淺談汽車信號燈實現技術方案以及材料應用

高坤

摘 要：汽車信號燈作為整車造型中一個重要的因素，扮演越來越重要的角色。基于過往20年里的發展，隨著各種新材料新技術的應用，實現信號燈的技術方案也越來越多樣化。本文簡單的介紹了汽車信號燈技術的發展歷史，針對目前市場上常用的實現信號燈的若干技術方案進行介紹，以及適用于各種方案的材料其使用條件。

關鍵詞：汽車信號燈 發展歷史 技術方案和材料應用

A Brief Discussion about the Technical Scheme and Material Application of Automobile Signal Lamp

Gao Kun

Abstract：As an important factor in vehicle styling， automobile signal lights play an increasingly important role. Based on the development of the past 20 years， with the application of various new materials and technologies， the technical solutions to realize signal lights are becoming more and more diversified. This article briefly introduces the development history of automobile signal lamp technology， and introduces several technical schemes commonly used in the market to realize signal lamps， and the conditions of use of materials suitable for various schemes.

Key words：car signal lights， development history， technical solutions and material applications.

1 引言

21世紀，人民生活水平不斷提高，對于汽車的需求，尤其是美學需求也在持續增加，而車燈作為整車造型中至關重要的一部分，也日益凸顯出其重要性。對于車燈的需求不僅要滿足基礎的功能性，同時要有科技感，美感。信號燈作為車燈里裝飾的重要部分，在近20年里發展迅速。

2 汽車信號燈實現的技術方案

2.1 汽車信號燈技術發展簡介

車燈在車輛的行駛過程中除了提供必要的路面照明（遠近光，角燈等）外，另一個重要的功能就是給其它的車輛或者行人發出（標志）或者警示功能，使其注意安全。車燈的信號燈主要包括日間行車燈，位置燈，轉向燈，制動燈等。20世紀90年代前的車燈信號燈大多都是通過各種燈泡配合反光碗實現的，在這個階段更側重于滿足法規的要求，造型的自由度受限。因為燈泡作為光源，尺寸比較大，需要匹配滿足法規的反光碗尺寸也相對較大。此時的車燈美學上有所不足。2000年左右，為了更突出品牌造型的特征，實現造型的各種炫酷創意，傳統的光源技術已經滿足不了此時的需要了。隨著LED技術的發展，給車燈信號燈的設計帶來了極大的自由度。LED因為其自身尺寸小，壽命長等優點。給了設計更多嘗試的可能，實現信號燈的技術變的多種多樣，比如LED和反光碗的組合的形式來實現車燈信號燈。進一步的發展，大家對于均勻性的需要增加，LED和光導的組合給了實現造型新的可能，光導技術開始突飛猛進。隨著時間的發展2010年前后，整車廠日益追求個性和自身品牌的辨識度。車燈里的信號燈造型設計已經不僅僅是要滿足法規這個基礎功能，還是突出汽車品牌的重要介質，同時越來越多的新技術和新材料被應用到車燈信號燈上，如光導技術，厚壁，OLED，動態點亮等。

2.2 目前市場上常用的車燈信號燈實現技術

當然目前市場的大趨勢是通過LED光源實現。通過LED光源實現包括以下3種主要形式：反光碗，光導和厚壁，如圖1所示。

2.2.1 反光碗實現信號燈的方式又包括反射式和直射式兩種。直射式這種方式可能存在點亮效果缺陷，即可以看到LED直射出來的光，有可能會有一個極大的點亮亮斑。反射式分兩種，一種是將LED置于上方，一種是將LED置于下方。將LED置于下方，有可能在直視車燈的時候，直接看到整顆LED，同樣可以看到LED直射的光。將LED置于上方是目前市場上采用較多的一種實現方式，因為此時LED位于上方，整個光學系統的出光面對應的是反光碗，不存在會直接看到LED的風險，消除了直視LED的可能，提升了整個光學系統的均勻性。對于反光碗這種實現點亮的方式還可以根據客戶的具體需要，在其前方放置內配鏡，內配鏡可以是透明的;也可以是有光學花紋的，可以內外表面均有光學花紋，也可以只有單層有光學花紋;也可以是加皮紋的，同理光學花紋，可以內外表面均有皮紋，也可以只有單層有皮紋。也可以內配鏡的一側，加光學花紋，一側加光學皮紋。此時的光學花紋和皮紋的添加方式，根據具體的造型和法規要求。

2.2.2 得益于LED光源的應用，光導技術應用在車燈行業，光導的實現基本原理，就是通過光的折射定律。光導給了造型極大的設計自由度，光導點亮后均勻性表現較好。整車廠通過光導技術來實現自身品牌家族臉譜化，比如寶馬的天使眼，最初就是通過光導技術實現的，而后不斷演變升級。為了實現更多的點亮效果，光導還可以和其它光學元器件搭配使用，比如光導和內配鏡組合，可以在內配鏡上加光學花紋，或者皮紋，或者是乳白色體散射材料（通常用于尾燈），進一步的提升其均勻性，增加造型的多樣性;還可以在光導的后方放置厚壁，這樣利用厚壁件可以順序依次點亮每個單元的情況，實現轉向燈的動態點亮，或者迎賓燈的功能。光導位于厚壁件前方，當點亮整個光學系統時，可見的是光導的點亮效果，保證整個光學系統的點亮效果能夠達到較優狀態。為了實現造型更多的可能性，也可以在厚壁加光導的光學系統前方加內配鏡，內配鏡可以根據具體的造型實際要求，增加花紋，皮紋。或者在厚壁加光導的光學系統前方加厚壁結構，此時的厚壁結構可能是單純增加厚度，比如從常規的3mm內透鏡，增加到50mm的厚壁結構。也可以是在其內外表面有光學花紋或者皮紋的厚壁結構。在光學系統前方再增加厚壁結構大多是為了美觀而不是出于功能性的考慮。因為位于光導后方的厚壁是具有光學準直結構的厚壁結構。而位于光導前方的厚壁結構，只是出于美觀或者均勻性提升的考慮。

2.2.3 第三種實現信號的方案是厚壁。所謂厚壁其實現原理，同樣是光的折射定律，在LED發出的光經過厚壁入光端的光學準直結構，保證能夠更多的利用LED發出的光，準直后的光沿著厚壁的造型傳播，在厚壁的出光面上做各種枕式或者條狀配光花紋，以滿足相應功能的法規要求。以上是直射式的厚壁工作原理，可是實際情況下出于造型，空間，成本等諸多方面的考慮，需要使用彎折式的厚壁。其工作原理和直射式類似，LED發出的光經過準直器后是豎直的方向傳播，根據造型和空間的需要決定更改光的傳播方向，更改的方式是通過做讓光進行全反射的45度斜面實現，將光的傳播方式更改為水平方向傳播。最后在光出射的面上做各種枕式或者條狀配光花紋，以滿足相應功能的法規要求。厚壁較光導來說最大的優勢是，由于其由若干個子單元陣列實現整體造型的，因此可以順序點亮每個子單元，從而實現如轉向燈的動態流水功能，或者可以通過電路控制不同的點亮形式和方式，實現炫酷的迎賓燈功能。

4 汽車信號燈實現的材料應用

4.1 基于上面的分析，目前常用的實現方式是反光碗，光導以及厚壁。反光碗可以通過PC或者ABS或者BMC材料注塑后鍍鋁實現，成為設計的信號燈反光碗。ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三種單體的三元共聚物。PC是聚碳酸酯塑料，BMC是不飽和聚酯團狀塑料。BMC較多的應用在溫度較高的遠近光功能上。PC和ABS在信號燈上應用比較廣泛，具體的選擇基于不同的造型，耐熱和成本考量。

4.2 光導和厚壁這兩種信號燈的實現方式是近20年以來比較常見的實現形式。目前市場上用于實現光導和厚壁件的主要有以下3種透明材料，分別是PMMA，PC和PMMI，如下圖2所示。會有3種材料的選擇主要是出于熱學的考慮。

4.2.1 從配光的角度來說，反射率最低且吸收最少的是透明PMMA材料，它的配光表現最優，可是其耐熱表現較差，適用溫度低于100°C。因此透明PMMA這種材料注塑成的光導大多用于尾燈，或者前燈位置燈功能（因為前燈位置燈對于配光的要求較低，HV測試點最低要求滿足4cd）的光導，或者某些前端輸入光源功率較低的功能。

前燈實現日間行燈法規（HV測試點的法規要求最低為400cd。）或者轉向燈功能（前燈轉向燈3類，分別為1，1a，1b，其HV測試點的最低要求分別為175cd，250cd，和400cd。）均需要較高功率LED輸入。以日間行車燈為例，其HV的最低值要求是位置燈要求的100倍。因此滿足日間行車燈法規所需要的LED流明值也會相應增加，對應LED的總功率也會增加。光導前端熱的壓力就會增加，此時再使用PMMA這種材料，就可能會有光導前端融化的風險，因此PC材料成為選擇，其折射率為1.586與PMMA的1.493較為接近。單位距離1mm的吸收0.00074也和0.00047較為接近。整體光學表現同樣出色，且具有更好的熱學表現。

車燈的各個功能，光學法規要求滿足的測試值是不一樣的。其中前大燈的日間行車燈在HV點法規要求是最高的，因此某些車燈可能由于造型和空間的限制，整個光學系統效率很低，因此前端需要較高功率的LED，導致光導前端溫度進一步上升，或者光導的造型靠近某個熱源（比如位于某燈泡的上方），這樣對整根光導的耐熱有較高要求。此時透明PC材料已經不能滿足要求。透明PMMI這種材料成為選擇，它可以用于低于135°C的情況。且其光學表現和PC極為相近。

以上3種材料是光導常用的注塑材料，其選擇最大的決定因素就是溫度。根據不同的光學系統，鑒于耐熱的考慮，選擇最適合的材料。光導經常出現的一個質量缺陷是光導尾端發黃這個情況，一般通過優化注塑參數可以改善，可是如果光導的尺寸，即光導的直徑越小，整根光導長度越長，越容易發黃。但是從成本的角度考慮，透明PMMA具有最大的價格優勢，透明PC次之，透明PMMI最貴。因此某一個項目光導材料的選擇一定是出于成本，質量以及溫度等綜合因素整體權衡后的選擇。

4.2.2 厚壁件由于其是由一個單元陣列實現造型的，因此厚壁所需要的LED顆數較多，但是相對于光導而言，對應于每個單元的LED功率也較低。因此透明PC和透明PMMA成為較常用的兩種材料，一般不會需要耐熱的透明PMMI材料。選擇透明PC還是透明PMMA的條件同樣是基于溫度這個主要考慮因素。