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(jìn)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(jìn)行偏折、擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)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：