基于內(nèi)外透鏡組合的LED后霧燈設(shè)計

樂能友，石智偉，史新剛

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.法雷奧照明佛山技術(shù)中心，廣東 佛山 528000)

引言

在汽車照明系統(tǒng)中，后霧燈是一種非常重要的信號燈，主要用于雨霧天氣行車時道路照明與安全警示。當(dāng)前大部分汽車后霧燈都還是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般由燈泡和拋物面型反射面組合而成。這種燈具體積較大，效率一般只在5%～7%，并且燈泡的光通量和發(fā)光角度較大，會導(dǎo)致路照有明顯的眩光亮斑，影響駕駛員的行車安全。

LED光源，具有體積小，響應(yīng)快，效率高，色域范圍廣等諸多優(yōu)點，是一種節(jié)能環(huán)保的新型光源[1]。目前部分后霧燈的設(shè)計已經(jīng)采用LED光源和非成像透鏡組合，從而提高了效率，降低了眩光。舒浙偉等利用菲涅爾透鏡和自由曲面組合設(shè)計后霧燈[2]，其反射腔為基于拋物面的自由曲面，菲涅爾透鏡作為外透鏡，二者組合為后霧燈模組。這種方法雖然具有較高的工作效率，但是菲涅爾透鏡的設(shè)計較為復(fù)雜，其加工精度要求也較高，這無疑會增加整個燈具的生產(chǎn)成本。謝望等[3]則提出另外一種LED 汽車后霧燈模塊組設(shè)計，這種模組設(shè)計是利用拋物面和聚光器等不同組合的結(jié)構(gòu)來對汽車后霧燈進行配光設(shè)計。這種模組具有較高的生產(chǎn)效率，但這些模組結(jié)構(gòu)較為單一，且光源的效率不佳。蔣蕩華等[4]提出了激光光源應(yīng)用在汽車后霧燈中，激光盡管單色性好，穿透力強，但是激光相對于LED發(fā)熱更大，并且提高了生產(chǎn)成本，所以激光汽車后霧燈還停留在理論中。

目前針對后霧燈的研究設(shè)計方法較多，但各有優(yōu)缺點[5]。基于此，本文提出一種基于內(nèi)外透鏡組合LED后霧燈的設(shè)計。內(nèi)透鏡為提高效率的準(zhǔn)直透鏡，而外透鏡則為實現(xiàn)照明均勻化的自由曲面透鏡，所以兩者組合而成的后霧燈不僅具有較高的效率，而且照明分布均勻。因其結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計簡單，其生產(chǎn)成本也大大降低，實用性較強。

1 內(nèi)透鏡設(shè)計

針對LED芯片的出射光呈余弦輻射分布的特點[6-9]，本文采用了一種反射-折射復(fù)合型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直透鏡作為內(nèi)透鏡，對LED芯片出射的光線進行準(zhǔn)直，提高了光源的效率。

圖1 內(nèi)透鏡反射面與折射面的設(shè)計原理Fig.1 The design principal of the reflective surface and refractive surface of inner lens

給定一個初始點坐標(biāo)(0,r),利用歐拉法對微分方程(1)進行迭代求解[10-13]，即可得到反射曲線上的離散點，并將這些離散點擬合成自由曲線。其中初始點中r值的大小可以根據(jù)實際需要進行設(shè)定。

(2)

如果給定一個初始點坐標(biāo)(h,0)，類似反射曲線，我們可得到折射曲線。

3)反射面和折射面組合。利用MATLAB軟件對上述設(shè)計方法進行編程實現(xiàn)[16]，獲得反射曲線和折射曲線組合的自由曲線[如圖2(a)所示]，然后將該曲線作為母線導(dǎo)入三維軟件CATIA中，旋轉(zhuǎn)即可得到準(zhǔn)直透鏡，其三維模型如圖2(b)所示，高度為10 mm，底面半徑為5 mm。最后，將該透鏡作為單元進行十字形陣列排列，形成后霧燈的內(nèi)透鏡。

圖2 內(nèi)透鏡的自由曲線與三維模型Fig.2 Free curve and 3D model of inner lens

2 外透鏡設(shè)計

為了滿足后霧燈的法規(guī)要求，進一步設(shè)計外透鏡，從而將內(nèi)透鏡準(zhǔn)直出射的光進行打散，這樣既可以更好的滿足配光區(qū)域，又能消除路面照度的眩光斑點。本文采用的外透鏡其內(nèi)表面為平面，外表面為陣列化的球面透鏡，也就是說，以球面透鏡作為單元，在外透鏡外表面上進行陣列排列。因此，球面透鏡的設(shè)計至關(guān)重要。假設(shè)該球面透鏡的母線經(jīng)過空間某一平面三個點A(xA,yA,zA),B(xB,yB,zB),C(xC,yC,zC)，則其圓心坐標(biāo)為

(3)

其中D=2[xA(yB-yC)+xB(yC-yA)+xC(yA-yB)]。

該圓的半徑為

(4)

式中|AB|、|BC|、|CA|分別表示由A、B、C三點組成三角形ΔABC的邊長, |ΔABC|表示ΔABC的面積。根據(jù)式(3)和式(4)，可以得到不同參數(shù)的圓弧，如圖3所示。將這些圓弧段導(dǎo)入軟件CATIA 中旋轉(zhuǎn)

圖3 球面透鏡單元曲線Fig.3 The unit curves of spherical lens

圖4 不同半徑球面透鏡的三維照度Fig.4 3D illumination of spherical lens of different radius

即可得到幾組不同參數(shù)的球面透鏡模型，設(shè)定球面透鏡到路面的距離為1 m，路面面積為1 m2，進而利用光學(xué)仿真軟件START進行光學(xué)仿真[17]，以上述同一個準(zhǔn)直透鏡出射光線照射不同半徑R的球面透鏡，其對應(yīng)的三維照度分別為圖4(a)、(d)。圖4(a)中R=5 mm的球面透鏡對應(yīng)三維輻照度的峰值約為7 000 W/m2，其能量較為分散，整體也比較均勻；圖4(b)中R=10 mm的球面透鏡對應(yīng)三維輻照度的峰值約為16 000 W/m2，其旁瓣較小，能量較為集中；圖4(c)和(d)中R等于15 mm,22 mm的球面透鏡對應(yīng)三維輻照度的峰值約分別為20 000 W/m2，30 000 W/m2，其照度無明顯旁瓣，能量非常集中。由此看出，球面透鏡的半徑越大，經(jīng)過該透鏡的光在路面上的能量越集中，峰值也越大；反之，出射光的能量越分散，照度也越均勻。因此，選擇合適半徑的球面透鏡，并將該透鏡在外透鏡外表面上進行陣列化，然后組合內(nèi)外表面即可得到后霧燈的外透鏡。

3 后霧燈整體設(shè)計及結(jié)果

本文設(shè)計的后霧燈包括上述內(nèi)透鏡和外透鏡組合以及PCB板，其三維模型如圖5(a)所示，由于內(nèi)透鏡是由5個準(zhǔn)直透鏡單元呈十字形排列而成，為了配合內(nèi)透鏡，焊接在PCB板上的五顆LED光源也呈十字型排列，并且每顆LED位于準(zhǔn)直透鏡中心。為了觀察該后霧燈在點亮?xí)r其路照效果是否均勻，我們進行了點亮路照的仿真，設(shè)定內(nèi)透鏡的材料為PMMA8N，外透鏡的材料為PMMA18241， LED型號為LCYH9PP，其中每顆LED的光通量為20 lm，總光通量為100 lm,照明區(qū)域為20 m×6 m。其結(jié)果如圖5(b)所示，可看出在整個照明區(qū)域內(nèi)，光斑均勻，無明顯的眩光。

圖5 后霧燈三維模型與路照仿真Fig.5 3D model of rear fog and road illumination distribution

圖6(a)為后霧燈ECE R38法規(guī)的配光區(qū)域及要求。后霧燈ECE R38法規(guī)規(guī)定，在配光區(qū)域中，左右10°，上下5°的菱形區(qū)域內(nèi)，整個區(qū)域的光強最小值不能低于75 cd，整個區(qū)域的光強最大值不能低于300 cd；在水平(H)和垂直(V)軸線上的值不能低于150 cd，也不能高于300 cd。圖6(b)為仿真坎德拉圖，圖中整個區(qū)域的范圍為左右20°，上下15°，水平(H)和垂直(V)軸線上每個小格單元為5°。外圈為75 cd的坎德拉線，表示在該線內(nèi)的光強值都不小于75 cd；內(nèi)圈為150 cd的坎德拉線，表示在該線內(nèi)光強值不小于150 cd；圖6(b)中整個區(qū)域的最大光強值為254 cd。對比圖6(a)中的ECE R38法規(guī)，可知該后霧燈滿足ECE R38法規(guī)要求。后霧燈的效率一般定義為區(qū)域(Zone)光通量與總光通量的比值[18]。從圖6(b)中可以看出區(qū)域光通量為21.8 lm，又仿真時所用總光通量為100 lm，故該后霧燈的效率為21.8%，相較于傳統(tǒng)后霧燈只有5%～7%的效率，該后霧燈的效率有了明顯提高。

圖6 ECE R38法規(guī)配光區(qū)域及其仿真結(jié)果Fig.6 The distribution area of ECE R38 regulation and simulation results

進一步，為了更好地驗證該后霧燈的實效性，我們對該燈的實體模型(圖7)進行了實際檢測，其測試數(shù)據(jù)如表1所示，在左右10°上下5°的配光區(qū)域內(nèi)，最小值為164 cd，最大值為214 cd，該測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果較吻合，滿足ECE R38法規(guī)要求。

圖7 后霧燈實體模型Fig.7 The real model of rear fog

名稱水平最小值/(°)水平最大值/(°)垂直最小值/(°)垂直最大值/(°)亮度最小值/cd亮度最大值/cdHorizontal Line 10L-10R-101000164199Vertical Line 5D-5U 00-55197214

4 結(jié)論

本文根據(jù)非成像光學(xué)理論，設(shè)計了一款高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、點亮路照均勻的后霧燈。區(qū)別于傳統(tǒng)的拋物面與燈泡的結(jié)構(gòu)，該款后霧燈為內(nèi)外透鏡組合與LED光源的結(jié)構(gòu)。其中，內(nèi)透鏡為十字型陣列化的多個反射-折射的復(fù)合型準(zhǔn)直透鏡；外透鏡分為內(nèi)表面和外表面，而內(nèi)表面為平面，外表面為陣列化的多個球面透鏡。通過光學(xué)軟件仿真模擬以及實體模型的實際測試，發(fā)現(xiàn)該后霧燈滿足ECE R38法規(guī)，并且光源的效率為21.8%，遠高于傳統(tǒng)后霧燈。另外，通過仿真分析點亮路照，無較為明顯的眩光光斑，整個點亮照度分布均勻。因此，該后霧燈具有較強的實用性，可用于汽車照明。