LED交通信號燈的基本光學結構

由于LED發出的光相對集中在一個較小的立體角范圍內，LED交通信號燈不必再需要反射器。又由于LED本身發出的是色光，所以不需要有色配光鏡來濾光。LED用透鏡作為準直光學組件，例如用凸透鏡或菲涅耳透鏡產生平行光束，然后用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴散、偏折，產生滿足要求的光分布。如傳統交通信號燈一樣，LED交通信號燈也需要遮光罩，如圖1所示。

無論是歐洲ECE、美國Ite還是我國關于LED交通信號燈的國家標準(送審稿)，對于信號燈的光分布，要求太多體現為H-V系統內的光強分布，如表1所示。

圖1LED交通信號燈結構示意圖

表1LED交通信號燈國家標準(送審稿)光強分布要求

達到標準要求的最小光通量可按式1計算：

式中：為第i個立體角區域內的光通量;Ii為第i個立體角區域內要求的(平均)光強;分別為第f個立體角區域的水平角和垂直角的邊界。

按式1計算所得的光通量是一個理想值，實際上要滿足標準要求的光分布，還需考慮透鏡的透過率、溢出光損失等因素。因此，需要對進行修正，這樣得到的才是實際要求光通量的估量值。 |

LED 的光強分布通常是旋轉對稱的，因此，可以根據生產廠家給出的光強分布(如圖2所示)情況，由下式計算單只LED 所發出的光通量：

式中：Ij為第j個環帶區域內的平均光強，為第j個環帶區域的邊界。

同樣，在這里計算得到的也是一個理想值，需考慮溫度影響、有效利用率等因素進行修正。利用兩個修正后的光通量可以估算出要用的LED的數目。

圖2 LED的光強分布

為了能實現對光通量更有效的利用，先用校直系統將LED發出的光校正為平行光。通常所用的凸面透鏡的曲率半徑為：

式中：f為透鏡焦距;r1、r2分別為透鏡兩表面的曲率半徑，當該表面為平面時，曲率半徑為無窮太;nL透鏡材料的折射率。

對于同樣尺寸、同樣焦距的凸透鏡和菲涅耳透鏡而言，其厚度可以相差很太，如圖3所示;并且隨著透鏡尺寸的增加，其厚度的差距也在增太。透鏡越厚，意味著光在經過透鏡的過程中損失得越多，并且計算中用薄透鏡近似而引入的誤差也越大。

圖3菲涅耳透鏡與凸透鏡厚度比較

菲涅耳透鏡如圖4所示，其實它是一種“太孔徑”的消球差透鏡，其光學作用和普通凸透鏡相同，但比凸透鏡薄，重量輕。設計時選用的菲涅耳透鏡環數越多，越有助于減小球差和透鏡厚度，使光斑更均勻。

在設計中采用透鏡對平行光束進行擴散處理來滿足標準的要求。將燈具外罩分割成矩形小單元多用來打碎光波的波面，有利于產生均勻的外觀效果。在每個小單元中，采用柱面透鏡使光束水平擴散，在確定單元寬度及要求的擴散角度之后，柱面透鏡的曲率半徑為：

式中：r為柱面霍鏡的曲率半徑;b為單元的寬度;n為透鏡材料的折射率;期望的半擴散角度，如圖5所示。

圖4 菲涅耳透鏡的形成

圖5 柱面透鏡原理圖

在確定擴散角度時，應考慮平行光束可能會有一否定期的發散角度α，困此，若要求燈具總擴散角度為50°，則應該取有，否則可能會導致擴散角度過太。

根據標準，在垂直方向上也有一梯度的光強分布要求，且基本是在水平面之下。可考慮用楔形透鏡將光向下偏折，并借助于模擬軟件使光通量在垂直方向上合理分布。單元透鏡的結構如圖6所示。也可采用橢球面或輪胎面等具有水平和垂直兩個方向的弧度的結構，從而可以在兩個方向上用不同的曲率半徑達到不同的擴散效果。由于交通信號燈的標準一般要求光分布于水平之下，因此9在垂直方向上只需用上半段圓弧，產生向下擴散的效果，如圖7所示。

雖然兩層透鏡能對光通量有較好的控制，但兩層透鏡的透過率損失較太。要獲得較理想的平行光和理想的設計效果，焦點的對準和發光點位置的確定都非常重要。對于發光角度較太大 LED，如果準直系統采用菲涅耳透鏡，應在邊緣部位內部采用全反射結構(TIR)， 如圖8所示。這種結構可使入射角接近0°，能大大減少透鏡邊緣光的反射損失，使透鏡呈現均勻的照度。

圖6 單元透鏡示例

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