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0431-81702023
LED
LED信號燈二次光學(xué)設(shè)計
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)計也越來越顯出重要性。本文介紹了一種光學(xué)設(shè)計的思路和方法。 
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，LED具有體積小、重量輕、耗能少、壽命長、響應(yīng)時間短及抗震性能好等優(yōu)點。因此，LED的應(yīng)用已不僅僅限于信號指示光源，而已逐步從室內(nèi)走向諸如交通信號燈、車燈、戶外屏等室外應(yīng)用領(lǐng)域。
二、信號燈基本光學(xué)系統(tǒng)
以信號燈為例。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光束進行偏折、擴散，產(chǎn)生期望的光分布和顏色。


圖1 白熾燈交通信號燈結(jié)構(gòu)示例 
一般，單顆LED發(fā)出的光能量較小，一個交通信號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，一個燈具內(nèi)使用的LED數(shù)目會明顯減少。例如目前飛利浦的一款交通信號燈僅用了十顆左右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。
由于某些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)要示訴光分布（如圖2所示）。  


圖2 LED交通信號燈結(jié)構(gòu)示例 
三、設(shè)計思想
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（如圖3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：  

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，H i-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。


圖3 LED交通信號燈國家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)光分布要求 
LED的光強分布通常是旋轉(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個環(huán)帶區(qū)域內(nèi)平均光強
θj-1/2 ，θ j-1/2（2）--第j個環(huán)帶區(qū)域的邊界
同樣，在這里計處算得到也是一個理想值，需考慮溫度影響、光通有效利用率等因素進行修正。
利用兩個修正后的光能量可以估算出要用的LED的數(shù)目。


圖4 LED光強分布示例 
2.透鏡單元
為了能實現(xiàn)對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，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)計時，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)計時，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。在每個小單元中，我們用柱面透鏡使光束水平擴散，在確定單元寬度及要求的擴散角度之后，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--期望的半擴散角度（如圖7所示）
 

圖7 柱面透鏡示意圖 
在確定擴散角度時，應(yīng)考慮平行光束可能會有一不定期h的發(fā)散角度α，因此，若我們要求燈具總擴散角度為50°，則應(yīng)該取2δ=50°-α。否則可能會導(dǎo)致擴散角度過大。 
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在垂直方向上也有一梯度的光強分布要求，且基本是在水平面之下。我們考慮用楔形透鏡將光向下偏，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8所示。
  

圖8 透鏡單元示例 
或者，也可采用如橢球面或輪胎面等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)一般要求光分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圓弧，產(chǎn)生向下擴散的效果（如圖9所示）。

  

圖9 有雙向曲率透鏡的示意圖 
四、計論
我們的設(shè)計方案采用了兩層透鏡，雖然能對光通量分布有良好控制，但是兩層透鏡的透過率損失始終較大。另外，要獲得較理想的平行光，焦點的對準(zhǔn)很重要，但LED自射帶有的裝透鏡，使實際發(fā)光不在晶片所在位置。因此，要得到理想的設(shè)計效果，發(fā)光點位置的確定很重要。
其次，對于發(fā)光角度較大的LED，若用菲涅耳透鏡作為準(zhǔn)直系統(tǒng)的話，建議在邊緣部位采用內(nèi)部全反射（TIR）結(jié)構(gòu)。因為，對于菲涅耳透鏡，越靠近邊緣，光線入射至透鏡的角度越大，反射損失成分也越大，若采用TIR結(jié)構(gòu)（如圖10所示），可使入射角度接近00，大大減少了透鏡邊緣光的反射損失，有利于使透鏡呈現(xiàn)均勻照亮的外觀。
 

圖10 帶有TIR結(jié)構(gòu)的透鏡示意 
五、結(jié)論
LED作為一種新型的光源，其潛在的應(yīng)用價值正受到人們越來越多的關(guān)注，因此LED的二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計也日益受到人們的重視。本文介紹的工作是在這一領(lǐng)域里的嘗試。我們將進一步開展這方面的研究開發(fā)工作，設(shè)計出更為高效的光學(xué)系統(tǒng)。