點(diǎn)光源LED光學(xué)技術(shù)在航標(biāo)智能燈器的應(yīng)用

馬　睿（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心煙臺航標(biāo)處,山東　煙臺　264000）

點(diǎn)光源LED光學(xué)技術(shù)在航標(biāo)智能燈器的應(yīng)用

馬睿
（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心煙臺航標(biāo)處,山東煙臺264000）

摘要：論文詳細(xì)介紹了點(diǎn)光源LED智能航標(biāo)燈器光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)特性，闡述了其LED光源選擇的主要技術(shù)根據(jù)，描述了燈器光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)原理，并對燈器的燈光射程進(jìn)行了具體計(jì)算，同時還就大功率LED的安全運(yùn)行從有效散熱、恒流驅(qū)動和電流分級控制等方面進(jìn)行了全面的討論。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)燈;光源;控制;光學(xué)透鏡

點(diǎn)光源LED智能航標(biāo)燈器是煙臺航標(biāo)處2011年的科研成果，它采用單顆LED作為光源，通過自由曲面?zhèn)劝l(fā)光透鏡對光路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高射程，低維護(hù)量、長壽命，經(jīng)過技術(shù)測試，達(dá)到了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

自由曲面?zhèn)劝l(fā)光透鏡與點(diǎn)光源LED相匹配的新型航標(biāo)燈光學(xué)系統(tǒng)是該燈器實(shí)現(xiàn)的重要的技術(shù)創(chuàng)新。

下面詳細(xì)介紹該燈器光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)特性及其設(shè)計(jì)原理。

1　技術(shù)參數(shù)

點(diǎn)光源航標(biāo)燈器為中心焦點(diǎn)航標(biāo)燈，其燈光顏色必須滿足GB12708-91《航標(biāo)燈光信號顏色》的要求，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JTT761-2009《航標(biāo)燈通用技術(shù)條件》確定其光學(xué)技術(shù)指標(biāo)是：

（1）水平配光均勻度：不小于85%；（2）垂直發(fā)散角：50%峰值光強(qiáng)處的垂直發(fā)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)對光色度的要求，而且還要實(shí)現(xiàn)低功耗、高壽命等。根據(jù)航標(biāo)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)4海里照距，發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)大于120cd，根據(jù)目前LED發(fā)光效能水平，一般LED發(fā)光效能都在100lm/w以上，2W以上LED即可滿足要求。

經(jīng)查閱相關(guān)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?yàn)樵撓盗蠰ED包含白色、綠色、紅色、黃色、藍(lán)色等常規(guī)顏色，色溫完全符合航標(biāo)技術(shù)規(guī)范要求，并且發(fā)光功率大、應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)突出。

該光源主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）發(fā)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(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、耗電小、發(fā)熱小、壽命長、響應(yīng)速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)；（2）耐高溫達(dá)135℃.，低溫-45℃；（3）使用壽命：使用壽命高達(dá)50000小時以上；（4）節(jié)能：光效高達(dá)132Lm/W。

3　光學(xué)設(shè)計(jì)原理

LED光源所發(fā)出光線的出射角度為120°，為了使光線能夠以航標(biāo)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，該燈器中所設(shè)計(jì)的為自由曲面?zhèn)劝l(fā)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(fā)出的散射角為120°的光線通過自由曲面TIR透鏡結(jié)構(gòu)的反射后形成垂直向上的光束準(zhǔn)直射出，然后通過一尖錐狀結(jié)構(gòu)，將光線沿側(cè)邊出射，尖錐狀結(jié)構(gòu)上面有微凸透鏡結(jié)構(gòu)，其作用為將準(zhǔn)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(jīng)透鏡出射，達(dá)到預(yù)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(hù)罩的材料選擇也很關(guān)鍵，透鏡的材料選用了光學(xué)級ΡMMA，此材料優(yōu)點(diǎn)在于透光率較高，其透光率為93%/3mm。防護(hù)罩選用ΡC材料，透光率90%/3mm。

圖1　自由曲面?zhèn)劝l(fā)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(kuò)展光源的發(fā)光強(qiáng)度為，即其亮度B與方向無關(guān)。這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)光體，或朗伯（J.H.Lаmbert）發(fā)光體。上述按cosθ規(guī)律發(fā)射光通量的規(guī)律，成為朗伯余弦定律。LED的發(fā)光規(guī)律滿足朗伯余弦定律，光強(qiáng)計(jì)算公式為：。

其中I單位為cd。

我們設(shè)計(jì)自由曲面?zhèn)劝l(fā)光透鏡，將光線從透鏡側(cè)邊出射，光學(xué)系統(tǒng)的利用率可達(dá)：

LED航標(biāo)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(diǎn)”光源，如果在一個小立體角內(nèi)光通量近似均勻分布，有效發(fā)光強(qiáng)度可以換算為：

可見發(fā)光強(qiáng)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(yuǎn)，必須要求航標(biāo)燈光束的立體角小。

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