ＬＥＤ信号灯二次光学设计

摘要:随着科学技术的发展,LED在很多领域中被应用得越来越广泛,如在信号灯中的应用,因此就需要对LED发出的光线进行二次光学设计。文中介绍了一种LED信号灯的二次光学设计思路和方法,通过对光通量的估算,设计出合理的LED分布、光学面罩和菲涅耳透镜。

关键词:发光二极管;光分布;菲涅耳透镜;凸透镜

中图分类号:TN312+.8 文献标识码:B

Secondary Optics Design for LED Signal Lamps

CUI Zhen

(Electronic and Information Engineering of Lanzhou JiaoTong University,Lanzhou Gansu 730070,China)

Abstract:With the development of LED technology,LEDs have involved more and more application fields,e.g.singal lamp.Therefore, it demands secondary optics deisgn methods suitable for LEDs. This paper introduced an ideas about secondary optics deisgn methods of singal lamp"s.Through the flux estimates, the design of a reasonable distribution of LED, optical masks and Fresnel lens.

Keywords:LED;light distribution;fresnel lens;convex len

引 言

LED信号灯应用广泛,我国铁路约有20万台高柱或矮型色灯信号机,这些信号机原来是以双灯丝白炽灯泡为光源,灯泡的寿命只有1,000小时。

LED 从1960年代问世以来,已有30多年的发展历史。随着近几年半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高,其光效从最初不到1lm/W发展至今,红色、橙色为l00lm/W、绿色为501m/W,已大大超过了传统白炽灯的光效。而且,LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好等优点,因此LED的应用不仅局限于信号指示光源,已逐步从室内走向诸如交通信号灯、车灯、户外屏等室外应用领域。

1信号灯的基本光学系统

传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,灯具的基本光学系统由三部分组成:光源、反射器及用于形成光分布的透镜。

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它方向上的光收集起来,投向要求照射的区域。通常采用的反射器是抛物面,形成近似平行的光束,然后用有色带透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生所期望的光线分布。

随着半导体技术的发展,LED广泛应用于交通信号灯中,并成为一种新兴的发光光源。一般单个LED发出的光通量较小,所以一个交通信号灯往往需要几十至几百个LED。但随着单个LED流明数的提高,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100~200个LED,均匀分布于整个发光面上,并且每个LED对应一个或一组透镜单元。

由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,所以采用透镜作为准直光学组件。例如,使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1所示)。

2 设计原则

2.1 光通量的估算

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(如图2所示)[1]。

因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量[2]：

水平角和垂直角的边界。

此计算所得的光通量是一个理想值,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,需要对其进行修正,得到的才是实际要求的光通量估算值。

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分布(如图3所示),由下式估算单颗LED所发出的光通量[2]:

同样,这里计算得到的也是一个理想值,需考虑温度影响、光通量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大致所需的LED数目。

2.2 LED的光学分布

由于单个LED光通量有限,一个LED交通灯需要由几十甚至上百个LED组成,此时,需要合理的LED 光学分布。

根据国家标准以及人们的视觉习惯,交通灯的发光表面应为一个完整的圆。若LED之间的间隔选取不合理,那么容易产生暗区或者六边形的发光面,此时就需要增加LED来补充,使发光面饱满,从而造成光通量的极大浪费。因此必须合理选择LED间隔,进行LED光学分布设计,既能保证发光面是饱满的圆形,又最大限度地利用了所有LED的光通量。

2.3 光学面罩设计

光学面罩的基本设计思路是:在面罩上均匀分布由一系列棱面构成的单个色片单元,通过各棱面在色片表面投影的面积比例决定各棱面控制的光能量的多少,利用棱面与色片表面之间的角度来对光通量在空间角度范围内进行重新分配。因此,色片单元能够实现对光能量的强度和角度的双重控制,最终使指定光通量比例的光照射到指定的角度,实现光通量的合理分配,提高光的利用率[3,4]。

2.4 透镜的选择与设计

为了实现对光通量更有效的利用,我们先用准直系统将LED发出的光校正为平行光。通常采用凸透镜,在确定焦距后,可以根据下式求出凸透面的曲率半径[5]:

当该表面为平面时, 曲率半径为无穷大,nl为透镜材料的折射率。对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言,其厚度相差可以很大,并且随着透镜尺寸的增加,其厚度差距也随之增加。透镜越厚,意味着光在经过透镜过程中损失得越多,计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。

2.4.1 菲涅耳透镜的设计

菲涅耳透镜其实是一种“大孔径” 的消球差透镜,其光学作用和普通凸透镜相当,但比凸透镜薄,且重量轻。在共轴系统的情况下,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。设计时,环带环数的选择至关重要。

需要用透镜将平行光束扩散处理,来满足标准的要求,在每个小单元中,我们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,柱面的曲率半径可由下式得到[6]:

n—— 透镜材料的折射率;

δ——期望的半扩散角度。

在确定扩散角度时,应考虑平行光束可能会有一定的发散角度a,因此,若我们要求灯具的总扩散角度为50°,则应该取2a=50°-a,否则可能会导致扩散角度过大。

3 结论

半导体技术的发展使LED成为一种新型光源,其潜在的应用价值正越来越多地受到人们的关注和研究,同时LED二次光学系统设计的地位也随之提高。本文介绍的设计方法只是在这一领域里的初步研究,今后将进一步开展关于这方面更详细更深入的研究工作,设计出更加高效的LED光学系统。

参考文献

[1] 道路交通信号灯. 中华人民共和国国家标准. GB14887 - 2003.

[2] 李晓彤,岑兆丰. 几何光学相差光学设计. 杭州:浙江大学出版社,2003.

[3] G. B. Stringfellow M, George Craford. High Brightness Light Emitting Diodes. Academic Press,1997.

[4] Hewlet·Packard Co. Secondary Optics Design Consid- erations[Super Flux LEDs].Appliealion Note, 1149-5. 1998.

[5] 周太明.光源原理与设计.上海:复旦大学出版社,1993.

[6] 刘书声.现代光学手册.北京:北京出版杜,1993.

作者简介:崔 真(1984-),男,兰州交通大学电信学院在读硕士研究生,测试计量技术与仪器专业,主要研究方向为光电检测、光电传感器和光电显示,E-mail:cuizhen516@126.com。

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