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0431-81702023
光学工程
LED信号灯二次光学设计

摘要:LED的应用范围日趋广泛,其相应的二镒光学设计也越来越显出重要性。本文介绍了一种光学设计的思路和方法。 
一、引言
      LED(Light Emitting Diode)从二十世纪六十年代问世以来,已有30多年的发展历史。随着近几看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100lm/W和绿色50lm/W,已大大超过了传统的白炽灯。同时,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的应用已不仅仅限于信号指示光源,而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。
二、信号灯基本光学系统
      以信号灯为例。传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,其灯具基本光学构成可视为:光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成(如图1所示)。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,投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器,形成近似于平行的光束,然后用有色还透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生期望的光分布和颜色。


图1 白炽灯交通信号灯结构示例 
       一般,单颗LED发出的光能量较小,一个交通信号灯往往需要几十至几百颗LED。随着LED技术的发展,单颗LED流明数的提高,一个灯具内使用的LED数目会明显减少。例如目前飞利浦的一款交通信号灯仅用了十颗左右LED,此类灯具的光学结构与本文所讨论的有所不同。目前广泛使用的LED交通信号灯,通常用100-300颗LED,基本均匀分布于整个发光面上,每颗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,反射器就不再是必要的光学组件,而往往用透镜作为准直光学组件。例如,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示诉光分布(如图2所示)。  


图2 LED交通信号灯结构示例 
三、设计思想
1.光通量的估算
无论是欧洲的ECE、美国的ITE还是我国的国家标准,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3所示)。因此,可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量:  

其中Φi--第i个立体角区域内的光通量。Ii--第i个立体角区域内要求的(平均)光强 Hi+1/2,H i-1/2,Vi+1/2 ,Vi-1/2 --第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。此计算所得的光能量是一个理想值,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Φ进行修正,得到的才是实际要求光能量的估量值。


图3 LED交通信号灯国家标准(送审稿)光分布要求 
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4所示),由下式估算单颗LED所发出的光能量:(3)


其中Ij--第j个环带区域内平均光强
θj-1/2 ,θ j-1/2(2)--第j个环带区域的边界
同样,在这里计处算得到也是一个理想值,需考虑温度影响、光通有效利用率等因素进行修正。
利用两个修正后的光能量可以估算出要用的LED的数目。


图4 LED光强分布示例 
2.透镜单元
为了能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。通常采用凸面的曲率半径:(4) 

1/r1-1/r2=1/f*(nl-1),其中f-透镜焦距r1,r2-分别为透镜两表面的曲率半径。当该表面为平面时,曲率半径为无穷大nL-透镜材料的折射率
但是,正如图5所示,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越多。并且,计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。


图5 菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较 

 

      菲涅耳透镜(如图6所示)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、重量轻。虽然,设计时,菲涅耳透镜环数越多,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。 
 


图6 菲涅耳透镜的形成


      之后,需要用透镜将平行光束扩散处理,来满足标准的要求。我们将灯具外罩分割成矩形小单元,用来打碎光波的波面,有利于产生均匀的外观效果。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,柱面的曲率半径为:
r=(b*n2-2ncosoδ+1)/2sinδ ...................(4)
其中r--柱面透镜的曲率半径
b--单元宽度
n--透镜材料折射率
δ--期望的半扩散角度(如图7所示)
 

图7 柱面透镜示意图 
     在确定扩散角度时,应考虑平行光束可能会有一不定期h的发散角度α,因此,若我们要求灯具总扩散角度为50°,则应该取2δ=50°-α。否则可能会导致扩散角度过大。 
     根据标准,在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求,且基本是在水平面之下。我们考虑用楔形透镜将光向下偏,并借助于模拟软件,使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图8所示。
  

图8 透镜单元示例 
     或者,也可采用如椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度,从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般要求光分布于水平之下,因此,在垂直方向上只需用上半段圆弧,产生向下扩散的效果(如图9所示)。




图9 有双向曲率透镜的示意图 
四、计论
      我们的设计方案采用了两层透镜,虽然能对光通量分布有良好控制,但是两层透镜的透过率损失始终较大。另外,要获得较理想的平行光,焦点的对准很重要,但LED自射带有的装透镜,使实际发光不在晶片所在位置。因此,要得到理想的设计效果,发光点位置的确定很重要。
其次,对于发光角度较大的LED,若用菲涅耳透镜作为准直系统的话,建议在边缘部位采用内部全反射(TIR)结构。因为,对于菲涅耳透镜,越靠近边缘,光线入射至透镜的角度越大,反射损失成分也越大,若采用TIR结构(如图10所示),可使入射角度接近00,大大减少了透镜边缘光的反射损失,有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。
 

图10 带有TIR结构的透镜示意 
五、结论
     LED作为一种新型的光源,其潜在的应用价值正受到人们越来越多的关注,因此LED的二次光学系统设计也日益受到人们的重视。本文介绍的工作是在这一领域里的尝试。我们将进一步开展这方面的研究开发工作,设计出更为高效的光学系统。



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