光學系統發展
色燈信號機依據機構的不同，可分為探照式與透鏡式兩種。探照式的用一組機構和一個燈泡就可顯示多種不同顏色的信號，故又稱為單燈式。透鏡式的每一組透鏡只能發出一種顏色的燈光，如要顯示多種不同顏色燈光時，必須有多組透鏡和多個燈泡，故稱多燈式。光學系統是色燈信號機的核心，包括透鏡組和光源兩部分。光學系統決定著燈光信號顯示的質量。
探照式色燈信號機
圖1探照式色燈信號機光系統如圖1所示。探照式色燈信號機的色燈信號機構有一個可隨電流方向變化而轉動的三色玻璃框，當某一種顏色玻璃對準燈泡時，就顯示那種玻璃顏色的燈光，因而它的一組透鏡可以顯示紅、黃、綠三種顏色燈光。探照式信號機光源利用充分、體積小，但光系統及變色機構較複雜。濾色片安裝在金屬框內，金屬框由極性電磁機構帶動可繞其軸轉動，用以改變燈光信號的顏色。由於旋轉軸曾多次發生卡阻故障、沒有故障—安全功能、引起過信號顯示升級等原因，探照式色燈信號機在我國已被逐漸淘汰。國外探照式色燈信號機雖然沒被取消，但在使用中非常注意高可靠性指標的控制。有的已經利用光纖將光從燈泡傳到單燈信號機的鏡面，而無需繼電器或機械轉動部件，可靠性非常高。
鏡式色燈信號機
圖2透鏡式色燈信號機光系統(菲涅爾透鏡光系統)如圖2所示。透鏡式色燈信號機結構簡單，便於維修，使用方便。透鏡式的色燈信號機構包括凸透鏡、電燈座及燈泡、遮檐、背板等。它的每一組透鏡只能給出一種顏色燈光。在採用適當的背板及遮檐時一，可以很好地避免陽光和機車前照燈照射時產生的幻象顯示(假顯示)。透鏡式色燈信號機的光系統中目前採用的全是菲涅爾透鏡組，故又稱菲涅爾透鏡光系統。菲涅爾透鏡由於具有厚度薄、吸收少、重量輕的特點，相對孔徑可以做得很大而保持較小的球面象差，使得光源的利用率比較高，因此在聚光照明系統中占有特殊的地位。我國早在20年代就採用了透鏡式色燈信號機，目前全路裝有大約40多萬架。
XSZ135型組合式信號機
圖380年代後期我國鐵路出現了複合材料、鋁合金製作的信號機構，採用了更加方便的組合式結構。但近50年來，透鏡式色燈信號機只是在材質和機械結構上有些變化外，其透鏡系統始終沒有改進。只是借鑑外國V 136型色燈信號機研製出了XSZ135型組合式信號機構等非球面透鏡系統(仍屬於透鏡式色燈信號機)，其光學系統見圖3。由於非球面透鏡是由很重的、結構非常特殊的光學玻璃製造而成，成本很高。因此只在少數曲線區段，為解決彎道不間斷顯示問題而試用 。
使用的光源
信號機光源最早採用過110V 15W的白熾燈泡，也用過30V40W(人字形燈絲)的信號燈泡。後來出現過1OV10W, 12V15W和12V25W等鐵路信號專用燈泡。60年代後推廣過雙絲(U形絲)信號燈泡。80年代後推廣了12V 15W雙螺旋直絲信號燈泡，這種燈絲形狀比較合理，一直沿用至今。
由上可以看出，國內絕大多數信號機幾十年來一直使用著圖2所示的菲涅爾透鏡並用白熾燈泡作為光源，即“菲涅爾透鏡+白熾燈泡”的組合方式 。
光系統情況
圖4國外鐵路色燈信號機光系統的情況見圖4。從圖中了解到的國外鐵路情況看，其透鏡式色燈信號機光系統也主要採用了菲涅爾透鏡，光源也大多是採用白熾燈泡。另外，我國向北歐及南亞許多國家出口菲涅爾透鏡已經多年，說明這些國家的鐵路也多在使用透鏡式色燈信號機 。
存在主要問題
色燈信號機構是涉及到行車安全的設，鐵道部對該設備的質量很重視，鐵道部產品質量檢驗中心定期進行質量抽檢，抽檢合格的產品才允許使用，近年來產品質量有所提高，但仍存在一些問題，主要有：
(1)信號透鏡的顏色問題
有的廠家按用戶要求，為了提高顯示距離，片面提高信號透鏡的透過率，使顏色變淡，主要發生在綠色透鏡，顏色坐標超出標準規定，有的產品用肉眼都能明顯看出不是綠色，做為主要行車命令的綠色信號，出現這種情況是非常危險的，必須引起足夠的重視。
鐵道行業標準所規定的顏色範圍是基於國際照明委員會(CIE)第4分部1975年推薦的結果制定的，CIE1994年出版的技術報告對信號燈顏色推薦標準做了回顧和分析，推薦了新的燈光信號顏色標準。CIE107-1994新的信號燈顏色標準更有利於識別信號，應該在我國鐵路信號上儘快使用。
(2)信號燈泡問題
鐵路信號燈炮不同於一般照明燈泡，除了光電參數外，光中心高度公差要求嚴格，更換燈泡後不致於降低信號燈的發光強度。有的燈泡不能滿足這一要求。由於現場電管部門維修費用有限，燈泡一直使用到斷絲報警才予以更換，這樣做不利於安全。燈泡壽終光通量比初始光通量低，信號顯示距離會降低。使用到規定時間後應立即更換。
(3)燈光調整問題
以前，色燈信號機的焦點調整工作由電務段的燈光調整工區負責，現在大部分電務段已取消燈光調整工區。有的電務段不知道使用照度計測量發光強度，仍然使用矽光電池，用光電流和“燈絲倒影法”來調光，不夠科學和規範。信號機構各燈位的方向調整及整個機構的方向調整也很重要，往往被用戶忽視，應該按TB/T2353-93的規定“透鏡式色燈信號機各燈位光軸方向應互相平行，水平方向角度偏差應不大於1°；垂直方向角度偏差應不大於0.6°”進行調整 。
