LED信号产品的光学设计及其应用

随着人们对发光二极管（LED）低功耗、长寿命、高光通利用率等优点的逐步认识，LED已开始取代传统白炽灯，成为交通信号灯产品的主要光源。而信号灯的光学系统也随之发生了变化。由于LED的光输出通常分布在一个较小的立体角范围内，在水平面以下的光分布与交通信号灯的相关标准大致相同。因此，目前大多数LED交通信号灯，不加任何透镜而利用LED自身光分布，或者只是利用小反射腔来适当收集大角度的光通，这些方法都使水平面以上的光通量被浪费，并且可能产生可视角度不够大等缺点。另外，若采用简单棱镜来分配光通量，可能会使出射光分布不均匀，从而产生暗区。

文章论述了上海澳星照明电器制造有限公司根据市场需求，结合实际产品使用要求，应用高亮度LED的光学分布技术进行了专门的技术研究与相关产品开发，产品经测试和使用，其光学转换效率及各项技术指标均达到或超过国内同类产品技术水平，经中科院上海文献情报中心检索，项目技术已经达到国内领先水平及国际先进水平。

1、交通信灯号产品的设计思想

1.1、交通信号灯基本光学系统

传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源，其灯具基本光学构成可视为：光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成（如图1所示），由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其他方向上的光收集起来，投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器，形成近似于平行的光束，然后用有色透镜的外罩对光束进行偏折、扩散，产生期望的光分布和颜色。

随着LED技术的发展，单颗LED流明数的不断提高，一个灯具内使用的LED数目会明显减少。目前广泛使用的LED交通信号灯，通常用100～300颗LED，基本均匀分布于整个发光面上，每颗LED对应一个或一组透镜单元。

由于LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件。例如用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足标准要求的光分布（如图2所示）。

1.2 、交通信号灯基本光学系统设计思想

1.2.1、光通量的估算

无论是欧洲的ＥcＥ、美国的iＴＥ还是我国的国家标准，对于信号灯光分布的要求大多体现为H－V系统内的光强分布。我们设计的依据为最新的国家标准，如表1所示。

因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量：
Φ＝Φ＝i·（sinH－sinH）·（Vi＋－Vi－）
其中Φi——第i个立体角区域内的光通量
ii——第i个立体角区域内要求的（平均）光强
Hi＋1/2，Hi－1/2，Vi＋1/2，Vi－1/2——第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界

    此计算所得的光能量是一个理想值，实际要满足标准要求的光分布，还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此，需要对Φ进行修正，得到的才是实际要求光能量的估量值。

    下一步是要估算单个LED发出的光通量。通常交通信号灯中采用的是Φ5mmLED，此类LED生产厂家一般都给出了如图3所示的光强分布和最大中心光强值。

利用下式可以计算所用LED的光通量：
Φ＝2πi·（cosθ－cosθ）

     根据上述计算可以得到光能量，经过修正可以估算出要用的LED的数目。目前，澳星生产的LED交通信号灯就是利用上述结论进行LED个数估算，例如澳星生产的300mm的交通灯采用了121颗LED。　　　　　　

1．3 透镜单元
     为了能实现对光通量更有效的利用，产品设计中应先用准直系统，将LED发出的光校正为平行光。

同时灯具采用单凸透镜，凸面的曲率半径用下面的公式计算：　
1/r1－1/r2＝1/f?（n1－1）
其中f－透镜焦距
r1，r2－分别为透镜两表面的曲率半径。当某表面为平面时，曲率半径为无穷大。
nl－透镜材料的折射率
需要用透镜将平行光束进行扩散处理，来满足标准的要求。为使光学效果更加合理，设计中应将灯具外罩分割成矩形小单元，这样做的目的在于打碎光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用椭球面，因为该面具有水平和垂直两个方向的弧度，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般要求光分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圆弧，产生向下扩散的效果（如图４所示）。
    根据上述原理，设计进行了光学透镜、色片、产品结构以及电路设计，并在此基础上形成了产品技术。

    作为LED在交通信号产品中的应用，其根本目的是克服传统技术的不足，合理利用光通量，实现均匀、高效的光分布。同时，在圆盘状本体上，整齐排列多组透镜单元，每组透镜都由具有不同双向曲率的透镜单元组成。因为透镜的一个表面为具有水平和垂直两个方向曲率半径的曲面，所以可以使入射光在水平方向和垂直方向都得到扩散。鉴于两个方向的曲率半径相互独立，所以可以根据要求，分别调节两个曲率，使得光输出在两个方向上得到不同程度的扩散。因此，使用双向曲率曲面构成的透镜，可以根据设计要求更自由地分配光输出，更高效地利用光通量，减少不必要的浪费和眩光。此外，由于使用的是光滑过渡的曲面，灯具有均匀过渡的光分布和良好的外观。

    如图5所示，在圆盘状本体（1）上，整齐地排列着若干透镜组（2）。每组透镜由具有不同双向曲率的透镜单元（3）组成。每个透镜单元都有一曲面为入射面（31），一平面为出射面（32），垂直面（33）不作折射作用，仅作为各单元的分界面。每个透镜单元在本体上的投影为矩形，从而使各单元能紧密、整齐地排列。平行入射光束经过透镜单元的折射作用，在水平方向形成左右对称的均匀扩散，在垂直方向形成向下偏折的均匀扩散。通过调整一组透镜中各单元的大小和两个方向的曲率半径，调配出射光通量在不同立体角范围内的分布，达到设计要求的光分布。

    鉴于入射曲面的作用是使光线发生偏折形成扩散，产品设计中具体每组透镜的单元个数、单元大小、曲率半径等都可以结合实际情况而变化。

2 LED航标灯的光学设计
2．1 航标灯配光分析及其影响
    对航标灯而言，主要的观察方向在水平方向上，因此要求光强最大值位于V＝0°区域。同时，航标灯的主要光度指标之一就是射程，要达到较远的射程，要求中心光强足够大，相应地光束角不宜过大。否则，过多的扩散光不仅大大降低了光通利用率，而且易造成不必要的光污染。因此，航标灯在垂直方向上的配光很窄，一般半值全宽度角为8°，即使考虑浮标的颠簸摇摆，垂直扩散角度一般也不会超过20°。

     然而，对于水平角度而言，观察者对航标灯的观察方向是全方位的，可能来自于各个方向，因此要求H＝0～3６0°的范围内，光分布均匀，避免某些方向过于黯淡而不易于被察觉。
2．2 光源的选择
     航标灯的特殊配光要求，给LED的排布带来了一定困难。作为航标灯的传统光源，白炽灯具有除插口处外全方位均匀的光辐射，而LED的光分布特点之一就是方向性好。因此，使用一般的光学器件，单个LED无法达到3６0°的环带光输出。所以，LED不能象其他信号灯一样排布在平面ＰcＢ的单侧上，而需要图10所示，呈环状排布。

     在各种不同封装结构、功率大小的LED中，我们选择传统Φ5mm　LED作为光源，主要原因有以下几点：

（1）Φ5mm　LED的配光较窄，在垂直方向上便于收集光源光通，可有效提高光通利用率；

（2）虽然Φ5mm　LED的窄配光对航标灯水平配光均匀度会带来一定影响，但可以通过合理选择和有效排列来尽量消除这一不利影响。目前，市场上有椭圆配光的LED，似乎可适用于航标灯这一特殊配光要求，但由于只用于指数作用，中心光强很小，因此不予采用。

（3）与Φ5mm　LED相比，食人鱼LED散热结构好，驱动电流大，因此单颗功率略大，效率也略有提高。但是食人鱼的管脚间距大，用于LED的排管方式时，要求ＰcＢ厚度大大增加，会导致生产成本不必要的增加。

     为了满足航标灯水平方向配光均匀度的要求，设计中应选择半值全扩散角度为25°左右的LED，则可确保水平方向配光均匀度到达85％以上。虽然Φ5mm　LED有小角度产品，可以获得较大的中心光强，但整体发光效率较低，且影响灯具整体配光均匀性。

2．3 光学系统设计
2.3.1 光源

     我国幅员辽阔，有众多大小河流，内河的航标灯需求量较大，而较长的海岸线对于沿海航标灯也有一定需求。由于航标灯应用地域不同，对光强的要求也不同。因此我们的航标灯光源采用碟状结构，与相应光学系统相匹配构成一个相对独立的发光单元，则实际应用中，可以根据需要选择灯具中所使用的单元数目，获得不同的射程。

     根据上述设计思想，设计中确定单个发光单元的半值全扩散角度为8°，最大光强值为30cd，则两个发光单元就能基本满足内河的需要，射程可达3.8nm；而三个至四个单元就能达到一般的近海要求，射程可达5．5nｍ。因此，我们考虑在每个单元中，用28颗LED，如上图排列。
2．４透镜设计
    将扩散光源放置在凸透镜的某个位置上，可以使出射光发生不同的变化，如图11所示。

    由此可见，将光源放置于适当偏离焦点的位置上，无论是在焦点内还是在焦点外，都可以使光源出射光适当收敛（如图12所示）。
    我们选择将光源放于透镜焦点的内侧，光源离透镜越远，透镜收集到的光源光通量越少，因而透镜系统的效率越低（如图13所示）。

根据单凸透镜的计算公式：
r＝（nl－1）f
其中r——凸面曲率半径
nl——透镜材料折射率
f——透镜焦距

    在选定透镜材料的情况下，焦距越大，曲率半径越大。在同样透镜孔径Φ的条件下，曲率半径越大，透镜越薄，如图1４所示。而透镜越厚，像差会越明显，从而影响使用效果。因此，尽可能选择焦距较大的透镜。
    同时，焦距的增大，光学系统尺寸的增加，因此，透镜的焦距也不可以一味追求最大。

    根据前面所讨论的航标灯的配光要求可见，透镜的作用主要使碟形光源垂直方向上的光收敛，同时不影响水平光分布的均匀度。因此，我们采用如图15所示的鼓形透镜。

    由于透镜厚度不是很大，因此没有采用菲涅耳透镜，避免增加加工的繁琐性和成本。

2．5 光学模拟
     利用光线追踪软件，对设计方案进行模拟，效果如图16所示。

     由上述模拟结果可见，采用三层发光单元，最大光强可达90cd左右，垂直方向上半值全宽度角约为8°，水平方向配光均匀度可达90%。由于模拟过程中，LED为理想点光源，光分布完全对称，为考虑透镜加工过程中精确度对光线走向的影响。因此，最大光强和垂直扩散角度与实际情况会有一定偏差，预计在80%以内。

wanggang10	2009-09-13 10:15
kankan......................

小丸子	2011-02-26 19:08
谢谢版主了，但是图纸不全

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