1　问题的提出

　　随着半导体发光技术的发展，与普通“热”光源，如白炽光源、气体放电光源等相比，利用半导体ＰＮ结发光原理制作的“冷”光源ＬＥＤ器件，近年来开始得到广泛地应用。ＬＥＤ器件从初的仪器指示光源发展到高亮度的信号光源，乃至近年来开始在照明领域获得应用。利用ＬＥＤ器件制作的航标灯就是ＬＥＤ器件作为信号光源应用的一个典型例子。自１９９８年以来，ＬＥＤ航标灯因其良好的单色性（色谱纯）和颜色光源的高光效（相对全光谱的白炽光源而言），在国际上迅速获得广泛接受。我国海事部门近二年来尝试使用ＬＥＤ航标灯，积累了一定的使用经验。笔者就ＬＥＤ航标灯的工作原理、评价ＬＥＤ航标灯的主要质量指标等方面进行论述，通过科学理解ＬＥＤ航标灯来纠正ＬＥＤ航标灯应用中的某些认识误区。

　　2 ＬＥＤ航标灯的工作原理

　　2.1 菲乃尔透镜的聚光原理

　　对环向航标灯来说，其光学系统原理如图１所示。图中Ｘ轴为光轴，光学元件Ａ为凸透镜，Ｏ为凸透镜的焦点，Ｆ为焦距，ｎ为透镜接触厚度，Ｈ为透镜高度，Ｒ为透镜的曲率半径。当置于光轴焦点上的点光源（如白炽灯泡）被点亮时，其全向散射的光被凸透镜聚集，在透镜的出射面上以平行光输出。如果忽略透镜的加工精度，并视焦点上的光源为无限小的点，那么透镜出射面上输出绝对的平行光。由于凸透镜实际上是个球面体的光学元件，因此其曲率半径Ｒ与高度Ｈ成正比。透镜高度Ｈ越高，其曲率半径Ｒ就越大，透镜也越厚。１５５mm航标透镜的有效高度约为１８０mm，若采用凸透镜制造该航标透镜，为了保证垂直１８０°方向的散射光被有效聚集，其透镜厚度接近９０mm，这样的透镜无论在制造工艺上还是透镜本身透射率等光学指标方面都是很难达到实用要求的。

　　为了解决大曲率凸透镜的绝对厚度和制造工艺上的问题，光学科学家菲乃尔通过研究发现凸透镜的聚光作用主要与表面曲率有关，透镜中间部分的材料仅起到光线传输作用。于是设想将球面体的凸透镜表面切成一段一段，取其有效曲率表面作为透镜零件，如图２中ａｂ、ｂｃ、ｃｄ、ｄｅ、ｅｆ所示。然后将这些具有聚光作用的透镜零件按聚焦要求组合，使每个透镜零件的焦点都调整在光轴的同一焦点上，于是整个组合后的透镜到光轴上就有唯一的焦点。由于每个透镜零件的尺寸和厚度都很小，组合后的透镜一下子变得很薄。又因为透镜厚度减小，其光传输效率提高，重量减轻，加工容易，而作用与同尺寸的凸透镜基本相同。于是这种用不同曲率的光学零件组成的组合透镜即成为目前广泛应用于航标透镜的菲乃尔透镜。

　　严格来说，菲乃尔透镜与球面凸透镜一样，具有聚光作用。它可以将透镜光轴焦点上点光源发出的全向散射光聚成平行光输出。但是和凸透镜同样存在的问题是由于加工精度的限制，实际加工中菲乃尔透镜的焦点永远都无法达到理论上的无穷小点。事实上，航标灯菲乃尔透镜在光轴上的焦点不是一个真正“点”，而一个具有一定尺寸的区域，我们把这个区域称焦散区（或称焦散域）。同样地菲乃尔透镜也要求其焦点上的光源为一无穷小的点，而实用中同样不存在这样的点光源，也是具有一定尺寸的光源体，因此当光源的尺寸与透镜的焦散区正好相等时，光源被大限度地利用，航标灯的光输出达到大值。当光源的尺寸超出透镜焦散区时，其超过部分的光将是无效光。图４表示了透镜焦散区与光源匹配性的互动关系。

　　图中菲乃尔透镜的焦散区近似于直径为ａ的球体区域，而光源高度方向的尺寸为ａ＋２ｂ，其中ａ段被包含在透镜焦散区内，其发出的光线被透镜汇聚后以平行光方式输出，而２ｂ段则为无效光强。以常用的１５５mm航标透镜为例，其焦散区为３～４mm，换言之灯泡的灯丝高度也必须为３～４mm。而目前常用的白炽灯泡的灯丝因受制灯工艺和钨丝热垂性的影响，其高度至少在６mm以上，如果１００％的光能量均匀分布在整个６mm的灯丝段上，那么至少有１/３的光能量未被利用，即一个１０Ｗ的灯泡其实真正可利用的有效功率仅为６．６Ｗ，而消耗的总电功率却是１０Ｗ。此外，由于航标灯整体结构上的积累误差，特别是插口式灯泡的自身误差达２mm以上，即使灯丝做到要求的３～４mm尺寸，也会因航标灯器件的机械结构误差（如机械换泡机的定位不准，插口灯的灯头误差等）导致光源无法准确置于透镜光轴的焦点上。

　　为了解决这个问题，目前国际上普遍采用带有定焦盘的航标灯泡。由于这种航标灯泡在制造过程中采用投影仪装配定焦盘，其灯丝光中心至定焦盘之间的机械尺寸误差控制在０．５mm以内，从而保证了所有带定焦盘的航标灯泡都具有完全一致的光中心高度。近年来各国际航标部门普遍采用的预聚焦高压石英卤钨航标灯泡，其灯丝形状类似一个３mm的球体，当灯泡被点燃时全部光能量都集中在透镜的焦散区内，而定焦盘又将灯丝的光中心准确地置于透镜光轴焦点上，从而使光能量得到极大的利用。　

　　2.２ 菲乃尔透镜在ＬＥＤ航标灯中的应用

　　在了解了菲乃尔透镜的工作原理后，我们可以比较容易地去理解ＬＥＤ航标灯光学系统的工作原理了。由于ＬＥＤ器件是一种半导体发光器件，其特点是单个器件发出的光强度相对白炽光源要小得多，加上受材料和工艺影响，即使提高输入功率，其单体器件的光强度仍然无法达到白炽光源的光强度。因此环向的ＬＥＤ航标灯只能采用多个ＬＥＤ器件在圆周上排列，然后通过透镜的聚光作用将光能量以带有一定垂直发散角的平行光输出，图５为ＬＥＤ单体结构图。由图５可知，普通ＬＥＤ单体器主要由半导体发光体和凸透镜组成。当接通电源后，发光体ＰＮ结发光，通过器件头部的凸透镜将发光体发出的光汇聚成一定立体角的光输出。

　　图６和图７分别显示出了１５°和３０°两种ＬＥＤ器件的光输出特性。

　　ＬＥＤ航标灯的光学系统如图８所示，与普通单锥菲乃尔航标灯透镜相比较，ＬＥＤ航标灯的透镜焦点不是在透镜的光轴中心，而是在一个假想的圆周上。我们把这个圆周称为焦点圆周，简称焦圆。理论上来说，焦圆是由无穷多个无穷小的焦点在圆周上排列组成。同样地由于透镜加工精度的影响，焦圆上的点也存在着一个焦散区，而焦圆上的光源也必须被包含在焦散区内。由于ＬＥＤ器件不是一个全向的光源（我们把在４π立体角内全向发散的点光源称全向光源），而是在一定立体角内（例１５°、３０°、６０°等）输出光能量的特殊光源。因此，对于焦园应用的菲乃尔透镜，必须是一个特殊设计的不同于普通环向航标灯透镜的特殊菲乃尔透镜。这种特殊的菲乃尔透镜可以将圆周排列的ＬＥＤ器件发出的光按航标灯要求的发散角输出光能量。由此可见，科学设计的ＬＥＤ航标灯，其菲乃尔透镜必须是焦点在圆周上而不是在圆心上；其次能够汇聚特定立体角的光线而不是会聚全向立体角光线的特殊菲乃尔透镜。达不到这两点要求的任何形式的ＬＥＤ航标灯，都无法实现ＬＥＤ光源的有效利用，从而起不到航标灯的作用。

　　3 ＬＥＤ航标灯的评价指标

　　ＬＥＤ航标灯因其省电、耐用和光源色表标准的特点越来越受到各国航标管理部门和终用户的欢迎。除了将平面应用的ＬＥＤ光源应用于导标灯、桥涵标和旋转灯器以外，更多的ＬＥＤ航标灯是环向应用。目前，世界各国航标生产厂商对ＬＥＤ航标灯光参数的定义仍沿用出射面的光强度和垂直发散角两个指标。

　　ＬＥＤ单体器件在作为光源应用时，通常都带有一定角度的视角，即在既定的视角范围内保证其光强度，视角以外强度大幅度衰减，其光强/视角特性已在图６、图７中说明。

　　ＬＥＤ的光强/视角特性曲线表明，ＬＥＤ单体器件是一个定向光源，而不是４立体角空间内的全向点光源，用ＬＥＤ器件制造的环向航标灯，其透镜不同于普通点光源透镜。

　　对于ＬＥＤ环向航标灯来说，ＬＥＤ是一个特殊的光源。ＬＥＤ单体器件本身带有一个小型的光学透镜。该透镜将半导体芯片上的点光源聚成一定立体角的光束，在标称立体角内，输出标称光强。如视角为３０°立体角的ＬＥＤ器件，即在３０°立体角内输出标称光强，而超过３０°时，光强将较快衰减。ＬＥＤ环向航标灯是将带有一定视角的ＬＥＤ器件均匀地排列在一定直径的圆周上，如果我们把这个排列有ＬＥＤ器件的圆周称发光圆周，那么ＬＥＤ环向航标灯上特殊设计的环向菲乃尔透镜就是一种以发光圆周为透镜焦点；以发光圆周与透镜曲面之间的距离为焦距的特殊透镜。比较ＬＥＤ环向航标灯与传统单锥菲乃尔透镜航标灯，其区别为前者的透镜焦点是在透镜的圆心，而后者是在发光圆周上。

　　图９表示ＬＥＤ器件在发光圆周上的排列情况。图中ｄ为发光圆周的直径，Ｄ为透镜直径。发光圆周相邻的两个ＬＥＤ器件发出的光束在视角互相交叉的

　　部分相互覆盖和叠加，如果将发光圆周上的ＬＥＤ看成是一个发光整体，同时忽略其任何工艺上的误差和缺陷，那么直接测量其水平方向的配光性能，可得出图１０所示的效果。

　　图10中Ｐ点对应于发光圆周上单个ＬＥＤ器件的中心光强（如图６和图７中的Ｉ0）；Ｗ点则是相邻两个ＬＥＤ器件之间的小光强值。从ＬＥＤ发光圆周上的光强分布曲线看出，发光圆周上的光强均匀度基本上决定了通过环向透镜后的水平配光曲线形状。而发光圆周的光强均匀度则取决于圆周上相邻的两个ＬＥＤ器件光强交叉覆盖程度。发光圆周的直径越大，相邻两个ＬＥＤ器件之间的排列距离越小，其光强的交叉覆盖越好，Ｐ点与Ｗ点的距离越小，水平配光曲线越光滑且越接近圆周上连续。

　　于是我们可以得出这样的结论：

　　为了获得良好的水平配光特性，在设计ＬＥＤ航标灯时应尽可能采用大圆周焦园结构，且相邻排列的两个ＬＥＤ器件的视角交叉必须超过５０％。

　　采用大圆周焦园结构，除了能大限度的改善水平配光特性以外，还能大限度地提高光-电转换效率。当采用多层ＬＥＤ灯叠加来提高整灯光强时，必然存在一个叠加效率。例如，由３０粒ＬＥＤ单体组成的某一单层ＬＥＤ组件，当采用二层组合叠加来增加光强时，其总光强并不等于由６０粒ＬＥＤ单体组成的一层光强值，因为二层叠加的光强并不是简单的单层光强相加。此外，３０粒单体ＬＥＤ器件组成的ＬＥＤ光源组件，其焦园的分度为１２°，当采用３０°　ＬＥＤ单体时，无法达到相邻两个ＬＥＤ器件交叉光强５０％的覆盖。因此只能靠增加透镜水平分光和加装反射器解决光强分布的环向连续性，而这样做的结果是以牺牲ＬＥＤ器件的有效光强输出为代价的。因此，为了提高光-电转换效率，在设计过程中尽可能考虑采用大直径焦园单层排列的ＬＥＤ发光组件。实践证明，ＬＥＤ航标灯单层排列少要４５颗ＬＥＤ器件。

　　鉴于ＬＥＤ航标灯光学系统的特殊要求，我们在评价一台ＬＥＤ航标灯时应该遵循以下指标原则：

　　（1）具有良好的水平配光特性

　　水平配光特性的定义初出自于电光源学理论，它是描述特定光源在灯具中工作时，其水平方向３６０°圆周上各方向出射面光强均匀程度。水平配光指标一般用水平配光特性曲线表述。工程应用中，可以直观地在多个同心圆周上看出它的峰-谷值，并可通过坐标上的精确定位来确定峰-谷值的百分比。通常情况下，峰值与谷值越接近，其水平配光性能越好。水平配光特性优异的航标灯，其峰-谷值一般都在１０％以内。因此尽可能优化灯具水平配光性能一直是电光源与灯具匹配研究的一个重要课题。

　　对一台航标灯来说，当垂直发散角既定时，水平配光特性的优异与否将直接影响到航标灯的整体指标。图１１和图１２分别示出了两种不同航标灯的水平配光特性。

　　比较图１１和图１２实线部分反映的水平曲线，可以看出两个航标灯的峰值差不多，都在相对值为１００的附近，而谷值就相差比较大了。图１１的谷值在相对值为７０附近；而图１２的谷值则在相对值为９０以上的范围。如果测量两种航标灯的光强值时（特别是采用点光探头时），其峰值光强参数十分接近，很难区分出差异。因此用峰值光强标定该两个航标灯，可能会得出同等视距的结论。但实际应用时，由于航标灯的随机运动性，人眼并不可能总是看到大值，此时水平配光特性如图１１所示的那个航标灯其光强值的计算只能取相对值７０而不能取１００，也不能按峰-谷的平均值计算。因为对观察者来说，除了看到１００时的光强以外，也完全有可能在某一时间看到的是相对值７０。这样，图１１所示航标灯的实际视距只能是相对值７０所对应的距离。而对于图１２所示航标灯来说，由于其谷值在相对值９０以上，计算视距的光强值可以取相对值９０以上。分析可知，对于两个峰值光强相同的航标灯来说，由于水平配光曲线上的谷值位置不同，其视距亦会有很大不同。一般来说，一台性能优异的航标灯其水平配光性能都比较好，峰谷值的差异在１０％～１５％以内，也就是说，水平配光均匀度要大于８５％。由于航标灯水平配光性能的好坏，直接反映为有效光强的利用效率，实际应用中水平配光性能越好，光强利用率越高，航标灯的视距越远。

　　（2）合理的垂直发散角

　　ＬＥＤ航标灯同普通菲乃尔透镜航标灯一样，垂直发散角同样是一个整灯的外部指标。根据ＩＡＬＡ新推荐标准要求，浮标应用的ＬＥＤ航标灯的垂直发散角为８°。岸标应用的ＬＥＤ航标灯，不得小于２．５°。因此，一个合格的ＬＥＤ航标灯必须满足规定的垂直发散角要求。只有在规定垂直发散角条件下标出的光强值才有意义。值得指出的是，根据国际照明协会（ＣＩＥ）规定，垂直发散角的测定必须注明半光强（５０％峰值光强处）测试条件。国内外有些厂商标出的垂直发散角条件为１０％光强处的值或者标出峰值光强值，这都是毫无意义的。

　　（3）先进的驱动电路

　　在讨论ＬＥＤ航标灯时，人们往往只重视光源的作用，而忽视了电路设计的缺陷。事实上电路设计的优劣对ＬＥＤ器件的寿命至关重要。ＬＥＤ器件作为一种半导体发光器件，尽管随着亮度的提高可被当作光源来使用，但其本质上依然是一个半导体ＰＮ结组成的二极管（俗称发光二极管）。与普通二极管一样，它有正向特性和反向特性，其正向特性表现为恒流应用特性，而反向特性主要也体现为反向击穿特性。同时与普通电光源相比，它的热惯性小（俗称冷光源），基本无余辉，因此适合高频开关应用。当我们理解了ＬＥＤ的这些特性以外，可以设计出合理的驱动电路。现代ＬＥＤ航标灯必须具备高转换效率的驱动电路（一般采用开关电源），采用软件实现的高精度闪光周期；带有自检测电路和带有标准计算机串口的智能化控制电路，从而可以方便地接入各类遥测遥控系统或ＡＩＳ系统等。

　　（4）具有较高的光/电转换效率

　　衡量ＬＥＤ航标灯的另一个重要指标便是单位电功率的光强值。比较两台ＬＥＤ航标灯，在同功率、同发散角条件下，光强值越高，其光/电转换效率越高，使用中就越省电。提高光/电转换效率的途径很多，但主要是设计出合理的控制和功率驱动电路。

　　（５）具有良好的整机防护性能

　　ＬＥＤ航标灯由于省却了传统换泡仪的机械运动部件，可以做成整灯水密结构。目前航标灯使用的ＩＰ５６防护等级为防溅式防护。新的ＬＥＤ航标灯一般均可达到ＩＰ６５以上，甚至ＩＰ６８。其特点为水密和气密，可用于采油平台、天然气开采区、化工厂等具有防爆要求的场合。而采用全水密结构时，即使整个航标灯浸入水中，除了可以正常工作以外还可以通过非接触方式来实现远程监控等。

　　4 结束语

　　ＬＥＤ航标灯作为近年来获得普遍推广的一种新型航标灯，正越来越受到海事部门的重视。合理选择和正确使用ＬＥＤ航标灯十分重要。本文所述之ＬＥＤ航标灯的工作原理和评价指标均可通过科学手段进行测试，以鉴别优劣。相信随着ＬＥＤ航标灯的普及使用，更优性能和更高性价比的产品将不断问世。