CN205669770U - 一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，由大内部折射面（11）、大菲涅尔折射面（12）和三角翼折射面（13）组成；其中，大内部折射面（11）由第一内部折射面（111）、第二内部折射面（112）、第三内部折射面（113）组成，大菲涅尔折射面（12）由第一菲涅尔折射面（121）、第二菲涅尔折射面（122）组成，三角翼折射面（13）由全反射面（132）、外部折射面（131）组成。由于该复合型菲涅尔透镜光学结构的特点，可将灯珠发出的光束进行有效的传输，能量损耗极少，提高了光能利用率，且该透镜外部可用光滑的圆锥状透明灯罩，易清洁维护。

Description

一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜

技术领域

本实用新型涉及航标灯光学应用领域，尤其涉及一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜。

背景技术

航标灯是为保证船舶在夜间安全航行而安装在某些设施上的一种交通灯。1912年瑞典工程师古斯塔夫·达伦因发明航标灯塔自动控制装置保障航行安全获诺贝尔物理学奖。1966年，IALA（国际航标组织）公布了关于航标灯光强和射程之间的关系，其主要目的是规范在不同气象能见度下的灯光有效射程，从而为航标灯的设计提供参考依据。一般认知下，在同等能耗情况下，尽可能地提高灯光射程，是提高保障船舶夜行安全能力的有效手段。

航标灯主要由能源系统、光源、光学系统等组成，各组成部份随着科技的发展而发展。目前，能源系统主要以蓄电池储能、太阳能板充电为主要应用形态，光源则以多颗LED串联、并联等为主，光学系统以菲涅尔灯罩为主，它可将由LED发出的光线汇聚在一定角度范围内发射出去以提高灯的有效射程。

菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin-Jean Fresnel在1822年发明的。如图2所示，从剖面看，其表面是由一系列锯齿型台阶组成，每个台阶都可以看做一个独立的小透镜，从而把光线调整成平行光或聚光，其聚光效果比普通的凸透镜好很多，因此菲涅尔透镜被广泛的应用于对光束的准直和聚焦方面的整形。例如专利US7800840B2提供了一种应用在LED照明、手机或相机的闪光光学系统领域的菲涅尔透镜的设计方法，可将LED光束整形成具有空间对称性的类椭圆光斑，大幅度的提升中心峰值光强；专利US2004095777A提出了一种高效LED航标灯器，将菲涅尔透镜准直和聚焦方面的优点应用于航标灯灯罩，有效的提高了光能利用率。

由于航标灯应用的特点，再加上菲涅尔灯罩的锯齿状结构，长期暴露在重盐雾、大湿度、大温差等恶劣环境下的航标灯，其菲涅尔灯罩表面极易沉积灰尘、油污，从而影响灯光的透射率，且锯齿状结构的菲涅尔灯罩并不方便清洁和维护，长期应用的效果受到影响；有数据表明两三年后灯光的亮度衰减降低，甚至达20-30%。

光源也是影响航标灯灯光效率的一个重要因素。现有的航标灯，多采用直插型小功率LED灯珠，此类灯珠一般为环氧树脂封装透镜，这种环氧树脂是热的不良导体，导热系数一般为0.2W/(m.K)，环氧树脂长时间工作在较高温度下容易老化，从而产生光衰，且直插型LED灯珠采用普通基材覆铜板(CCL)进行电气连接，不利于LED散热，严重的缩短了LED使用寿命。2005年2月Zheng Dai-shun, QianKe-yuan, Luo Yi等在《SemiconductorOptoelectronics》发表《Life Test and Failure Mechanism Analyses for High-powerLED》，详细分析了LED的光衰特性及产生的原因，指出温度升高及紫外照射造成的环氧树脂透明度严重下降，是LED光衰的一个重要原因。

随着科学技术的发展，LED灯珠的封装技术工艺也得到了进一步发展，体现在LED的功率更高、亮度更亮、光源集中、装配容易、封装散热方式更为先进等优点，因此采用大功率LED作为航标灯的灯源，无疑是本领域的发展趋势，但与其相应的光学系统亦需要进一步设计。例如专利CN200710117721.0提出了一种航标灯单元及其应用。该发明能够将从LED光源发出的光线在一个方向上准直压缩，同时能够在另一个垂直的方向非常准确的控制光强分布，从而可以根据实际的照明需求设计出结构非常紧凑的光学系统。

因此，根据行业应用的特点，结合科技水平的发展，对航标灯各组成部份的再创新设计，无疑是有助于满足航标灯“灯光明亮、视距足够”的总体目标和要求。

可以看到传统航标灯采用的一般的菲涅尔灯罩对直插型小功率LED灯珠发出的光束进行聚焦整形，存在其聚焦效果不理想、光能利用率不高，且后期清理维护困难、光衰严重等问题。

发明内容

本实用新型需要解决的是传统航标灯采用菲涅尔灯罩对直插型小功率LED灯珠发出的光束进行聚焦整形，其聚焦效果不理想、光能利用率不高，且后期清理维护困难、光衰严重等问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜的设计方法。如图1所示：该透镜由大内部折射面11、大菲涅尔折射面12和三角翼折射面13组成；其中，大内部折射面11由第一内部折射面111、第二内部折射面112、第三内部折射面113组成；大菲涅尔折射面12由第一菲涅尔折射面121、第二菲涅尔折射面122组成；三角翼折射面13由全反射面132、外部折射面131组成。

a) 所述透镜的第一内部折射面111和第一菲涅尔折射面121将LED灯珠发出的部分光线汇聚到一个小角度±3°-±10°范围内；

b) 所述透镜的第二内部折射面112、全反射面132和外部折射面131将LED灯珠发出的剩余部分光线重新逆向均匀分布到上述的小角度范围内。

由于本实用新型透镜的光学结构特点，可将LED发出的光束通过菲涅尔折射面、全反射面进行有效的传输，基本上无能量损耗，提高了光能利用率，且该透镜外部可用光滑的透明塑料灯罩包围，容易进行清洁维护。

本实用新型的目的、特征及优点将通过实施例并结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是复合型菲涅尔透镜XZ平面方向截面图。

图2是菲涅尔折射面锯齿型台阶XZ平面方向截面图。

图3是复合型菲涅尔透镜菲涅尔折射面光路原理图。

图4是复合型菲涅尔透镜三角翼折射面光路原理图。

图5是应用6颗LED灯珠阵列的示意图。

图6是应用8颗LED灯珠阵列的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种复合型菲涅尔透镜，如图1所示：该透镜由大内部折射面11、大菲涅尔折射面12和三角翼折射面13组成；其中，大内部折射面11由第一内部折射面111、第二内部折射面112、第三内部折射面113组成；大菲涅尔折射面12由第一菲涅尔折射面121、第二菲涅尔折射面122组成；三角翼折射面13由全反射面132、外部折射面131组成。

上述大内部折射面11构成一个空腔，该空腔可用来安装LED光源。空腔中的LED光源发出的部分光线（本实施例中，我们取这部分的光线为-30°到30°角度范围），由空腔的第一内部折射面111进入，并由大菲涅尔折射面12射出。LED发出的光线在第二内部折射面112及大菲涅尔折射面12发生折射，折射后的光线向透镜的光轴靠拢，起聚光的作用。

上述第一菲涅尔折射面121为向上凸起的球形凸透面，其曲率半径取值范围为6-10mm，优选8.2mm。该凸透面向上凸出，且球面的中心与透镜的光轴重合，对LED光源发出的近光轴光线起聚焦的作用，通过调整凸透镜面的曲率半径，来调整焦距，进而调整LED光源的聚光角度。

如图2所示，上述第二菲涅尔折射面122由若干个半径不同的同心圆构成的锯齿型台阶组成。其中，锯齿型台阶取值范围：2－8个。本实施例中，锯齿型台阶有3个，每个台阶的高度h范围为0.5-2mm, 由大到小，优选1.55mm、1.2mm、0.8mm；每个台阶的宽度k范围为1.5-3mm，由大到小，优选2.5mm、2mm、1.8mm。第二菲涅尔折射面122上的每个锯齿型台阶一方面沿光轴方向的高度h不同，越靠近透镜光轴中心的台阶，其台阶高度越大；另一方面沿垂直光轴方向的间距k不同，越靠近透镜光轴中心的台阶，其台阶宽度越大。通过调整台阶高度h及间距k，可实现对出射光线角度的调整。

如图3所示：经过上述的步骤，将LED发出的-30°到30°角度范围的光线，汇聚到一定的角度范围±3°-±10°。本实施例中，优选±4°。

如图4所示：由空腔中的LED光源发出的剩余部分光线（本实施例中，取-30°到30°角度范围外的光线）经第三内部折射面113和全反射面132后，光线变成从下到上逆向分布，再经过外部折射面131后，射出的光线逆向重叠分布于上述的±4°角度范围内。

上述的第三内部折射面113为一倾斜的直线段，其与光轴的倾角范围为0°-45°，本实施例中，优选10°。

上述的全反射面132为自由曲线段。其计算步骤如下：

如图4所示，假设光线1与光轴的夹角为a，第三内部 折射面113与光轴的夹角为b，

则光线1直线方程为：y=tg(π/2-a)*x (1)

第三内部折射面113直线方程：y=tg(π/2-b)*x+L1 (2)

方程（1）、（2）可求得光线1与第三内部折射面113的交点坐标（c,d）;

假设光线1入射角为a1,根据正弦定理：sin(π/2-a)/[d/sin(b)]=sin(a1)/[c-d/tg(b)] (3)

假设光线1的第一次折射光线2的折射角为a3,

根据光线的折射定律: n1*sin(a1)=n2*sin(a3) (4)

可求得光线1的第一次折射光线2的直线方程: y=tg{b-arcsin[n1*sin(a1)/n2]}*x+d (5)

根据光线的全反射定律，可得到全反射面132上的切线方程：

y=tg(π/4-{b- arcsin[n1*sin(a1)/n2]}/2)*x+L2 (6)

由于光线1与光轴的夹角a及第三内部折射面113与光轴的夹角为b为已知数，设定初值L1、L2,即可逐点求出全反射面132上的点坐标。

本实施例中，全反射光线为垂直光轴方向。

由于全反射光线的入射角度已知，且所需折射后的光线方向已知，根据折射定律易求出外部折射面131的斜率。

本实施例中，上述的外部折射面131为直线段，其与光轴的倾角范围为30°-60°，本实施例中，优选55°。

至此，构成复合型菲涅尔透镜主体的大内部折射面11；大菲涅尔折射面12；三角翼折射面13在XZ平面方向截面的曲线已全部求出；

将计算得到的XZ截面的曲线绕Y轴旋转180°，即得到复合型菲涅尔透镜的实体模型。

图5、图6为分别应用6颗、8颗LED灯珠阵列。

分别应用6颗、8颗LED灯珠阵列在某光学软件中模拟在1500mm处接收面处XZ平面方向上的的光斑照度分布图，从模拟图中可以看出光斑在此方向上得到了很好的压缩，呈长方斑状。

分别应用6颗、8颗LED灯珠阵列在某光学软件中模拟YZ平面上的的光强分布图，从模拟图中可以看出在此方向上光强均匀度很高，超过90%。

上述具体实施方式只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，由大内部折射面（11）、大菲涅尔折射面（12）和三角翼折射面（13）组成；其中，大内部折射面（11）由第一内部折射面（111）、第二内部折射面（112）、第三内部折射面（113）组成，大菲涅尔折射面（12）由第一菲涅尔折射面（121）、第二菲涅尔折射面（122）组成，三角翼折射面（13）由全反射面（132）、外部折射面（131）组成；第一内部折射面（111）和第一菲涅尔折射面（121）将LED灯珠发出的部分光线汇聚到一个小角度范围:±3°-±10°内；第二内部折射面（112）、全反射面（132）和外部折射面（131）将LED灯珠发出的剩余部分光线重新逆向均匀分布到上述的小角度范围内。

2.根据权利要求1所述的一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，其特征在于：第一菲涅尔折射面（121）为向上凸起的球形凸透面，且球面的中心与透镜的光轴重合,其曲率半径取值范围为6-10mm。

3.根据权利要求1所述的一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，其特征在于：第二菲涅尔折射面（122）系由若干个半径不同的同心圆构成的锯齿型台阶组成，其中锯齿型台阶取值范围：2-8个；每个台阶的高度h范围为0.5-2mm；每个台阶的宽度k范围为1.5-3mm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，其特征在于：第三内部折射面（113）为一倾斜的直线段，其与光轴的倾角范围为0°-45°。

5.根据权利要求1所述的一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜，其特征在于：外部折射面（131）为直线段，其与光轴的倾角范围为30°-60°。