CN103148447B - 光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学透镜，用于对设置于其内的光源所发射的光线进行折射，所述光学透镜呈罩状，所述光学透镜开设有腔体，所述光学透镜包括底面、设置于内侧入光面及、设置于外侧的多个出光面及多个外分光面，所述光学透镜的出光面、入光面之间构成透镜光线折射区，光线由光学透镜内部发出经透镜光线折射区折射后发射至光学透镜外部，所述光线的出射方向相对于入射方向朝向所述光学透镜的底面偏折。本发明还提供一种航空障碍灯。

Description

光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯

技术领域

本发明涉及一种光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯。

背景技术

航空障碍灯是飞机助航的重要设施，现有航空障碍灯所采用的光学透镜通常为菲涅尔透镜(Fresnel lens)，但是菲涅尔透镜仅适用于如白炽灯等球形发光体，而不适用于定向发光的二极管光源。且由于现有航空障碍灯采用白炽灯作为发光光源，因此其功率大、耗能高、寿命短、不利于维修维护及长期使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯。

一种光学透镜，用于对设置于其内的光源所发射的光线进行折射，其特征在于：所述光学透镜外轮廓为半球形的罩状，还包括一个半球形的外表面及连接于球形的顶面的底面，所述光学透镜的底面开设有腔体，腔体中心点位于腔体中轴线及底面所在平面的交点，并与在同一水平面内的出光面的各点之间的距离相等，所述光学透镜还包括设置于内侧入光面及设置于外侧的多个出光面及多个外分光面，光学透镜内侧的腔体的内表面设有入光面，光学透镜设置于外侧的外表面设有多个出光面及连接于相邻两个出光面之间的外分光面，单个外分光面设置于相邻两个出光面之间。

进一步的，所述光学透镜的出光面的轮廓为椭球曲面，所述出光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且其短轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，所述光学透镜的出光面上任意一点满足以下公式：

$\frac{x^2}{r^2}+\frac{y^2}{l^2}=1$

其中，x为出光面上任一点至腔体中轴线的水平距离，y为出光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r为出光面所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l为出光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度；

所述光学透镜的入光面的轮廓为椭球曲面，入光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且长轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，所述入光面上任意一点满足以下公式：

$\frac{x^{{,}^2}}{r^{{,}^2}}+\frac{y^{{,}^2}}{l^{{,}^2}}=1$

其中，x’为入光面上任一点至腔体中轴线Z的水平距离，y’为入光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r’为入光面所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l’为入光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。

一种航空障碍灯，包括光学透镜及光源，所述光学透镜开设有腔体，所述光学透镜包括设置于内侧的多个入光面及多个内分光面、设置于外侧的多个出光面，所述内分光面设置于相邻两个入光面之间，所述外分光面设置于相邻两个出光面之间，所述出光面、入光面之间构成透镜光线折射区，所述光源设置于所述光学透镜的腔体中心点及腔体中轴线。

进一步的，所述光源采用LED点光源，所述光源定向发光并朝向所述腔体设置。

进一步的，所述光学透镜的出光面的轮廓为椭球曲面，所述出光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且其短轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，光学透镜的出光面上任意一点满足以下公式：

$\frac{x^{{,}^2}}{r^{{,}^2}}+\frac{y^{{,}^2}}{l^{{,}^2}}=1$

其中，x为出光面上任一点至腔体中轴线的水平距离，y为出光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r为出光面所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l为出光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。

进一步的，所述光学透镜由下至上设有多个出光面，位于上方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比小于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比。

进一步的，所述光学透镜的入光面的轮廓为椭球曲面，入光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且长轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，入光面上任意一点满足以下公式：

$\frac{x^{{,}^2}}{r^{{,}^2}}+\frac{y^{{,}^2}}{l^{{,}^2}}=1$

其中，x’为入光面上任一点至腔体中轴线的水平距离，y’为入光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r’为入光面所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l’为入光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。

进一步的，所述光学透镜设有多个入光面，各个入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比大于或等于1，且位于上方的入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比大于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比。

进一步的，内分光面或外分光面轮廓为被两个相互间隔设置的水平面所截取的圆锥曲面，所述内分光面或外分光面所在的圆锥曲面的主轴与腔体中轴线重合，内分光面或外分光面上任一点与其所在的圆锥曲面的圆锥顶点之间的连线或连线的延长线相交于光源的发光区域。

进一步的，所述内分光面或外分光面所在的圆锥曲面的圆锥顶点重合于光源的发光区域的中心点。

相较于现有技术，本发明的光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯可定向改变光强分布和发光角度，改善发光二极管定向集中发光的特点同时，最大限度提高光源转换率,既能满足实际需求,又提高能效标准。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的光学透镜的剖面示意图。

图2是本发明的第一实施例的光学透镜的另一剖面示意图。

图3是本发明的第二实施例的光学透镜的剖面示意图。

图4是本发明的第三实施例的光学透镜的剖面示意图。

图5是本发明的航空障碍灯的光强分布效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明提供了一种光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯。

所述航空障碍灯设有光学透镜及设置于光学透镜中的光源。所述航空障碍灯可设置灯体、灯座及灯针，所述航空障碍灯可设置于航道、飞行控制区、高层建筑等处，用于对飞机起到警示作用。可以理解的是，所述灯体、灯座及灯针可采用现有航空障碍灯的相应部件一致，用于与所述光学透镜进行配合安装，其结构与现有技术中的结构一致，在此不再赘述。

如图1及图2所示是本发明实施例一所示的光学透镜10。在本实施例中，光学透镜10呈外轮廓大致为半球形的罩状，其包括一个大致为半球形的外表面及连接于球形的顶面的底面12。光学透镜10的底面12开设有用于容纳光源100的腔体。在本实施例中，光学透镜10设置于外侧的外表面及设置于内侧的腔体的内表面大体为半球面，光学透镜10的底面12为平面。可以理解的是，光学透镜10的外表面及内表面的弧度及尺寸可根据需要进行调整，光学透镜10的底面12也可根据需要及连接需要设置半球体或近似于半球体的其他形状。

光源100设置于所述腔体中心点O。腔体中心点O位于光学透镜10的底面12，并与在同一水平面内的出光面15的各点之间的距离相等。在本实施例中，腔体为半球形，腔体中心点O与腔体的球心重合，腔体中心点O位于腔体中轴线Z及底面12所在平面的交点。在本发明中，腔体可设置为半椭球形，则腔体中心点O位于所述腔体的中心点。腔体还设有腔体中轴线Z，腔体中轴线Z通过腔体中心点O并垂直于底面12，在本实施例中，腔体中轴线Z与腔体的半径所在直线重合。可以理解的是，腔体为半椭球形时，腔体中轴线Z与腔体的极半径所在直线重合，所述腔体中心点O设置于光学透镜底面12并未与腔体在俯视角度的水平面的中心点，所述腔体中轴线Z穿过腔体中心点O并垂直于底面12。

在本实施例中，当光学透镜10安装于航空障碍灯时，所述底面12水平设置，腔体朝下扣合于光源100且腔体中轴线Z竖直设置，光学透镜10位于所述光源100的上方。在本实施例中，光源100采用LED点光源，本实施例中所采用的LED点光源为定向发光，其发光面朝向光学透镜10。可以理解的是，如图2所示，LED点光源可采用单个的LED点光源或采用具有一定面积的设有多个LED点光源的点光源阵列。在本实施例中作为光源100的LED点光源的中心点与腔体的中心点重合。可以理解的是，光学透镜10的相对于水平底面12的设置角度可根据需要自行设置，可根据所需的折射效果将光学透镜10相对于水平底面12倾斜设置。同样的，光源100可根据实际需要相对于腔体中心点O具有一定距离的偏移。

在本实施例中，光学透镜10内侧的腔体的内表面设有入光面11。光学透镜10设置于外侧的外表面设有多个出光面15及连接于相邻两个出光面15之间的外分光面17，单个外分光面17设置于相邻两个出光面15之间。在本实施例中，光学透镜10为半球形。所述出光面15为截面形状为弧形的环形，外分光面17为截面形状为直线的环形。

在本实施例中，光学透镜10的出光面15的轮廓为椭球曲面，出光面15所在的椭球曲面以腔体中心点O为中心且短轴重合于腔体中轴线Z，所述椭球曲面的水平截面为圆形。在本实施例中，光学透镜10的出光面15上的任意一点满足以下公式：

$\frac{x^2}{r^2}+\frac{y^2}{l^2}=1$

其中，x为出光面15上任一点至腔体中轴线Z的水平距离。y为出光面15上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离。r为出光面15所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l为出光面15所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。在本实施例中，出光面15所在椭球曲面的第一半主轴为长轴，出光面15所在椭球曲面的第二半主轴为短轴。

如图2所示，在本实施例中，光学透镜10设有多个出光面15。在本实施例中，光学透镜10由下至上设有出光面15a、出光面15b、出光面15c。出光面15a所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₁，出光面15a所在的椭球曲面的的第二半主轴长度为l₁。出光面15b所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₂，出光面15b所在的椭球曲面的第二半主轴长度l₂。出光面15c所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₂，出光面15c所在的椭球曲面的第二半主轴长度为l₃。所述出光面15a、出光面15b、出光面15c满足以下公式：

$\frac{l_1}{r_1}\≥\frac{l_2}{r_2}\≥\frac{l_3}{r_3}\≥1$

可以理解的是，光学透镜可设置n个出光面15，只需保证各个出光面满足以上公式规律：位于上方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比小于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比。

在本实施例中，单个外分光面17轮廓为被两个相互间隔设置的水平面所截取的圆锥曲面，每个外分光面17分别与一个呈圆锥体的圆锥曲面重合，该呈圆锥体的圆锥曲面以腔体中心点O为圆锥顶点且主轴与腔体中轴线Z重合。在本实施例中，不同的外分光面17所在的圆锥曲面的斜率不同，但其共同点为，各个外分光面17所在的圆锥体均以腔体中心点O为圆锥顶点，且主轴与腔体中轴线Z重合。

如图2所示为经过腔体中轴线Z的剖面的剖面示意图，图中虚线为曲面与剖面相交形成的曲线。外分光面17与剖面相交的线段所在的直线经过所述光源100的中心点。当光源采用具有一定面积的LED点光源时，所述呈圆锥体的圆锥曲面与所述光源相交即可。在本实施例中，所述呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点与光源的中心点重合。所述单个外分光面17由设置于上方的出光面15的末端延伸至设置下方的出光面15的顶端。可以理解的是，具有一定面积的LED点光源的厚度对光线的影响可忽略不计。

光学透镜10的入光面11、出光面15之间构成透镜光线折射区。可以理解的是，所述光线的折射角度及曲率与透镜光线折射区的材质、入光面11、出光面15的形状、曲率有关，并可通过选择光学透镜10的材质、设置出光面15及出光面15形状进行调整。在本实施例中，由于光学透镜10的底面12开设有腔体，因此底面12为形成于平面内的环形片状，其内圈及外圈分别连接于光学透镜10内侧的入光面11及光学透镜10外侧的出光面15。

如图3所示为本发明的第二实施例，第二实施例中的光学透镜20与第一实施例中的光学透镜10大致相同。不同之处在于第二实施例中的光学透镜20中外分光面27所在的呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点也可不位于光源的中心点，只需保证外分光面27上的任一点与其所在呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点之间的连线或连线的延长线相交于具有一定面积的光源200既可。

如图4所示为是本发明的第三实施例，第三实施例中的光学透镜30与第一实施例中的光学透镜10大致相同。不同之处在于，第三实施例中的光学透镜30的内侧设有多个入光面31及设置于相邻两个入光面31之间的内分光面33。

在本实施例中，与外分光面27类似的，单个内分光面33轮廓为被两个相互间隔设置的水平面所截取的圆锥曲面，每个内分光面33分别与一个呈圆锥体的圆锥曲面重合，该呈圆锥体的圆锥曲面以腔体中心点O为圆锥顶点且主轴与腔体中轴线Z重合。在本实施例中，不同的内分光面33所在的圆锥曲面的斜率不同，但其共同点为，各个内分光面33所在的圆锥体均以腔体中心点O为圆锥顶点，且主轴与腔体中轴线Z重合。当光源采用具有一定面积的LED点光源时，所述呈圆锥体的圆锥曲面与所述光源的发光区域相交即可。在本实施例中，所述呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点与光源的发光区域的中心点重合。

在本实施例中，光学透镜分别对应一个外分光面37设有一个内分光面33，对应设置的外分光面37与内分光面33位于同一呈圆锥体的圆锥曲面中。内分光面33与外分光面37也可交错设置。同样的，内分光面33所在的呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点也可不位于光源的中心点，只需保证内分光面33上的任一点与其所在呈圆锥体的圆锥曲面的圆锥顶点之间的连线或连线的延长线相交于具有一定面积的光源200的发光区域既可。

在本实施例中，光学透镜30内侧的腔体的内表面设有多个入光面31，内分光面33设置于相邻两个入光面31之间。

入光面31的轮廓为椭球曲面，入光面31所在的椭球曲面以腔体中心点O为中心且长轴重合于腔体中轴线Z，所述椭球曲面的水平截面为圆形。入光面最大曲率路径31满足以下公式：

$\frac{x^{{,}^2}}{r^{{,}^2}}+\frac{y^{{,}^2}}{l^{{,}^2}}=1$

其中，x’为入光面31上任一点至腔体中轴线Z的水平距离。y’为入光面31上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离。r’为入光面31所在椭球曲面设置于水平方向的的第一半主轴长度，l’为入光面31所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。

如图4所示，在本实施例中，光学透镜30设有多个入光面31。在本实施例中，光学透镜30由下至上设有入光面31a、入光面31b、入光面31c。入光面31a所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₁’，入光面31a所在的椭球曲面的的第二半主轴长度为l₁’。入光面31b所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₂’，入光面31b所在的椭球曲面的第二半主轴长度l₂’。入光面31c所在的椭球曲面的第一半主轴长度为r₃’，入光面31c所在的椭球曲面的第二半主轴长度为l₃’。所述入光面31a、入光面31b、入光面31c满足以下公式：

$1\≤\frac{l_1^{,}}{r_1^{,}}\≤\frac{l_2^{,}}{r_2^{,}}\≤\frac{l_3^{,}}{r_3^{,}}$

可以理解的是，光学透镜可设置n个入光面31，只需保证各个出光面满足以上公式规律：各个入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r₁’之比大于或等于1，且位于上方的入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r₁’之比大于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r₁’之比。

本发明的光学透镜及使用该光学透镜的航空障碍灯可定向改变光强分布和发光角度，改善发光二极管定向集中发光的特点同时，最大限度提高光源转换率,既能满足实际需求,又提高能效标准。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光学透镜，用于对设置于其内的光源所发射的光线进行折射，其特征在于：所述光学透镜外轮廓为半球形的罩状，还包括一个半球形的外表面及连接于球形的顶面的底面，所述光学透镜的底面开设有腔体，腔体中心点位于腔体中轴线及底面所在平面的交点，并与在同一水平面内的出光面的各点之间的距离相等，所述光学透镜还包括设置于内侧的入光面及设置于外侧的多个出光面及多个外分光面，光学透镜内侧的腔体的内表面设有入光面，光学透镜设置于外侧的外表面设有多个出光面及连接于相邻两个出光面之间的外分光面，单个外分光面设置于相邻两个出光面之间；所述光学透镜的出光面的轮廓为椭球曲面，所述出光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且其短轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，所述光学透镜的出光面上任意一点满足以下公式：

其中，x为出光面上任一点至腔体中轴线的水平距离，y为出光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r为出光面所在椭球曲面设置于水平方向的第一半主轴长度，l为出光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度；

所述光学透镜的入光面的轮廓为椭球曲面，入光面所在的椭球曲面以腔体中心点为中心且长轴重合于腔体中轴线，所述椭球曲面的水平截面为圆形，所述入光面上任意一点满足以下公式：

其中，x’为入光面上任一点至腔体中轴线Z的水平距离，y’为入光面上任一点至光源中心点所在水平面的竖直距离，r’为入光面所在椭球曲面设置于水平方向的第一半主轴长度，l’为入光面所在椭球曲面设置于竖直方向的第二半主轴长度。

2.一种使用如权利要求1所述光学透镜的航空障碍灯，其特征在于：包括光学透镜及光源，所述光学透镜包括设置于内侧的多个入光面及多个内分光面、设置于外侧的多个出光面，所述内分光面设置于相邻两个入光面之间，所述出光面、入光面之间构成透镜光线折射区，所述光源设置于所述光学透镜的腔体中心点及腔体中轴线。

3.根据权利要求2所述航空障碍灯，其特征在于：所述光源采用LED点光源，所述光源定向发光并朝向所述腔体设置。

4.根据权利要求2所述航空障碍灯，其特征在于：所述光学透镜由下至上设有多 个出光面，位于上方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比小于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l与第一半主轴长度r之比。

5.根据权利要求2所述航空障碍灯，其特征在于：所述光学透镜设有多个入光面，各个入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比大于或等于1，且位于上方的入光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比大于或等于位于下方的出光面所在椭球曲面的第二半主轴长度l’与第一半主轴长度r’之比。

6.根据权利要求3所述航空障碍灯，其特征在于：内分光面或外分光面轮廓为被两个相互间隔设置的水平面所截取的圆锥曲面，所述内分光面或外分光面所在的圆锥曲面的主轴与腔体中轴线重合，内分光面或外分光面上任一点与其所在的圆锥曲面的圆锥顶点之间的连线或连线的延长线相交于光源的发光区域。

7.根据权利要求6所述航空障碍灯，其特征在于：所述内分光面或外分光面所在的圆锥曲面的圆锥顶点重合于光源的发光区域的中心点。