一种反射式LED信号灯的制作方法

本发明属于照明技术领域，具体涉及一种led信号灯。

背景技术：

在船舶航行中，船灯扮演着必不可少的角色，信号灯属于船灯的一种，安装在桅顶，在一定角度范围内实现发光照明，用于发出相应的信号，表明自身状态或是在两船相遇时传递相应信息。船舶航行条件多种多样，在夜间或是能见度较低的情况下，需要用信号灯发出信号。所以信号灯的光学设计影响到了人眼的识别和信息传递的准确性。

传统的信号灯使用卤钨灯作为照明方式，其照明有着效率低，发光不稳定，眩光严重等缺点，目前正在逐步淘汰的过程中。与此同时，led作为固态照明光源逐渐占据大部分照明市场，并且相比卤钨灯有巨大的优势。使用led光源的信号灯有更加灵活的光学设计空间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种均匀发光、眩光少、能效高、结构简单的反射式led信号灯。

本发明设计的反射式led信号灯，根据船舶信号灯的要求及特点，通过光学透镜对led灯珠阵列进行二次配光设计，所述光学透镜采用多自由曲面透镜形式，通过多次反射的方式，将led灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布，在水平方向360°和垂直方向±60°的区域内实现均匀发光；这样可极大提高光源的利用率，实现较高的能见度。

本发明设计的反射式led信号灯，其结构包括壳体、面罩、led灯珠、光学透镜、盖板、后盖、pcb电路板；led灯珠、pcb电路板、光学透镜、盖板构成led信号灯的光学模组，灯的壳体内部设有相应凹槽，用于放置并固定所述光学模组；其中：

所述光学模组中，采用贴片性的led灯珠，呈阵列分布于铝基板上(可采用smt贴片机焊接在铝基板上)；铝基板固定在led支架(散热器)上，构成不可拆卸的组件，例如铝基板通过螺钉连接到led支架(散热器)上，并用螺钉焊死；光学透镜安装在led灯珠阵列上方，led灯珠位于光学透镜的几何中心下方；

所述光学透镜，采用多自由曲面透镜形式，通过多次反射，将led灯珠阵列发出的光线通过光学系统全部收集并进行重新分布，在水平360°和垂直±60°的区域内实现均匀发光；

所述的pcb电路板用于固定led芯片，将led光源阵列形成串并联结构，统一进行供电及驱动；led信号灯的部件由固定配件固定；

面罩安装在灯壳的开口处，用于封闭整个光学系统。

本发明设计的反射式led信号灯中，led灯珠阵列及pcb电路板构成led光源板模块，该模块包含三个不同形状的led灯珠阵列，分别为：圆形、三角形、x形；其中，每种形状与一种颜色对应；例如，绿色为圆，黄色为三角、红色为x，分别表示不同信号；阵列中的led灯珠以均匀间距排布，不同模块发光可根据不同的应用场景进行控制调节。

本发明设计的反射式led信号灯中，所述的光学组件可由红、黄、绿三种颜色的led芯片组成led光源阵列，从而可以实现不同颜色的信号发光。

本发明设计的反射式led信号灯中，所述的多自由曲面透镜，其曲面形状根据led光源阵列本身的光分布要求设计，在水平方向360°范围内实现发光，在垂直方向±60°时达到最大光强，使得光线的空间分布较为集中，便于观测。

具体来说，多自由曲面透镜的设计规则如下：

(一)按照奥拉德定律推算出所要求发光区域内的最小光强。奥拉德定律如公式(1)所示：

其中：

et：照度阈值(icao国际民航组织推荐值1x10^-6lx)

i：发光强度，单位cd(坎德拉)，1cd＝1lm/sr

l：可见距离，单位m

u：线性消光系数，在6级能见度条件(国际大气能见度分类标准)时，u＝0.39/km

e：自然常数。e＝2.7183

计算得到发光区域内的最小光强为：

i＝et×l²×e^ul(2)。

(二)根据上一步计算得到的结果，要求信号灯发光区域内的光强大于最小光强i。由于发光区域光强分布特点，边缘光强小于中心光强，因此要求发光区域边缘光强ivmin大于计算得到的最小光强i。

为实现发光区域要求的目标光强，需要计算出灯具的光通量。光源的光通量与光强之间存在如下计算公式：

其中，iv(φ，θ)代表光源光强的空间分布，所选用的led芯片光强分布近似为余弦辐射体，光强在径向上表现为余弦分布。若边缘光强为ivmin，则中心光强应为2ivmin，因此可用公式(4)来模拟led芯片的光强分布：

iv＝2ivmincosθ(4)

公式(3)中的积分的角度范围根据发光区域要求来确定，由此可求出灯的光通量。

(三)在第二步计算得到的结果基础上，考虑窗口玻璃的透过率，可计算出实际所需led芯片的总光通。玻璃透过率的计算公式如下：

τ＝μⁿ(5)

其中，τ是总透过率，μ是单位毫米的透过率，n是所选用的玻璃厚度(单位：mm)；

因此，实际所需的led芯片的总光通f为:

f＝fv/τ(6)。

(四)根据计算结果，通过软件计算模拟，完成多自由曲面的设计。

本发明设计的反射式led信号灯中，自由曲面反射器对led进行二次配光设计，通过反射的方式将led芯片发出的能量进行收集，重新分布然后进行投射，实现特定形状和光分布的照明效果，在满足产品使用要求和相关标准的前提下，简化结构设计，提高零件的通用性。该led信号灯结构简单，具有较高的实用性。

附图说明

图1是反射式led信号灯的整体结构图。

图2是反射式led信号灯的整体示意图。

图3是反射式led信号灯led阵列串并方式原理图。

图4是反射式led信号灯的发光区域示意图。其中，第一行、第二行、第三行分别对应于led灯珠阵列的x形、三角形、圆形。

图5是反射式led信号灯的配光分布图。

图6是反射式led信号灯的空间光分布图。

图中标号：1为灯壳，2面罩，3为led芯片，4为pcb板，5为后盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子进一步描述本发明。

图1是反射式led信号灯的整体结构图，灯壳1是主体，led芯片3以阵列的形式排列在pcb板4上，实现可控发光，面罩2安装于灯壳1上，对灯具内部的光线进行出射，并对灯具内部结构起到保护作用。

图2是反射式led信号灯的整体示意图，三种颜色的led芯片3以阵列方式排列于pcb板4上，并且组成不同形状。本发明中，所采用的led芯片分别为型号lag6sp的红光led、型号lyg6sp的黄光led、型号ltg6sp的绿光led以及型号sfh250的近红外led，单颗功率约为0.3w。

如图3所示，所述led芯片3采用先串联后并联的方式进行恒流供电，共有49颗红光led、49颗黄光led、49颗绿光led以及36颗红外led芯片。由led芯片3组成的光源阵列发出的光线，经过自由曲面的反射收集后，通过面罩2进行出射，最终形成如图5和图6的配光分布以及空间光分布。

图4是本发明反射式led信号灯发光区域的示意图，根据能见度条件6级(国际大气能见度分类标准)；夜间可视距离大于2.8km的要求，按照奥拉德定律理论可以推算出区域内的最小光强。奥拉德定律如公式(1)为：

其中：

et：照度阈值(icao国际民航组织推荐值1x10^-6lx)

i：发光强度，单位cd(坎德拉)，1cd＝1lm/sr

l：可见距离，单位m

u：线性消光系数，在6级能见度条件(国际大气能见度分类标准)时，u＝0.39/km

e：自然常数。e＝2.7183

计算得到发光区域内的最小光强为：

i＝et×l²×e^ul＝23.5cd(2)

根据上一步计算得到的结果，要求信号灯发光区域内的光强大于最小光强i。由于发光区域光强分布特点，边缘光强小于中心光强，因此要求发光区域边缘光强ivmin大于计算得到的最小光强i。在实际设计中还应考虑到热量设计，因此在设计时按照ivmin＝25cd设计。

为实现发光区域要求的目标光强，需要计算出灯具的光通量。光源的光通量与光强之间存在如下计算公式：

其中，iv(φ，θ)代表光源光强的空间分布，所选用的led芯片光强分布近似为余弦辐射体，光强在径向上表现为余弦分布。若边缘光强为ivmin，则中心光强应为2ivmin，因此可用公式(4)来模拟led芯片的光强分布：

iv＝50cosθ(4)

公式(3)中的积分的角度范围根据发光区域要求来确定，为实现设计要求；将照射区域定义为水平角：-60°～60°；为垂直角：-60～60°；换算成弧度水平角为：垂直角为：由此可求出灯的光通量。

计算得到的光通量为理论值，在实际应用中，还应考虑窗口玻璃的透过率，再计算出实际所需led芯片的总光通。玻璃透过率的计算公式如下：

τ＝μⁿ(6)

其中，τ是总透过率，μ是单位毫米的透过率，n是所选用的玻璃厚度(单位：mm)，本发明中采用的窗口玻璃透过率为81.5％。

因此，实际所需的led芯片的总光通f为:

考虑到实际应用中的热量设计要求及其他损耗，最终选用的led芯片的总光通不可低于50lm。

最后根据计算结果，通过软件计算模拟，完成多自由曲面的设计。其光分布效果见图5和图6所示。