1、 用顏色指示電壓的“彩虹”LED信號指示器
圖1所示電路由IC1和IC2組成LED監(jiān)測模擬電壓電平電路，IC1為Microchip公司的PIC12F675微控制器，IC2為Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC2在一個封裝內裝有3塊超亮度LED芯片（紅、綠、藍）。調節(jié)LED驅動器的占空比，就可以顯示出可見光譜中所有可見顏色，其中包括白光。將PicBasic Pro編譯器的PIC程序加到IC1的引用③上，將0~5V輸入電壓轉換成一個與包含一定數(shù)量紅、藍和綠光的某一顏色相對應的8位數(shù)字信號。
圖1 LED監(jiān)測模擬電壓電平電路
在一個脈寬調制（PWM）信號的控制下，每只LED的發(fā)光時間都與其相應的紅光、綠光或藍光量成正比。如圖2所示，一塊LED芯片在每幀14步時間間隔內通電。雖然并非所有的LED都必須同時發(fā)光，但是人眼的慢響應將三只LED的光輸出綜合起來，會產(chǎn)生一種正比于占空比的強度變化的錯覺。PIC程序中的RGB編碼功能假定IC1的模擬輸入具有2.5V的零信號偏移，使所有LED都不發(fā)光。冷色（藍、紫和綠）表示輸入電壓為0~2.5V；暖色（紅、橙、黃和白）表示輸入電壓為2.5~5V�？赏ㄟ^改變RGB編碼表中的基色比例來產(chǎn)生不同的調色板。
圖2 LED顯示色彩圖
2、 LED信號燈的二次光學設計
（1） 信號燈基本光學系統(tǒng)
傳統(tǒng)的交通信號燈采用白熾燈作為光源，其燈具的基本光學結構可視為由光源、反射器及用于形成光分布的透鏡組成，如圖3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他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，然后用有色透鏡的外罩對光束進行偏折、擴散，產(chǎn)生期望的光分布和顏色。
一般單只LED發(fā)出的光能量較小，一個交通信號燈往往需要幾十只至幾百只LED。隨著LED技術的發(fā)展，單只LED的流明數(shù)不斷提高，一個燈具內使用的LED數(shù)目明顯減少。例如，目前飛利浦公司生產(chǎn)的一款交通信號燈僅用了10只LED，目前廣泛使用的LED交通信號燈通常使用100~300只LED，基本均勻分布于整個發(fā)光面上，每只LED對應一個或一組透鏡單元。
圖3 傳統(tǒng)交通信號燈的基本光學結構
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，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(chǎn)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(chǎn)生滿足標準要求的光分布，如圖4所示。
圖4 LED交通信號結構示例
（2） 光通量
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(xiàn)為H-V系統(tǒng)內的光強分布，見表1。因此，可以根據(jù)下式計算出達到標準要求的最小光通量：
（1）
式中：φi 為第i個立體角區(qū)域內的光通量；Ii為第i個立體角區(qū)域內要求的（平均）光強；Hi+1/2、Hi-1/2、Vi+1/2、Vi-1/2為第i個立體角區(qū)域的水平角和垂直角的邊界。
按式（1）計算所得的光通量是一個理想值，實際上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，這樣得到的才是實際要求光通量的估量值。
LED的光強分布通常是旋轉對稱的，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的光分布（如圖5所示），由下式計算單只LED所發(fā)出的光通量：
（2）
式中：Ij為第j個環(huán)帶區(qū)域內的平均光強；θj-1/2、θj+1/2為第j個環(huán)帶區(qū)域的邊界。
同樣，在這里計算得到也是一個理想值，需考慮溫度影響、有效利用率等因素進行修正。利用兩個修正后的光通量可以估算出要用的LED的數(shù)目。
圖5 LED的光強分布
3、 透鏡單元
為了能實現(xiàn)對光通量更有效的利用，先用校直系統(tǒng)將LED發(fā)出的光校正為平行光。通常所用的凸面透鏡的曲率半徑為
1/r1-1/r2=1/f×(nL-1) （3）
式中：f為透鏡焦距；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為透鏡材料的折射率。
對于同樣尺寸、同樣焦距的凸透鏡和菲涅耳透鏡而言，其厚度可以相差很大，如圖6所示。并且隨著透鏡尺寸的增加，其厚度的差距也在增大。透鏡越厚，意味著光在經(jīng)過透鏡的過程中損失得越多，并且計算中用薄透鏡近似而引入的誤差也越大。
圖6 菲涅耳透鏡與凸透鏡厚度比較
菲涅耳透鏡如圖7所示，其實它是一種“大孔徑”的消球差透鏡，其光學作用和普通凸透鏡相同，但比凸透鏡薄，重量輕。設計時選用的菲涅耳透鏡環(huán)數(shù)越多，越有助于減小球差和透鏡厚度，使光斑更均勻。
圖7 菲涅耳透鏡的形成
在設計中采用透鏡對平行光束進行擴散處理來滿足標準的要求。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(chǎn)生均勻的外觀效果。在每個小單元中，采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，柱面透鏡的曲率半徑為
r=(b×n2-2ncosδ+1)/(2sinδ) (4)
式中：r為柱面透鏡的曲率半徑；b為單元的寬度；n為透鏡材料的折射率；δ為期望的半擴散角度，如圖8所示。
圖8 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的發(fā)散角度α，因此，若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(jù)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�？煽紤]用楔形透鏡將光向下偏折，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9所示。也可采用橢球面或輪胎面等具有水平和垂直兩個方向的弧度的結構，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分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圓弧，產(chǎn)生向下擴散的效果，如圖10所示。
圖9 單元透鏡示例
圖10 有雙向曲率透鏡的示意圖
采用兩層透鏡雖然能對光通量分布有良好的控制，但是兩層透鏡的透過率損失較大。另外，要獲得較理想的平行光，焦點的對準很重要。因LED自身帶有的透鏡使實際發(fā)光不在晶片所在位置，所以，要得到理想的設計效果，發(fā)光點位置的確定很重要。
對于發(fā)光角度較大的LED，若用菲涅耳透鏡作為準直系統(tǒng)的話，應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11所示），可使入射角度接近0°，大大減少了透鏡邊緣光的反射損失，有利于使透鏡呈現(xiàn)均勻照亮的外觀。
圖11 帶有TIR結構的透鏡示意圖
4、 兩種信號燈光度性能分析
現(xiàn)有信號燈光學結構是由內梯菲涅耳透鏡、外梯菲涅耳透鏡與白熾燈組成。燈泡發(fā)出的總光束的一部分經(jīng)透鏡組折射后，成為近似平行光投向遠方，成為有效光束，光通量為φ1，按下式計算：
φ1=φ×η1 ×τ1×τ2 （5）
式中：φ1為信號燈的有效光通量（lm）；φ為燈泡發(fā)出的總光通量（lm），鐵道行業(yè)標準規(guī)定鐵路信號燈的光通量不低于285lm，實際產(chǎn)品要高于這個數(shù)值，這里按300lm來計算：η1為透鏡組的光利用系數(shù)，燈泡發(fā)出的總光通量中只有被透鏡組所包含立體角內的光才被利用，鐵路信號燈透鏡組對燈泡含的立體角為4.4sr，與燈泡發(fā)光總立體角（4π減去燈頭遮光部分的立體角）之比為0.36，此值即為透鏡組的光束利用率；τ1為顏色透鏡的光透射比，鐵道行業(yè)標準規(guī)定紅色透鏡的光透射比為8%，實際可以達到11%；τ2為無色透鏡的光透射比，鐵道行業(yè)標準規(guī)定無色透鏡的光透射比不得低于90%。
將上述各數(shù)值代入式（5），計算出紅色鐵路信號燈的有效光通量為10.7lm。
LED信號燈由多只LED與聚光透鏡陣列組成，LED的數(shù)量為數(shù)十只到一百多只，單元透鏡的直徑為13~15mm。LED信號燈的有效光通量φLED1可按下式計算：
φLED1=φLED×（1-αt）×(1-β)×τ3×τ4 （6）
式中：φLED1為LED信號燈的有效光通量（lm）；φLED為LED發(fā)出的總光通量（lm），單只LED的光通量由發(fā)光強度分布曲線利用球帶系數(shù)法計算，再乘以LED數(shù)量得到總光通量，也可以從LED的功率乘以光效得到，100只紅光LED的總光通量為240lm；αt為溫度影響系數(shù)，LED的光效率隨溫度升高而降低，不同顏色的αt值不相同，在環(huán)境溫度為50℃的條件下紅光LED的αt值為：0.30；β為光束溢出損失系數(shù)，2002年《照明工程學報》提出了“光束溢出損換”的概念，LED發(fā)出的光束有一部分射不到各自的聚光透鏡上，不能形成有效光束，β值取0.25；τ3為無色陣列透鏡的光透射比，取0.85；τ4為無色保護玻璃的光透射比，取0.9。
將上述各數(shù)值代入式（6），計算出紅光LED鐵路信號燈的有效光通量為96.4lm。白熾燈泡的光譜是連續(xù)光譜，通過有色透鏡發(fā)出的色光的光譜也是連續(xù)光譜。LED的光譜線較窄，顏色較純，特別是紅、綠、藍光，顏色鮮艷，有利于辨認信號。但是選擇黃光或白光LED時需要注意，黃色不能偏紅，白色不能偏藍，否則會與紅色或藍色相混淆，超出鐵道行業(yè)標準要求的顏色范圍。
