LED(发光二极管) 是近年来开发生产的一种新型光源,具有耗电小、亮度高、体积小、重量轻、寿命长、环保及响应速度快等优点,LED 光源已逐渐融入到我们的日常生活中。随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED 制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉) 的开发和应用,传统的道路交通信号灯所使用的白炽灯、低压卤钨灯已被LED光源替代。由于各种颜色的超高亮度LED 取得了突破性进展,大大的加强了对灯色的辨识性,以减少驾驶员因对交通状况的误判而导致的安全问题。然而由于LED 光源受其光线发散角的限制,当采用普通的透明灯罩时,无法达到亮度和辨识的最佳效果。

　　1 　传统的交通信号灯

　　传统的道路交通信号灯采用白炽灯作为光源,其基本光学结构由光源、反射器及用于改善光分布的透镜组成,如图1a 所示。

　　由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间的这个特点,因此需要采用反射器将各个方向的光会聚到一个方向,并投向要求的区域。通常道路交通信号灯采用抛物面反射镜,它能形成近似平行的光束,然后用带有色透镜的灯罩对光束进行偏折、扩散,产生所期望的光分布和颜色。在这种传统的信号灯结构中,反射镜是必不可少的,这就导致了传统的信号灯体积大,重量也大的缺陷,给加工和安装带来不便。

图1a 　传统交通信号灯结构示意图 1b 　V - H 坐标系统

　　由于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,而往往采用透镜作为准直光学组件,通过二次光学设计来对光束进行改善,从而达到所需要的效果。例如,用凸透镜或菲涅耳透镜可以产生平行光束。然后,用枕形透镜、楔形棱镜等可以使光束重新扩散、偏折产生满足标准要求的光分布。

　　2 　LED 交通信号灯的光学设计思路

　　2. 1 　光通量的估算

　　目前对交通信号灯光通量的计算使用最广泛的是V - H系统,图1b 为V - H 系统坐标图。角V 是通过照明器具中心轴的平面间的夹角,角H 在上述的平面中计算。

　　根据公式(1) 计算出总的光通量:

　　通过公式1 可以计算出LED 交通信号灯所需要的光通量,然而由于目前单个LED 还无法达到这一要求,故需要使

　　用多个LED 来满足使用的需要。而对于单LED 来说,其光学封装通常都是旋转对称的,则其光强分布可以采用带状常数积分法来计算。用图2 模拟LED 光通量的空间分布, m 表示在垂直光轴方向的球带等分数, n 表示光轴方向球带等分数。一般情况下,取m = n= 72;如图3 所示,δ表示某一水平环带的中点P 所对应的线OP 和光轴垂直方向的夹角。则单个LED 的光通量如下式: