[发明专利]LED的内部收集反射器光学器件

说明书

技术领域

本发明大体上涉及来自发光二极管（LED）的光的收集和控制。更具体地，本发明针对来自LED的光的宽角发射，以产生高度受控的光束。

背景技术

许多产品需要对从光源发出的光进行有效地收集和控制。较高等级的控制被需要以产生用于现场表演、特殊的事件和照明高结构的探照灯所需要的类型的准直的光束。所述探照灯使用氙弧类型的灯作为光源，并使用深抛物面反射器来收集和控制光方向和光束角度。这个方法已经使用了很多年，甚至在电灯泡的发明之前就已经使用了。

这种类型的现有技术的探照灯一般需要比它的弧隙大很多的反射器。1000瓦特氙灯将它的大部分光产生在直径为1mm的球体内部。为了产生高度准直的光束，典型地需要直径为20英寸的反射器。虽然氙光源在小面积中产生了极大量的光，但是这种类型的灯的效率是较低的。1000瓦特的灯电能量的每瓦特仅可以产生35流明。这些灯的另一缺陷是它们的寿命只有几千小时。最后，氙光源由高压气体填充。当对探照灯进行作业时，更换氙灯的人员需要穿保护服并带保护面罩。

氙光系统的另一缺陷是由于光学表面上污垢的聚集而引起的性能的降低。这种聚集是由所述灯光典型地需要强制风冷的事实而合成。氙系统至少有污垢能够聚集并减少输出的四个表面。这些表面的第一个是灯自身的表面。第二个是反射器的表面。第三和第四个是窗口的内部和外部。在这四个表面的任意表面上仅有较小量的污垢严重地减小该系统的光输出。

由探照灯制造商对深抛物面反射器的使用为整个系统增加了很小的效率。由灯产生的大量光存在于抛物面反射器开口端前面，并且不能对没有打到反射器的光所产生的准直光束作出贡献。

探照灯制造商想要使用LED作为他们的探照灯的光源。LED并不产生像氙光源一样高强度的光。LED灯的低强度导致对于与氙系统一样的输出需要大得多的反射器。在一些情况中，使用LED需要10倍于具有氙光源的系统所使用的反射器的尺寸的反射器。总之，当前基于氙的照明系统的主要缺陷是它们的短寿命、对系统作业时的危险和它们的低效率。

从LED收集和控制光的光学器件系统通常结合传统的反射器和折射光学器件。这种类型的系统的典型示例如图1所示。虽然这种类型的系统在收集从LED发出的所有光是有效的，但是其控制输出的能力是有限的。由系统的反射器部分收集的光，当其离开反射器时，有大体上相同的锥角。在这个示例中，锥角在3.9°到4.5°之间变化。折射光学器件（也就是穿过透镜传输的光）有大得多的锥角，41°。因此，在探照灯系统中，从折射光学器件发出的光并没有对探照灯光束作出贡献，其产生了溢散光。

图1的现有系统固有的另一缺陷是输出光从两个光源（透镜和反射器）发出。从透镜发出的光的性质与从反射器发出的光的性质是大不相同的。因此对同时从两个来源的输出进行优化是非常困难的。对从透镜输出的光有积极影响的输出控制测量常常对从反射器输出的光有消极影响，反之亦然。

传统反射器光学器件的另一个变型是将LED置于抛物面反射器的焦点的灯。LED表面的输出法线定向于沿着抛物面的轴。从LED发出的光以半球形方向发射，离开法线+90°和－90°。抛物面收集所有所发射的光，并将大部分光以设计的方向定向。LED及其装备吸收一些没有被阻隔而以设计的方向前进的光。这个吸收发生是因为LED在由抛物面反射的光的输出路径上。

电流必须被施加到LED以生成产生热量的光。为了给LED降温，使用热管将热量从LED传导至反射器后面的散热器。这些部件也吸收一些光，因此甚至进一步降低了照明系统的效率。

LED照明系统中的反射器须较大，以收集来自LED的半球形±90°输出。如果锥角能够减小到小于±45°，反射器可能会小得多。根据从反射器的中心到反射器的边缘的距离，现有技术的产品的反射器的输出光束角较大地变化。该光束角的变化需要反射器大于如果在反射器的直径上的光束角的变化减小所需要的反射器。

因此，需要高效的照明系统，其对污垢和灰尘并不敏感，其提供输出光束角的高度控制，并且其包含在紧凑的封装中。

发明内容

本发明的各种实施方式公开了具有定向输出的光学系统。该系统包括提供光源的至少一个LED。所述系统还包括减小光源的光输出的锥角的光学器件元件。光以锐角从反射表面反射。然后所反射的光形成输出光束。