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摘 要 o_G.J4 V 5jjJQ' 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。 ?on3z @&M$`b ^ 一、引言 6K<vyr40 >J8?n,* LED(Light Emitting Diode)从二十世纪六十年代问世以来,已有30多年的发展历史。随着近几看半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高,其光效从最初不到1lm/W,发展至今红色、橙色为100lm/W和绿色50lm/W,已大大超过了传统的白炽灯。同时,LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好等优点。因此,LED的应用已不仅仅限于信号指示光源,而已逐步从室内走向诸如交通信号灯、车灯、户外屏等室外应用领域。 'Y"q=@Ei9 `C!Pe84( 二、信号灯基本光学系统 6 'wP?= *2@q=R-1 以信号灯为例。传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,其灯具基本光学构成可视为:光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成(如图1所示)。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间,因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来,投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器,形成近似于平行的光束,然后用有色还透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生期望的光分布和颜色。 T\cdtjk 9U;) [R Mb cIgFSwQ4 HDy[/7" 图1 白炽灯交通信号灯结构示例 y5R6/*;N. 45-pJf8F 一般,单颗LED发出的光能量较小,一个交通信号灯往往需要几十至几百颗LED。随着LED技术的发展,单颗LED流明数的提高,一个灯具内使用的LED数目会明显减少。例如目前飞利浦的一款交通信号灯仅用了十颗左右LED,此类灯具的光学结构与本文所讨论的有所不同。目前广泛使用的LED交通信号灯,通常用100-300颗LED,基本均匀分布于整个发光面上,每颗LED对应一个或一组透镜单元。 ,[Ytl pCg0xbc` 由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,反射器就不再是必要的光学组件,而往往用透镜作为准直光学组件。例如,用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后,用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足标准要示诉光分布(如图2所示)。 '-v~HwC+/T aMj3ov8p D@j `'&G ;2X1 qw> 图2 LED交通信号灯结构示例 t~bjD V^` m$O@+;>l 三、设计思想 (cCB3n\20 TAGqRYgi 1.光通量的估算 LL,~&5{ ke/o11LP 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: FNm8j#c~Q EI f~>AI dB1bf2'b# 其中Φi--第i个立体角区域内的光通量 'vCFT(C- M=!x0V ; Ii--第i个立体角区域内要求的(平均)光强 0c`wJktWK ~i(*.Z) \ 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 _|s{G 3[ Z? `X 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。 I=lA7} OY@/18D<> f:BW{Cij;y lual'~ 图3 LED交通信号灯国家标准(送审稿)光分布要求 Zo&U3b{Dy CP={|]>+S 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) Li7/pUq>}! Q04N 5qFqH 其中Ij--第j个环带区域内平均光强 `Y'}\>.# 5$9j&&R θj-1/2 ,θ j-1/2(2)--第j个环带区域的边界 p- Q1abl xEZvCwsb 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。 ,>e<mphM vmk c]DC 利用两个修正后的光能量可以估算出要用的LED的数目。 G2e m>W_n (s\Nm_j 3tgct <" ;H}?8L 图4 LED光强分布示例 R2r0'Yx G:A` n;E0 2.透镜单元 "S6d^ *!B,|]wq= 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) ! WQEv_G@ EpPKo 1/r1-1/r2=1/f*(nl-1) [dUW3}APV $e0sa=/ 其中f-透镜焦距 4S+P]U*jW ! 5 ]/2 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 6LUB3;g7 M<