1 問題的提出
隨著半導體發(fā)光技術的發(fā)展，與普通“熱”光源，如白熾光源、氣體放電光源等相比，利用半導體ＰＮ結發(fā)光原理制作的“冷”光源ＬＥＤ器件，近年來開始得到廣泛地應用。ＬＥＤ器件從最初的儀器指示光源發(fā)展到高亮度的信號光源，乃至近年來開始在照明領域獲得應用。利用ＬＥＤ器件制作的航標燈就是ＬＥＤ器件作為信號光源應用的一個典型例子。自１９９８年以來，ＬＥＤ航標燈因其良好的單色性（色譜純）和顏色光源的高光效（相對全光譜的白熾光源而言），在國際上迅速獲得廣泛接受。我國海事部門近二年來嘗試使用ＬＥＤ航標燈，積累了一定的使用經驗。筆者就ＬＥＤ航標燈的工作原理、評價ＬＥＤ航標燈的主要質量指標等方面進行論述，通過科學理解ＬＥＤ航標燈來糾正ＬＥＤ航標燈應用中的某些認識誤區(qū)。
2 ＬＥＤ航標燈的工作原理
2.1 菲乃爾透鏡的聚光原理
對環(huán)向航標燈來說，其光學系統(tǒng)原理如圖１所示。圖中Ｘ軸為光軸，光學元件Ａ為凸透鏡，Ｏ為凸透鏡的焦點，Ｆ為焦距，ｎ為透鏡接觸厚度，Ｈ為透鏡高度，Ｒ為透鏡的曲率半徑。當置于光軸焦點上的點光源（如白熾燈泡）被點亮時，其全向散射的光被凸透鏡聚集，在透鏡的出射面上以平行光輸出。如果忽略透鏡的加工精度，并視焦點上的光源為無限小的點，那么透鏡出射面上輸出絕對的平行光。由于凸透鏡實際上是個球面體的光學元件，因此其曲率半徑Ｒ與高度Ｈ成正比。透鏡高度Ｈ越高，其曲率半徑Ｒ就越大，透鏡也越厚。１５５mm航標透鏡的有效高度約為１８０mm，若采用凸透鏡制造該航標透鏡，為了保證垂直１８０°方向的散射光被有效聚集，其透鏡厚度接近９０mm，這樣的透鏡無論在制造工藝上還是透鏡本身透射率等光學指標方面都是很難達到實用要求的。圖2示出了凸透鏡聚光的基本原理。
為了解決大曲率凸透鏡的絕對厚度和制造工藝上的問題，光學科學家菲乃爾通過研究發(fā)現(xiàn)凸透鏡的聚光作用主要與表面曲率有關，透鏡中間部分的材料僅起到光線傳輸作用。于是設想將球面體的凸透鏡表面切成一段一段，取其有效曲率表面作為透鏡零件，如圖２中ａｂ、ｂｃ、ｃｄ、ｄｅ、ｅｆ所示。然后將這些具有聚光作用的透鏡零件按聚焦要求組合，使每個透鏡零件的焦點都調整在光軸的同一焦點上，于是整個組合后的透鏡到光軸上就有唯一的焦點。由于每個透鏡零件的尺寸和厚度都很小，組合后的透鏡一下子變得很薄。又因為透鏡厚度減小，其光傳輸效率提高，重量減輕，加工容易，而作用與同尺寸的凸透鏡基本相同。于是這種用不同曲率的光學零件組成的組合透鏡即成為目前廣泛應用于航標透鏡的菲乃爾透鏡。圖３為菲乃爾透鏡的剖面圖。
嚴格來說，菲乃爾透鏡與球面凸透鏡一樣，具有聚光作用。它可以將透鏡光軸焦點上點光源發(fā)出的全向散射光聚成平行光輸出。但是和凸透鏡同樣存在的問題是由于加工精度的限制，實際加工中菲乃爾透鏡的焦點永遠都無法達到理論上的無窮小點。事實上，航標燈菲乃爾透鏡在光軸上的焦點不是一個真正“點”，而一個具有一定尺寸的區(qū)域，我們把這個區(qū)域稱焦散區(qū)（或稱焦散域）。同樣地菲乃爾透鏡也要求其焦點上的光源為一無窮小的點，而實用中同樣不存在這樣的點光源，也是具有一定尺寸的光源體，因此當光源的尺寸與透鏡的焦散區(qū)正好相等時，光源被最大限度地利用，航標燈的光輸出達到最大值。當光源的尺寸超出透鏡焦散區(qū)時，其超過部分的光將是無效光。圖４表示了透鏡焦散區(qū)與光源匹配性的互動關系。
圖中菲乃爾透鏡的焦散區(qū)近似于直徑為ａ的球體區(qū)域，而光源高度方向的尺寸為ａ＋２ｂ，其中ａ段被包含在透鏡焦散區(qū)內，其發(fā)出的光線被透鏡匯聚后以平行光方式輸出，而２ｂ段則為無效光強。以常用的１５５mm航標透鏡為例，其焦散區(qū)為３～４mm，換言之燈泡的燈絲高度也必須為３～４mm。而目前常用的白熾燈泡的燈絲因受制燈工藝和鎢絲熱垂性的影響，其高度至少在６mm以上，如果１００％的光能量均勻分布在整個６mm的燈絲段上，那么至少有１/３的光能量未被利用，即一個１０Ｗ的燈泡其實真正可利用的有效功率僅為６．６Ｗ，而消耗的總電功率卻是１０Ｗ。此外，由于航標燈整體結構上的積累誤差，特別是插口式燈泡的自身誤差達２mm以上，即使燈絲做到要求的３～４mm尺寸，也會因航標燈器件的機械結構誤差（如機械換泡機的定位不準，插口燈的燈頭誤差等）導致光源無法準確置于透鏡光軸的焦點上。
為了解決這個問題，目前國際上普遍采用帶有定焦盤的航標燈泡。由于這種航標燈泡在制造過程中采用投影儀裝配定焦盤，其燈絲光中心至定焦盤之間的機械尺寸誤差控制在０．５mm以內，從而保證了所有帶定焦盤的航標燈泡都具有完全一致的光中心高度。近年來各國際航標部門普遍采用的預聚焦高壓石英鹵鎢航標燈泡，其燈絲形狀類似一個３mm的球體，當燈泡被點燃時全部光能量都集中在透鏡的焦散區(qū)內，而定焦盤又將燈絲的光中心準確地置于透鏡光軸焦點上，從而使光能量得
