LED信号指示器
1、
用颜色指示电压的“彩虹”LED信号指示器
图1所示电路由IC1和IC2组成LED监测模拟电压电平电路，IC1为Microchip公司的PIC12F675微控制器，IC2为Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC2在一个封装内装有3块超亮度LED芯片（红、绿、蓝）。调节LED驱动器的占空比，就可以显示出可见光谱中所有可见颜色，其中包括白光。将PicBasic Pro编译器的PIC程序加到IC1的引用③上，将0~5V输入电压转换成一个与包含一定数量红、蓝和绿光的某一颜色相对应的8位数字信号。
在一个脉宽调制（PWM）信号的控制下，每只LED的发光时间都与其相应的红光、绿光或蓝光量成正比。如图2所示，一块LED芯片在每帧14步时间间隔内通电。虽然并非所有的LED都必须同时发光，但是人眼的慢响应将三只LED的光输出综合起来，会产生一种正比于占空比的强度变化的错觉。PIC程序中的RGB编码功能假定IC1的模拟输入具有2.5V的零信号偏移，使所有LED都不发光。冷色（蓝、紫和绿）表示输入电压为0~2.5V；暖色（红、橙、黄和白）表示输入电压为2.5~5V。可通过改变RGB编码表中的基色比例来产生不同的调色板。
2、 LED信号灯的二次光学设计
（1）
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，其灯具的基本光学结构可视为由光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成，如图3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。
一般单只LED发出的光能量较小，一个交通信号灯往往需要几十只至几百只LED。随着LED技术的发展，单只LED的流明数不断提高，一个灯具内使用的LED数目明显减少。例如，目前飞利浦公司生产的一款交通信号灯仅用了10只LED，目前广泛使用的LED交通信号灯通常使用100~300只LED，基本均匀分布于整个发光面上，每只LED对应一个或一组透镜单元。
由于某些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4所示。
（2）
光通量
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，见表1。因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量：
（1）
式中：φi 为第i个立体角区域内的光通量；Ii为第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为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。
按式（1）计算所得的光通量是一个理想值，实际上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，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。
LED的光强分布通常是旋转对称的，因此，可以根据生产厂家给出的光分布（如图5所示），由下式计算单只LED所发出的光通量：
（2）
式中：Ij为第j个环带区域内的平均光强；θj-1/2、θj+1/2为第j个环带区域的边界。
同样，在这里计算得到也是一个理想值，需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。
3、
透镜单元
为了能实现对光通量更有效的利用，先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为
1/r1-1/r2=1/f×(nL-1) （3）
式中：f为透镜焦距；r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径，当该表面为平面时，曲率半径为无穷大；nL为透镜材料的折射率。
对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言，其厚度可以相差很大，如图6所示。并且随着透镜尺寸的增加，其厚度的差距也在增大。透镜越厚，意味着光在经过透镜的过程中损失得越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。
菲涅耳透镜如图7所示，其实它是一种“大孔径”的消球差透镜，其光学作用和普通凸透镜相同，但比凸透镜薄，重量轻。设计时选用的菲涅耳透镜环数越多，越有助于减小球差和透镜厚度，使光斑更均匀。
在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元，用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，柱面透镜的曲率半径为
r=(b×n2-2ncosδ+1)/(2sinδ) (4)
式中：r为柱面透镜的曲率半径；b为单元的宽度；n为透镜材料的折射率；δ为期望的半扩散角度，如图8所示。
在确定扩散角度时，应考虑平行光束可能会有一不定期的发散角度α，因此，若要求灯具总扩散角度为50°，则应该取2δ=50°-α，否则可能会导致扩散角度过大。
根据标准，在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求，且基本是在水平面之下。可考虑用楔形透镜将光向下偏折，并借助于模拟软件，使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图9所示。也可采用椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度的结构，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要求分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圆弧，产生向下扩散的效果，如图10所示。
对于发光角度较大的LED，若用菲涅耳透镜作为准直系统的话，应在边缘部位采用内部全反射（TIR）结构。因为，对于菲涅耳透镜，越靠近边缘，光线入射至透镜的角度越大，反射损失成分也越大。若采用TIR结构（如图11所示），可使入射角度接近0°，大大减少了透镜边缘光的反射损失，有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。
4、
两种信号灯光度性能分析
现有信号灯光学结构是由内梯菲涅耳透镜、外梯菲涅耳透镜与白炽灯组成。灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后，成为近似平行光投向远方，成为有效光束，光通量为φ1，按下式计算：
φ1=φ×η1 ×τ1×τ2 （5）
式中：φ1为信号灯的有效光通量（lm）；φ为灯泡发出的总光通量（lm），铁道行业标准规定铁路信号灯的光通量不低于285lm，实际产品要高于这个数值，这里按300lm来计算：η1为透镜组的光利用系数，灯泡发出的总光通量中只有被透镜组所包含立体角内的光才被利用，铁路信号灯透镜组对灯泡含的立体角为4.4sr，与灯泡发光总立体角（4π减去灯头遮光部分的立体角）之比为0.36，此值即为透镜组的光束利用率；τ1为颜色透镜的光透射比，铁道行业标准规定红色透镜的光透射比为8%，实际可以达到11%；τ2为无色透镜的光透射比，铁道行业标准规定无色透镜的光透射比不得低于90%。
将上述各数值代入式（5），计算出红色铁路信号灯的有效光通量为10.7lm。
LED信号灯由多只LED与聚光透镜阵列组成，LED的数量为数十只到一百多只，单元透镜的直径为13~15mm。LED信号灯的有效光通量φLED1可按下式计算：
φLED1=φLED×（1-αt）×(1-β)×τ3×τ4 （6）
式中：φLED1为LED信号灯的有效光通量（lm）；φLED为LED发出的总光通量（lm），单只LED的光通量由发光强度分布曲线利用球带系数法计算，再乘以LED数量得到总光通量，也可以从LED的功率乘以光效得到，100只红光LED的总光通量为240lm；αt为温度影响系数，LED的光效率随温度升高而降低，不同颜色的αt值不相同，在环境温度为50℃的条件下红光LED的αt值为：0.30；β为光束溢出损失系数，2002年《照明工程学报》提出了“光束溢出损换”的概念，LED发出的光束有一部分射不到各自的聚光透镜上，不能形成有效光束，β值取0.25；τ3为无色阵列透镜的光透射比，取0.85；τ4为无色保护玻璃的光透射比，取0.9。
用颜色指示电压的“彩虹”LED信号指示器
图1所示电路由IC1和IC2组成LED监测模拟电压电平电路，IC1为Microchip公司的PIC12F675微控制器，IC2为Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC2在一个封装内装有3块超亮度LED芯片（红、绿、蓝）。调节LED驱动器的占空比，就可以显示出可见光谱中所有可见颜色，其中包括白光。将PicBasic Pro编译器的PIC程序加到IC1的引用③上，将0~5V输入电压转换成一个与包含一定数量红、蓝和绿光的某一颜色相对应的8位数字信号。
图1 LED监测模拟电压电平电路
在一个脉宽调制（PWM）信号的控制下，每只LED的发光时间都与其相应的红光、绿光或蓝光量成正比。如图2所示，一块LED芯片在每帧14步时间间隔内通电。虽然并非所有的LED都必须同时发光，但是人眼的慢响应将三只LED的光输出综合起来，会产生一种正比于占空比的强度变化的错觉。PIC程序中的RGB编码功能假定IC1的模拟输入具有2.5V的零信号偏移，使所有LED都不发光。冷色（蓝、紫和绿）表示输入电压为0~2.5V；暖色（红、橙、黄和白）表示输入电压为2.5~5V。可通过改变RGB编码表中的基色比例来产生不同的调色板。
图2 LED显示色彩图
2、 LED信号灯的二次光学设计
（1）
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，其灯具的基本光学结构可视为由光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成，如图3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。
一般单只LED发出的光能量较小，一个交通信号灯往往需要几十只至几百只LED。随着LED技术的发展，单只LED的流明数不断提高，一个灯具内使用的LED数目明显减少。例如，目前飞利浦公司生产的一款交通信号灯仅用了10只LED，目前广泛使用的LED交通信号灯通常使用100~300只LED，基本均匀分布于整个发光面上，每只LED对应一个或一组透镜单元。
图3 传统交通信号灯的基本光学结构
由于某些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4所示。
图4 LED交通信号结构示例
（2）
光通量
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，见表1。因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量：
（1）
式中：φi 为第i个立体角区域内的光通量；Ii为第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为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。
按式（1）计算所得的光通量是一个理想值，实际上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，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。
LED的光强分布通常是旋转对称的，因此，可以根据生产厂家给出的光分布（如图5所示），由下式计算单只LED所发出的光通量：
（2）式中：Ij为第j个环带区域内的平均光强；θj-1/2、θj+1/2为第j个环带区域的边界。
同样，在这里计算得到也是一个理想值，需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。
图5 LED的光强分布
3、
透镜单元
为了能实现对光通量更有效的利用，先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为
1/r1-1/r2=1/f×(nL-1) （3）
式中：f为透镜焦距；r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径，当该表面为平面时，曲率半径为无穷大；nL为透镜材料的折射率。
对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言，其厚度可以相差很大，如图6所示。并且随着透镜尺寸的增加，其厚度的差距也在增大。透镜越厚，意味着光在经过透镜的过程中损失得越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。
图6 菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较
菲涅耳透镜如图7所示，其实它是一种“大孔径”的消球差透镜，其光学作用和普通凸透镜相同，但比凸透镜薄，重量轻。设计时选用的菲涅耳透镜环数越多，越有助于减小球差和透镜厚度，使光斑更均匀。
图7 菲涅耳透镜的形成
在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元，用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，柱面透镜的曲率半径为
r=(b×n2-2ncosδ+1)/(2sinδ) (4)
式中：r为柱面透镜的曲率半径；b为单元的宽度；n为透镜材料的折射率；δ为期望的半扩散角度，如图8所示。
图8 柱面透镜示意图
在确定扩散角度时，应考虑平行光束可能会有一不定期的发散角度α，因此，若要求灯具总扩散角度为50°，则应该取2δ=50°-α，否则可能会导致扩散角度过大。
根据标准，在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求，且基本是在水平面之下。可考虑用楔形透镜将光向下偏折，并借助于模拟软件，使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图9所示。也可采用椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度的结构，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要求分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圆弧，产生向下扩散的效果，如图10所示。
图9 单元透镜示例
图10 有双向曲率透镜的示意图
采用两层透镜虽然能对光通量分布有良好的控制，但是两层透镜的透过率损失较大。另外，要获得较理想的平行光，焦点的对准很重要。因LED自身带有的透镜使实际发光不在晶片所在位置，所以，要得到理想的设计效果，发光点位置的确定很重要。
对于发光角度较大的LED，若用菲涅耳透镜作为准直系统的话，应在边缘部位采用内部全反射（TIR）结构。因为，对于菲涅耳透镜，越靠近边缘，光线入射至透镜的角度越大，反射损失成分也越大。若采用TIR结构（如图11所示），可使入射角度接近0°，大大减少了透镜边缘光的反射损失，有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。
图11 带有TIR结构的透镜示意图
4、
两种信号灯光度性能分析
现有信号灯光学结构是由内梯菲涅耳透镜、外梯菲涅耳透镜与白炽灯组成。灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后，成为近似平行光投向远方，成为有效光束，光通量为φ1，按下式计算：
φ1=φ×η1 ×τ1×τ2 （5）
式中：φ1为信号灯的有效光通量（lm）；φ为灯泡发出的总光通量（lm），铁道行业标准规定铁路信号灯的光通量不低于285lm，实际产品要高于这个数值，这里按300lm来计算：η1为透镜组的光利用系数，灯泡发出的总光通量中只有被透镜组所包含立体角内的光才被利用，铁路信号灯透镜组对灯泡含的立体角为4.4sr，与灯泡发光总立体角（4π减去灯头遮光部分的立体角）之比为0.36，此值即为透镜组的光束利用率；τ1为颜色透镜的光透射比，铁道行业标准规定红色透镜的光透射比为8%，实际可以达到11%；τ2为无色透镜的光透射比，铁道行业标准规定无色透镜的光透射比不得低于90%。
将上述各数值代入式（5），计算出红色铁路信号灯的有效光通量为10.7lm。
LED信号灯由多只LED与聚光透镜阵列组成，LED的数量为数十只到一百多只，单元透镜的直径为13~15mm。LED信号灯的有效光通量φLED1可按下式计算：
φLED1=φLED×（1-αt）×(1-β)×τ3×τ4 （6）
式中：φLED1为LED信号灯的有效光通量（lm）；φLED为LED发出的总光通量（lm），单只LED的光通量由发光强度分布曲线利用球带系数法计算，再乘以LED数量得到总光通量，也可以从LED的功率乘以光效得到，100只红光LED的总光通量为240lm；αt为温度影响系数，LED的光效率随温度升高而降低，不同颜色的αt值不相同，在环境温度为50℃的条件下红光LED的αt值为：0.30；β为光束溢出损失系数，2002年《照明工程学报》提出了“光束溢出损换”的概念，LED发出的光束有一部分射不到各自的聚光透镜上，不能形成有效光束，β值取0.25；τ3为无色阵列透镜的光透射比，取0.85；τ4为无色保护玻璃的光透射比，取0.9。
将上述各数值代入式（6），计算出红光LED铁路信号灯的有效光通量为96.4lm。白炽灯泡的光谱是连续光谱，通过有色透镜发出的色光的光谱也是连续光谱。LED的光谱线较窄，颜色较纯，特别是红、绿、蓝光，颜色鲜艳，有利于辨认信号。但是选择黄光或白光LED时需要注意，黄色不能偏红，白色不能偏蓝，否则会与红色或蓝色相混淆，超出铁道行业标准要求的颜色范围。
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