摘　　要
    led的應(yīng)用范圍日趨廣泛，其相應(yīng)的二鎰光學(xué)設(shè)計(jì)也越來越顯出重要性。本文介紹了一種光學(xué)設(shè)計(jì)的思路和方法。

　　一、引言
　　led（Light Emitting Diode）從二十世紀(jì)六十年代問世以來，已有30多年的發(fā)展歷史。隨著近幾看半導(dǎo)體芯片技術(shù)的不斷改進(jìn)及封裝技術(shù)的迅速提高，其光效從最初不到1lm/W，發(fā)展至今紅色、橙色為100lm/W和綠色50lm/W，已大大超過了傳統(tǒng)的白熾燈。同時(shí)，LED具有體積小、重量輕、耗能少、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間短及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，LED的應(yīng)用已不僅僅限于信號(hào)指示光源，而已逐步從室內(nèi)走向諸如交通信號(hào)燈、車燈、戶外屏等室外應(yīng)用領(lǐng)域。
　　二、信號(hào)燈基本光學(xué)系統(tǒng)
　　以信號(hào)燈為例。傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈采用白熾燈作為光源，其燈具基本光學(xué)構(gòu)成可視為：光源、反射器及用于形成光分布的透鏡組成（如圖1所示）。由于白熾燈的光輻射幾乎占據(jù)整個(gè)空間，因此需要用反射器將其它方向上的光收集起來，投向要求的區(qū)域。通常采用的是拋物面反射器，形成近似于平行的光束，然后用有色還透鏡的外罩對(duì)光束進(jìn)行偏折、擴(kuò)散，產(chǎn)生期望的光分布和顏色。

圖1 白熾燈交通信號(hào)燈結(jié)構(gòu)示例

　　一般，單顆LED發(fā)出的光能量較小，一個(gè)交通信號(hào)燈往往需要幾十至幾百顆LED。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，單顆LED流明數(shù)的提高，一個(gè)燈具內(nèi)使用的LED數(shù)目會(huì)明顯減少。例如目前飛利浦的一款交通信號(hào)燈僅用了十顆左右LED，此類燈具的光學(xué)結(jié)構(gòu)與本文所討論的有所不同。目前廣泛使用的LED交通信號(hào)燈，通常用100-300顆LED，基本均勻分布于整個(gè)發(fā)光面上，每顆LED對(duì)應(yīng)一個(gè)或一組透鏡單元。
　　由于某些LED發(fā)出的光相對(duì)集中于一個(gè)較小的立體角范圍內(nèi)，反射器就不再是必要的光學(xué)組件，而往往用透鏡作為準(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)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要示訴光分布（如圖2所示）。

圖2 LED交通信號(hào)燈結(jié)構(gòu)示例

　　三、設(shè)計(jì)思想
　　1.光通量的估算
　　無論是歐洲的ECE、美國(guó)的ITE還是我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于信號(hào)燈光分布的要求大多體現(xiàn)為H-V系統(tǒng)內(nèi)的光強(qiáng)分布（如圖3所示）。因此，可以根據(jù)下式計(jì)算出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小光通量：

　　其中Φi--第i個(gè)立體角區(qū)域內(nèi)的光通量
　　Ii--第i個(gè)立體角區(qū)域內(nèi)要求的（平均）光強(qiáng)
　　Hi+1/2，H i-1/2，Vi+1/2 ，Vi-1/2 --第i個(gè)立體角區(qū)域的水平角和垂直角的邊界
　　此計(jì)算所得的光能量是一個(gè)理想值，實(shí)際要滿足標(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(duì)Φ進(jìn)行修正，得到的才是實(shí)際要求光能量的估量值。

圖3 LED交通信號(hào)燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)光分布要求

　　LED的光強(qiáng)分布通常是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的光分布（如圖4所示），由下式估算單顆LED所發(fā)出的光能量：(3)

　　其中Ij--第j個(gè)環(huán)帶區(qū)域內(nèi)平均光強(qiáng)
　　θj-1/2 ，θ j-1/2（2）--第j個(gè)環(huán)帶區(qū)域的邊界
　　同樣，在這里計(jì)處算得到也是一個(gè)理想值，需考慮溫度影響、光通有效利用率等因素進(jìn)行修正。
　　利用兩個(gè)修正后的光能量可以估算出要用的LED的數(shù)目。

圖4 LED光強(qiáng)分布示例

　　2.透鏡單元
　　為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)光通量更有效的利用，我們先用準(zhǔn)直系統(tǒng)，將LED發(fā)出的光校正為平行光。通常采用凸面的曲率半徑：(4)
　　 1/r1-1/r2=1/f*(nl-1)
　　其中f-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)，曲率半徑為無窮大
　　nL-透鏡材料的折射率
　　但是，正如圖5所示，對(duì)于同樣尺寸、同樣焦距的凸透鏡和菲涅耳透鏡而言，其厚度相差可以很大。并且隨著透鏡尺寸增加，其厚度差距也隨之增加。透鏡越厚，意味著光在經(jīng)過透鏡過程中損失越多。并且，計(jì)算中用薄透鏡近似而引入的誤差也越大。

圖5 菲涅耳透鏡與凸透鏡厚度比較

　　菲涅耳透鏡（如圖6所示）其實(shí)是一種“大孔徑”的消球差透鏡，其光學(xué)作用和普通凸透鏡相當(dāng)，但比凸透鏡薄、重量輕。雖然，設(shè)計(jì)時(shí)，菲涅耳透鏡環(huán)數(shù)越多，有助于減小球差和透鏡厚度，使光斑更均勻。設(shè)計(jì)時(shí)，環(huán)帶環(huán)數(shù)的選擇至關(guān)重要。

圖6 菲涅耳透鏡的形成

　　之后，需要用透鏡將平行光束擴(kuò)散處理，來滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。我們將燈具外罩分割成矩形小單元，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，我們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，柱面的曲率半徑為：
　　r=(b*n2-2ncosoδ+1)/2sinδ ...................(4)
　　其中r--柱面透鏡的曲率半徑
　　b--單元寬度
　　n--透鏡材料折射率
　　δ--期望的半擴(kuò)散角度（如圖7所示）

圖7 柱面透鏡示意圖

　　在確定擴(kuò)散角度時(shí)，應(yīng)考慮平行光束可能會(huì)有一不定