点光源LED光学技术在航标智能灯器的应用

马　睿（交通运输部北海航海保障中心烟台航标处,山东　烟台　264000）

点光源LED光学技术在航标智能灯器的应用

马睿
（交通运输部北海航海保障中心烟台航标处,山东烟台264000）

摘要：论文详细介绍了点光源LED智能航标灯器光学系统的主要技术特性，阐述了其LED光源选择的主要技术根据，描述了灯器光学系统的光学设计原理，并对灯器的灯光射程进行了具体计算，同时还就大功率LED的安全运行从有效散热、恒流驱动和电流分级控制等方面进行了全面的讨论。

关键词：航标灯;光源;控制;光学透镜

点光源LED智能航标灯器是烟台航标处2011年的科研成果，它采用单颗LED作为光源，通过自由曲面侧发光透镜对光路进行控制，实现了低功耗、高射程，低维护量、长寿命，经过技术测试，达到了相关技术标准的要求。

自由曲面侧发光透镜与点光源LED相匹配的新型航标灯光学系统是该灯器实现的重要的技术创新。

下面详细介绍该灯器光学系统的主要技术特性及其设计原理。

1　技术参数

点光源航标灯器为中心焦点航标灯，其灯光颜色必须满足GB12708-91《航标灯光信号颜色》的要求，根据技术标准JTT761-2009《航标灯通用技术条件》确定其光学技术指标是：

（1）水平配光均匀度：不小于85%；（2）垂直发散角：50%峰值光强处的垂直发散角不小于8°（3）灯光射程：不小于4海里。

2　光源的选择

在光源选择上，不仅要满足技术标准对光色度的要求，而且还要实现低功耗、高寿命等。根据航标相关技术标准计算，要实现4海里照距，发光强度应大于120cd，根据目前LED发光效能水平，一般LED发光效能都在100lm/w以上，2W以上LED即可满足要求。

经查阅相关资料及比较，选定美国CREE公司XΡ-E系列LED作为该灯器的光源，主要因为该系列LED包含白色、绿色、红色、黄色、蓝色等常规颜色，色温完全符合航标技术规范要求，并且发光功率大、应用优点突出。

该光源主要技术参数如下：

（1）发白光，色温：暖白2600-3700K；正白4000-5200K；冷白5000-10000K；（2）光通量：40-114流明/瓦（LM/W）；（3）正常工作电流:350mA-700mA，700mA工作时光通量是350mA工作时的1.65倍，最大支持1000mA；（4）典型电压值3.3V-3.6V(350mA)，3.6V-3.9V(700mA)；（5）典型视角90°；（6）5万小时光衰小于30%(350mA，Tа=25℃)；（7）1000小时光衰小于0.5%(350mA，Tа=25℃)；（8）5万小时光衰小于30%(350mA，Tа=25℃)。

该LED光源优点：

（1）体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点；（2）耐高温达135℃.，低温-45℃；（3）使用寿命：使用寿命高达50000小时以上；（4）节能：光效高达132Lm/W。

3　光学设计原理

LED光源所发出光线的出射角度为120°，为了使光线能够以航标技术标准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统，该灯器中所设计的为自由曲面侧发光透镜（如图1所示）。

该透镜的工作原理如图2所示，首先将LED光源发出的散射角为120°的光线通过自由曲面TIR透镜结构的反射后形成垂直向上的光束准直射出，然后通过一尖锥状结构，将光线沿侧边出射，尖锥状结构上面有微凸透镜结构，其作用为将准直后的光线通过一定的混合反射，出射一条分布均匀的光带，然后经透镜出射，达到预定出射角度，最终出射光线方向性如图3所示。

为了提高透镜的透光率，透镜和护罩的材料选择也很关键，透镜的材料选用了光学级ΡMMA，此材料优点在于透光率较高，其透光率为93%/3mm。防护罩选用ΡC材料，透光率90%/3mm。

图1　自由曲面侧发光透镜

图2　透镜工作原

图3　出射光线方向性

4　灯光射程分析

若一扩展光源的发光强度为，即其亮度B与方向无关。这类发射体称为余弦发光体，或朗伯（J.H.Lаmbert）发光体。上述按cosθ规律发射光通量的规律，成为朗伯余弦定律。LED的发光规律满足朗伯余弦定律，光强计算公式为：。

其中I单位为cd。

我们设计自由曲面侧发光透镜，将光线从透镜侧边出射，光学系统的利用率可达：

LED航标灯虽然有一定体积，但与投射距离相比，可以看做为物理上的“点”光源，如果在一个小立体角内光通量近似均匀分布，有效发光强度可以换算为：

可见发光强度与光通量成正比，与立体角成反比。在一定光通量前提下，要求灯光射程远，必须要求航标灯光束的立体角小。

对于灯器为360°均匀侧发光，发光角度为8°（50%Imаx），总光束角度为300，角度换算成立体角后为: