LED交通信号灯的基本光学结构

文章摘要： 由于LED发出的光相对集中在一个较小的立体角范围内，LED交通信号灯不必再需要反射器。又由于LED本身发出的是色光，所以不需要有色配光镜来滤光。LED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，产生满足要求的光分布。如传统交通信号灯一样，LED交通信号灯也需要遮光罩，如图1所示。无论是欧洲ECE、美国ITE还是我国关于LED交通信号灯的国家标准（送审稿），对于信号灯的光分布，要求太多体现为H-V系统内的光强分布，如表1所示。图1LED交通信号灯结构示意图表1LED交通信号灯国家标准（送审稿）光强分布要求达到标准要求的最

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     由于LED发出的光相对集中在一个较小的立体角范围内，LED交通信号灯不必再需要反射器。又由于LED本身发出的是色光，所以不需要有色配光镜来滤光。LED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，产生满足要求的光分布。如传统交通信号灯一样，LED交通信号灯也需要遮光罩，如图1所示。

　　无论是欧洲ECE、美国ITE还是我国关于LED交通信号灯的国家标准（送审稿），对于信号灯的光分布，要求太多体现为H-V系统内的光强分布，如表1所示。

图1LED交通信号灯结构示意图

表1LED交通信号灯国家标准（送审稿）光强分布要求

　　达到标准要求的最小光通量可按式1计算：

　　式中：为第i个立体角区域内的光通量；Ii为第i个立体角区域内要求的（平均）光强；分别为第f个立体角区域的水平角和垂直角的边界。

　　按式1计算所得的光通量是一个理想值，实际上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，需要对进行修正，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。     ｜

　　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强分布（如图2所示）情况，由下式计算单只LED 所发出的光通量：

　　式中：Ij为第j个环带区域内的平均光强，为第j个环带区域的边界。

　　同样，在这里计算得到的也是一个理想值，需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。

图2 LED的光强分布

　　为了能实现对光通量更有效的利用，先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为：

     式中：f为透镜焦距；r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径，当该表面为平面时，曲率半径为无穷太；nL透镜材料的折射率。

　　对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言，其厚度可以相差很太，如图3所示；并且随着透镜尺寸的增加，其厚度的差距也在增太。透镜越厚，意味着光在经过透镜的过程中损失得越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。

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