[发明专利]一种基于自由曲面透镜的LED跑道中线灯光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统,属于民用机场助航照明灯具领域。

技术背景

跑道中线灯设置在机场跑道的中心线，标示了跑道的轮廓可以让飞机在夜间、低能见度或者其他恶劣气象条件下进行正常起飞、着陆，是机场跑道导航灯的一种。跑道中线灯的颜色为白色和红色。目前，跑道中线灯的光源大多采用卤钨灯或金属高压钠灯，存在着效率低、使用寿命短、温度高、灯具结构复杂、维护成本高等缺点，作为跑道中线灯使用时必须增设红色滤光片，不仅光源的利用率低而且增加了成本。随着科学技术的不断发展，把LED应用到助航照明灯具领域逐渐成为可能。LED具有寿命长、光效高、耗能低、体积小、结构简单、维护成本低、绿色环保等优点，采用LED作为助航照明灯具领域的光源将会逐渐成为发展趋势。

采用LED光源进行照明时，为满足助航灯光系统的国家标准，需要进行二次光学设计，一般采用反光杯对光源进行配光，但是这种方式对LED光源的光通量利用率较低，采用全反射式透镜实现光束准直而不是镜面反射，其反射效率高于镜面反射，克服了反光杯对小角度光束配光的不足；同时，自由曲面透镜的前表面可以根据所需要的配光形式进行调整，与反光杯相比，增加了设计的自由度，提高了LED的利用率。

中线灯棱镜是跑道中线灯灯具内部的主要光学部件，其作用是在规定的光强范围下，通过改变光线的出光角度来调整光束的覆盖形状及范围。传统的中线灯棱镜，入光面为平面，无法均匀的扩散光线，有的灯具增加了散射片结构，但这不仅使整个光学系统的体积增大而且对光能有衰减作用，将棱镜和散射片作成一体化棱镜，减少了工序、误差与成本。

发明内容

本发明的目的是解决在满足国家标准对跑道中线灯光分布的要求的条件下，系统寿命短、结构复杂、耗能高、光能利用率低等问题，提出一种基于自由曲面透镜的LED跑道中线灯光学系统。该系统具有结构简单、体积紧凑小巧、光能利用率高、耗能低、绿色环保等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种基于自由曲面透镜的机场LED跑道中线灯光学系统，其特征在于：包括LED光源、全反射自由曲面准直透镜以及棱镜；

所述光源采用三颗可发白光或红光的LED作为光源；

所述全反射准直透镜采用亚克力（PMMA）玻璃材料，具有较好的透明性和化学稳定性，且价格合理，适用于大批量生产；

所述全反射准直透镜是形状类似圆台状的旋转对称结构，包括内自由曲面、全反射自由曲面、凹槽侧壁以及前表面自由曲面，透镜底部设有内凹开口，LED光源放置在内凹开口内，LED发出的小角度的光经过内自由曲面会聚后准直出射，LED发出的大角度的光经过垂直的凹槽侧壁折射射入全反射自由曲面，光线经会聚后准直出射，透镜的前自由曲面采用一个满足自然变化的正态分布发光强度分布的出光角度来满足国家标准对跑道中线灯光分布中心区域光强较高的要求，并且透镜的出光角度与标准规定的角度可以很好的匹配，最终实现透镜近似平行光出射；

所述全反射自由曲面准直透镜采用全反射式透镜实现光束准直而不是反光杯采用的镜面反射,其反射效率高于镜面反射，同时，自由曲面透镜的前表面可以根据所需要的配光形式进行调整，提高LED的利用率；

所述棱镜出光面处出射光线的主光线与地面夹角为4.5°；

所述棱镜包括入光面和出光面，所述入光面设置内凹凸相间的柱面透镜，光束通过柱面透镜折射而扩散成±5°，满足要求的主光束水平角度，光线经过入光面扩散后到达出光面，出光面与入光面的夹角α，根据与地面成一定角度的光源经自由曲面全反射透镜后得到的棱镜入射光线与出射光线的夹角δ，按照tanα=sinδ/(n-cosδ)得出，n为棱镜材料折射率，计算得出光面与入光面的夹角α为32.57度，出光面光线角度偏折，满足跑道中线灯灯具的配光要求；

所述棱镜为不规则四边形的透射式棱镜，无需镀反射膜，减少加工工序，提高光能利用率；

所述棱镜采用折射率为1.523的冕牌玻璃材料；

所述光源与地面所成角度为27度，所述出光面与地面所成角度为30.43度，有利于机械结构的设计，达到隐藏光源，减小出光面高度的目的。

有益效果：