CN1977127A - 用于改进的照明区域填充的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于诸如LED之类的光源的反射器提供有一种形状，该形状高效地向照明表面收集和导向能量，借此几乎100％的光被收集和分布到设计者合成光束中。在一个实施例中的形状包括三个区，这三个区从在反射器基座处的抛物线旋转表面开始，随后是过渡或直锥形区，并以椭圆区结束。在另一个实施例中，反射器形状根据传递函数而确定，该传递函数允许在反射器上每个点处的反射射线的任意设计者控制，该控制在与来自源的直接辐射相组合时，产生设计者控制合成光束或照明。装置具有大于90％的能量效率，并且允许代替大功率、低能量效率光源而没有照明强度损失。

Description

用于改进的照明区域填充的设备和方法
相关申请
本申请涉及于2004年3月30日递交的美国临时专利申请No.60/558,199，该临时专利申请通过参考包括在这里，并且按照35USC119要求它的优先权。
技术领域
本发明涉及用于提供照明的方法和设备，更具体地说，本发明涉及能量高效、典型地超过90％的能量效率并因而特别适于低功率光源的方法和设备，由此允许代替较高功率、较小能量效率的光源，而没有照明强度的损失。
背景技术
典型的LED发射器以几乎半球形光束图案辐射光能。大多数LED用途要求这种输出光束轮廓的显著修改，以提供有用能量。在现有技术本体中修改这种LED能量的典型装置是锥形反射器、透镜或者这些的组合。
由LED源产生光束的最广泛使用装置之一是半球形球透镜的使用。透镜典型地放置成使其中心离开发射器的中心近似一个半径的距离。为了提供把这种透镜放置在发射器上方的装置，包括从半球的基座向后向发射器延伸的圆柱形表面。这种方案利用从LED可得到的能量的约60％，并且创建较平滑斑点，该斑点的光束角度基于LED发射器尺寸与球透镜直径的比值。这是在标准3mm和5mm LED外壳中利用的方法。这对于小型装置是比较高效的光学方案，但收集效率不是最佳。这种方法的主要缺陷是由结构产生的色差，当用在“白色”LED系统中时特别不希望它发生。
另一种普通技术是单表面的转动锥形反射器的使用。当横截面是抛物线或具有长焦距的椭圆时，产生的光束在中心中比在其周缘亮得多。尽管对于闪光灯和其它某些装置非常有用，但这对于所有LED照明要求是不适当的。当横截面是具有短焦距的椭圆时，生成光束的一部分穿过其中心轴线，并且在一段距离处在照明图案中创建较小能量的中心区或“孔”。由这些构造的任一种产生平滑光束的尝试，一般通过扩散器的添加，导致显著的效率损失。
对于球透镜手段的适度改进是在单个光学装置中包括球透镜和锥形反射器的集成光学系统。从这种手段辐射的能量图案遭受类似的色差、或颜色分离，使‘白色’LED与球透镜系统一样。这种方法稍微比球透镜装置更高效。
在现有技术中从光源创建光束的普通方法是CPC(合成抛物线聚集器)。这种装置实际上开发成向焦点收集能量用于太阳光线收集器，但最近已经添加到反射器设计的技术中。
发明内容
本发明在一个实施例中定义为一种用来照明表面的设备，该设备包括：光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化；和反射器，具有基座和孔径。反射器靠近光源，并且通过其孔径定义系统半角，这允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面。第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，及第三区是椭圆形的，按该顺序，从反射器的基座开始并且向其孔径运动。这些区提供重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生设计者控制的合成能量分布图案。
从光源产生的光的大体全部或至少90％是在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
在一个实施例中，反射器包括全内反射器(TIR)。在另一个实施例中，光源包括LED光源，并且全内反射器(TIR)整体地制造为用于LED光源的外壳覆盖物，或者光学地集成有LED光源。
全内反射器还包括布置在全内反射器的外部的选择部分上的反射涂层，以保证其中光的内反射。
在又一个实施例中，本发明还包括实心或绞合光纤，其中设计者控制的合成能量分布图案进入实心或绞合光纤中。
在再一个实施例中，本发明还包括照明灯具，在该照明灯具中，包括光源和反射器。照明灯具包括PAR灯具、MR灯具、路灯、阵列灯(array)、或LCD面板灯、信号(signage)灯、飞机灯、汽车灯、航标灯、室内或室外建筑灯(architectural light)、装饰灯、作业灯(tasklight)、或泛光照明灯。
本发明还可特征化为一种用来照明表面的方法，该方法包括步骤：从光源直接辐射光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化；和从反射器反射光，该反射器具有基座和孔径。反射器靠近光源，并且通过其孔径定义系统半角，并允许直接辐射的能量从光源传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面。第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，及第三区是椭圆形的，按该顺序，从反射器的基座开始并且向其孔径运动。所提供的是重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生设计者控制的合成能量分布图案。
本发明的另一个实施例是反射器形状的一种计算机化设计方法，该反射器具有三维表面、基座及孔径。反射器反射来自光源的光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化。该方法包括步骤：把从光源辐射的光的整个强度和空间分布图案特征化为在计算机中的数据；把在目的地处的所需能量图案确定为在计算机中的最后数据解；把从光源到目的地的所需距离确定为输入到计算机的数据；由从光源和反射器的公共轴线测量的数据导出希望的两维半角，包括确定反射器高度和孔径宽度，以允许直接辐射光从光源传播到目的地；计算来自光源的全部可获得光减去直接辐射光之差的剩余部分；及把反射器的三维表面定义为三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面。第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，及第三区是椭圆形的，按该顺序，从反射器的基座开始并且向其孔径运动。结果是重叠到直接辐射光上的设计者控制的反射光，该反射光与直接辐射光相组合，以在目的地处形成用户定义合成光图案。
本发明仍然进一步实施为一种用来照明表面的设备，该设备包括：光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化；和反射器，具有孔径。反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，并允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到上述表面，以在该表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。传递函数作为输出具有：通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的能量的剩余部分；及在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器形状，该反射器形状对于提供重叠上述直接辐射能量图案的反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
以相同方式，本发明也实施为一种用来照明表面的方法，该方法包括步骤：从光源辐射光，该光源的强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化；和从反射器反射光，该反射器具有孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，及允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。传递函数作为输出具有：通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的光能的剩余部分；及在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述直接辐射能量图案的反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
本发明在一个实施例中也特征化为反射器形状的一种计算机化设计方法，该反射器具有三维表面、基座及孔径，反射器反射来自光源的光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维角的函数而变化，该方法包括定义用于反射器的形状，该形状在计算机中由传递函数导出，该传递函数包括输入：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及在表面上的所需合成能量分布。该方法包括输出：通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的能量的剩余部分；及在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述直接辐射能量图案的反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
本发明可选择地实施为用来以任意选择合成能量分布照明表面的设备，该设备包括光源、和具有孔径的反射器。反射器靠近光源。光从光源通过反射器的孔径直接辐射到表面上，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器借助于从任意选择合成能量分布导出的选择性定义空间位置和选择性定义方位在每个点处具有选择性定义形状，该反射器产生到表面上的反射能量分布，该反射能量分布当重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上时，在表面上产生任意选择合成能量分布。
更进一步，本发明在一个实施例中特征化为一种用来照明表面的设备，该设备包括：光源，其强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化；和反射器，具有基座和孔径。反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，及允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有至少两个锥形区和另一个区，每个区提供一旋转表面。第一区是抛物线形的，第二区是过渡表面，及第三区是椭圆形的，按该顺序，从反射器的基座开始并且向其孔径运动，过渡表面在第一与第三区之间延伸。结果是重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生设计者控制的合成能量分布图案。
在又一个实施例中，本发明定义为一种用来照明表面的设备，该设备包括光源、和具有孔径的反射器。反射器靠近光源，并且允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案。反射器具有多个成形区，每个区用来把光引导到在表面上的合成能量分布图案的选择部分中，以提供重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，以在表面上产生合成能量分布图案。
在一个实施例中，本发明是一种用来照明表面的设备，该设备包括：光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化；和反射器，具有基座和孔径。反射器从光源接收光。光源指向孔径的基座，并且布置在反射器的基座的纵向前方。反射器具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到反射器的距离、反射器到表面的距离、及光束直径；反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及在表面上的所需能量分布。传递函数作为输出具有：通过反射器的孔径传播的辐射能量的量；和在反射器上每个点的计算位置和方位，其作为在表面上提供所需能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供反射能量图案是必需的，其中传递函数构造反射器的形状，以把来自从反射器基座到在反射器上的预定边界延伸的反射器的第一部分的反射光发送到在表面上任意设计者选择的能量分布的第一部分，并且其中传递函数构造反射器的形状，以把来自从在反射器上的预定边界到反射器的孔径延伸的反射器的第二部分的反射光发送到在表面上任意设计者选择的能量分布的第二部分。
在又一个实施例中，本发明是一种用来照明表面的设备，该设备包括：光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化；反射器，具有孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角；及透镜，用来允许辐射的能量直接从光源通过透镜传播到照明表面，以在照明表面上提供定向能量分布图案。反射器具有从传递函数导出的表面和定义形状，该传递函数作为输入具有：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；透镜参数、反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及在照明表面上的所需合成能量分布。传递函数作为输出具有：通过透镜传播的定向辐射能量的量；来自光源的全部可得到辐射能量减去通过透镜传播到照明表面的定向光的能量的剩余部分；及在反射器的表面上每个点的计算位置和方位，作为在照明表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述定向能量图案的反射能量图案是必需的，以在表面上形成设计者控制的合成能量分布。
在一个实施例中，反射器的表面的点包括多个成形表面区，每个表面区用来把光导向到在表面上的合成能量分布图案的选择部分中，以在照明表面上提供重叠到定向能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，从而在照明表面上产生合成能量分布图案。
尽管为了语法流畅性起见借助于功能解释已经或将要描述设备和方法，但要清楚地理解，除非特意按照35USC 112规定，不要将权利要求书理解为以任何方式必须由“装置”或“步骤”限制而限制，而是要符合在等效物的司法条义下由权利要求书提供的限定的意义和等效物的整个范围，并且在其中权利要求书特意按照35USC 112构成的情况下，要符合在35USC 112下的完全法定等效物。通过现在转到其中类似元件由类似附属标记指示的附图，可更好地直观化本发明。
附图说明
图1是本发明优选实施例的横断面图，其中具有锥形段的反射器放置在商业可得到LED的发射器的上方，并且在其一个实施例中，反射器表面包括三个锥形段。实施例可以称作三锥形装置。
图2是图1反射器的横截面表面的两维横截面轮廓的简化直线图。
图3是由图1和2的实施例产生的光束图案的射线集合的横断面图。图3的上部是在目标表面处光束的斜投影视图，以更清楚地描述光源的反射能量和直接能量的重叠。为了清楚，仅表示反射能量的一侧，这必须理解成通过绕反射器的对称轴线转动横断面图案而完成。
图4是本发明另一个实施例的横断面图，使图1的敞开反射器由实心模压TIR反射器代替。
图5是本发明实施例的横断面图，其中图4的TIR反射器模压为LED的保护盖，并且包括在LED本身的制造中。
图6是本发明实施例的反射器组件的横断面图，其中反射器从传递函数导出，并且可以叫做超面积光装置(super-area light device)。
图7是图6的装置的横断面图，表示反射器的增量面积或角增量及其对于重叠反射光束的相对影响。斜投影视图也表示在图的上部中，以表明增量对于重叠反射光束的影响。
图8是图6处的实施例的横断面图，其中反射器由实心模压TIR反射器代替。
图9是实施例的横断面图，其中图7的TIR反射器模压为LED的保护盖，并且在LED的制造时被结合。
图10是用来把能量引入到纤维中的本发明的三锥形反射器的横断面图。该图表示为了最大耦合效率光线都在纤维的数值孔径内。
图11是耦合到纤维上的本发明的超面积光的横断面图。
图12是组合到照明灯具中的本发明的装置的阵列。
图13是在超面积光装置中的反射LED光源的横断面图。
图14是在超面积光装置中的混合LED光源的横断面图。
现在通过转到呈现为在权利要求书中定义的本发明的表明例子的优选实施例的如下详细描述，可更好地理解本发明和其各种实施例。清楚理解的是，由权利要求书所定义的本发明可以比下面描述的说明实施例更宽广。
具体实施方式
本发明的优选实施例涉及发光二极管(LED)和一种以增大能量效率收集和分布从它们辐射的能量的方法。事实上，在LED光源的情况下，优选实施例产生近似等于或好于90％的能量效率。然而，要清楚地理解，本发明不限于LED光源，而是可以与白炽、等离子弧、荧光光源或现在已知或以后设计的任何类型的光源(特别是具有类似或相等能量效率的那些)一起使用。另外，必须理解的是：术语“光”在其最广意义上使用，包括光谱的紫外和红外部分；并且可通过光学射线跟踪而近似建模的任何光频率都设想在本发明的范围内。
利用本发明的装置用在一般照明；装饰和建筑照明；用于家庭、飞机或汽车的阅读灯；作业照明；泛光照明灯照明；紧急照明；光纤照亮；面板背景照明；信号灯；及太多不能描述的其它用途中。不可能提供完全列出，并因而必须理解，其中可使用本发明的各个实施例的较大组件或系统包括现在已知或以后设计的所有照明用途。而且，本发明的各个实施例也可用作用于更复杂光学系统或与它们组合的基础，该更复杂光学系统具有另外的光学元件和光学处理。本发明的表明实施例提供从LED辐射到希望或定向光束中的能量的实际完全的收集效率。在生成光束中的能量的分布由设计控制，并且能够通过任意设计或用户选择来预定或控制。
本发明的图示实施例提供优于用来由LED源产生受控、平滑光束的现有技术的显著改进，并且在这样做时利用从LED辐射的大体所有能量。光通过介质的透射，如通过透镜、全内反射器(TIR)、穿过光学界面；或从反射表面的光反射永远不完全或永远不是100％。这些固有损失情形为了本说明书的目的定义为“光学修改(touch)”或简单地对于光或光的“修改”，有时也称作光的“改性(modification)”。典型的是：关于当前适用的商业级反射器，对于一次修改的光强度的约8％量级的损失；和关于当前适用的商业级透镜或TIR，对于一次修改的光强度的约4％量级的损失。因此，某些能量总是损失在光学修改中。术语“大体上全部”为了本说明书和其权利要求书的目的应该理解成，是指仅由光的最小修改(如来自折射或反射的一次或两次修改)的固有损失减少的在感兴趣频带内由光源产生的所有光，或者至少该光强度的损失量是这样的，从而它对于人的肉眼不容易识别。
照明系统产生被准直的光束，像探照灯，全向的；如荧光灯管或标准灯泡；窄锥形光图案，如聚光灯；宽锥形光图案，如地灯或这些的某种组合。本发明具有的主要优点在于，由从安装在常规散热片或外壳基片11上的LED发射器10辐射的能量高效地创建窄的和宽的锥形光图案的能力。
在本发明的优选实施例中，从LED发射器10辐射的能量分段或分隔成绕LED 10的光轴定义的两个区或射线集合，这两个区每个被不同地处置或光学处理。贯穿本说明书，术语“能量”将认为是指能量，例如焦耳；和功率或每单位时间的能量，例如瓦特。在如下讨论中将假定，LED 10总是具有对称光轴，从而其辐射图案在制造公差内绕轴线近似是对称的。LED芯片或发光界面典型地制造成形状是正方形或矩形的，并且具有映像发光界面的形状的三维辐射图案。要理解，本发明不限于对称发光界面或辐射图案，并且能以与下面教导相一致的方式被修改，以兼容任意成形的辐射图案或发光界面。第一区或射线集合20(在图3中的射线集合A)是从LED发射器10辐射的中心锥形能量，在图3中表示得最清楚。第二区或射线集合22是从LED发射器10辐射的几乎半球形能量分布的剩余部分，它们在图3中共同地表示成射线集合B、C及D。同样，必须清楚地认识到，常规LED发射器实际上具有一种辐射分布图案，该辐射分布图案在水平下面延伸或从发光界面的法线延伸90°半角或极角。典型地，常规LED发射器具有向下延伸到95-100°半角的辐射分布图案，尽管在这些角度中的光的强度急剧减小。在本说明书的其余部分中，为了简单起见将假定，辐射分布图案延伸到90°半角，但可容易地以与本发明的教导相一致的方式进行包括较大半角所必需的修改。
在本发明的优选实施例中，在第一区20中的能量保持光学未改性或未修改，并且直接辐射到被照明的目标或表面上。通过不把任何光学表面放置在这个第一区20中的光的路径中，没有从LED发射器10到光束目标的能量损失。对于在这个第一区20中的能量锥选择的夹角定义为装置12的设计或系统角。本发明的优选实施例对于近似10°-70°的半夹角是实用的。
第二区22的能量或者由用户设计的部分多段的反射器14的表面16改性，或者由定义一也被定制修整或成形的转动表面的单一反射器表面16改性。在本发明的一个优选实施例中，反射器表面16划分成三个区16a、16b及16c，如在图2中最清楚地描绘的那样。通过为反射器14的这三个区16a、16b及16c的每一个选择适当的两维收集角或半角，可定义光束的独特、任意设计者控制的能量分布。从第二区22由反射器14产生的光束的能量被添加到第一区20的来自源10的直接光的能量上。因此，在系统中的能量损失只是来自第二区或射线集合22的由反射器14修改或改性的LED能量的部分的表面损失。因而，来自LED 10的发射能量的剩余部分分布到打算光束中，导致几乎100％的收集和几乎100％的光分布。
图示的反射器14的区16a、16b及16c利用两维收集角或半角描述，该两维收集角或半角在与发射器10垂直的通过其中心的射线(也叫做发射器10的法向射线或光轴18)与也通过中心但从原始垂直线或法线以某一角度倾斜的另一条射线之间导出。离发射器10最远的(产生在图3中的射线集合B)、并且定义反射器14的上部周缘部分的第一反射器区16a在表明实施例中一般描述成绕系统的轴线18的转动表面，该表面的两维轮廓可以是锥的，一般是椭圆的部分段，使一个焦点放置在发射器10的中心附近。所以，由第一区16a反射的所有光会聚在椭圆的第二焦点处或其附近。在第一区16a的两维轮廓上在反射器14上离发射器10的最远点与射线相重合，该射线在上面描述成预计的或系统光束的半角。在本发明的优选实施例中，这个点几乎垂直于在椭圆的两个焦点之间的中点。
这允许从系统的区20和区22导出的两个相异光束几乎完全彼此重叠，尽管它们的重叠程度由图3的图示描绘最小化。在离发射器10的较大相对距离处，除图3的描绘之外来自区20和22的射线允许，在照明表面上来自区20和22的图案的几乎完全重叠。反射器的这个区16a的对于本发明具体实施例的收集角由对于在照明表面上的光束的合成能量分布的设计要求而确定。反射器14的、最靠近发射器10的区16c(产生在图3中的射线集合C)也可定义为系统的绕轴线18的旋转表面，该表面的两维轮廓能是锥形的，一般是抛物线形的，使其焦点放置在发射器10的中心附近。所以，由反射器14的区16c反射的光被近似准直并且与光轴18相平行。在本发明的优选实施例中，抛物线形轮廓放置在这样一个位置中，从而抛物线的拱高或从抛物面或区16c的上限到跨过上限的弦的距离在反射器14的第一区16a的椭圆内。反射器14的区16c的收集角也基于系统的设计参数(如反射器14的深度和孔径尺寸、和从发射器10至照明表面的距离)而选择。
继续本发明的优选实施例，反射器14的第三区16b(产生在图3中的射线集合D)是锥的段，其横截面是分别在最远和最近16a和16c的两维轮廓的端点之间延伸的线。换句话说，区16b是在区16a与16c之间过渡的正圆锥段。区16b的这种横截面轮廓也能是任何形状的曲线，该曲线连接上述的区16a和16b，并且与区16a和16b的相应端点选择地相切或近似相切，即提供在区16a与区16c之间的平滑过渡，或至少对于人的肉眼在视觉上显得是平滑的。
一般地，本发明的表明实施例预期两个或多个定义区16a和16c和/或在横截面中小平面和/或旋转表面或其它装置的添加，以提供完整、或均匀化的生成合成光束。以上描述的本发明的表明实施例可不精确地称作三锥形装置12，但必须理解，只有其中两个区16a和16b需要为锥形段的形状。
包括本发明的多个装置12可以组装成阵列并且/或者包括在光学元件的组件中，以根据常规设计原理提供辅助功能性。本发明的两个或更多单元的阵列可以包括对于设计标准的特定集合分别优化的装置。这些阵列对于LCD监视器和其它面板显示器用于背景光。这些阵列可用于标牌的背景照明。
优选实施例可建造成反射器、可选择地附加到LED外壳上的TIR镜片，或者建造成与LED外壳整体形成的OEM外壳替代镜片。
在本发明的另一个优选实施例中，反射器14使用传递函数而设计，以把LED发射器10的三维能量分布映像到对于本发明的装置12的输出光束所希望的两维能量图案上。同样，为了简单起见，将假定发射器10具有对称轴线，从而其能量分布图案可仅通过参考能量分布图案的两维半角或极角而有用地描述。在光源10的能量分布图案是自由形式或完全任意的并且没有对称性的场合，本发明的传递函数能以与本发明的教导相一致的方式适当地修改，以兼容这样的不规则性。
在表明的实施例中，传递函数导致定义反射器14的表面的旋转表面的每个点，反射器14的表面具有表面法线，绕这些法线光能量跨过装置12的中心线18或与其相平行地被反射，并且该反射表面把光能量分布到反射光束中，该反射光束重叠或部分地重叠来自光源10的、未反射离开反射器14的直接辐射能量。如将由下面的公开认识到的那样，反射光束和因此合成光束将具有由任意用户定义或选择而确定的能量或强度分布。
本发明的这个优选实施例由如下方法确定，该方法优选地在计算机(未表示)中进行。首先，基于选择的设计标准，确定系统半角、反射器孔径直径及从光源10至预计目标的距离。这建立在反射器14的边沿上的最外点。离中心线18的角度比由设计标准确定的角度更窄的LED 10的所有能量都直接辐射到打算的目标表面。在随后的反射器表面点计算中计算和利用在目标区中的能量的分布。如果目标是两维平表面，并且如果使用标准Lambertian LED 10，则能量分布将几乎作为离开系统的中心线18的角度的余弦而下降。系统角以及从源到目标的距离定义用于在目标上的能量分布图案的开始半径。
其次，从源10辐射的剩余能量的分布的图案可同样基于选择的设计标准被修改或不被修改。在优选实施例中，在目标表面上的分布图案打算在反射光束中几乎是平的。这通过把辐射LED能量分布划分成小角度增量Δθ、并且首先把直接辐射光束的能量含量求和成系统的向前中心立体角而完成。把直接辐射光束的能量含量从由LED 10辐射的总能量减去，并且剩余部分用来计算反射器点或段。角度增量Δθ的每一个的能量含量跨过将被反射的剩余LED能量的角度被规则化。
Figure A20058001571400241
作为例子，如果选择一度增量Δθ并且系统的半角是三十度，那么从由LED 10辐射的总能量减去在最初三十度中的能量。假定LED具有100°半角输出，剩余70°的角度，LED 10的周缘立体角，由其总剩余能量的百分比规则化。例如，如果0.75瓦特的能量在30°半角中从1.0瓦特源10直接辐射到目标表面，并留下0.25瓦特待辐射到将被反射的70°半角中，那么在70°半角中的每一个角度增量的能量或功率含量被规则化，以提供将在这些角增量Δθ中分布的0.25瓦特的分数或百分比。
然后计算目标的面积。从刚好在反射器14的孔径26的边缘内的最初增量角度Δθ1开始，入射在增量角度Δθ1上的剩余能量的部分被映像到目标表面28的对应增量区域上，该区域在表明的实施例中是圆环24，如在图7中最清楚表示的那样。在这个例子中，忽略源到目标的放大比值。可计算和考虑的是，并且是本发明的意图的是，允许这种计算，然而，有益的是描述更简单的情形。每个角增量Δθi由从该角增量Δθi反射的能量与反射的总能量的比值特征化。在目标表面28上的反射照明(该反射照明与入射到反射器14上的照明相比未作修改)是合乎需要的表明实施例中，从每个角增量Δθi反射到在目标表面28上的对应增量区域的光也由在目标表面28中的相同能量比值特征化。在这个实施例中，无论什么能量分布入射在反射器表面上，都如实地以较小固有反射损失复制在目标表面28上。也完全在本发明的范围内的是，提供目标表面28的均匀反射照明，或者如下面描述的那样，根据设计控制把与在反射器表面上的能量分布任意不同的反射能量的能量分布提供到目标表面28上。
在表明实施例中的这种比值相等性因而定义与反射器14的增量角度Δθ1相对应的环24的内半径。利用反射角度计算，对于反射器14的对应增量区域的法线可从在进入射线(从源10到反射器14的增量区域的中心点)与出去反射射线(从中心点到在目标上的环24的中心)之间的角度导出，并且是该角度的平分线。然而，必须清楚地理解，可等效地采用除增量区域的中心和环24之外的其它点。例如，计算可以是关于环24的一个对应边缘的增量区域的一个边缘。
对应增量反射区域因而由其相对于源10的空间位置和其在感兴趣的点处的表面的法线定义。其在反射器表面上的端点是用于与角度Δθ2相对应的下个增量区域的开始点。对于反射器点的计算继续，直到定义与角增量Δθi相对应的所有增量区域。结果是与用于每个增量区域的开始和结束点相对应的计算数据点的数值表格，这些点用来定义反射器表面。给定在空间中的一组点，有可能导出定义在空间中那些点位于其上的平滑曲线或表面的分析函数，即具有数值计算系数的多项式序列。存在提供这种能力的多种计算曲线示踪应用程序。方法的这部分因而可变成计算机化分析函数，如果希望或适用，并且整个反射器表面然后由分析函数定义。
某些优选实施例可如上述那样简单地计算。其它利用对于角增量的能量分布的修改计算。作为例子，直接辐射光束的接近余弦下降，因子可包括在用于重叠、反射光束的计算中，以补偿下降并且使它平滑。换句话说，反射光束可被更重地加权，或者集中在直接辐射光束的下降区中，以使它平滑或使它消除。
如上所述，用于不同反射器增量Δθi的放大比值的计算，作为目标到源的距离的函数，也可通过加权或修改来自反射器14的反射光的集中而补偿或消除。
在另一个实施例中，补偿可以通过添加乘数、比值、定义的曲线偏移、下垂或在到目标表面上的重叠反射光束的面积分布中的其它补偿而进行，该补偿反向计算成在由两维反射器轮廓所确定的反射光束中的能量的分布。
如果对于一定用途，极高精度是要求的或希望的，则从反射器的两维轮廓导出的反射光束能量分布可由从三维反射器表面导出的反射光束能量分布代替。在这种情况下，角增量由角度对(Δθi、Δi)给出，并且对应增量区域或区不是以上假定的旋转表面，而是在反射器表面上的面积块。
优选实施例在目标表面处提供平滑的、平的光束轮廓，此时本发明的多个单元用在阵列中。阵列提供极平滑的总分布，而没有与现有技术相关联的‘热点’。结果是平滑的、高效率的及有效的光束，该光束在大多数用途中不要求任何扩散器或另外的光学处理。
其中如上述那样采用传递函数以设计反射器形状的本发明的方法概括在下面的表格中。
                         表格
Figure A20058001571400261
优选实施例可建造为反射器、可选择性地附加到LED外壳上的TIR镜片、或OEM外壳替换镜片。
本发明还表明在多个实施例中。图4是装置12的横断面图，在该装置12中，反射器14由具有外部表面40的全内反射器代替，该外部表面40设有图1的三个定义区形状，即抛物线、直锥及椭圆或抛物线、过渡区、及椭圆。TIR 30也设有基本反射处理或涂层32，以保证也以某些角度提供内反射，否则这些角度对于在TIR 30内的内反射可能是不利的角度。发射器10提供在常规LED外壳34中，该LED外壳34通常不提供来自发射器10的光的折射。在发射器10与外壳34之间的内部空间填充有光学胶或材料38，该光学胶或材料38提供指数匹配，从而在发射器10与外壳34的表面之间没有光学中断。光学匹配粘合剂也提供在外壳34的表面与附加到它上的TIR反射器30的相符表面之间，从而仅由从发射器10辐射的光线遇到的光学情形是来自表面40或涂层32的全内反射、和通过孔径界面42的折射。
图5是与图4的装置相类似的装置12的横断面图，其中TIR反射器30与作为OEM制造的LED外壳34的制造整体地进行。
图6是装置12的横断面图，该装置12设有由上述传递函数所确定的超面积成形反射器14。发射器10设有以上联系图4所描述的常规LED外壳34。
图8是装置12的横断面图，在该装置12中TIR反射器44已经代替图6的超面积成形反射器14，并且该装置12提供由以上联系图7描述的传递函数所导出的超面积成形外部表面46。
图9是与图8的装置相类似的装置12的横断面图，其中TIR反射器44与作为OEM制造的LED外壳34的制造整体地进行。
图10是联接到纤维50的输入上的图1、4或5的装置12的横断面图。纤维50可以是空心的、实心的、单根或绞合的。图10为了简单目的表示单根空心纤维。
图11是联接到纤维50的输入上的图6、8或9的装置12的横断面图。纤维50可以是空心的、实心的、单根或绞合的。图9为了简单目的表示单根空心纤维50。
装置12一般是指包括某种类型的反射器14和光源10，但也可以包括另外的光学、结构及机械元件，这些元件在本说明书中一般集体地称作照明灯具。图12是照明灯具52的立体图，该照明灯具52包括在图1-9的任一个中所表示的装置12的阵列或多个。照明灯具52的元件是常规的，并且可以包括另外的光学元件。阵列的结构可构造成现在已知或以后设计的灯阵列的任何构造或布置。
图13是装置12的横断面图，该装置12在本说明书中叫做反射光源，该反射器14已经根据与图7相联系的教导和超面积灯而设计。关于反射装置12的进一步细节提供在标题为“为了照明用于光的高效收集和分布的方法和设备”的美国专利申请no.10/361,137中，该专利申请通过参考包括在这里。图6-9的反射器的任一种可用在图13的反射装置12中。发射器10包含在常规LED外壳34中，定位在反射器14的光轴上及旋转成面对反射器14的基座。反射器14具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：光源的三维辐射图案；光束参数，如光源到反射器的距离、反射器到表面的距离、和光束直径；反射器14的系统参数，如反射器尺寸和反射器14的孔径尺寸；及在表面上的所需能量分布。传递函数作为输出具有：通过反射器14的孔径传播的辐射能量的量；和在反射器14上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需能量分布所需要的角度的函数，该计算定义提供反射能量图案所必需的反射器14的形状。要理解，传递函数的输入和输出在所有实施例中可以根据手头的用途而增加或减小。这里输入和输出的列出不打算是限制性的，并且更少或更多的输入和输出可包括，而不脱离本发明的精神和范围。传递函数构造反射器14的形状，以把来自从反射器14的基座到在反射器14上的预定边界延伸的反射器14的第一部分的反射光，发送到在表面上任意设计者选择的能量分布的第一部分上，如照明表面28的外部部分上，从而避免散热片54和光源10，并且使装置12的数字损失(figure losses)的量最小。传递函数构造反射器14的形状，以把来自从在反射器14上的预定边界到反射器14的孔径延伸的反射器14的第二部分的反射光，发送到在表面上任意设计者选择的能量分布的第二部分上，如照明表面28的内部部分上。在反射器14上的预定边界在表明的实施例中选择在这样一个位置处，从而从反射器14的第二部分反射的光在任何情况下一般不由散热片54和光源10阻碍。在表明的实施例中，从反射器14的第一部分反射的光基本上绕散热片54和光源10导向到表面28。然而，必须理解，根据本发明，来自反射器14的第一和第二部分的光可导向到表面28的任何部分。
另外，图13的反射装置12能可选择地借助于在图1-5中所示的类型的三锥反射器实施。
图14是实施例的横断面图，在本说明书中叫做混合LED光源，其中透镜56布置在联系图6-9描述的类型的反射器14的纵向前方，以便允许直接来自光源10的辐射能量通过透镜56传播到照明表面28，以在照明表面28上提供直接能量分布图案。反射器14同样具有从上述传递函数导出的表面和定义形状，但传递函数也可以包括输入透镜参数的部分，和作为输出部分，通过透镜56传播的定向辐射能量的量；来自光源10的全部可得到辐射能量减去通过透镜传播到照明表面28上的定向光的能量的剩余部分；以及在反射器14的表面上每个点的计算位置和方位，作为在照明表面28上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数。该计算定义提供重叠定向能量图案的反射能量图案以在表面28上形成设计者控制的合成能量分布所必需的反射器14的形状。关于混合装置12的进一步细节提供在标题为“使用发光二极管的改进光源和收集从它们辐射的能量的改进方法”的美国专利申请No.10/897,297中，该专利申请通过参考包括在这里。
另外，图14的混合装置12能可选择地借助于在图1-5中所示类型的三锥反射器实施。
多种变更和修改可以由本领域的技术人员进行，而不脱离本发明的精神和范围。
因此，必须理解，表明的实施例仅为了例子的目的已经叙述，并且它不应该认为限制由如下权利要求书定义的本发明。例如，尽管有下面在一定组合中叙述权利要求的元件的事实，但必须清楚地理解，本发明包括更少、更多或不同元件的组合，这些元件即使当在这样的组合中初始不要求保护时也在以上公开。
在本说明书中用来描述本发明和其各个实施例的词语不仅要在它们的普通定义意思上理解，而且包括超过普通定义意义的范围的在本说明书结构、材料或动作中的特定定义。因而如果元件在本说明书的上下文中可理解为包括多于一个意思，那么其在权利要求中的使用必须理解为是对于由说明书和由词语本身所支持的所有可能意思的通称。
如下权利要求书的词语或元件的定义因此在本说明书中定义，以不仅包括文字叙述的元件的组合，而且也包括以大体相同方式用来实现大体相同功能以得到大体相同结果的所有等效结构、材料或作用。在这个意义上，因此想到的是：对于在下面的权利要求书中的元件的任何一个可以进行两个或更多个元件的等效替代；或者单个元件可以代替在权利要求中的两个或更多元件。尽管元件在以上描述成在一定实施例中起作用并且甚至初始像这样要求保护，但要清楚地理解：来自要求保护组合的一个或多个元件在某些情况下可从组合删去；并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变化。
由本领域的技术人员所看到的来自要求保护主题的不显著变化(现在已知或以后设计的)清楚地设想为等效地在权利要求书的范围内。因此，对于本领域的技术人员现在或以后知道的显著替代定义成在定义元件的范围内。
因而将权利要求书理解成，包括以上明确表明的和描述的、在概念上等效的、可明显代替的、以及基本上包括本发明的基本想法的所有东西。

Claims (34)

1.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线角度的函数而变化；和
反射器，其具有基座和孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统半角，并允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到所述表面，以在所述表面上提供直接辐射能量分布图案，反射器具有三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面，第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，第三区是椭圆形的，按照该顺序，从反射器的基座开始并且向着其孔径运动，以提供重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生设计者控制的合成能量分布图案。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，从光源产生的大体全部光都在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，从光源产生的光的至少90％在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反射器包括一全内反射器。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，光源包括LED光源，并且所述全内反射器整体地制造为用于LED光源的外壳覆盖物，或者光学地集成有LED光源。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，全内反射器具有外部表面，并且还包括布置在全内反射器的选择部分上的反射涂层，以保证其中光的内反射。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，全内反射器具有外部表面，并且还包括布置在全内反射器的选择部分上的反射涂层，以保证其中光的内反射。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括实心或绞合光纤，其中设计者控制的合成能量分布图案进入实心或绞合光纤中。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括照明灯具，在该照明灯具中包括光源和反射器。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，照明灯具包括PAR灯具、MR灯具、路灯、阵列灯、或LCD面板灯、信号灯、飞机灯、汽车灯、航标灯、室内或室外建筑灯、装饰灯、作业灯或泛光照明灯。
11.一种用来对一表面进行照明的方法，包括：
从光源直接辐射光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化；和
从反射器反射光，该反射器具有基座和孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统半角，并允许直接辐射的能量从光源传播到所述表面，以在表面上提供一直接辐射能量分布图案，反射器具有三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面，第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，第三区是椭圆形的，按照该顺序，从反射器的基座开始并且向着其孔径运动，以提供重叠到在所述表面上的所述直接辐射能量分布图案上的一设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生一设计者控制的合成能量分布图案。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，直接辐射和反射光大体把从光源产生的所有光都传输到在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，直接辐射和反射光把从光源产生的光的至少90％传输到在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
14.反射器形状的一种计算机化设计方法，该反射器具有三维表面、基座及孔径，该反射器用来反射来自光源的光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化，该方法包括：
把从光源辐射的光的整个强度和空间分布图案特征化为在计算机中的数据；
把在目的地处的所需能量图案确定为在计算机中的最后数据解；
把从光源到目的地的所需距离确定为输入到计算机的数据；
由从光源和反射器的公共轴线测量的数据导出所需的两维半角，包括确定反射器高度和孔径宽度，以允许直接辐射光从光源传播到目的地；
计算来自光源的全部可获得光减去直接辐射光之差的剩余部分；以及
把反射器的三维表面定义为三个相异的锥形区，每个提供一旋转表面，第一区是抛物线形的，第二区是直锥形的，第三区是椭圆形的，按照该顺序，从反射器的基座开始并且向着其孔径运动，以提供重叠到直接辐射光上的设计者控制的反射光，该反射光与直接辐射光相组合，以在目的地处形成用户定义的合成光图案。
15.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线角度的函数而变化；和
反射器，其具有孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，并允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到所述表面，以在表面上提供一直接辐射能量分布图案，
其中，反射器具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：
光源的三维辐射图案；
光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；
反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；以及
在表面上的所需合成能量分布；
并且该传递函数作为输出具有：
通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；
来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的光线的能量的剩余部分；以及
在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述直接辐射能量图案的一反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，从光源产生的大体全部光线都在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，从光源产生的光的至少90％在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
18.根据权利要求15所述的设备，其中，所述反射器包括一全内反射器。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，光源包括LED光源，并且全内反射器整体地制造为用于LED光源的外壳覆盖物，或者光学地集成有LED光源。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，全内反射器具有一外部表面，并且还包括布置在全内反射器的一选择部分上的反射涂层，以保证其中光的内反射。
21.根据权利要求19所述的设备，其中，全内反射器具有一外部表面，并且还包括布置在全内反射器的一选择部分上的反射涂层，以保证其中光的内反射。
22.根据权利要求15所述的设备，还包括实心或绞合光纤，其中设计者控制的合成能量分布图案进入所述实心或绞合光纤中。
23.根据权利要求15所述的设备，还包括照明灯具，在该照明灯具中，包括光源和反射器。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，照明灯具包括PAR灯具、MR灯具、路灯、阵列灯、或LCD面板灯、信号灯、飞机灯、汽车灯、航标灯、室内或室外建筑灯、装饰灯、作业灯或泛光照明灯。
25.一种用来对一表面进行照明的方法，包括：
从光源辐射光，该光源的强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线角度的函数而变化；和
从反射器反射光，该反射器具有孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，并允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到所述表面，以在所述表面上提供一直接辐射能量分布图案，
其中，反射器具有从一传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：
光源的三维辐射图案；
光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；
反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及
在表面上的所需合成能量分布；
并且该传递函数作为输出具有：
通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；
来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的光线的能量的剩余部分；及
在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述直接辐射能量图案的一反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，直接辐射和反射光大体把从光源产生的所有光都传输到在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，直接辐射和反射光把从光源产生的光的至少90％传输到在表面上的设计者控制的合成能量分布图案中。
28.反射器形状的一种计算机化设计方法，该反射器具有三维表面、基座及孔径，反射器用来反射来自光源的光，该光源的强度作为从光源辐射的光线的三维角的函数而变化，该方法包括定义用于反射器的形状，该形状在计算机中由传递函数导出，该传递函数包括输入：
光源的三维辐射图案；
光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；
反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及
在表面上的所需合成能量分布；
和输出：
通过反射器的孔径传播的直接辐射能量的量；
来自光源的全部可得到辐射能量减去通过反射器孔径直接辐射到表面上的光线能量的剩余部分；及
在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述直接辐射能量图案的一反射能量图案以在表面上形成设计者控制的合成能量分布是必需的。
29.一种以任意选择合成能量分布对一表面进行照明的设备，包括：
光源，和
反射器，其具有孔径，反射器靠近光源，光从光源通过反射器的孔径直接辐射到表面上，以在表面上提供一直接辐射能量分布图案，
其中，反射器借助于从任意选择合成能量分布导出的选择性定义空间位置和选择性定义方位在每个点处具有选择性定义形状，该反射器产生到表面上的反射能量分布，该反射能量分布当重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上时，在表面上产生任意选择合成能量分布。
30.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，其强度作为从光源辐射的光线的三维立体角的函数而变化；和
反射器，其具有基座和孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，并允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供一直接辐射能量分布图案，反射器具有至少两个锥形区和另一个区，每个区提供一旋转表面，第一区是抛物线形的，第二区是过渡表面，第三区是椭圆形的，按照该顺序，从反射器的基座开始并且向着其孔径运动，过渡表面在第一区与第三区之间延伸，以提供重叠到在所述表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，该反射能量分布图案与所述直接辐射能量分布图案相组合，以在表面上产生设计者控制的合成能量分布图案。
31.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，和
反射器，其具有孔径，反射器靠近光源，并且允许直接辐射的能量从光源通过反射器的孔径传播到表面，以在表面上提供直接辐射能量分布图案，
其中，反射器具有多个成形区，每个区用来把光引导到在表面上的合成能量分布图案的一选择部分中，以提供重叠到在表面上的直接辐射能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，从而在表面上产生合成能量分布图案。
32.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线角度的函数而变化；和
反射器，其具有基座和孔径，反射器从光源接收光，
其中，光源指向孔径的基座，并且布置在反射器的基座的纵向前方，并且
其中，反射器具有从传递函数导出的定义形状，该传递函数作为输入具有：
光源的三维辐射图案；
光束参数，如光源到反射器的距离、反射器到表面的距离、以及光束直径；
反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及
在表面上的所需能量分布；
并且该传递函数作为输出具有：
通过反射器的孔径传播的辐射能量的量；和
在反射器上每个点的计算位置和方位，作为在表面上提供所需能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供反射能量图案是必需的，其中传递函数构造反射器的形状，以把发射光从反射器的第一部分发送到设计者任意选择的在表面上的能量分布的第一部分，该反射器的第一部分从反射器基座延伸到反射器上的预定边界，并且其中传递函数构造反射器的形状，以把反射光从反射器的第二部分的反射光发送到设计者任意选择的在表面上的能量分布的第二部分，该反射器的第二部分从反射器上的预定边界延伸到反射器的孔径。
33.一种用来对一表面进行照明的设备，包括：
光源，其强度作为从三维辐射图案的光源辐射的光线的角度的函数而变化，
反射器，其具有孔径，反射器靠近光源，通过其孔径定义一系统角，及
透镜，用来允许辐射的能量直接从光源通过透镜传播到所述照明表面，以在照明表面上提供一定向能量分布图案，
其中，反射器具有从传递函数导出的表面和定义形状，该传递函数作为输入具有：
光源的三维辐射图案；
光束参数，如光源到表面的距离和光束直径；
透镜参数；
反射器的系统参数，如反射器尺寸和反射器的孔径尺寸；及
在照明表面上的所需合成能量分布；
该传递函数作为输出具有：
通过透镜传播的定向辐射能量的量；
来自光源的全部可得到辐射能量减去通过透镜传播到照明表面的定向光的能量的剩余部分；及
在反射器的表面上每个点的计算位置和方位，作为在照明表面上提供所需合成能量分布所需要的角度的函数，该计算定义反射器的形状，该反射器的形状对于提供重叠所述定向能量图案的一反射能量图案是必需的，以在表面上形成设计者控制的合成能量分布。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，反射器的表面的点包括多个成形表面区，每个表面区用来把光导向到在表面上的合成能量分布图案的一选择部分中，以在照明表面上提供重叠到所述定向能量分布图案上的设计者控制的反射能量分布图案，从而在照明表面上产生合成能量分布图案。
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