一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡的制作方法
【專利摘要】一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，由大內(nèi)部折射面（11）、大菲涅爾折射面（12）和三角翼折射面（13）組成；其中，大內(nèi)部折射面（11）由第一內(nèi)部折射面（111）、第二內(nèi)部折射面（112）、第三內(nèi)部折射面（113）組成，大菲涅爾折射面（12）由第一菲涅爾折射面（121）、第二菲涅爾折射面（122）組成，三角翼折射面（13）由全反射面（132）、外部折射面（131）組成。由于該復(fù)合型菲涅爾透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的特點，可將燈珠發(fā)出的光束進(jìn)行有效的傳輸，能量損耗極少，提高了光能利用率，且該透鏡外部可用光滑的圓錐狀透明燈罩，易清潔維護(hù)。
【專利說明】
一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及航標(biāo)燈光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]航標(biāo)燈是為保證船舶在夜間安全航行而安裝在某些設(shè)施上的一種交通燈。1912年瑞典工程師古斯塔夫.達(dá)倫因發(fā)明航標(biāo)燈塔自動控制裝置保障航行安全獲諾貝爾物理學(xué)獎。1966年，IALA(國際航標(biāo)組織)公布了關(guān)于航標(biāo)燈光強(qiáng)和射程之間的關(guān)系，其主要目的是規(guī)范在不同氣象能見度下的燈光有效射程，從而為航標(biāo)燈的設(shè)計提供參考依據(jù)。一般認(rèn)知下，在同等能耗情況下，盡可能地提高燈光射程，是提高保障船舶夜行安全能力的有效手段。
[0003]航標(biāo)燈主要由能源系統(tǒng)、光源、光學(xué)系統(tǒng)等組成，各組成部份隨著科技的發(fā)展而發(fā)展。目前，能源系統(tǒng)主要以蓄電池儲能、太陽能板充電為主要應(yīng)用形態(tài)，光源則以多顆LED串聯(lián)、并聯(lián)等為主，光學(xué)系統(tǒng)以菲涅爾燈罩為主，它可將由LED發(fā)出的光線匯聚在一定角度范圍內(nèi)發(fā)射出去以提高燈的有效射程。
[0004]菲涅爾透鏡是由法國物理學(xué)家Augustin-Jean Fresnel在1822年發(fā)明的。如圖2所示，從剖面看，其表面是由一系列鋸齒型臺階組成，每個臺階都可以看做一個獨立的小透鏡，從而把光線調(diào)整成平行光或聚光，其聚光效果比普通的凸透鏡好很多，因此菲涅爾透鏡被廣泛的應(yīng)用于對光束的準(zhǔn)直和聚焦方面的整形。例如專利US7800840B2提供了一種應(yīng)用在LED照明、手機(jī)或相機(jī)的閃光光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的菲涅爾透鏡的設(shè)計方法，可將LED光束整形成具有空間對稱性的類橢圓光斑，大幅度的提升中心峰值光強(qiáng);專利US2004095777A提出了一種高效LED航標(biāo)燈器，將菲涅爾透鏡準(zhǔn)直和聚焦方面的優(yōu)點應(yīng)用于航標(biāo)燈燈罩，有效的提高了光能利用率。
[0005]由于航標(biāo)燈應(yīng)用的特點，再加上菲涅爾燈罩的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，長期暴露在重鹽霧、大濕度、大溫差等惡劣環(huán)境下的航標(biāo)燈，其菲涅爾燈罩表面極易沉積灰塵、油污，從而影響燈光的透射率，且鋸齒狀結(jié)構(gòu)的菲涅爾燈罩并不方便清潔和維護(hù)，長期應(yīng)用的效果受到影響；有數(shù)據(jù)表明兩三年后燈光的亮度衰減降低，甚至達(dá)20-30%。
[0006]光源也是影響航標(biāo)燈燈光效率的一個重要因素?，F(xiàn)有的航標(biāo)燈，多采用直插型小功率LED燈珠，此類燈珠一般為環(huán)氧樹脂封裝透鏡，這種環(huán)氧樹脂是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.2W/(m.K)，環(huán)氧樹脂長時間工作在較高溫度下容易老化，從而產(chǎn)生光衰，且直插型LED燈珠采用普通基材覆銅板(CCL)進(jìn)行電氣連接，不利于LED散熱，嚴(yán)重的縮短了 LED使用壽命。2005年2 月Zheng Da1-shun , QianKe-yuan , Luo Yi等在《SemiconductorOptoelectronics》發(fā)表《Life Test and Failure Mechanism Analyses for High-powerLED》，詳細(xì)分析了 LED的光衰特性及產(chǎn)生的原因，指出溫度升高及紫外照射造成的環(huán)氧樹脂透明度嚴(yán)重下降，是LED光衰的一個重要原因。
[0007]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED燈珠的封裝技術(shù)工藝也得到了進(jìn)一步發(fā)展，體現(xiàn)在LED的功率更高、亮度更亮、光源集中、裝配容易、封裝散熱方式更為先進(jìn)等優(yōu)點，因此采用大功率LED作為航標(biāo)燈的燈源，無疑是本領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，但與其相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)亦需要進(jìn)一步設(shè)計。例如專利CN200710117721.0提出了一種航標(biāo)燈單元及其應(yīng)用。該發(fā)明能夠?qū)腖ED光源發(fā)出的光線在一個方向上準(zhǔn)直壓縮，同時能夠在另一個垂直的方向非常準(zhǔn)確的控制光強(qiáng)分布，從而可以根據(jù)實際的照明需求設(shè)計出結(jié)構(gòu)非常緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。
[0008]因此，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用的特點，結(jié)合科技水平的發(fā)展，對航標(biāo)燈各組成部份的再創(chuàng)新設(shè)計，無疑是有助于滿足航標(biāo)燈“燈光明亮、視距足夠”的總體目標(biāo)和要求。
[0009]可以看到傳統(tǒng)航標(biāo)燈采用的一般的菲涅爾燈罩對直插型小功率LED燈珠發(fā)出的光束進(jìn)行聚焦整形，存在其聚焦效果不理想、光能利用率不高，且后期清理維護(hù)困難、光衰嚴(yán)重等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實用新型需要解決的是傳統(tǒng)航標(biāo)燈采用菲涅爾燈罩對直插型小功率LED燈珠發(fā)出的光束進(jìn)行聚焦整形，其聚焦效果不理想、光能利用率不高，且后期清理維護(hù)困難、光衰嚴(yán)重等問題。
[0011]為解決上述問題，本實用新型提供了一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡的設(shè)計方法。如圖1所示:該透鏡由大內(nèi)部折射面U、大菲涅爾折射面12和三角翼折射面13組成;其中，大內(nèi)部折射面11由第一內(nèi)部折射面111、第二內(nèi)部折射面112、第三內(nèi)部折射面113組成;大菲涅爾折射面12由第一菲涅爾折射面121、第二菲涅爾折射面122組成;三角翼折射面13由全反射面132、外部折射面131組成。
[0012]a)所述透鏡的第一內(nèi)部折射面111和第一菲涅爾折射面121將LED燈珠發(fā)出的部分光線匯聚到一個小角度±3°-±10°范圍內(nèi)；
[0013]b)所述透鏡的第二內(nèi)部折射面112、全反射面132和外部折射面131將LED燈珠發(fā)出的剩余部分光線重新逆向均勻分布到上述的小角度范圍內(nèi)。
[0014]由于本實用新型透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)特點，可將LED發(fā)出的光束通過菲涅爾折射面、全反射面進(jìn)行有效的傳輸，基本上無能量損耗，提高了光能利用率，且該透鏡外部可用光滑的透明塑料燈罩包圍，容易進(jìn)行清潔維護(hù)。
[0015]本實用新型的目的、特征及優(yōu)點將通過實施例并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0016]圖1是復(fù)合型菲涅爾透鏡XZ平面方向截面圖。
[0017]圖2是菲涅爾折射面鋸齒型臺階XZ平面方向截面圖。
[0018]圖3是復(fù)合型菲涅爾透鏡菲涅爾折射面光路原理圖。
[0019]圖4是復(fù)合型菲涅爾透鏡三角翼折射面光路原理圖。
[0020]圖5是應(yīng)用6顆LED燈珠陣列的示意圖。
[0021]圖6是應(yīng)用8顆LED燈珠陣列的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0023]本實用新型提供了一種復(fù)合型菲涅爾透鏡，如圖1所示:該透鏡由大內(nèi)部折射面U、大菲涅爾折射面12和三角翼折射面13組成；其中，大內(nèi)部折射面11由第一內(nèi)部折射面
111、第二內(nèi)部折射面112、第三內(nèi)部折射面113組成;大菲涅爾折射面12由第一菲涅爾折射面121、第二菲涅爾折射面122組成;三角翼折射面13由全反射面132、外部折射面131組成。
[0024]上述大內(nèi)部折射面11構(gòu)成一個空腔，該空腔可用來安裝LED光源?？涨恢械腖ED光源發(fā)出的部分光線(本實施例中，我們?nèi)∵@部分的光線為-30°到30°角度范圍)，由空腔的第一內(nèi)部折射面111進(jìn)入，并由大菲涅爾折射面12射出。LED發(fā)出的光線在第二內(nèi)部折射面112及大菲涅爾折射面12發(fā)生折射，折射后的光線向透鏡的光軸靠攏，起聚光的作用。
[0025]上述第一菲涅爾折射面121為向上凸起的球形凸透面，其曲率半徑取值范圍為6-1 Omm，優(yōu)選8.2mm。該凸透面向上凸出，且球面的中心與透鏡的光軸重合，對LED光源發(fā)出的近光軸光線起聚焦的作用，通過調(diào)整凸透鏡面的曲率半徑，來調(diào)整焦距，進(jìn)而調(diào)整LED光源的聚光角度。
[0026]如圖2所示，上述第二菲涅爾折射面122由若干個半徑不同的同心圓構(gòu)成的鋸齒型臺階組成。其中，鋸齒型臺階取值范圍:2 — 8個。本實施例中，鋸齒型臺階有3個，每個臺階的高度h范圍為0.5-2臟，由大到小，優(yōu)選l.55mm、l.2mm、0.8mm;每個臺階的寬度k范圍為l.5-3mm ，由大到小，優(yōu)選2.5mm、2mm、1.8mm。第二菲涅爾折射面122上的每個鋸齒型臺階一方面沿光軸方向的高度h不同，越靠近透鏡光軸中心的臺階，其臺階高度越大；另一方面沿垂直光軸方向的間距k不同，越靠近透鏡光軸中心的臺階，其臺階寬度越大。通過調(diào)整臺階高度h及間距k，可實現(xiàn)對出射光線角度的調(diào)整。
[0027]如圖3所示:經(jīng)過上述的步驟，將LED發(fā)出的-30°到30°角度范圍的光線，匯聚到一定的角度范圍±3°-±10°。本實施例中，優(yōu)選±4°。
[0028]如圖4所示:由空腔中的LED光源發(fā)出的剩余部分光線(本實施例中，取-30°到30°角度范圍外的光線)經(jīng)第三內(nèi)部折射面113和全反射面132后，光線變成從下到上逆向分布，再經(jīng)過外部折射面131后，射出的光線逆向重疊分布于上述的±4°角度范圍內(nèi)。
[0029]上述的第三內(nèi)部折射面113為一傾斜的直線段，其與光軸的傾角范圍為0°-45°，本實施例中，優(yōu)選10°。
[0030]上述的全反射面132為自由曲線段。其計算步驟如下:
[0031]如圖4所示，假設(shè)光線I與光軸的夾角為a，第三內(nèi)部折射面113與光軸的夾角為b，
[0032]則光線I直線方程為:y=tg(>/2-a)*x(I)
[0033]第三內(nèi)部折射面113直線方程:y=tg(V2-b)*x+Ll(2)
[0034]方程(1)、(2)可求得光線I與第三內(nèi)部折射面113的交點坐標(biāo)(c，d);
[0035]假設(shè)光線I入射角為al，根據(jù)正弦定理:sin(>/2-a)/[d/sin(b)]=sin(al)/[c-d/tg(b)] (3)
[0036]假設(shè)光線I的第一次折射光線2的折射角為a3，
[0037]根據(jù)光線的折射定律:nl*sin(al)=n2*sin(a3)(4)
[0038]可求得光線I的第一次折射光線2的直線方程:y=tg{b-arcsin[nl*sin(al)/n2]}*x+d (5)
[0039]根據(jù)光線的全反射定律，可得到全反射面132上的切線方程:
[0040]y=tg(jr/4-{b- arcsin[nl*sin(al)/n2]}/2)*x+L2(6)
[0041]由于光線I與光軸的夾角a及第三內(nèi)部折射面113與光軸的夾角為b為已知數(shù)，設(shè)定初值L1、L2，即可逐點求出全反射面132上的點坐標(biāo)。
[0042]本實施例中，全反射光線為垂直光軸方向。
[0043]由于全反射光線的入射角度已知，且所需折射后的光線方向已知，根據(jù)折射定律易求出外部折射面131的斜率。
[0044]本實施例中，上述的外部折射面131為直線段，其與光軸的傾角范圍為30°-60°，本實施例中，優(yōu)選55°。
[0045]至此，構(gòu)成復(fù)合型菲涅爾透鏡主體的大內(nèi)部折射面11;大菲涅爾折射面12;三角翼折射面13在XZ平面方向截面的曲線已全部求出；
[0046]將計算得到的XZ截面的曲線繞Y軸旋轉(zhuǎn)180°，即得到復(fù)合型菲涅爾透鏡的實體模型。
[0047]圖5、圖6為分別應(yīng)用6顆、8顆LED燈珠陣列。
[0048]分別應(yīng)用6顆、8顆LED燈珠陣列在某光學(xué)軟件中模擬在1500mm處接收面處XZ平面方向上的的光斑照度分布圖，從模擬圖中可以看出光斑在此方向上得到了很好的壓縮，呈長方斑狀。
[0049]分別應(yīng)用6顆、8顆LED燈珠陣列在某光學(xué)軟件中模擬YZ平面上的的光強(qiáng)分布圖，從模擬圖中可以看出在此方向上光強(qiáng)均勻度很高，超過90%。
[0050]上述【具體實施方式】只是對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)解釋，本實用新型并不只僅僅局限于上述實施例，凡是依據(jù)本實用新型原理的任何改進(jìn)或替換，均應(yīng)在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，由大內(nèi)部折射面(U)、大菲涅爾折射面(12)和三角翼折射面(13)組成;其中，大內(nèi)部折射面(11)由第一內(nèi)部折射面(111)、第二內(nèi)部折射面(112)、第三內(nèi)部折射面(113)組成，大菲涅爾折射面(12)由第一菲涅爾折射面(121)、第二菲涅爾折射面(122)組成，三角翼折射面(13)由全反射面(132)、外部折射面(131)組成;第一內(nèi)部折射面(111)和第一菲涅爾折射面(121)將LED燈珠發(fā)出的部分光線匯聚到一個小角度范圍:±3°-±10°內(nèi)；第二內(nèi)部折射面(112)、全反射面(132)和外部折射面(131)將LED燈珠發(fā)出的剩余部分光線重新逆向均勻分布到上述的小角度范圍內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，其特征在于:第一菲涅爾折射面(121)為向上凸起的球形凸透面，且球面的中心與透鏡的光軸重合，其曲率半徑取值范圍為6-1 Omm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，其特征在于:第二菲涅爾折射面(122)系由若干個半徑不同的同心圓構(gòu)成的鋸齒型臺階組成，其中鋸齒型臺階取值范圍:2-8個;每個臺階的高度h范圍為0.5-2mm;每個臺階的寬度k范圍為1.5-3mm ο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，其特征在于:第三內(nèi)部折射面(113)為一傾斜的直線段，其與光軸的傾角范圍為0°-45°。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航標(biāo)燈光學(xué)裝置的復(fù)合型菲涅爾透鏡，其特征在于:外部折射面(131)為直線段，其與光軸的傾角范圍為30°-60°。
【文檔編號】F21Y115/10GK205669770SQ201620178545
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】劉華松, 劉規(guī)東
【申請人】福建吉星智能科技股份有限公司