示灯的截面图；
[0015]图4是根据本发明各方面的旋转式透镜的俯视图；
[0016]图5是图4所示透镜的截面图；以及
[0017]图6是根据本发明各方面的挤压透镜(extruded lens)。
【具体实施方式】
[0018]以下将结合附图详细描述一个或多个实施例或实施方案，其中类似的附图标记用于指代附图中类似的元件，并且其中多个特征并不必要按比例绘制。
[0019]参见图1，提供了根据本发明各方面的灯100的方框图。例如，灯100可以是交通灯，特定手表的背光中所用的灯等。灯100可以包括一个或多个光源102、透镜104、一个或多个传感器106、电源108、存储器110、通信单元112、控制器114等。
[0020]光源102适当地产生用于灯100的光。光源102可以包括一种或多种类型，例如导光(例如，从光纤或其他类型的光导设备导向的光)；直接电动光发射器(单个或群集)，例如电致发光源(LE0、有机LE0、聚合物LEOS等)、气体放电光源(突光、等离子体等)、高强度放电光源、激光器、非线性光源；等等。光源102可以经选择以控制相关色温(CCT)、显色指数(CRI)以及其他类似的光特性。
[0021]透镜104适当地将光源102发出的光均匀分布在灯100的发光面上。如下文更详细所述，这可以使用部分折射并且部分全内反射的正透镜来实现。在特定实施例中，透镜100可以占据至少一半的发光面和/或光源102可以置于与透镜104的距离小于透镜102的半径或焦距的位置处。此外，在特定实施例中，透镜可以经过处理以增加均匀性、改进照明外观和/或减少眩光。附加地或替代地，可以使用另一光学部件，例如发散膜来获得类似的效果。
[0022]传感器106适当地测量灯100的一个或多个运行条件。运行条件可以包括以下项中的一项或多项:光源102的输入电压、运行温度、输出电流和/或电压、光源102的光输出等。在特定实施例中，传感器106可以包括光电变换器，例如固态光电检测器。在此类实施例中，光电变换器可以连接到透镜104的任何表面。但是，优选连接到对透镜104的光学性能影响较小的表面，通常为外表面。在特定实施例中，传感器106可以附加地或替代地包括热敏电阻。
[0023]电源108适当地从外部电源(未图示)接收电力并将所述电力分配给灯100的组成部件。所接收电力的输入电压可以是交流(AC)电压或直流(DC)电压。在特定实施例中，电源108可以从控制器114和/或外部装置(未图示)接收命令，从而控制电力的分配。例如，电源108可以从控制器114接收指示电源108提供给光源102的输出电流和/或电压的命令。在其他实施例中，电源108可以从诸如光电变换器等传感器106接收信号，并且调整光源102的输出电流和/或电压以维持恒定的光输出。
[0024]电源108适当地包括用于将电力分配给灯100的一个或多个硬件部件。例如，电源108可以包括一个或多个整流器、浪涌保护电路、电磁干扰电路、交换式电源、冲突监控器、保险丝、保险丝熔断(FBO)电路、功率因数校正电源等。但是，诸如软件部件等其他部件也同样适用。
[0025]存储器110适当地存储与一个或多个稳态运行条件相关的日志数据。例如，存储器110可以存储交通灯100的运行时间。存储器110可以包括以下项中的一项或多项:磁盘或其他磁性存储介质；光盘或其他光学存储介质；随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其他电子存储装置或芯片或在操作上互连的芯片集；等等。
[0026]通信单元112适当地向控制器114提供用于与灯100外部的其他灯和/或部件通信的接口。例如，通信单元112可以允许灯100从外部控制器(未图示)接收命令。通信单元112可以通过诸如局域网、广域网、互联网等通信网络或者诸如12C、通用串行总线、串行等数据总线来与灯100外部的这些其他灯和/或部件通信。
[0027]控制器114适当地监控灯100的运行条件。监控可以包括从构成灯100的一个或多个硬件和/或软件部件(例如传感器106)接收与灯100的一个或多个运行条件相关的数据。所接收的数据可以包括当前运行条件值和/或计算当前运行条件值所必需的数据。监控可以进一步包括从所接收的数据计算一个或多个运行条件的值和/或基于所接收的数据而确定运行条件是否在可接受的限制内。对于所述确定，可以将运行条件值(计算得出或直接测量得出)与运行条件的阈值和/或预期值进行比较。如果运行条件在可接受的限制之外，则检测到故障。
[0028]在特定实施例中，控制器114可以指示电源108关于提供给光源102的输出电流和/或电压，从而得出退化系数(degradation factor),同时监控灯100的运行条件。退化系数减少光源102的光输出并且可以包括以下项中的一项或多项:光源102的运行时间,灯100的运行温度等。控制器114可以基于诸如光电变换器等传感器106确定的光源102的光输出而调整电源输出电流和/或电压。或者，控制器114可以基于计算所得的输出电流和/或电压调整电源输出电流和/或电压。
[0029]计算所得的电源输出Itjut可以定义为:
[0030]1ut = Inom*fTH*fDe， (I)
[0031]其中Im是光源102的额定输出电流、f,H是调整灯100内温度的校正系数，并且 是调整光源102的寿命的校正系数。校正系数可以通过使用校正系数以当前运行条件值
索引的一个或多个查询表来进行确定。可以通过类似方式对计算输出电压Vrat进行计算。
[0032]在特定实施例中，控制器114可以记录灯100的运行条件，同时监控灯100的运行条件。记录灯100的运行条件的步骤可以包括将一个或多个运行条件的值(计算或其他方式)写入存储器110中。运行条件值可以覆盖之前写入的日志数据和/或作为按时间索引的日志条目写入。记录可以在确定一个或多个运行条件超出可接受限制之外(即，检测到故障)时执行。但是，其他记录触发器也通常适用。例如，记录可以按照灯100的定时器等确定的周期性间隔定期执行。再如，记录可以在灯100即将切换到“关闭”状态时执行。
[0033]在特定实施例中，控制器114可以产生是否检测到故障的指示，同时监控灯100的运行条件。例如，如果灯100的运行温度和/或运行时间超出特定阈值，则控制器114可以产生指示。所述指示可以包括产生指示信号。所述指示信号可以提供给灯100的本地部件和/或其外部部件。此外，所述指示信号可以用于以下项中的一项或多项:产生声响和/或视觉警告、闪烁一个或多个光源、启用故障光源等。
[0034]控制器114可以包括数字/电子处理器，例如微处理器、微控制器、图形处理单元(GPU)等。在此类实施例中，控制器114适当地执行存储在存储器中的指令。在特定实施例中，存储器可以是灯100的存储器110。在其他实施例中，存储器可以是控制器114的本地存储器以及R0M、EPR0M、EEPR0M、闪存等中的一种存储器。控制器114可以通过数字通信协议，例如 12C、USB、RS-232、RS-485、lWire、SP1、WiFi 等与灯 100 的存储器 110 通信。但是，模拟通信协议也同样适用。通信协议可以在以下项中的一项或多项上执行:数据总线、通信网络等。
[0035]参见图2和3，提供了根据本发明各方面的灯200。图2提供了灯200的俯视图，图3沿线202提供了灯200的截面图。灯200是图1所示灯100的更具体实施例。因此，除非另作说明，其说明同样适用于以下说明并且下述部件应理解为与上述部件相似。灯200可以包括以下项中的一项或多项:外壳204、存储器206、光源208、发光面210、透镜(未图示)、一个或多个传感器212、电源214、通信单元216、控制器218、电路板220等。
[0036]外壳204适当地限定灯200的主体。外壳204可以为灯200的部件提供支架结构和/或保护。此外，外壳204可以由以下项中的一项或多项构成:聚合材料、金属材料等。在特定实施例中，外壳204可以用作从灯200的部件带走热量的散热器。
[0037]存储器206适当地存储与一个或多个稳态运行条件相关的日志数据。例如，存储器206可以存储交通灯200的运行时间。存储器206可以包括以下项中的一项或多项:磁盘或其他磁性存储介质；光盘或其他光学存储介质；随机存取存储器、只读存储器或其他电子存储装置或芯片或在操作上互连的芯片集；等等。
[0038]光源208可以适当地产生用于灯200的光。光源208包括以下项中的一项或多项:导光，例如从光纤或其他类型的光导设备导向的光；直接电动光发射器(单个或群集)，例如电致发光源(LE0、有机LE0、聚合物LEOS等)、气体放电光源(荧光、等离子体等)、高强度放电光源、激光器、非线性光源；等等。光源208可以经选择以控制相关色温(CCT)、显色指数(CRI)以及其他类似的光特性。
[0039]发光面210适当地对应于将光源208发出的光发射到灯200外部的灯200部分。换言之，发光面210可以视作光源208发出的光到达灯200外部环境的边界。在特定实施例中，发光面210和透镜的发光面可以是同一个表面。
[0040]透镜适当地将光源208发出的光均匀分布在灯200的发光面210上。如下文更详细所述，这可以使用部分折射并且部分全内反射的正透镜来实现。在特定实施例中，透镜可以占据至少一半的发光面210和/或光源208可以置于与透镜之间的距离小于透镜半径处。此外，在特定实施例中，所述透镜可以经过处理以实现以下项中的至少一项:增加均匀性、改进照明外观和减少眩光。附加地或替代地，可以使用另一光学部件(例如发散膜)来获得类似的效果。
[0041]传感器212适当地测量灯200的一个或多个运行条件。运行条件可以包括以下项中的一项或多项:光源208的输入电压、运行温度、输出电流、光源208的光输出等。例如，传感器212可以包括以下项中的一项或多项:诸如固态光检测器等光电变换器(未图示)、诸如热敏电阻等热电变换器(如图所示)等等。在特定实施例中，光电变换器设置在所述透镜的发光面上。
[0042]电源214适当地从外部电源(未图示)接收电力并且将电力分配给灯200的组成部件。在特定实施例中，电源214可以从控制器216和/或外部装置(未图示)接收命令，控制电力的分配。例如，电源214可以从控制器216接收指示电源214提供给光源208的输出电流的命令。
[0043]通信单元216适当地向控制器218提供用于与灯200外部的其他灯和/或部件通信的接口。通信单元216可以通过诸如局域网、广域网、互联网等通信网络和/或诸如12C、通用串行总线、串行等数据总线与灯200外部的这些其他灯和/或部件通信。
[0044]控制器218适当地监控灯200的运行条件。在特定实施例中，控制器218可以指示电源214提供给光源208的输出电流，从而得出退化系数，同时监控灯200的运行条件。退化系数减小光源208的光输出并且可以包括以下项中的一项或多项:光源208的运行时间、灯200的运行温度等。在其他实施例中，控制器218可以附加地或替代地将运行条件(例如灯200的运行时间)记录到存储器206，同时监控灯200的运行条件。在其他实施例中，控制器218可以附加地或替代地产生是否检测到故障的指示，同时监控灯200的运行条件。所述指示可以包括产生指示信号，所述指示信号可用于产生声响和/或视觉通知。
[0045]电路板220适当地向以下项中的一项或多项提供安装点:控制器218、通信单元216、电源214、光源208、存储器206、一个或多个传感器212等等。此外，电路板220适当地将部件电气互连。在特定实施例中，电路板220可以用作安装在其上的部件的散热器和/或包括金属芯印刷电路板。电路板220可以通过机械紧固件、胶剂、胶带、环氧树脂等安装到灯200的外壳204。
[0046]参见图4和5，提供了根据本发明各方面的旋转式透镜400。图4提供了透镜400的俯视图，并且图5沿线402提供了透镜400的截面图。透镜400适当地用于灯内，例如图1所示灯100和/或图2和3所示灯200内。
[0047]透镜400可以包括以下项中的一项或多项:第一表面404、第二表面406、波导通道408、多面光学兀件410、入射表面412等。根据图5所不透镜400的定向，第一表面404可以视作透镜400的上表面，并且第二表面406可以视作透镜400的下表面。此外，应了解，第一表面404和第二表面406无需是连续的。例如,如图所不,第一表面404包括多面光学元件410并且第二表面包括入射表面412。
[0048]第一表面404和第二表面406适当地相互作用，以限定波导通道408,所述波导通道可使用全内反射而将光分布到透镜400的外围414。光在向透镜400的外围414行进时通过波导通道408适当地折射通过第一表面404。在特定实施例中，光可以沿大于相对于第一表面404和/或第二表面406的全内反射临界角的线行进。此外，在特定实施例中，第一表面和第二表面的外边缘可以重合。
[0049]朝向第一表面404的光适当地从第一表面404向第二表面406部分反射。反射适当地采用全内反射和简单反射。此外，朝向第一表面404的光适当地折射通过第一表面404。就这点而言，应认识到，第一表面404限定透镜400的发光面。在特定实施例中，第一表面404可以包括发散处理以增加均匀性。
[0050]朝向第二表面406的光适当地从第二表面406向第一表面404反射。反射适当地采用全内反射和简单反射。为便于反射，第二表面406适当地包括多个会聚面，例如第一面
416。适当地，所述会聚表面与多面光学元件410—起配置为模拟与光源位置不同的焦点
417。会聚面可以包括多个光学表面，例如光学表面418，以及多个非光学表面，例如非光学表面420。与非光学表面相对比,光学表面可以将朝向它的光重定向到第一表面404,通常通过全内反射实现。
[0051]多面光学元件410适当地反射和折射朝向它的光。反射包括全内反射和/或简单反射。例如，多面光学兀件410可以将一部分朝向它的光全内反射到第二表面406和/或第一表面404并且将剩余朝向它的光折射到透镜400之外。为此，多面光学元件410适当地包括多个尖端(cusp),所述多个尖端由多个光学表面(例如光学表面424)以及多个非光学表面(例如非光学表面422)构成。朝向多面光学兀件410的光通常折射通过非光学表面，并且通常使用全内反射从光学表面向第二表面406反射。
[0052]多面光学元件410可以向第二表面406会聚和/或以菲涅尔方式进行配置。多面光学元件410可以但无需位于透镜400内的中心位置和/或与随透镜400 —起使用的光源的中心对齐。对于后者而言，换言之，多面光学兀件410的会聚点426可以与光源的中心对齐。适当地，所述面配置为模拟与光源位置不同的焦点417。
[0053]入射表面412适当地用作用于光的、透镜400的接收区域，所述光由与透镜400 —起使用的光源发出。入射表面412可以接收光源428发出的光，所述光源置于用于模拟焦点417的、透镜400的模拟焦点距离的25%内。此外，入射表面412可以包括球形表面，其中光源置于其中心位置。在特定实施例中，入射表面412可以不具有光强度。
[0054]参见图6，提供了根据本发明各方面的挤压透镜600的透视图。透镜600适当地用于灯内，例如图1所示的灯100内。与图4和5所示的透镜400类似，透镜600利用全内反射和折射的组合来将光源发出的光均匀地分布在发光面上。此外，挤压透镜600的横截面与图5所示透镜400的截面图相同，由此应认识到，透镜600依据结合图4和5所示透镜400的描述运行。因此，此处不重复介绍与图4和5所示的透镜400，而是将注意力转到上述对图4和5所示透镜400的描述上。
[0055]已参考优选实施例公开本发明。显然，所属领域中的技术人员在阅读和理解以上【具体实施方式】之后能够做出各种修改和替代。优选实施例意图解释为包括在随附权利要求书或其等效物范围内的所有此类修改和替代。
【权利要求】
1.一种灯，包括: 光源；以及 透镜，所述透镜包括与第二表面相对的第一表面，所述第二表面包括入射表面并且所述第一表面包括向所述入射表面会聚的多面光学元件，其中所述光源通过所述入射表面将光入射到所述透镜中，其中所述入射光折射通过所述第一表面，同时从所述第一表面和所述第二表面向所述透镜的外围进行全内反射。
2.根据权利要求1所述的灯，其中所述第一表面包括发散处理。
3.根据权利要求1所述的灯，其中所述第一表面和所述第二表面在所述透镜的外围处重合。
4.根据权利要求1所述的灯，其中所述第二表面包括多个会聚面，所述会聚面有助于光向所述透镜的外围进行全内反射。
5.根据权利要求4所述的灯，其中所述会聚面模拟焦点，所述焦点与所述透镜的距离远于与所述光源的距离。
6.根据权利要求1所述的灯，其中所述多面光学元件与所述光源的中心对齐。
7.根据权利要求1所述的灯，进一步包括: 发光表面，其中所述透镜占据所述发光表面的大部分。
8.根据权利要求1所述的灯，其中所述光源位于小于所述透镜的模拟焦距的距离处。·
9.根据权利要求1所述的灯，其中所述透镜通过挤压和/或旋转产生。
10.根据权利要求1所述的灯，其中入射光沿大于相对于所述第一表面和/或所述第二表面的全内反射临界角的线向所述透镜的外围行进。
11.一种灯，包括: 光源和光传感器； 电源，所述电源基于所述光传感器测量的光输出而控制所述光源的光输出；以及 透镜，所述透镜包括发光面，所述透镜配置为接收所述光源发出的光并且使用全内反射和折射将所接收的光均匀地分布在所述发光面，其中所述光传感器设置在所述透镜的所述发光面上。
12.根据权利要求11所述的灯，其中所述光传感器是光电变换器。
13.根据权利要求11所述的灯，进一步包括: 控制器，所述控制器使用所述光传感器监控所述光源的光输出并且使用所述光传感器校正所述光源的光输出降级。
14.根据权利要求13所述的灯，其中所述控制器通过指示所述电源提供给所述光源的输出电流来校正所述光源的光输出降级。
15.根据权利要求11所述的灯，其中所述透镜包括限定波导通道的第一表面和第二表面，其中所接收的光沿所述波导向所述透镜的外围全内反射。
16.根据权利要求15所述的灯，其中所述第一表面包括多面光学元件并且所述第二表面包括入射表面，其中所述多面光学元件向所述入射表面会聚，其中所述透镜通过所述入射表面从所述光源接收光。
17.根据权利要求11所述的灯，其中所接收的光折射通过所述第一表面，同时向所述透镜的所述外围全内反射。
18.—种透镜，包括: 限定波导通道的、与第二表面相对的第一表面，其中所述第一表面和/或所述第二表面将朝向所述第一表面和/或所述第二表面的光全内反射到所述透镜的外围； 入射表面，所述入射表面从光源接收光；以及 多面光学元件，所述多面光学元件与所述入射表面相对，所述多面光学元件向所述入射表面会聚，其中所述入射表面接收的光从所述多面光学元件全内反射到所述透镜的所述外围。
19.根据权利要求18所述的透镜，其中所述第二表面包括多个会聚面。
20.根据权利要求18所述的透镜，其中光在沿所述波导通道向所述透镜的外围行进时折射到所述第一表面之外。`
【文档编号】G02B3/08GK103827575SQ201280027998
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年6月5日 优先权日:2011年6月8日
【发明者】L.乌尔蒂加, S.马南, E.迪比克 申请人:通用电气照明解决方案有限责任公司