摘 要：隨著人們逐漸認(rèn)識發(fā)光二極管（ＬＥＤ）低功耗、長壽命、高光通利用率等優(yōu)點，ＬＥＤ已開始取代傳統(tǒng)白熾燈，成為交通信號燈產(chǎn)品的主要光源。由于ＬＥＤ的光輸出通常分布在一個較小的立體角范圍內(nèi)，在水平面以下的光分布與交通信號燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大致相同。因此，如何應(yīng)用光學(xué)分布技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品出射光分布均勻，避免產(chǎn)生暗區(qū)是文章著重研究的課題。

隨著人們對發(fā)光二極管（ＬＥＤ）低功耗、長壽命、高光通利用率等優(yōu)點的逐步認(rèn)識，ＬＥＤ已開始取代傳統(tǒng)白熾燈，成為交通信號燈產(chǎn)品的主要光源。而信號燈的光學(xué)系統(tǒng)也隨之發(fā)生了變化。由于ＬＥＤ的光輸出通常分布在一個較小的立體角范圍內(nèi)，在水平面以下的光分布與交通信號燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大致相同。因此，目前大多數(shù)ＬＥＤ交通信號燈，不加任何透鏡而利用ＬＥＤ自身光分布，或者只是利用小反射腔來適當(dāng)收集大角度的光通，這些方法都使水平面以上的光通量被浪費，并且可能產(chǎn)生可視角度不夠大等缺點。另外，若采用簡單棱鏡來分配光通量，可能會使出射光分布不均勻，從而產(chǎn)生暗區(qū)。

文章論述了上海澳星照明電器制造有限公司根據(jù)市場需求，結(jié)合實際產(chǎn)品使用要求，應(yīng)用高亮度ＬＥＤ的光學(xué)分布技術(shù)進行了專門的技術(shù)研究與相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品經(jīng)測試和使用，其光學(xué)轉(zhuǎn)換效率及各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過國內(nèi)同類產(chǎn)品技術(shù)水平，經(jīng)中科院上海文獻情報中心檢索，項目技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平及國際先進水平。

１、交通信燈號產(chǎn)品的設(shè)計思想

１．１、交通信號燈基本光學(xué)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的交通信號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)整個空間，因此需要用反射器將其他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，然后用有色透鏡的外罩對光束進行偏折、擴散，產(chǎn)生期望的光分布和顏色。

隨著ＬＥＤ技術(shù)的發(fā)展，單顆ＬＥＤ流明數(shù)的不斷提高，一個燈具內(nèi)使用的ＬＥＤ數(shù)目會明顯減少。目前廣泛使用的ＬＥＤ交通信號燈，通常用１００～３００顆ＬＥＤ，基本均勻分布于整個發(fā)光面上，每顆ＬＥＤ對應(yīng)一個或一組透鏡單元。

由于ＬＥＤ發(fā)出的光相對集中于一個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散、偏折，產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的光分布（如圖２所示）。

１．２ 交通信號燈基本光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計思想

1.2.1 光通量的估算

無論是歐洲的ＥＣＥ、美國的ＩＴＥ還是我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，對于信號燈光分布的要求大多體現(xiàn)為Ｈ－Ｖ系統(tǒng)內(nèi)的光強分布。我們設(shè)計的依據(jù)為最新的國家標(biāo)準(zhǔn)，如表１所示。

因此，可以根據(jù)下式計算出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小光通量：
 Φ＝Φ＝Ｉ·（ｓｉｎＨ－ｓｉｎＨ）·（Ｖｉ＋－Ｖｉ－）
 其中Φｉ——第ｉ個立體角區(qū)域內(nèi)的光通量
 Ｉｉ——第ｉ個立體角區(qū)域內(nèi)要求的（平均）光強
 Ｈｉ＋１／２，Ｈｉ－１／２，Ｖｉ＋１／２，Ｖｉ－１／２——第ｉ個立體角區(qū)域的水平角和垂直角的邊界

此計算所得的光能量是一個理想值，實際要滿足標(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Φ進行修正，得到的才是實際要求光能量的估量值。

下一步是要估算單個ＬＥＤ發(fā)出的光通量。通常交通信號燈中采用的是Φ５ｍｍＬＥＤ，此類ＬＥＤ生產(chǎn)廠家一般都給出了如圖３所示的光強分布和最大中心光強值。

利用下式可以計算所用ＬＥＤ的光通量：
 Φ＝２πＩ·（ｃｏｓθ－ｃｏｓθ）

根據(jù)上述計算可以得到光能量，經(jīng)過修正可以估算出要用的ＬＥＤ的數(shù)目。目前，澳星生產(chǎn)的ＬＥＤ交通信號燈就是利用上述結(jié)論進行ＬＥＤ個數(shù)估算，例如澳星生產(chǎn)的３００ｍｍ的交通燈采用了１２１顆ＬＥＤ?！　　　　　?/P>

１．３ 透鏡單元

為了能實現(xiàn)對光通量更有效的利用，產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)先用準(zhǔn)直系統(tǒng)，將ＬＥＤ發(fā)出的光校正為平行光。

同時燈具采用單凸透鏡，凸面的曲率半徑用下面的公式計算：　
 １／ｒ１－１／ｒ２＝１／ｆ（ｎ１－１）
 其中ｆ－透鏡焦距
 ｒ１，ｒ２－分別為透鏡兩表面的曲率半徑。當(dāng)某表面為平面時，曲率半徑為無窮大。
 ｎｌ－透鏡材料的折射率　

需要用透鏡將平行光束進行擴散處理，來滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。為使光學(xué)效果更加合理，設(shè)計中應(yīng)將燈具外罩分割成矩形小單元，這樣做的目的在于打碎光波的波面，使產(chǎn)品產(chǎn)生均勻的外觀效果。在每個小單元中，采用橢球面，因為該面具有水平和垂直兩個方向的弧度，從而可以在兩個方向上用不同的曲率半徑達(dá)到不同的擴散效果。由于交通信號燈的標(biāo)準(zhǔn)一般