一种光线准直装置及其在LED列车大灯中的应用.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103900025 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103900025 A (21)申请号 201310024719.4 (22)申请日 2013.01.23 201210573650.6 2012.12.26 CN F21V 5/04(2006.01) F21V 7/00(2006.01) F21S 8/10(2006.01) F21W 101/10(2006.01) F21Y 101/02(2006.01)(71)申请人 无锡来德电子有限公司 地址 214072 江苏省无锡市滨湖区滴翠路 100 号 5 号楼 (72)发明人 苏宙平 严丹柯 朱。

2、序 杨林 赵修军 (74)专利代理机构 深圳市科吉华烽知识产权事 务所 ( 普通合伙 ) 44248 代理人 胡吉科 孙伟 (54) 发明名称 一种光线准直装置及其在 LED 列车大灯中的 应用 (57) 摘要 本发明公开了一种光线准直装置， 由 1 个或 者多个位于同一个平面或者球面上的菲涅尔透镜 组成， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 其特 征在于所述菲涅尔透镜采用中心小角度区域透 射， 而大角度区域全反射设计。并将其应用于一 种 LED 列车大灯， 由 LED 芯片阵列、 菲涅尔透镜阵 列和反光杯组成， 所述LED芯片阵列是由1个或者 多个位于同一个平面或球面上的 LED 芯片组成，。

3、 所述菲涅尔透镜阵列是由 1 个或者多个位于同 一个平面或者球面上的菲涅尔透镜组成， 且所述 每个菲涅尔透镜在位置上都对应于一个所述 LED 芯片， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 所 述 LED 芯片阵列靠近所述菲涅尔透镜阵列的下表 面， 所述反光杯包围所述菲涅尔透镜阵列， 所述反 光杯对经过所述菲涅尔透镜阵列仍然有比较大发 散角的光线进一步准直， 其特征在于所述 LED 列 车大灯还包括远程荧光片， 所述 LED 芯片阵列、 菲 涅尔透镜阵列和远程荧光片依次平行排列， 所述 反光杯也包围了所述远程荧光片。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 。

4、页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103900025 A CN 103900025 A 1/2 页 2 1. 一种光线准直装置， 由 1 个或者多个位于同一个平面或者球面上的菲涅尔透镜组 成， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 其特征在于所述菲涅尔透镜采用中心小角度区 域透射， 而大角度区域全反射设计。 2. 根据权利要求 1 所述的光线准直装置， 其特征在于所述每个菲涅尔透镜透射与反射 的临界角度为 A,A 的取值范围 35-55 度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部分。

5、 透过， 大于等于 A 的光线通过反射部分出射。 3. 如权利要求 2 所述的光线准直装置， 其特征为所述光线准直装置还包括一个反光 杯， 其特征为所述反光杯包围所述菲涅尔透镜阵列， 所述反光杯对经过所述菲涅尔透镜阵 列仍然有比较大发散角的光线进一步准直。 4. 如 权 利 要 求 3 所 述 的 光 线 准 直 装 置，其 特 征 在 于 所 述 菲 涅 尔 透 镜 的 每 个 菲 涅 尔 面 区 域 是 自 由 曲 面， 所 述 菲 涅 尔 透 镜 的 反 射 部 分 也 是 自 由 曲 面， 所 述 菲 涅 尔 透 镜 的 菲 涅 尔 面 采 用 的 自 由 曲 面 可 以 为 球 面，。

6、 椭 球 面， 抛 物 面， 双 曲 面， 非 球 面， 及 任 意 形 状 的 旋 转 对 称 曲 面， 所 述 的 菲 涅 尔 透 镜 反 射 部 分 的 自 由 曲 面 和 所 述 菲 涅 尔 透 镜 的 菲 涅 尔 面 的 自 由 曲 面 满 足 方 程 ，这 种 面 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 5. 一种 LED 列车大灯， 由 LED 芯片阵列、 菲涅尔透镜阵列和反光杯组成， 所述 LED 芯片 阵列是由 1 个或者多个位于同一个平面或球面上的 LED 芯片组成， 所述菲涅尔透镜阵列是 由 1 个或者多个位于同一个平面或者球面上的菲涅尔透镜组成， 且所述每个菲涅。

7、尔透镜在 位置上都对应于一个所述LED芯片， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 所述LED芯片阵 列靠近所述菲涅尔透镜阵列的下表面， 所述反光杯包围所述菲涅尔透镜阵列， 所述反光杯 对经过所述菲涅尔透镜阵列仍然有比较大发散角的光线进一步准直， 其特征在于所述 LED 大灯还包括远程荧光片， 所述 LED 芯片阵列、 菲涅尔透镜阵列和远程荧光片依次平行排列， 所述反光杯也包围了所述远程荧光片。 6. 根据权利要求 5 所述的 LED 列车大灯， 其特征在于所述菲涅尔透镜采用中心小角度 区域透射， 而大角度区域全反射设计。 7. 根据权利要求 6 所述的 LED 列车大灯， 其特征在于所述每个菲。

8、涅尔透镜透射与反射 的临界角度为 A,A 的取值范围 35-55 度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部分 透过， 大于等于 A 的光线通过反射部分出射。 8. 根据权利要求 7 所述的 LED 列车大灯， 其特征在于所述菲涅尔透镜的每个菲涅尔 面区域是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的反射部分也是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的菲涅尔 面采用的自由曲面可以为球面， 椭球面， 抛物面， 双曲面， 非球面， 及任意形状的旋转对称曲 面， 所述的菲涅尔透镜反射部分的自由曲面和所述菲涅尔透镜的菲涅尔面的自由曲面满足 方 程，这 种面型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 权 利 要 求 书。

9、 CN 103900025 A 2 2/2 页 3 9. 根据权利要求 8 所述的 LED 列车大灯， 其特征在于所述远程荧光片的荧光粉是涂在 一个基底上， 形成了所述远程荧光片。 10.根据权利要求9所述的LED列车大灯， 其特征在于在所述反光杯的出光口放置一个 圆环状的遮光板， 所述遮光板外环口径与反光杯的出口外口径相等， 所述遮光板的内环直 径比外口径小 4-10mm。 权 利 要 求 书 CN 103900025 A 3 1/4 页 4 一种光线准直装置及其在 LED 列车大灯中的应用 技术领域 0001 本发明涉及一种改变 LED 光源方向的装置及其在铁路列车照明技术中的应用。具 体。

10、的是指利用菲尼尔透镜阵列和反光杯的组合来准直光线， 并把其应用于铁路列车车前灯 中。 背景技术 0002 LED 绿色照明及其非成像光学设计 （ 物理通报 2012 年第 2 期） 中提出了一种 LED 投射照明系统， 此时光源需要有高效、 准直的远场分布， 例如， 汽车前大灯、 列车前大灯、 手电筒等。具体思路是前端采用 LED 芯片， 后端采用反光杯和自由曲面菲涅耳透镜组合进 行光线准直。该论文提出可以采用小角度的光线利用菲涅耳透镜进行准直， 大角度的光线 采用自由曲面反光杯准直， 最终获得满足要求的准直照明。 但是在列车大灯实践应用中， 这 种方式在进行远程照明的时候仍然不能使光线有很小。

11、的发散角度， 而且会导致一部分 LED 光线从系统中漏出无法产生足够的远程照度。 发明内容 0003 本发明的主要目的是设计一种光线准直装置， 以提高 LED 的远射性能、 减少光散 射、 令聚焦更准确、 使光束平行射出。 本发明的另一个目的是设计一款在远程仍然有良好照 度、 光线有很少发散角度的 LED 列车大灯。 0004 为实现上述目的， 本发明的基本思路如下 ： 一种光线准直装置， 由 1 个或者多个位于同一个平面或者球面上的菲涅尔透镜组成， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 其特征在于所述菲涅尔透镜采用中心小角度区域透 射， 而大角度区域全反射设计。 0005 优选的， 其特征在于。

12、所述每个菲涅尔透镜透射与反射的临界角度为 A,A 的取值范 围 35-55 度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部分透过， 大于等于 A 的光线通过 反射部分出射。 0006 优选的， 所述光线准直装置还包括一个反光杯， 其特征为所述反光杯包围所述菲 涅尔透镜阵列， 所述反光杯对经过所述菲涅尔透镜阵列仍然有比较大发散角的光线进一步 准直。 0007 优选的， 所述菲涅尔透镜的每个菲涅尔面区域是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的反 射部分也是自由曲面。 0008 优选的， 所述菲涅尔透镜的菲涅尔面采用的自由曲面可以为球面， 椭球面， 抛物 面， 双曲面， 非球面， 及任意形状的旋转对称曲面。

13、。 0009 优选的 ，所述的自由曲面满足方程 ，这 种 面 说 明 书 CN 103900025 A 4 2/4 页 5 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0010 一种 LED 列车大灯， 由 LED 芯片阵列、 菲涅尔透镜阵列和反光杯组成， 所述 LED 芯 片阵列是由 1 个或者多个位于同一个平面或球面上的 LED 芯片组成 ， 所述菲涅尔透镜阵列是由 1 个或者多个位于同一个平面或者球面上的菲涅尔透镜组 成， 且所述每个菲涅尔透镜在位置上都对应于一个所述 LED 芯片， 所述菲涅尔透镜的上表 面是菲涅尔面， 所述 LED 芯片阵列靠近所述菲涅尔透镜阵列的下表面， 所述反。

14、光杯包围所 述菲涅尔透镜阵列， 所述反光杯对经过所述菲涅尔透镜阵列仍然有比较大发散角的光线进 一步准直， 其特征在于所述 LED 大灯还包括远程荧光片， 所述 LED 芯片阵列、 菲涅尔透镜阵 列和远程荧光片依次平行排列， 所述反光杯也包围了所述远程荧光片。 0011 优选的， 所述菲涅尔透镜采用中心小角度区域透射， 而大角度区域全反射设计。 0012 优选的， 所述每个菲涅尔透镜透射与反射的临界角度为A,A的取值范围35-55度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部分透过， 大于等于 A 的光线通过反射部分出 射。 0013 优选的， 所述菲涅尔透镜采用中心小角度区域透射， 而大角。

15、度区域全反射设计。 0014 优选的， 所述菲涅尔透镜的每个菲涅尔面区域是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的反 射部分也是自由曲面。 0015 优选的， 所述菲涅尔透镜的菲涅尔面采用的自由曲面可以为球面， 椭球面， 抛物 面， 双曲面， 非球面， 及任意形状的旋转对称曲面。 0016 优选的 ，所述的自由曲面满足方程 ，这 种 面 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0017 优选的， 所述远程荧光片的荧光粉是涂在一个基底上， 形成了所述远程荧光片。 0018 优选的， 所述反光杯的反光面的面型是自由曲面。 0019 优选的， 所述反光杯的反光面的面型是自由曲面， 其特征在于所述的自由曲。

16、面满 足 方 程， 这种面型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0020 优选的， 所述反光杯的出光口放置一个圆环状的遮光板。 0021 优选的， 所述遮光板外环口径与反光杯的出口外口径相等， 所述遮光板的内环直 径比外口径小 4-10mm。 0022 采用本方案以后， 该光线准直系统特殊的配光设计， 使光线发散角非常小。此外 该款列车大灯保证了足够的远程照度， 同时采用了远程荧光技术， 可以有效地防止由于 LED 的热效应导致荧光粉的性能变化， 从而引起的色温变化。 0023 附图说明 说 明 书 CN 103900025 A 5 3/4 页 6 0024 图 1 LED 列车大灯。

17、侧面剖视图 图 2 LED 列车大灯正视图 其中 ： 1LED 芯片阵列、 2菲涅尔透镜阵列、 3反光杯、 4远程荧光片、 5遮光板 具体实施方式 0025 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。 0026 本发明公开了一种光线准直装置， 由 1 个或者多个位于同一个平面或者球面上的 菲涅尔透镜组成， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 其特征在于所述菲涅尔透镜采用 中心小角度区域透射， 而大角度区域全反射设计。所述每个菲涅尔透镜透射与反射的临界 。

18、角度为 A,A 的取值范围 35-55 度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部分透过， 大 于等于 A 的光线通过反射部分出射。所述光线准直装置还包括一个反光杯， 其特征为所述 反光杯包围所述菲涅尔透镜阵列， 所述反光杯对经过所述菲涅尔透镜阵列仍然有比较大发 散角的光线进一步准直。 0027 所述菲涅尔透镜的每个菲涅尔面区域是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的反射 部分也是自由曲面。所述菲涅尔透镜的菲涅尔面采用的自由曲面可以为球面， 椭球 面， 抛物面， 双曲面， 非球面， 及任意形状的旋转对称曲面。所述的自由曲面满足方程 ，这 种 面 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0。

19、028 如图 1 所示， 本发明还公开了一种 LED 列车大灯， 由分封装在一起的 LED 芯片阵列 1 和菲涅尔透镜阵列 2 以及反光杯 3 组成， 所述 LED 芯片阵列 1 是由 1 个或者多个位于同 一个平面或球面上的 LED 芯片组成， 所述菲涅尔透镜阵列 2 是由 1 个或者多个位于同一个 平面或者球面上的菲涅尔透镜组成， 且所述每个菲涅尔透镜在位置上都对应于一个所述的 LED 芯片， 所述菲涅尔透镜的上表面是菲涅尔面， 所述 LED 芯片阵列 1 靠近所述菲涅尔透镜 阵列的下表面 2 而且 2 者封装在一起成为一个整体， 所述反光杯 3 包围所述菲涅尔透镜阵 列 2， 所述反光杯。

20、 3 对经过所述菲涅尔透镜阵列 2 仍然有比较大发散角的光线进一步准直， 所述 LED 大灯还包括远程荧光片 4， 所述 LED 芯片阵列 1、 菲涅尔透镜阵列 2 和远程荧光片 4 依次平行排列， 所述反光杯 3 也包围了所述远程荧光片 4。使用远程荧光片 4 可以避免荧 光粉直接涂在 LED 光源表面导致的老化速度快、 对均匀性要求高的缺点。 0029 所述菲涅尔透镜采用中心小角度区域透射， 而大角度区域全反射设计。透射与反 射的临界角度为 A,A 的取值范围 35-55 度， 即前端光源出射光线小于 A 的可以通过透射部 分透过， 大于等于 A 的光线通过反射部分出射。 0030 所述菲。

21、涅尔透镜的每个菲涅尔面区域是自由曲面， 所述菲涅尔透镜的反射部 分也是自由曲面。所述菲涅尔透镜 1 的菲涅尔面采用的自由曲面可以为球面， 椭球 面， 抛物面， 双曲面， 非球面， 及任意形状的旋转对称曲面。所述的自由曲面满足方程 说 明 书 CN 103900025 A 6 4/4 页 7 ，这 种 面 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0031 所述远程荧光片 4 的荧光粉是涂在一个基底上， 形成了所述远程荧光片。 0032 所述反光杯3的反光面的面型是自由曲面.其特征在于所述的自由曲面满足方程 ，这 种 面 型既可以做成旋转对称的， 又可以做成非对称的。 0033 所述反光杯 3 的出光口放置一个圆环状的遮光板 5。滤掉系统中的杂散光， 以避 免影响附近轨道上行驶车辆的安全行驶。所述遮光板 5 外环口径与反光杯的出口外口径相 等， 所述遮光板的内环直径比外口径小 4-10mm。 说 明 书 CN 103900025 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103900025 A 8 。