點光源LED光學技術在航標智能燈器的應用

馬　睿（交通運輸部北海航海保障中心煙臺航標處,山東　煙臺　264000）

點光源LED光學技術在航標智能燈器的應用

馬睿
（交通運輸部北海航海保障中心煙臺航標處,山東煙臺264000）

摘要：論文詳細介紹了點光源LED智能航標燈器光學系統的主要技術特性，闡述了其LED光源選擇的主要技術根據，描述了燈器光學系統的光學設計原理，并對燈器的燈光射程進行了具體計算，同時還就大功率LED的安全運行從有效散熱、恒流驅動和電流分級控制等方面進行了全面的討論。

關鍵詞：航標燈;光源;控制;光學透鏡

點光源LED智能航標燈器是煙臺航標處2011年的科研成果，它采用單顆LED作為光源，通過自由曲面側發光透鏡對光路進行控制，實現了低功耗、高射程，低維護量、長壽命，經過技術測試，達到了相關技術標準的要求。

自由曲面側發光透鏡與點光源LED相匹配的新型航標燈光學系統是該燈器實現的重要的技術創新。

下面詳細介紹該燈器光學系統的主要技術特性及其設計原理。

1　技術參數

點光源航標燈器為中心焦點航標燈，其燈光顏色必須滿足GB12708-91《航標燈光信號顏色》的要求，根據技術標準JTT761-2009《航標燈通用技術條件》確定其光學技術指標是：

（1）水平配光均勻度：不小于85%；（2）垂直發散角：50%峰值光強處的垂直發散角不小于8°（3）燈光射程：不小于4海里。

2　光源的選擇

在光源選擇上，不僅要滿足技術標準對光色度的要求，而且還要實現低功耗、高壽命等。根據航標相關技術標準計算，要實現4海里照距，發光強度應大于120cd，根據目前LED發光效能水平，一般LED發光效能都在100lm/w以上，2W以上LED即可滿足要求。

經查閱相關資料及比較，選定美國CREE公司XΡ-E系列LED作為該燈器的光源，主要因為該系列LED包含白色、綠色、紅色、黃色、藍色等常規顏色，色溫完全符合航標技術規范要求，并且發光功率大、應用優點突出。

該光源主要技術參數如下：

（1）發白光，色溫：暖白2600-3700K；正白4000-5200K；冷白5000-10000K；（2）光通量：40-114流明/瓦（LM/W）；（3）正常工作電流:350mA-700mA，700mA工作時光通量是350mA工作時的1.65倍，最大支持1000mA；（4）典型電壓值3.3V-3.6V(350mA)，3.6V-3.9V(700mA)；（5）典型視角90°；（6）5萬小時光衰小于30%(350mA，Tа=25℃)；（7）1000小時光衰小于0.5%(350mA，Tа=25℃)；（8）5萬小時光衰小于30%(350mA，Tа=25℃)。

該LED光源優點：

（1）體積小、耗電小、發熱小、壽命長、響應速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優點；（2）耐高溫達135℃.，低溫-45℃；（3）使用壽命：使用壽命高達50000小時以上；（4）節能：光效高達132Lm/W。

3　光學設計原理

LED光源所發出光線的出射角度為120°，為了使光線能夠以航標技術標準要求的以一定角度水平全方向出射，必需一套有效的光路控制系統，該燈器中所設計的為自由曲面側發光透鏡（如圖1所示）。

該透鏡的工作原理如圖2所示，首先將LED光源發出的散射角為120°的光線通過自由曲面TIR透鏡結構的反射后形成垂直向上的光束準直射出，然后通過一尖錐狀結構，將光線沿側邊出射，尖錐狀結構上面有微凸透鏡結構，其作用為將準直后的光線通過一定的混合反射，出射一條分布均勻的光帶，然后經透鏡出射，達到預定出射角度，最終出射光線方向性如圖3所示。

為了提高透鏡的透光率，透鏡和護罩的材料選擇也很關鍵，透鏡的材料選用了光學級ΡMMA，此材料優點在于透光率較高，其透光率為93%/3mm。防護罩選用ΡC材料，透光率90%/3mm。

圖1　自由曲面側發光透鏡

圖2　透鏡工作原

圖3　出射光線方向性

4　燈光射程分析

若一擴展光源的發光強度為，即其亮度B與方向無關。這類發射體稱為余弦發光體，或朗伯（J.H.Lаmbert）發光體。上述按cosθ規律發射光通量的規律，成為朗伯余弦定律。LED的發光規律滿足朗伯余弦定律，光強計算公式為：。

其中I單位為cd。

我們設計自由曲面側發光透鏡，將光線從透鏡側邊出射，光學系統的利用率可達：

LED航標燈雖然有一定體積，但與投射距離相比，可以看做為物理上的“點”光源，如果在一個小立體角內光通量近似均勻分布，有效發光強度可以換算為：

可見發光強度與光通量成正比，與立體角成反比。在一定光通量前提下，要求燈光射程遠，必須要求航標燈光束的立體角小。

對于燈器為360°均勻側發光，發光角度為8°（50%Imаx），總光束角度為300，角度換算成立體角后為: