一种透镜结构、夜航灯及无人飞行器的制作方法

本发明实施例属于无人机技术领域，尤其涉及一种透镜结构和采用该透镜结构的夜航灯及无人飞行器。

背景技术：

无人飞行器在夜间飞行时需满足一些要求，比如需要提供警示灯，为空中其他飞行物和底面人员提供警示或作为无人飞行器的运动标记，警示灯一般通过固定频率的闪烁来实现警示，其发出的光线能够覆盖的范围越大越好，在美国甚至有专门的法案要求无人飞行器的警示灯所要覆盖的范围，在美国faa(federalaviationagency，联邦航空局)法案中要求7kg以下无人飞行器在夜间飞行时，无人飞行器搭载的夜航灯需要使任意方向的人眼能够在3英里/5公里之外看到警示灯的闪烁。

常规可以通过提高警示灯光源的发光功率来提高警示灯光线覆盖范围，然而受限于无人飞行器的体积和重量要求，使得无人飞行器能够提供给警示灯的功率有限，导致无人飞行器上的夜航灯在较低功率下工作时的警示范围有限，因此亟需寻找一种能够提高夜航灯警示范围的方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种应用于警示用夜航灯的透镜结构，以解决现有技术中无人飞行器上的警示灯的警示范围受限的问题。

具体的，本发明实施例采用了如下的技术方案。

一方面，本发明实施例提供一种透镜结构，其包括互相连接的出光部和连接部，所述出光部包括第一折射区和第二折射区；

所述第一折射区为曲状结构，包括弯曲方向均远离所述连接部的第一曲面和第二曲面，所述第二折射区为中空的圆台状结构，包括与所述第一曲面相接的第一环面和与所述第二曲面相接的第二环面；

所述第一曲面形成第一光腔，所述第一环面形成第二光腔，从所述第一光腔出射的光线依次经所述第一曲面和所述第二曲面后对外散射，从所述第二光腔出射的光线依次经所述第一环面和所述第二环面后对外散射，散射光线在由所述第二曲面和所述第二环面所组成的出光面上均匀分布。

作为本发明一种可实施的方案，所述第一环面与所述第一曲面的相接处形成第一交界线，所述第二环面与所述第二曲面的相接处形成第二交界线，所述出光部和所述连接部的连接处形成连接面；

所述第一环面和所述第二环面上平行于所述连接面的截面均为圆形，所述第一环面和所述第二环面上的圆形截面的直径自所述连接面向所述第一交界线线性减小，其中，所述第二环面上的圆形截面的直径减小的幅度大于所述第一环面上的圆形截面的直径减小的幅度。

作为本发明一种可实施的方案，所述第一交界线相对于所述连接面的距离大于所述第二交界线相对于所述连接面的距离。

作为本发明一种可实施的方案，所述第一环面与所述第一曲面的相接处形成的第一交界线为圆形交界线，当所述透镜结构与外部光源配合时，所述圆形交界线的圆心与光源中心的连线垂直于所述圆形交界线所在的平面；

所述光源中心与所述圆形交界线形成的圆锥形状的圆锥角的大小为60～120度。

作为本发明一种可实施的方案，所述连线所在的任意平面与所述第一环面的交接线同所述连线的夹角为3～6度。

作为本发明一种可实施的方案，所述第一曲面和所述第二曲面均为球冠形曲面。

作为本发明一种可实施的方案，所述第二光腔包含光源容纳部。

作为本发明一种可实施的方案，所述连接部为环状结构，所述环状结构内配置有电路板安装部。

作为本发明一种可实施的方案，所述环状结构内临近所述电路安装部还配置有散热件安装部。

作为本发明一种可实施的方案，所述连接部临近所述第二环面的位置设置有用于与外部结构配合的限位台阶。

作为本发明一种可实施的方案，所述连接部上远离所述出光部的端面设置有用于与外部结构配合的定位部。

作为本发明一种可实施的方案，所述出光部和所述连接部为一体成型结构。

另一方面，本发明实施例提供一种夜航灯，其包括光源和与所述光源连接的电路板，以及上述的透镜结构，其中所述透镜结构罩设在所述光源之上，且所述光源部分或全部地位于所述第二光腔内，所述第一光腔同时用作所述光源的散热间隙。

作为本发明一种可实施的方案，临近所述电路板还设置有散热件。

另一方面，本发明实施例提供一种无人飞行器，其包括机体和自所述机体向外延伸的多个机臂，每个机臂上对应安装有动力装置，其中，在所述机体的顶部和底部分别安装有上所述的夜航灯。

根据本发明实施例提供的透镜结构，采用曲状结构的第一折射区和中空圆台状结构的第二折射区，使得光源发出的光线经过这两个折射区对外射出后，可在所述透镜结构的出光面上均匀分布，形成一个具有较大发散角的光区，至少可保证在发散角在140度内的出光面上光线的均匀发射，使得采用该透镜结构的夜航灯的光源在发光功率一定时，相比于现有技术可具有更大的发光区，而采用这样的夜航灯的无人飞行器，可使其他的空间运动体或底面人员从更多的角度观察到无人飞行器，一方面可大范围为其他飞行器或者运动物体提供警示作用(警示范围可提升至5公里及以上)，另一方面方便操作者在夜间的全方位操控无人飞行器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的透镜结构的俯视图；

图2为图1沿a-a剖视线的剖视图；

图3为本发明实施例提供的透镜结构中第一曲面的跨度和第一环面、第二环面的角度设置示意图；

图4为本发明实施例提供的透镜结构的光线折射示意图；

图5为本发明实施例提供的夜航灯的俯视图；

图6为图5沿b-b剖视线的剖视图；

图7为本发明实施例提供的无人飞行器的局部结构示意图。

附图标记说明：

10第一折射区

12第一曲面

14第二曲面

16第一光腔

20第二折射区

22第一环面

24第二环面

26第二光腔

30连接部

32电路板安装部

34散热件安装部

36限位台阶

40定位部

50光源

60电路板

70散热件

80机体

90定位结构

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供一种透镜结构，其包括互相连接的出光部和连接部，所述出光部包括第一折射区和第二折射区；

所述第一折射区为曲状结构，包括弯曲方向均远离所述连接部的第一曲面和第二曲面，所述第二折射区为中空的圆台状结构，包括与所述第一曲面相接的第一环面和与所述第二曲面相接的第二环面；

所述第一曲面形成第一光腔，所述第一环面形成第二光腔，从所述第一光腔出射的光线依次经所述第一曲面和所述第二曲面后对外散射，从所述第二光腔出射的光线依次经所述第一环面和所述第二环面后对外散射，散射光线在由所述第二曲面和所述第二环面所组成的出光面上均匀分布。

基于上述的透镜结构，本发明实施例提供一种夜航灯，其包括光源和与所述光源连接的电路板，以及上述的透镜结构，其中所述透镜结构罩设在所述光源之上，且所述光源部分或全部地位于所述第二光腔内，所述第一光腔同时用作所述光源的散热间隙。

基于上述的夜航灯，本发明实施例还提供一种无人飞行器，其包括机体和自所述机体向外延伸的多个机臂，每个机臂上对应安装有动力装置，其中，在所述机体的顶部和底部分别安装有上所述的夜航灯。

根据本发明实施例提供的透镜结构，采用曲状结构的第一折射区和中空圆台状结构的第二折射区，使得光源发出的光线经过这两个折射区对外射出后，可在所述透镜结构的出光面上均匀分布，形成一个具有较大发散角的光区，至少可保证在发散角在140度内的出光面上光线的均匀发射，使得采用该透镜结构的夜航灯的光源在发光功率一定时，相比于现有技术可具有更大的发光区，而采用这样的夜航灯的无人飞行器，可使其他的空间运动体或底面人员从更多的角度观察到无人飞行器，一方面可大范围为其他飞行器或者运动物体提供警示作用(警示范围可提升至5公里及以上)，另一方面方便操作者在夜间的全方位操控无人飞行器。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的透镜结构的俯视图，图2为图1沿a-a剖视线的剖视图，所述透镜结构包括互相连接的出光部和连接部30，所述出光部包括第一折射区10和第二折射区20；

所述第一折射区10为曲状结构，包括弯曲方向均远离所述连接部30的第一曲面12和第二曲面14，所述第二折射区20为中空的圆台状结构，包括与所述第一曲面12相接的第一环面22和与所述第二曲面14相接的第二环面24：

所述第一曲面12形成第一光腔16，所述第一环面22形成第二光腔26，从所述第一光腔16出射的光线依次经所述第一曲面12和所述第二曲面14后对外散射，从所述第二光腔26出射的光线依次经所述第一环面22和所述第二环面24后对外散射，散射光线在由所述第二曲面14和所述第二环面24所组成的出光面上均匀分布。

其中，所述第一环面22与所述第一曲面12的相接处形成第一交界线，所述第二环面24与所述第二曲面14的相接处形成第二交界线，所述出光部和所述连接部30的连接处形成连接面。

在本实施例中，所述第一交界线为圆形交界线，当所述透镜结构与外部光源配合时，所述圆形交界线的圆心与光源中心的连线垂直于所述圆形交界线所在的平面；其中，如图3所示，所述光源中心与所述圆形交界线可形成一圆锥形状，在可选实施例中，该圆锥形状的圆锥角α的大小可配置为60～120度。

进一步的，在本实施例中，所述第一环面22和所述第二环面24上平行于所述连接面的截面均为圆形，所述第一环面22和所述第二环面24上的圆形截面的直径自所述连接面向所述第一交界线线性减小，其中，所述第二环面24上的圆形截面的直径减小的幅度大于所述第一环面22上的圆形截面的直径减小的幅度。

在可选实施例中，当所述第一交界线为圆形交界线时，该圆形交界线的圆心与光源中心的连线所在的任意平面与所述第一环面22的交接线同所述连线的夹角为3～6度，具体如图3所示，图中l1为圆形交界线的圆心与光源中心的连线所在的一个平面与所述第一环面22的交接线，l1在本实施例中为直线，l2为平行于所述圆形交界线的圆心与光源中心的连线的直线，所述圆形交界线的圆心与光源中心的连线所在的任意平面与所述第一环面22的交接线同所述连线的夹角即为直线l1与直线l2的夹角β，在本实施例中直线l1和直线l2的夹角β的范围为3～6度。

在可选实施例中，当所述第一交界线和所述第二交界线均为圆形交界线，且所述第一交界线和第二交界线的圆心、光源中心在同一直线上时，所述第一交界线和第二交界线的圆心、光源中心的连线所在的一个平面与所述第一环面22和所述第二环面24分别相交可形成交接线l1和l3，同时l2和l4为平行于所述第一交界线和第二交界线的圆心、光源中心的连线的直线，在本实施例中，在本实施例中直线l1和直线l2的夹角β的范围为3～6度，同时直线l3和直线l4的夹角θ大于直线l1与直线l2的夹角β，这样的角度设置可增加光线的发散范围，同时在所述透镜结构采用注塑工艺生产时方便脱模。

实际上夹角θ与夹角β的差值决定了光线经过第二折射区20的光线被偏转的角度，夹角θ与夹角β之差越大则出射光线被偏转的角度越大，在本发明实施例中，为实现光线全方向的可见性，需要尽量加大偏转角度，在透镜结构的体积和加工工艺允许的前提下尽量加大夹角θ与夹角β的差值，当然，在实际的设置过程中，所述第二环面24的角度θ的大小设置在考虑尺寸大小(角度θ越大则第二环面24的尺寸越大)和工艺的限制的前提下，需保证光线从所述第第二曲面14和所述第二环面24出射时，所述第二曲面14出射的最大角度与所述第二环面24出射的最小角度相接或重合，即需保证所述第二曲面14出射的光线与所述第二环面24出射的光线相接或者重合，避免第二曲面14和第二环面24组成的出光面上在某一个方向上没有出光的情况，保证出光面上光线的连贯性，如图4所示为出射光线均匀分布的示意图。

在进一步的实施例中，所述第一交界线相对于所述连接面的距离可大于所述第二交界线相对于所述连接面的距离，在透镜结构的尺寸一定的情况下有利用保证出光面上光线的连贯性。

本实施例提供的透镜结构利用了自由曲面透镜技术，通过第一折射区10的曲面的跨度大小和第二折射区20的环面的角度的配合设置，使得通过第一折射区10和第二折射区20出射的光线之间不发生串扰，同时出射的光线角度还能保持连续，实现一个半球范围内的均匀发光的效果，以用于警示、运动定位这类需要兼顾大角度范围的场景，通过对第一折射区10和第二折射区20的优化，至少可保证光线在出光面140°范围内的均匀出射，具有发光均匀、能量利用率高、成本低的特点，在光源功率一定的情况下，警示范围可扩大到5公里及以上。

在可选实施例中，所述第一曲面12和所述第二曲面14均为球冠形曲面。当然，在一些实施例中，所述第一曲面12和所述第二曲面14的形状不一定是球面，可以是非球面形状，一般来说，球面的形状可使第一折射区10具有更好的负屈光度由于光源进入第一折射区10的光强度通常较大，负屈光度有助于扩散光线，使得出光面上的光强分布更加均匀，故所述第一曲面12和所述第二曲面14具体面型在实际设计过程中可根据根据光源的发光特性进行调整。

在可选实施例中，所述第二光腔26包含光源容纳部，用于容纳光源整体或者光源的一部分，可使得采用该透镜结构的夜航灯的结构更加紧凑，从而具有更小的体积。当然，当第二光腔26容纳光源整体时，需保证光源与第一曲面12之间存有足够的空气间隙，以满足光源的散热需求。

进一步的，在本发明实施例中，所述连接部30为环状结构，其可方便透镜结构与外部结构的快速适配连接。

在可选实施例中，所述环状结构内配置有电路板安装部32，用于安装贴片光源或者灯珠型光源。

在可选实施例中，所述环状结构内临近所述电路安装部还配置有散热件安装部34，以使安装光源的电路板能够贴合散热件，方便采用该透镜结构的夜航灯的整体散热。

在上述实施例中，通过将电路板安装部32和散热件安装部34设置在连接部30内，可保证采用该透镜结构的夜航灯装配的紧凑度，有利于减小夜航灯整体体积。

在可选实施例中，所述连接部30临近所述第二环面24的位置还设置有用于与外部结构配合的限位台阶36，方便采用该透镜结构的夜航灯能够卡接在诸如无人飞行器这样的移动装置上。

在可选实施例中，所述连接部30上远离所述出光部的端面设置有用于与外部结构配合的定位部40。在本实施例中，该定位部40为定位柱，用于与外部的定位结构配合实现所述透镜结构在外部装置上的定位和/或限位。

在本发明实施例中，所述出光部和所述连接部30可为一体成型结构。特别的，采用塑料成型工艺便于在透镜出光部上直接生长用于结构装配的连接部30，有助于控制成本和提高装配精度。在本实施例中，由于高折射率的材料对光线偏转角度更大，因此所述出光部的材质原则上选用高折射率的透明材料较好，考虑的成型工艺和成本限制，在本实施例中所述出光部和所述连接部30均采用塑料材质，所述出光部的折射率配置在1.5至1.7之间，以降低透镜结构的加工难度和加工成本。在一些实施例中，所述第一折射区10和所述第二折射区20也可采用具有不同折射率的材料，有助于减小透镜结构的整体体积。

根据本发明实施例提供的透镜结构相比于现有技术，至少具有如下有益效果：

1、采用曲状结构的第一折射区10和中空圆台状结构的第二折射区20，使得光源发出的光线经过这两个折射区对外射出后，可在所述透镜结构的出光面上均匀分布，形成一个具有较大发散角的光区，至少可保证在发散角在140度内的出光面上光线的均匀发射，具有发光均匀、能量利用率高、成本低的特点，使得采用该透镜结构的夜航灯的光源在发光功率一定时，相比于现有技术可具有更大的发光区，而采用这样的夜航灯的无人飞行器，可使其他的空间运动体或底面人员从更多的角度观察到无人飞行器，一方面可大范围为其他飞行器或者运动物体提供警示作用(警示范围可提升至5公里及以上)，另一方面方便操作者在夜间的全方位操控无人飞行器。

2、具有较小的体积，且结构适应性好，适配简单。

参阅图5和图6，本实施例还提供一种夜航灯，其中图5为本发明实施例提供一种夜航灯的俯视图，图6为图5沿b-b剖视线的剖视图，并结合图2，所述夜航灯包括光源50和与所述光源50连接的电路板60，以及上述的透镜结构，其中所述透镜结构罩设在所述光源50之上，且所述光源50部分或全部地位于所述第二光腔26内，所述第一光腔16同时用作所述光源50的散热间隙。在本实施例中，所述电路板60可设置在所述连接部30的电路板安装部32中。

进一步地，在临近所述电路板60的位置还设置有散热件70，在本实施例中，所述散热件70可设置在所述连接部30的散热件安装部34中。

通过将电路板60和散热件70设置在连接部30内，可保证的夜航灯装配的紧凑度，有利于减小夜航灯整体体积。

本实施例提供的夜航灯可应用于无人飞行器、无人船或者无人车等移动平台上，在这些移动平台的运动过程中起到警示和运动跟踪定位的作用。

根据本发明实施例提供的夜航灯，其采用的透镜结构的出光面上的光线分布均匀，并具有较大的发散角，使得夜航灯的光源50在发光功率一定时，相比于现有技术可具有更大的发光区，从而可在更大范围内提供警示作用或者运动定位作用。

本发明实施例提供一种无人飞行器，参阅图7所示的无人飞行器的局部示意图，其包括机体80和自所述机体80向外延伸的多个机臂，每个机臂上对应安装有动力装置，其中，在所述机体80的顶部和底部分别安装有上所述的夜航灯(图8中示出了其中一盏夜航灯与机体80配合安装时的示意图)，通过在机体80的底部和顶部各安装一盏所述夜航灯，每盏所述夜航灯可灯覆盖半个球面，从而保证了无人飞行器全方位的可见性。

在本实施例中，结合图6，所述夜航灯传过所述机体80上设置的通孔后，其透镜结构的连接部30上设置的限位台阶36抵顶在所述机体80的内壁上，使得头颈结构的出光部全部暴露在机体80的外部，。

进一步地，可选实施例中，所述机体80内部还设置有定位结构90，当所述夜航灯安装在所述机体80上时，所述定位结构90与所述定位件配合，对所述夜航灯进行限位。

根据本发明实施例提供的无人飞行器，其采用夜航灯上的透镜结构的出光面上的光线分布均匀，并具有较大的发散角，使得夜航灯的光源50在发光功率一定时，相比于现有技术可具有更大的发光区，使得可在更大范围内为无人飞行器提供示警功能或者运动定位功能，具体的，可使其他的空间运动体或底面人员从更多的角度观察到无人飞行器，一方面可大范围为其他飞行器或者运动物体提供警示作用(警示范围可提升至5公里及以上)，另一方面方便操作者在夜间的全方位操控无人飞行器。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。