LED交通信号灯的基本光学结构

     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。

　　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。

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。

　　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。

图6 单元透镜示例

图7有双向曲斋透镜的示意图  

　　用白炽灯作光源的信号灯通常采用内梯和外梯罪涅耳透镜，灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后成为近似平行光投向前方，成为有效光束。白炽灯的光谱是连续的，通过有色透镜发出的色光光谱也是连续光谱。LED信号灯由多只LED和聚光透镜阵列组成，LED的数量往往达凡十只乃至数百只，单元透镜的直径一般X为13～15mm。LED的光谱线较窄，颜色较纯，尤其是红、绿、蓝光更为鲜艳，有利于辨认信号。