LED交通信号灯的基本光学结构

作者：时间：2012-07-23来源：网络收藏

由于LED发出的光相对集中在一个较小的立体角范围内，LED交通 信号灯不必再需要反射器。又由于LED本身发出的是色光，所以不需要有色配光镜来滤光。LED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，产生满足要求的光分布。如传统交通 信号灯一样，LED交通 信号灯也需要遮光罩，如图1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167787.htm

无论是欧洲ECE、美国Ite还是我国关于LED交通信号灯的国家标准(送审稿)，对于信号灯的光分布，要求太多体现为H-V系统内的光强分布，如表1所示。

图1LED交通信号灯结构示意图

表1LED交通信号灯国家标准(送审稿)光强分布要求

达到标准要求的最小光通量可按式1计算：

式中：为第i个立体角区域内的光通量;Ii为第i个立体角区域内要求的(平均)光强;分别为第f个立体角区域的水平角和垂直角的边界。

按式1计算所得的光通量是一个理想值，实际上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，需要对进行修正，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。 |

LED 的光强分布通常是旋转对称的，因此，可以根据生产厂家给出的光强分布(如图2所示)情况，由下式计算单只LED 所发出的光通量：

式中：Ij为第j个环带区域内的平均光强，为第j个环带区域的边界。

同样，在这里计算得到的也是一个理想值，需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。

图2 LED的光强分布

为了能实现对光通量更有效的利用，先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为：

式中：f为透镜焦距;r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径，当该表面为平面时，曲率半径为无穷太;nL透镜材料的折射率。

对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言，其厚度可以相差很太，如图3所示;并且随着透镜尺寸的增加，其厚度的差距也在增太。透镜越厚，意味着光在经过透镜的过程中损失得越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。

图3菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较

菲涅耳透镜如图4所示，其实它是一种“太孔径”的消球差透镜，其光学作用和普通凸透镜相同，但比凸透镜薄，重量轻。设计时选用的菲涅耳透镜环数越多，越有助于减小球差和透镜厚度，使光斑更均匀。

在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元多用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，柱面透镜的曲率半径为：

式中：r为柱面霍镜的曲率半径;b为单元的宽度;n为透镜材料的折射率;期望的半扩散角度，如图5所示。

图4 菲涅耳透镜的形成

图5 柱面透镜原理图

在确定扩散角度时，应考虑平行光束可能会有一否定期的发散角度α，困此，若要求灯具总扩散角度为50°，则应该取有，否则可能会导致扩散角度过太。

根据标准，在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求，且基本是在水平面之下。可考虑用楔形透镜将光向下偏折，并借助于模拟软件使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图6所示。也可采用椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度的结构，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9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7所示。

虽然两层透镜能对光通量有较好的控制，但两层透镜的透过率损失较太。要获得较理想的平行光和理想的设计效果，焦点的对准和发光点位置的确定都非常重要。对于发光角度较太大 LED，如果准直系统采用菲涅耳透镜，应在边缘部位内部采用全反射结构(TIR)，如图8所示。这种结构可使入射角接近0°，能大大减少透镜边缘光的反射损失，使透镜呈现均匀的照度。