CN107023781A - 能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法，包括两块对称设置的槽镜，所述槽镜的焦点结上设置有LED光源组焊件，在槽镜外部设置有散热器，槽镜和LED光源组焊件均固定在散热器上。该结构及方法采用多个二次曲面连续连接而成的深槽型反光槽镜，将多个二次曲面的焦点集合形成了一个焦点结，把LED灯珠焊装在该焦点结上，因而实现了LED光源的出光全反射，提高了反射效率，节省了大量能源，同时取消了配光凸透镜，在结构和工艺上都进行了改变，简化了加工，降低了制造成本，其应用范围将更广。

Description

能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法。

背景技术

航空障碍灯按国家标准，顶部高出其地面45米以上的高层建筑必须设置航空障碍灯。为了与一般用途的照明灯有所区别，航空障碍灯不是常亮着而是闪亮，低光强航空障碍灯为常亮，中光强航空障碍灯与高光强航空障碍灯为闪光，闪光频率不低于每分钟20次，不高于每分钟70次。航空障碍灯的作用就是显示出构筑物的轮廓，使飞行器操作员能判断障碍物的高度与轮廓，起到警示作用。

而目前市面上使用的LED高光强航空障碍灯，其由一个浅槽型反光槽镜和一个配光凸透镜组成。但是，浅槽型反光槽镜仅只用了一个二次曲面，即槽镜仅一个焦点。但LED光源的结构一般是将发光芯片置于光杯内，因此其出光是与光杯大小相当的一个大光斑。该光斑可看作是众多光点的集合。因此，一个焦点是不可能让众多光点的光都被反射出来的。造成的光损失将是惊人的。为了满足LED高光强航空障碍灯光强的要求，只有大量增加LED灯珠，即增大功率。因而，不仅造成很大的浪费，而且因功率增大，控制技术更困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是LED高光强航空障碍灯反射效率低，为了达到设定的高光强只能通过增加灯珠，其不仅造成能源浪费，而且因功率增大，控制技术更困难，其目的在于提供一种能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法，该结构及方法采用多个二次曲面连续连接而成的深槽型反光槽镜，将多个二次曲面的焦点集合形成了一个焦点结，把LED灯珠焊装在该焦点结上，因而实现了LED光源的出光全反射，提高了反射效率，节省了大量能源，同时取消了配光凸透镜，简化了加工，降低了制造成本。

本发明通过下述技术方案实现：

能够提高反射率的光学结构，包括两块对称设置的槽镜，所述槽镜的焦点结上设置有LED光源组焊件，在槽镜外部设置有散热器，槽镜和LED光源组焊件均固定在散热器上。光在二次曲面的焦点上可以被二次曲面平行反射出去，这个原理已经在光学领域被证实。现有的LED高光强航空障碍灯都是基于这个原理设计，但是这种障碍灯都是采用浅槽型反光槽镜制成，其需要设计配光凸透镜才能实现光线的汇聚和发射，在这个过程中，始终存在光强的损耗，不能全反射，在这里我们假定焦点上的LED光源是一个尺寸有限的点光源。但是，事实上LED的发光芯片被焊装在一个反光杯内，反光杯一般都有较大的尺寸。因此，光杯内的LED的出光是一个尺寸较大的光斑，我们可以认为是由无数光点组成的。显然，一个二次曲面的焦点值是有限的，绝大多数光点都因无法进入焦点被二次曲面作平行反射。也就是说现有LED高光强航空障碍灯将不是一个全反射装置。为此，本方案采用两块深槽型反光镜组合，将LED光源安装在深槽底部的焦点结上，这样位于焦点结上的光都会被二次曲面平行反射出去。显然，光斑上分出的光点越多，对应的焦点也就越多，匹配的二次曲面也就越多，全反射效果就越真实。本方案把LED灯珠焊装在该焦点结上，因而实现了LED光源的出光全反射，提高了反射效率，节省了大量能源，利用散热器对灯珠热量进行散热，实现快速降温，同时取消了配光凸透镜，从结构和工艺上进行了改变，简化了加工，降低了制造成本。

为了保证高光强航空障碍灯水平90°出光的均匀性，本发明使用了两个深槽型反光镜，将槽镜之间的夹角设计为70°组合装配，这样便可保证在90°出光角内的光会均匀分布。

进一步地，在槽镜远离散热器的一端设置有准直槽镜框，准直槽镜框完全覆盖槽镜的开口端，且槽镜均与准直槽镜框固定，准直槽镜框用于在竖直方向上固定槽镜。准直槽镜框设置在灯盖和槽镜之间，在灯盖和准直槽镜框之间设置有灯罩、密封垫及防震圈，准直槽镜框、灯罩、密封垫及防震圈均通过压板与灯盖固定，灯罩、密封垫及防震圈是对槽镜内部进行密封，防止灰尘或者其它杂质进入。支撑板设置在散热器和灯盖之间且同时与散热器和灯盖固定。支撑板是用于对整个结构的重量进行支撑，而减少槽镜的受力，防止槽镜损坏，支撑板包括上支撑板和下支撑板，上支撑板位于下支撑板上方，且上支撑板和下支撑板沿着槽镜的对称线对称设置，上支撑板和下支撑板均设置在散热器和灯盖之间且同时与散热器和灯盖固定，槽镜、准直槽镜框、灯罩、密封垫及防震圈均设置在上支撑板、下支撑板、散热器和灯盖形成的区域中。压板分别设置在上支撑板和槽镜之间、下支撑板和槽镜之间。其中风机设置在上支撑板、下支撑板、散热器和灯盖形成的区域外部，并且风机的出风口正对散热器，实现快速对灯体的散热。

现有的LED高光强航空障碍灯结构只有采用注塑件，当LED功率大一些，会产生热变形等，而为了达到高光强，其又只能通过大量增加LED灯珠，即增大功率来实现，产生的热变形大，而本方案则是采用薄铝材在液压机上模压成形之后真空镀硬模，在受热时不会变形，将散热器采用铝材料制成，提高其散热效率，从而使得结构降温更快，使用寿命更长。

能够提高反射率的深槽型反光镜的形成方法，包括以下步骤：

(1)设定焦点群：根据抛物线方程确定二次曲面，其中2P在2.8～3.2之间；

(2)将步骤(1)中获得的二次曲面依次光滑连接后加工形成槽镜；

(3)将槽镜对称安装，再将LED灯珠焊装在槽底的集合焦点上，形成深槽型全反射反光镜。

本发明就是基于单珠LED光源的大光斑是由众多单体光点构成的设想实现的，先出单珠LED光源的大光斑是一由数百个(此数越大越真实)不同位置尺寸的单体光点构成的集合体。因此，在二次曲面光学系统内，也应建立数百个单体焦点集合体以满足这些单体光点的光学要求。根据二次方程当参数2P值越大，旋转平面就越伸张，结构就越庞大；反之就越收拢，结构就越紧凑。实际上较紧凑的结构符合灯体结构要求，所以我们选择了较小的2P值，焦点群在2.8～3.2之间的数百个点位上，在这个范围中设计了数百个对应的二次曲面，并使之光滑连接，保留焦点以上的部分，之后将该设计需求通过电加工中心设备上按要求进行精密加工和抛光，于是一片由多个二次曲面连续链接的全反射镜便形成了。用这样两片全反射镜将其对称安装，便形成了一个深槽反光系统，再将多珠LED灯珠有序地焊装在槽底的集合焦点上，便得到了深槽型全反射反光镜。采用这种深槽型全反射反光镜得到的光学结构还是基于光在二次曲面的焦点上可以被二次曲面平行反射出去的原理，但是其由若干个二次曲面依次连接构成，使得位于焦点结上的光都会被二次曲面平行反射出去。显然，光斑上分出的光点越多，对应的焦点也就越多，匹配的二次曲面也就越多，全反射效果就越真实，可将LED的光斑全反射出去，因而解决了高光强障碍灯的光强难以实现的困境。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：该结构及方法采用多个二次曲面连续连接而成的深槽型反光槽镜，将多个二次曲面的焦点集合形成了一个焦点结，把LED灯珠焊装在该焦点结上，因而实现了LED光源的出光全反射，提高了反射效率，节省了大量能源，同时取消了配光凸透镜，在结构和工艺上都进行了改变，简化了加工，降低了制造成本，其应用范围将更广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-风机，2-风机安装盒，3-固定装置一，4-风机盒盖板，5-支撑板，6-槽镜，7-灯盖，8-固定装置二，9-压板，10-固定装置三，11-密封垫，12-灯罩，13-螺钉，14-准直槽镜框，15-准直槽挡头板，16-LED光源组焊件，17-散热器，18-导流罩，19-挡风罩，20-固定装置四。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，能够提高反射率的光学结构及其深槽型反光镜的形成方法，其形成的硬件结构是：主要采用两片由多曲面连续连接而组成的深槽型槽镜6构成，槽镜6对称设置，且其中一块设置在另一块的上方，在槽镜6的焦点结上设置有LED光源组焊件16，槽镜6和LED光源组焊件16均被紧固在铝质散热器17上，在槽镜口部用螺钉13穿过准直槽镜框14将槽镜口紧固，且准直槽镜框14完全覆盖槽镜6的开口端，在准直槽镜框14外安装有灯罩12、密封垫11及防震圈，灯罩12用钢化玻璃制成，并用固定装置三10穿过压板9将槽镜系统装配在灯盖7上。为了不使槽镜6承受重力，还设计有支撑板5，支撑板5设置在散热器17和灯盖7之间且同时与散热器17和灯盖7固定，支撑板5与灯盖7的固定通过固定装置二8实现。支撑板5包括上支撑板和下支撑板，上支撑板位于下支撑板上方，槽镜6、准直槽镜框14、灯罩12、密封垫11及防震圈均设置在上支撑板、下支撑板、散热器17和灯盖7形成的区域中，显然，当LED灯珠被点亮后，因其处于槽镜6的焦点结上，全部灯光将会被多个连续连接的二次曲面反射出去，再透过灯罩12射出灯外。在灯的运行中LED光源将会产生热量，为此，设置有一组轴流风机1进行强制散热，风机1设置在上支撑板、下支撑板、散热器17和灯盖7形成的区域外部，并且风机1的出风口正对散热器17。风机1安装在风机安装盒2中，风机1通过固定装置一3固定在风机安装盒2中，风机安装盒2的顶部开口端设置有风机盒盖板4，便于打开后对风机1的安装和维修。为了保证散热效果，我们还增设了导流罩18和挡风罩19，并通过固定装置四20进行固定。其中固定装置一3、固定装置二8、固定装置三10以及固定装置四20均由垫圈、螺母和螺钉组合构成。在实际的结构中还设计有准直槽挡头板15，用于在纵向上进行阻挡和安装，形成整体密封结构。

图1是一个剖面图，实际上为了保证高光强航空障碍灯水平90°出光的均匀性，本发明使用了两个深槽型反光镜，按70°组合装配，这样便可保证在90°出光角内的光会均匀分布。

LED光源在结构上一般都是将其发光芯片置于一专门设计的光杯内。因为结构原因光杯一般都具有较大尺寸，因此，其光源的出光也是一个尺寸较大的大光斑。这给灯具的光学设计造成了不少麻烦。

特别是，如果将其用作高光强航空障碍灯的光源，则其灯具的光学设计就更困难了。我们知道，高光强航空障碍灯的光强高达10万～20万cd以上，其垂直光束扩散角被限定在3°～7°以内(以水平0°计)，水平光束扩散角被限定在90°或120°以内。因此，必须要设计一套高效的光学系统方可满足灯具的需要。LED较其他光源，其高达180～220Lm/W的光效是其他所有目前开发出来的光源无法比拟的。所以，选用LED作高光强航空障碍灯的光源比选用其他光源将更易达到性能要求。

显然，当把高光强航空障碍灯垂直放置，再把LED光源与灯垂直安装，则LED的出光(即灯具的光)将会水平射出，其射出角即为其光杯的反射角。所以，需要设计一个反光槽镜，把反射角控制在3°～7°内，之后将其水平安装在灯内，再把LED光源安装在槽底，则LED的出光将会被反射汇聚在3°～7°之内，就满足了灯具性能要求。但是如前所述，因为LED的出光是一下尺寸较大的光斑，可以认为是由数以千计的光点组成，如果我们只用一个二次曲面作为反光面，则因大量光点都不在焦点上，而不能实现全射，造成了大量光的损失。

目前市面上常见的设计都是仅采用一个焦点对应的一个二次曲面的浅槽型槽镜，LED光源虽处于焦点上，但因大部分光点仍在焦点以外，达不到被二次曲面平行全反射的目的。为此需要在二次曲面的槽镜口设置了配光凸透镜，当未被反射的光直接射向配光凸透镜，由其进行汇聚后射出，该结构也可以满足光强在2万cd以内的中低光级航空障碍灯的性能要求。但存在如下几个缺点：一是光不能全反射，还需配用配光凸透镜，增加了零件，增加了制造成本；二是因不能达到全反射，不仅浪费了光效，而且难于用在发光强度高的高光强障碍灯上。因此，用途受到了限制；三是该结构只有采用注塑件，当LED功率大一些，会产生热变形等。

本发明的设计基础是将LED光斑是定义由数以百计的同一大小不同位置的光点所组成的设想。因光点的位置不同，在二次曲面系统内其焦点也不同。根据这些不同的焦点值可以设计出众多二次曲面，再连续连接，得到本发明的深槽型LED全反射槽镜。本发明充分研究了LED光斑，并将其按所处的位置不同，定义成大小相等的数百多个光点，按光点必须处在焦点上方可平行反射的二次曲面的光学特性，设计了数百多个焦点，再将各焦点对应的二次曲面进行理想分割后连续光滑链接；从而获得了深槽型LED全反射槽镜。在此系统内，可将LED的光斑全反射出去，因而解决了高光强障碍灯的光强难以实现的困境。本发明则一改以上不足，采用薄铝材在液压机上模压成形之后真空镀硬模，从根本上解决了现有设计之不足。而且本发明也可以用于中、低光强航空障碍灯。当用在中、低光强障碍灯时会更省能。综上，本发明能够省能和成本低，其应用范围将更广。

本方案根据实际灯体需求选取一个焦点结，把结上的全部焦点对应的二次曲面描绘出来，再将诸面连续连接呈一光滑曲面。这样位于焦点结上的光都会被二次曲面平行反射出去。显然，光斑上分出的光点越多，对应的焦点也就越多，匹配的二次曲面也就越多，全反射效果就越真实。我们定义了数百多个光点，对应有数百多个二次曲面，经连续链接便形成了槽深达200mm的全反射槽镜。而其具体的选取方法是先设定焦点群，根据抛物线方程确定二次曲面，当参数2P值越大，旋转平面就越伸张，结构就越庞大；反之就越收拢，结构就越紧凑。较紧凑的结构符合灯体结构要求，所以我们选择了较小的2P值，焦点群2P值在2.8～3.2之间的数百个点位上，再将对应的数百个对应的二次曲面光滑连接，保留焦点群以上的部分，之后将该设计需求通过计算机转换在电加工中心设备上按程序进行精密加工和抛光，于是一片由多个二次曲面连续连接的全反射镜便形成了。用这样两片全反射镜将其对称安装，便形成了一个深槽反光系统，再将多珠LED灯珠有序地焊装在槽底的集合焦点上，便得到了深槽型全反射反光镜。将LED光源安装在深槽底部的焦点结上，当灯珠数量在12个左右(相当于120W)，其峰值光强可达40多万cd，折合成有效光强已达10万cd以上，而现有障碍灯仅能达到2万cd(有效光强)，所以认定本发明已达全反射效果。经过将该系统进行测试，当槽内有序焊装的LED灯珠数量达到120W后，其峰值光强可达40万cd以上。如果将两个这样的深槽型全反射槽镜带角组合，便可满足水平90°范围内光强的均匀性，符合国家标准要求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.能够提高反射率的光学结构，其特征在于，包括两块对称设置的槽镜(6)，所述槽镜(6)的焦点结上设置有LED光源组焊件(16)，在槽镜(6)外部设置有散热器(17)，槽镜(6)和LED光源组焊件(16)均固定在散热器(17)上。

2.根据权利要求1所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，所述槽镜(6)之间的夹角为70°。

3.根据权利要求1所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，所述槽镜(6)远离散热器(17)的一端设置有准直槽镜框(14)，准直槽镜框(14)完全覆盖槽镜(6)的开口端，且槽镜(6)均与准直槽镜框(14)固定。

4.根据权利要求3所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，还包括灯盖(7)，准直槽镜框(14)设置在灯盖(7)和槽镜(6)之间，在灯盖(7)和准直槽镜框(14)之间设置有灯罩(12)、密封垫(11)及防震圈，准直槽镜框(14)、灯罩(12)、密封垫(11)及防震圈均通过压板(9)与灯盖(7)固定。

5.根据权利要求4所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，还包括支撑板(5)，所述支撑板(5)设置在散热器(17)和灯盖(7)之间且同时与散热器(17)和灯盖(7)固定。

6.根据权利要求5所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，所述支撑板(5)包括上支撑板和下支撑板，上支撑板位于下支撑板上方，且上支撑板和下支撑板沿着槽镜(6)的对称线对称设置，上支撑板和下支撑板均设置在散热器(17)和灯盖(7)之间且同时与散热器(17)和灯盖(7)固定，槽镜(6)、准直槽镜框(14)、灯罩(12)、密封垫(11)及防震圈均设置在上支撑板、下支撑板、散热器(17)和灯盖(7)形成的区域中。

7.根据权利要求6所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，所述压板(9)分别设置在上支撑板和槽镜(6)之间、下支撑板和槽镜(6)之间。

8.根据权利要求6所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，还包括风机(1)，所述风机(1)设置在上支撑板、下支撑板、散热器(17)和灯盖(7)形成的区域外部，并且风机(1)的出风口正对散热器(17)。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的能够提高反射率的光学结构，其特征在于，所述散热器(17)采用铝材料制成。

10.能够提高反射率的深槽型反光镜的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设定焦点群：根据抛物线方程确定二次曲面，其中2P在2.8～3.2之间；

(2)将步骤(1)中获得的二次曲面依次光滑连接后加工形成槽镜；

(3)将槽镜对称安装，再将LED灯珠焊装在槽底的集合焦点上，形成深槽型全反射反光镜。