CN101737679B - Led信号灯 - Google Patents

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Abstract

一种信号灯，包括一个或多个发光LED；以及透镜，接收来自一个或多个LED的光并对光进行准直；分布光学镜，接收来自准直透镜的光并按照规范以预定图案对光进行分布；光吸收/反射元件，位于一个或多个LED附近的区域以最小化从外部光源接收到并从信号灯射出的光。

Description

LED信号灯
技术领域
本发明涉及基于LED的发光系统，尤其是交通信号灯。示例性实施例通过结合对从诸如太阳的外部光源接收到的光的反射进行最小化而获得特殊应用。一种途径是利用一个或多个回射器将外部产生的光反射回光源。另一种途径是利用透镜将外部产生的光导向入信号灯壳体内的孔中。
背景技术
利用汽车、铁路、车辆、水路、照明、和/或行人信号通过各种命令来管理汽车驾驶员和行人。这些命令由具有特定颜色和/或形状的照射光源提供，每一个特定颜色和/或形状均与一个指令相关联。例如，发光二极管可以照亮为汽车驾驶员和行人指示命令的适当的信号灯。
为了提供清晰可见的信号，信号灯可以将光元件定位于反射基板上并进一步使用反射镜对由照射光源所发出的光进行导向。当外部光(例如，来自太阳)进入信号灯的前面，就会被内部反射面反射并且以一定的角度从信号灯射出到达汽车驾驶员和/或行人的眼睛时，将会产生交通信号灯的常见难题。
通过利用一个或多个光学元件将来自光源的光导向信号灯之外使得该问题更严重。通常，照射光源产生的光经由诸如透镜，准直仪，漫射器等光学元件被导向信号灯之外。然而，同样这些组件可以将外部产生的光沿着基本相同的路径导向入信号灯中。以这种方式，将从外部光源接收的光朝着通常位于信号灯后方的照射元件的方向导向。然后，外部产生的光进一步被反射基板反射并沿着与照射光源产生的光的相同的路径射出信号灯。以这种方式，可以出现即使照射光源是不亮的但信号灯是亮的情形。
因此，将通过信号灯从外部光源接收到的光的反射最小化的系统和方法将是有利的。
发明内容
在一方面，发光装置包括一个或多个发光的LED以及接收来自一个或多个LED的光并对其进行准直的透镜。分布光学镜(distribution optic)接收来自准直透镜的光并以预定图案对光进行分布。光吸收/反射元件位于一个或多个LED附近的区域，以最小化从外部光源接收到并从信号灯射出的光量。
在另一方面，LED交通信号灯包括后壳壁以及安装在后壳壁上的LED阵列。透镜接收来自LED阵列的光并对其进行准直，并且分布光学镜接收来自透镜的光并以预定图案对光进行分布。会聚元件接收来自透镜的外部光并将该光导向至后壳上的预定位置。
在又一方面，LED交通信号灯包括包含后壳壁的壳体。LED阵列安装在后壳壁上并且透镜接收来自LED阵列的光并对其进行准直。分布光学镜接收来自透镜的光并以根据规范的图案形式对光进行分布。多个回射器安装在后壳壁上并位于LED阵列之下，以接收外部光并最小化与外部光相关联的太阳幻影效应(sun phantomeffect)。
附图说明
图1示出了现有技术的LED交通信号灯的分解等轴视图；
图2示出了根据本发明主题的一个方面的用于LED交通信号灯的示例性透镜；
图3示出了根据本发明主题的一个方面的具有光吸收/反射元件阵列的LED交通信号灯的侧视图；
图4示出了根据本发明主题的一个方面的回射器；
图5示出了根据本发明主题的一个方面的那些LED以及回射器元件阵列；
图6示出了根据本发明主题的一方面的LED交通信号灯的侧视图，具有用于示出信号灯内的光传播路径的光线；
图7示出了根据本发明主题的一个方面的具有光吸收元件的LED交通信号灯的部件分解等轴视图；
图8示出了根据本发明主题的一个方面的具有光吸收元件的LED交通信号灯的分解等轴视图。
具体实施方式
在描述发光系统的各个实施例时，通过使用相同或相似的参考标号来描述每个实施例的相同元件。
图1示出了传统LED交通信号灯100的部件分解图。应当注意的是，尽管本文的描述是关于传统信号灯，但是它的许多特征与本发明是等同相关的。包括后壁104的壳体支撑LED阵列。连接后壁104和透镜110的中间壳体没有示出。以这种方式，可以利用拉环，搭钩，或其他连接元件将信号灯机械地连在一起。
LED阵列106安装在PCB 118上，该PCB连接在给LED阵列106供电的电源上(未示出)。PCB 118安装在壁104上。在该示例中，LED布置成线性阵列，但是应当理解的是，任何布置(例如，圆形，正方形，平行四边形等)基本上都可以采用。可选地，LED阵列106可以直接地安装在壁104上而不需要中间的PCB 118。传统上，安装LED阵列106的表面(PCB或后壳壁)至少会提供有限的光反射属性。
后壁104可以由热传导材料制成，以用作安装在其上的LED阵列106的散热片。可选地或附加地，后壁104可以包括单独的元件(未示出)以把热量从LED阵列106带走。
LED阵列106通过控制系统(未示出)提供能量以产生指挥行人和/或车辆交通的光。LED阵列基本可以包括任何类型的LED装置，例如，包括蝙蝠翼(batwing)式，侧发射器(side-emitter)式，朗伯(Lambertian)式。当其有效时，LED阵列106经由透镜110和分布光学镜108传播光并将光传播到LED信号灯100的前方之外。LED阵列106发出的光由透镜110直接从LED接收并从中间壳体和其他表面以多个角度反射。透镜110对光进行准直，使得光基本上沿着与光射出透镜110的表面典型地垂直的同一轴发出。透镜110可以是菲涅尔(Fresnel)透镜。
相对于LED阵列106对分布光学镜108和透镜110进行定向，以使得信号灯100的光以特定图案发出。这样的定向可以使得信号灯100捕获由LED阵列106发出的各种光量并将其导入在信号灯100的表面上的一个或多个区域。不同的光分布图案可以由根据一个或多个政府标准(例如，那些由美国国家公路与运输协会(AASHTO)、交通工程师协会(ITE)、国际电气制造业协会(NEMA)、欧洲电信标准协会(ETSI)、欧洲电子技术标准委员会(CENELEC)，欧洲标准化委员会(CEN)公布的标准)的各种交通信号灯光发射规范来限定。
在一个实施例中，透镜110包括多个准直区域以提供在分布光学镜108的表面上基本均匀的输出。分布光学镜108可以具有带图案的内或外表面来有选择地分布来自透镜110的光。类似地，可以通过与分布光学镜分离的遮蔽元件创建路径。可选地，或附加地，分布光学镜108可以定位于透镜110和壁104之间以首先对光进行图案化。在另一个实施例中，光的准直和/或分布和/或图案化可以通过单个光学元件实现。
关于图案化，分布光学镜108的外表面可以在特定的方向上(例如，向上，向下等等)将光导向信号灯外。在一个示例中，对于欧洲应用，光经由分布光学镜108是优选地横向和向下传播的。在另一个示例中，对于如图6所示的美国设计，光是横向，向上和向下传播的。然而，本发明不局限于任何特定的光分布图案。
虽然示出的透镜110具有圆形结构，但是包括方形，矩形(沿水平或竖直延长)和椭圆形的任何形状都是可行的。例如，铁路应用可以使用竖直延长的矩形透镜，因为所需要的水平观察方位(aspect)是非常窄的(例如，通常是火车轨道的宽度)。高的竖直方位允许在广阔(wide，宽)的竖直范围内观察信号灯，该广阔的竖直范围与在铁轨或火车厢高度(level)上靠近和远离信号灯的观察位置相对应。类似地，可以将车辆交通信号灯设计成带有水平延长的矩形透镜以具有跨越多个交通车道的水平展开的宽度。可以利用光线跟踪法(例如，如图6所示)计算分布光学镜108和透镜110的特定的光学分辨率。用于执行光线跟踪法的适合的软件(例如Optics Lab，OpTailX，Zemax等)在本领域是众所周知的。透镜可以用例如丙烯酸树脂，乙烯基，玻璃纤维增强聚碳酸酯和玻璃制成。
图2示出了包括中心部分146和边缘部分148的透镜110的详细视图。在该实施例中，透镜110是菲涅尔透镜，其可以在短距离内对从光源发出的光进行准直。为了接收来自不同角度的光并对其准直，透镜110包括从中心部分146至边缘部分148发出(emanate)的多个同心环。这些同心环中的三个同心环被示为环140，环142和环144。每部分的表面角度随着其到中心146的径向距离增加而增加。因此，环144的表面角度大于环142的表面角度。类似地，环142的表面角度大于环140的表面角度。以这种方式，光被准直，使得来自一侧上的光源的光以平行方式在另一侧从透镜110射出。
透镜110包括多个可以是圆形的或者线性的准直区域。每个准直区域对其各自的LED环或线性行发出的光进行准直。LED光图案可以在环和行之内以及环和行之间稍微地重叠，以防止阴影，直线和/或环的出现。由于该重叠，单个LED 106的故障，或相邻LED106之间的LED 106输出的变化将不能被观察者识别。
再参见图1，可以知道，由信号灯100从外部光源(例如太阳)接收的光可以产生信号灯100被照亮但实际上其没有点亮的现象。来自外部光源102的光可以通过分布光学镜108进入LED信号灯100并被透镜110会聚在后壁104上。导向在壳体后方的光基本上可以从包含在其上的任何表面反射，不管这样的表面是反射面还是漫射面。不论光照射的表面的颜色如何，这种反射都可以发生。
一旦光从后壁104反射，透镜110对光进行准直并且漫射器108将光线漫射，因为该光沿着光路径112从LED信号灯100射出。应当理解的是，光路径112和光路径102只是为了示例的目的，并且可以存在多个传入和传出的光路径。然而，示例说明了在光路径102上的外部光可以在光路径112上从信号灯反射出，导致对信号灯的观察者产生光的潜在幻影。
图3示出了LED信号灯100，诸如图1所述的类型，但是进一步包括位于LED阵列106之下的区域212中的光吸收/反射元件214的阵列。区域212可以位于信号灯100内的任何位置并主要取决于分布光学镜108和透镜110的方向和形状。另外，区域212优选地位于分布光学镜108和透镜110将外部光导向信号灯100内的位置。
在一个实施例中，从外部光源102接收的光通过漫射器108和透镜110在向下方向上被折射/改变方向。以这种方式，外部光102被导向至正好位于LED阵列106之下的区域212。通过将光吸收/反射元件214放置在一个或多个位置处(该位置是外部光102被导向至的位置)，可以最小化从信号灯100反射出的外部光。
应当理解的是，光吸收/反射元件214可以具有反射和吸收属性中的一种。在反射功能中，每个光吸收/反射元件214均利用回射器(例如，三面直角棱镜corner cube)几何结构沿着与接收的光基本平行但方向相反的路径反射所接收的光。因为反射所接收的光的三个表面被布置为彼此垂直，所以产生该特定特征。以这种方式，所反射的光在与光源相同的方向上导回而不是导向至观察信号灯的人的眼睛。在吸收功能中，元件214可以由深色(例如，黑色)材料制成以吸收所接收的光。该材料还可以具有特定属性(例如，结构，密度等)以促进光的吸收。例如，黑毡材料特别地有效。
可以基于许多因素(诸如外部光102的路径，LED阵列106的数量，布置(configuration，构造)及位置，信号灯100的直径，透镜110和分布光学镜108的方向等)来选择光吸收/反射元件214的数量，布置，和位置。这些光学特性对于本领域的技术人员是公知的并且基于本文的教导，这些光学特性允许在壳体内包含适当数量和位置的吸收/反射元件。
光吸收/反射元件214减少信号灯的太阳幻影效应。太阳幻影通常被定义为从信号灯反射出的外部光量。太阳幻影等级根据信号灯打开时的光输出除以太阳光以与法线成10度角入射至透镜时的光输出的比率来测量。本发明的一个优点是，太阳幻影的减小增加了设计的选择性，诸如通过利用更少的LED来满足同样的太阳幻影等级以减少成本。可选地，可以利用相同数量的LED实现并获得改善的太阳幻影等级。第三个优点是，越低的太阳幻影，照亮信号灯100以提供所需求的光输出所需要的功率就越少。
在一个优选的实施例中，光吸收/反射元件214是由镜面材料制成的回射元件。元件214具有例如修整成例如3，4，或6边形之一的立体角(cube corner)的形状。元件214被布置成阵列式，使得每个元件214与一个或多个不同的元件214接触以消除其间的间隔。可以利用六边形的，正方形的，三角形的形状来最优化封装效率。在该实施例中，每个元件214的方向是彼此相同的。然而，这种方向不是至关重要的，因为它只是为了沿着光被接收的同一轴将光重新导向。诸如光吸收/反射元件214的角反射器的特性可以实现这种反射而不管所接收的光的轴。
每个元件214的大小典型地为0.0625”至0.25”。优选地，元件214的阵列宽度稍大于LED阵列106的宽度。然而，为了功能目的，只要元件214能装配在信号灯100内并不阻挡从LED阵列106发出的光，这里就没有大小限制。
元件214可以根据标准制造方法由注塑材料制成。注塑是一种普通的并且成本有效的制造立体角回射器(例如元件214)的方式。然而，任何不透光的和/或镜面的材料(例如，金属，玻璃，花岗岩等)都可以采用。
在光反射实施例中，光吸收/反射元件214优选地沿着与外部光102相同或平行的路径112导向外部光102并从信号灯100射出。以这种方式，输入的光102被直接反射回光源(例如，太阳)，并且，因此不被返回到一个或多个行人或汽车驾驶员(不被他们看到)。因为所反射的光可以不被观察到，所以不会出现信号灯实际上没有被照亮但看起来被照亮的情形。
如图4所示，光吸收/反射元件214被示出为立体角回射器400。回射器沿着与入射角方向平行但方向相反的矢量将波前(wavefront)反射回去。回射器400包括在三个不同的轴上相互垂直的第一表面402，第二表面404，和第三表面406。在该实施例中，表面402，404和406的各个周界是彼此相对垂直的并且是平的。然而，应当理解的是，表面402，404，和406的周界基本上可以是任何形状(例如，椭圆形的，卵形的(oval)，平行四边形的等)。与表面402，404和406其中之一相交的外部光的光线路径是不相关的，因为这些表面是彼此相互垂直的。
为了说明原理，回射器400通过第一表面402沿着路径410接收光。光沿着与路径410基本上垂直的路径412从第一表面402反射到第二表面404。光沿着与路径412基本上垂直的路径414从第二表面404反射到第三表面406。光沿着与路径410基本上平行但方向相反的路径416被第三表面406反射。
光吸收/反射元件214可以被定向在与分布光学镜108和透镜110的方向和布置和/或外部光的输入路径相对应的位置上。只要光被接收到表面402，404，和406其中的任何一个上，这种定向不是至关重要的，因为所接收光是沿着同一轴在相反方向上返回的，在一个示例中，信号灯100安装在固定结构上，例如柱子，其中所需要的光的重新导向是在信号灯100中心线以上。因此，在对外部光源位置的预测下，光吸收/反射元件214将在水平线之上稍成角度。
图5示出了光吸收/反射元件214的阵列450。在该实施例中，每个元件214是一个回射器400，其中之一被指定在阵列450之内。LED阵列106连接在PCB 118上。回射器400并排放置以确保在阵列450内基本上任何地方所接收的光沿着相同的轴在相反方向上反射回去。
在一个可选的实施例中，图7示出了信号灯500，其包含被设计为将输入的外部光重新导向到信号灯500内的特定位置的多个元件214’。在一个示例中，该位置是壳(用来捕获外部光)后壁中的孔使得外部光能够从信号灯500离开。在一个实施例中，孔510可以由光吸收材料(未示出)围绕以减少被反射的外部光量。
在信号灯500中，元件214’是反射镜(或等同物)，其通过反射能够导向所接收的光。元件214’可以定位于和/或定向于信号灯500内基本任何位置。在一个示例中，元件214’沿着由半径516定义的圆周定位以限定孔510的范围。半径516可以基于信号灯500的光学属性而确定。这包括分布光学镜108和透镜110的大小，方向，位置以及类型。当在由半径516定义的圆周上或圆周内接收光时，光通过朝向孔510的一个或多个元件214反射。分布光学镜108和透镜110可以将外部光指向与半径516相关的特定区域，如上所述，而与外部光源到信号灯500的角度/方向无关。
在另一个实施例中，图8示出了包括位于透镜110和外壳后壁104之间的会聚元件506的信号灯600。利用会聚元件506将入射其上的光通过会聚导向到特定的位置。在一个示例中，会聚元件506是正透镜，例如双面凸的，平凸的，或凹凸的类型。
在一个实施例中，会聚元件506与光吸收/反射元件214和/或元件214’一起使用。会聚元件的大小，位置，和方向可以至少部分地基于以下各项的一个或多个：信号灯100的大小，透镜110的类型，尺寸，方向和位置，分布光学镜108的类型，大小，方向和安置(placement)，以及透镜110到LED阵列106的距离，如上所述。
参考示例性实施例对本发明进行了描述。明显地，阅读和理解了前述详细描述的基础上，其他人可以进行各种修改和变更。目的是，只要这些修改和变更落入所附权利要求及其等同物的范围内，示例性实施例应当解释为包含所有这些修改和变更。

Claims (18)

1.一种信号灯，其包括：
LED阵列，被安装至后壳壁，所述后壳壁用作所述LED阵列的散热器；
透镜，接收来自所述LED阵列的光并对其进行准直；
分布光学镜，接收来自所述准直透镜的光并以预定图案将所述光进行分布，所述分布光学镜在向上、向下和/或横向的特定的方向上将光导向所述信号灯外；
元件，位于所述后壳壁上所述LED阵列附近的区域中以使从外部光源接收到的并射出信号灯的光量最小化；以及
所述元件选自以下：
一个或多个回射器，
位于所述LED阵列附近的孔以及接收外部光并将所述光导向到所述孔中的一个或多个反射元件，
位于所述LED阵列附近的孔以及位于所述透镜和所述后壳壁之间以将来自所述透镜的外部光导向到所述孔中的会聚元件，以及
黑毡。
2.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述分布光学镜包括至少在外表面和内表面中的一个表面上的图案以对所述光进行分布。
3.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述LED阵列安装在基板上，并且所述基板安装在所述信号灯的后壳壁上。
4.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述一个或多个回射器是由塑料构成的。
5.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述元件包括并排形成阵列的多个回射器。
6.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述一个或多个反射元件沿着限定所述孔的范围的半径进行定位。
7.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述会聚元件是双凸透镜、平凸透镜和凹凸透镜中的一种。
8.根据权利要求5所述的信号灯，其中，所述回射器位于大于所述LED阵列的阵列中。
9.根据权利要求1所述的信号灯，其中，所述元件安装在位于所述LED阵列之下的所述后壳壁上。
10.根据权利要求1所述的信号灯，是一种LED交通信号灯。
11.根据权利要求10所述的交通信号灯，其中，所述会聚元件包括围绕光阱的一个或多个反射镜。
12.根据权利要求11所述的交通信号灯，其中，所述光阱为孔。
13.一种LED交通信号灯，该信号灯包括：
壳体，包括后壳壁；
LED阵列，安装在所述后壳壁上；
透镜，接收来自所述LED阵列的光并对其进行准直；
分布光学镜，接收来自所述透镜的光并以按照符合规范的图案对所述光进行分布，所述分布光学镜在特定的方向上将光导向所述交通信号灯外；以及
多个回射器，安装在所述LED阵列之下的后壳壁上以接收外部光并将与外部光相关联的太阳幻影效应最小化。
14.一种信号灯，包括：
壳体，包括后壳壁；
发光的一个或多个LED，所述一个或多个LED安装在所述壳体内；
信号灯光学镜，安装于所述壳体上并与所述一个或多个LED呈光接收关系，以便将LED发出的光引向所述信号灯的观察者，所述信号灯光学镜在向上、向下和/或横向的特定的方向上将光导向所述信号灯外；以及
光学装置，安装在所述壳体内并位于所述一个或多个LED附近，所述光学装置包括光重新导向元件，由此从所述壳体外部进入所述信号灯的光至少部分被吸收，并且至少部分被重新导向从而不在从所述信号灯发出的LED光的轴上。
15.根据权利要求14所述的信号灯，其中，所述光学装置经由所述信号灯光学镜将外部光基本上沿着所述外部光进入所述信号灯的轴重新导向到所述壳体外。
16.根据权利要求14所述的信号灯，其中，所述光学装置将外部光重新导向至光阱。
17.根据权利要求15所述的信号灯，其中，所述光学装置包括回射器。
18.根据权利要求17所述的信号灯，其中，所述回射器包括三面直角棱镜阵列。
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