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(gè)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)分布要求
達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小光通量可按式1計(jì)算：
式中：為第i個(gè)立體角區(qū)域內(nèi)的光通量;Ii為第i個(gè)立體角區(qū)域內(nèi)要求的(平均)光強(qiáng);分別為第f個(gè)立體角區(qū)域的水平角和垂直角的邊界。
按式1計(jì)算所得的光通量是一個(gè)理想值，實(shí)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(jìn)行修正，這樣得到的才是實(shí)際要求光通量的估量值。 |
LED 的光強(qiáng)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(qiáng)分布(如圖2所示)情況，由下式計(jì)算單只LED 所發(fā)出的光通量：
式中：Ij為第j個(gè)環(huán)帶區(qū)域內(nèi)的平均光強(qiáng)，為第j個(gè)環(huán)帶區(qū)域的邊界。
同樣，在這里計(jì)算得到的也是一個(gè)理想值，需考慮溫度影響、有效利用率等因素進(jìn)行修正。利用兩個(gè)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(qiáng)分布
為了能實(shí)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(shí)，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(jì)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(shí)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(jì)時(shí)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(jì)中采用透鏡對平行光束進(jìn)行擴(kuò)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(gè)小單元中，采用柱面透鏡使光束水平擴(kuò)散，在確定單元寬度及要求的擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散角度時(shí)，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(kuò)散角度為50°，則應(yīng)該取有，否則可能會導(dǎo)致擴(kuò)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(qiáng)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(gè)方向的弧度的結(jié)構(gòu)，從而可以在兩個(gè)方向上用不同的曲率半徑達(dá)到不同的擴(kuò)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(kuò)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(jì)效果，焦點(diǎn)的對準(zhǔn)和發(fā)光點(diǎn)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
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