基于非成像光學(xué)的發(fā)光二極管汽車后轉(zhuǎn)向燈透鏡設(shè)計

王 堯 ，劉 華，盧振武，方 超，荊 雷

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引 言

隨著半導(dǎo)體固態(tài)照明技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)光二極管( LED) 在照明領(lǐng)域的地位日益凸顯，其憑借體積小、壽命長、顯色性好、節(jié)能高效、抗震性好的特點(diǎn)，在汽車照明領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢［1-5］。

汽車后轉(zhuǎn)向燈是向車輛后方道路使用者表明車輛將向左或向右轉(zhuǎn)向的燈具。目前，LED 在汽車后轉(zhuǎn)向燈領(lǐng)域還未普及，僅有少數(shù)高檔汽車的后轉(zhuǎn)向燈采用LED 光源?，F(xiàn)行的后轉(zhuǎn)向燈多采用自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光的方式［6］，這種方式存在兩方面不足: 一是反光腔不能對LED 中心部分進(jìn)行精確控制;二是反光腔和配光鏡需要相互配合，在裝配中容易產(chǎn)生誤差。因此，現(xiàn)行的LED 汽車后轉(zhuǎn)向燈存在著配光性能不準(zhǔn)確，能量利用率低等問題，這些問題極大地制約了LED 在汽車后轉(zhuǎn)向燈領(lǐng)域的應(yīng)用和普及。

本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車及掛車轉(zhuǎn)向信號燈配光性能》( GB17905-2008) 的要求［7］，應(yīng)用非成像光學(xué)原理及斯涅爾定律對LED 發(fā)出的所有光線進(jìn)行有效控制，設(shè)計出了一款準(zhǔn)直配光一體化的LED 后轉(zhuǎn)向燈透鏡。透鏡僅通過一次加工成型，消除了裝配誤差。利用TracePro 光學(xué)模擬軟件對該透鏡的分析結(jié)果表明: 在最小可見角的要求范圍內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度均大于1.6 cd，且配光光形符合GB17905-2008 要求。

2 后轉(zhuǎn)向燈配光性能

國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車及掛車轉(zhuǎn)向信號燈配光性能》( GB17905-2008) 要求后轉(zhuǎn)向燈應(yīng)為琥珀色，其發(fā)光強(qiáng)度分布如圖1 所示。圖中的柵格線交叉處的數(shù)字為百分比，它表示該方向光強(qiáng)最小值與基準(zhǔn)軸線方向光強(qiáng)度最小值的比值，其中基準(zhǔn)軸線方向發(fā)光強(qiáng)度最小值為50 cd，最大值為350 cd。在發(fā)光強(qiáng)度分布范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向燈發(fā)出的光應(yīng)均勻，即柵格線圍成的范圍內(nèi)任一方向測得的光強(qiáng)不得小于該方向周圍各方向中最小的光強(qiáng)值。圖2 規(guī)定了轉(zhuǎn)向燈最小可見角，要求在與基準(zhǔn)軸線方向V= -15° ～+15°，H= -45° ～+80°范圍內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度≥0.3 cd。

圖1 后轉(zhuǎn)向燈發(fā)光強(qiáng)度分布Fig.1 Luminous intensity distribution of rear turn lamp

圖2 后轉(zhuǎn)向燈最小可見角示意圖Fig.2 Minimum visible angle of rear turn lamp

3 理論設(shè)計

3.1 透鏡基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的后轉(zhuǎn)向燈采用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)、配光結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)最小可見角結(jié)構(gòu)三部分，如圖3 所示，z軸，y軸，x軸分別對應(yīng)于圖1中的基準(zhǔn)軸線，V方向和H方向。準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)將LED 發(fā)出的朗伯分布的光變?yōu)槠叫泄獬錾?，該結(jié)構(gòu)包括透射面1 和全反射面2; 曲面3 為配光結(jié)構(gòu)，由多個球面密接組成，將通過準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)出射的平行光整形為滿足圖1 所示的配光光型;曲面4、5、6 是為了滿足轉(zhuǎn)向燈最小可見角而設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其中曲面4 將通過準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)出射的一部分平行光發(fā)散到與z軸成0 ～40°的區(qū)域，曲面6 為球面，LED 發(fā)出的光經(jīng)過曲面6 后不改變方向，然后通過曲面5 將光線折射到與z軸成40 ～80°區(qū)域，最終滿足最小可見角的要求。

圖3 透鏡基本結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the lens

3.2 準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)

透鏡材料折射率為n，則對于曲面1，如圖4( a) 所示，設(shè)曲線上點(diǎn)P1的坐標(biāo)為(x1，z1) ，根據(jù)斯涅爾定律，有:

式中，i、α 分別為入射光線I和曲線上P1點(diǎn)處的切線T與x軸的夾角。

在曲線上P1點(diǎn)前取一點(diǎn)P＇1(x1- Δx，z1-Δz) ，其中Δx，Δz均為很小的量，可以認(rèn)為P＇1處切向量與P1處的切向量相同。P1點(diǎn)可以看作該點(diǎn)處入射光線I與P＇1處的切線的交點(diǎn)。根據(jù)曲線1 的起始點(diǎn)P10(x10，z10) ，經(jīng)過反復(fù)迭代計算即可獲得曲線1 上各點(diǎn)坐標(biāo)［8-9］，其中曲線1 終點(diǎn)記為P1end(x1end，z1end) 。

同樣，對于曲面2，如圖4( b) 所示，設(shè)曲線上P2點(diǎn)的坐標(biāo)為(x2，z2) ，根據(jù)斯涅爾定律有:

圖4 準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of collimator

式中:i、r、α 分別為入射光線I、經(jīng)過一次折射后進(jìn)入透鏡的光線R和曲線上P2點(diǎn)處的切線T與x軸的夾角。P2為該點(diǎn)處光線R與P＇2處的切線的交點(diǎn)。根據(jù)曲線2 的起始點(diǎn)P2(x20，z20) ，經(jīng)過反復(fù)迭代計算得到曲線2 上各點(diǎn)坐標(biāo)，其中曲線2終點(diǎn)記為P2end(x2end，z2end) 。

3.3 配光結(jié)構(gòu)

曲面3 采用多個球面透鏡密接組成，每個透鏡的曲率半徑均為R3，在x方向上透鏡直徑為Lx，y方向上透鏡直徑為Ly，其放大的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。平行光線垂直入射到曲面3 上，設(shè)x方向上光線入射角為βx，經(jīng)過曲面3 后出射光線與z軸夾角為θx，則有:

同樣在y方向上:

根據(jù)圖1 可知，轉(zhuǎn)向燈的配光光形在x方向±20°，y方向±10°內(nèi)呈近似矩形分布，因此θx=20°，θy=10°?？紤]透鏡尺寸及加工等因素，Lx確定為4 mm，根據(jù)式( 3) ( 4) 求解得到R3、Ly，即可確定曲面3 的面型。

圖5 曲面3 計算示意圖Fig.5 Calculation of curved surface 3

3.4 滿足最小可見角要求的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)出射的平行光，其中一部分經(jīng)過面4 后發(fā)散，滿足0 ～40°區(qū)域的最小可見角的要求，如圖6 所示。圖中P4(x4，z4) 為曲線4 上的點(diǎn)，o為出射光線O與z軸的夾角，α 為P4處的切線與x軸的夾角，根據(jù)斯涅爾定律得到方程組:

圖6 曲面4 計算示意圖Fig.6 Calculation of curved surface 4

與準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)類似，通過迭代計算得到曲線4上各點(diǎn)坐標(biāo)，其中曲線終點(diǎn)記為P4end(x4end，z4end) 。

曲面5 和曲面6 共同滿足40 ～80°區(qū)域最小可見角的要求。如圖7 所示，曲面6 為半徑為R6的球面，LED 發(fā)出的光線I經(jīng)過曲面6 后不發(fā)生偏折，在曲面5 處發(fā)生折射，形成出射光線O，由斯涅爾定律可得:

曲線5 上各點(diǎn)P5(x5，z5) 通過迭代計算可以依次得到。

圖7 曲面5 和曲面6 計算示意圖Fig.7 Calculation of curved surfaces 5 and 6

4 設(shè)計結(jié)果及分析

采用折射率n=1.49 的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 作為透鏡材料，進(jìn)行后轉(zhuǎn)向燈設(shè)計。后轉(zhuǎn)向燈光源選用LUXEON 公司的LXMA-PL01-0023 芯片，其光通量典型值為40 lm。圖8 為設(shè)計完成的后轉(zhuǎn)向燈透鏡的3D 結(jié)構(gòu)圖，透鏡高為8.32 mm，直徑為12.64 mm。

利用TracePro 軟件對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行模擬仿真。后轉(zhuǎn)向燈的發(fā)光強(qiáng)度分布如圖9 所示，在x方向±20°，y方向±10°內(nèi)呈近似矩形分布。各測試點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度值如表1 所示，模擬結(jié)果均符合GB17905-2008 的要求，其中基準(zhǔn)軸線方向發(fā)光強(qiáng)度為176 cd。同時在x方向±80°，y方向±80°的矩形區(qū)間，轉(zhuǎn)向燈發(fā)出的光均勻，發(fā)光強(qiáng)度均大于1.6 cd，滿足GB17905-2008 中最小可見角的要求。

圖8 后轉(zhuǎn)向燈透鏡3D 結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Three dimensional structure diagram of rear turn lamp

表1 各測試點(diǎn)模擬光強(qiáng)度值Tab．1 Luminous intensity of each test point after simulation

圖9 后轉(zhuǎn)向燈發(fā)光強(qiáng)度分布模擬圖Fig.9 Luminous intensity distribution simulation diagram of rear turn lamp

若采用常見的自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光方式進(jìn)行后轉(zhuǎn)向燈設(shè)計，則在基準(zhǔn)軸線方向發(fā)光強(qiáng)度仍為176 cd，且滿足最小可見角的情況下，其發(fā)光強(qiáng)度分布并不具均勻性，如圖10 所示。

圖10 常見配光方式發(fā)光強(qiáng)度模擬圖Fig.10 Luminous intensity distribution simulation diagram of rear turn lamp by common method

表2 兩種配光方式對比Tab．2 Comparison of two methods

兩種配光方式對比結(jié)果如表2 所示。采用非成像光學(xué)方法設(shè)計的一體化LED 后轉(zhuǎn)向燈透鏡，只需40 lm 光通量即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的配光功能，比常見的自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光方式能量利用率高69%。同時，光強(qiáng)分布均勻性和最小可見角范圍內(nèi)的光強(qiáng)均優(yōu)于常見配光方式，配光性能有顯著提升。

5 結(jié) 論

本文基于非成像光學(xué)原理和斯涅爾定理設(shè)計了一款LED 后轉(zhuǎn)向燈透鏡。該透鏡包含準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)、配光結(jié)構(gòu)和滿足最小可見角要求的結(jié)構(gòu)。運(yùn)用TracePro 光學(xué)模擬軟件對實(shí)際光源和LED 后轉(zhuǎn)向燈透鏡進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明: 在x方向±20°，y方向±10°內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度呈近似矩形分布，且各測試點(diǎn)結(jié)果均滿足GB17905-2008 要求。最小可見角要求范圍內(nèi)，光強(qiáng)≥1.6 cd。

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