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器件从最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。图2示出了凸透镜聚光的基本原理。
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。图３为菲乃尔透镜的剖面图。
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，光源被最大限度地利用，航标灯的光输出达到最大值。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
