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0431-81702023
光學工程
LED信號燈二次光學設計

摘要:LED的應用范圍日趨廣泛,其相應的二鎰光學設計也越來越顯出重要性。本文介紹了一種光學設計的思路和方法。 
一、引言
      LED(Light Emitting Diode)從二十世紀六十年代問世以來,已有30多年的發展歷史。隨著近幾看半導體芯片技術的不斷改進及封裝技術的迅速提高,其光效從最初不到1lm/W,發展至今紅色、橙色為100lm/W和綠色50lm/W,已大大超過了傳統的白熾燈。同時,LED具有體積小、重量輕、耗能少、壽命長、響應時間短及抗震性能好等優點。因此,LED的應用已不僅僅限于信號指示光源,而已逐步從室內走向諸如交通信號燈、車燈、戶外屏等室外應用領域。
二、信號燈基本光學系統
      以信號燈為例。傳統的交通信號燈采用白熾燈作為光源,其燈具基本光學構成可視為: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,產生期望的光分布和顏色。


圖1 白熾燈交通信號燈結構示例 
       一般,單顆LED發出的光能量較小,一個交通信號燈往往需要幾十至幾百顆LED。隨著LED技術的發展,單顆LED流明數的提高,一個燈具內使用的LED數目會明顯減少。例如目前飛利浦的一款交通信號燈僅用了十顆左右LED,此類燈具的光學結構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光面上,每顆LED對應一個或一組透鏡單元。
由于某些LED發出的光相對集中于一個較小的立體角范圍內,反射器就不再是必要的光學組件,而往往用透鏡作為準直光學組件。例如,用凸透鏡或菲涅耳透鏡產生平行光束。然后,用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴散、偏折產生滿足標準要示訴光分布(如圖2所示)。  


圖2 LED交通信號燈結構示例 
三、設計思想
1.光通量的估算
無論是歐洲的ECE、美國的ITE還是我國的國家標準,對于信號燈光分布的要求大多體現為H-V系統內的光強分布(如圖3所示)。因此,可以根據下式計算出達到標準要求的最小光通量:  

其中Φi--第i個立體角區域內的光通量。Ii--第i個立體角區域內要求的(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,實際要滿足標準要求的光分布,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交通信號燈國家標準(送審稿)光分布要求 
LED的光強分布通常是旋轉對稱的,因此,可以根據生產廠家給出的光分布(如圖4所示),由下式估算單顆LED所發出的光能量:(3)


其中Ij--第j個環帶區域內平均光強
θj-1/2 ,θ j-1/2(2)--第j個環帶區域的邊界
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的數目。


圖4 LED光強分布示例 
2.透鏡單元
為了能實現對光通量更有效的利用,我們先用準直系統,將LED發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,其光學作用和普通凸透鏡相當,但比凸透鏡薄、重量輕。雖然,設計時,菲涅耳透鏡環數越多,有助于減小球差和透鏡厚度,使光斑更均勻。設計時,環帶環數的選擇至關重要。 
 


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,來滿足標準的要求。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,應考慮平行光束可能會有一不定期h的發散角度α,因此,若我們要求燈具總擴散角度為50°,則應該取2δ=50°-α。否則可能會導致擴散角度過大。 
     根據標準,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。單元透鏡的結構如圖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到不同的擴散效果。由于交通信號燈的標準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,焦點的對準很重要,但LED自射帶有的裝透鏡,使實際發光不在晶片所在位置。因此,要得到理想的設計效果,發光點位置的確定很重要。
其次,對于發光角度較大的LED,若用菲涅耳透鏡作為準直系統的話,建議在邊緣部位采用內部全反射(TIR)結構。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結構(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,有利于使透鏡呈現均勻照亮的外觀。
 

圖10 帶有TIR結構的透鏡示意 
五、結論
     LED作為一種新型的光源,其潛在的應用價值正受到人們越來越多的關注,因此LED的二次光學系統設計也日益受到人們的重視。本文介紹的工作是在這一領域里的嘗試。我們將進一步開展這方面的研究開發工作,設計出更為高效的光學系統。



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