（LED交通信号灯具的研究 毕业论文32页 10267字）

摘要：
本论文提出一种以大功率LED为光源的交通信号灯光学系统模块。由于传统白炽灯信号灯和LED点阵信号灯在使用过程中存在缺陷,因而研究大功率LED交通信号灯具有重要意义。大功率LED信号灯的使用可以降低交通信号灯具的升级成本，消除原有LED信号灯的黑点问题，减少安全隐患。
本论文分析大功率LED交通信号灯光学系统模块的组成和原理，设计LED面光源集光元件，准直元件和散光元件，并在TRACEPRO软件中进行仿真分析。通过比较不同集光元件的集光效果，确定CPC反光碗和TIR复合透镜来实现收集光线；准直元件选择菲涅耳透镜来实现，减少系统重量；利用微透镜阵列实现交通信号灯具在水平和垂直方向上的光强分布，使其满足国家交通信号灯标准。论文给出了200mm直径和380mm直径交通信号灯具光学系统模块设计结果，并对结果进行分析。

关键词：LED；交通信号灯；CPC反光碗；菲涅耳透镜；TIR复合透镜；微透镜
中图分类号：TM923.48

Research on LED traffic lights

Abstract:
This paper puts forward a kind of optical system module of LED traffic lights which has a source of high-power LED. Research on high-power LED traffic lights is of great significance,because traditional incandescent lights and LED dot-matrix lights have shortcomings when they are in use. High-power LED lights can reduce the costs of the upgrade of traffic signal lamps, eliminate the black spots of the original LED lights and reduce security risks.
This paper analyzes the composition and principle of the optical system module of high-power LED traffic lights. The module includes collecting component, collimating components and diffusing component. The function of components have been simulated and analyzed in TRACEPRO. The collecting effects of parabolic reflector, CPC reflector and TIR lens have been compared. Considering the weight and cost, the Fresnel lens is used to achieve parallel lights. The micro-lens array is used to achieve intensity distribution in the horizontal and vertical direction of traffic lights, in order to meet the national standards of traffic lights. This paper also presents the design of optical system modular of diameter of 200 mm and 380 mm traffic signal lamps and analyzes the results.

Keywords：LED; traffic lights; CPC reflector; Fresnel lens; TIR lens; microlens.
Classification: TM923.48

目 次
摘要： I
目 次 III
0. 前言 1
0.1 LED的特性 1
0.2 LED在交通信号灯上替代了白炽灯 1
0.3 大功率LED的出现 1
0.4 本文的主要任务 2
1. 信号灯工作原理 3
1.1 传统白炽灯交通信号灯 3
1.2 现有LED点阵交通信号灯 4
1.3 大功率LED信号灯光学系统 5
1.3.1 LED面光源 5
1.3.2 集光元件方案选择 5
1.3.3 集光元件的选择 6
1.3.4 菲涅耳透镜准直系统 7
1.3.5 微透镜 8
2. 系统设计时主要的计算方法 9
2.1 光学扩展量 9
2.2 边缘光线分析法 10
3. 信号灯光学系统设计 12
3.1 整形光路发散角的计算 12
3.2 设计直径200mm的信号灯系统 12
3.2.1 光源的建立 12
3.2.2 抛物面反光碗 13
3.2.3 CPC反光碗 14
3.2.4 菲涅耳透镜 16
3.2.5 微透镜 17
3.3 设计直径380mm的信号灯光学系统 18
3.3.1 光源 18
3.3.2 TIR复合透镜 18
3.3.3 菲涅耳透镜和微透镜阵列 19
4. 结果分析 20
4.1 直径200mm信号灯光学系统 20
4.2 直径380mm信号灯光学系统 21
5.总结 22
参考文献 23
作者简介 24
学位论文数据集 25


0. 前言

随着经济的发展，生活水平的提高，人们也越来越讲究生活的质量，交通作为衣食住行中的一部分，与人们的生活息息相关，改善路况，拓宽道路，铺设高等级公路，以及小车的普及，都会导致车速提高，车流量过多的状况。而道路交通信号灯作为一种交通信号，在交通中起着指挥和引导的作用，是一种必不可少的设施，交通信号灯性能的好坏在交通诱导中起着极其重要的作用[1]。

0.1 LED的特性
LED（Light Emitting Diode）是一种场致发光光源，是将电能直接转化为光能的半导体器件。其电特性和普通的二极管是一致的。LED可靠性好，寿命长，它发出的光具有方向性，并有一定的发散角，而且LED是一种冷光源，其显著的特点之一就是能耗低，这对灯具的应用而言是很有意义的。

0.2 LED在交通信号灯上替代了白炽灯
LED早在三十多年前就已问世，由于当时制造技术的限制，其发光亮度小，且只有红色一种颜色，因此很长一段时间内仅用于小指示器光源和字母数字显示器等有限领域中。随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，90年代中期后，新材料AlInGaP给LED技术带来了巨大突破，使红色和琥珀色LED的光效提高到10-20lm/W，与目前广泛应用于信号灯的白炽灯相近，甚至更好。白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷，而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化[2]。

0.3 大功率LED的出现
随着宽禁带半导体材料的迅速发展，这些电子材料（主要包括SiC ZeSe金刚石和GaN等）带动了LED的进一步发展，利用GaN特有的禁带宽度可以制作成蓝色和绿色；而随着由气相形成的化合特半导体薄膜技术的改进，有机化学气相沉积（MOCVD）技术取得了很大的进展，用该方法制造的LED，不仅发光强度有了显著提高，并且增加了颜色的变化范围，改变了LED仅有红色系列的局面，为LED在各个领域中的进一步发展消除了一大障碍。由于LED的光效提高到与白炽灯相近，并且增加了颜色的变化范围，使其具有了成为信号灯光源的基础，而其响应时间短、发热低、能耗低以及寿命长、维护费用低等优势，马上使LED在信号灯中有了大量应用。随着光学设计的不断改善，加上LED光效不断提高，信号灯需要使用的LED管数也从一开始的四、五百只降到现在的一百来只，甚至几十只[3]。本课题的光源就是采取3×2的6个LED组成的阵列。

0.4 本文的主要任务
设计大功率LED交通信号灯光学系统，主要设计三个部分：LED与集光源件，菲涅耳透镜，微透镜阵列[4]。

图0.1 大功率LED信号灯光学系统结构框图
三部分对于这个信号灯系统来讲是缺一不可的，虽然可以单独的进行设计、模拟，但是要完成系统，还要将三个系统进行联合分析及调整。本论文将在分别讨论三个部分的基础上再进行整体的讨论。
本文需解决的问题：
1.多芯片LED光辐射分布模型的建立：根据单芯片大功率LED的发光特点，建立多芯片LED光谱分布数学模型，根据芯片个数和芯片位置的确定光辐射分布，为灯具的光学系统设计提供基础数据。
2.光学系统的设计：编制LED专用二次光学系统软件模块，设计集光复合透镜，通过复合透镜可以调整光束的出射角度和均匀度，使其在某个距离处形成所需的光斑大小和均匀度，满足交通信号灯的光束要求，设计散光片，实现二次光源。
3.设计直径200mm和380mm交通信号灯光学系统。即在光源150mm外形成上述大小要求的均匀光斑。