具有精确光束控制的光信号装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于导航的发光二极管（ＬＥＤ）信号装置。该信号装置包括一系列高亮度ＬＥＤ，其输出光束经高精度光束变换器单独控制。通过控制每一ＬＥＤ光束的相对位置、发散角及其它光学参数，使各经变换过的ＬＥＤ光束按预定方式叠加以产生所需光强分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种光信号装置，特别是一种具有精确光束控制的用于 导航的LED信号装置。
技术介绍
光信号系统是重要的导航设备，被广泛地应用于飞机，船舶和其他交通 工具。传统的光信号系统通常采用白炽灯或弧光灯作为光源，其发光效率 和使用寿命都很低。现有技术中公开了几种用基于发光二极管(LED)的 光源来替代常规光源的方法。LED光源具有如下优势大大加长的寿命(超 过10000小时，而白炽灯的使用寿命仅为1000小时)、更低的电功耗和更 小的外形尺寸。在颁发给Lash等人的美国专利技术专利6086220 (下称Lash)中，提出一 种航海用安全灯，用于增加船只在夜晚或其他恶劣天气中对于其他船只的 可见度。该安全灯由LED阵列组成，该阵列由一系列分布成星型结构的 LED组成，该LED阵列优选由6个均匀分布在水平面的白光LED组成， 置于一菲涅尔(Fresnd)透镜中，从而发射出光强在水平方向全方位均匀 分布的光束。但是，在其实施例中，该安全灯的可见范围仅在一海里左右。为了进一步提高光亮度， 一种办法是使用更多数量的LED芯片。然 而，需采用特殊设计的透镜来收集LED阵列的光束。例如，在授予Arimum 的美国专利技术专利5224773中，公开了一种信号灯塔，它采用薄膜丙烯酸树 脂材料热塑成型的圆筒状菲涅尔(Fresnel)透镜。在授予McDermbtt的美 国专利技术专利6048083中，描述了一种成型有多焦点的光学透镜以提高LED 光束的收集和发射效率。另一种提高LED信号装置亮度的方法是采用高亮度LED芯片，例如 在授予Mohacsi的美国专利技术专利7021801和Trenchard等人的美国专利申 请20040095777中所描述的。在美国专利技术专利7021801中，采用一侧面发光的高亮度LED和一多 镜面反射镜来产生一楔形定向光束，用于船舶导航。这种方式的缺点是， 由于侧面发光的LED形成360—(宽)光束，这种光信号装置很难利用多 个LED芯片来进一步增加其亮度。在美国专利申请20040095777中， Trenchard等人采用12只或更多高光通量LED和一特殊设计的具环形槽的菲涅尔(Fresnd)透镜及一光学散光片来形成均匀照明。其中光学散光片 包含至少一个随机粗化的表面用以均衡LED光束。这种设计的缺点在于需 要采用一复杂设计的菲涅尔(Fresnel)透镜，另外，随机粗化的光学散光 片的插入损耗也比较大。虽然已知LED技术近期又有新的发展，单只LED的亮度目前还无 法赶上白炽灯或弧光灯。因此导航信号灯通常需要采用LED阵列来产生与 国家或国际标准(例如FAA， NOAA, ICAO, UK-CAA或NATO等导航信号 灯标准)相匹配的光亮度。另一方面，多数标准还要求导航光束在发散角、 光强分布、仰角等方面满足一定标准。由于LED阵列不能看作是一个点光 源，这些要求无疑对LED信号装置的设计是一个挑战。因此，需要一种导 航用LED信号装置，它具有一系列LED，每个LED产生一部分具有精确 控制的光束。
技术实现思路
本专利技术提出一种用于导航的高强度LED信号装置，它具有精确控制 的光束。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出一种导航信号装置，它包括至 少一个、优选为一个阵列的高亮度LED。其中每一只LED所产生的光束 都单独地被一个辅助光学系统所控制，该辅助光学系统精确定义其光强分 布、发散角和其他光学参数。该辅助光学系统优选地包含一非成像光学元 件以进行光束收集， 一光学镜片以进行光束准直，和一光学散光片以进行光束匀化和变换。其中光学散光片优选可采用全息散光片以获得较高的透 光率和能够各向异性地改变LED光束的发散角。根据本专利技术的另一方面，LED单元在LED阵列中的相对位置、空间 分布和方位角被精确控制，从而使变换光束以预定方式叠加以产生所需光 强分布、发散角或/和其他参数。精确控制的LED阵列可通过计算机辅助 设计方法实现以实现预期结果。也就是说，LED单元是根据一组计算，例 如计算机模拟(结果)，来进行位置设置的。这种离散型LED光束控制方法消除了对复杂透镜设计的需求，而如 果象在现有技术中所描述的那样，LED阵列中所有这些LED单元所产生 的光是以整体方式进行控制，则这种复杂透镜是必须的。本专利技术还提供了 可产生相对复杂光照分布的灵活性。根据本专利技术的又一方面，该光信号装置可以包括一系列传感器元件 和控制单元对其性能进行监视和控制。例如，该传感器可以包含光探测器 以测量LED的发光强度和环境光强度，热敏电阻以测量LED和环境温度， 以及颜色传感器以监测LED的输出波长变化。该控制单元还可以包含一无 线收发器以进行远程控制。附图说明附图中，在不同视图中相同的参考标号指代相同的或功能类似的元 件，附图与以下描述一起构成本说明书的一部分，用于进一步说明各个实 施例，以解释本专利技术所具有的各种原理和优点。图1 (a)是一全方向LED浮标灯的纵向剖面图，该浮标灯采用高亮 度LED和光束控制元件；图1 (b)是图1 (a)中LED浮标灯的透视图；图1 (c)是图1 (a-b )中LED浮标灯所用LED阵列的横向剖面图；图2是所测得图la-c中LED浮标灯在水平面内不同方向上的发光强度；图3是图la-c中LED浮标灯的替代实施例的示意图。图4 (a)是一LED航标灯的纵向剖面图，该航标灯采用高亮度LED 和标准菲涅尔(Fresnel)透镜；图4 (b)是图4 (a)中LED航标灯的横向剖面图；图5 (a)是利用光迹追踪法计算得到的图4a-b中LED航标灯在近距 离产生的LED光束；图5 (b)是利用光迹追踪法计算得到的图4中LED航标灯在远距离 产生的LED光束；图6是本专利技术所提出的光信号装置的监视和控制结构框图；及图7是本专利技术所提出的方法流程图。熟练技术人员会意识到，图中的元件只是以简洁明了的方式展示， 并不必完全按照实物比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸相对于其他元 件可能会夸大，以增进对本专利技术实施例的理解具体实施方式在描述依照本专利技术的这些具体实施例之前，需要说明的是，这些实施例主要是与用于导航的具有精确控制的光束的高强度LED信号装置中的 方法步骤和装置元件相结合的的。因而，在图中，装置元件和方法步骤在 适当的时候会以常规符号表示，只显示出与理解本专利技术实施例有关的特定 细节，而不写入那些对本领域普通技术人员而易见的细节以免淡化说明书， 从而使说明书具有此优点。本文中，相对词，例如第一和第二，顶部和底部，以及类似的 用语，只是用于将一个实体或动作与另一个实体或动作相区分，并不必然 是要求或暗示着任何实体或动作间实际的此种关系或顺序。词语包括 或任何其它变化形式，是开放式包含，因此包括一系列组成部分的一个过 程、方法、物件或装置并不只是包括那个已列入的组成部分，还可能包括 其他的未列入的、或在这些过程或方法或物件或装置中不是固有的组成部 分。 一个组成部分前面有一字并不排除多个同样的组成部分包括在其 过程、方法、物件或装置中。需要认识到，此处描述的本专利技术实施例中，可能包括一个或多个 常规处理器和特别存储的程序指令集以控制该处理器，以结合一些非处理器电路，实现此处描述的用于导航的具有精确控制的高强度LED信号装置 的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光二极管（ＬＥＤ）信号装置，包括：一系列高亮度ＬＥＤ用于产生一系列光束；一系列光束变换元件，置于该光束路径上，用于单独地控制该光束的一组参数以产生一系列变换光束；其中该一系列高强度ＬＥＤ及光束变换元件均按预先调整或设定的位置置于所述信号装置中使得该一系列变换光束叠加以产生所需光强分布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-5-9 60/594,807;US 2005-7-26 60/595,664;US 1.一种发光二极管(LED)信号装置，包括一系列高亮度LED用于产生一系列光束；一系列光束变换元件，置于该光束路径上，用于单独地控制该光束的一组参数以产生一系列变换光束；其中该一系列高强度LED及光束变换元件均按预先调整或设定的位置置于所述信号装置中使得该一系列变换光束叠加以产生所需光强分布。2. 如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个非成像光学 元件。3. 如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个光学镜片。4. 如权利要求1所述的信号装置，其光束变换器包含至少一个光学散光 片。5. 如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片可以各向异性地改变光束 的发散角。6. 如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片为一全息散光片。7. 如权利要求4所述的信号装置，其光学散光片包括微透镜阵列。8. 如权利要求1所述的信号装置，还包含一系列传感元件用于监测和控制 LED的工作特性。9. 如权利要求8所述的信号装置，其传感元件包含一光探测器。10....

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓路，田荣生，李庆熊，厉群，
申请(专利权)人：BWT产权公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]