[發明專利]一種基于自由曲面透鏡的LED跑道中線燈光學系統

無效

• 申請號: 201310743977.8
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103644487A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 程灝波;徐春云
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F21S8/00
• 分類號: F21S8/00;F21V5/02;F21V5/04;F21W111/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于自由曲面透鏡的機場LED跑道中線燈光學系統,屬于民用機場助航照明燈具領域。

技術背景

跑道中線燈設置在機場跑道的中心線，標示了跑道的輪廓可以讓飛機在夜間、低能見度或者其他惡劣氣象條件下進行正常起飛、著陸，是機場跑道導航燈的一種。跑道中線燈的顏色為白色和紅色。目前，跑道中線燈的光源大多采用鹵鎢燈或金屬高壓鈉燈，存在著效率低、使用壽命短、溫度高、燈具結構復雜、維護成本高等缺點，作為跑道中線燈使用時必須增設紅色濾光片，不僅光源的利用率低而且增加了成本。隨著科學技術的不斷發展，把LED應用到助航照明燈具領域逐漸成為可能。LED具有壽命長、光效高、耗能低、體積小、結構簡單、維護成本低、綠色環保等優點，采用LED作為助航照明燈具領域的光源將會逐漸成為發展趨勢。

采用LED光源進行照明時，為滿足助航燈光系統的國家標準，需要進行二次光學設計，一般采用反光杯對光源進行配光，但是這種方式對LED光源的光通量利用率較低，采用全反射式透鏡實現光束準直而不是鏡面反射，其反射效率高于鏡面反射，克服了反光杯對小角度光束配光的不足；同時，自由曲面透鏡的前表面可以根據所需要的配光形式進行調整，與反光杯相比，增加了設計的自由度，提高了LED的利用率。

中線燈棱鏡是跑道中線燈燈具內部的主要光學部件，其作用是在規定的光強范圍下，通過改變光線的出光角度來調整光束的覆蓋形狀及范圍。傳統的中線燈棱鏡，入光面為平面，無法均勻的擴散光線，有的燈具增加了散射片結構，但這不僅使整個光學系統的體積增大而且對光能有衰減作用，將棱鏡和散射片作成一體化棱鏡，減少了工序、誤差與成本。

發明內容

本發明的目的是解決在滿足國家標準對跑道中線燈光分布的要求的條件下，系統壽命短、結構復雜、耗能高、光能利用率低等問題，提出一種基于自由曲面透鏡的LED跑道中線燈光學系統。該系統具有結構簡單、體積緊湊小巧、光能利用率高、耗能低、綠色環保等特點。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明的一種基于自由曲面透鏡的機場LED跑道中線燈光學系統，其特征在于：包括LED光源、全反射自由曲面準直透鏡以及棱鏡；

所述光源采用三顆可發白光或紅光的LED作為光源；

所述全反射準直透鏡采用亞克力（PMMA）玻璃材料，具有較好的透明性和化學穩定性，且價格合理，適用于大批量生產；

所述全反射準直透鏡是形狀類似圓臺狀的旋轉對稱結構，包括內自由曲面、全反射自由曲面、凹槽側壁以及前表面自由曲面，透鏡底部設有內凹開口，LED光源放置在內凹開口內，LED發出的小角度的光經過內自由曲面會聚后準直出射，LED發出的大角度的光經過垂直的凹槽側壁折射射入全反射自由曲面，光線經會聚后準直出射，透鏡的前自由曲面采用一個滿足自然變化的正態分布發光強度分布的出光角度來滿足國家標準對跑道中線燈光分布中心區域光強較高的要求，并且透鏡的出光角度與標準規定的角度可以很好的匹配，最終實現透鏡近似平行光出射；

所述全反射自由曲面準直透鏡采用全反射式透鏡實現光束準直而不是反光杯采用的鏡面反射,其反射效率高于鏡面反射，同時，自由曲面透鏡的前表面可以根據所需要的配光形式進行調整，提高LED的利用率；

所述棱鏡出光面處出射光線的主光線與地面夾角為4.5°；

所述棱鏡包括入光面和出光面，所述入光面設置內凹凸相間的柱面透鏡，光束通過柱面透鏡折射而擴散成±5°，滿足要求的主光束水平角度，光線經過入光面擴散后到達出光面，出光面與入光面的夾角α，根據與地面成一定角度的光源經自由曲面全反射透鏡后得到的棱鏡入射光線與出射光線的夾角δ，按照tanα=sinδ/(n-cosδ)得出，n為棱鏡材料折射率，計算得出光面與入光面的夾角α為32.57度，出光面光線角度偏折，滿足跑道中線燈燈具的配光要求；

所述棱鏡為不規則四邊形的透射式棱鏡，無需鍍反射膜，減少加工工序，提高光能利用率；

所述棱鏡采用折射率為1.523的冕牌玻璃材料；

所述光源與地面所成角度為27度，所述出光面與地面所成角度為30.43度，有利于機械結構的設計，達到隱藏光源，減小出光面高度的目的。

有益效果：