CN103644487A

CN103644487A - 一种基于自由曲面透镜的led跑道中线灯光学系统

Info

Publication number: CN103644487A
Application number: CN201310743977.8A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 徐春云
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，属于民用机场助航照明灯具领域。包括LED光源、全反射自由曲面准直透镜以及棱镜；系统采用LED作为光源具有光效高、寿命长、体积小、绿色环保等优点；采用旋转对称自由曲面全反射透镜将LED发出的光汇聚以满足自然变化的正态分布发光强度分布的出光角度近似平行光出射；利用透射式一体化棱镜调整准直透镜出射的光线方向，使光束水平倾斜向上扩散，满足国家标准对跑道中线灯光强分布的要求。本发明采用全反射式透镜实现光束准直而不是镜面反射，其反射效率高于镜面反射，采用入光面设置有凹凸相间的柱面透镜的一体化棱镜减小棱镜体积，隐藏光源，解决光束出光角度问题。

Description

一种基于自由曲面透镜的LED跑道中线灯光学系统

技术领域

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统,属于民用机场助航照明灯具领域。

技术背景

跑道中线灯设置在机场跑道的中心线，标示了跑道的轮廓可以让飞机在夜间、低能见度或者其他恶劣气象条件下进行正常起飞、着陆，是机场跑道导航灯的一种。跑道中线灯的颜色为白色和红色。目前，跑道中线灯的光源大多采用卤钨灯或金属高压钠灯，存在着效率低、使用寿命短、温度高、灯具结构复杂、维护成本高等缺点，作为跑道中线灯使用时必须增设红色滤光片，不仅光源的利用率低而且增加了成本。随着科学技术的不断发展，把LED应用到助航照明灯具领域逐渐成为可能。LED具有寿命长、光效高、耗能低、体积小、结构简单、维护成本低、绿色环保等优点，采用LED作为助航照明灯具领域的光源将会逐渐成为发展趋势。

采用LED光源进行照明时，为满足助航灯光系统的国家标准，需要进行二次光学设计，一般采用反光杯对光源进行配光，但是这种方式对LED光源的光通量利用率较低，采用全反射式透镜实现光束准直而不是镜面反射，其反射效率高于镜面反射，克服了反光杯对小角度光束配光的不足；同时，自由曲面透镜的前表面可以根据所需要的配光形式进行调整，与反光杯相比，增加了设计的自由度，提高了LED的利用率。

中线灯棱镜是跑道中线灯灯具内部的主要光学部件，其作用是在规定的光强范围下，通过改变光线的出光角度来调整光束的覆盖形状及范围。传统的中线灯棱镜，入光面为平面，无法均匀的扩散光线，有的灯具增加了散射片结构，但这不仅使整个光学系统的体积增大而且对光能有衰减作用，将棱镜和散射片作成一体化棱镜，减少了工序、误差与成本。

发明内容

本发明的目的是解决在满足国家标准对跑道中线灯光分布的要求的条件下，系统寿命短、结构复杂、耗能高、光能利用率低等问题，提出一种基于自由曲面透镜的LED跑道中线灯光学系统。该系统具有结构简单、体积紧凑小巧、光能利用率高、耗能低、绿色环保等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：包括LED光源、全反射自由曲面准直透镜以及棱镜；

所述光源采用三颗可发白光或红光的LED作为光源；

所述全反射准直透镜采用亚克力（PMMA）玻璃材料，具有较好的透明性和化学稳定性，且价格合理，适用于大批量生产；

所述全反射准直透镜是形状类似圆台状的旋转对称结构，包括内自由曲面、全反射自由曲面、凹槽侧壁以及前表面自由曲面，透镜底部设有内凹开口，LED光源放置在内凹开口内，LED发出的小角度的光经过内自由曲面会聚后准直出射，LED发出的大角度的光经过垂直的凹槽侧壁折射射入全反射自由曲面，光线经会聚后准直出射，透镜的前自由曲面采用一个满足自然变化的正态分布发光强度分布的出光角度来满足国家标准对跑道中线灯光分布中心区域光强较高的要求，并且透镜的出光角度与标准规定的角度可以很好的匹配，最终实现透镜近似平行光出射；

所述全反射自由曲面准直透镜采用全反射式透镜实现光束准直而不是反光杯采用的镜面反射,其反射效率高于镜面反射，同时，自由曲面透镜的前表面可以根据所需要的配光形式进行调整，提高LED的利用率；

所述棱镜出光面处出射光线的主光线与地面夹角为4.5°；

所述棱镜包括入光面和出光面，所述入光面设置内凹凸相间的柱面透镜，光束通过柱面透镜折射而扩散成±5°，满足要求的主光束水平角度，光线经过入光面扩散后到达出光面，出光面与入光面的夹角α，根据与地面成一定角度的光源经自由曲面全反射透镜后得到的棱镜入射光线与出射光线的夹角δ，按照tanα=sinδ/(n-cosδ)得出，n为棱镜材料折射率，计算得出光面与入光面的夹角α为32.57度，出光面光线角度偏折，满足跑道中线灯灯具的配光要求；

所述棱镜为不规则四边形的透射式棱镜，无需镀反射膜，减少加工工序，提高光能利用率；

所述棱镜采用折射率为1.523的冕牌玻璃材料；

所述光源与地面所成角度为27度，所述出光面与地面所成角度为30.43度，有利于机械结构的设计，达到隐藏光源，减小出光面高度的目的。

有益效果：

本发明采用LED作为光源具有寿命长、光效高、耗能低、体积小、结构简单、维护成本低、绿色环保的优点；采用全反射准直透镜对LED发出的发散光线进行二次配光其反射效率高于反光杯的镜面反射，并且自由曲面能更准确的对光线进行二次配光，给灯具的配光创造了更多空间，提高了LED的利用率；采用扩散片置于入射面的透射式棱镜，不仅简化了光学系统的体积，同时减少了加工工序，降低了误差与成本；该光学系统结构紧凑，耗能低，可以提高跑道中线灯灯具的使用寿命，节约成本。

附图说明

图1为本发明中的基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统结构示意图；

图2为本发明中的基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统的立体结构示意图；

图3为本发明中的自由曲面透镜的立体结构示意图；

图4为本发明中的自由曲面透镜的剖面示意图；

图5为本发明中的棱镜的立体结构示意图；

图6为本发明中的棱镜的仰视图；

图7为本发明中的棱镜的左视图；

图8为本发明中的棱镜的前视图；

图9为本发明的实施实例提供的跑道中线灯的光强分布图。

图中，1-LED光源、2-全反射自由曲面准直透镜、21-全反射自由曲面准直透镜内自由曲面、22-全反射自由曲面准直透镜全反射自由曲面、23-全反射自由曲面准直透镜前表面自由曲面、24-全反射自由曲面准直透镜凹槽侧壁、25-全反射自由曲面准直透镜旋转对称轴、3-棱镜、31-棱镜入光面、32-棱镜出光面、33-棱镜凹凸相间的柱面透镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1、图2所示，本发明的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统包括三颗LED光源（1）、三个全反射自由曲面准直透镜（2）以及一个棱镜（3）。LED光源（1）正对透镜底部的内凹开口，LED光源（1）的发光芯片与全反射自由曲面准直透镜（2）的底端面在一个水平面上，优选发光角为110°～130°之间的LED光源（1），LED光源的发光球面置于全反射自由曲面准直透镜的内凹开口内，LED光源（1）发出的光经过全反射自由曲面准直透镜（2）会聚，近似平行光出射；三颗LED与全反射自由曲面准直透镜并列紧凑的排列，正对着在棱镜的入光面，透镜的上表面最高点距离棱镜的距离为0.5mm，经过入光面设置有内凹相间的柱面透镜起散射作用的棱镜（3）调整光束的覆盖形状及范围，光束通过柱面透镜折射而扩散成一定角度，使出射的光束满足国家标准对跑道中线灯的光强分布要求。

如图3、图4所示，一种全反射自由曲面准直透镜包括内自由曲面（21）、全反射自由曲面（22）以及前表面自由曲面（23），LED发出的与主光轴夹角为0～30°的小角度光线经过内自由曲面会聚后，使得LED出射的该范围内的光束准直出射，LED发出与主光轴夹角为30～90°的大角度光线经过凹槽侧壁（24）折射射入全反射自由曲面，光线经会聚后准直出射，透镜的前自由曲面采用一个满足自然变化的正态分布发光强度分布的出光角度来满足国家标准对跑道中线灯光分布中心区域光强较高的要求，将透镜前自由曲面的出光角度与透镜的内自由曲面及全反射自由曲面发出的准直光线建立一一对应的光系，透镜的出光角度与标准规定的角度良好匹配，最终实现透镜近似平行光出射；

如图3、图4所示，所述的透镜是形状类似圆台状的旋转对称结构，根据Snell定律将透镜的内自由曲面（21）、全反射自由曲面（22）以及前表面自由曲面（23）的二维坐标求解出来，通过绕旋转对称轴（25）将透镜的轮廓曲线旋转360°即可得到全反射自由曲面准直透镜。

如图3、图4所示，所述的透镜采用亚克力（PMMA）玻璃材料，具有较好的透明性和化学稳定性，透镜折射率为1.497，透镜的内自由曲面起始点与全反射自由曲面的起始点由所选LED的尺寸确定。

如图5，图6，图7以及图8所示，所述的棱镜的入光面（31）处设置有凹凸相间的柱面透镜（33），深度为1mm，优选九个凹凸相间的柱面相邻排列，每个柱面透镜的宽度优选为5mm，曲率半径优选为15.47mm，入光面厚度优选为4mm，光线经过入光面形成水平扩散后，到达与入光面成32.57度的出光面（32），调整垂直方向的光线能量分布，将中心能量较高的光强区域向下偏折，满足跑道中线灯灯具的配光要求。

国际民航公约（ICAO）对跑道中线灯配光要求为：水平-垂直系统内的光强分布，主光束(垂直：0°～9°，水平：-5°～5°)平均光强达到5000cd以上，最小光强达到2500cd以上，而次光束(垂直：0°～13°，水平：-7°～7°)的光强大于500cd，因此本发明的跑道中线灯发出的光束必须满足国际民航公约的配光要求，才能够用于机场跑道照明。

如图9所示，图中显示了基于自由曲面透镜的LED跑道中线灯光学系统发出的白光的模拟光强分布。该模拟光强分布中，光强最小值：0.000004219cd，最大值：7533.1cd，总光通量：474.14lm，24072条光线；该图为与系统的主光轴垂直的方向的平面图，图中0表示出光光束的基点，L表示沿光轴水平方向向左偏移；R表示沿光轴水平方向向右偏移；U表示垂直光轴方向向上偏移；D表示垂直光轴方向向下偏移。（如图中A点表示在与系统的主光轴垂直的平面中，沿光轴水平方向向左偏移3°，垂直光轴方向向上偏移5°）。图中三个不规则圆圈区域分别代表不同的光强度，三个区域边界线依次标记为a，b，c。其中区域a边界的光强为5000cd，边界内部的光强大于5000cd，边界外部的光强小于5000cd；区域b边界的光强为2500cd，边界a与边界b之间的区域的光强大于2500cd并且小于5000cd；区域c边界的光强为500cd，边界b与边界c之间的区域的光强大于500cd并且小于2500cd，边界外部的光强小于500cd。分析该光强分布图可以得出，当白光在水平方向±5°,垂直方向0°～9°时，水平方向和垂直方向的边界大部分落于区域a以内，少部分落于边界a和边界b之间光强较强的区域，计算该区域的光强平均值，可以得到白光的平均光强≥5000cd，满足国际民航公约的配光要求。

Claims

1.一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：包括LED光源、全反射自由曲面准直透镜以及棱镜；所述光源位于所述全反自由曲面射准直透镜内凹开口内部；所述全反射自由曲面准直透镜为旋转对称结构；所述棱镜包括与所述透镜正对的入光面以及与所述入光面倾斜一定角度的出光面。

2.根据权利要求书1所述的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：所述光源采用可发白光或红光的三颗LED作为光源。

3.根据权利要求书1所述的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：所述全反射自由曲面准直透镜包括内自由曲面、全反射自由曲面、凹槽侧壁以及前表面自由曲面，将LED发出的光会聚，以满足自然变化的正态分布发光强度分布的出光角度近似平行光出射。

4.根据权利要求书1所述的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：所述棱镜出光面处出射光线的主光线与地面夹角为4.5°。

5.根据权利要求书1所述的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：所述棱镜包括入光面和出光面，所述入光面设置凹凸相间的凸透柱面透镜，所述出光面与入光面的夹角α，根据与地面成一定角度的光源经自由曲面全反射透镜后得到的棱镜入射光线与出射光线的夹角δ，按照tanα=sinδ/(n-cosδ)得出，n为棱镜材料折射率。

6.根据权利要求书1所述的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：所述全反射自由曲面准直透镜采用亚克力（PMMA）材料，棱镜采用折射率为1.523的冕牌玻璃材料。