CN104344347A - 一种基于单颗led立式滑行道边灯的自由曲面透镜 - Google Patents

一种基于单颗led立式滑行道边灯的自由曲面透镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，该透镜可以改变光源的发射方向，LED与中心轴线所成的小角度光经准直自由曲面准直后由全反射面反射，LED与中心轴线所成的大角度光经折射自由曲面折射，两部分出射光束均沿垂直于中心轴线方向0°～6°仰角范围内向周围发射，增强了LED的侧面发光效率；透镜上部周边表面的锯齿可以均匀光线使6°～75°仰角范围内产生较小的光强。本发明采用单透镜结构，与传统多颗光源的结构相比具有光效高，体积小，更易于调整光束角度与光强，使用寿命长，安装简单，维护费用低等优点，仅采用一颗LED光源就可满足FAA标准规定的滑行道边灯光强分布要求。

Description

一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜
技术领域
本发明涉及一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，属于民用机场助航照明灯具领域。
技术背景
跑道中线灯设置在滑行道的边缘，具有照明指示或警示作用。滑行道边灯必须是发蓝色光的恒定发光灯。传统的滑行道边灯采用卤钨灯作为光源，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，LED具有寿命长、耗能低、光效高、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。
根据机场的用途，滑行道边灯分为嵌入式滑行道边灯以及立式滑行道边灯。其中立式滑行道边灯立于地面上，便于灯具的即刻维修或更换，操作性好。目前，采用LED光源的滑行道立式边灯多为由若干颗LED镶嵌构成的“玉米棒”形的照明灯具，通过调整LED光源在中间柱体上的摆放位置及数量改变光束角度与光强用以满足机场灯具的使用标准。但是，这种灯具存在如下问题：多颗LED镶嵌结构中每一颗LED的使用寿命存在一定的差别，影响灯具的整体使用寿命；此结构的光束角度与光强不易控制，不得不镶嵌多颗LED以满足光强要求，同时光束较发散，光能利用率低。解决上述问题的立式滑行道边灯可以采用单颗LED作为光源设计满足要求的自由曲面透镜，对LED光源进行二次配光，设计难度增大。因此，本发明为解决多颗LED镶嵌结构的滑行道边灯的缺点，提出了一种具有光效高，体积小，易于调整光束角度与光强，使用寿命长，安装简单，维护费用低等优点的单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜。
发明内容
本发明的目的是解决在满足FAA(联邦航空局Federal AviationAdministration)标准规定的滑行道边灯光强分布要求的条件下，光束发散、光强较低、光能利用率低、多颗LED组合结构、灯具整体使用寿命较短等问题，提出一种基于LED光源单颗立式滑行道边灯透镜。该透镜具有结构简单、体积紧凑小巧、单颗LED光源、便于灯具的即刻维修或更换、光能利用率高、耗能低、寿命长、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。
本发明的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述滑行道边灯透镜为旋转对称结构，采用全反射-折射组合式的结构，由上下两个部分组成，其中上透镜为全反射透镜，下透镜为自由曲面折射透镜；
所述下透镜包括内准直自由曲面、凹槽侧壁以及自由曲面折射面，LED与中心轴线所成的0°～30°角度的光线经内准直自由曲面后准直出射，LED与中心轴线所成的30°～90°角度的光线先经与中心轴线成3°倾角的透镜凹槽侧壁折射，再由折射自由曲面折射使光束均沿垂直于中心轴线方向0°～6°仰角范围内向周围发射；
所述上透镜包括全反射面、连接表面以及透镜上部周边表面的锯齿，全反射面将由内准直自由曲面准直的光束反射后经连接表面折射使光束沿垂直于中心轴线方向小角度仰角范围内向侧面一周发射，透镜上部周边表面的锯齿可以均匀光线使6°～75°仰角范围内产生较小的光强；
所述全反射面为一平面，该平面与中心轴线所成的角度为45°；
所述连接表面是以中线轴线为中心的柱面，用于连接下透镜的开口端点与锯齿的最下方端点；
所述透镜上部周边表面的锯齿共有两条，均设于所述连接表面之上，且各锯齿齿深均为0.25mm，锯齿斜面与连接表面的夹角均为145°；
所述滑行道边灯透镜底部具有两个起固定作用的定位柱，便于透镜的安装与固定；
所述滑行道边灯透镜仅采用一颗LED作为光源即可满足FAA标准规定的滑行道边灯光强分布要求；
所述滑行道边灯透镜采用亚克力(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。
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、绿色环保的优点；基于单颗LED光源对滑行道边灯透镜进行设计，仅采用一颗LED即可满足FAA标准规定的滑行道边灯光强分布要求，相比其他形式的滑行道边灯具有透镜结构简单，体积小，避免了由于多颗LED结构中单颗LED的使用寿命差别引起的灯具使用寿命短的缺点，单颗LED使用寿命更稳定，有利于降低维护成本，并且单颗LED透镜的发射光束角更容易控制，使光束在规定范围内更集中，提高光能利用率。
附图说明
图1为本发明中的基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜的原理图；
图2为本发明中的基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜剖面图；
图3为本发明中的基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜的三维示意图；
图4为本发明中的基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜的光线追迹图；
图5为本发明中的基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜的远场角度分布图；
图中，1-内准直自由曲面、2-凹槽侧壁、3-自由曲面折射面、4-全反射面、5-连接表面、6-LED光源、7-定位柱、8-下透镜、9-上透镜、10-透镜上部周边表面的锯齿。
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，本发明的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜为全反射-折射组合式的旋转对称结构，由上透镜(8)和下透镜(9)两个部分组成，上透镜是利用光的全反射作用，下透镜是利用光的折射作用。LED光源(6)正对透镜底部的内凹开口，LED光源(6)的发光芯片与内凹开口第一个台阶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(6)。下透镜(9)的底端面与LED光源封装后的底端面在一个水平面上，下透镜(9)将LED光源(6)与中心轴线所成的大角度光经折射自由曲面折射后沿与透镜的中心轴线相垂直的方向发射出去；上透镜(8)，其底部与下透镜(9)的上部相连，将LED光源(6)与中心轴线所成的小角度光经内准直自由曲面(9)的准直光由全反射面(4)反射沿与透镜的中心轴线相垂直的方向发射出去。
所述下透镜(9)包括内准直自由曲面(1)、凹槽侧壁(2)以及自由曲面折射面(3)；其中内准直自由曲面(1)以及自由曲面折射面(3)的二维坐标可以根据Snell定律求解出来，自由曲面折射面(3)的上端点坐标由内准直自由曲面(1)最高点坐标确定，为了便于注塑生产，凹槽侧壁(2)为一具有3°倾角的锥面，有利于透镜的脱模；内准直自由曲面(1)将LED光源(6)与中心轴线所成的0°～30°角度的光线准直，LED光源(6)与中心轴线所成的30°～90°角度的光线先经透镜凹槽侧壁(2)折射后再由折射自由曲面折射(3)使光束沿垂直于中心轴线方向0°～6°仰角范围内向周围发射。
所述上透镜(8)包括全反射面(4)、连接表面(5)以及透镜上部周边表面的锯齿(10)；其中全反射面(4)与中心轴线所成的角度为45°，连接表面(5)是以中线轴线为中心的柱面，用于连接下透镜的开口端点与锯齿的最下方端点，透镜上部周边表面的锯齿(10)共有两条，均设于所述连接表面上方，且各锯齿齿深均为0.25mm，锯齿斜面与连接表面(5)的夹角均为145°；全反射面(4)将由内准直自由曲面(1)准直的光束反射后经连接表面(5)折射使光束沿垂直于中心轴线方向小角度仰角范围内向周围发射，透镜上部周边表面的锯齿(10)可以均匀光线使6°～75°仰角范围内产生较小的光强，使出射的光束满足FAA标准规定的滑行道边灯光强分布要求。
所述滑行道边灯透镜底部具有两个起固定作用的定位柱(7)，便于透镜的安装与固定。
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由所选LED的尺寸确定。
FAA标准规定的滑行道边灯光强分布要求为：滑行道边灯光强在0°～6°仰角范围之内必须至少为2cd，6°～75°仰角范围之内为0.2cd，因此本发明的跑道中线灯发出的光束必须满足FAA标准规定的配光要求，才能够用于机场滑行道边灯照明。
如图3所示，所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜仅采用一颗LED作为光源，这里采用CREE公司的XP-E型号的LED，输入光源信息，对单颗立式滑行道边灯透镜进行光线追迹。
如图4所示，本发明的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜针对LED侧面发射进行二次光学设计，将LED发光芯片中心轴线的方向定为0度方位角，光源光通量设为7.4lm，大部分光线均能均沿垂直于中心轴线方向小仰角范围内向周围发射，得到了LED侧面发光效率较高的效果。
如图5所示，从远场极坐标分布图可以看出：LED光源(6)发出的光经过滑行道边灯透镜全反射和折射后，集中在一个较小的角度内向侧面方向的一周射出，LED远场角度分布的峰值在方位角±87°左右的位置，峰值大小为7cd，峰值宽度约为8°，而LED光源(6)的中心轴线方向，方位角±75°以内的光强在0.2cd左右，LED的侧面发光效率非常理想，足以满足FAA标准规定的滑行道边灯的配光要求。

Claims (7)

1.一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述滑行道边灯透镜为全反射-折射组合式的旋转对称结构，由上下两个部分组成；其中上透镜为全反射透镜，其将LED与中心轴线所成的小角度光经内准直自由曲面准直后由全反射面反射；下透镜为自由曲面折射透镜，其将LED与中心轴线所成的大角度光经折射自由曲面折射，两部分出射光束均沿垂直于中心轴线方向小角度仰角范围内向周围发射。
2.根据权利要求书1所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述下透镜包括内准直自由曲面、凹槽侧壁以及自由曲面折射面，所述内准直自由曲面将LED与中心轴线所成的0°～30°角度的光线准直，LED与中心轴线所成的30°～90°角度的光线先经透镜凹槽侧壁折射后再由折射自由曲面折射使光束沿垂直于中心轴线方向0°～6°仰角范围内向周围发射。
3.根据权利要求书1所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述上透镜包括全反射面、连接表面以及透镜上部周边表面的锯齿，所述全反射面将由内准直自由曲面准直的光束反射后经连接表面折射使光束沿垂直于中心轴线方向小角度仰角范围内向周围发射，所述透镜上部周边表面的锯齿可以均匀光线使6°～75°仰角范围内产生较小的光强。
4.根据权利要求书3所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述全反射面与中心轴线所成的角度为45°；所述连接表面是以中心轴线为中心的柱面，用于连接下透镜的开口端点与锯齿的最下方端点。
5.根据权利要求书3所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述透镜上部周边表面的锯齿共有两条，均设于所述连接表面上方，且各锯齿齿深均为0.25mm，锯齿斜面与连接表面的夹角均为145°。
6.根据权利要求书1所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述滑行道边灯透镜底部具有两个起固定作用的定位柱。
7.根据权利要求书1所述的一种基于单颗LED立式滑行道边灯的自由曲面透镜，其特征在于：所述滑行道边灯透镜采用亚克力(PMMA)材料。
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