CN113847578A - 一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜及其工作方法，包括透镜本体，透镜本体为上下对称的半回转体结构，透镜本体周部具有位于中间位置的在垂直方向将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内的圆环折射面以及位于圆环折射面两侧的圆锥折射面，透镜本体两端具有内凹的旋转抛物反射面，圆锥折射面和旋转抛物反射面形成将LED灯珠侧面发出的光线会聚准直到上述的角度范围内的三角翼结构；圆环折射面包括中心圆环面、第一环带圆环面以及第二环带圆环面。可将LED灯珠正面、侧面发出的光线都传播至有效角度范围内，在垂直方向对光束进行准直，在水平方向保持大角度发光，光学效率很高，光能损失小。

Description

一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜及其工作方法
技术领域
本发明涉及航标灯光学技术领域，特别是一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜及其工作方法。
背景技术
航标灯是为保证船舶在夜间安全航行而安装在某些航标上的一类交通灯。它在夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率，达到规定的照射角度和能见距离。
航标灯的发展经历了煤油灯航标灯、白炽灯航标灯、发光二极管（LED）航标灯、集成光源太阳能一体化航标灯、太阳能一体化智能航标灯这几个发展阶段。
航标灯的发光模式要求垂直水平面方向准直发光，水平方向全角360°发光。根据航标灯的发光特点，设计合适的准直透镜，与光源组成发光模块，然后采用不同发光模块的阵列组合产生水平方向角度360°垂直方向小角度的“圆盘形”光束。
目前，航标灯多采用发光二极管（LED）作为光源，LED发光芯片是半球180°发光，并且具有朗伯面光源的发光特性，即使带有封装透镜的LED发光角度依旧很大。因此，LED光源必须搭配合适的透镜使用才能满足对航标灯照射角度和光强分布的要求。针对光源发光特性与航标灯行业相关标准要求，设计合适的航标灯透镜是航标灯发展过程中必须考虑的重要环节。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种光学效率很高，光能损失小的用于航标灯的组合旋转曲面透镜及其工作方法，可将LED灯珠正面、侧面发出的光线都传播至有效角度范围内。
本发明采用以下方案实现：一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜，包括透镜本体，所述透镜本体为上下对称的半回转体结构，透镜本体周部具有位于中间位置的在垂直方向将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内的圆环折射面以及位于圆环折射面两侧的圆锥折射面，透镜本体两端具有内凹的旋转抛物反射面，圆锥折射面和旋转抛物反射面形成将LED灯珠侧面发出的光线会聚准直到上述的角度范围内的三角翼结构，透镜本体内部设有用以放置LED灯珠的透镜腔；所述圆环折射面包括中心圆环面、位于中心圆环面两侧的第一环带圆环面以及位于第一环带圆环面朝外一侧的第二环带圆环面；所述圆锥折射面包括由内向外依次设置的第一环带圆锥面、第二环带圆锥面、第三环带圆锥面和第四环带圆锥面；进一步的，所述透镜腔为半圆柱形结构，透镜腔内侧面为由顶部透射面、圆柱透射面和底部透射面构成的内部透射面。
进一步的，所述第一环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为6°、在光轴上的投影长度为0.55mm；所述第二环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为16°、在光轴上的投影长度为0.95mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为20°、在光轴上的投影长度为3.44mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为25.78°、在光轴上的投影长度为3.44mm。
进一步的，所述中心圆环面、第一环带圆环面和第二环带圆环面三者曲率半径相同但圆心位置不同，三者的曲率半径都为24.52mm。
进一步的，所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线符合二次抛物曲线方程：y2=20.52x。
进一步的，所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线在旋转轴上的投影长度为21.42mm、在光轴上的投影长度为33.88mm；所述透镜本体的高度为87.28mm。
本发明另一技术方案：一种如上所述用于航标灯的组合旋转曲面透镜的工作方法，透镜本体旋转轴位于LED灯珠发光芯片所在平面上并与LED灯珠发光芯片的垂直对称轴重合；透镜本体将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内，旋转抛物反射面利用全反射原理将灯珠发出的侧面一定范围的光线反射至圆锥折射面，这些光线在圆锥折射面处发生折射后会聚准直到上述的角度范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明用于航标灯的组合旋转曲面透镜可将LED灯珠正面、侧面发出的光线都传播至有效角度范围内；在垂直方向对光束进行准直，在水平方向保持大角度发光，光学效率很高，光能损失小，解决航标灯射程增加时光学装置光效不高，装置尺寸过大甚至超出要求的范围的问题。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例透镜的竖向截面图；
图2是本发明实施例透镜的竖向光线模拟图；
图3是本发明实施例透镜的水平方向光线模拟图；
图4是本发明实施例透镜的模拟坐标图；
图5是本发明实施例透镜的旋转抛物反射面准直光路光线追迹图；
图6是本发明实施例透镜的圆环折射面准直光路光线追迹图；
图中标号说明：11-圆环折射面、111-中心圆环面、112-第一环带圆环面、113-第二环带圆环面、12-圆锥折射面、121-第一环带圆锥面、122-第二环带圆锥面、123-第三环带圆锥面、124-第四环带圆锥面、13-旋转抛物反射面、14-内部透射面、141-顶部透射面、142-圆柱透射面、143-底部透射面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1~6所示，一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜，包括透镜本体，所述透镜本体为上下对称的半回转体结构，透镜本体周部具有位于中间位置的在垂直方向将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内的圆环折射面11以及位于圆环折射面两侧的圆锥折射面12，透镜本体两端具有内凹的旋转抛物反射面13，圆锥折射面12和旋转抛物反射面13形成将LED灯珠侧面发出的光线会聚准直到上述的角度范围内的三角翼结构，透镜本体内部设有用以放置LED灯珠的透镜腔；所述圆环折射面11包括中心圆环面111、位于中心圆环面两侧的第一环带圆环面112以及位于第一环带圆环面朝外一侧的第二环带圆环面113；所述圆锥折射面12包括由内向外依次设置的第一环带圆锥面121、第二环带圆锥面122、第三环带圆锥面123和第四环带圆锥面124；该透镜采用这些旋转曲面的组合，对LED灯珠发出的光线重新进行配光，产生满足指标要求的具备一定空间分布的光束；采用了三维组合曲面的光学结构，可将LED灯珠正面、侧面发出的光线都传播至有效角度范围内，光学效率很高，光能损失很小；上述旋转曲面的组合实现航标灯垂直方向准直、水平方向全向360°发光的配光特性；正是利用了这些旋转曲面两个方向上不一致的结构特性，在垂直方向对光束进行准直，在水平方向保持大角度发光。
透镜本体旋转轴位于LED灯珠发光芯片所在平面上并与LED灯珠发光芯片的垂直对称轴重合；将LED灯珠发出的空间光束分为不同的环带，通过组合的旋转空间曲面对LED灯珠发出的不同环带的光束进行配光准直；圆环折射面11为旋转圆环面，圆环折射面11分为5个环带在垂直方向对LED灯珠正面发出的光束进行准直，旋转抛物反射面13利用全反射原理对LED灯珠发出的侧面光线进行准直，灯珠位于旋转抛物反射面的焦点附近；圆锥折射面12分为4个不同的环带对经旋转抛物反射面13全反射后的光线进行准直角度修正；与传统透镜相比该透镜采用不同形状旋转曲面的组合，其配光准直范围完全覆盖位于旋转轴中心的LED灯珠的180°半球发光范围，同时相邻组合曲面之间的过渡区很小，该透镜具备极高的光效。由于该透镜光效很高，可选用中等功率、发光芯片尺寸不大的LED灯珠配合该透镜组成高光效小尺寸照明模块，该透镜可将单个LED灯珠发出的光束在垂直方向进行准直，水平方向保持发光角度不变，从而产生扇形光束，如图2、3所示；解决航标灯射程增加时，光学装置光效不高，装置尺寸过大甚至超出要求的范围的问题，光效不高会产生额外的热量，从而增加散热成本或是影响光源效能，造成能源浪费；尺寸过大会增加装配加工难度并对装置的使用产生限制。
在本实施例中，圆锥折射面12也采用分段结构，对经旋转抛物面反射后的不同环带的光束进行二次准直处理，不同环带光束对应的旋转抛物反射面13截面线段与光轴的夹角不同；因此这里将圆锥折射面12分成不同的环带，以便对侧面不同环带的光束进行准直；圆锥折射面12的各环带竖向截面为与旋转轴夹角不同的直线段，不同环带的圆锥折射面12对旋转抛物反射面13准直反射后的光束进一步校正，从而使灯珠侧面的光束也被准直到要求的小角度范围。所述第一环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为6°、在光轴上的投影长度为0.55mm；所述第二环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为16°、在光轴上的投影长度为0.95mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为20°、在光轴上的投影长度为3.44mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为25.78°、在光轴上的投影长度为3.44mm。
在本实施例中，所述中心圆环面、第一环带圆环面和第二环带圆环面三者曲率半径相同但圆心位置不同，三者的曲率半径都为24.52mm，中心圆环面的圆心位于光轴上；由于不同环带光束入射透镜的角度不同，若透镜曲率半径相同则准直后光束角度可能偏离预期；因此，根据不同环带光束的特性计算设定不同的曲率半径使正面发出的被圆环面准直后的光束角度保持在要求的小角度范围内。
在本实施例中，所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线符合二次抛物曲线方程：y2=20.52x；旋转抛物反射面13的截面曲线是一条连续的抛物线，侧面不同环带的光束经过旋转抛物反射面准直后的角度范围不一致；旋转抛物反射面13利用全反射原理将灯珠发出的侧面一定范围的光线反射至圆锥折射面12，这些光线在圆锥折射面12处发生折射后形成侧面准直出射光束。
在本实施例中，所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线在旋转轴上的投影长度为21.42mm、在光轴上的投影长度为33.88mm；所述透镜本体的高度为87.28mm。
在本实施例中，所述透镜腔为半圆柱形结构，透镜腔内侧面为由顶部透射面141、圆柱透射面142和底部透射面143构成的内部透射面14。
在本实施例中，所述圆锥折射面和圆环折射面之间过渡处开设有沉槽。
在光轴上以距离中心圆环面的圆心18.54mm处为坐标原点建立坐标系xoy，坐标系xoy的X轴与光轴重合，坐标系xoy的Y轴与透镜本体的旋转轴平行，即中心圆环面的圆心O1坐标为（18.54，0）；上侧第一环带圆环面的圆心O2坐标为（15.23，2.25），下侧第一环带圆环面的圆心O4坐标为（15.23，-2.25）；上侧第二环带圆环面的圆心O3坐标为（13.81，3.93），下侧第二环带圆环面的圆心O5坐标为（15.23，-2.25）。
上部圆锥折射面12竖向截面的四条线段分别为线段B’C、线段CD、线段DE、线段EF；线段各端点坐标如下表所示：
Figure 967327DEST_PATH_IMAGE002
将顶点位于坐标系xoy原点处方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的抛物线位于直线x=1.14右边上、下部分进行平移，端点A移动到A’，端点B移动到B’；对抛物线的下半部分作对称的平移，平移后的得到上、下端旋转抛物反射面的竖向截面曲线：
端点编号 x y
A’ 5.91 22.22
B’ 39.79 43.64
由于灯珠的发光面不是点光源，而是具有一定尺寸的面光源，因此灯珠的位置可能不是正好位于焦点处，而是具有一定的离焦量；这样在垂直方向即可利用透射球面的特性对正面光线进行准直，同时利用反射抛物面的特性对侧面光线进行准直；由于这几种旋转曲面的旋转轴重合，且该旋转轴与水平面垂直，灯珠发光芯片位于该旋转轴上，因此在水平方向上灯珠发出的光线角度几乎不改变，仍保持水平大光束角。
一种如上所述用于航标灯的组合旋转曲面透镜的工作方法，透镜本体旋转轴位于LED灯珠发光芯片所在平面上并与LED灯珠发光芯片的垂直对称轴重合；透镜本体将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内；旋转抛物反射面利用全反射原理将灯珠发出的侧面一定范围的光线反射至圆锥折射面，这些光线在圆锥折射面处发生折射后会聚准直到上述的角度范围内。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于航标灯的组合旋转曲面透镜，其特征在于：包括透镜本体，所述透镜本体为上下对称的半回转体结构，透镜本体周部具有位于中间位置的在垂直方向将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内的圆环折射面以及位于圆环折射面两侧的圆锥折射面，透镜本体两端具有内凹的旋转抛物反射面，圆锥折射面和旋转抛物反射面形成将LED灯珠侧面发出的光线会聚准直到上述的角度范围内的三角翼结构，透镜本体内部设有用以放置LED灯珠的透镜腔；所述圆环折射面包括中心圆环面、位于中心圆环面两侧的第一环带圆环面以及位于第一环带圆环面朝外一侧的第二环带圆环面；所述圆锥折射面包括由内向外依次设置的第一环带圆锥面、第二环带圆锥面、第三环带圆锥面和第四环带圆锥面；所述透镜腔为半圆柱形结构，透镜腔内侧面为由顶部透射面、圆柱透射面和底部透射面构成的内部透射面。
2.根据权利要求1所述的用于航标灯的组合旋转曲面透镜，其特征在于：所述第一环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为6°、在光轴上的投影长度为0.55mm；所述第二环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为16°、在光轴上的投影长度为0.95mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为20°、在光轴上的投影长度为3.44mm；所述第三环带圆锥面的竖向截面线段与旋转轴的夹角为25.78°、在光轴上的投影长度为3.44mm。
3.根据权利要求1所述的用于航标灯的组合旋转曲面透镜，其特征在于：所述中心圆环面、第一环带圆环面和第二环带圆环面三者曲率半径相同但圆心位置不同，三者的曲率半径都为24.52mm。
4.根据权利要求1所述的用于航标灯的组合旋转曲面透镜，其特征在于：所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线符合二次抛物曲线方程：y2=20.52x。
5.根据权利要求4所述的用于航标灯的组合旋转曲面透镜，其特征在于：所述旋转抛物反射面的竖向截面曲线在旋转轴上的投影长度为21.42mm、在光轴上的投影长度为33.88mm；所述透镜本体的高度为87.28mm。
6.一种如权利要求1所述用于航标灯的组合旋转曲面透镜的工作方法，其特征在于：透镜本体旋转轴位于LED灯珠发光芯片所在平面上并与LED灯珠发光芯片的垂直对称轴重合；透镜本体将LED灯珠正面发出的光线会聚准直到－1.3°～＋1.3°范围内；旋转抛物反射面利用全反射原理将灯珠发出的侧面一定范围的光线反射至圆锥折射面，这些光线在圆锥折射面处发生折射后会聚准直到上述的角度范围内。
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