发表时间：2019-04-26T17:24:27.313Z 来源：《基层建设》2019年第3期作者：杨旭
[导读] 摘要：相比于传统形式的汽车照明，LED车灯节能效果好，而且使用寿命长，为了提高汽车LED后位灯的设计方法，本文采用光学设计的方法，从配光设计、光线追踪、建立LED光学模型、结构设计、光学仿真和试验测试等角度，深入探讨汽车LED后位灯的设计。 曼德电子电器有限公司保定光电分公司河北保定 071000
摘要：相比于传统形式的汽车照明，LED车灯节能效果好，而且使用寿命长，为了提高汽车LED后位灯的设计方法，本文采用光学设计的方法，从配光设计、光线追踪、建立LED光学模型、结构设计、光学仿真和试验测试等角度，深入探讨汽车LED后位灯的设计。
gcr15热处理工艺关键词：汽车后位灯；LED；光学设计
１、配光设计和光线追踪原理
根据国家标准要求汽车LED后位灯的设计检验需要通过配光试验，借助光学软件，仿真设计LED后组合灯具。在计算机上模拟灯具的光学性能提高灯具开发效率。 1.1 光学仿真步骤
在建立三维模型的基础上，导入格式文件，并根据LED光强分布测试结果，建立光源模型，设置光源特性参数，以及定义灯具表面特性数据、材料特性数据、光源追踪特性等，分析所追踪光线的照度分布、光强分布等，并适当调整不满足要求的结构。
1.2 光线追踪原理
在LED光线照射到聚光镜之后，在聚光镜的局部方向，按照一定的要求反射或折射光线，然后使功能的光强分布满足法律法规要求，由于光属于特殊的电磁波具有波粒二象性的特性，所以光学软件可以根据用户所设定的光源特性和物体材料等的光学性质，确定LED光源发出的光线的传播路径，再经过计算和平滑处理，就能够统计出照射到指定任意面的光通量和损失光通量，并进行不断模拟，以验证LED 后位灯是否满足法律法规要求。
太空袋2、LED光学模型的建立
作为国际灯具光学系统设计的通用方法，光学建模也是汽车LED后位灯设计的重要步骤，在赋予实体建模数据表面光学属性之后，模拟LED发光特性和光强空间分布，根据测量的结果，考虑LED设计的要点。
2.1建模方法
LED光学模型的建立方法主要有两种，一种是根据几何结构图形，建立能够设置反射面和材料折射的各种参数，譬如食人鱼模型或者大功率管模型，另外一种是根据材料表面的基本特性，从不同的角度分析光吸收率，然后结合光吸收率确定不同角度强度，形成光强在空间的不均匀分布。这两种设计方法都需要设立光学属性，然后新建一个面属性，对不同角度的光吸收率进行编辑，以定义面属性的光线模拟，最后获得建立光源的光强分布图。
2.2 仿真结果和测试结果对比
以上两种方法当中，第二种方法的仿真结果比第一种方法的仿真结果，更加接近实际测试的结果。第一种方法能够反映出LED内部的各种结构与总体出光效果的影响，适用于LED封装过程的光学设计，第二种方法借助LED角度光强数据，准确度比较高，而且没有结合灯具内部的结构和外形适用于光源的二次光学系统设计。
3、LED后位灯光学结构的设计方法
汽车LED后位灯的整体结构，主要包括灯罩、聚光板、主控板、后盖等，具体分为聚光镜设计和枕型透镜设计两个部分。
3.1聚光镜设计
LED后位灯以一定的角度出射，沿着各个方向形成曲线分布图，主要有反射和折射两种。其中反射型的聚光镜包括圆锥曲面反射体、槽型反射体、自由曲面反射体等。折射型的聚光镜包括平凸透镜、平凹透镜、菲涅尔镜等。由于LED灯的光射具有较强的指向性，而且只需要较浅的反射腔，就能够达到聚光的目的，因此每个LED灯都需要单独设计一个聚光装置，另外出于设计成本和制造的便利性，笔者建议采用旋转抛面的反射腔。汽车LED后位灯旋转抛物面，是围绕对称轴的抛物线，旋转而得出的空间曲面，其抛物面的焦点到反射面矢径是主要参数，可由抛物面的焦距、对应半孔径角度计算得出。然后根据抛物线的性质，在抛物面反射后的聚集焦点位置，设置一个点光源。通常情况，点光源设置在焦点之上，反射之后仍有微小的发散角度，需要设计时初步确定反射腔尺寸，以及进行光学仿真，根据仿真的结果，对发射腔与LED相对位置进行调整。出于模具制造误差的考虑，抛物面的底部挖空之后，需要容纳LED的发光头，控制反射腔体底孔直径和发光头直径的大小，其中底孔直径至少为3.5mm，而且大于发光头直径。在焦距一定的情况下，聚光角度和反射腔体的高度成反比，因此聚光角不能够小于20°。另外反射腔体的聚光仿真，根据抛物面发射腔的尺寸，建立三维模型，收窄LED出光角度，以接近平行中心轴的方向发射。
3.2枕型透镜设计
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根据国家标准的配光要求，通过配光镜重新分配光线空间，并由光学元件组成，采用计算确定反射镜的光斑，确定具体的偏折角度、圆柱面顶角、半径等，模拟配光镜的性能。以及根据仿真结果修改和设计参数，直到仿真效果满足标准要求。枕形透镜可以将灯具外罩分割成矩形小单元，确定顶角和柱面半径，打破光波的波面，但需要考虑光束在入射角度内的光强度均匀性，以及强度角的分布和透镜材料的折射率。枕型透镜反射腔体聚光后的光线，均匀光强度分布的光束，在设计枕型透镜的顶角之后，考虑光线沿水平方向扩散，在指定的测试点光强度值垂直方向和水平方向内，都有光强度要求的测试点。除此之外，根据期望的光强度角度曲线，根据材料折射率计算出枕型透镜光束角度等，以及根据灯具的整体尺寸和LED数量，计算出柱面宽度、LED间中心距，以及整体仿真效果修正设计参数等。
4、光学仿真和试验测试
首先是LED阵列的分布，构成后位灯的光源，将LED光源之间的距离控制在8.5mm，并采用矩阵列排列的方式，使得形成的光束在垂直方向的扩散角度。其次是灯具整体的仿真和测试，根据灯具三维立体图，设置各个部位的材料和表面属性，观察观测屏幕的矩形光强分布图，检验各个测试点的光强度值，通过调整光学结构的参数，修正不在标准范围的光强值。所有经过检验中心测试的灯具，所获得的实际灯具光学效果，可以验证设计方案的可行性。再次是建立光学模型的仿真结果与实际测试效果的误差，可以反映出软件建立的虚拟模型，出引起误差的原因，常见的有软件本身原因引起的误差
纳米防脱、人为因素引起的误差、制造安装引起的误差等。其中由软件本身原因引起的误
差是根据光源和元件的属性，反映出光学元件的作用，以及统计光线数量和分布，最终引起仿真结果和实际结果的误差；人为因素引起的误差、设置材料属性、灯具结构尺寸、光强度角度分布等参数，是用户测试所得出的参数值，和实际的材料、结构、光源属性值等并不完全相同；制造安装引起的误差，设计的灯具结构与实际的装配位置等具有误差，具有设计模型不完全吻合。由此可见，光学结构仿真和预测的实际灯具效果，能够反映出实际光线效果，并分析出各个部位元件的光学作用，以避免灯具设计后的反复修改，缩小设计的成本和周期。
结语：根据国家标准要求，汽车LED后位灯的设计检验，需要通过配光试验，借助光学软件，仿真设计LED后组合灯具，在计算机上模拟灯具的光学性能，提高灯具开发效率。其中光学建模也是汽车LED后位灯设计的重要步骤，在赋予实体建模体表面光学属性之后，模拟LED发光特性和光强空间分布，根据测量的结果，考虑LED灯设计的要点，然后进行聚光镜设计、枕型透镜设计、光学仿真和试验测试，根据灯具三维立体图，设置各个部位的材料和表面属性，观察观测屏幕的矩形光强分布图，检验各个测试点的光强度值，通过调整光学结构的参数，修正不在标准范围的光强值。。
参考文献：
[1] 陈益民，聂蓉，黄杰.汽车前照灯用LED光源的光学设计[J].应用光学,2010,(03):390-394.
[2] 朱明华，沈励，叶世威等.LED汽车灯具的开发研究[J].中国照明,2015,(10):26-30.
[3] 陈宇.汽车灯具光学设计及其发展趋势[J].企业科技与发展：下半月,2013,(07):56-57.
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