LED交通信號燈的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)

由于LED發(fā)出的光相對集中在一個較小的立體角范圍內(nèi)，LED交通信號燈不必再需要反射器。又由于LED本身發(fā)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(zhǔn)直光學(xué)組件，例如用凸透鏡或菲涅耳透鏡產(chǎn)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(chǎn)生滿足要求的光分布。如傳統(tǒng)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(guān)于LED交通信號燈的國家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)，對于信號燈的光分布，要求太多體現(xiàn)為H-V系統(tǒng)內(nèi)的光強分布，如表1所示。

圖1LED交通信號燈結(jié)構(gòu)示意圖

表1LED交通信號燈國家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)光強分布要求

達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小光通量可按式1計算：

式中：為第i個立體角區(qū)域內(nèi)的光通量;Ii為第i個立體角區(qū)域內(nèi)要求的(平均)光強;分別為第f個立體角區(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)對稱的，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)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(fā)出的光通量：

式中：Ij為第j個環(huán)帶區(qū)域內(nèi)的平均光強，為第j個環(huán)帶區(qū)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(shù)目。

圖2 LED的光強分布

為了能實現(xiàn)對光通量更有效的利用，先用校直系統(tǒng)將LED發(fā)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(dāng)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(jīng)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(xué)作用和普通凸透鏡相同，但比凸透鏡薄，重量輕。設(shè)計時選用的菲涅耳透鏡環(huán)數(shù)越多，越有助于減小球差和透鏡厚度，使光斑更均勻。

在設(shè)計中采用透鏡對平行光束進行擴散處理來滿足標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(yīng)考慮平行光束可能會有一否定期的發(fā)散角度α，困此，若要求燈具總擴散角度為50°，則應(yīng)該取有，否則可能會導(dǎo)致擴散角度過太。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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?？煽紤]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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，從而可以在兩個方向上用不同的曲率半徑達(dá)到不同的擴散效果。由于交通信號燈的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(shè)計效果，焦點的對準(zhǔn)和發(fā)光點位置的確定都非常重要。對于發(fā)光角度較太大 LED，如果準(zhǔn)直系統(tǒng)采用菲涅耳透鏡，應(yīng)在邊緣部位內(nèi)部采用全反射結(jié)構(gòu)(TIR)， 如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)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(xiàn)均勻的照度。

圖6 單元透鏡示例

圖7有雙向曲齋透鏡的示意圖

圖8帶有TIR結(jié)構(gòu)的透鏡示意圖

用白熾燈作光源的信號燈通常采用內(nèi)梯和外梯罪涅耳透鏡，燈泡發(fā)出的總光束的一部分經(jīng)透鏡組折射后成為近似平行光投向前方，成為有效光束。白熾燈的光譜是連續(xù)的，通過有色透鏡發(fā)出的色光光譜也是連續(xù)光譜。LED信號燈由多只LED和聚光透鏡陣列組成，LED的數(shù)量往往達(dá)凡十只乃至數(shù)百只，單元透鏡的直徑一般X為13～15mm。LED的光譜線較窄，顏色較純，尤其是紅、綠、藍(lán)光更為鮮艷，有利于辨認(rèn)信號。