双椭球反光器、LED发光装置以及灯具的制作方法

本发明涉及一种双椭球反光器、使用该双椭球反光器的LED发光装置，以及使用该LED发光装置的灯具。

背景技术：
航空工业采用一种地埋式安装于跑道上的强发光灯具，例如跑道灯和跑道边灯，以帮助飞行员在飞机降落前精确定准定位跑道。这种灯具因为不能造成飞机滑行过程中磕碰颠簸而不能突出地面过多，所以，能够用于投射发光的出光口非常小，一般来说要求小于18毫米。而引导飞机降落的灯具又需要较强的发光，跑道灯为11度主投光角的平均光强不能小于10000cd，跑道边灯的光强要求略弱。高光强要求为总光通量小的LED光源应用于跑道导航灯造成了技术屏障。传统跑道导航灯一般采用白炽类的卤素光源，能耗高，常用250W。寿命短，一般寿命为约3000小时，机场一般每年最少要更换三次。而现代机场非常繁忙，很多机场只能在凌晨的2-5点之间进行维护更换，带来很高的工作强度和安排复杂性。

技术实现要素：
本申请的双椭球反光器、LED发光装置和灯具能够很好地解决以上两大问题。本发明的目的之一是提供一种能够在狭小的发光口径下发射出满足引导飞机降落要求的光强值的LED光源光学结构。本发明的另一目的是以低功耗、使用寿命长的发光装置实现地面照明。本发明提出一种双椭球反光器，包括由两个椭球部的反光器主体，所述两个椭球部的形状基本相同，每个椭球部的沿长轴的两端从平行于椭圆短轴并且包含焦点的平面被截除，其中第一焦点所在的一端为封闭的，用以容纳用于发光的元件，第二焦点所在的一端为空，形成光出射口，从而光从其经过并射出，两个椭球部在沿长轴的椭球面的一部分也被分别截除并且剩余的椭球面沿边缘处相互接触以形成交叠部，该交叠部是中空的，所述双椭球反光器的内表面为椭球反光曲面，从而反射光源发出的光并汇集至出光口；其中，来自第一焦点处的作为光束主体的投射光直接投射到光出射口，来自第一焦点处的剩余的发散光将被每个椭球的内表面反射，从第二焦点处射出。其中，所述双椭球反光器是沿两个椭球的轴心线的平面分割为全对称的上下两部分，也就是每一部分为前后对称状，可以以铸造工艺一体成型完成两部分之一，因其对称的结构，将两部分之一反转与另一个对接构成一个完整的双椭球反光器。其中，双椭球反光器采用玻璃压铸成型，反光曲面以真空镀膜工艺处理。其中，所述双椭球反光器的高度为45-54mm，光出射口处的通径为16-22mm，交叠部的高度为26-29mm，交叠部的宽度为14-17mm，两个椭球的长轴之间的距离为28-32mm。其中，所述双椭球反光器的高度为50mm，通光出射口处的径为18mm，交叠部的高度为28mm，交叠部的宽度为15.56mm，两个椭球的长轴之间的距离为30mm。每个椭球部沿椭球短轴方向的短轴长度为假设包括被截除部分时的完整椭球短轴长度的80％-90％。从该双椭球反光器中发出的光形成17°-19°的发光角度。本发明还提出一种LED发光装置，包括以下组件：两个LED光源，两个一次聚光元件，分别位于两个LED光源的前端，用于将两个LED光源发出的光分别汇聚为小于10度的发光；前述的双椭球反光器，其中将两个LED光源和两个一次聚光元件分别置于每个双椭球反光器的远离光出射口的第一焦点的位置。其中，还包括光整形机构，所述光整形机构包括至少一个透镜，该光整形机构位于双椭球反光器的第二焦点处，用于将从双椭球反光器发出的光进一步整形为具有需要的角度和光强的光。其中，一次聚光元件包括光束角为4度-7度的光学透镜或反光器。其中，一次聚光元件包括光束角为5度的光学透镜或反射器。其中，光整形机构为依次并列放置的两个凸透镜，其中之一的焦距为128-139mm，另一个的焦距为50-60mm。其中，所述并列放置的两个凸透镜是彼此接触的，其中一个焦距为135mm，另一个焦距为50mm。本发明进一步提出一种LED发光装置，包括两组前述的LED发光装置，两组LED发光装置之间的间隔为至少为5mm。本发明还提出一种灯具，包括前述LED发光装置以及位于LED发光装置外部的外壳，所述外壳包括坚固的侧部和底部以及透明且耐压的前部。本申请的光学结构支持以14W以下的光源能耗代替过去的250W，节能90％以上，以首都机场逾30000只灯具计，可年节能逾675万瓦，日节能超过5万度电。LED光源的理论使用寿命为50000小时，以日使用时间8小时计，理论上可使用17年无需维护更换。所以，采用LED光源制造跑道导航灯能够大幅减少灯具的损坏率，从而大幅降低维护工作难度和工作量，有利于航空安全。附图说明为了更好的理解本发明的实施例的各示例，现在将仅通过示例的方式参考附图，在附图中：图1表示对目前要求的飞机跑道灯的光强和光分布的图表。图2示意性地表示根据本发明——较佳实施例的双椭球反光器的正面视图。图3示意性地表示根据本发明——较佳实施例的双椭球反光器的A-A剖面图。图4示意性地表示根据本发明——较佳实施例的双椭球反光器的俯视图。图5示意性地表示根据本发明——较佳实施例的双椭球反光器的B-B剖面图。图6示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的俯视图。图7示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的侧面视图。图8示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的正面视图。图9示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的剖面图。图10示意性地表示根据本发明——较佳实施例的两个双椭球反光器的设置方式。图11示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的光路图。图12示意性地表示根据本发明——较佳实施例的LED发光装置的组合光的光路图。具体实施方式本发明的双椭球反光器和LED发光装置也主要用于嵌入地面中以进行地面照明的照明系统。当前广场大面积的地面照明只能采用灯具突出于地面之上的灯具向下或斜下照射才能将地面照亮，可是，突出地面之上的灯具对广场的人群集聚要求和美观要求有—定损害。本发明提供一种嵌入地面突出地面20mm的灯具制造方案，该灯具可以将光紧贴地面投射出窄角度约5米距离宽角度约2米距离，并将光经过的地面照亮。以此可以满足广场建设地面无突出物的应用要求。目前采用的跑道导航灯的光学要求指标如图1所示，11°主光束角的平均光强值不小于10000cd，11°等光强曲线的最低光强不小于5000cd，15°光场角的等光强曲线光强不小于1000cd，18°外延角的等光强曲线光强不小于500cd。光投射上仰5°角。按曲线按公式x2/a2+y2/b2＝1算出：A5.57.59B4.568.5本发明的双椭球反光器的一较佳实施方式如图2-5所示。其中该双椭球反光器1采用双光源模块，也就是每个模块使用2粒LED光源，可以为每粒LED光源加装一种一级镜头，该一级镜头将在下面的实施例中详述。围绕每一粒LED光源，配置双椭球反光器的一部分，而对于两粒LED光源，设置一个完整的双椭球反光器。因两粒光源以彼此接近的方式排布以缩小光学结构体积的要求，故双椭球反光器并非是两个完整的椭球，而是两个具有椭球的大半部分的半椭球，根据图示方向，椭球的上方、下方和左(右)侧方分别被截除一部分，其中上方和下方沿着平行于椭圆的短轴并且包含焦点的平面截除。该两个半椭球在彼此相对的分开的左(右)侧面处是重叠的，也就是在椭球的中部位置有部分重叠以减小体积。该双椭球反光器可将两个反光器结合形成为一个整体的反光模块。重叠位置也被称为交叠部。该双椭球反光器中的每个椭球的具体计算公式为p＝2b2/a，h2＝a2-b2，其中p表示通径，即轴心线截面高度，a表示长半轴，b表示短半轴，h表示椭球的两个焦点的距离，即焦距。在本发明中，第一焦点(f1)与第二焦点(f2)的距离h为45-54mm，优选为47mm，更优选为49mm，更优选为51、52或53mm，最优选为50mm，光出射口处的通径d1为16-22mm，优选为17mm，更优选为21、20、19mm，最优选为18mm。虽然两个椭球无重叠分别独立工作是最佳状态，但不重叠的方案会产生两个椭球平置占用空间过大的问题，因而在两个椭球发光器之间仍然要设置重叠位置以压缩空间占用，该重叠位置也被称为交叠部，该交叠部设置为使得从一个椭球发光器发出的光尽量不会通过该交叠部进入另一椭球发光器，从而实现压缩体积与减少对另一椭球中的光干扰之间相平衡的问题。因灯具体积限制不易使双椭球并列的横向尺寸过大所以两个椭球需要有一定重叠，而两个椭球及各自代表的每一个光学结构含聚光镜头、整形光镜头为独立光学系统，两个椭球重叠过多就会产生相互之间的光干扰，也损失了重叠中空部位的反射面而造成光损失。为了更好地使光透过并且不使光产生干扰，每个椭球可以被认为是被截除一部分以形成交叠部，每个椭球沿椭球短轴方向的宽度约为如果包括被截除部分时的完整椭球宽度的80％-90％，优选为82％-88％，更优选为85％-86％。以本发明的这种设置方式，在压缩体积最大的前提下，使得进入另一椭球的光尽可能少，这非常少量的光即使进入另一椭球中，也不会给另一椭球中的出射光带来影响。在此实施例中，两个椭球的交叠处的开口长度h2为26-29mm，优选为28mm，交叠处的开口宽度r1为14-17mm，优选为15mm，最优选为15.56mm。双椭球反光器的宽度w2为62-66mm，优选为63-65mm，最优选为64.5mm，两个椭球的长轴之间的距离w1为28-32mm，优选为29-31mm，最优选为30mm。LED光源置于椭球的第一焦点位置。出光口设为第二焦点。其中，当焦距为50mm并且焦点轴心线截面高度为18mm时，获得的LED光源的11°主光束角的光强可以达到10000cd。至此，本双椭球反光器的光学结构原理为：使得LED光源的发光经一次集聚投射向出光口，而未被集聚的散溢光和经集聚但投射到狭小出光口以外的光经双椭球反光器的收集而反射汇聚至出光口，也就是第二焦点。以两次光集聚，最大限度地将LED光源的发光汇集到出光口。本发明的双椭球反光器可以采用玻璃压铸成型，反光曲面以真空镀膜工艺处理，以保证批量生产能够达到最高的反射率和曲面维持度。利用以上双椭球反射器可以构成一种LED发光装置，以实现低功率高亮度的地面照明。本发明一较佳实施例的LED发光装置如图6-9所示。该LED发光装置包括光源2、一次聚光元件3，双椭球反射器1和光整形机构4。本发明中的LED发光装置中，对于每个双椭球反射器采用两个LED光源，每个LED光源可以是单个LED，也可以是多个LED构成的组。在本申请中，例如可以采用4粒低功率多芯片的芯片集成式点发光LED作为单个LED发光光源。目前被广泛应用的包括CREE公司的MXL型4芯片LED光源，每芯片满负荷为3W，理论总负荷为12W，厂家标称功率为10W。在该实施方式中可以只采用小于7W以满足长效应用的要求。随LED科技发展，未来亦可采用其它性能更优的芯片用于本光学结构。本发明较佳实施方式的LED发光装置中，一次聚光元件3采用光束角为大约5度的光学透镜或反光器，例如反光杯，将光源发出的光进行一次集聚投射。当然，光束角当然也可以实现为4度或7度或9度。可采用与LED光源相配的光源专配镜头或反光器，其要义为将LED光源发射出的光收集集聚该从LED光源发出的光一般为约120°的发光，当然也可以是其他角度的发光，根据光源决定。将光源发光的主体投射到终极镜头，也就是发光口。将LED光源和一次聚光元件置于双椭球反光器内，双椭球反光器可以是如上面的实施例所述的反光器，LED光源置于椭球的第一焦点位置。在每一粒LED光源的出光口，也就是双椭球反光器的两个第二焦点位置分别加装光整形机构4，该光整形机构可以包括焦距为128-139mm、优选为131mm、132mm、133mm、134mm、136mm、137mm、最优选为135mm的凸透镜和焦距为50-60mm的凸透镜，这两个凸透镜并列防止并且间距尽可能小，间距可以为0，也就是彼此接触。通过一次聚光元件第一次聚光并经过双椭球反光器进行第二次聚光汇集到一起的光经过以上两个凸透镜投射出光学装置，整合为需要的投射角度和满足光强要求的光分布。采用两个凸透镜的原因为，跑道灯需要的11°主光斑内的中心光强要求高，故采用趋近双椭球焦距的50-60mm凸透镜以提升光斑中心光强；同时因短焦距镜头不足以形成需要的投射角宽度，所以选用例如135mm长焦距凸透镜具发光点短于焦距的距离对投射光斑进行放大形成需要的投光角宽度。采用两粒光源分别进行一次聚光、二次聚光和凸透镜整形聚光后的光为独立的两道光路投射出本光学结构，在行程中这两道光路重合为一道光，两道光路的重合度在3米后能够达到95％以上。为便于制造和生产，以上的发光装置的结构可以合二为一，将之设计为一个光学模块，该光学模块还可以被称为双椭球模块。并且在批量生产中，该模块为灯具制造的光学组件。至此，本光学结构的原理为：LED光源的发光经一次集聚投射向出光口，而未被集聚的散溢光和经集聚但投射到狭小出光口以外的光经椭球反光杯的收集而反射汇聚至出光口，也就是第二焦点。以两次光集聚，最大限度地将LED光源的发光汇集到出光口。而后通过两个凸透镜将投射光斑调制成需要的光强和角度。如图11所示，本发明一较佳实施例的LED发光装置的光路图。左图为侧面的剖面图，右图为正面的剖视图。其中可以看出，从光源2发出并从一次聚光元件3散溢出的光被该椭球的椭球反光曲面反射，并经由位于椭球的出口处的凸透镜4调制后发出，调制后的光线所构成的角度大概为18°。而散溢到交叠部的光虽然在图中有表示，但其是非常微量的，几乎不会对另一椭球内部的光线产生影响。由此，从该双椭球反光器构成的LED发光装置的元件可以实现光源发光的充分使用。经双椭球反光器反射并合成的LED光源发光的光已经进行了以上三次光学处理，经过该三次光学处理后投射出的光在光强和发光角度及分布方面均能够满足国际标准要求。如因投射彩色光，光源光通量降低或经滤光光通量降低而无法满足光强值的要求时，灯具可采用2个或多个双椭球模块构成的LED发光装置，如图10所示，两组LED发光装置间隔6mm，发出的光构成4条光路，在4条光路合成后的光即可满足国际标准的光强要求。如图12所示，从如图10所示的两组双椭球反光器发出的组合光的光路，可以清楚地看到，该LED发光装置发出的光形成大约17°-19°的发光，优选为18°的发光，从而满足所需要的地面照明。根据本发明一较佳实施例的灯具包括上述LED发光装置和位于该LED发光装置外部的外壳。该外壳包括坚固的侧部和底部以及透明且耐压的前部，在使用过程中，该外壳可以位于地面以下以提供地面照明。这种双光源模块可叠加使用是满足经济制造、长效耐用、多种光强要求实际应用、和未来LED技术发展的灵活灯具制造模式，亦为本光学结构的组成部分。本发明可以用于跑道导航灯、跑道边灯或广场地埋灯。对于跑道导航灯，该LED发光装置以5度角上仰置于灯具内，形成导航灯所需的照射上仰角。对光强要求在10000cd以下的应用，可以选用一个双椭球模块。对光强要求高的应用，优选为采用两个双椭球模块。对于跑道边灯，其投光与跑道灯相仿，但光强要求略低，优选为采用一个双椭球模块。对于以地面照明为照明目的广场地埋灯，将光贴地投射。凸透镜可以根据需求改变，当需要窄光束时采用焦距小于70mm的凸透镜，将双椭球模块略微高于地面平置于灯具内。当需要贴地大角度扫射光时，选用柱面镜横置于双椭球反光器出光口，略微高于地面置于灯具内。尽管在前面的说明中尽力将注意引向被认为是对本发明而言特别重要的那些特征，但是应当理解，无论是否对其进行特别地强调，申请人请求保护在上文中提到的和/或在附图中图示的任何具有专利性的特征或特征的组合。