摘 要：随着人们逐渐认识发光二极管（ＬＥＤ）低功耗、长寿命、高光通利用率等优点，ＬＥＤ已开始取代传统白炽灯，成为交通信号灯产品的主要光源。由于ＬＥＤ的光输出通常分布在一个较小的立体角范围内，在水平面以下的光分布与交通信号灯的相关标准大致相同。因此，如何应用光学分布技术进行产品设计，使产品出射光分布均匀，避免产生暗区是文章着重研究的课题。
随着人们对发光二极管（ＬＥＤ）低功耗、长寿命、高光通利用率等优点的逐步认识，ＬＥＤ已开始取代传统白炽灯，成为交通信号灯产品的主要光源。而信号灯的光学系统也随之发生了变化。由于ＬＥＤ的光输出通常分布在一个较小的立体角范围内，在水平面以下的光分布与交通信号灯的相关标准大致相同。因此，目前大多数ＬＥＤ交通信号灯，不加任何透镜而利用ＬＥＤ自身光分布，或者只是利用小反射腔来适当收集大角度的光通，这些方法都使水平面以上的光通量被浪费，并且可能产生可视角度不够大等缺点。另外，若采用简单棱镜来分配光通量，可能会使出射光分布不均匀，从而产生暗区。
文章论述了上海澳星照明电器制造有限公司根据市场需求，结合实际产品使用要求，应用高亮度ＬＥＤ的光学分布技术进行了专门的技术研究与相关产品开发，产品经测试和使用，其光学转换效率及各项技术指标均达到或超过国内同类产品技术水平，经中科院上海文献情报中心检索，项目技术已经达到国内领先水平及国际先进水平。
１、交通信灯号产品的设计思想
１．１、交通信号灯基本光学系统
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他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。
随着ＬＥＤ技术的发展，单颗ＬＥＤ流明数的不断提高，一个灯具内使用的ＬＥＤ数目会明显减少。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。
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，产生满足标准要求的光分布（如图２所示）。
１．２ 交通信号灯基本光学系统设计思想
1.2.1 光通量的估算
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。我们设计的依据为最新的国家标准，如表１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：
Φ＝Φ＝Ｉ·（ｓｉｎＨ－ｓｉｎＨ）·（Ｖｉ＋－Ｖｉ－）
其中Φｉ——第ｉ个立体角区域内的光通量
Ｉｉ——第ｉ个立体角区域内要求的（平均）光强
Ｈｉ＋１／２，Ｈｉ－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
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。
下一步是要估算单个ＬＥＤ发出的光通量。通常交通信号灯中采用的是Φ５ｍｍＬＥＤ，此类ＬＥＤ生产厂家一般都给出了如图３所示的光强分布和最大中心光强值。
利用下式可以计算所用ＬＥＤ的光通量：
Φ＝２πＩ·（ｃｏｓθ－ｃｏｓθ）
根据上述计算可以得到光能量，经过修正可以估算出要用的ＬＥＤ的数目。目前，澳星生产的ＬＥＤ交通信号灯就是利用上述结论进行ＬＥＤ个数估算，例如澳星生产的３００ｍｍ的交通灯采用了１２１颗ＬＥＤ。
１．３ 透镜单元
为了能实现对光通量更有效的利用，产品设计中应先用准直系统，将ＬＥＤ发出的光校正为平行光。
同时灯具采用单凸透镜，凸面的曲率半径用下面的公式计算：
１／ｒ１－１／ｒ２＝１／ｆ（ｎ１－１）
其中ｆ－透镜焦距
ｒ１，ｒ２－分别为透镜两表面的曲率半径。当某表面为平面时，曲率半径为无穷大。
ｎｌ－透镜材料的折射率
需要用透镜将平行光束进行扩散处理，来满足标准的要求。为使光学效果更加合理，设计中应将灯具外罩分割成矩形小单元，这样做的目的在于打碎光波的波面，使产品产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用椭球面，因为该面具有水平和垂直两个方向的弧度，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般
