（物理电子学专业论文）led铁路色灯信号机的光学设计.pdf

论文题目：l e d 铁路色灯信号机的光学设计 光源与照明工程系物理电子学专业 2 0 0 6 届研究生鲍玺指导教师刘木清教授 摘要 色灯信号机是铁路信号系统的重要基础设备，其发出的行车指令直接影响铁 路运输的安全和效率。l e d 作为新兴的照明光源，由于其固有的优点，正在得到 日益广泛地应用。把l e d 引入铁路色灯信号，必将促进铁路信号的升级换代， 大大改善行车环境，使铁路更快更好地服务于国民经济。 本文首先回顾了铁路色灯信号的历史演变，并总结了我国铁路色灯信号机的 现状。然后介绍了l e d 的发展历程、发光原理、基本结构及主要性能，包括光学 性能、电学性能、热学性能。在第二章的最后展望了l e d 技术的发展趋势。 从第三章开始，本文探讨了把l e d 技术与铁路色灯信号机相结合的可能性。 首先分析了传统色灯信号机存在的问题，比较了l e d 信号机相对于传统色灯信号 机的优势，并指出了新型l e d 信号机在设计过程中面临的问题。 在第四章简要介绍了t r a c ep r o 软件的功能特点，编写了计算机程序，提出 了利用计算机进行l e d 信号机设计的切实可行的方法。 第五章使用前面提出的方法进行设计，其中探讨了设计规律，并提出了具体 的设计方案。 第六章列举了l e d 信号机的测量数据，并对比计算机模拟结果，证明了该方 法的科学性、合理性和可行性。 关键词：l e d 铁路色灯信号 分类号：t m9 2 3 4 8 i i t i t l e ：o p t i c a ld e s i g no fl e dr a i l w a yc o l o rl a m p 光源与照明工程系物理电子学专业 2 0 0 6 届研究生鲍玺指导教师刘木清教授 a b s t r a c t c o l o rs i g n a l1 i g h ti sa ni m p o r t a n td e v i c eo fr a i l w a ys i g n a ls y s t e m t h eo r d e r st h a ti ts e n d so u th a v eg r e a te f f e c to nt h es a f e t ya n de f f i c i e n c y o fr a i l w a yr u n n i n g a sar i s i n gi l l u m i n a t i o ns o u r c e ，l e d ( l i g h te m i t t i n g d i o d e ) h a sb e e nu s e di nm o r ea n dm o r ef i e l d sb e c a u s eo fi t so w na d v a n t a g e i fw ec a nc o m b i n el e dw i t hr a i l w a yc o l o rs i g n a l1 i g h t ，r a i l w a ys i g n a l s y s t e mw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y a n dt h er a i l w a ys y s t e mm a yd og o o df o r n a ti o n a le c o n o m y t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h er e t r o s p e c t i o no nt h eh i s t o r yo fr a i l w a y s i g n a ls y s t e ma n dl e d ，a n ds u mu ps t a t u si nq u oo fo u rc o u n t r y a f t e r i n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r so fl e d ，w ef o r e c a s tt h ep r o s p e c to fl e da tt h e e n do fc h a p t e r2 f r o mc h a p t e r3 ，w ed i s c u s st h ep r o b a b i l i t yo ft h ec o m b i n a t i o no fl e d a n dc o l o rs i g n a l1 i g h t ，a n a l y z et h ea d v a n t a g eo fl e do v e rt r a d i t i o n a l c o l o rs i g n a l1 i g h t ，p o i n t i n go u tt h ep r o b l e m w ef a c e di nt h eo p t i c a ld e s i g n o fn e wl e dc o l o ri a m p i nc h a p t e r4w ei n t r o d u c et r a c ep r ob r i e f l ya n de s t a b l i s ham e t h o d u s e dt o d e s i g nt h el e dc o l o rs i g n a ll i g h t ，a n dw eu s et h i sm e t h o dt o o p t i m i z et h el e dc o l o rs i g n a l1 i g h ti nc h a p t e r5 a tt h ee n do ft h isp a p e r ，w ee n u m e r a t et h ed a t at h a tw eh a v em e a s u r e d ， a n dt e s t i f yt h ef e a s i b i i i t y ，r a t i o n a l i t yo fo u rm e t h o d k e y w o r d ：l e d ， r a i l w a y ， c o l o rs i g n a ll i g h t p a c s ：t m9 2 3 4 8 l l i 梗里史荸硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 第一章铁路色灯信号机的历史与发展 铁路是国民经济的大动脉，对国家的发展起着重要作用。由于铁路运输的成 本低、效率高、安全、并且节约能源，环境污染少，目前世界各国都在加快研究 铁路运输技术，现代铁路正向高速、重载、高密度方向发展。铁路信号系统不仅 是列车安全运行的保障，也是提高铁路效率的重要设备，是现代化铁路系统中不 可缺少的部分。 铁路信号设备最初是作为铁路行车的一种安全设施发展起来的。随着经济的 发展，铁路网越来越复杂，列车运行的速度与密度都在不断增加，对铁路信号设备 的要求也越来越高。面对微电子、控制、信息技术的飞速发展，现代铁路信号系 统已不仅仅是保障铁路安全运行的重要部分，而且是整个铁路系统安全、高效运 行的控制系统，广泛应用于列车的调度监控、编解作业以及列车运行自动化、行 车指挥自动化等自动化领域，全面提高了铁路运输生产的安全程度和效率，大大 改善了铁路运营管理人员的工作条件和客货运输的服务质量。特别是在现代化铁 路运输系统中，铁路信号系统已经与铁路固定设施( 路轨、桥梁、隧道) 和移动 设备( 机车、车辆) 并列为现代铁路运输的三个不可分割的技术基础。 1 1 铁路色灯信号的历史 铁路信号自1 8 4 1 年出现以来，先后经历了臂扳信号、灯光信号、机车信号 等发展阶段，经过一百多年的发展演变，才形成了今天的铁路信号系统。它是计 算机、现代通信和控制技术在铁路运输生产过程中的具体运用，长期以来，信号、 联锁、闭塞构成铁路信号系统的三个基本组成部分。 自从1 8 2 5 年世界上第一列火车从英国达林顿站开出起，“铁路事故”这个魔 影就一直与火车相伴而行，给人类带来一次又一次的灾难。为了避免灾难的发生， 英国工程师发明了横木信号：将一段圆木从中间锯开，取其中半块横向钉在可转 动的木桩上作为行车信号。横木与铁道平行为列车行进，与铁道垂直为停车。这 就是铁路信号的鼻祖。横木信号限于当时的技术条件，稳定性差，而且易与大自 然中的树木相混淆，不易识别，被后来居上的“臂扳信号机”取而代之。 1 8 4 1 年，英国人格雷戈里将两块长方形木板用转轴固定在木杆顶上，架设 在伦敦桥车站，木板水平位置表示停车，垂直表示行进。这就是后来被各国铁路 广泛采用的臂扳信号机的前身。当时拉动臂扳采用麻绳或铁丝，经常出现麻绳 或铁丝断裂的事故，轻则影响行车，重则带来灭顶之灾。欧洲大陆的第一条线路 巴黎至凡尔赛，就曾经由于铁丝断裂，臂扳误动下垂造成两车相撞事故，酿 援旦大擎硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 成世界上第一起重大路难。正是这一路难导致了信号联锁装置的诞生，即信号显 示与道岔转换同步并互锁，在扳动道岔的同时用铁拐轴、拉杆等机械装置来带动 臂扳信号机的起落。 然而臂扳信号机的一个严重不足是只有在白天才能识别，因此早期的铁路都 只能在白天行车，运输效率极低。灯光信号的出现，结束了列车白天运行、夜间 停驶的历史。最初使用蜡烛光作为信号，为避免烛光被风吹灭，改用油灯并套上 带颜色玻璃的防风罩，称为“气死风灯”。红灯表示停车，自灯表示行进。后来 司机发现白灯易与普通照明灯混淆，遂改用绿灯。1 8 7 6 年，爱迪生发明了电灯 泡，引发了铁路灯光信号的第一场革命。1 8 9 3 年第一台真正意义上的色灯信号 机在美国旧宾夕法尼亚铁路问世。其后在较长的一段时间里，色灯信号机上装的 是家用照明灯泡，这不仅灯丝易烧断，民用电压过高也极容易造成绝缘不良引起 火灾，甚至引发严重的行车事故。因色灯中断显示而频发的铁路事故促使人们寻 找根治信号光源的灵丹妙药。灯泡厂商经过不断改进刁生产出了发光效率高，寿 命长的低电压、双螺旋形灯丝的铁路专用灯炮。在此同时，电路也得到了改进， 加装了灯丝告警电路，主、副灯丝转换电路，信号维修人员定期更换老化的灯泡， 这些措施大大提高了灯光信号的安全可靠性并为色灯信号的进一步发展铺平了 道路。 1 9 1 6 年，美国多条铁路开始摒弃臂扳信号机，昼夜使用红、黄、绿三种颜 色的灯光信号，臂扳信号机由此退出历史舞台。这突破性的举措迅速为各国铁 路所采纳，并由此派生出了“自动闭塞”的概念，从而引发了铁路灯光信号的第 二场革命。所谓自动闭塞就是把两站间的线路划分为若干闭塞区段，每个区段装 设红、黄、绿三色信号灯。列车进入闭塞区段后，自动显示进行、慢行、停车。 这一划时代的信号革命，结束了铁路两站间只允许通行列车的历史。三显示自 动闭塞的一个主要特点是采用个闭塞分区来满足列车紧急制动距离的要求，一 般为1 4 0 0 米，最小不得少于1 0 0 0 米。列车追踪间隔为3 个闭塞分区，追踪时间 为8 分钟，个别区段为7 分钟。后者己达到三显示自动闭塞制式的极限，再缩短 将保证不了行车安全。 进入6 0 年代以来，以法国为首的技术先进国家又转而采用了四显示的制式 信号，即在黄灯前面加进“绿黄”灯光( 注意减速) ，使列车的追踪时间缩短到 6 分钟，大大提高了运输效率。 然而就在色灯信号机日臻完善的同时，列车的运行速度却在产业发展的大背 景下出现了质的飞跃。1 9 6 1 年l o 月1 日，世界上第一条高速铁路在日本诞生， 这就是东海道新干线，列车时速达2 1 0 公里，其后又相继开通了山阳、东北、上 越新干线。继日本之后，法国、德国、西班牙、意大利也陆续修建了高速铁路。 橇旦太謦硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 所谓高速铁路就是指具有高加速和高减速性能及对列车运行进行自动控制，时速 在2 0 0 k m 以上的铁路。截至目前，世界上有1 0 个国家共1 2 条高速铁路在运行， 其中时速在2 5 0 公里以上的有7 条。我国也正在筹建京沪高速铁路。高速铁路的 出现对铁路信号系统提出了更高的要求，而传统的色灯信号机也日益面临新的挑 战。 发端于上世纪六十年代的半导体技术为铁路信号的发展提供了历史机遇。半 导体技术的飞速发展极大地促进了铁路信号系统的升级换代，使铁路信号系统的 发展日益呈现出新的特征，主要表现在三个方面： 1 ) 信息化。传统的铁路信号系统的基本特征就是与通信系统无关联，随着 列车运行速度的提高，对铁路信号系统设备的操作和系统运行方式的信息化、自 动化已经成为现代铁路的基本要求，传统的人工控制的方式已经无法满足现代铁 路的需要。半导体技术推动了微电子器件的大发展。微电子器件除在铁路信号的 安全电路中获得广泛应用外，在过去被称为电子器件“禁区”的联锁、闭塞设备 中也得到应用，出现了微机联锁、微电子闭塞、微机化调度集中、车载微机系统 等。与此同时，数据无线通信、卫星通信、感应通信等现代通信技术也被引入铁 路信号系统，使其监控功能从过去以布线逻辑为基础逐步转变为以计算机通信网 络为基础，从而扩大了监控范围，使更准确地实现列车定位成为可能，也极大提 高了列车与地面( 车站、调度所) 、列车与列车之间的信息交换能力。 2 ) 智能化。铁路信号系统在经历了以人工控制、设备控制、信息控制为主 体的发展阶段后正在向以知识为主体的智能化方向发展。即以知识为主体的系 统，它改变了单纯的数值计算方法，参照人脑的思维方式和处理问题的方法，将 人类专家的知识和经验融于系统控制与决策过程中，使系统具有模仿人类智能的 能力，实现智能控制与决策。尽管目前基于传统控制与决策技术的系统，能部分 或全部代替司机和调度员的工作，但其控制与决策品质远不如优秀的司机和调度 员，这是由于传统的信号系统不具备人类智能。人们希望系统不但能处理数值数 据，而且能处理具有专门知识的专家才能解决的复杂问题，即具备处理不确定性 和不精确性的能力，对控制和决策后果预测的能力，根据环境因素和过程变化实 时修正控制与指挥策略的能力，以及控制与决策的多目标性等。如何将人类智能 活动由计算机来实现，促进了人工智能的诞生与发展。它以知识为对象，研究知 识的获取、知识的表示方法和知识的使用。进入新世纪，在分布式数据库、并行 计算机、计算机辅助制造等多学科研究的影响下，人工智能越来越多地向分布式 人工智能( d a i ) 方向发展，其宗旨是“运用多方面可以起控制作用的知识，解 决大规模复杂问题”。d a i 以委员会的形式，结合不同专业的专家系统来解决超 出任一专业范围的问题。由于铁路系统是一个具有分布性质，由不同技术工种分 福里大学硕士论义l e d 铁路色灯信号机的光学设计 工协作又需要集中统一指挥的系统，因此分布式是人工智能应用于铁路系统的最 恰当的形式。以人工智能为基础，综合自动控制、系统论、信息论等多学科知识 而发展起来的智能控制技术是一种新兴的控制理论，与常规控制相比较，它在理 论、方法和性能上都达到前所未有的新高度，专注于解决现代工业系统所具有的 复杂性和不确定性。自上世纪8 0 年代智能控制技术进入铁路信号系统以来，历 经2 0 余年的探索改进，已经在专家控制、神经网络、模糊控制等方面取得了一 些研究成果，如1 9 8 3 年日本铁路最先实现了基于模糊控制的智能化列车控制系 统，目前正致力于数字式列车控制系统、计算机一无线辅助列车控制系统( c a r a t ) 和新干线计算机安全、维护与作业系统( c o s m o s ) 的开发工作；另外在行车调度、 车站综合控制以及维修监测等方面，目、美、德、意等国均已取得多项成果。我 国自9 0 年代也已开展了人工智能在列车运行控制、行车调度计划调整和驼峰溜 放系统中的研究，并结合分布式人工智能的研究，提出了多智能体协作式综合调 度系统( m a c i d s ) ，目前正处于实用化系统的开发阶段。 3 ) 模块化集成化。继电技术虽然成熟，但设备体积较大，难以实现智能控制和 联网集中监测。微电子器件由于其体积小、重量轻的优势，有可能将复杂的布线 逻辑电路集成在一块小小的芯片内，并结合软件技术实现所期望的功能，构成模 块。这种模块化的设计方法，简化了系统设计，缩短了研究开发时间，提高了单 元可靠性，易于维修更换，便于按实际需要扩展或缩小系统规模。在微电子技术 的推动下，以布线逻辑为基础的铁路信号系统，正在逐步被以大规模集成电路和 计算机为基础的分布式铁路信号系统所取代。世界各国铁路越来越多地采用多单 元组合、多微机功能分布式设计方案来实现铁路信号系统的模块化、集成化。 4 ) 半导体技术的飞速发展导致了新型固体发光器件发光二极管( l e d ) 的诞生。作为最有希望替代传统信号光源的新型发光器件，l e d 大有进军铁路色 灯信号领域的趋势，推动着铁路色灯信号向低能耗、高显示的方向发展。 1 2 我国的铁路色灯信号机 1 2 1 我国铁路色灯信号机的历史 由于历史的原因，我国铁路在诞生初期由不同的外国资本控制，铁路信号也 被打上了殖民地半殖民地的烙印，缺乏统一的规划，信号不统一，设备简陋，制 式杂乱、器材规格各异，不同地区间的情况差异很大。尤为严重的是，一些主要 运输干线，如陇海、浙赣、粤汉等铁路，竟然长期无正式信号设备，靠人工手信 号指挥行车。1 9 2 7 年才在少数区段安装了臂扳信号机，且机柱参差不齐。我国最 早的色灯信号机出现于东北地区。1 9 3 1 年“9 1 8 ”事变后，东北铁路为日本独 橇霉盖摹硕士论文l e d 铁路色灯信号机的光学设计 占，中东铁路苏家屯站以北开始安装色灯信号机。 新中国诞生后，我国的铁路建设取得了巨大的发展，特别是改革开放以来， 经过2 0 多年的建设，铁路信号系统已基本发展成为体系完整、产品配套、信号显 示及规章制度统一的具有中国特色的铁路信号系统，实现了由机械信号向电子信 号、灯光信号的转变，并正在逐步实现由地面信号向机车信号的过渡。在借鉴国 外经验的基础上，于“九五”期间独自发展了铁道部调度指挥管理信息系统 ( d i s p a t c h i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称dmis ) ，以现代信息技 术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技术，建立了三级四层( 即 铁道部、铁路局、铁路分局三级加上基层信息采集层) 的现代化运输调度指挥系 统。然而由于体制和技术的原因，我国铁路信号系统长期以来一直存在如下问题： 1 ) 自动化程度亟待提高。继电技术虽然成熟，但设备体积较大，难以实现智能 控制和联网集中监测。随着微电子技术的发展，在工业控制领域中，继电控制技术 已逐渐淘汰，取而代之的是plc 、微机控制等智能控制技术。与工业控制领域 相比，我国铁路信号系统还大量采用继电控制设各，虽然也逐渐采用了一些计算机 智能控制设备，但发展步伐较慢，难以形成大规模的综合控制体系，在提高整体效 率及优化资源配置方面的效果不够明显。 2 ) 安全性不够高。安全性与可靠性已经成为现代铁路系统的首要课题，然 而我国铁路由于受到自动化程度的限制，行车调度指挥工作过多依赖人工操作， 列车的控制也主要依赖司机对地面信号的观察与判断。有研究表明，当列车速度 超过1 6 0 公里时后，仅仅依靠司机的视力已经无法保证列车安全运行。 3 ) 管理分散。铁路系统是一个整体，不同时间、不同地区的情况差异很大。 现有的铁路信号系统中通信手段落后，信息传递速度慢，无法从整体上合理配置资 源，尽管已经安装了微机监测系统但还没有真正地发挥作用。同时各业务部门各 自为政，分别设置专用系统，严重影响了铁路的资源整合和信息共享。 4 ) 管理水平落后。现行的管理机制使得铁路系统人员臃肿，办事效率低，营销 手段落后，资源得不到合理利用。在当前市场经济条件下，铁路系统作为物流环节 中的重要组成部分，应当由企业而不是政府机关来管理，引进现代化企业的管理机 制以提高效率，增加效益。 总而言之，无论从体制上还是从技术上，我国铁路都迫切需要引入新观念、 新理论、新技术。认真制定国内铁路信号发展规划，跟踪世界铁路先进信号技术， 尽快缩短同世界先进水平的差距。 1 2 2 我国铁路色灯信号机的现状 目前我国铁路干线普遍采用的是三显示双线自动闭塞，信号显示为进路式， 黪顿乒灰謦硕士论文 l e d 铁路色灯信号机韵光学设计 即以红、绿、黄三种颜色的灯光信号传递接发车及调车作业命令：绿色灯光表示 按正常速度行车，黄色灯光为注意信号，表示前方信号为红灯，过黄灯后应减速 停车。这种光信号与运输效率和行车安全有十分重要的直接关系，而其中一种重 要设备就是色灯信号机。 色灯信号机按其光学系统可以分为透镜式和探照式两种，探照式色灯信号机 构是由l o vl o w 自炽双丝信号灯泡、椭球面反光镜、两块平凸透镜、继电器色片 变换机构组成。虽然它的光效率较高，但是继电器色片变换机构有时出现故障， 相比之下，透镜式色灯信号机显示效果好、结构比较简单、使用方便，且便于维 修，所以我国早己停止探照式色灯信号机构的生产，现场绝大部分使用透镜式色 灯信号机。 我国现有的铁路色灯信号机是六十年代由铁科院通信信号所设计的，采用透 镜式光学系统，它是由 2 v2 5 w 双灯丝白炽灯泡( 光效为1 4 1 m w ) 、菲涅尔透镜 组、点灯变压器、灯丝转换及报警电路、调焦灯架和灯箱等组成。两显示透镜式 色灯信号机构如图1 - 1 所示，其信号光源铁路直丝信号灯泡如图卜2 所示： 图卜l 透镜式色灯信号机构 图卜2t x l 2 2 5 1 2 2 5 a 型铁路直丝信号灯泡 如上图所示，铁路信号灯泡的特点是双灯丝，安装时主灯丝处于透镜组焦 点。当主灯丝断丝时，付灯丝自动点燃，保证了信号不间断显示。另外光中心高 、 橇里大謦硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设汁 度要求严格，允许公差仅为o 1 3 m m ，要求更换灯泡后，主灯丝仍处于透镜组 焦点位置。 菲涅尔透镜是1 8 2 0 年由曾经担任过铁路工程师的法国著名物理学家菲涅尔 研制的，由于菲涅尔透镜厚度薄、吸收少、重量轻，相对孔径可以做得很大而保 持较小的球面象差，使得光源的利用率很高。因而在聚光照明系统中占重要地位 并一直沿用至今，在国内外铁路色灯信号机中都得到了广泛应用。我国铁路色灯 信号机中的菲涅耳透镜组是由直径为2 1 2m m 的无色内梯玻璃透镜和直径为 1 3 9 m m 的有色玻璃外梯透镜组成。其中内梯透镜焦距为1 3 2m m ；组合焦距为2 5 m m 。内梯透镜和外梯透镜分别如图卜3 和图卜4 所示，其各阶梯半径及结构尺寸见 图卜5 和表卜l ： 图卜3 内梯菲涅尔透镜 图卜4 外梯菲涅尔透镜 糍要大謦硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 图卜5 菲涅尔透镜的尺寸结构 表卜1 两种透镜的各阶梯半径尺寸 阶怫举径牺m 阶梯 牡l 23 4s巷， 2 1 2 m 内 撼邋禳 1 8 2 dl 蚰- 2 0 5 。：2 1 8 。22 3 2 q2 4 8 0酾5 。j2 8 3 雪 1 3 9 m m _ 蚪 3 3 7玉8 埠4 3 - 04 7 感5 0 j5 ，1懿0d 存8 梯邋精 铁路灯光信号有红、黄、绿、白、蓝、紫，后来又加上月白共7 种颜色，它 们单独或组合成数十种具有确切含义的行车命令：红、绿、黄色用于出发、进站 等主体信号的显示；蓝、紫、月白、白色用于道岔表示器、脱轨表示器、道口 等信号显示。铁道部1 9 9 3 年颁布的铁道行业标准t b t 2 3 2 5 - 9 3 对铁路信号灯的发 光强度、散角、偏散角等相关内容都作了统一规定，包括铁路高柱、矮型透镜式 色灯信号机、信号表示器、臂扳信号机、道口信号机、手信号灯、列车侧灯、机 车标志灯等。对不同颜色的高柱、矮型色灯信号机的发光强度的规定具体见表 】一2 ： 表卜2 信号灯的规定发光强度 美强溉鏖( 础 懈挂色好瞎母机鞫 整蔑引嚣窖愀穑母御 缸2 l 口01 蛳 黄j 掌口03 2 0 0 缣2 咐2 藏2 5 0 月由 3 0 0 n 2 巷8 0 同时规定了色灯信号机的光束散角，水平方向不应低于2 。1 27 ，垂宜方向 光束散角不应低于l 。1 0 。 手信号灯、列车侧灯、机车标志灯的发光强度见表卜3 ： 顿里克茅硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 表卜3 手信号灯、列车侧灯、机车标志灯发光强度 煎光强度c c 站 芊信号灯l 密掌夔灯i 髓啦撼灯l 机车檬盎灯 赶 4l 口5 簧 6 撩3 。5 白 蠲 53 1 3 铁路色灯信号显示的发展趋势 长期以来，我国铁路信号走自我发展的道路，已基本上发展成体系完整、产品 配套、具有我国特色的并有自己的科研、教育、设计、工业生产、施工维修的一 整套信号系统，然而改革开放的不断深入及国民经济的快速发展对铁路运输提出 了越来越高的要求。为更好地服务于经济建设，同时也为了寻求自身的发展，从 1 9 9 7 年至今全国铁路己连续六次大面积提速，并计划于今年秋季再进行第七次 提速。目前我国铁路的列车时速已普遍达到1 6 0 公里以上，个别线路甚至超过 2 0 0 公里。提速网络基本覆盖了全国主要铁路干线，火车运行速度平均提高了百 分之二十五。提速后，全国初步建成以北京、上海和广州为中心的“三个提速 圈”。半径在5 0 0 公里左右的城市之间将实现“朝发夕至”，1 2 0 0 公里至1 5 0 0 公里左右的实现“夕发朝至”，2 0 0 0 公里至2 5 0 0 公里左右的实现“一日到达”。 列车提速改变了我国铁路长期低速运行的模式，极大地缓解了国民经济发展 中的“供血不足”。然而列车速度的不断提高，对铁路信号保证列车的安全运行、 自动控制、行车指挥、信息管理构成了更高的要求，同时也对作为安全行车保护 神的色灯信号机提出了新的挑战。我国长期以来在低速运行模式下形成的三显示 自动闭塞进路式信号系统，由于不具备速差概念，信息显示单一，已完全不适应 提速后各种速度列车混合运行的需要。同时，传统的色灯信号机由于白炽灯、卤 钨灯的寿命短，易断丝等原因，也为安全行车带来了隐患。研制颜色正、发光强 度高、信息显示灵活、安全可靠的新型色灯信号机构已成为当务之急。 、 禚里盖謦硕二 论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 第二章l e d 简介 2 1 l e d 技术的发展历程 发光二极管( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ，英文简写为l e d ) 是一种新型固态 冷光源，诞生于二十世纪六十年代初，具有结构简单、体积小、重量轻、耗能少、 响应速度快、抗震性能好、使用方便等优点。在同样照度下，l e d 的电能消耗和 寿命比白炽灯和卤钨灯都有明显的优势。l e d 可以分为可见光l e d ( 4 5 0 7 8 0 n m ) 和不可见光l e d ( 8 5 0 1 5 5 0 n m ) 。可见光l e d 按亮度又可分为一般亮度l e d 和高 亮度l e d ；其中一般亮度l e d 主要用g a p 、g a a s p 及a i g a a s 、g a n 等材料做成； 高亮度l e d 主要用a i g a i n p 及i n g a n ，g a n 等材料做成，高亮度l e d 的发光范围 较广，目前最热门的蓝光l e d 是用g a l n n ，g a n 材料做成。不可见光l e d 又可分 为红外线l e d 、光通信l e d 及l d ，主要应用于遥控器及一些通讯设备。 人类第一次观察到半导体材料的发光现象是在1 9 0 7 年，但全球第一款商用 发光二极管的问世却是在六十年以后。1 9 6 2 年，g e 、m o n s a n t o 、i b m 的联合实验 室开发出了发红光的磷砷化镓( g a a s p ) 半导体化合物，峰值波长约为6 5 0 n m ， 此时l e d 的发光效率仅为0 1i m w ，比普通白炽灯的发光效率( 约1 5 1 m w ) 还 要低1 0 0 多倍；1 9 6 8 年l e d 的研究取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使g a a s p l e d 的发光效率达到了ii m w ，l e d 步入商业化发展阶段，随后在b e l l 、i b m 等 公司的努力下，逐渐开发出了黄、绿光的l e d 。1 9 7 2 年开始有少量l e d 用作钟表 和计算器的显示屏。几乎与此同时，惠普和德州仪器公司也推出了带7 段红色 l e d 显示屏的计算器。这一时期的l e d 产品主要以红色为主，但亮度不高，而且 比较昂贵。 电脑、电子器件、手机等商业和个人应用产品的兴起形成了对l e d 市场的强 烈需求，l e d 主要被应用在这些电子器件上作指示用途。这个时期人们只是把l e d 作为指示灯来认识，尚没有认识到l e d 的其它用途。高亮度l e d 在二十世纪八十 年代出现，这一时期的产品主要应用于信号、标识、显示等方面。耐用、高亮度 等特点非常适合紧急信号、标识的应用，例如发光安全出口标识已基本由l e d 取代了白炽灯、荧光灯。由于这一时期的l e d 具有亮度高、体积小、耐用等特点， 在汽车尾灯、交通信号灯等方面的应用也具有非常广阔的市场前景。在这些传统 的应用领域，l e d 的应用与推广需要很长的过程，但是l e d 的应用并不都来自于 对传统产品的替代，由于l e d 的体积小，非常适合矩阵式排列，这使l e d 被用在 许多信息需要变化的显示应用方面。 1 9 9 4 年，日本旅美科学家中村秀二在g a n 基片上研制出了第一只蓝色发光 棋里太学硕士论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 二极管，由此人们看到了白光二极管的曙光以及g a n 基l e d 广阔的市场前景和巨 大商机，也由此引发了对c a n 基l e d 的研究热潮。g a n 基l e d 迅速发展，逐渐进 入到应用市场领域。g a n 基l e d 商业化生产始于2 0 世纪9 0 年代中期，通过红、 绿、蓝三种颜色调配，就可以设计出全彩的动态设计。蓝光l e d 的出现大大加速 了大屏幕显示应用，从2 0 世纪9 0 年代中期开始，l e d 大面积显示屏在广告、体 育行业和娱乐场所迅速崛起并逐渐形成自己的特色。 在紫外和蓝光技术上的突破使得另外一种生成白光的技术成为可能，即在单 枚l e d 上通过蓝光激发r g b 荧光粉，生成白光。迄今为止制作白光l e d 主要有如 下三条途径，且各有其优缺点： r g b 三基色合成 将红、绿、蓝三种芯片封装在一起，调节三基色的配比，理论上可以获得各 种颜色的光。通过调整三色芯片的工作电流可产生宽谱带白光。缺点主要是由于 三种颜色l e d 的量子效率不同，而且随着温度和驱动电流的变化不一致，随时间 的衰减速度也各不相同，红、绿、蓝l e d 的衰减速率依次上升。因此，为了保 持颜色稳定，需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿，导致电路复杂。 蓝光l e d + y a g 荧光粉 以功率型g a n 基蓝光l e d 为泵浦源，激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染 料，由激发获得的黄光与原有蓝光混合产生白光。由于y a g 荧光粉已经在荧光灯 领域应用多年，工艺较为成熟。然而随着注入电流的增大，泵浦源蓝光和黄色荧 光这两个宽谱带的峰值强度和半高宽度发生相对变化，合成白光的色度学指标发 生漂移，因而这一方案存在严重的色度不稳定性，不容易实现低色温( 一般照明 用白光都略微偏暖色，色温较低) ，同时显色指数也不高，约为7 0 8 0 。 紫外l e d + r g b 荧光粉 采用高亮度的紫外或近紫外l e d 泵浦r g b 三色荧光粉 y 。o 。：r u ( 红色) 、 s r g a ：s 。：r u ( 绿色) 、b a m g a l 。0 。：r u ( 蓝色) ，产生红、绿、蓝三基色，通过 调整三色荧光粉的配比即可形成白光。随着注入电流的增大( 直至1 0 0 一1 0 0 0 m a 量级) ，三个荧光谱峰的相对强度和谱宽关系可基本维持不变，具有很好的色温 稳定性，因而在许多高品质场合( 如节能台灯) 得到广泛应用。相对于第二种方 法，这一方案更容易获得颜色一致的白光，因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定， 而且可以获得很高的显色指数( ) 9 0 ) 。然而，高效的紫外l e d 不容易制作，同 时紫外线的照射容易导致封装材料老化。 l e d 作为指示应用已经成熟，作为信号、显示等方面的应用还需要进一步发 展，而作为照明应用，尚属于起步阶段。随着第二代半导体材料氮化镓的突破和 蓝、绿发光二极管的问世，半导体照明已经成为一个新兴产业。近年来自光l e d 棋纵第硕土论文 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 的发展相当迅速，新技术、新产品不断涌现，光效和光通量不断提升，些功率 型白光l e d 的发光效率已经达到4 0i m w ，并且以每年1 0 2 0i m w 的速度提升， 大大超过白炽灯( 1 5i m w ) ，而向荧光灯迫近( 8 0i r a w ) 。自1 9 9 8 年以来，l e d 异军突起，已经成为照明领域的新宠儿，l e d 照明的应用领域越来越广，从大型 商场等公共场所、桥梁等标志性建筑的景观照明、特种照明逐渐向普通照明推进。 半导体照明采用l e d 作为新型光源，寿命比自炽灯长得多。有鉴于此，世界各主 要国家都将l e d 产业作为战略性产业给予大力支持。在日本率先出台了l e d 国家 照明计划后，美国、欧盟、韩国等国家也相继发起类似的国家照明计划；美国能 源部设立了半导体照明国家研究项目，计划到2 0 2 5 年，固态照明光源的使用将 使照明用电减少一半，累计节约开支1 1 5 0 亿美元，相当于少建1 3 3 座1 0 0 0 m w 的电站。我国也已经启动了“国家半导体照明工程”，我国台湾地区也推出了“次 世纪照明光源开发计划”，l e d 光源无论从深度和广度上都将成为人类照明史上 的一次技术飞跃。 综上所述，根据技术发展的不周阶段，l e d 产业的发展历程大致可以分为三 个阶段：指示应用阶段；信号、显示应用阶段：通用照明应用阶段。l e d 发展及应用进程见表2 - i ： 表2 - il ed 发展驶应用进程一览袭 年份发展进程应用领域 1 9 6 2 g a a s p 红光l e d指示灯 o a a s p 高效红光、黄光l e d ，g a p 1 9 7 0 计算器、数字手表、测试仪器 绿光、红光l e d 室外信号显示、条形码系统、 1 9 8 0 1 9 8 5 g a a l , 4 s 橙黄、绿光、红光l e d 光电传导系统、医疗器械 i n g a a i p 橙黄、绿光、红光l e d ， 1 9 8 6 - 1 9 8 9 室外显示屏 l e d 亮度及可靠性得到提高 使用m o c v d 设备制造i n g a a i p 橙 1 9 9 0红、橙色、黄光、绿光l e d 。亮度交通信号灯、显示屏、汽车 提高两倍 o a n 蓝光l e d ，i n g a n 高饱和度绿 1 9 9 3 医疗设各、光电平板印刷设备 光、蓝光l e d i n o a n 蓝光芯片+ y a g 荧光粉的白 全彩大屏幕显示屏、手机背 1 9 9 7 光、汽车仪表背光及刹车灯、 光l e d 景观装饰等。 i n g a n 紫外芯片+ r o b 3 色荧光糨的 2 0 0 1 同上 自光l e d 2 2 l e d 的发光原理 在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子中的不同，电子受到周围晶体 穗算泛擎硕上论义 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 内的周期性势场的影响，由量子力学可以计算电子运动的能量状态，这些状态被 限制在某个能量范围内。这个能量范围称为能带。上面的能带称为导带，用e 表示；下面的能带称为价带，用e v 表示。导带与价带之间为电子不允许填充的 区域，称为禁带，禁带宽度用e g 表示。根据能带理论，每一个能带还包含着许 多能级，能级总数恰好等于该晶体的总原子数。电子填入能级时必须服从泡利 ( p a u l i ) 不相容原理和能量最小原理，所以电子总是先填充能量较低的价带。 纯净的不含杂质的半导体称为本征半导体，它的导电能力很差。如果在半导体中 掺入杂质，情形就不同了。如果掺入施主杂质，则杂质能级上的电子很容易跑到 导带去成为自由电子，它增加了导带中的自由电子数目，通常称这类半导体为n 型半导体。反之，如果掺入受主杂质，则价带中的电子就会很容易跑到受主能级， 从而使价带产生许多空穴，这种半导体称为p 型半导体。在电场作用下，电子或 空穴都会运动形成电流。因此把电子和空穴都叫做载流子，可见掺入的杂质越多， 载流子密度越大，半导体的导电能力越强。 当p 型半导体和n 型半导体连接在一起时就形成p n 结。在边界处，p 型 一侧的空穴要往n 型一侧扩散，n 型一侧的电子要往p 型一侧扩散。这是由于载 流子浓度的差别引起的扩散运动。扩散的结果，在p 型一侧空穴减少，造成一个 带负电的区域，而n 型一侧电子减少，造成一个带正电的区域。于是在p n 结 界面处，形成所谓空间电荷区。空间电荷形成的电场称为自建场，电场方向从n 型区指向p 型区。在自建场作用下，载流子产生迁移运动，电子和空穴的迁移运 动方向正好和扩散运动相反。开始时，扩散运动占优势，自建场不断增强，最后 迁移运动完全抵消了扩散运动，达到了平衡。简言之，载流子的扩散运动形成了 自建场，自建场的存在反过来又阻止了载流子的进一步扩散。自建场使p - n 结的 边界附近形成了一个能量势垒，它意味着n 型中的电子( 或者p 型中的空穴) 必 须获得附加的能量才能进入p 型区( 或n 型区) 。这时扩散运动和迁移运动达到 了动态平衡，p n 结中并没有电流流过。 如果在p n 结上加上一个正向偏压( 即p 型区接正极，n 型区接负极) ，方 向与自建场相反，因而削弱了原来的自建场，使势垒降低，破坏了原来的平衡， 引起多数载流子扩散进入对方，即n 型区中的电子流入p 型区，p 型区中的空穴 流入r l 型区，增加了p 型区中的电子和n 型区中的空穴( 均属少数载流子) ，形 成了非平衡载流子。少数载流子通过扩散进一步向对方深入的长度的平均距离叫 做扩散长度，非平衡载流子只存在于扩散长度范围内。注入到p 区的电子将与p 区的空穴复合，其能量以光的形式释放出来。这种发光效应也称为注入电致发光。 由于不同半导体材料的带隙宽度不同，因此发出光的波长也不同，选择不同能隙 的半导体材料即可制成不同波长的发光二极管。显然，这是一种把电能直接转换 糯旦土学硕士论文l e d 铁路色灯信号机的光学设计 为光能的发光现象。 为了获得在可见光区的半导体发光二极管，半导体的禁带宽度应在1 8 - - 2 9 电子伏之间。g e 、s i 材料可以制得优良的p - n 结，然而其禁带宽度都在光谱 的红外部分，而且它们都是间接能隙半导体，因而复合跃迁的几率极低，不宜于 制作半导体发光二极管。g a a s 虽是直接能隙半导体，但其禁带宽度仍然小于1 8 电子伏，不能发出可见光。c d s 是直接能隙半导体，其禁带宽度也落在可见光范 围内，然而这种材料不易制成p - n 结。因此，直到七十年代才制成了能发出可见 光的半导体发光二极管。 2 3 l e d 的基本结构 l e d 的基本结构包括芯片和封装两部分。芯片最下面是2 0 0um 厚的g a a s 衬底，衬底上面是三个分别为1um 厚的薄层，掺有不同的铝、镓、铟、磷杂质。 其中中间层和底层形成p - n 结。中间层也被称为活性层，电子主要在活性层中复 合。在芯片的最上面和最下面镀有金属触点，如图2 1 所示： 金属触点 4 5 pn l窗口层 1u m中同层( 活性层) lbm底层 2 0 0 umg a a s 衬底 金属触点 图2 - 1l e d 的基奉结构 l e d 的封装是将芯片的正极通过球形接触点和金线与管脚相连：负极通过 反射杯和引线架与另一管脚相连。反射杯主要用于收集芯片侧面和底面发出的 光，向期望的立体角内反射出去。最后以环氧树脂进行封装，环氧树脂的作用有 _ - - 一是保护芯片不受外界侵蚀；二是通过不同的外形，起到透镜的作用，控制 光的发散角；三是由于芯片折射率远远高于空气折射率，芯片内的光容易发生全 反射，导致过多的光损失，因此用环氧树脂作为过渡，提高出光效率。 1 4 橇里大学硕士论文 2 4l e d 的性能 2 4 1 电性能 l e d 铁路色灯信号机的光学设计 l e d 的电性能和普通二极管相似，同样具有正向特性和反向特性。在电子电 路中，将l e d 的正极接在高电位端，负极接在低电位端，l e d 就会导通，这种连 接方式，称为正向偏置。这时电流随着电压的增加而很快增长。必须说明的是， 当加在l e d 两端的正向电压很小时，l e d 仍然不能导通，流过l e d 的正向电流 ( f o r w a r dc u r r e n t ) 十分微弱。只有当正向电压达到某一数值( 称为“阈值电 压”) 以后，l e d 才可以导通( 如图2 - 2 所示) 。不同芯片材料的阈值电压是不同 的，导通后l e d 两端的电压随电流变化的情况也随材料的不同而不同，称为l e d 的“正向压降”v ，( f o r w a r dv o l t a g e ) 。 当l e d 的正极接在低电位端，负极接在高电位端时，其中几乎没有电流通过， 此时l e d 处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。当l e d 处于反向偏置时， 仍然会有微弱的反向电流i 。( r e v e r s ec u r r e n t ) 流过，称为漏电流；当电压增加 时电流趋于“饱和”。当l e d 两端的反向电压增大到某一数值时，反向电流会急 剧增大，失去单方向导电特性，这种现象称为二极管的击穿( 如图2 2 所示) 。 因此，在l e d 的电路设计中，要注意避免过大的反向电压导致l e d 的击穿。 2 4 。2 光性能 图2 - 2l e d 的光电特性 l e d 的发光范围可以很小，小角度的l e d 发光范围仅仅局限于士15o 之内。 其峰值强度在一定范围内，随正向电流的增加而增加( 如图2 3 所示) 。然而电 流密度过高时，可能会导