CN111009144A - 一种基于MicroLED的交通信号灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MicroLED的交通信号灯。装置采用一种或多种MicroLED芯片作为信号光源，设计了形成阵列排布的发光单元，并将阵列排布的发光单元布置于装置内圆形集成电路基板上，再通过控制电路实现信号光源的交替点亮。装置还能采用印刷有量子点阵列的导光板，通过信号光源激发形成相应交通指示信号。所述集成电路基板与控制电路以及导光板均固定于交通信号灯反光灯罩外壳中，反光灯罩外壳前端出光面连接有灯面玻璃，后端有导电灯头与外部电源连接。整套MicroLED红绿灯装置与现有的LED红绿交通信号灯主要光照指标一致。由于MicroLED的自身发光优势，再与色纯度高的量子点材料结合，使得红、黄、绿三色交通信号色彩更加鲜明，装置的节电性能和使用寿命大幅提升。

Description

一种基于MicroLED的交通信号灯

技术领域

本发明属于交通信号指示灯领域，具体涉及一种基于MicroLED的交通信号灯。

背景技术

交通信号灯是现代交通文明的重要标志之一，具有指挥交通运行的作用。一般由红灯、绿灯、黄灯组成。目前绝大部分路口交通信号灯的信号光源采用的是传统LED发光二极管，交通信号灯里面的布满了LED灯珠，因此在信号光源的选择及分布设计方面还能进一步优化，即交通信号灯整体结构可以设计的更加紧凑，交通信号灯装置的耗电量和使用寿命也存在着提升空间。对此，许多研究者开展了相关工作。在专利CN102280039A中研究者针对信号光源LED进行二次配光设计，使信号光源LED出射光的三分之一直射于红绿灯的正前方，勾勒出红绿灯的圆形轮廓，而另外三分之二的出射光经过所设计的圆锥反光体二次配光部件，与上述轮廓光组合形成圆形光面。该设计减少了信号光源LED的用量，但仍使用传统信号光源LED，并未从根本上降低交通信号灯的功耗。专利CN105388626A中，研究者提出了一种用LED光源与衍射光学元件实现的交通信号灯光学系统，LED照射光源的光场经过所设计的衍射光学元件的光学调制，使得信号灯图案形状的光场沿着特定角度区域传播，有效利用光场能量，消除信号灯的光强分布标准之外区域的无效光场分布，从而实现节能的目的。但该装置的衍射光学元件众多，装置整体结构复杂，不利于实际使用。在专利CN1595469A中，研究者提出一种柔光发光二极管的交通信号灯，将70%的LED在导光板周边顺着导光板表面方向镶进，利用塑料光纤材料制成的导光板和采光材料对光的特性使得发光柔和，并于中心LED配合起来即保证了发光亮度又扩展了视角。但该装置并无其他配光部件不能保证信号灯出光均匀，且仍采用传统LED光源，未根本提升整个装置的节电性能和使用寿命。

随着LED产业的进一步发展，MicroLED技术应运而生。MicroLED技术是新一代显示照明技术，其典型结构是PN接面二极管，由直接能隙半导体材料构成，其尺寸仅在10-3~10-2mm等级左右。当对MicroLED上下电极施加一正向偏压，致使电流通过时，电子、空穴对于主动区复合，发射出单一色光。加之其亮度高、寿命长和稳定性好的巨大优势，搭配几乎无光耗元件的简易结构，就可轻易实现低能耗和高亮度的照明发光设计。再与色纯度高的量子点材料结合，将两项技术综合应用于交通信号灯中，不仅能产生色彩更鲜明的红、黄、绿三色交通信号，还大幅提升了装置的节电性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MicroLED的交通信号灯，用于交通信号指示灯领域。该装置采用一种或多种MicroLED芯片作为光源，设计形成阵列排布的发光单元，经过灯面出射，形成清晰明亮的圆形面光源，做出的MicroLED交通信号灯与现有的LED红绿交通信号灯主要光照指标一致。由于MicroLED的自身优势，使得整套装置耗电量大幅降低，使用寿命显著提高。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于MicroLED的交通信号灯，包括布置有发光阵列的圆形集成电路基板，所述圆形集成电路基板底部设置有与圆形集成电路基板连接的控制电路，所述圆形集成电路基板与控制电路固定于交通信号灯反光灯罩外壳中，所述交通信号灯反光灯罩外壳出光面设有灯面玻璃，所述交通信号灯反光灯罩外壳背离出光面的一端设有导电灯头，所述控制电路通过导电灯头与外部供电电源连接。

在本发明一实施例中，所述发光阵列为由红、黄、绿色三种MicroLED芯片形成的N个圆环发光阵列，并以所述圆形集成电路基板的圆心为中心布设于圆形集成电路基板上，使得发光阵列点亮后能形成圆形面光源。

在本发明一实施例中，所述圆环发光阵列以发光单元为单位构成，所述发光单元中红、黄、绿色三种MicroLED三种芯片以等间距∆d间隔排布，其中，红色MicroLED 芯片在发光单元中布置于远离圆形集成电路基板圆心的一侧，绿色MicroLED 芯片在发光单元中布置于靠近圆形集成电路基板圆心的一侧，黄色MicroLED 芯片布置于红色MicroLED 芯片和绿色MicroLED 芯片之间；所述每个MicroLED发光强度空间分布满足朗伯定律，由其组成的所述发光单元均为余弦辐射体。

在本发明一实施例中，所述发光单元的截面是半径为a的圆形，或是此圆形的外接正多边形。

在本发明一实施例中，所述控制电路以脉冲恒流驱动方式控制圆形集成电路基板，使得圆形集成电路基板的红、黄、绿色三种MicroLED芯片可以分别点亮，从而发出清晰明亮的红、黄、绿三种颜色的交通信号灯光。

在本发明一实施例中，所述脉冲恒流驱动方式是在脉冲驱动中使用恒流源保证脉冲宽度内的驱动电流为恒定值，从而克服三种MicroLED芯片的离散性；所述脉冲驱动中脉冲宽度为τ，在脉冲宽度τ期间加有正向电压，有正向电流流通；而在脉冲间歇期间，可选择的不加电压或加入反像偏压，使得芯片处于截至状态；所述控制电路通过调整脉冲恒流驱动的脉冲占空比D调节发光亮度，所述脉冲占空比满足

，其中，T为脉冲重复周期。

在本发明一实施例中，所述圆形集成电路基板顶部还设有印有红、黄和绿色量子点的导光板，所述发光阵列以发光单元为单位构成，每一发光单元左右相邻轴间距为

，上下相邻轴间距为

，使得相邻的每三个发光单元均呈现等边三角形的交错分布，从而形成外部轮廓为六边形的发光阵列。

在本发明一实施例中，所述发光单元还可以由三个能被独立控制蓝色MicroLED芯片组构成，三个蓝色MicroLED芯片组之间以等间距∆d间隔排布。

在本发明一实施例中，所述导光板表面的红、黄和绿色量子点形成量子点阵列单元，所述量子点阵列单元的尺寸和排布方式与发光单元对应，在每一个量子点阵列单元中，与三个蓝色MicroLED芯片组对应区域分别印有红、黄和绿色量子点。

在本发明一实施例中，所述导光板的材料包括：聚碳酸酯PC、聚丙烯酸甲酯PMA、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二酯PET；所述红、黄和绿色量子点的材料包括：CdS，CdTe/CdS，CdSe/ZnS，ZnCdS/ZnS，CdTe/CdSe/ZnS，CdSeTe/ZnS，CuInS2，Cu掺杂量子点，Mn掺杂量子点和Mn/Cu共掺杂量子点；所述导光板是通过喷墨打印的方式制备而成。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的一种MicroLED交通信号灯，利用巨量转移技术制成所述MicroLED发光单元并形成阵列排布于集成电路基板上方法可行，还可以利用喷墨打印技术将墨水打印于导光板上形成量子点阵列，再通过控制电路控制三组MicroLED芯片进而实现红、黄、绿交通信号指示，结合MicroLED自身发光优势，再与色纯度高的量子点材料配合，不仅能产生色彩更鲜明的红、黄、绿三色交通信号，还大幅提升了装置的节电性能和使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一中所述装置的剖向示意图，以及所述装置各部件结构的空间位置示意图。

图2为本发明实施例一中所述圆形集成电路基板中布置有红、黄、绿MicroLED阵列的分布示意图。

图3为本发明实施例一中所述MicroLED阵列中每个发光单元的分布位置示意图。

图4为本发明所述的MicroLED交通信号灯中，控制电路运行机理示意图。

图5为本发明实施例二中所述装置的剖向示意图，以及所述装置各部件结构的空间位置示意图。

图6为本发明实施例二中所述MicroLED阵列分布示意图，以及每个发光单元分布位置示意图。

图7为本发明实施例二中所述量子点阵列分布位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了以下两个实施例的MicroLED交通信号灯，具体如下：

实施例一中所述MicroLED交通信号灯装置如附图1包括：布置有红、黄、绿三种MicroLED发光阵列的圆形集成电路基板1 ，所述圆形集成电路基板1底部连接有控制电路2，所述集成电路基板1与控制电路2固定于交通信号灯反光灯罩外壳3中，所述反光灯罩外壳3前端出光面连接有灯面玻璃4，所述反光灯罩外壳3后端连接有导电灯头5。

在本发明实施例一中，所述圆形集成电路基板1上布置有红、黄、绿三种MicroLED芯片，如附图2包含三种不同颜色的MicroLED芯片阵列可以圆环61形式分布，所述圆环61是以到圆形集成电路基板1中圆心半径布置的，所述圆环61圈数并未严格限制，可以是3到5圈。所述圆形集成电路基板上的MicroLED点亮后能形成直径D为300mm的圆形面光源。

在本发明实施例一中，如附图3，所述包含红、黄、绿三种MicroLED圆环阵列61是以发光单元62构成的。所述发光单元62截面可以是半径a为40~42mm的圆形，或是以此圆形的外接正多边形。在本发明附图中所示的发光单元均以边长a的正方形为例，但不局限于此，可以是上述形状的一种或几种组合。

在本发明实施例一中，如附图3所述发光单元62中三种芯片以等间距∆d间隔排布，其中红色MicroLED 矩形轮廓63布置于远离圆形集成电路基板1中圆心一侧，绿色MicroLED 65布置于靠近圆心一侧，黄色MicroLED 64布置于所述MicroLED 63和65之间。本发明中在所述的每个发光单元内布置芯片区域的形状没有严格的限制，在附图中均以矩形轮廓示意。

在本发明实施例一中，所述圆形集成电路基板1连接于控制电路2，并通过导电灯头5与外部供电电源连接。所述控制电路2可以脉冲恒流驱动方式，控制集成电路基板1，使得红、黄、绿三种MicroLED芯片可以分别点亮，从而在所述装置中发出清晰明亮的红、黄、绿三种颜色的交通信号灯光。

在本发明实施例一中，所述脉冲恒流驱动方式是在脉冲驱动中使用恒流源保证脉冲宽度内的驱动电流为恒定值，从而克服三种MicroLED芯片的离散性。所述脉冲驱动中脉冲宽度为τ，在脉冲宽度τ期间加有正向电压，有正向电流流通；而在脉冲间歇期间，可选择的不加电压或加入反像偏压，使得芯片处于截至状态。

在本发明实施例一中，所述控制电路2通过调整所述脉冲恒流驱动的脉冲占空比D调节装置的发光亮度，所述脉冲占空比应满足

，其中T为脉冲重复周期。

在本发明实施例一中，所述控制电路2中可以采用控制模块单片机实现红、黄、绿交替的交通指示信号，所述单片机的型号可以选择89S51，但不局限于此。所述单片机可采用40引脚双列直插式DIP，包括下列部件：一个8位CPU，一个片内振荡器及时钟电路；4KBFlash E2PROM数据存储器，可寻址6KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路，4个8位并行I/O端口，两个16位定时器计数器，一个全双工串行口，5个中断源和两个优先级嵌套终端结构。

在本发明实施例一中，如附图4所述单片机采用中断方式，通过调用中断延时实现三种指示信号的交替出现，所述定时器初始化步骤按照以下顺序进行：(1)根据红、黄、绿三种信号灯点亮的时间计算初值，所述信号灯点亮时间应为上述脉冲重复周期T的正整数倍；(2)将定时器工作方式控制字写入所述89S51单片机的TMOD寄存器；(3)将定时初值写入所述单片机的THx和TLx寄存器；(4)将所述单片机运行控制位TRx置位启动定时器。

实施例二中所述MicroLED交通信号灯装置如附图5包括：排布着蓝色MicroLED发光阵列的圆形集成电路板1和印有红、黄和绿色量子点的导光板6，以及实施例一中所述控制电路2、反光灯罩外壳3、灯面玻璃4和导电灯头5。

在本发明实施例二中，所述排布着MicroLED阵列的圆形集成电路板1如附图6，所述圆形集成电路板尺寸与实施例一中相同。所述MicroLED阵列是以发光单元62构成的，此发光单元62的尺寸及形状要求与实施例一中所述发光单元是一致的，发光单元中的芯片排布方式与实施例一中也是一致的。

在本发明实施例二中，如附图6所述发光单元中均采用发蓝色单光的MicroLED芯片，包括三组能被独立控制的芯片组661、662和663，芯片组轮廓与实施例一中也是一致的，仅以矩形示意。所述共横轴的MicrolLED发光单元62中相邻单元的间距为

，上下相邻的轴间距为

，相邻轴的发光单元呈现等边三角形的交错分布67。所述MicroLED发光单元排布阵列外部轮廓为六边形，所述圆形集成电路板轮廓为MicroLED发光单元排布阵列外部轮廓的外接圆。

在本发明实施例二中，所述印有红、黄和绿色量子点的导光板6的材料可以是有机材料如：聚碳酸酯PC、聚丙烯酸甲酯PMA、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二酯PET，但不局限于这些材料。

在本发明实施例二中，所述红色、黄色和绿色量子点材料可以从一组材料中选出，该组材料包括：CdS，CdTe/CdS，CdSe/ZnS，ZnCdS/ZnS，CdTe/CdSe/ZnS，CdSeTe/ZnS，CuInS2，Cu掺杂量子点，Mn掺杂量子点和Mn/Cu共掺杂量子点。

在本发明实施例二中，所述印有红、黄和绿色量子点的导光板6是通过喷墨打印的方式制备而成，其工艺步骤包括：

步骤一：导光板基板预处理；

利用旋涂法将制备的预处理溶液转移到导光基板上，首先设置低速转速旋涂，然后设置高速转速旋涂，低速转速500 rpm旋涂10 s，高速转速3000 rpm 旋涂30 s。基板旋涂完成后，将基板放置在波长为385 nm的紫外光下固化。

步骤二：喷墨打印量子点墨水；

利用喷墨打印设备将打印在导光板表面形成阵列，红、黄和绿色量子点墨水以液滴的形式通过喷嘴在气压的作用下喷射至导光基板上，在打印的过程中，每次在导光板同一个位置上可以喷射10~12次量子点液滴。

步骤三：对导光基板的紫外灯照射固化，制备成所述红、黄和绿色量子点圆形导光板。

在本发明实施例二中，所述导光板6表面量子点阵列单元如附图7，所述量子点阵列单元68的尺寸和排布方式与MicroLED发光单元62对应，在每一个量子点阵列单元68中，与芯片组对应区域681、682和683分别印有红、黄和绿色量子点。

在本发明实施例二中，所述控制电路2的工作方式与实施例一中类似，控制电路分别控制所述芯片组661、662和663的点亮，使得所述MicroLED芯发出的蓝光激发导光板6上对应区域681、682和683的红、黄和绿色量子点阵列单元，最终通过灯面玻璃4出射形成清新明亮的红、黄、绿三种交通指示信号。

在本发明实施例一、二中，所述每个MicroLED发光强度空间分布满足朗伯（Lambert）定律，由其组成的所述发光单元均为余弦辐射体。

在本发明实施例一、二中，所述MicroLED发光单元62是利用巨量转移装置实现的。

在本发明实施例一、二中，所述灯面玻璃与反光灯罩的防护等级是满足“GB14887-2011道路交通信号灯”中规定的防尘、防水、防触电保护等试验要求。

在本发明实施例一、二中，所述灯罩外形可按“GB14886-2016道路交通信号灯设置与安装规范”中要求制作成圆盘灯等各种形状，使得装置外形更加美观。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，包括布置有发光阵列的圆形集成电路基板，所述圆形集成电路基板底部设置有与圆形集成电路基板连接的控制电路，所述圆形集成电路基板与控制电路固定于交通信号灯反光灯罩外壳中，所述交通信号灯反光灯罩外壳出光面设有灯面玻璃，所述交通信号灯反光灯罩外壳背离出光面的一端设有导电灯头，所述控制电路通过导电灯头与外部供电电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述发光阵列为由红、黄、绿色三种MicroLED芯片形成的N个圆环发光阵列，并以所述圆形集成电路基板的圆心为中心布设于圆形集成电路基板上，使得发光阵列点亮后能形成圆形面光源。

3.根据权利要求2所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述圆环发光阵列以发光单元为单位构成，所述发光单元中红、黄、绿色三种MicroLED三种芯片以等间距∆d间隔排布，其中，红色MicroLED 芯片在发光单元中布置于远离圆形集成电路基板圆心的一侧，绿色MicroLED 芯片在发光单元中布置于靠近圆形集成电路基板圆心的一侧，黄色MicroLED 芯片布置于红色MicroLED 芯片和绿色MicroLED 芯片之间；所述每个MicroLED发光强度空间分布满足朗伯定律，由其组成的所述发光单元均为余弦辐射体。

4.根据权利要求3所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述发光单元的截面是半径为a的圆形，或是此圆形的外接正多边形。

5.根据权利要求2所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述控制电路以脉冲恒流驱动方式控制圆形集成电路基板，使得圆形集成电路基板的红、黄、绿色三种MicroLED芯片可以分别点亮，从而发出清晰明亮的红、黄、绿三种颜色的交通信号灯光。

6.根据权利要求5所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述脉冲恒流驱动方式是在脉冲驱动中使用恒流源保证脉冲宽度内的驱动电流为恒定值，从而克服三种MicroLED芯片的离散性；所述脉冲驱动中脉冲宽度为τ，在脉冲宽度τ期间加有正向电压，有正向电流流通；而在脉冲间歇期间，可选择的不加电压或加入反像偏压，使得芯片处于截至状态；所述控制电路通过调整脉冲恒流驱动的脉冲占空比D调节发光亮度，所述脉冲占空比满足

，其中，T为脉冲重复周期。

7.根据权利要求1所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述圆形集成电路基板顶部还设有印有红、黄和绿色量子点的导光板，所述发光阵列以发光单元为单位构成，每一发光单元左右相邻轴间距为

，上下相邻轴间距为

，使得相邻的每三个发光单元均呈现等边三角形的交错分布，从而形成外部轮廓为六边形的发光阵列。

8.根据权利要求7所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述发光单元包括能被独立控制的三个蓝色MicroLED芯片组，三个蓝色MicroLED芯片组之间以等间距∆d间隔排布。

9.根据权利要求8所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述导光板表面的红、黄和绿色量子点形成量子点阵列单元，所述量子点阵列单元的尺寸和排布方式与发光单元对应，在每一个量子点阵列单元中，与三个蓝色MicroLED芯片组对应区域分别印有红、黄和绿色量子点。

10.根据权利要求7所述的一种基于MicroLED的交通信号灯，其特征在于，所述导光板的材料包括：聚碳酸酯PC、聚丙烯酸甲酯PMA、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚对苯二甲酸乙二酯PET；所述红、黄和绿色量子点的材料包括：CdS，CdTe/CdS，CdSe/ZnS，ZnCdS/ZnS，CdTe/CdSe/ZnS，CdSeTe/ZnS，CuInS2，Cu掺杂量子点，Mn掺杂量子点和Mn/Cu共掺杂量子点；所述导光板是通过喷墨打印的方式制备而成。

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