CN101326553A - 具有精确光束控制的光信号装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于导航的发光二极管(LED)信号装置。该信号装置包括一系列高亮度LED，其输出光束经高精度光束变换器单独控制。通过控制每一LED光束的相对位置、发散角及其它光学参数，使各经变换过的LED光束按预定方式叠加以产生所需光强分布。

Description

具有精确光束控制的光信号装置
相关申请
本申请要求申请号为60/594807、申请日为2005年5月9日、名称为“具有光束整形和均化元件的用于导航的高亮度LED灯光装置”的美国临时申请的在先权利。并要求申请号为60/595,664、申请日为2005年7月26日、名称为“用于海上导航的独立LED照明装置”的美国临时申请的在先权利。在此我们申明上述两项美国临时申请在美国专利法35 USC§119(e)之下的利益，并且上述申请在此被引作参照。
技术领域
本发明涉及一种光信号装置，特别是一种具有精确光束控制的用于导航的LED信号装置。
背景技术
光信号系统是重要的导航设备，被广泛地应用于飞机，船舶和其他交通工具。传统的光信号系统通常采用白炽灯或弧光灯作为光源，其发光效率和使用寿命都很低。现有技术中公开了几种用基于发光二极管(LED)的光源来替代常规光源的方法。LED光源具有如下优势：大大加长的寿命(超过10000小时，而白炽灯的使用寿命仅为1000小时)、更低的电功耗和更小的外形尺寸。
在颁发给Lash等人的美国发明专利6086220(下称″Lash″)中，提出一种航海用安全灯，用于增加船只在夜晚或其他恶劣天气中对于其他船只的可见度。该安全灯由LED阵列组成，该阵列由一系列分布成星型结构的LED组成，该LED阵列优选由6个均匀分布在水平面的白光LED组成，置于一菲涅尔(Fresnel)透镜中，从而发射出光强在水平方向全方位均匀分布的光束。但是，在其实施例中，该安全灯的可见范围仅在一海里左右。
为了进一步提高光亮度，一种办法是使用更多数量的LED芯片。然而，需采用特殊设计的透镜来收集LED阵列的光束。例如，在授予Arimura的美国发明专利5224773中，公开了一种信号灯塔，它采用薄膜丙烯酸树脂材料热塑成型的圆筒状菲涅尔(Fresnel)透镜。在授予McDermott的美国发明专利6048083中，描述了一种成型有多焦点的光学透镜以提高LED光束的收集和发射效率。
另一种提高LED信号装置亮度的方法是采用高亮度LED芯片，例如在授予Mohacsi的美国发明专利7021801和Trenchard等人的美国专利申请20040095777中所描述的。
在美国发明专利7021801中，采用一侧面发光的高亮度LED和一多镜面反射镜来产生一楔形定向光束，用于船舶导航。这种方式的缺点是，由于侧面发光的LED形成
Figure A20068002215500061
(宽)光束，这种光信号装置很难利用多个LED芯片来进一步增加其亮度。在美国专利申请20040095777中，Trenchard等人采用12只或更多高光通量LED和一特殊设计的具环形槽的菲涅尔(Fresnel)透镜及一光学散光片来形成均匀照明。其中光学散光片包含至少一个随机粗化的表面用以均衡LED光束。这种设计的缺点在于需要采用一复杂设计的菲涅尔(Fresnel)透镜，另外，随机粗化的光学散光片的插入损耗也比较大。
虽然已知LED技术近期又有新的发展，单只LED的亮度目前还无法赶上白炽灯或弧光灯。因此导航信号灯通常需要采用LED阵列来产生与国家或国际标准(例如FAA，NOAA，ICAO，UK-CAA或NATO等导航信号灯标准)相匹配的光亮度。另一方面，多数标准还要求导航光束在发散角、光强分布、仰角等方面满足一定标准。由于LED阵列不能看作是一个点光源，这些要求无疑对LED信号装置的设计是一个挑战。因此，需要一种导航用LED信号装置，它具有一系列LED，每个LED产生一部分具有精确控制的光束。
发明内容
本发明提出一种用于导航的高强度LED信号装置，它具有精确控制的光束。
根据本发明的一个方面，本发明提出一种导航信号装置，它包括至少一个、优选为一个阵列的高亮度LED。其中每一只LED所产生的光束都单独地被一个辅助光学系统所控制，该辅助光学系统精确定义其光强分布、发散角和其他光学参数。该辅助光学系统优选地包含一非成像光学元件以进行光束收集，一光学镜片以进行光束准直，和一光学散光片以进行光束匀化和变换。其中光学散光片优选可采用全息散光片以获得较高的透光率和能够各向异性地改变LED光束的发散角。
根据本发明的另一方面，LED单元在LED阵列中的相对位置、空间分布和方位角被精确控制，从而使变换光束以预定方式叠加以产生所需光强分布、发散角或/和其他参数。精确控制的LED阵列可通过计算机辅助设计方法实现以实现预期结果。也就是说，LED单元是根据一组计算，例如计算机模拟(结果)，来进行位置设置的。
这种离散型LED光束控制方法消除了对复杂透镜设计的需求，而如果象在现有技术中所描述的那样，LED阵列中所有这些LED单元所产生的光是以整体方式进行控制，则这种复杂透镜是必须的。本发明还提供了可产生相对复杂光照分布的灵活性。
根据本发明的又一方面，该光信号装置可以包括一系列传感器元件和控制单元对其性能进行监视和控制。例如，该传感器可以包含光探测器以测量LED的发光强度和环境光强度，热敏电阻以测量LED和环境温度，以及颜色传感器以监测LED的输出波长变化。该控制单元还可以包含一无线收发器以进行远程控制。
附图说明
附图中，在不同视图中相同的参考标号指代相同的或功能类似的元件，附图与以下描述一起构成本说明书的一部分，用于进一步说明各个实施例，以解释本发明所具有的各种原理和优点。
图1(a)是一全方向LED浮标灯的纵向剖面图，该浮标灯采用高亮度LED和光束控制元件；
图1(b)是图1(a)中LED浮标灯的透视图；
图1(c)是图1(a-b)中LED浮标灯所用LED阵列的横向剖面图；
图2是所测得图1a-c中LED浮标灯在水平面内不同方向上的发光强度；
图3是图1a-c中LED浮标灯的替代实施例的示意图。
图4(a)是一LED航标灯的纵向剖面图，该航标灯采用高亮度LED和标准菲涅尔(Fresnel)透镜；
图4(b)是图4(a)中LED航标灯的横向剖面图；
图5(a)是利用光迹追踪法计算得到的图4a-b中LED航标灯在近距离产生的LED光束；
图5(b)是利用光迹追踪法计算得到的图4中LED航标灯在远距离产生的LED光束；
图6是本发明所提出的光信号装置的监视和控制结构框图；及
图7是本发明所提出的方法流程图。
熟练技术人员会意识到，图中的元件只是以简洁明了的方式展示，并不必完全按照实物比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸相对于其他元件可能会夸大，以增进对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在描述依照本发明的这些具体实施例之前，需要说明的是，这些实施例主要是与用于导航的具有精确控制的光束的高强度LED信号装置中的方法步骤和装置元件相结合的的。因而，在图中，装置元件和方法步骤在适当的时候会以常规符号表示，只显示出与理解本发明实施例有关的特定细节，而不写入那些对本领域普通技术人员而易见的细节以免淡化说明书，从而使说明书具有此优点。
本文中，相对词，例如：第一和第二，顶部和底部，以及类似的用语，只是用于将一个实体或动作与另一个实体或动作相区分，并不必然是要求或暗示着任何实体或动作间实际的此种关系或顺序。词语“包括”或任何其它变化形式，是开放式包含，因此包括一系列组成部分的一个过程、方法、物件或装置并不只是包括那个已列入的组成部分，还可能包括其他的未列入的、或在这些过程或方法或物件或装置中不是固有的组成部分。一个组成部分前面有“一”字并不排除多个同样的组成部分包括在其过程、方法、物件或装置中。
需要认识到，此处描述的本发明实施例中，可能包括一个或多个常规处理器和特别存储的程序指令集以控制该处理器，以结合一些非处理器电路，实现此处描述的用于导航的具有精确控制的高强度LED信号装置的一种或多个或全部功能。非处理器电路可能包括但不限于无线接收、无线发送、信号驱动、时钟电路、电源电路和用户输入装置。同样地，这些功能可能被解释成方法中的步骤，该方法实现与用于导航的具有精确控制的高强度LED信号装置有关的功能。可替代地，部分或全部功能可能用状态机实现，该状态机中没有存储程序指令，或者在一个或多个特定用途集成电路(ASIC)中实现，该ASIC中每个功能或特定功能的某些组合是以客户逻辑的形式实施。当然，两种方式的一个组合也可能被采用。因此，用于这些方法和装置的功能在此给予描述。还有，可以期望，普通技术人员，尽管可能付出努力并有许多设计选择，例如可用时间、当前技术、经济考虑等，在本发明所揭示的原理概念的指导下，可以容易地做出此类软件指令和程序和IC，而只需要做最小限度的实验。
参见图1-7，在图1a和图1b所示出的本发明的一个实施方式中，光信号装置100是一个用于航海导航的全方向LED浮标灯。光信号装置100的光学头部分101包含12只高亮度LED单元102，这12只LED分为的两组，第一组位于第二组顶部，每组包括6只LED单元在水平面上排列成星型结构，相邻LED角间隔为
Figure A20068002215500111
两组LED在水平方向上错开角以形成均匀照明。该光信号装置100侧面包含一组太阳能板113用以将太阳能转换为电能为照明和其他目的提供电能。
LED单元示意图如图1(c)所示。每一LED单元102包含一安装在热沉104上的高亮度LED芯片103，该LED芯片-采用表面贴片封装(SMD)或板上芯片直装(COB)的封装形式。LED芯片103产生的光束通过一非成像光学透镜105收集并准直为垂直和水平方向上发散角-为
Figure A20068002215500113
乘
Figure A20068002215500114
的光束。一全息散光片106置于非成像光学透镜105的相对边，该全息散光片使LED光束的光强分布均匀化，并使LED光束在垂直和水平方向上的发散角分别改变为和
Figure A20068002215500122
所有LED单元以圆周状成形或安装在一六角铝柱109的侧面上以进一步散发热量。
非成像光学透镜105包含一衍射光学元件107和一反射光学元件108，该两元件的形状经过优化设计以取得有效的光束收集。此非成像光学透镜105的光收集效率可以达到＞85％。全息散光片106可以采用Lieberman等人在美国发明专利6446467(以下简称Lieberman)中提出的全息散光片，此专利在此被引作参照，该全息散光片106在其表面上有利用激光散斑写入的微观结构(散光颗粒)。与随机粗化的散光片不同，全息散光片中散光颗粒的尺寸和形状可以在制造过程加以控制，从而良好地定义输出光的发散角度。这一特点一方面使全息散光片的透光率大大增加(＞85％)，另一方面使输出光束的发散角可以按以下方式精确控制：其中
Figure A20068002215500124
是出射光的发散角，
Figure A20068002215500125
是入射光的发散角，
Figure A20068002215500126
由全息散光片的视角决定。在本实施例中，
Figure A20068002215500127
约为
Figure A20068002215500128
(水平方向)
Figure A20068002215500129
(垂直方向)，
Figure A200680022155001210
约为
Figure A200680022155001211
(水平方向)
Figure A200680022155001212
(垂直方向)，
Figure A200680022155001213
约为
Figure A200680022155001214
(水平方向)
Figure A200680022155001215
(垂直方向)。这样，每组6只LED的光束在水平面上形成
Figure A200680022155001216
均匀照明。由于采用了高亮度的COB LED芯片103及高集光率的非成像光学透镜105和高透光率的全息散光片106，使光信号装置100的发光强度可以达到＞60坎德拉(candela)，其可见范围在几海里以上。通过简单采用更多数量或更高亮度的LED，该信号装置的发光强度可以进一步提高。
在本实施例中，每只LED的光强分布，发散角及不同LED的空间位置和取向都通过光学追迹软件进行精确设计以取得水平面不同方向的均匀照明。图2显示了实际测得图1中光信号装置100的发光强度，可以看到，因采用上述离散LED光束控制方法，发光强度的均匀度达到
Figure A20068002215500131
以内。本实施例所采用的双层LED结构有助于解决“点失效”问题，即，当某只LED出现问题，通过增加其它LED的驱动电流也可以基本维持光信号装置的发光强度和均匀性不变。
LED单元102封装在一密闭防水的透明保护罩110中。LED单元102由驱动控制电路112和一组可充电电池111驱动，可充电电池111则由太阳能板113提供电力，从而使整个LED信号装置100无需外接电源。可充电电池111可以工作在很宽的温度范围内，例如，
Figure A20068002215500132
(摄氏度)到
Figure A20068002215500133
(摄氏度)之间，而且可以进行现场拆换。在铝柱109的上方安装有包含一至多个光探测器的小电路板114用以监测环境光强度。白天时，该光探测器产生的信号可以用来自动关断光信号装置100。参见图3，在本实施例的一个略微改变的变型中，太阳能板113采用一种可伸展式设计以充分利用太阳能：太阳能板113相对于太阳位置置于不同角度，可转换更多的太阳能。在不工作状态，太阳能板113折叠到竖直位置从而呈较小尺寸，便于运输和安装。在工作状态时，太阳能板113通过一个可移动架114伸展。太阳能板113的倾角可根据地理位置例如根据光信号装置的纬度调整，从而最大量地收集太阳能。另外，本实施例中LED信号装置还可以包含其它传感器，例如，可以利用光探测器监测LED的发光强度，利用热敏电阻监测LED和环境温度，利用颜色传感器监测LED的波长变化，还可以通过一无线收发器以进行远程监控。
在本发明的另一个实施例中，光信号装置200是一台用于标志船只或其他交通工具进港通道的LED航标灯，如图4a、4b所示，该光信号装置200包含4只COB封装的高亮度白光LED单元201，每只LED单元产生大于65流明(lumen)的光通量。LED光束的光强分布近似符合朗伯(lambertian)分布。所有LED单元201安装在一铝制热沉202上以迅速发散LED产生的热量从而防止其光学特性因温度上升而发生变化。LED产生的光束通过4只低焦距比数(f-number)的标准菲涅尔(Fresnel)透镜203收集并准直为垂直和水平方向上发散角均为
Figure A20068002215500141
的近平行光束。LED单元201由驱动电路204控制其开关状态和发光强度。所有LED单元201，菲涅尔(Fresnel)透镜203和驱动电路204封装在一密闭防水的保护罩205中，保护罩205上有一透明窗口206，正对LED单元201的出射端。本实施例中通过控制菲涅尔(Fresnel)透镜的焦距和LED单元的相对位置使各LED光束叠加从而在选择的或预定的远端产生均匀的光强分布。图5(a)和(b)分别显示了利用光迹追踪法计算得到的该LED航标灯在近距离和远距离产生的LED光束，可以看到LED光束如何在设定平面400上均匀叠加从而产生均匀的光强分布。本实施例中实测LED航标灯产生的发光强度大于14000坎德拉(candela)，通过采用更多数量的LED，其发光强度可进一步增加。
图6显示了用于本发明的监视及控制结构框图600，包含一微控制器602和一无线收发器604用以控制LED 603的驱动电流。通过驱动电流的控制一方面可以根据环境(如天气等)的变化来调节LED信号装置的发光强度以维持其可见度，另一方面可以通过发光强度变化产生频闪信号用于传递特定的信息。另外，通过采用多颜色的LED模块603并控制或开关不同颜色或波长LED单元的发光强度，可以改变信号系统所显示信号的含义。这里微控制器602集成所有控制功能，对LED信号装置的开关状态，发光强度，颜色和频闪进行统一控制。利用无线收发器604，远程控制中心608可以通过无线通讯方式606对光信号装置进行远程控制，此类控制包括：信号装置的开关，亮度调节，频闪模式选择，通过激活部分特定LED元件(例如可见光中的绿色和红色或不可见光中的红外)进行颜色或波长选择等等。无线通讯606可以采用加密的扩展频谱通讯方式以减小与其它无线通讯方式的相互干扰。
利用监控信号607，通过嵌入的微控制器602，该光信号装置还可以对自身的状态进行智能化的自动控制。例如，如果发光强度低于某一阈值(例如正常发光强度的25％)，微控制器602可以自动关断光信号装置并通知控制中心。监视信号可能来自光信号装置中嵌入的传感器610。此类传感器610可包括光探测器用于探测(i)LED 603的发光强度；(ii)环境光(未示出)的强度，环境光的强度可以用来估算光信号装置的可见度(iii)太阳光的强度，用来估算太阳能板所能采集的太阳光能量。另外，传感器610还可以包含颜色传感器用以监测LED的波长，热敏电阻用以监测LED和环境温度的变化，以及与天气有关的传感器，如云高计，风速表，测力计，气压表，雨/雪量计，闪电探头，湿度计，蒸发计等等。采集的信号可以通过无线收发器604传递给远程控制中心608以进行进一步的分析和控制。
图7显示了用于形成具有导航所需光强分布的光束的设计流程图700。利用一高亮度LED阵列产生一系列LED光束(步骤702)；在光束形成的光路上，利用一系列光束变换器分别地控制每一LED光束的光学参数(步骤704)；该光束变换器可以包含至少一个非成像光学元件，至少一个光学镜片，进一步地，该光束变换器也可以是一光学散光片，用以控制每一LED光束的光强分布及发散角以产生一系列变换光束(步骤706)；通过精确控制的方式，使该一系列变换光束叠加以产生具有所需光强分布的合成光束(步骤708)。叠加可通过控制各LED的相对位置、空间分布和取向来实现。另外，可以利用一系列传感器监测和控制LED的工作特性，还可以通过一无线收发器进行远程监视和控制信号的收发。
提出了一种形成具有导航所需光强分布的光束的方法。该方法包括：提供一系列高强度LED用于产生一系列光束，提供一系列光束变换器用于单独控制该系列光束的特性以产生一系列变换光束；以精确控制的方式叠加该变换光束以产生用于导航的具有所需光强分布的合成光束。
还提供一种用于导航的光信号装置。该光信号装置包括一系列光强度发光二极管LED，用于产生一系列光束。一系列光束变换器置于光束的光路上，从而单独地控制光束的一组特性，进而使光束变成变换光束。该系列高强度LED和光束变换器按预先调整和设定的位置置于光信号装置中使得变换光束可以叠加以产生一用于导航的光照分布。
在前文说明书中，描述了本发明的具体实施例。但是，本领域普通技术人员意识到，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以做出一些修改和变化。例如，光信号装置所产生的照明图样并不一定限于均匀图案。通过改变特定LED的发光强度和发散角，可以轻易实现其它复杂图案。本发明中所采用的光学散光片也可以采用例如Sales等人在美国发明专利6859326中提出的微透镜阵列，在此该专利被引作参照。另外，本说明书中所出现的数字和材料均不具限定意义。因而，说明书和附图应解释为仅仅是说明性的而并非限定性的，所有变型均包括在本发明意图保护的范围内。文中所提到的一切好处、优点、问题解决方案或者任何可能带来的或更显著的好处、优点、问题解决方案的元件均不能解释为任何权利要求的关键的或必须的或本质的技术特征或元件。本发明的权利仅由所附权利要求书所定义，包括在申请过程中所做的任何修改，以及授权权利要求的所有等同物。

Claims (20)

1.一种发光二极管(LED)信号装置，包括：
一系列高亮度LED用于产生一系列光束；
一系列光束变换元件，置于该光束路径上，用于单独地控制该光束的一组参数以产生一系列变换光束；
其中该一系列高强度LED及光束变换元件均按预先调整或设定的位置置于所述信号装置中使得该一系列变换光束叠加以产生所需光强分布。
2.如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个非成像光学元件。
3.如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个光学镜片。
4.如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个光学散光片。
5.如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片可以各向异性地改变光束的发散角。
6.如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片为一全息散光片。
7.如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片包括微透镜阵列。
8.如权利要求1所述的信号装置，还包含一系列传感元件用于监测和控制LED的工作特性。
9.如权利要求8所述的信号装置，其传感元件包含一光探测器。
10.如权利要求1所述的信号装置，还包含一无线收发器用于发送和接收远程监视或/和控制信号。
11.一种产生具有所需光强分布的光束的方法，该方法包含以下步骤：
提供一系列高亮度发光二极管用于产生一系列光束；
提供一系列光束变换器用于单独地控制该光束的光学参数以产生一系列变换光束；
通过调节该一系列高强度LED及相应光束变换器的位置或空间分布及取向使该变换光束以精确控制的方式叠加以产生一具有所需光强分布的合成光束。
12.如权利要求11所述的方法，其光束变换器包含至少一个非成像光学元件。
13.如权利要求11所述的方法，其光束变换器包含至少一个光学镜片。
14.如权利要求11所述的方法，其光束变换器包含至少一个光学散光片。
15.如权利要求14所述的方法，其光学散光片可以各向异性地改变LED光束的发散角。
16.如权利要求14所述的方法，其光学散光片为一全息散光片。
17.如权利要求14所述的方法，其光学散光片包括微透镜阵列。
18.如权利要求11所述的方法，其步骤还包含提供一系列传感元件用于监视和控制LED的工作特性。
19.如权利要求18所述的方法，其传感器包含一光探测器。
20.如权利要求11所述的方法，其步骤还包含提供一无线收发器用于发送和接收远程监视或/和控制信号。
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