[发明专利]一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜

说明书

技术领域

本发明涉及航标灯光学应用领域，尤其涉及一种适用于航标灯光学装置的复合型菲涅尔透镜。

背景技术

航标灯是为保证船舶在夜间安全航行而安装在某些设施上的一种交通灯。1912年瑞典工程师古斯塔夫·达伦因发明航标灯塔自动控制装置保障航行安全获诺贝尔物理学奖。1966年，IALA（国际航标组织）公布了关于航标灯光强和射程之间的关系，其主要目的是规范在不同气象能见度下的灯光有效射程，从而为航标灯的设计提供参考依据。一般认知下，在同等能耗情况下，尽可能地提高灯光射程，是提高保障船舶夜行安全能力的有效手段。

航标灯主要由能源系统、光源、光学系统等组成，各组成部份随着科技的发展而发展。目前，能源系统主要以蓄电池储能、太阳能板充电为主要应用形态，光源则以多颗LED串联、并联等为主，光学系统以菲涅尔灯罩为主，它可将由LED发出的光线汇聚在一定角度范围内发射出去以提高灯的有效射程。

菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin-Jean Fresnel在1822年发明的。如图2所示，从剖面看，其表面是由一系列锯齿型台阶组成，每个台阶都可以看做一个独立的小透镜，从而把光线调整成平行光或聚光，其聚光效果比普通的凸透镜好很多，因此菲涅尔透镜被广泛的应用于对光束的准直和聚焦方面的整形。例如专利US7800840B2提供了一种应用在LED照明、手机或相机的闪光光学系统领域的菲涅尔透镜的设计方法，可将LED光束整形成具有空间对称性的类椭圆光斑，大幅度的提升中心峰值光强；专利US2004095777A提出了一种高效LED航标灯器，将菲涅尔透镜准直和聚焦方面的优点应用于航标灯灯罩，有效的提高了光能利用率。

由于航标灯应用的特点，再加上菲涅尔灯罩的锯齿状结构，长期暴露在重盐雾、大湿度、大温差等恶劣环境下的航标灯，其菲涅尔灯罩表面极易沉积灰尘、油污，从而影响灯光的透射率，且锯齿状结构的菲涅尔灯罩并不方便清洁和维护，长期应用的效果受到影响；有数据表明两三年后灯光的亮度衰减降低，甚至达20-30%。

光源也是影响航标灯灯光效率的一个重要因素。现有的航标灯，多采用直插型小功率LED灯珠，此类灯珠一般为环氧树脂封装透镜，这种环氧树脂是热的不良导体，导热系数一般为0.2W/(m.K)，环氧树脂长时间工作在较高温度下容易老化，从而产生光衰，且直插型LED灯珠采用普通基材覆铜板(CCL)进行电气连接，不利于LED散热，严重的缩短了LED使用寿命。2005年2月Zheng Dai-shun, Qian Ke-yuan, Luo Yi等在《Semiconductor Optoelectronics》发表《Life Test and Failure Mechanism Analyses for High-power LED》，详细分析了LED的光衰特性及产生的原因，指出温度升高及紫外照射造成的环氧树脂透明度严重下降，是LED光衰的一个重要原因。

随着科学技术的发展，LED灯珠的封装技术工艺也得到了进一步发展，体现在LED的功率更高、亮度更亮、光源集中、装配容易、封装散热方式更为先进等优点，因此采用大功率LED作为航标灯的灯源，无疑是本领域的发展趋势，但与其相应的光学系统亦需要进一步设计。例如专利CN200710117721.0提出了一种航标灯单元及其应用。该发明能够将从LED光源发出的光线在一个方向上准直压缩，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求设计出结构非常紧凑的光学系统。

因此，根据行业应用的特点，结合科技水平的发展，对航标灯各组成部份的再创新设计，无疑是有助于满足航标灯“灯光明亮、视距足够”的总体目标和要求。

可以看到传统航标灯采用的一般的菲涅尔灯罩对直插型小功率LED灯珠发出的光束进行聚焦整形，存在其聚焦效果不理想、光能利用率不高，且后期清理维护困难、光衰严重等问题。

发明内容

本案申请人提出了“一种基于复合型菲涅尔透镜的航标灯光学装置”（已同日提出实用新型专利申请）。该光学装置由LED光源、透镜、散热系统等组成。其中，LED光源为贴片式大功率LED；透镜为本发明所涉及的复合型菲涅尔透镜；散热系统由PCB铝基板，散热支架，上底板，下底板，透明塑料灯罩等组成。LED灯珠回流焊接在PCB铝基板上，与复合型菲涅尔透镜、散热支架一同组成一个发光单元，并以一定数量以圆周阵列的方式排布。散热支架和上述发光单元间均匀涂抹导热硅脂，发光单元外部用透明塑料灯罩包围。