1 引言

    由于LED光源相對(duì)傳統(tǒng)的鹵鎢燈具有響應(yīng)快、重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命長(zhǎng)，無污染等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是汽車照明領(lǐng)域的新一代光源，必將逐步取代鹵鎢燈、白熾燈。LED信號(hào)燈早在1985年就被用在客車上，但早期LED光通量比較小，僅局限應(yīng)用于汽車高位剎車燈。近幾年，隨著半導(dǎo)體新材料的開發(fā)與封裝工藝的進(jìn)步，LED的性能不斷提高，LED在汽車上的應(yīng)用也逐步擴(kuò)展到內(nèi)部照明、后組合燈乃至前大燈的照明領(lǐng)域中。

2 LED的選型

    傳統(tǒng)用于指示的支架式LED，光通量和亮度都比較小，一款后位燈常需要用到100個(gè)～300個(gè)LED才能達(dá)到要求。LED數(shù)目太多不但導(dǎo)致成本過高，而且容易出現(xiàn)故障，可靠性不高；新型的1W大功率LED光通量超過了50lm，散熱問題也得到較好的解決，但是大功率LED器件價(jià)格過于昂貴，一般多應(yīng)用于汽車前大燈，而且沒有商品化的LED汽車前大燈面市。

    目前，國(guó)內(nèi)外在汽車LED后組合燈領(lǐng)域用的比較多的是食人魚系列LED，如花冠、標(biāo)志307CC、上海華普、比亞迪F3等車型，這是因?yàn)槭橙唆~系列LED的封裝結(jié)構(gòu)有4個(gè)引腳，熱傳導(dǎo)性能優(yōu)于普通支架式2腳LED，可以承受相對(duì)比較大的電流，單管光通量可達(dá)3.0lm左右，如Lumileds公司的SuperFlux系列LED等；此外，食人魚的4腳封裝結(jié)構(gòu)比較方便固定與安裝，外形結(jié)構(gòu)比較符合美觀的要求。

    現(xiàn)選取佛山國(guó)星光電科技有限公司生產(chǎn)的食人魚系列LED，在正向驅(qū)動(dòng)電流I_F=25mA條件下，典型光通量為2.5lm，半值角2θ1/2（光強(qiáng)度值為中心光強(qiáng)的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度）為55°，主波長(zhǎng)為625nm。查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5920-94《汽車前和后（側(cè)）燈、示廊燈和制動(dòng)燈配光性能》，通過估算滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的總光通量，再考慮到光的損失和可靠性，選取了56個(gè)該規(guī)格的LED，利用光學(xué)仿真軟件TracePro完成光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真。

3 LED后位燈光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1燈具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)的LED后位燈主要結(jié)構(gòu)包括燈罩、聚光板、LED、PCB板、主控板、后蓋等，如圖1所示，以及配件橡膠外殼、防水密封圈、螺紋、電源引線等。其中燈罩、聚光鏡、后蓋均采用透光率高的PC料注塑成型，在配件接口處及電源引腳處采用橡膠圈或者注入環(huán)氧樹脂密封防水。

圖1 LED后位燈光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

    后蓋1主要是用來固定和密封其它配件，主控板2和PCB板4為L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，聚光鏡5的作用在于收窄由LED發(fā)出的光，使光線變成近似平行光，燈罩6（配光鏡）用于將由聚光鏡收窄的近似平行光重新分配，使光線沿水平方向擴(kuò)散一定角度，最終整個(gè)燈具的出光滿足國(guó)標(biāo)的要求。

3.2聚光鏡的設(shè)計(jì)

    聚光鏡又稱為校直鏡，作用在于把光源發(fā)出的光變成可利用的光型，按照聚光原理分為反射聚光和折射聚光兩種，反射聚光一般用旋轉(zhuǎn)拋物面或者近似拋物面的直線旋轉(zhuǎn)面結(jié)構(gòu)。由于后位燈由56個(gè)LED排列組成，每個(gè)LED均按照一定的角度來出射光線，用一個(gè)反射腔體顯然不能達(dá)到所有LED有效聚光的目的，故需要為每個(gè)LED都設(shè)計(jì)一個(gè)反射腔體。

    反射腔體采用旋轉(zhuǎn)拋物面的結(jié)構(gòu)，拋物面的底部挖空以容納食人魚LED的發(fā)光頭，如圖2所示。根據(jù)拋物面的性質(zhì)，由拋物面焦點(diǎn)處發(fā)出的光線，經(jīng)過拋物面反射后以平行光出射。假設(shè)LED的芯片近似當(dāng)成點(diǎn)光源處理，調(diào)整LED與反射腔的位置使芯片處于拋物面的焦點(diǎn)處�？紤]到模具制造和裝配的誤差，反射腔體底部孔的直徑應(yīng)該比食人魚Φ 3發(fā)光頭略大。

圖2 反射腔示意圖

圖3 枕型透鏡示意圖

3.3枕型透鏡的設(shè)計(jì)

    為了使經(jīng)過反射腔體會(huì)聚的光線擴(kuò)散或偏轉(zhuǎn)，需要在燈具前面安裝具有一定光學(xué)效果的配光鏡（如圖1中的5），配光鏡實(shí)際上由一個(gè)個(gè)的光學(xué)元件組成，常用的光學(xué)元件有：圓柱面透鏡、水平楔形塊、垂直楔形塊、兩個(gè)方向傾斜的楔形塊、水平方向不等厚的圓柱面透鏡、垂直方向不等厚的圓柱面透鏡，上述光學(xué)元件分別對(duì)光線在水平或者垂直方向有不同的偏折效果。

    在汽車燈具中，常用的配光鏡光學(xué)單元為圓柱面透鏡，又稱枕型透鏡，枕型透鏡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是圓柱面頂角A與半徑R（如圖3）的確定�，F(xiàn)根據(jù)經(jīng)由反射腔體出射的光斑的大小及需要偏折的角度大致確定圓柱面的頂角A與半徑R，在軟件TracePro中對(duì)配光鏡的性能進(jìn)行模擬，修改參數(shù)直到仿真的效果滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 光學(xué)仿真軟件及仿真步驟

    為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的后位燈是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，最直接的方法就是進(jìn)行配光的試驗(yàn)。以前的設(shè)計(jì)方法是依靠個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)，不但跟不上燈具設(shè)計(jì)需求的速度和越來越嚴(yán)格的車燈照明標(biāo)準(zhǔn)，而且浪費(fèi)大量的財(cái)力、物力和人力。現(xiàn)借助光學(xué)軟件TracePro對(duì)所設(shè)計(jì)的LED后位燈具進(jìn)行仿真，以快速開發(fā)出滿足要求的燈具結(jié)構(gòu)。

4.1仿真軟件TracePro

    TracePro是由美國(guó)Lambda Research公司所開發(fā)出來的一套光學(xué)仿真軟件，可以方便實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)分析、光學(xué)分析、輻射分析以及光度分析的光線模擬，能夠仿真所有類型的汽車照明系統(tǒng)，能夠通過光線追蹤顯示系統(tǒng)中幾何物體之間的散射、吸收、折射、偏振和反射等相互作用，尤其是其強(qiáng)大的建模能力和接口功能，可以方便實(shí)現(xiàn)與其它的結(jié)構(gòu)造型軟件兼容，如Pro/E、Catia、AutoCAD、Solidworks等。

    在Tracepro中就是根據(jù)用戶設(shè)定的光源特性，追蹤從光源發(fā)出的按一定空間光強(qiáng)分布的隨機(jī)光線，這些隨機(jī)出射光線的位置、方向以及傳播過程中與各界面的反射、折射、散射、吸收都需要采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法來模擬，在設(shè)定的觀測(cè)屏幕上統(tǒng)計(jì)光線的分布，結(jié)果經(jīng)計(jì)算和平滑處理后就是用戶所需要的照度分布圖、光強(qiáng)分布圖等。

4.2光學(xué)仿真的基本步驟

    光學(xué)仿真的基本步驟包括：(l)在Catia中建立燈具的三維模型，通過*．igs文件并且導(dǎo)入到TracePro的CAD窗口中；(2)根據(jù)對(duì)食人魚I_ED光強(qiáng)分布的測(cè)試結(jié)果，建立光源的模型，增加光源特性；(3)定義各種表面和材料特性數(shù)據(jù)，并且賦予系統(tǒng)中的幾何模型；(4)定義光源追蹤特性，包括波長(zhǎng)、閾值和傳播特性，然后開始光線追蹤；(5)對(duì)所追蹤的光線進(jìn)行分析，包括照度分布、光強(qiáng)分布等，比較仿真結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的差距，對(duì)不滿足要求的地方進(jìn)行結(jié)構(gòu)的修正，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

5 仿真與測(cè)試結(jié)果

    按照上述步驟建立所設(shè)計(jì)的LED后位燈的光學(xué)模型，設(shè)置每個(gè)LED發(fā)光面出射光線5000條，光通量為2.5lm，追蹤光線的仿真結(jié)果，觀察測(cè)試屏幕的矩光強(qiáng)分布圖(rectangular iso-candela)，可以獲得各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)度值，如圖4所示。

圖4 觀測(cè)屏幕上光強(qiáng)分布圖

    上述設(shè)計(jì)的燈具樣品，在汽車燈具檢測(cè)中心進(jìn)行配光性能測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比詳見表1：

表1 檢測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)值對(duì)比表（角度單位：°）

    從表1數(shù)據(jù)中可以看出：燈具樣品測(cè)試點(diǎn)的光強(qiáng)度值均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，均大于要求的最小值，仿真結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)比較真實(shí)地反映了燈具的實(shí)際光學(xué)效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

    汽車燈具是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)照明系統(tǒng)，涉及到光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電學(xué)、熱學(xué)等多方面的知識(shí)。采用食人魚LED作為光源，針對(duì)卡車用的后位燈進(jìn)行光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在Catia中建立了其三維模型，借助光學(xué)軟件TracePro進(jìn)行了光學(xué)效果的仿真，最終成功地制作出車燈樣品，經(jīng)車燈中心的檢測(cè)，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性。

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