CN109539045A - 一种反射式led信号灯 - Google Patents
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Abstract
本发明属于照明技术领域,具体为一种反射式LED信号灯。其结构包括壳体、面罩、LED灯珠、盖板、后盖、PCB电路板;LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、面罩组成光学模组,放置固定于灯壳内部的凹槽内;本发明根据船舶信号灯的特点,通过光学透镜对LED进行二次配光设计,透镜采用多自由曲面透镜形式,将光线通过反射,达到指定的区域;最大限度的提高光源的利用率。该信号灯结构简单,具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明属于照明技术领域,具体涉及一种LED信号灯。
背景技术
在船舶航行中,船灯扮演着必不可少的角色,信号灯属于船灯的一种,安装在桅顶,在一定角度范围内实现发光照明,用于发出相应的信号,表明自身状态或是在两船相遇时传递相应信息。船舶航行条件多种多样,在夜间或是能见度较低的情况下,需要用信号灯发出信号。所以信号灯的光学设计影响到了人眼的识别和信息传递的准确性。
传统的信号灯使用卤钨灯作为照明方式,其照明有着效率低,发光不稳定,眩光严重等缺点,目前正在逐步淘汰的过程中。与此同时,LED作为固态照明光源逐渐占据大部分照明市场,并且相比卤钨灯有巨大的优势。使用LED光源的信号灯有更加灵活的光学设计空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀发光、眩光少、能效高、结构简单的反射式LED信号灯。
本发明设计的反射式LED信号灯,根据船舶信号灯的要求及特点,通过光学透镜对LED灯珠阵列进行二次配光设计,所述光学透镜采用多自由曲面透镜形式,通过多次反射的方式,将LED灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布,在水平方向360°和垂直方向±60°的区域内实现均匀发光;这样可极大提高光源的利用率,实现较高的能见度。
本发明设计的反射式LED信号灯,其结构包括壳体、面罩、LED灯珠、光学透镜、盖板、后盖、PCB电路板;LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、盖板构成LED信号灯的光学模组,灯的壳体内部设有相应凹槽,用于放置并固定所述光学模组;其中:
所述光学模组中,采用贴片性的LED灯珠,呈阵列分布于铝基板上(可采用SMT贴片机焊接在铝基板上);铝基板固定在LED支架(散热器)上,构成不可拆卸的组件,例如铝基板通过螺钉连接到LED支架(散热器)上,并用螺钉焊死;光学透镜安装在LED灯珠阵列上方,LED灯珠位于光学透镜的几何中心下方;
所述光学透镜,采用多自由曲面透镜形式,通过多次反射,将LED灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布,在水平360°和垂直±60°的区域内实现均匀发光;
所述的PCB电路板用于固定LED芯片,将LED光源阵列形成串并联结构,统一进行供电及驱动;LED信号灯的部件由固定配件固定;
面罩安装在灯壳的开口处,用于封闭整个光学系统。
本发明设计的反射式LED信号灯中,LED灯珠阵列及PCB电路板构成LED光源板模块,该模块包含三个不同形状的LED灯珠阵列,分别为:圆形、三角形、X形;其中,每种形状与一种颜色对应;例如,绿色为圆,黄色为三角、红色为X,分别表示不同信号;阵列中的LED灯珠以均匀间距排布,不同模块发光可根据不同的应用场景进行控制调节。
本发明设计的反射式LED信号灯中,所述的光学组件可由红、黄、绿三种颜色的LED芯片组成LED光源阵列,从而可以实现不同颜色的信号发光。
本发明设计的反射式LED信号灯中,所述的多自由曲面透镜,其曲面形状根据LED光源阵列本身的光分布要求设计,在水平方向360°范围内实现发光,在垂直方向±60°时达到最大光强,使得光线的空间分布较为集中,便于观测。
具体来说,多自由曲面透镜的设计规则如下:
(一)按照奥拉德定律推算出所要求发光区域内的最小光强。奥拉德定律如公式(1)所示:
其中:
Et:照度阈值(ICAO国际民航组织推荐值1x10-6lx)
I:发光强度,单位cd(坎德拉),1cd=1lm/sr
L:可见距离,单位m
u:线性消光系数,在6级能见度条件(国际大气能见度分类标准)时,u=0.39/km
e:自然常数。e=2.7183
计算得到发光区域内的最小光强为:
I=Et×L2×euL (2)。
(二)根据上一步计算得到的结果,要求信号灯发光区域内的光强大于最小光强I。由于发光区域光强分布特点,边缘光强小于中心光强,因此要求发光区域边缘光强Ivmin大于计算得到的最小光强I。
为实现发光区域要求的目标光强,需要计算出灯具的光通量。光源的光通量与光强之间存在如下计算公式:
其中,Iv(φ,θ)代表光源光强的空间分布,所选用的LED芯片光强分布近似为余弦辐射体,光强在径向上表现为余弦分布。若边缘光强为Ivmin,则中心光强应为2Ivmin,因此可用公式(4)来模拟LED芯片的光强分布:
Iv=2Ivmincosθ (4)
公式(3)中的积分的角度范围根据发光区域要求来确定,由此可求出灯的光通量。
(三)在第二步计算得到的结果基础上,考虑窗口玻璃的透过率,可计算出实际所需LED芯片的总光通。玻璃透过率的计算公式如下:
τ=μn (5)
其中,τ是总透过率,μ是单位毫米的透过率,n是所选用的玻璃厚度(单位:mm);
因此,实际所需的LED芯片的总光通F为:
F=Fv/τ (6)。
(四)根据计算结果,通过软件计算模拟,完成多自由曲面的设计。
本发明设计的反射式LED信号灯中,自由曲面反射器对LED进行二次配光设计,通过反射的方式将LED芯片发出的能量进行收集,重新分布然后进行投射,实现特定形状和光分布的照明效果,在满足产品使用要求和相关标准的前提下,简化结构设计,提高零件的通用性。该LED信号灯结构简单,具有较高的实用性。
附图说明
图1是反射式LED信号灯的整体结构图。
图2是反射式LED信号灯的整体示意图。
图3是反射式LED信号灯LED阵列串并方式原理图。
图4是反射式LED信号灯的发光区域示意图。其中,第一行、第二行、第三行分别对应于LED灯珠阵列的X形、三角形、圆形。
图5是反射式LED信号灯的配光分布图。
图6是反射式LED信号灯的空间光分布图。
图中标号:1为灯壳,2面罩,3为LED芯片,4为PCB板,5为后盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体例子进一步描述本发明。
图1是反射式LED信号灯的整体结构图,灯壳1是主体,LED芯片3以阵列的形式排列在PCB板4上,实现可控发光,面罩2安装于灯壳1上,对灯具内部的光线进行出射,并对灯具内部结构起到保护作用。
图2是反射式LED信号灯的整体示意图,三种颜色的LED芯片3以阵列方式排列于PCB板4上,并且组成不同形状。本发明中,所采用的LED芯片分别为型号LA G6SP的红光LED、型号LY G6SP的黄光LED、型号LT G6SP的绿光LED以及型号SFH250的近红外LED,单颗功率约为0.3W。
如图3所示,所述LED芯片3采用先串联后并联的方式进行恒流供电,共有49颗红光LED、49颗黄光LED、49颗绿光LED以及36颗红外LED芯片。由LED芯片3组成的光源阵列发出的光线,经过自由曲面的反射收集后,通过面罩2进行出射,最终形成如图5和图6的配光分布以及空间光分布。
图4是本发明反射式LED信号灯发光区域的示意图,根据能见度条件6级(国际大气能见度分类标准);夜间可视距离大于2.8km的要求,按照奥拉德定律理论可以推算出区域内的最小光强。奥拉德定律如公式(1)为:
其中:
Et:照度阈值(ICAO国际民航组织推荐值1x10-6lx)
I:发光强度,单位cd(坎德拉),1cd=1lm/sr
L:可见距离,单位m
u:线性消光系数,在6级能见度条件(国际大气能见度分类标准)时,u=0.39/km
e:自然常数。e=2.7183
计算得到发光区域内的最小光强为:
I=Et×L2×eUl=23.5cd (2)
根据上一步计算得到的结果,要求信号灯发光区域内的光强大于最小光强I。由于发光区域光强分布特点,边缘光强小于中心光强,因此要求发光区域边缘光强Ivmin大于计算得到的最小光强I。在实际设计中还应考虑到热量设计,因此在设计时按照Ivmin=25cd设计。
为实现发光区域要求的目标光强,需要计算出灯具的光通量。光源的光通量与光强之间存在如下计算公式:
其中,Iv(φ,θ)代表光源光强的空间分布,所选用的LED芯片光强分布近似为余弦辐射体,光强在径向上表现为余弦分布。若边缘光强为Ivmin,则中心光强应为2Ivmin,因此可用公式(4)来模拟LED芯片的光强分布:
Iv=50cosθ (4)
公式(3)中的积分的角度范围根据发光区域要求来确定,为实现设计要求;将照射区域定义为水平角:-60°~60°;为垂直角:-60~60°;换算成弧度水平角为:垂直角为:由此可求出灯的光通量。
计算得到的光通量为理论值,在实际应用中,还应考虑窗口玻璃的透过率,再计算出实际所需LED芯片的总光通。玻璃透过率的计算公式如下:
τ=μn (6)
其中,τ是总透过率,μ是单位毫米的透过率,n是所选用的玻璃厚度(单位:mm),本发明中采用的窗口玻璃透过率为81.5%。
因此,实际所需的LED芯片的总光通F为:
考虑到实际应用中的热量设计要求及其他损耗,最终选用的LED芯片的总光通不可低于50lm。
最后根据计算结果,通过软件计算模拟,完成多自由曲面的设计。其光分布效果见图5和图6所示。
Claims (4)
1.一种反射式LED信号灯,其特征在于,包括壳体、面罩、LED灯珠、光学透镜、盖板、后盖、PCB电路板;LED灯珠、PCB电路板、光学透镜、盖板构成LED信号灯的光学模组;灯壳体内部设有凹槽,所述光学模组通过凹槽放置、固定于壳体内;其中:
所述光学模组中,采用贴片性的LED灯珠,呈阵列分布于铝基板上;铝基板固定在LED支架上,构成不可拆卸的组件;光学透镜安装在LED灯珠阵列上方,LED灯珠位于光学透镜的几何中心下方;
所述光学透镜,采用多自由曲面透镜形式,通过多次反射,将LED灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布,在水平360°和垂直±60°的区域内实现均匀发光;
所述的PCB电路板用于固定LED芯片,将LED光源阵列形成串并联结构,统一进行供电及驱动;LED信号灯的部件由固定配件固定;
面罩安装在灯壳的开口处,用于封闭整个光学系统。
2.根据权利要求1所述的反射式LED信号灯,其特征在于,所述LED灯珠阵列及PCB电路板构成LED光源板模块,该模块上的LED灯珠阵列排布有三种不同的形式:圆形、三角形、X形,阵列中的LED灯珠以均匀间距排布,不同模块发光可根据不同的应用场景进行控制调节。
3.根据权利要求1所述的反射式LED信号灯,其特征在于,所述的光学组件由红、黄、绿三种颜色的LED芯片组成LED光源阵列,用以实现不同颜色的信号发光。
4.根据权利要求1所述的反射式LED信号灯,其特征在于,所述多自由曲面透镜由如下设计规则得到:
(一)按照奥拉德定律推算出所要求发光区域内的最小光强;奥拉德定律如公式(1)所示:
(1)
其中:
Et:照度阈值,ICAO国际民航组织推荐值1x10-6 lx ;
I: 发光强度,单位cd ,1cd=1lm/sr;
L: 可见距离,单位m;
u:线性消光系数,根据国际大气能见度分类标准,在6级能见度条件时,u=0.39/km;
e:自然常数,e=2.7183 ;
于是,发光区域内的最小光强为:
I=E t ×L2×euL (2);
(二)要求信号灯发光区域内的光强大于最小光强I;根据发光区域光强分布特点,边缘光强小于中心光强,因此要求发光区域边缘光强Ivmin大于计算得到的最小光强I;
为实现发光区域要求的目标光强,需要计算出灯具的光通量;光源的光通量与光强之间存在如下计算公式:
(3)
其中,代表光源光强的空间分布,所选用的LED芯片光强分布近似为余弦辐射体,光强在径向上表现为余弦分布;若边缘光强为Ivmin,则中心光强应为2Ivmin,于是用公式(4)来模拟LED芯片的光强分布:
(4);
公式(3)中的积分的角度范围根据发光区域要求来确定,由此可求出灯的光通量;
(三),考虑窗口玻璃的透过率,计算出实际所需LED芯片的总光通;玻璃透过率的计算公式如下:
(5)
其中,是总透过率,μ是单位毫米的透过率,n是所选用的玻璃厚度,单位:mm ;
实际所需的LED芯片的总光通F为:
(6);
(四)根据计算结果,通过软件计算模拟,即设计得到多自由曲面透镜。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811576295.1A CN109539045A (zh) | 2018-12-22 | 2018-12-22 | 一种反射式led信号灯 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN201811576295.1A CN109539045A (zh) | 2018-12-22 | 2018-12-22 | 一种反射式led信号灯 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112130240A (zh) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 合肥泰禾光电科技股份有限公司 | 一种红外主灯均匀照明方法 |
-
2018
- 2018-12-22 CN CN201811576295.1A patent/CN109539045A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112130240A (zh) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 合肥泰禾光电科技股份有限公司 | 一种红外主灯均匀照明方法 |
CN112130240B (zh) * | 2019-06-25 | 2022-09-13 | 合肥泰禾智能科技集团股份有限公司 | 一种红外主灯均匀照明方法 |
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