CN104704291A - 在不利用外部遮光罩的情况下缩小高架照明器具的有效投影区域(epa)的设备、方法和*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种照明器具的设计，利用这种设计，在现有技术的照明器具中平面的外玻璃透镜向外成弓形。照明器具的设计允许分别具有它们自己的遮光罩的多个LED模块被包含在其中，而不存在由于外透镜与每个单独的遮光罩之间的干涉所导致的约束每个模块的瞄准角的情况。这样，可省略外部遮光罩，从而相对于没有外部遮光罩和具有平面外玻璃透镜的现有技术的照明器具，在仍然维持缩小的有效投影区域(EPA)的同时避免诸如不均匀的照明的不良照明效果。

Description

在不利用外部遮光罩的情况下缩小高架照明器具的有效投影区域(EPA)的设备、方法和***
相关申请的交叉引用
该申请根据35U.S.C.§119要求2012年10月1日提交的美国临时申请No.61/708,298的优先权，所述美国临时申请由此整体并入作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及缩小高架物体的有效投影区域(EPA)的装置。更具体地说，本发明涉及以不限制来自照明器具的光的投射的方式缩小高架照明器具的EPA的装置。
背景技术
众所周知，高架至相当高的高度的物体经受风荷载。许多因素决定置于暴露于风的物体上的载荷；风速和可扰乱空气流动的周围物体的存在是两个这样的因素。此外，对风荷载极为重要的是物体本身的形状；物体的直接邻接空气流动路径的部分常常被称为投影区域。对于照明器具，投影区域常常随器具的瞄准角改变而改变。
投影区域与物体的拖曳系数一起能用于在特定的瞄准角对给定的风速计算物体的有效投影区域(EPA)。在照明工业-尤其地户外照明中，必须知道照明器具(以及相关的托架、横臂等)的重量和EPA，使得任何高架结构(即，杆)被设计成经得起预期的风荷载。这样的准则可由诸如美国州公路及运输协会(AASHTO)的组织支配。
因此，能看到的是，有兴趣将照明器具的重量和EPA保持得低；低的EPA导致降低的风荷载，降低的风荷载和低的重量导致轻得多的高架结构，并且轻得多的高架结构导致降低的成本。如此说来，要考虑竞争性利益。例如，当器具包括外部遮光罩或被瞄准以便向下投射光时，器具的EPA可能是最低的，但以这样的方式使器具瞄准可能不适当地限制从那里投射的光的传播。在这样的情形下，设计者可通过改变器具的瞄准角接受较高的EPA，以便投射需要的光。作为另一示例，这可增加照明器具的重量以添加外部遮光罩，但添加的重量可能是合理的，以提供明暗截止并避免眩光。当人们考虑包括诸如发光二极管(LED)的多个光源的照明器具时，选择前述竞争性因素中的一个竞争性因素而不是另一竞争性因素的后果是综合的。例如，接受器具重量的增加以包括提供明暗截止的外部遮光罩可能对诸如高功率金属卤化物灯的大的、传统光源是足够的，但如果照明器具包含多个瞄准的LED，则单一外部遮光罩可能不再提供整齐的截止，并且由于包含在其中的LED的间隔和瞄准，可能产生不均匀的照明。
本领域以如下方式受益于缩小照明器具的EPA的附加装置：(i)不明显地增加器具的重量和(ii)不会不利地影响从那里投射的光，尤其地对于包括多个光源的照明器具。
一个解决方案是省略照明器具的外部遮光罩，以便避免不良照明效果。尽管这将降低器具的重量，但这将拆除用于提供从那里投射的光的明暗截止的所有装置。此外，省略外部遮光罩实际上能增大器具的EPA。于是，人们可考虑向被包含在所述照明器具内的每个光源添加遮光罩。尽管这可解决不均匀的照明，但其不会解决EPA，并且在仍然设置用于(i)在不与其他遮光罩物理地和相对于每个源的光输出图案干涉的情况下的每个光源的瞄准和(ii)整体排热的同时，还增加如何将多个光源和多个单独的遮光罩容纳在紧凑的空间中的担心。
因此，在本领域有改进的空间。
发明内容
提供了一种照明器具的设计，利用这种设计，外部透镜向外成弓形(即，圆顶、凸形)，以便容纳多个LED模块，这些LED模块中的至少一些具有它们自己的遮光罩。如所设想地，照明器具的设计证实了相比于利用平面外玻璃的标准照明器具的缩小的EPA、以及相比于利用具有外部遮光罩的平面外玻璃的标准照明器具的可比较的EPA和重量。此外，照明器具的设想设计(i)在无传输效率的明显损失的情况下和(ii)在无本领域常见的遮蔽、不均匀的光、或其他照明缺陷的情况下具有允许包含在其中的LED模块的大范围瞄准角的附加益处。
因此，本发明的主要目的、特征、优点或方面是相对技术现状改进和/或解决本领域的难题、问题或缺陷。
根据本发明的至少一个方面的方法包括：识别照明应用；设计复合的光输出图案(还被称为复合射束图案)，以便充分地照亮照明应用的目标区域；选择光学元件并将瞄准角分配给分别具有至少一个LED的多个LED模块，以便产生复合的光输出图案；以及(i)在不显著地降低传输效率的情况下，(ii)在维持低的EPA的同时，和(iii)在不引起诸如遮蔽或不均匀的光的不利照明效果的情况下，设计并瞄准采用圆顶式透镜的照明器具壳体，以便容纳多个LED模块。
根据本发明的至少一个方面的设备包括用于以上方法的照明器具，总体上包括：照明器具壳体，其具有用于前述LED模块中的一个或多个LED模块的内部安装面；与每个LED模块相关的一个或多个光学元件；圆顶式外透镜，其在壳体中将所述LED模块密封就位；用于维持从模块的LED到照明器具的外部的散热路径的装置；以及用于将照明器具可调地附装至横臂或其他高架结构的装置。
本发明的这些及其他的目的、特征、优点或方面将参考所附说明书和权利要求书变得更加明显。
附图说明
在该说明中，将不时地参考由附图标记指示并在下面概括的附图。
图1A-D图示用于经由可调座架附装至支撑结构(未图示的，例如杆、塔、上部结构、横臂等)的照明器具的各种外透镜与遮光罩布置。图1A图示利用没有外部遮光罩的平面外透镜的现有技术方法。图1B图示利用具有外部遮光罩的平面外透镜的现有技术的方法。图1C和1D图示将弓形(即圆顶或凸形)外透镜用于图1A和1B的现有技术器具壳体上并且没有外部遮光罩的本发明的两个可能的示例性实施例。
图2图示第一具体的示例性实施例，其中，照明器具在示例性器具壳体上采用弓形外透镜；在该示例中，用于向下照明的应用。
图3图示图2的照明器具的分解透视图；为清楚起见已省略了可调座架(例如，参见图1C和1D的安装关节)和LED模块。
图4A和4B图示第二具体的示例性实施例，其中，照明器具在示例性器具壳体上采用弓形外透镜；在该示例中，用于泛光照明的应用。图4A图示第二实施例的当其可似乎附装至横臂或其他结构(未图示)的底部时的照明器具，然而，图4B图示第二实施例的当其可似乎附装至横臂或其他结构(未图示)的顶部时的照明器具。
图5图示图4A和4B的照明器具的分解透视图；为清楚起见已省略了可调座架和LED模块。
图6A图示适用于图2的照明器具的LED模块的一个可能设计。图6A是整个模块的分解透视图。
图6B-G图示图6A的部件10F的各种透视与等轴测图。
图7A和7B图示适用于图4A和4B的照明器具的LED模块的一个可能设计。图7A是模块10的分解透视图；图7B是枢轴接头20的放大分解透视图。
图8图示设计一个或多个照明器具以适合根据本发明的方面的照明应用的一个可能方法。
图9A-F图示适用于图2-5的照明器具的导热楔形物的多个视图。
图10A-D图示LED的瞄准如何受图9的楔形物的使用影响；在该示例中，分别是未受影响的、向右偏移的、向下偏移的、和向左偏移的模块的前视图。
图11A-D分别是图10A-D的左侧正视图。
图12图示其中模块10在彼此无物理干涉的情况下能定位地附装在器具本体300内的一个可能方式。
图13A-C是圆顶式透镜的曲率的选择如何能减少光损失的图表图示。
具体实施方式
A.概述
为了增进本发明的理解，将详细描述继之以根据本发明的更具体的示例性实施例的更具普遍意义的实施例。在该说明中将频繁参考附图。附图标记将用于指示附图中的某些零件。除非另有说明，否则在所有附图中相同的附图标记将用于指示相同或相似的零件。
关于术语，术语“圆顶”的使用仅用于表达具有某一可察觉的向外的曲率的外透镜。参见图1A-D，例如，人们可声明的是，图1A和B中的透镜是平的，并且尽管图1C和1D中的外透镜的曲率不同，但图1C和1D中的透镜是圆顶的。各种各样的透镜曲率(乃至具有不同曲率的不同部分的单透镜)是可能的并被设想到。
能在可向美国俄亥俄州东克利夫兰市的GE Lighting Solutions购买的DECASPHERETMLuminaire Dome(DCD)中找到市场上可买到的高架圆顶式透镜器具的示例。然而，这样的器具传统地设计成用于大的、竖直定向的灯，诸如金属卤化物(MH)灯或高压钠(HPS)灯，并常常产生被称为蝠翼型照明分布的分布。这样的照明器具安装在相对低的高度(例如，20英尺)，并设计成在审美上令人愉悦的/在建筑上令人感兴趣，并且在这样的高度没必要设计成经受相当大的风荷载或将低的EPA维持在与明显较高的高度(例如，对于一般广域照明应用的大约35英尺到对于某些体育照明应用的超过100英尺)的器具相同的程度。此外，这些已知的照明器具典型地经由固定座架(相对于可调支架或座架)附装至支撑结构(例如，杆)，并因此有效地限于向下照明应用，并且对于诸如前述体育照明的应用不实际。这样的已知高架的圆顶式透镜器具因此不适合与本发明的照明器具比较；同样地，对现有技术的户外体育照明器具作出以下比较。现有技术的体育照明器具安装高得多(例如，典型地70英尺或更高)，并暴露于相当大的风力，许多时候设计成用于低的EPA，并且典型地经由可调支架/座架(也被称为安装关节)附装至支撑结构。
关于风荷载和EPA，图1A-D图示了具有相关的安装关节(例如，如在此并入作为参考的美国专利公布No.2011/0149582所描述的)、从水平向下45°瞄准、并且风载荷施加于其上的照明器具壳体；在该示例中，方向由箭头指示。图1A的照明器具包括作为典型的是许多现有技术的体育照明器具的平面外玻璃透镜(例如，如在此并入作为参考的美国专利No.4,423,471所描述的)。图1B的照明器具与图1A相似但具有外部遮光罩。实际上，外部遮光罩在很小或没有向内的锥度的情况下可相对短(例如，如在此并入作为参考的美国专利No.4,816,974所描述的)，或者在明显的向内的锥度的情况下可相对长(例如，如在此并入作为参考的美国专利No.8,162,511所描述的)；前者将具有非常少的眩光控制的较高的EPA，然而后者能具有明显的眩光控制的较低的EPA。为了当前讨论的目的，图1B的外部遮光罩在具有稍微向内的锥度的情况下被认为相对长(即，图1B的长度X类似于图1A的长度Y)，以提供适度的眩光控制。
相比之下，图1C和1D图示了根据本发明的圆顶外玻璃透镜的两个设计；图1C的长度X大约为图1A的长度Y的1/3，并且图1D的长度X类似于图1A的长度Y。图1C和1D的圆顶式透镜的形状从它们都具有大体上圆形的开口(以与器具壳体的大体上圆形的开口配合)和从曲率中心的恒定曲率半径的意义上来说，是大体上球形的盖帽或圆顶中的一个。图1D的透镜几乎是半球。当然，这仅作为示例，并且不作为限制；例如，单圆顶式透镜可具有不同曲率的不同区域。
对于图1A-D所图示的每个器具，以下因素在EPA的计算中保持恒定：沿着由图1A-D中的箭头所指示的方向的150mph的风速；0°的水平瞄准角(即，每个器具面向风并且不扭入或扭出图1A-D的页面平面)；45°的竖直瞄准角(即，如从水平向下测量地-参见图1D所图示的角度A)；具有长度Y和具有差不多2Y(即，两倍器具壳体的长度)的直径的大体上圆形的开放面的器具壳体；和以器具壳体的后部为中心、具有大约为长度Y的1/3的尺寸B和C、并具有最小厚度以便不明显影响EPA(例如，差不多一英寸或一英寸以上)的关节。在表格1中示出了来自EPA计算的结果，其中Ap是投影区域，CD是拖曳系数，并且EPA是有效投影区域。
表格1
器具 Ap(in2) CD EPA(ft2)
图1A 469.0 0.95 3.11
图1B 490.4 0.64 2.17
图1C 469.0 0.65 2.11
图1D 535.3 0.52 1.94
如能从表格1所看到地，对于图1D的器具而言EPA最有利；这或许应在意料之中，因为图1D的整个器具接近球体，这被称为是空气动力学领域中的几个优选形状中的一个。如此说来，已声明的是，在设计尤其地采用多个光源的高架照明器具中有竞争性利益。在该示例中，EPA的缩小不可以通过在制造接近半球的弓形外透镜中的明显的成本和困难证明合理。这尤其是因为如所设想地，外透镜通常向其涂覆防反射(AR)涂层，以减小传输效率的损失。因此，以下的示例性实施例利用图1C的外透镜，所述外透镜对于图1C的示例形成比球体更接近子弹(比球体(就减小拖曳而言)稍微次优选但比具有邻接气流的方向的平面的三维形状(例如，图1A的整个器具的形状)优选得多的形状)的整个器具。在http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/shaped.html能找到就减小拖曳而言被认为有益的优选形状的其他示例。
如此说来，如在陈述的示例性实施例中将看到地，图1C的圆顶式透镜不是简单地装接至一般器具壳体(这在某些情况下可实际上增大EPA)，而是，器具壳体以如下方式选择性地设计成用于特定的照明应用：(i)容纳所有必需的光学元件，以对于所述照明应用获得期望的光输出图案；以及(ii)与图1C的透镜合作，以接近乃至缩小超出图1A和1B的现有技术的体育照明器具的器具EPA。
B.示例性方法与设备实施例1
现在将描述利用上述具普遍意义的示例的更具体的示例性实施例，有时为了方便仅被称为实施例1，并且还被称为照明器具1000。
图2图示了大体上包括安装关节100、弓形(亦称作圆顶、凸形)外透镜200、器具本体300、和中间壳体400的照明器具1000的第一设计。如先前所声明地，关节100可具有诸如美国专利公布No.2011/0149582所描述的设计(或以其他的方式)，并且如所设想地，提供器具1000相对于横臂或其他安装结构(未图示)绕一个或多个枢轴线的可调性。给定示例性风向(方向由图2中的箭头图示)，为了维持低的EPA，关节100安装至本体300的侧面，但其他安装位置是可能的并被设想到。例如，将图2的关节座架与图1C和1D中的壳体的中后部相比较。
应理解并且当然为本领域的技术人员所熟知的是，风的方向改变。箭头和图示集中于为了器具的正交瞄准角可将最明显的风载荷置于器具上的风向。例如，进入图2的页面的方向的气流可受阵列(未图示)中的其他器具的存在干扰，并且图2的箭头的方向180°(即，移入支架100安装至的器具本体300的侧面)的气流可受横臂或支撑结构(未示出)干扰，从而不表现为与在图2的箭头的方向上同样显著的风载荷。
此外，与风向正交的平面比相对于风向严重倾斜的平面呈现出更大的风阻以及因而更大的风载荷。已知的是，平面的倾斜角会增大风载荷，相对于风向越接近正交，风载荷越大。应指出的是，图2的器具的外表面主要在至少一个尺寸上弯曲，以便对于预期最大风载荷的方向表现接近翼型(即，流线形)的碗型形状。应理解的是，由于变化的风、这样的器具当其安装时的各种各样的取向以及在给定方向上可影响气流的照明***中的其他部件，所以本发明根据这些变量将具有变化的有效性；可设想支架(可调或不可调)、圆顶式透镜和器具壳体的特定组合，以对于期望的风载荷和方向获得期望的形状/风阻。
在一种形式中，透镜200由钢化的、具有AR涂层的并且根据任何标准或测试程序(例如，ANSI Z97.1)的透明玻璃形成，以便使其适合期望的照明应用。器具本体300由合适的导热材料(例如，铝合金)形成，以便从附装至的LED带走热，具有一设计，使得不管风向如何EPA都较低(但在预期风向上可能最低)，并包含将配线从所述LED沿内部布线至关节100(其将导线进一步沿内部布线到横臂或其他高架结构中)的多个通道，以便确保对于户外使用的适合性。中间壳体400包括多个部件400A-E，以将透镜200附装并密封至器具本体300，从而屏蔽内部部件(例如，配线、LED)免受湿气或其他不利的天气状况。
图3更详细地图示了本实施例的器具1000；为清楚起见，已省略配线、LED模块10、大部分的安装面300B和关节100。如能看到地，器具本体300包括碗形壳体300A，其适合容纳LED模块附装至的多个可瞄准并且可拆除的安装面300B。实际上，任何数量的安装面300B可定位在两个凸起的环形部300C(在此也被称为环形轨道)上，绕壳体300A的中心顺时针或逆时针旋转，并经由通过螺纹孔302(参见图6A)并进入壳体300A(参见图3)中的互补孔的螺钉或其他紧固装置固定在期望的位置。如果需要，可将可买得到的热脂或其他物质涂覆至座架300B的表面303(图6A)，以便(i)减小摩擦和(ii)改善安装面300B与壳体300A之间的热传递。如所设想地，每个安装面300B被加工或以其他方式形成为使得安装至其上的LED以具体的角度瞄准(同样参见图6A)；对于图3所图示的三个安装面300B，安装至其上的LED当器具100如图2中地瞄准时以从水平向下30°瞄准，但这作为示例并且不作为限制。以这种方式使每个模块瞄准允许环形轨道300C中的每个环形轨道在不具有一个模块的遮光罩10F与另一模块的遮光罩10F的物理干涉的情况下填充有图6A的LED模块10(参见图3中的幻影线)。实际上，可调整壳体300A内的环形凸起部300C的间隔、模块10的数量和尺寸、遮光罩10F的长度和每个模块10当附装至安装面300B时的瞄准角，以适合特定的照明应用；由于一个或多个遮光罩10F可能延伸到壳体300A的开放面之外(参见图12)，所以如有必要，能改变透镜200的曲率，以便容纳当瞄准和安装时的模块10的全长，例如，以便获得期望的单独射束截止。假定照明领域的普通技术人员非常了解遮光罩的长度及其他特性如何影响射束截止的锐度(也被称为特殊性或整齐度)，并因此关于这样的理论在此仅提供有限的讨论。
图3还更详细地图示了中间壳体400的部件。如能看到地，中间壳体400包括介于壳体300A与内透镜圈400B之间的第一密封构件400A。第二密封构件400C介于内透镜圈400B与透镜200之间。第三密封构件400D介于透镜200与外透镜圈400E之间。如所设想地，密封构件400A、400C和400D当夹紧、用螺钉拧紧或以其他方式附装至壳体300A的圈时形成水密密封，并具有适合户外使用(例如，可在各种各样的温度下操作，耐紫外光)的材料(例如，硅酮)，但这作为示例并且不作为限制。例如，如果根据美国专利No.7,527,393(在此并入作为参考)所描述的发明的方面设计内透镜圈400B和外透镜圈400E，则由于密封构件400A、400C和400D不再暴露于来自太阳或LED的紫外光，所以可使用不同的密封材料。
用于本实施例的器具1000的LED模块可具有各种各样的设计；在图6A和6B中图示了一个可能的设计。LED模块10可经由通过遮光罩壳体10H、通过透镜壳体10B并进入螺纹孔301的螺钉10A直接附装至安装面300B，从而(i)(通过在相对角部的切口)使一个或多个LED 10D附装至的板10C相对于目标区域定向和(ii)将板10C约束至安装面300B并与安装面300B直接接触，以通过热传导维持散热路径。透镜10E或其他光学元件(例如，扩散器)在透镜壳体10B中的互补接收器中可定向并就座成使得其封装所述一个或多个LED 10D并使光朝向目标区域。反射遮光罩10F或其他光学元件(例如，吸光挡板)可定位成紧接透镜10E(通过经由螺钉10A将遮光罩10F安装至遮光罩壳体10H)，以便重新引导从那里发射的光的至少一部分。实际上，人们在模块10的设计中可选择使用一个或多个光引导元件、光重新引导元件或光引导与重新引导元件的组合。
如所设想并如图6B-G所图示地，遮光罩10F的所有表面是反射的，其中仅内侧面7(沿着遮光罩10F的纵向轴线的内侧)具有镜面抛光，以便产生镜面发射；所有其他表面被喷丸处理、涂层或以其他的方式纹理处理，以便产生漫反射。此外，遮光罩10F在对于预定的长度Y变直(即，既不收敛也不发散)之前对于预定的长度X以预定的角度Z(图6F)从透镜10E的发射面向外成锥形(即，发散)。实际上，角度Z、长度X和长度Y将取决于模块10中的LED的数量和型号、以及透镜10E的尺寸和特性而改变；根据一个示例，对于以2×2的阵列封装四个型号为XM-L的LED(可向美国北卡罗莱纳州达勒姆市的Cree,Inc.购买)的典型中射束透镜(例如，差不多20°的射束角，但这能在制造商之间极大地改变)，Z＝7°，X＝1.25英寸，并且Y＝1.5英寸。已发现的是，(i)选择性的发散的角度和长度与(ii)选择性的表面上的选择性的纹理的组合产生如下遮光罩，当多个遮光罩用于器具1000时，并且相对于标准遮光罩(即，在这些遮光罩上所有表面是直的并且镜面抛光)：能减少条痕并产生较平稳的光输出，约束在水平方向上的射束图案，以便为相互间或与用于许多应用的其他射束形状分层/重叠来产生更合适的射束形状，并增大感知的光源尺寸，从而减少眩光。然而，应理解的是，实施例不限于这些细节。
实际上，本实施例的器具1000最适合于向下照明应用(例如，停车场或其他相似的广域照明)。器具本身设计成不管风向如何都表现低的EPA；参见以下将EPA与变化的风向(竖直瞄准角是0°，并且风速是150mph)相比较的表格2。每个模块10的瞄准角相对较浅(即，从水平向下的瞄准角小(例如，20°至30°))，从而产生大范围分布的复合射束，并相对于安装高度允许杆(或其他高架结构)之间相当大的水平距离。
表格2
最后，由于在LED与圆顶式透镜的内表面之间存在比平透镜大的空间，所以圆顶式透镜的添加允许单独的长遮光罩用于任何模块，从而提供单独的光输出图案(也被称为单独的射束图案)的更多的明暗截止。此外，圆顶式透镜的添加在它们的固定的瞄准角维持模块的传输效率；即，由于透镜200的曲率能更紧密地匹配瞄准角(即，安装面300B的角度/设计)，以便减少回到器具中的反射(即，Fresnel反射/Fresnel损失)。如本领域的技术人员众所周知地，从光源发射的从表面反射回(相对于传输通过所述表面)的光的量随所述光传输表面的入射角而增大。图13A-C图表地图示了如何使圆顶式透镜曲率与光模块瞄准角匹配能降低这样的反射损失。图13A示出了从水平(与图2中一样)以大约30°瞄准但具有平透镜的器具壳体300A中的模块。图13B相同但具有稍微圆顶的透镜。图13C具有与30°的瞄准角更匹配的较长曲率的圆顶式透镜(即，更圆顶的透镜)，使得来自每个模块的光轴大体上垂直于其与透镜200的交界面；应理解的是，对于LED模块的光轴仅大体上指示单独的光输出图案以其为中心的矢量，并且不一定包含最高强度的点或区域。图13A具有最高的入射角，并因此由于光的一部分从透镜200反射并且不可用或有效地控制目标区域的光，所以在器具的复合输出中有更大的损失；应指出的是，沿着模块的光轴传输通过透镜的光的图解描绘上的小尺寸的箭头。图12C具有最低的入射角；更多的光与透镜200正交并完全穿过(大概至目标区域)。图13B表示大约在图13A与13C的传输效率之间的传输效率；应指出的是，沿着光轴的光的图解描述上的箭头比图13A中的大，但比图13C中的小，并且图解地描绘反射回到器具中的光的线条的长度对于图13B比图13A短(并且在图13C中完全没有)。初步测试已发现的是，对于示例性器具(参见图2)传输效率近似为99％，而对于具有相同构造但以平透镜替代的器具传输效率为92％，都采用AR涂层。
如果照明应用不同于向下照明，则能够经由关节100调整器具1000的瞄准；然而，这将影响器具的EPA。现在讨论更适合非向下照明的应用(例如，泛光照明)的第二实施例。
C.示例性方法与设备实施例2
根据本发明的至少一个方面的替代性的示例性实施例设想了如图4A和4B所图示的器具1000。与先前的实施例一样，本实施例的照明器具1000大体上包括安装关节100、弓形(即，圆顶或凸形)外透镜200、器具本体300、和中间壳体400。如先前所声明地，关节100可具有诸如美国专利公布No.2011/0149582所描述的设计(或以其他方式)，并且如所设想地，提供器具1000相对于横臂或其他安装结构(未图示)绕一个或多个枢轴线的可调性。对于其中横臂或其他高架结构(未图示)在器具1000上方(图4A)和在器具1000下方(图4B)的情形图示了典型的45°的竖直瞄准角，从而允许完全绕高架结构投射光的明显的灵活性；当然，一系列水平和竖直瞄准角是可能的并被设想出。
与实施例1中一样，透镜200能由钢化的、具有AR涂层的并且根据任何标准或测试程序(例如，ANSI Z97.1)的透明玻璃形成，以便使其适合期望的照明应用。器具本体300由合适的导热材料(例如，铝合金)形成，以便从附装至的LED带走热，具有一设计，使得不管相对于其外表面的风向如何EPA都较低，并包含多个通道，以便将配线从所述LED沿内部布线至关节100(其将导线进一步沿内部布线到横臂或其他高架结构中)。中间壳体400包括将透镜200附装并密封至器具本体300的多个部件。
图5更详细地图示了本实施例的器具1000；为了清楚起见，已省略了所有配线、枢轴接头20和关节100、以及除三个模块10之外的所有模块(三个模块以幻影线图示，以证实可变的瞄准角)。如能看到地，器具本体300包括壳体300A和LED模块10附装至的多个可拆除的安装面300B。与先前实施例一样，本实施例的安装面300B由合适的导热材料形成，以便维持从LED 10D到器具1000的外部的散热路径，但不同于先前实施例的是，本实施例的安装面300B设计用于可变的就位瞄准；这经由枢轴接头20实现(参见图7A和7B)。实际上，螺钉20A可***通过夹具半部20B、夹具半部20C、安装面300B中互补的孔隙(参见沿着图5中的每个表面300B的多排孔隙)，然后利用垫圈/螺母20D、20E和20F固定，从而以期望的并且可调的瞄准角约束LED枢轴座架10G(通过夹紧至枢轴座架10G的后侧上的圆柱凸台)。具有相似的能力的其他座架是可能的并被设想出。
图5还更详细地图示了中间壳体400的部件。如能看到地，中间壳体400包括介于壳体300A与斜向内透镜圈400B之间的第一密封构件400A。第二密封构件400C介于斜向内透镜圈400B与透镜200之间。第三密封构件400D介于透镜200与外透镜圈400E之间。如所设想地，密封构件400A、400C和400D形成水密密封，并具有适合户外使用(例如，可在各种各样的温度下操作，耐紫外光)的材料(例如，硅酮)，但这作为示例并且不作为限制。例如，如果根据并入的美国专利No.7,527,393所描述的发明的方面设计斜向的内透镜圈400B和外透镜圈400E，则由于密封构件400A、400C和400D不再暴露于来自太阳或LED的紫外光，所以可使用不同的密封材料。部件400A-E和200能通过螺钉、螺栓、夹具或其他方法保持紧靠壳体300A。
如图5所指示地，图7A-B的多个模块10可沿着每个线性安装轨道(即，表面300B)单独地螺栓连接；当然，本实施例的安装面300B可包括非线性的安装轨道或将模块10可调地附装至壳体300A的某些其他导热装置。表面300B的每个安装轨道能在大体上平行并间隔开的位置螺栓连接、或螺钉连接或以其他的方式附装至壳体300A的内部(参见图5的内部中的互补螺纹孔)。沿着一个表面300B的图7A-B的模块10和枢轴接头20紧接在下方相对于表面300B能够是交错的，以减少不同表面上的模块之间的物理和光输出干涉。并且，枢轴接头20允许每个模块相对于其在表面300B上的连接点在一系列角度上的独立倾斜。更进一步地，每个模块可能有围绕螺栓20A的轴线的摇动调整。因此，合适的枢轴接头20的移动的至少两个自由度允许每个光模块10相对于器具壳体300A的倾斜和摇动的独立调整。
用于本实施例的器具1000的LED模块可具有各种各样的设计，但如所设想地，具有在此并入作为参考的美国专利公布No.3012/0217897所描述的设计。如能从分别部分地作为在此并入作为参考的美国专利公布No.2012/0217897的图1B和6B的复现的图7A和7B所看到地，LED模块10包括一个或多个LED 10D，其经由穿过透镜壳体10B并进入枢轴座架10G的互补螺纹孔的螺钉10A定向并附装至所述瞄准的枢轴座架10G。透镜10E或其他光学元件(例如，扩散器)在透镜壳体10B中可定向并就座成使得其封装所述一个或多个LED 10D并引导光朝向目标区域。反射遮光罩10F或其他光学元件(例如，吸光挡板)可定位成紧接透镜10E，以便重新引导从那里发射的光的至少一部分。如先前所指出地，人们在模块10的设计中可选择使用一个或多个光引导元件、光重新引导元件或光引导与重新引导元件的组合。
实际上，本实施例的器具1000最适合于泛光照明或其他可变瞄准应用。可拆除的安装面300B能设计成容纳任何数量的LED模块，LED模块本身能够有范围广的水平和竖直瞄准角；对于具有3"的遮光罩的模块之间的3"的间隔的示例，分别为45°和60°的近似范围，但这作为示例，并且不作为限制。内透镜圈400B是斜向的，以便允许(i)包含在其中的照明模块的瞄准角的渐变以及(ii)每排LED之间的偏移。这允许人们设计可高度定制但仍不经受诸如遮蔽(例如，在来自一个模块的光照到另一模块的一部分的情况下)或不均匀的照明(例如，在从一个模块投射的光被器具的内部阻挡并且未达到目标区域的情况下)的不良照明效果的复合的光输出图案。器具本身(参见零件300和400的外表面)设计成不管风向如何都表现低的EPA；参见以下将EPA与变化的风向(竖直瞄准角是0°，水平瞄准角是45°，并且风速是150mph)相比较的表格3。最后，圆顶式透镜的添加不仅对每个模块允许长的单独的遮光罩(从而提供更明暗的单独的射束截止)，而且在它们固定的瞄准角维持模块的传输效率；即，由于透镜200的曲率能与瞄准角(即，安装面300B的角度/设计与枢轴座架10G的瞄准)匹配，以便维持正交或接近正交的入射；对于图解图示再次参见图13A-C。初步测试已发现的是，对于示例性器具传输效率近似为99％，而对于具有相同构造但以平透镜替代的器具传输效率为92％。
表格3
如能从表格3所看到地，本实施例的器具1000的EPA比实施例1的器具1000的EPA高，但比得上图1B的现有技术器具(参见表格1)。如此说来，在设计尤其地采用多个光源的高架照明器具中有竞争性利益。对于某些照明应用，优选的是，接受具有稍高的EPA的器具，以在引导从那里投射的光中获得明显的灵活性，从而形成期望的复合的光输出图案。当然，人们可经由关节100调整实施例2的器具1000的瞄准角，以便使EPA最小，但人们还可能不得不调整安装面300B的瞄准角和/或枢轴座架10G的瞄准角，以便维持复合的光输出图案。
D.可选例和替代例
本发明可采用许多形式和实施例。前述示例仅是它们中的几个。为了给出某种意义上的一些可选例和替代例，以下给出几个示例。
存在人们可通过其实施根据本发明的方面的各种各样的方法；在图8中图示了一个这样的方法。根据方法8000，第一步骤8001包括识别照明应用(例如，停车场或体育场等)。步骤8001可包括诸如绘制出期望的目标区域(在所有的三维中-宽度、长度、高度)、基于预期的风荷载或其他环境状况(例如，平均温度、平均降水或湿度)确定杆特性(例如，尺寸、位置、材料)、确定照明特性(整体光照等级、在目标区域中的两个限定点之间测量的光照等级的最高/最低比率)、和确定可与在所述目标区域的活动相关的任何期望的照明效果(例如，指定的色温、远程开/关控制、预设调光等级)的事情。步骤8001的复杂性可改变。例如，如果目标区域是停车场，则在对照明效果具有很少或没有需求的情况下，整体光照等级和照明均匀性可能低。替代性地，如果目标区域是职业棒球场，则人们可能需要绘制出在包括于目标区域中的场地上方的限定空间(例如，以便照亮飞行中的球)，满足严格的光照等级和颜色再现，以适应广播需求(例如，如在此并入作为参考的美国专利No.6,016,389所讨论地)，或识别装置，以便为定时舞台序列提供选择性的LED的一个或多个子集的开/关/调光控制。
第二步骤8002包括形成复合的光输出图案，所述复合的光输出图案在遵守由步骤8001所提供的限制/引导的同时，充分地照亮目标区域。步骤8002可包括将复合的射束图案拆散成每一个与杆位置或某一其他参考点相关的一个或多个图案。作为替代，照明设计者可组合多个预定的单独射束图案，以“建立”复合的射束图案。不管是否建立或拆散复合射束，如果需要，每个单独的射束图案可至少部分地与另一图案重叠，以便确保均匀的照明-该方法在前述美国专利公布No.2012/0217897中被更详细地讨论。
第三步骤8003包括设计照明模块10，以便在遵守由步骤8001所提供的限制/引导的同时，共同地产生在步骤8002中形成的复合射束图案。对于单一模块的设计选择实际上仅受设计者的能力或期望限制；此外，存在其中设计者能实现期望的效果的多种方式。例如，能通过向一个或多个模块添加更多的LED、改变用于一个或多个模块的LED的型号、增大现有LED的驱动电流、或潜在地改变所述LED的颜色来获得提高的光照等级，从而提高感知亮度(为了进一步的细节，参见在此并入作为参考的美国临时专利申请No.61/738,819)。作为另一示例，复合射束图案内的单独射束图案可由在一个杆位置的单一模块产生，或者可由在分开的杆上的分开的器具中的两个模块产生。所述射束图案可由采用单一透镜的模块产生，或者可由采用发射遮光罩与扩散器的组合的模块产生，或者甚至可由采用部分反射并且包括吸光挡板的单一遮光罩的模块产生。在实际限制内，可以使用LED模块的任何数量或设计，每个模块具有任何数量的LED和/或光学元件，具有独立或协同操作的一个或多个光学元件的功能性或特征；这可根据在此并入或以其他的方式作为参考的美国专利公布No.2013/0077304或美国专利公布No.2012/0307486。
第四步骤8004包括设计一个或多个照明器具，以便以如下方式容纳步骤8003的设计的照明模块：(i)维持在步骤8002中所形成的复合射束图案和(ii)遵守由步骤8001所提供的限制/引导。步骤8004的复杂性能取决于先前的步骤而改变。例如，对于相对简单的向下照明应用，可能相对易于将与模块相关的多个安装面容纳在紧凑的空间中，并且可能不需要斜向透镜圈或明显弓形或圆顶(即，凸形)的外透镜。替代性地，要求更高的泛光照明应用可能需要斜向透镜圈400B、具有不同曲率的区域的弓形或圆顶外透镜200、和固定安装面(300B，实施例1)(其提供更实质的散热器)与可变安装面(300B/20，实施例2)(其为不太有效的散热器，但更通用，以便平衡竞争性的设计利益)的组合的设计。并且，当然，人们当根据步骤8004设计照明器具时，可能需要考虑成本、可行性和审美。审美可决定就减小拖曳而言不优选的器具形状，或者可决定不是圆形的器具开口。在这些情况中的任一情况下，中间壳体400或透镜200的精心设计可削弱审美选择的负面影响。此外，应理解的是，将圆顶式透镜简单地附装至任何现有器具壳体就缩小EPA而言可能不是有益的，并且即便如此，也可能不提供经由解决照明效果的方法学、诸如方法800获得的所有益处。
在任一实施例中的关于步骤8004的设想器具1000的益处使得在无需完全拆开模块10的情况下能容易地将光重新引导元件(例如，遮光罩10F)取出(switch out)；在实施例1中，通过从遮光罩壳体10H的顶部简单地松开螺钉10A，并且在实施例2中，通过从遮光罩10F简单地松开螺钉10A。同样地，模块10的射束特性能在无需扰乱LED10D或遮光罩10F的情况下通过简单地将光引导元件(例如，透镜10E)旋转或取出而容易地改变；这可用于经由第三轴线提供可调性(例如，通过在透镜壳体10B内旋转椭圆射束透镜)。更进一步地，如果LED10D失效或者如果需要添加LED或从模块拆除LED，则人们可通过从透镜壳体10B和螺纹孔301(在实施例1中)或枢轴座架10G中(在实施例2中)的互补的螺纹孔简单地拆除螺钉10A、在不影响瞄准角或扰乱光重新引导/光引导元件的情况下简单地将板10C取出。
存在本发明的方面的许多其他的如何实施本发明及其特征的替代。例如，图1A-D的分析产生对于图1D最有利的EPA，但技术现状的实施阻止图1D的外透镜以有成本效益的方式形成。不管是通过玻璃成形技术(例如，槽沉)的进步、还是通过简单地接受较高成本的透镜、还是以其他的方式，可利用诸如图1D所图示的外透镜、或者向外成弓形(亦称作圆顶、凸形)透镜的某一其他设计来实施本发明。作为另一示例，不是由透明玻璃形成，透镜200可由其他材料(例如，聚合物)形成，或者可以是半透明的。如果这样，可能的是，即使成弓形为与图1D中一样的接近半球形，透镜200也可以有成本效益的方式形成。当然，人们必须考虑对于透镜200的设计选择的后果。例如，如果由聚合物形成透镜200，则人们必须考虑变形(例如，由于热)或降解(例如，由于紫外光吸收)。
作为另一示例，排热方法可与在此描述的那些方法不同。例如，在某些设计中可排除环形部300C，以节省材料成本；尤其地其中热可能不是重要担心的那些设计。替代性地，每个模块10可能需要实质的散热器。如果这样，则安装面300B(在实施例1中)可与壳体300A一体，并包括增压空气或液体可通过其流动的内部通道；这可根据在此并入或以其他的方式作为参考的美国专利申请No.13/791,941。如果设计者愿意接受固定的瞄准角，则壳体300A和安装面300B中的内部通道(实施例1)可帮助降低材料成本。在仍然维持散热路径的同时绕过固定角度的限制的一个方式是使由合适的导热材料(例如，铝合金)形成的楔形物800介于模块10与安装面300B(实施例1)之间。图9A-F图示了孤立的楔形物800，并且图10A-D和11A-D分别图示了(没有楔形物800)、利用楔形物800向右倾斜近似15°、利用楔形物800向下倾斜近似15°和利用楔形物800向左倾斜近似15°的典型LED模块；应指出的是，图10A-D和11A-D仅用于图示楔形物800的效果，并且不一定反映任一实施例的模块10的外观。
最后，应理解的是，存在耦连零件或提供一个或多个零件的功能性的替代性手段。例如，如所设想地，中间壳体400包括多个密封构件与透镜圈。壳体300A中的凸台可包括螺纹孔，并且围绕圈400E的周边的凸台可包含通孔。当通孔与螺纹孔对准时，可向下转动螺栓或机器螺钉，以将所有的圈400A-E以及透镜200夹紧至壳体300A。替代性地，可使用简单的夹紧机构，以将透镜200固定至器具本体300。可使用任何数量的密封构件和透镜圈，并且不偏离根据本发明的方面。代替三个连续的O型圈密封构件(如图3和5所图示地)，本发明可采用更多或更少的密封构件、不连续的密封构件(例如，离散的带部)，或完全省略密封构件，以利于将器具1000的不同部分附装到一起的不同方法(例如，焊接)。
该相同的方法可与其他耦连方法一起被采用；例如，将实施例1和2的安装面300B焊接至相应的壳体300A而不依赖于紧固装置10A或诸如夹具、胶或带的其他紧固装置。作为另一示例，在有或者没有环形部300C的情况下，实施例1的安装面300B可经由弹簧加载的夹子相对于目标区域固定在壳体300A中的期望位置。

Claims (20)

1.一种照明器具，包括通过设计复合的光输出图案来照亮目标区域的方法制成的一个或多个LED模块，所述方法包括：
a.识别与照亮所述目标区域相关的一个或多个因素；
b.至少部分地基于与照亮所述目标区域相关的所述一个或多个因素选择用于包括在所述照明器具中的LED模块的数量；
c.至少部分地基于与照亮所述目标区域相关的所述一个或多个因素为所述LED模块中的每个LED模块选择一个或多个光学元件；以及
d.至少部分地基于与照亮所述目标区域相关的所述一个或多个因素为所述LED模块中的每个LED模块选择瞄准角；
e.将所述瞄准的LED模块定位在所述照明器具的内部；以及
f.将透镜密封在所述照明器具的开放面上；
g.使得当所述LED模块被(i)瞄准、(ii)定位并(iii)密封在所述照明器具中时从所述LED模块中的每个LED模块投射的光构成了所述复合的光输出图案的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的照明器具，其中，所述一个或多个光学元件包括以下的一个或多个：
a.透镜；
b.反射器；
c.扩散器；或
d.遮光罩。
3.根据权利要求1所述的照明器具，其中，所述步骤b.还包括选择用于包括在所述每个LED模块中的LED的数量和型号。
4.根据权利要求1所述的照明器具，还包括可枢转地附装至所述照明器具并适合使所述器具相对于所述目标区域定向的可调支架，并且其中，所述步骤d.还包括至少部分地基于所述照明器具相对于所述目标区域的取向为所述LED模块中的每个LED模块选择瞄准角。
5.根据权利要求4所述的照明器具，其中，所述照明器具经受风荷载，并且其中，所述可调支架在不明显增大所述照明器具的有效投影区域(EPA)的点可枢转地附装至所述照明器具。
6.根据权利要求1所述的照明器具，还包括定位在所述一个或多个LED模块附装至的所述照明器具的内部中的一个或多个安装面。
7.根据权利要求6所述的照明器具，其中，所述LED模块中的每个LED模块的所述瞄准角至少部分地通过所述一个或多个安装面的位置来选择。
8.根据权利要求7所述的照明器具，其中，所述安装面的一部分当定位在所述照明器具的内部中时相对于所述目标区域可调，并且其中，附装至所述可调的安装面的所述LED模块的所述瞄准角在所述LED模块定位在所述照明器具内之后可调。
9.根据权利要求1所述的照明器具，其中，所述透镜相对于所述照明器具的所述开放面是凸形的，所述透镜的曲率至少部分地由所选择的光学元件和定位在所述照明器具内的所述一个或多个LED模块的所选择的瞄准角确定。
10.根据权利要求9所述的照明器具，其中，所述照明器具经受风荷载，并且其中，当所述透镜密封在所述照明器具的所述开放面上时，所述透镜的所述曲率至少部分地由所述照明器具的所述EPA确定。
11.根据权利要求2所述的照明器具，其中，所述遮光罩包括多个反射面，并且其中，至少一个所述反射面产生镜面反射，并且至少一个所述反射面产生漫反射。
12.一种(i)在不增大有效投影区域(EPA)的情况下或(ii)在不包括外部遮光罩的情况下、在高架的户外照明器具中提供射束图案控制的方法，包括：
a.提供照明器具壳体，其具有内部空间和进入所述内部空间的开口，并包括：
i.多个光源；
ii.与一个或多个光源相关的一个或多个光学元件，其中每个光学元件至少部分地基于期望的射束图案来选择；
iii.在所述照明器具壳体内的指定位置并且以指定的瞄准角可调地附装所述每个光源的装置；
b.在所述照明器具壳体的所述内部空间内定位并瞄准所述光源和光学元件，使得：
i.所述光源与所述光学元件的组合产生所述期望的射束图案；以及
ii.所述一个或多个光学元件的一部分从所述内部空间向外延伸并延伸到所述照明器具壳体的开口之外；
c.将具有近端和远端的圆顶式透镜密封在所述照明器具的所述开口上，使得所述圆顶式透镜在无物理干涉的情况下封装所述被定位并瞄准的光源和光学元件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述照明器具壳体具有一长度，并且其中，所述圆顶式透镜的所述近端与远端之间的距离至少为所述照明器具壳体的长度的1/3。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述圆顶式透镜接近半球。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述圆顶式透镜具有第一曲率的第一部分和不同的曲率的第二部分。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述圆顶式透镜具有设计成当在高架位置时缩小所述器具的所述有效投影区域的曲率。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述圆顶式透镜具有设计成当一个或多个光源定位并瞄准在所述照明器具壳体内时改善传输效率或减小所述一个或多个光源的传输损失的曲率。
18.一种广域照明器具，包括：
a.碗型导热壳体，包括：
i.大体上凹形的内部；
ii.大体上凸形的外部；以及
iii.通往所述内部的大体上圆形的开口；
b.支架，其具有在所述壳体处的第一部分和适合安装至高架结构的第二部分，所述支架允许所述器具相对于目标区域的可调瞄准；
c.可拆除的圆顶式透镜，包括：
i.大体上凹形的内部；
ii.大体上凸形的外部；以及
iii.通往所述内部的大体上圆形的开口；
iv.所述圆顶式透镜的所述开口安装至所述壳体的所述开口，使得所述壳体与所述圆顶式透镜的内部限定共同的内部空间；
d.多个可拆除的光模块，分别包括：
i.安装基座；
ii.安装至所述安装基座并沿着光轴具有光输出分布图案的可互换的光源；以及
iii.紧接所述光源安装并适合引导或重新引导所述光输出分布图案的至少一部分的可互换的光学元件；
iv.所述多个光模块中的每个光模块使其安装基座安装在所述壳体中并使其光源、光学元件和输出轴朝着所述透镜延伸；
e.使得：
i.所述壳体与所述透镜为所述器具在所有方向上提供大体上圆形的表面，以使所述器具相对于具有平透镜的器具具有缩小的有效投影区域；
ii.所述光源输出轴倾向于与所述透镜具有不太浅的入射角，以使所述透镜相对于平透镜具有改善的传输效率；并且
iii.所述共同的内部空间被增大，以便如果需要，则为了光控目的允许所述一个或多个光模块从所述壳体的内部延伸到所述透镜的内部中。
19.根据权利要求18所述的广域照明器具，其中，用于所述多个光模块中的至少一些光模块的所述光源输出轴在不同的方向上从所述透镜向外延伸。
20.根据权利要求18所述的广域照明器具，其中，所述每个光模块的安装基座是导热的以便提供从所述光源到所述壳体的散热器，并且当安装在所述壳体中时在至少一个平面上可枢转。
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