专利名称：一种航标灯单元及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于针对LED光源的不具有旋转对称性的三维光学系统设计技术领域。
背景技术：
LED作为一种新型的固体光源，同传统光源相比具有很多很多优势，如节能，环保，寿命长等特点，因此非常适用于作为各种照明领域的光源，比如航标灯的光源。
航标灯保证来往船只的安全的行使，对于我国的河运和海运事业具有十分重要的作用。根据航标灯的照明要求，需要将光源发出的光在经度的方向上压缩到角度在正负5度的范围内，同时在纬度的方向上面能够形成一个均匀的光强分布，以便于从各个方向过来的船只都可以清晰地观察到航标灯的位置。传统的针对LED光源的航标灯设计存在均匀性差，效率低和散热难得问题，因此迫切需要一种高均匀性、高效率、安装和散热方便的新型光学系统。
在非成像的准直设计方面，折射表面和反射表面是通常采用的两种手段。需要偏折的光线角度比较小的时候，可以采用折射表面完成偏折任务；当需要偏折光线的角度超过折射表面的偏折能力时，则采用反射表面完成偏折任务。在传统的准直光学系统中，中间折射表面加外围齿状的结构具有很优良的准直性能，因此被广泛采用在各种准直结构中，在美国专利(No4,337,795)中，光学系统的截面采用了多齿的结构，整个光学系统具有一个中心旋转轴，截面按照中心轴进行旋转，就将所有角度的光线都进行了准直。在美国专利(No6,547,423)中，准直结构采用了单齿的结构，光学系统也具有中心的旋转轴。由于旋转截面后的光学系统类似一朵郁金香，所以该LED光学系统也成为郁金香准直透镜。在上述的准直设计中，所有的光线经过透镜的偏折后，都基本上沿着轴线方向出射，无法完成在一个方向上的准直压缩，同时在另一个方向上面发散成一个给定光强分布的要求，因此有必要将现有的结构在三维非对称的方向上进行进一步的拓展，从而得到符合三维设计要求的非旋转对称的三维光学系统。
发明内容
本发明的目的在于解决了传统光学设计存在的上述缺点，提出了一种航标灯单元，该航标灯单元是不具有旋转对称性的三维光学结构，可以将从光源发出的光在一个方向进行压缩，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要设计出高均匀性、高效率、且结构非常简单紧凑的光学系统，尤其适合于航标灯的使用。
本发明的提出的航标灯单元，含有LED光源、封装透镜和基板，其特征在于，还含有航标灯透镜，所述航标灯透镜的内表面为将光线在x轴方向压缩到一个给定角度的侧准直表面，所述航标灯透镜的外表面为一个使光强在yz轴平面的另一个给定角度内均匀分布的匀光表面；所述x、y和z分别为空间中的三个正交的轴。
所述侧准直表面含有折射准直表面和单齿/多齿全反射准直表面；所述侧准直表面过x轴的截面的形状是中部向x轴凸出、两侧为向x轴方向延伸的单齿或多齿形状；所述截面中部的凸出部分绕x轴旋转形成的表面为折射准直表面，所述截面两侧的单齿或多齿形状绕x轴旋转形成的表面为单齿/多齿全反射准直表面。
所述匀光表面为一以x轴为中轴线的拱形匀光表面，所述拱形匀光表面在圆周方向的中部的曲率小于两侧的曲率。
航标灯单元作为航标灯应用的一种方式，其特征在于，使航标灯透镜的x轴线垂直于水平面，将2个以上航标灯单元沿航标灯杆的圆周均匀分布。
航标灯单元作为航标灯应用的另一种方式，其特征在于，使航标灯透镜的x轴线垂直于水平面，将2个以上航标灯单元沿航标灯杆的圆周均匀分布，形成一排航标灯单元；所述航标灯杆上布置两排以上航标灯单元，形成航标灯单元阵列。
试验证明，本发明能够将LED光源发出的光线在一个方向上准直到给定角度，在垂直的方向上在给定角度内形成均匀的光强分布，非常适合于航标灯等对侧准直和光强控制都有很高要求的光学系统的应用。
图1是具有单齿结构直侧壁准直光学表面的截面；图2是具有单齿结构曲线侧壁的准直光学系统的截面；图3是具有多齿结构直侧壁准直光学表面的截面；图4是具有多齿结构曲线侧壁准直光学表面的截面；图5是航标灯的照明要求示意图；图6是航标灯单元的侧准直截面示意图；图7是单齿侧准直结构设计的航标灯透镜透视图；图8是匀光表面的截面示意图；
图9是6个60度单齿航标灯单元组合的航标灯的结构示意图；图10是6个60度多齿航标灯单元组合的航标灯的结构示意图；图11是航标灯阵列安装的示意图；图12a是采用图7结构的仿真结果；图12b是采用图9结构的仿真结果。
具体实施例方式
本发明主要特点是，综合了现有技术中准直透镜的准直原理，保留现有准直透镜截面的形状，将该截面围绕着与现有技术的准直透镜的中轴线垂直的另一根轴旋转，得到了将光线准直在某一确定角度范围内(如5度范围内)的侧准直表面。另外，在透镜的出射表面上进行了拱形表面设计，使其中部曲率小于两侧的曲率，从而使得出射的光强在设定范围内均匀分布。这样的设计完全满足了航标灯在垂直方向上将光线压缩到一定范围，而在水平方向上使光线均匀分布的需要。
本发明所采用的侧准直表面的截面形状与现有技术的准直透镜截面的形状是相同的，这里先介绍一下现有技术中的几种准直截面的形状及工作原理。从LED光源发出的光，中间的傍轴部分需要偏折的角度比较小，可以采用折射表面进行偏折；随着出光角度的变大，边缘光线需要偏折的角度也不断变大，采用折射表面很可能会发生全反射，产生大量的不受控光线。因此，对于偏折角度较大的光源，可以专门设计全反射表面进行控制。目前的全反射表面主要包括单齿设计和多齿设计，齿状的准直设计具有良好的准直性能。
图1是一个边缘具有单齿全反射表面的准直透镜的截面，可以看到芯片11被封装在透镜13中和基板12上。从芯片发出的和光轴14的夹角比较小的傍轴光线首先通过一次封装的小透镜13，然后由中间的折射表面15进行准直，当光线于轴线的夹角超过一定的角度后，光线首先通过一个给定的表面16，然后再入射到全反射表面17进行准直。如图1所示，给定的光学表面在轴截面上的截线16是一条具有一定角度的直线段，准直透镜的上表面是一个平面18。将15、16、17曲线沿光轴14旋转，得到准直透镜。
图2也是一个边缘具有单齿全反射表面的准直透镜的截面，芯片21封装在透镜23中和基板22上，同图1相比可以看出，中间的折射表面25是相同的。与图1不同之处在于给定的光学表面在轴截面上的截线26是一条已知的二次曲线段，由于改变了给定的曲面的形状需要重新计算全反射表面的曲线27，将25、26、27曲线沿光轴24旋转，得到准直透镜。准直透镜的给定表面和全反射表面可以采用叠带的求解方法得到，后一个点的位置和切线的方向在前一个点的位置和切线方向已知的基础上得到，该方法为公知方法，可参见(W.B.Elmer.TheOptical Design of Reflectors(反光表面的光学设计)[M]，2nd.New YorkWiley，1980)。
图3是一个边缘具有多齿全反射表面的准直透镜的截面，芯片31封装在透镜33中和基板32上。可以看到从芯片31发出的和轴线34夹角比较小的傍轴光线仍然通过中间的折射表面35进行准直，对于和轴线夹角超过一定角度的光线，则采用多齿结构的全反射表面37进行准直。光线首先通过给定的表面36，然后入射到全反射表面37。在图3中，给定表面和轴截面的交线是一系列的具有一定倾角的直线段36，不同角度的光线和不同段的直线段36相交后折射进入光学系统的内部，入射到全反射表面37，由全反射表面37准直出射。
图4也是一个多齿结构的光学系统，与图3的区别在于，给定表面和轴截面的交线是一系列的二次曲线段46，改变了给定的曲线段后，重新计算得到全反射表面的形状47，其他部分同图3相同，41为LED光源，42为基板，43为封装透镜，44为轴线，45为中间的折射表面。采用多齿的结构具有结构更加紧凑的特点，因而具有广泛的准直应用。
在上述的四种准直结构中，为了能够将光源发出的光全部都准直到轴线方向，设计的准直光学系统都具有一个中心的轴线。将设计好的光学截面围绕中心轴线进行旋转后就得到了有效的准直光学系统。
然而在一些其他应用场合中，并不需要将光源的光线在所有的方向上都进行准直。图5是航标灯的光强分布要求航标灯53的出射光线在垂直方向51上面具有很窄的半角宽，通常要求小于5度，而在水平方向52上则具有均匀的光强角分布，不需要进行准直，因此上述具有旋转对称性的4种光学系统都不能够满足这种设计要求。。
因此本发明提出了侧准直的设计原理。如图6所示，光源位于原点的位置，在光源的上方设计一个侧准直系统，可以是齿状(单齿或者多齿)的侧准直系统，该侧准直系统与x轴的截面相交形成的截面的形状可以与图1～图4中任何一个的截面相同，该截面不需要绕着中心轴z轴进行旋转，而是围绕x轴旋转180度，因此可以将入射光线x轴方向分量消除，同时保持出射光线沿着原来沿x和z轴分量合成的分量方向不变。图6中仅仅画出了折射表面61，该折射表面61围绕x轴旋转180度，61a、61b、61c分别为折射表面61旋转到不同角度时的截面，z’为z轴旋转到某一角度的方向。其中x、y、z轴为空间中正交的三个轴。齿状侧准直全反射表面在图中未示出。
如果直接按照现有准直的准直系统，其出射表面为一平面，存在着出射光强分布不均匀的问题。光源如LED通常出射光强分布并不均匀，垂直芯片表面的z轴方向光强高，与芯片表面垂直方向夹角越大，光强越低，为了使出射光线能够形成均匀的角度分布而设计了一个拱形的出射表面。
图7中单齿准直结构绕x轴旋转后形成侧准直面71，可以消除光源发出光线沿x轴的分量。在侧准直面基础上设计出能够形成120度角内均匀分布的拱形上折射表面72。73则是该航标灯透镜在y轴和z轴的平面内的截面图。可见整个透镜的外表面呈拱形柱状，x轴可视为该拱形柱的中轴线。
图8为截面73的正视图，为过z轴和y轴平面内的截面形状，也即拱形柱在圆周方向的截面形状。芯片81封装在半球透镜83中和基板82上，85为整个透镜的匀光上表面在平面内的截线，截线中心部分85a的曲率小，入射光线经过折射向两边发散；两侧边缘部分85b的曲率比较大，入射光线经过折射向中心汇聚，从而形成均匀的光强分布。虚线86是中心和表面的分界线。中心和两侧的曲率大小由设计要求确定，只要满足中心部分的曲率小于两侧曲率即可。透镜的匀光上表面可看作截面线85沿x轴方向平移形成的柱面。透镜下表面(即侧准直表面在该平面内的截线84为半圆形，由于是单齿或多齿的准直系统的截线绕x轴旋转，因此所形成的侧准直表面在x轴的不同位置，其截面半圆形84的半径也不相同。将下部的侧准直表面和上部的匀光表面进行组合，就可以得到一个三维不具有旋转对称性的光学系统，能够在一个方向上进行准直，同时在相垂直的另一个方向上形成均匀的光强分布。
图9和图10是本发明在航标灯设计中的具体的应用。
图9中采用的是单齿的侧准直表面的航标灯单元，即按照图1所示的截面沿x轴旋转180度得到的侧准直截面，95为拱形柱状匀光表面，每一个单元92都满足在60度以内均匀的光强角分布，为了在360度内都能够被清楚的观测到，可以采用6个完全相同的光学系统，沿着一个圆周每隔60度安装一个来实现设计目标。在航标灯的应用中，航标灯单元的中轴线x轴，应垂直于水平面y-z平面，使得绕该轴线旋转的到的侧准直表面能够将光线在垂直方向上准直到上下5度范围内；匀光表面在水平方向上能够使出射光线的均匀分布，分布的角度可以视设计需要而定。其中91为LED光源，93为封装透镜，94为单齿侧准直表面。采用6个这样的航标灯单元在圆周上均匀分布，能够视整个圆周方向上有均匀的光强分布。
图10中采用的是多齿的侧准直表面的航标灯单元，同图9一样，每一个单元102都满足在60度以内均匀的光强角分布。为了在360度内都能够被清楚的观测到，可以采用6个完全相同的光学系统，沿着一个圆周每隔60度安装一个来实现设计目标。其中104为多齿侧准直表面，105为匀光表面，101为LED光源，103为封装透镜。
图11是为了提高光强角分布从而满足相关的标准和规定，可以沿着安装航标灯的杆子111增加航标灯单元112的数目，形成航标灯单元阵列来实现光强的要求。
图12a为采用图7结构的仿真结果，在水平方向上，LED的光被匀光表面折射形成均匀的光强分布，在垂直方向上，LED的光被测准直表面控制，形成很好的准直光束。
图12b是采用图9结构的总体方针结果，可以看到，简单的将几颗LED按一定角度排布起来，就得到了水平方向上全角360度的均匀光强分布。
本发明设计的透镜具有非旋转对称性，能够在一个方向上对光源发出的光进行准直，同时在垂直方向上面对光强角分布进行控制。由于本发明将准直设计和给定光强分布设计进行有效的结合，因此设计的光学系统具有很好的侧准直能力和光强角分布的控制能力，同时也具有非常高的能量传输效率，这些都是传统的光学结构所不能够达到的。本发明可以应用在如航标灯，汽车前照灯等对侧准直和光强控制都有很高要求的光学系统设计中。
权利要求
1.一种航标灯单元，含有LED光源、封装透镜和基板，其特征在于，还含有航标灯透镜，所述航标灯透镜的内表面为将光线在x轴方向压缩到一个给定角度的侧准直表面，所述航标灯透镜的外表面为一个使光强在yz轴平面的另一个给定角度内均匀分布的匀光表面；所述x、y和z分别为空间中的三个正交的轴。
2.如权利要求1所述的航标灯单元，其特征在于，所述侧准直表面含有折射准直表面和单齿/多齿全反射准直表面；所述侧准直表面过x轴的截面的形状是中部向x轴凸出、两侧为向x轴方向延伸的单齿或多齿形状；所述截面中部的凸出部分绕x轴旋转形成的表面为折射准直表面，所述截面两侧的单齿或多齿形状绕x轴旋转形成的表面为单齿/多齿全反射准直表面。
3.如权利要求1所述的航标灯单元，其特征在于，所述匀光表面为一以x轴为中轴线的拱形匀光表面，所述拱形匀光表面在圆周方向的中部的曲率小于两侧的曲率。
4.航标灯单元的应用，其特征在于，使航标灯透镜的x轴线垂直于水平面，将2个以上航标灯单元沿航标灯杆的圆周均匀分布。
5.航标灯单元的应用，其特征在于，使航标灯透镜的x轴线垂直于水平面，将2个以上航标灯单元沿航标灯杆的圆周均匀分布，形成一排航标灯单元；所述航标灯杆上布置两排以上航标灯单元，形成航标灯单元阵列。
全文摘要
一种航标灯单元及其应用属于针对LED光源的不具有旋转对称性的三维光学系统设计技术领域。其特征在于，该单元含有航标灯透镜，所述航标灯透镜的内表面为将光线在x轴方向压缩到一个给定角度的侧准直表面，所述航标灯透镜的外表面为一个使光强在yz轴平面的另一个给定角度内均匀分布的匀光表面；所述x、y和z分别为空间中的三个正交的轴。本发明能够将LED光源发出的光线在一个方向上准直到给定角度，在垂直的方向上在给定角度内形成均匀的光强分布，非常适合于航标灯等对侧准直和光强控制都有很高要求的光学系统的应用。
文档编号F21Y101/02GK101078494SQ20071011772
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者罗毅, 钱可元, 王霖 申请人:清华大学