高准直高效能LED警示灯
许朝钦1、陈奇夆2、吕明信3
1国立中央大学机械学系研究生 台湾桃园县中坜市五权里2邻中大路300号、(03)4267392、963207001@cc.ncu.edu.tw
2国立中央大学机械学系教授
3东育实业股份有限公司总经理

摘要：设计一高准直高效能LED警示灯，利用一LED灯罩，根据FWHM的定义使光源出射光的分布在正负三度以内且均匀，再利用一反射镜面，配合LED光源的灯罩设计，使垂直方向出射光分布在零到六度之间，水平方向则使用一柱状镜来分散水平方向的出射光，已达到均匀的目的。
关键词：警示灯，LED，高准直，高效能

　　前言

　　高度专业的警示灯普遍应用在高楼建物、航海、航空等高度要求安全的场所，以台湾地区为例，随着建筑物的高度提升，许多大楼、烟囱都必须装载障碍灯以维护飞航安全，另外海上与机场等场所都必须具备警示灯作为航道导引的光源来源，故市场上有越来越多的需求;但岛内目前市场上也因为普遍技术上的瓶颈，以生产一般警示灯为主，能够生产航空、航海用等高级警示灯的公司几乎没有，以至于台湾使用的警示灯常常必须向海外购买，例如台北101与台湾高铁皆花费高额经费向国外采购警示灯，故希望并且藉由技术突破，将可以创造出极高价值的产品。

1. 原理架构与方法

　　主要用光学仿真软件ASAP来做光线追迹和统计与仿真数据的程序。
   
1.1 LED光源的灯罩

　　首先我们利用实验室学长设计出的一个准直LED灯如图1所示，其结果可如图2所示发散角度在-3～3度之间，其均匀性可达83.6%如图3所示
 

1.2 警示灯内部结构

1.反射镜面：

　　利用反射定律：入射角等于反射角，且入射线不变时，平面镜转 角，反射线则改变为 角平面镜成像。

　　我们利用这反射镜面将光线反射到四面八方因为目标垂直发射角度：0～6°，而准直LED灯发散角度在-3～3度，故反射光线需要旋转3度，则镜面只需旋转1.5度，所以反射镜面与水平的角度为45+1.5=46.5度，其设计如图4。
 

　　将单一个准直LED灯往上打的光经过反射面后，向上的准直光线反射至水平方向，可以测出光的垂直发散角度在0～6度间，水平发散半强角度在-8～8度间，水平方向的照度均匀度只有36%，如图6所示；图5为待检测面示意图，因为照度分布会成环形对称，故图7光照度分布图只撷取0～30度的范围

2.柱状镜：

　　因为在水平方向的均匀性并不是很理想，只有36%而已，故我们利用光线折射的特性，设计一柱状镜来使光线在水平方向的分布可以更加的均匀，光路示意图如图8所示

　　如此利用柱状镜使水平方向为一个发散的光线，示意图如图9、图10.
 

 

　　将经过反射镜面的光经过折射罩后，可以量测出光的垂直发散角度还是在0～6度间，但水平发散半强角度已散至约在-25～25度间，而水平方向的照度均匀度增加至63%，如图12、图13所示；图11为待检测面示意图

　　3.结果

　　将LED光源的灯罩、反射镜面及柱状镜组合起来，整体结构图如图14所示，作整体系统的光分布调控，利用ASAP光学仿真软件，将待检测面放置在八公里外，如图15、图16所示。
 

　　所测量之强度分布图如图17所示，红色线部分代表垂直方向之光强度分布，有达成目标垂直发射角度：0-6°，光照度分布图如图18所示，其照度均匀度达50%

　　4. 结论

　　在本篇研究中LED警示灯之设计，在放置准直且均匀LED灯罩、反射罩与折射照之整个系统用光学软件仿真最后结果，发现在8公里外侦测面之光线垂直发射角度约在0-6°，而整体(6颗LED)输出有效光均匀度大约为50%；由于这类产品应用的环境是安全高度要求的场所，所以会依照不同场所再订定出有关灯具光强度(cd/m2)、可视距离及角度等使用规范，而上述的结果则有达到相关之规范。

参考文献

1. Green; David R, Russell; L. Brock, "Light assembly",United States Patent ,5782552 ,1998.
2. .H. Kanayama, M. Maeda, T. Miwa, T. Ikeda, H. Murata, and K. Chihara, “Ultra Small Projector with High Efficiency Illumination System,” Consumer Electronics, ICCE Digest of Technical Papers,  pp.127-128, (2006).
3. H. M. Keuper, G. Harbers, and S. Paolini, “RGB LED Illuminator for Pocket-Sized Projectors,” SID Symposium Digest of Technical Papers, Vol. 35, pp. 943-945, (2004).
4. M. P. Krijn, B. A. Salters, and O. H. Willemsen “LED-based mini-projectors,” SPIE vol. 6196, 619602, (2006)

　　(该文章出自2008中国光电产业高层论坛论文集)