CN118031159A - 一种组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学设计领域，提供了一种组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯，组合式透镜结构包括反光杯和位于所述反光杯内的杯状透镜，所述杯状透镜包括中间凸透镜和侧壁环形透镜，所述侧壁环形透镜设置在所述杯状透镜上靠近光源的一端，所述中间凸透镜对所述光源输出的光束进行两次偏折后出射，所述侧壁环形透镜对所述光源输出的光束进行两次折射后出射至所述反光杯并经所述反光杯反射后出射。本发明公开的组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯，可以在不增大透镜结构最大外形尺寸的情况下、在处于较恶劣环境下确保其功能，同时可以实现有效减轻透镜的重量和增大其强度的目的。

Description

一种组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯

技术领域

本发明属于光学设计领域，涉及配光设计技术，具体为一种组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯。

背景技术

随着航空LED光源的迅速发展，对其二次配光技术提出了更高的要求，通用的配光方式主要包括反光杯和透镜，反光杯因其结构特征，对光线的聚集能力有限，想要获取较好的准直光束则需要增大反光杯的相对高度。目前，鉴于对其综合性能的要求，杯状结构的透镜为作为大功率高光强的光学元件已逐渐被广泛应用。但是传统杯状透镜存在体积和重量较大的缺点，这也导致了此类透镜在较为恶劣的航空环境，如高温高压、强振动、冲击、加速度等环境中，容易出现破裂的问题。

发明内容

为了解决现有航空LED光源在恶劣的环境下工作时存在的容易破裂的技术问题，本发明公开了一种组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯。

实现发明目的的技术方案如下：

本发明一个实施例提供了一种组合式透镜结构，包括反光杯和位于所述反光杯内的杯状透镜，所述杯状透镜包括中间凸透镜和侧壁环形透镜，所述侧壁环形透镜设置在所述杯状透镜上靠近光源的一端，所述中间凸透镜对所述光源输出的光束进行两次折射后出射，所述侧壁环形透镜对所述光源输出的光束进行两次折射后出射至所述反光杯并经所述反光杯反射后出射。

进一步地，所述反光杯的内壁上镀有反射膜。

进一步地，所述侧壁环形透镜上沿所述中间凸透镜至所述光源方向的壁厚逐渐增加。

进一步地，所述中间凸透镜接收所述光源输出的光束角小于所述侧壁环形透镜接收所述光源输出的光束角。

更进一步地，所述中间凸透镜接收所述光源输出的光束角的范围为0°～30°。

进一步地，所述反光杯和侧壁环形透镜上靠近所述光源的一端在同一平面上，所述反光杯上远离所述光源的一端高于所述中间凸透镜上远离所述光源的一端。

进一步地，当工艺可以实现时，所述反光杯与所述杯状透镜可为一体结构。

进一步地，为了便于加工，所述反光杯与所述杯状透镜可为分体结构。

本发明另一个实施例提供了一种组合式透镜组件，包括反光杯安装板、透镜安装板和上述组合式透镜结构；

所述反光杯安装板上设有多个反光杯安装孔，反光杯上远离光源的一端设置在所述反光杯安装孔上；所述透镜安装板上设有多个杯状透镜安装位，杯状透镜的侧壁环形透镜上靠近光源的一端设置在所述杯状透镜安装位上，每个所述杯状透镜安装位的外周设有与所述反光杯端面匹配的配合面。

本发明第三个实施例提供了一种着陆滑行灯，包括灯罩、壳体、光源印制板、电连接器和驱动器组件。还包括上述组合式透镜组件，所述灯罩和所述反光杯安装板经螺钉与壳体连接，所述光源印制板上设有与每个所述组合式透镜结构一一对应的光源。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明公开的组合式透镜结构，对传统杯状透镜进行改进，得到由中间凸透镜和侧壁环形透镜形成的新型杯状透镜，在不增大透镜结构最大外形尺寸的情况下，使其在恶劣环境下确保功能，同时实现有效减轻透镜的重量和增大其强度的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中组合式透镜结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中组合式透镜结构中光束的光路示意图；

图3为本发明实施例中组合式透镜结构中光束在光源、侧壁环形透镜和反光杯上的光路示意图；

图4为本发明实施例中组合式透镜组件的结构示意图；

其中，1、杯状透镜；2、中间凸透镜；3、侧壁环形透镜；4、反光杯；5、透镜安装板；6、反光杯安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明一个实施例提供了一种组合式透镜结构，该组合式透镜结构是通过参数化、精准化配光技术将透镜和反光杯相结合的二次配光结构，其既保留杯状透镜的聚光能力(准直光线的能力)，又具有反光杯体积小、质量轻的优点，同时还可以提高了组合透镜的抗冲击性。

参见图1所示，组合式透镜结构包括反光杯4和位于所述反光杯4内的杯状透镜1，所述杯状透镜1包括中间凸透镜2和侧壁环形透镜3，所述侧壁环形透镜3设置在所述杯状透镜1上靠近光源的一端。根据LED光源光线呈朗伯分布的特点，光源发出的光束进入杯状透镜1后分为两部分，参见图2所示，其中一部分经中间凸透镜2进行两次折射后出射，另一部分通过侧壁环形透镜3中进行两次折射后出射至反光杯4上，由反光杯4进行反射后出射。再者，中间凸透镜2还能够对射入的光束进行两次折射后达到准直的目的。

进一步地，为了减少由侧壁环形透镜3穿过的光束继续穿透反光杯4造成光束能量损失，在所述反光杯4的内壁上镀有反射膜，反射膜可以对射入反光杯4的光束进行反射。

进一步地，根据折射定率和反射定律，利用等入射角度迭代法、自由切线法进行参数化、精准化配光，参见图1和图3所示，本具体实施方式中所述侧壁环形透镜3上沿所述中间凸透镜2至所述光源方向的壁厚逐渐增加，即侧壁环形透镜3的侧壁的厚度是逐渐变化的，该设计有利于将来自光源的大角度范围内的光线进行扩散，使这部分光的光束角进一步增大，为下一步的反射环节做铺垫，从而避免光束“漏”出反光杯。

进一步的，本发明实施例中可以通过改变侧壁环形透镜3的两个折射面的相对拔模角度，以实现对反光杯4高度进行间接调整。

进一步地，为了达到聚光效果，同时满足较高的光通效率，光通效率的计算方式为光通效率＝受控制的光通量/总光通量，使所述中间凸透镜2接收所述光源输出的光束角小于所述侧壁环形透镜3接收所述光源输出的光束角。

更进一步地，所述中间凸透镜2接收所述光源输出的光束角的范围为0°～30°。

进一步地，所述反光杯4和侧壁环形透镜3上靠近所述光源的一端在同一平面上，所述反光杯4上远离所述光源的一端高于所述中间凸透镜2上远离所述光源的一端，该结构的设计可以对从侧壁环形透镜3出射的所有光束进行高效“收集”，然后反射，使其沿光束轴向出射，以实现准直的照射效果。再者，可以通过参数化配光充分保证两部分光束的衔接，不论是从中间凸透镜2还是侧壁环形透镜3内壁入射的光线都可沿着对应的光学结构出射，提高光通效率。

上述组合式透镜结构中，光束由光源射出后经侧壁环形透镜3和反光杯4进行两次折射和一次反射的光路参见图3所示，光束进行两次折射和一次反射的原理如下所示：光线OF_t经过S₁面(即侧壁环形透镜3的内壁)和S₂面(即侧壁环形透镜3的外壁)两次折射后照到了S₃面(即反光杯4的内壁)，n为折射率，In为入射光线的矢量，Out为出射光线的矢量，N为法向矢量，根据折射定律：

[1+n²-2n(Out·In)]^1/2·N＝Out-nIn；

定义P_t为光线OF_t与x轴的夹角，Kp_t为入射光线的斜率。anglein_x为入射光线与x轴的夹角，angleout_x为从S₁面出射光线与x轴的夹角，K_N1为切线斜率(截面线的斜率)。根据折射定律得出：

y(t+1)＝KP(t+1)×x(t+1)；

其中，[x(t),y(t)]为F_t的坐标(预定[x(0),y(0)])，已知Ft坐标和从Ft出射光线与x轴的夹角：

当光线穿过S₂面时，F_tf_t作为入射光线，f_tP_t为出射光线。Anglein_x为入射光线与x轴的夹角(Anglein_x＝angleout_x)。K_Ff为入射光线的斜率，K_N2为切线斜率(拔模斜率)，Angleout_x为出射光线与x轴的夹角：

定义[x_o(t),y_o(t)]为f_t的坐标(预定[x_o(0),y_o(0)])，根据折射定律：

y_o(t+1)＝K_Ff(t+1)×x_o(t+1)；

当光线F_tP_t入射到S₃面的P_t点上，经其反射后的出射光线方向矢量为P_tQ_t，矢量P_tQ_t平行于y轴，曲面P_t点处的法线矢量为N_t。I(入射光线矢量)、O(出射光线矢量)和N(P_t处的法线矢量)三者满足反射定律，即：

当f_tP_t作为入射光线，P_tQ_t为出射光线时，AAnglein_x为入射光线与x轴的夹角(AAnglein_x＝Angleout_x)。AAngleout_x为出射光线与x轴的夹角，N_t为P_t处的法线与x轴的夹角；

定义[x_m(t),y_m(t)]为P_t的坐标(预定[x_m(0),y_m(0)])，根据反射定律：

y_m(t+1)＝tan(N(t))×(x_m(t+1)-x_m(t))+y_m(t)。

在上述组合式透镜结构的一个实施例中，在工艺技术可以实现的情况下，所述反光杯4与所述杯状透镜1可以为一体结构，即通过将反光杯4与侧壁环形透镜3加工成一体。

在上述组合式透镜结构的另一个实施例中，为了提高其工艺性，将杯状透镜1和反光杯4进行分离，分离后的透镜和反光杯可以采用不同的安装方式和材料，具体可通过各自的安装板进行固定，所述反光杯4与所述杯状透镜1为分体结构。

本发明另一个实施例提供了一种组合式透镜组件，参见图4所示，组合式透镜组件包括反光杯安装板6、透镜安装板5和上述组合式透镜结构。其中，所述反光杯安装板6上设有多个反光杯安装孔，反光杯4上远离光源的一端设置在所述反光杯安装孔上；所述透镜安装板5上设有多个杯状透镜安装位，杯状透镜1的侧壁环形透镜3上靠近光源的一端设置在所述杯状透镜安装位上，每个所述杯状透镜安装位的外周设有与所述反光杯4端面匹配的配合面。

本发明第三个未展示附图的实施例中，提供了一种着陆滑行灯，包括灯罩、壳体、光源印制板、电连接器和驱动器组件。还包括上述组合式透镜组件，所述灯罩和所述反光杯安装板6经螺栓连接，所述光源印制板上设有与每个所述组合式透镜结构一一对应的光源。

本发明提供的组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯，设计原理是：

1.对传统的杯状透镜进行改进后，将杯状透镜和反光杯4进行了组合，充分发挥其各自的特点，杯状透镜的中间凸透镜2通过其折射作用对小角度的光束具有较强的控制能力，具体地将其置于光源的正上方，借助凸透镜的聚光原理对光源轴线附近的散射角角度较小的光线进行微调，以达到准直的目的，其作用等同于杯状透镜的中间凸透镜部分。而反光杯4接收来自侧壁环形透镜3的光束，类似于杯状透镜的全反射面，不同点在于发生反射的光线所在的介质，组合式透镜结构中通过反射面的入射和出射光线皆处于空气中，这样可以将反射面置于外围，在其强度满足要求的情况下可选用较轻薄的材料。

2.侧壁环形透镜3的棱镜折射偏光原理：大角度范围内的光线穿过侧壁环形透镜须发生两次折射，分别是从空气-PC(材料可选其它)、PC-空气，根据光线的折射特性，即从质疏介质到质密介质的折射率大于1，如图2所示，侧壁环形透镜3将光束进一步扩散，使其出射的光线“尽早”地照射在反光杯4上，这样的设计可以在保证光效的情况下降低反光杯4的高度。

3.等入射角度迭代法、自由切线法：将参与计算的入射光线的角度设为等差数列，差值越小，相邻入射点之间的距离越小，两点之间的连线越接近于切线。为了简化计算，将中间的折射面定为切线斜率已知的锥面(定拔模角度)，通过改变两锥面的相对拔模角度，可以间接调节反光杯4的高度。

本发明实施例实现了如下技术效果：组合式透镜结构、组合式透镜组件和着陆滑行灯，通过对传统杯状透镜进行改进，得到由中间凸透镜和侧壁环形透镜形成的新型杯状透镜，在不增大透镜结构最大外形尺寸的情况下，使其在恶劣环境下确保功能，同时可实现有效减轻透镜的重量和增大其强度的目的。

显然，本领域的技术人员应该明白，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合式透镜结构，其特征在于：包括反光杯(4)和位于所述反光杯(4)内的杯状透镜(1)，所述杯状透镜(1)包括中间凸透镜(2)和侧壁环形透镜(3)，所述侧壁环形透镜(3)设置在所述杯状透镜(1)上靠近光源的一端，所述中间凸透镜(2)对所述光源输出的光束进行两次折射后出射，所述侧壁环形透镜(3)对所述光源输出的光束进行两次折射后出射至所述反光杯(4)并经所述反光杯(4)反射后出射。

2.根据权利要求1所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述反光杯(4)的内壁上镀有反射膜。

3.根据权利要求1所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述侧壁环形透镜(3)上沿所述中间凸透镜(2)至所述光源方向的壁厚逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述中间凸透镜(2)接收所述光源输出的光束角小于所述侧壁环形透镜(3)接收所述光源输出的光束角。

5.根据权利要求4所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述中间凸透镜(2)接收所述光源输出的光束角的范围为0°～30°。

6.根据权利要求1所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述反光杯(4)和所述侧壁环形透镜(3)上靠近所述光源的一端在同一平面上，所述反光杯(4)上远离所述光源的一端高于所述中间凸透镜(2)上远离所述光源的一端。

7.根据权利要求1至6任一项所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述反光杯(4)与所述杯状透镜(1)为一体结构。

8.根据权利要求1至6任一项所述的组合式透镜结构，其特征在于：所述反光杯(4)与所述杯状透镜(1)为分体结构。

9.一种组合式透镜组件，其特征在于：包括反光杯安装板(6)、透镜安装板(5)和如权利要求1至8中任一项所述的组合式透镜结构；

所述反光杯安装板(6)上设有多个反光杯安装孔，反光杯(4)上远离光源的一端设置在所述反光杯安装孔上；所述透镜安装板(5)上设有多个杯状透镜安装位，杯状透镜(1)的侧壁环形透镜(3)上靠近光源的一端设置在所述杯状透镜安装位上，每个所述杯状透镜安装位的外周设有与所述反光杯(4)端面匹配的配合面。

10.一种着陆滑行灯，包括灯罩、壳体、光源印制板、电连接器和驱动器组件，其特征在于：包括如权利要求9中所述的组合式透镜组件，所述灯罩和所述反光杯安装板(6)经螺钉与所述壳体连接，所述光源印制板上设有与每个所述组合式透镜结构一一对应的光源。