汽車全紅透鏡的LED轉向燈研究

摘要：隨著汽車工業的不斷發展，汽車造型的不斷新穎時尚化和LED照明技術的廣泛應用，汽車燈具在滿足現有法規的照明需求上，對汽車燈具整體性的審美感提出更大的挑戰。汽車轉向燈作為車輛警告系統的一部分，是指在機動車轉向時提醒前后左右車輛及行人注意的重要指示信號燈，對行車安全起著重要的作用，所以轉向燈顯得非常重要，市面上尾燈轉向燈外透鏡上一部分是無色透明的，很多無法滿足整體審美觀要求，因此一種全紅透鏡的LED轉向燈應運而生。為此，對該LED轉向燈的結構、相關原理及技術參數進行研究。

關鍵詞：LED;汽車尾燈;轉向信號燈;全紅外透鏡;整體性

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-07-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.019

1 前言

隨著國家經濟的飛速發展，汽車制造業也搭載上了國家經濟飛速發展的快車道。汽車行業的高速發展是一次機遇，同時也對我國汽車行業的發展提出了更高、更新的挑戰，其中汽車技術和汽車造型是主要的兩大突破點。在汽車造型方面，汽車尾燈是較為重要的部件。

現有汽車的尾燈是集制動燈、轉向燈、位置燈等功能為一體，汽車的轉向燈安裝在汽車的尾燈上。現有汽車尾燈的外透鏡的主體是紅色的，但是現在市面上大部分汽車尾燈的外透鏡存在一塊無色透明的區域。通常無色透明區域被絕大多數的設計師用于透過琥珀色的LED光線，也就是作為轉向信號燈。轉向信號燈是體現車輛在行車中的運動狀態的表現形式，肩負著保證車輛使用者的生命財產安全的責任。但是紅外透鏡局部有一塊無色透明區域，毫無疑問是滿足不了客戶和市場的審美需求，同時滿足不了對于尾燈的紅色尾燈造型的整體性審美感。因此，汽車尾燈的全紅外透鏡的LED轉向信號燈的研究就顯得尤為重要。

本文揭示了汽車全紅透鏡的LED轉向信號燈的其中一種實現方式。本研究具有以下特點：結構簡單，節約空間，LED燈板發出的黃色光線經厚壁光導射出后，再經紅外透鏡射出符合法規的琥珀色光色，改變現有轉向燈需要在外透鏡上做一處無色透鏡的區域作為轉向區域的現狀，同時也滿足了市場和客戶對于尾燈的外觀審美需求以及設計師的造型理念。

2 全紅透鏡LED轉向燈的結構示意

本方案涉及一種全紅透鏡的LED轉向信號燈。如圖1，包括殼體、紅外透鏡、飾圈、光導支架、厚壁光導、支架、LED燈板等組件。該轉向信號燈點亮方式主要包含LED燈板固定在支架上，厚壁光導放置在光導支架后安裝到LED燈板組件上，LED燈板射出的光線通過厚壁光導，經過紅外透鏡射出滿足法規可被識別的轉向燈的光信號。其特征在于：LED燈板經厚壁光導射出的光線處設置有全紅外透鏡，轉向信號燈光源設置在由殼體、飾圈、紅外透鏡形成的容納腔內。

3 LED的工作原理

汽車LED本質上也屬于二極管的一種，由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等化合物制成。如普通的二極管，當給它加正向電壓時，它就能導通，加反向電壓的話，它就會截止，這就是二極管的單向導電性。現在越來越多的汽車廠家采用了LED作為光源來設計汽車燈具，以滿足市場消費者的要求。且汽車用LED全部引用的是車規級的物料，能應對汽車在日常使用過程中的各種復雜環境的要求。

LED基本的工作原理[1]：LED工作時是一個電光轉換過程（圖2），能量級差大小不同，產生的光的波長及頻率也就不同，相應的光的顏色就不同。

4 LED的主要技術參數

4.1 LED的光學特性

光參數包括光通量、光強度、光亮度、光照度等，其他參數有光譜、色品坐標、主波長和色純度、色溫和相關色溫、顯色性和顯色指數等[2]。LED發出光線的光色與其波長關系緊密。該方案經研究發現，LED發出黃光，黃光的波長在586～595 nm（圖3）時，符合該方案的光色設計要求。在LED選型合理的前提下，紅外透鏡的材料、厚度、造型也對LED發出的黃光經紅外透鏡射出的光色起著至關重要的作用。本研究設計中，外透鏡的材料是紅色PMMA，透鏡厚度是2.5 mm。全紅外透鏡為紅色透明材料，透鏡和殼體用熱板焊工藝。最后，在紅外透鏡的特殊設計和LED的正確選擇下，紅外透鏡射出符合法規的琥珀色光色。

a.光通量。

光通量是光源在單位時間內發出的光量，光通量的符號為[?]，單位為流明（Im）。根據光譜輻射通量[?]（λ），由下式可確定光通量：

[?]=Km[380180?]（λ）·V（λ）dλ （1）

b.光強度。

光源在給定方向上的發光強度是該光源在該方向上的立體角元d[Ω]內傳輸的光通量d[?]除以立體角元之商，即

I=d[?]/d[Ω] （2）

c.光亮度。

光源發光表面上某一點處的亮度是該面源dS在給定方向上的發光強度除以該面源在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之商，即

L=dI/dS·cosθ （3）

d.光照度。

表面上一點的照度是入射在包含該點面元上的光通量d[?]除以該面元面積dS之商，即

E=d[?]/dS （4）

光照度的單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/m2。

e.發光效率。

發光效率指輸入單位功率的電能時，LED發出能夠被人眼視覺接受的光能量，反映了LED光電轉換效率的高低，通常也稱為LED的流明效率，單位為l m/W[3]。

f.其他參數。

其他參數如光譜、色品坐標、主波長、色溫等，其色譜圖見圖4。

4.2 LED的電學特性

LED的主要電氣特性是I-V參數，它是指發光二極管兩端正向電壓與正向導通電流之間的關系。LED也具有一般半導體元件的特性，LED的I-V特性也表現出明顯的非線性和單向導電特性，數學關系式為：

IF=IS（eqVF/KT-1） （5）

式中，IF為正向電流;IS為LED飽和導通電流;VF為正向電壓;T為PN的結溫;q、K為半導體材料系數。

4.3 LED的熱學特性

LED工作的時候，溫度會升高，溫度越高，波長越長。根據LED的相關特性，經過計算以及反復模擬就看到最終光色的色坐標落在黃光法規范圍內，顯示的是琥珀色黃光。經過反復模擬，我們選定外透鏡材料的透過率為70%，33711/33681這兩種材料比較淺，對黃光光色影響比較小，最終射出的光還能保持在黃光范圍里，通過導入光色信息和材料的光譜信息，然后計算出最終光色。

汽車LED燈具的設計過程要經歷熱學分析、力學分析、光學分析等一系列流程。雖然LED是光學元件，但是在工作過程中，LED自身也會產生熱能，并且LED的溫度對光色也有影響。所以，LED在工作過程中，也要精準計算溫度對LED光色的影響。通常工程師會把LED集成的PCBA板固定到鋁基板材料的散熱塊，這樣有利于LED工作時的散熱，可以有效降低LED的故障率，也可以提高LED的使用壽命。一般研究表明，LED在正常工作過程中，仍有70%以上的電能轉化為熱能。同時，LED元件對溫度的變化非常敏感，如果結溫較高，那么LED的發光性能將會降低，LED的結溫升高并且散熱不及時，還會造成LED的波長發生漂移，影響外觀及質量要求。

汽車LED燈具中光色度的標準共分為兩種，第一種為GB4785;另一種為SAEJ578。兩種光色度標準中對LED的白色光的定義存在差別，白光對趨紅極限的標準GB4785為0.382，SAE J578標準為0.380，趨藍極限GB4785為0.31，SAE J578標準為0.300，SAE J578的標準中的趨藍極限與趨紅極限更加寬泛，LED更能滿足SAE J578中規定的色度要求[4]。汽車LED燈具中的紅光與琥珀色光譜功率較為集中，色度的純度較高，能夠滿足汽車在行駛過程中的需求，保障汽車的行駛安全。色溫影響了LED白光中的波長，以及單色光的占有比，但波長對單色光的影響更大。色溫和色調等都對LED的光色的差異性起著重要作用。LED工作時PN結的結溫對LED的光通量、光色和輸入電壓在一定程度上都有不同的影響。

LED熱學穩定性的好壞對LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等有著重要的影響。LED結溫過高，并且熱量集聚在LED內部，散熱效果不佳，會影響LED的使用壽命，或者直接損壞LED。

汽車燈具熱穩定性可以在汽車燈具結構設計中得到優化，汽車燈具的散熱效果會直接影響燈具的故障率和使用壽命。

圖5所示為LED結溫和相對光通量的關系，LED的光通量與結溫的關系可以表示如下：

[?]v（T2）=[?]v（T1）e-k△Tj （6）

式中，[?]v（T1）為結溫T1時的光通量;[?]v（T2）為結溫T2時的光通量;K為溫度系數為Tj：結溫的改變量。

結溫也會影響到LED的主波長，然而波長決定LED光線的顏色。主波長隨溫度的變化關系可以表示如下：

λd（T2）=λd（T1）+△T·K （7）

式中，λd（T1）為結溫T1時的主波長;λd（T2）為結溫T2時的主波長;K為波長隨溫度變化的系數;△T為溫差。

從上述公式推導得出：LED的結溫點溫度每升高10 ℃，主波長增加1 nm。因為紅色LED汽車信號燈顏色的允許范圍非常寬（大約為90 nm），在設計時顏色的變化不是很重要，但是對于設計黃色的信號燈時，必須考慮到顏色的漂移，因為黃色LED的信號燈允許的波長范圍一般在5～10 nm[5]。

5 LED配光原理

LED本質是發光二級管，是一種電光轉換的過程。應用不同的半導體材料就能發出不同顏色的光，比如采用鎘硒化鋅半導體材料的LED可以發出綠色的光，采用磷化鋁鎵銦可以發出黃色的光，砷化鋁鎵可以發出紅色的光。

那怎么發出白光呢？最簡單的辦法是在藍色LED燈半導體上注入黃色的熒光體，這樣就能發出白光。還有一種辦法就是用多種半導體晶片組合的方式，把紅、綠、藍三種顏色的半導體材料都集成到一個LED燈里面，這樣也能發出白色的光。

對于白光LED，內部結構除了芯片之外，還有熒光粉。一般用藍光芯片激發黃色熒光粉，復合得到白光，這里除了芯片的電致發光之外，還有熒光粉的光致發光。除此形式之外，還有三基色的芯片組合得到白光[6]。顏色調配如圖6所示。

對于怎么做出全紅透鏡并且滿足轉向燈黃光的問題，LED和全紅外透鏡的選型是解決這一難題的關鍵所在。LED不僅僅需要明亮，還需要有效工作。GB 4785-2019《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》中，對于汽車轉向信號燈的琥珀色光色做出了規定。基于LED發光和不同顏色的配光原理，全紅透鏡的LED轉向燈通過準確的配光，當光經過物質時會發生吸收和反射，混合后產生了不同于原來的光色;利用這一種吸收和反射原理，聯想到是否可以采用特定的LED的光色和特定的紅透鏡，混合產生不同的光色現象，且要確保光的轉換效率。

根據試驗研究，只有在選擇上述特定范圍波長的LED的黃光和特定材料及料厚的紅色透明透鏡，才能滿足上述法規中轉向燈的琥珀色光色要求。如圖7所示，經過反復試驗模擬研究，從左至右，依次是白光區域、黃光區域、紅光區域。圖7中X表示法規要求的范圍。全紅透鏡具有濾光特性，當黃色的光色透過紅色面罩時，發生光色的吸收和反射，混合出滿足法規的琥珀色光色，即由轉向燈光源發出的黃光經過厚壁光導再經紅透鏡后，射出轉向燈規定的琥珀色光色。

6 結語

與現有技術相比，全紅透鏡LED轉向燈的結構相對簡單，由轉向功能的LED作為光源，投射出的黃光經過厚壁光導，再經紅透鏡后，最終投射出我們肉眼可見的琥珀色光色，且滿足相關法規的要求。該轉向燈彌補了傳統轉向燈只能取用一塊無色透明區域外透鏡的現狀，打破了傳統的轉向燈不可以實現全紅的外觀效果，規避了在尾燈紅色透鏡上存在無色透明的突兀感，滿足了客戶和市場上對于尾燈紅色的整體性要求。同時，隨著國家對汽車行業的大力支持，汽車行業對自身的造型審美也就更加苛刻了。因此，汽車燈具和車身造型的匹配性、契合度、協調性也就顯得至關重要。

參考文獻：

[1]GB 4785-2019汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定[S].

[2]GB 17509-2008汽車及掛車轉向信號燈配光性能[S].

[3]倪東華.汽車LED轉向燈驅動電源的研究與開發[D].蘇州：蘇州大學，2016.

[4]杜乃峰.汽車LED燈具的色度特性淺析[J].汽車博覽，2020（26）：78.

[5]劉杰.汽車LED轉向燈的研究與開發[D].廣州：華南理工大學，2008.

[6]華維單片機林北彩色的LED燈是如何做出來的，LED的本質和發光原理的介紹[EB/OL].（2022-04-26）[2022-07-11].https：//www.elecfans.com/d/182625.html.

作者簡介：

王超，男，1987年生，工程師，研究方向為汽車照明系統開發。

蘇丹，男，1985年生，工程師，研究方向為汽車照明系統開發。