申请/专利权人：广东工业大学

申请日：2018-09-10

公开（公告）日：2021-09-07

公开（公告）号：CN109268735B

主分类号：F21S8/00(20060101)

分类号：F21S8/00(20060101);F21V7/00(20060101);F21V9/35(20180101);A01K79/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.09.07#授权;2019.02.26#实质审查的生效;2019.01.25#公开

摘要：本发明公开一种渔业辅助照明装置，包括基座、透镜本体以及LED光源，所述基座和所述透镜本体一端固定相连，所述基座中心孔轴线与所述透镜本体的光轴重合，所述透镜本体朝向所述基座的一端设有空间外凸的第一入射面以及设置于所述第一入射面径向外部且内凹的第二入射面，所述透镜本体环向外周面为全内反射面，所述透镜本体另一端设有出射面。相对现有技术，本发明技术方案具有高效和灵活等优点，可使LED产生的所有光线有效投射于海面、减少光能损耗以及提高渔业辅助照明装置的光能利用率。

主权项：1.一种渔业辅助照明装置，其特征在于，包括基座、透镜本体以及LED光源，所述基座和所述透镜本体一端固定相连，所述基座中心孔轴线与所述透镜本体的光轴重合，所述透镜本体朝向所述基座的一端设有空间外凸的第一入射面以及设置于所述第一入射面径向外部且内凹的第二入射面，所述透镜本体环向外周面为全内反射面，所述透镜本体另一端设有出射面；所述第一入射面与所述LED光源的光源发光面正对，所述第一入射面投影中心与光源发光面中心重合；所述第一入射面的三维轮廓为空间外凸的自由曲面，所述第二入射面的三维轮廓为空间内凹的自由曲面，所述全内反射面为自由曲面；所述第一入射面、所述第二入射面以及所述全内反射面的三维轮廓均由2条及以上轮廓线和4段及以上自由曲线段引导线构成；全内反射面被设计成非轴对称曲面；第二入射面为非对称设置。

全文数据：一种渔业辅助照明装置技术领域本发明涉及渔业辅助照明技术领域，特别涉及一种渔业辅助照明装置。背景技术随着我国经济不断发展，船舶行业正着力解决目前渔业发展中遇到的一系列突出问题，其中最为关键的为能源消耗问题。集鱼灯主要作用为夜间对浅层鱼群进行诱导，夜间作业时，集鱼灯对海面进行照射使海面以及浅层海里形成一定的光斑区域，利用目标鱼群对光线的正趋光性，使被集鱼灯吸引的鱼群集中在预设有网囊的照明区域中以最终达到围捕效果。传统渔业作业通常使用金卤灯作为集鱼灯光源，然而金卤灯能源消耗占渔船总燃油消耗的40～60％，为解决这一较大的能源消耗问题，业界推荐LED灯取代传统金卤灯作为集鱼灯的新一代光源。现有技术中，国内外的专家学者对LED集鱼灯进行深入研究和实验，其中日本于2005年曾做过实验，利用LED集鱼灯代替金卤灯，而利用LED集鱼灯的实验船钓获率等于甚至超过传统鱿鱼钓船的钓获率，并且更为突出的是，实验船燃油消耗量仅为传统鱿鱼钓船的25％。国家远洋渔业工程技术研究中心的王伟杰等人对LED集鱼灯进行一系列实验，研究结果表明，LED集鱼灯和金卤灯在鱿钓船作业范围内的光场分布差距不大且两者的捕捞效果无明显差异，然而LED灯的总功率只为金卤灯总功率的15％，与此同时，海水中金卤灯的光线衰减速率明显大于LED集鱼灯，孔祥洪等人针对平板式LED集鱼灯安装不合理的现状，通过数学分析和仿真得到最大投射光强的入射角，对平板式LED集鱼灯安装角度的选择具有一定指导意义。综上所述，现有技术的LED集鱼灯可获得与传统光源集鱼灯相当的捕捞效果情况下，其具有低能耗、光谱可控等方面明显优势，并且LED光源替代金卤灯作为新一代集鱼灯的光源是必然趋势。然而，现有技术的大部分LED集鱼灯研究主要集中于解决大功率LED散热问题，较少关注LED本身的光学设计问题，并且LED的光学特性不同于金卤灯，因为金卤灯的配光曲线是360°发光，而LED灯的发光立体角仅为120°，因此针对LED光源设计合适的透镜，使LED产生的所有光线能够尽量地投射于海面之上，减少光能损耗以及提高LED集鱼灯光能利用率具有重要意义。发明内容本发明的主要目的是提出一种高效利用光能和灵活的渔业辅助照明装置，旨在使LED产生的所有光线有效投射于海面、减少光能损耗以及提高LED集鱼灯光能利用率。为实现上述目的，本发明提出的一种渔业辅助照明装置，包括基座、透镜本体以及LED光源，所述基座和所述透镜本体一端固定相连，所述基座中心孔轴线与所述透镜本体的光轴重合，所述透镜本体朝向所述基座的一端设有空间外凸的第一入射面以及设置于所述第一入射面径向外部且内凹的第二入射面，所述透镜本体环向外周面为全内反射面，所述透镜本体另一端设有出射面。优选地，所述第一入射面与所述LED光源的光源发光面正对，所述第一入射面投影中心与光源发光面中心重合。优选地，所述第一入射面的三维轮廓为空间外凸的自由曲面，所述第二入射面的三维轮廓为空间内凹的自由曲面，所述全内反射面为自由曲面；所述第一入射面、所述第二入射面以及所述全内反射面的三维轮廓均由2条及以上轮廓线和4段及以上自由曲线段引导线构成。优选地，所述出射面为平面或带有一定圆锥系数的曲面。优选地，所述透镜本体为非轴向对称结构。优选地，所述透镜本体的材料为PMMA、玻璃或透光率大于等于90％的材料。优选地，其特征在于，所述透镜本体光轴与所述LED光源的光源发光面中心重合，所述透镜本体的入射面孔径为47～65mm，出射面的直径为170～185mm，所述透镜本体的整体长度为130mm，所述基座厚度为10mm。优选地，所述透镜本体照射中心轴线与海面之间倾角为10°～35°。本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：本发明技术方案通过在透镜本体的一端中部位置设置外凸的第一入射面，通过第一入射面对小发光立体角的光束沿纵向进行扩散以及沿横向聚集，以及通过内凹的第二入射面对大发光立体角的光束进行折射至全内反射面进行全内反射，通过全内反射面能够最大限度地避免因折射而造成的光线损失以能够提高透镜的光能利用率，从而能够对大发光立体角的光束的路径进行大角度的偏转且尽可能地往虚拟接收面所在方向偏转。通过本发明技术方案的LED光源以及透镜能够使得光线实现均匀照明于海面。与此同时，本发明技术方案渔业辅助照明装置的透镜利用全内反射自由曲面，减少大发光立体角光线的损耗，从而提高透镜的光能利用率。本发明技术方案渔业辅助照明装置的透镜能够适用于不同光谱的LED光源，从而具有较高的灵活性。另外，本发明技术方案的透镜以及基座可一体成型，加工工艺简单且安装方便，本发明技术方案选用LED光源相对现有技术的金卤灯，具有环保、稳定性强以及亮度高和寿命长等优点，可极大地满足渔业辅助照明等需求。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。图1为本发明实施例渔业辅助照明装置轴向剖面结构示意图；图2为本发明实施例LED光源的结构示意图；图3为本发明实施例渔业辅助照明装置和LED光源的装配结构示意图；图4为本发明实施例渔业辅助照明装置仿真模型结构示意图；图5为本发明实施例发光强度仿真结果切片图；图6为本发明实施例海面的仿真照度图；图7为本发明实施例海面以下20m位置处的仿真照度图；图8为本发明实施例海面以下30m位置处的仿真照度图；图9为本发明实施例透镜轴本体剖面的光源发光路径示意图；图10为本发明实施例透镜本体左视图。附图标号说明：标号名称标号名称1基座9LED光源2透镜本体10集鱼灯3第一入射面11渔船4第二入射面12海水5全内反射面13第一虚拟探测面6出射面14第二虚拟探测面7安装卡槽15第三虚拟探测面8光源发光面16会聚点本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明提出一种渔业辅助照明装置。请参见图1至图3，在本发明实施例的渔业辅助照明装置包括基座1、透镜本体2以及LED光源9，基座1和透镜本体2一端固定相连，而LED光源9设置于基座1内，基座1中心孔轴线与透镜本体2的光轴重合，透镜本体2朝向基座1的一端设有空间外凸的第一入射面3以及设置于第一入射面3径向外部且内凹的第二入射面4，透镜本体2环向外周面为全内反射面5，透镜本体2另一端设有出射面6。其中，本实施例的第一入射面3与LED光源9的光源发光面8正对，第一入射面3投影中心与光源发光面8中心重合。优选地，第一入射面3的三维轮廓为空间外凸的自由曲面，第二入射面4的三维轮廓为空间内凹的自由曲面，全内反射面5为向外凸出自由曲面；其中本实施例的第一入射面3、第二入射面4以及全内反射面5的三维轮廓均由2条轮廓线和4段自由曲线段引导线构成。另外，本实施例的出射面6为平面，在本发明其他实施例中，出射面6可为带有一定圆锥系数的曲面。从侧视角度的图3所示，LED光源9发出的光线以光轴为界可分往上传播和往下传播的两部分，其中，因为需要对往上传播的光线进行很大角度的偏转才能使之往下照射并照向海面，而往下传播的光线由于其本身从LED光源出射时的方向已是往下照射，对于实现照射海面的偏转角度设计的难度比较小，因此，综合两者的设计难度，本实施例的透镜本体2选为非轴向对称结构，以满足上述光线的传播要求，并且本实施例的透镜本体2的材料为PMMA、玻璃或透光率大于等于90％的材料。请参见图1至3，本发明实施例的渔业辅助照明装置中，其中透镜本体2光轴与LED光源9的光源发光面8中心重合，透镜本体2的入射面孔径a为47～65mm，出射面6的直径b为170～185mm，透镜本体2的整体长度c为130mm，基座厚度d为10mm，安装过程中可通过安装卡槽7实现定位，在使用过程中，渔业辅助照明装置的照射中心轴线与海面之间倾角为10°～35°。考虑到实际渔业作业过程中，渔业辅助照明装置需要照明区域范围大、照度要求高等特点，选用大功率的扩展光源作为渔业辅助照明装置的光源，如COBLED光源。因此本实施例选用LED发光面直径为12厘米的COB白光LED，其发光角度为经典的120°立体角，芯片功率为120至150W，色温3200K，光通量为140lmW。请参见图1至图9，本发明渔业辅助照明装置的工作原理如下：LED光源9的光源发光面8的垂线方向为光轴方向，LED光源9发出的光线按发光角度范围分为两部分，一部分光线是小发光立体角的光束α，另一部分光线为大发光立体角的光束γ。两种光束对应的光路传播路径如图9所示，在上方位置的两条光线代表光束γ，下方的两条光线代表光束α。光束α的发光立体角范围为0°到40°，从LED光源9中心点射出，经过第一入射面3时发生折射。为达到立体角α的光束沿纵向扩散并沿横向聚集，从而在海面上形成高纵横比照明范围目的，将第一入射面3设置为外凸曲面，如图9所示。外凸的曲面对光束α进行折射，使光束α的传播路径产生偏转，原本发散的光束α经折射后会聚，并在传播路径前方形成一个光束α的会聚点16。光束α最后经过出射面6折射并最终射出。出射后的光束α为会聚光束，经会聚点16后转变为发散光束，从而实现在纵向方向形成大范围的照明，同时降低光束α的光能损失。另一方面，光束γ的发光立体角范围为40°到89°，从LED光源9射出，首先经过第二入射面4时发生折射，但其折射的偏转角很小，光束γ偏离程度光轴方向仍然太大，然后经全内反射面5时被反射，由于全内反射面5已预先针对光束γ的大角度范围光线进行全内反射曲面设计，因此大部分光束γ经全内反射面5时满足全内反射条件，被全内反射面5反射而不是折射。同时，全内反射面5还被设计成非轴对称曲面，如图10所示，使光束γ在被反射时往纵向和横向聚集，最后光束γ经过出射面6出射。可以从图9中看到，光束γ经过入射面4、全内反射面5和出射面6后，其传播方向图中箭头往右下方延伸较之原来的传播方向图中虚线往右上方延伸产生大角度偏转，光束γ与光轴的偏离程度变小，最终达到大发光立体角光束γ的回收，减少光束γ光能损耗，提高透镜的光能利用率，同时往海面照明目的。上述两种从LED光源9发出的光束经过透镜本体2后，光束整体上在纵向有较大发光立体角，在横向只有很小发光立体角，形成有一定纵横比的光斑。当其照明海面时，形成一长条状或椭圆关的均匀光斑。此外由于其横向聚光效果较好，当光束传播至有一定深度的海里时，仍然可保持类条状的光斑形状。请参见图4至图8，本实施例采用在光学软件中进行模拟仿真，以模拟出渔船11在实际海面作业过程中，使用本发明技术方案渔业辅助照明装置的照明效果。如图4所示，由透镜和LED光源组合而成的集鱼灯10设置于渔船11之上，而渔船11漂浮于海面之上，而海面即为本实施例的第一虚拟探测面13，另外还设有海面以下20m处的第二虚拟探测面14以及海面以下30m处的第三虚拟探测面15。如图1至图3所示，本实施例技术方案所采用的LED光源9为COB光源，LED光源9的发光面为圆形且直径为24mm，LED光源基座为正方形且边长为28mm，LED光源9的功率为120W，光通量为140lmW，总光通量为16800lm，色温为3200k，并且LED光源9的光谱无紫外光和红外光成分。另外，本发明技术方案的LED光源9色温不限于3200K，可根据目标鱼群的趋光性特点选取合适色温，例如目标鱼群为鱿鱼、秋刀鱼时，LED光源9分别选用显蓝色和红色的色温。请参见图4，本实施例的集鱼灯10设置高度为高于海面6m且与海面呈一定倾角β，另外需要说明的是，其设置的高度可因实际作业船的条件来调整。其中本实施例的倾角β为30°，海水12的材料设置为水，其光学属性为带菲涅尔损耗的平滑光学，海面的第一虚拟探测面13尺寸为宽8m，长30m，海面以下20m的第二虚拟探测面14以及海面以下30m的第三虚拟探测面15的宽度为8m且长度为60m。如图4至图6所示，本实施例通过在海面上形成一长条状的光斑以实现在海面上30m范围内均匀照明，海面的第一虚拟接收面13接收的光通量为11672lm，光能利用率为69.5％，海面的第一虚拟接收面的照度均为0.11x以上，整个光斑覆盖30m×8m范围内海面，其中最大照度值为240.73lx，半照度值范围为12.8×2.8m，光斑纵横比为4.57，从透镜出射光束，其发光强度图如图5所示，从图5中可知，光束的方向性较好，所有光线均射往于海面，光束发光强度的峰值在L，V方向分别为0°，20°，半光强角度范围在横向13°。请参见图4和图7，当光束传播至海面20m以下的第二虚拟探测面14时，第二虚拟接收面14的照度如图7所示，虽然光线在海水中传播具有一定衰减，但是第二虚拟接收面14的光能利用率仍为62.3％，光斑中心移动至距离渔船36.7m处，高于15lx的照度值范围在纵向覆盖17.5m至45m，横向覆盖大于8m。请参见图4和图8，当光束进一步往海底传播时，到达30m水深处的第三虚拟探测面15，该处的第三虚拟探测面15照度如图8所示，此时光束沿横向进一步扩散，出现两个照度峰值，光能利用率为42.3％，最大照度值为42.5lx，光斑中心移至距离渔船47m处，并且水深30m以及距离渔船60m处的照度值仍然大于51lx。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

权利要求：1.一种渔业辅助照明装置，其特征在于，包括基座、透镜本体以及LED光源，所述基座和所述透镜本体一端固定相连，所述基座中心孔轴线与所述透镜本体的光轴重合，所述透镜本体朝向所述基座的一端设有空间外凸的第一入射面以及设置于所述第一入射面径向外部且内凹的第二入射面，所述透镜本体环向外周面为全内反射面，所述透镜本体另一端设有出射面。2.如权利要求1所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述第一入射面与所述LED光源的光源发光面正对，所述第一入射面投影中心与光源发光面中心重合。3.如权利要求2所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述第一入射面的三维轮廓为空间外凸的自由曲面，所述第二入射面的三维轮廓为空间内凹的自由曲面，所述全内反射面为自由曲面；所述第一入射面、所述第二入射面以及所述全内反射面的三维轮廓均由2条及以上轮廓线和4段及以上自由曲线段引导线构成。4.如权利要求3所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述出射面为平面或带有一定圆锥系数的曲面。5.如权利要求4所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述透镜本体为非轴向对称结构。6.如权利要求5所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述透镜本体的材料为PMMA、玻璃或透光率大于等于90％的材料。7.如权利要求1所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，其特征在于，所述透镜本体光轴与所述LED光源的光源发光面中心重合，所述透镜本体的入射面孔径为47～65mm，出射面的直径为170～185mm，所述透镜本体的整体长度为130mm，所述基座厚度为10mm。8.如权利要求7所述的渔业辅助照明装置，其特征在于，所述透镜本体照射中心轴线与海面之间倾角为10°～35°。

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