一種新型高效節(jié)能的日間行車燈的光學(xué)設(shè)計(jì)

謝延青，郭昊宇，余彩霞，周 龍

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201906）

隨著國(guó)內(nèi)消費(fèi)水平的提高以及人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞慕煌üぞ?。隨著科技的發(fā)展與創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)的汽車研發(fā)能力與汽車制造能力日益提升，大批的新能源汽車公司新型汽車企業(yè)涌入市場(chǎng)。主機(jī)廠想要在眾多的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中脫穎而出，就必須在價(jià)格的下降、功能的創(chuàng)新、新穎的造型等方面有足夠的優(yōu)勢(shì)。汽車燈具亦如此，燈具不再是僅僅滿足法規(guī)和照明要求即可，更亮、更炫、更智能的燈光更能吸引消費(fèi)者的眼球。同時(shí)，高性價(jià)比也是消費(fèi)者考量的重要因素之一。

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED憑借高壽命、高光效、色溫可調(diào)、低能耗、小巧可適用于多變的造型等優(yōu)勢(shì)，迅速占領(lǐng)照明市場(chǎng)，在汽車領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，越來(lái)越多的LED應(yīng)用于車用信號(hào)燈、遠(yuǎn)近光燈，傳統(tǒng)的燈泡和氙氣燈已經(jīng)逐漸退出汽車燈具的舞臺(tái)。本文通過(guò)聚光器收集LED發(fā)出的光線，然后有方向性地均勻擴(kuò)散，再通過(guò)反射碗和內(nèi)配鏡形成一種效率高、壽命長(zhǎng)、均勻性好、成本低的日間行車燈。

1 日間行車燈的概述

1.1 日間行車燈的作用

日間行車燈也稱晝間行駛燈，在晝間行駛時(shí)，使得車輛更為易見的一種面向前方的燈具。它的功能不是照明，而是增加車輛辨識(shí)度，可降低車輛意外事故的發(fā)生率，加強(qiáng)行車安全。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，車輛安裝日間行車燈，可降低12.4%的車輛意外，同時(shí)也可降低26.45%的車禍死亡幾率。日間行車燈除了增強(qiáng)辨識(shí)性，還可以作為裝飾，多元素的集成和特殊的造型，使汽車看起來(lái)更酷、更炫、更美觀。因此，日間行車燈作為汽車選裝的配置，受到越來(lái)越多的用戶的歡迎。

1.2 日間行車燈的配光性能要求

根據(jù)日間行車燈法規(guī)GB 23255—2019，配光光型如圖1所示，要求在基準(zhǔn)軸線的發(fā)光強(qiáng)度不小于400cd，每個(gè)燈具所發(fā)出的各個(gè)測(cè)量方向的光，投射到配光分布上點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度，不應(yīng)低于圖1上所示各點(diǎn)百分比值與400cd的乘積。在任何方向上，燈具發(fā)出的光強(qiáng)度應(yīng)不大于1200cd。晝間行駛燈的配光的角度范圍在垂直方向?yàn)樗矫嫔?0°到水平面以下5°，水平方向?yàn)橄蛲夂拖騼?nèi)20°的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)不小于1.0cd。

圖1 配光屏幕

1.3 常見的日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)

隨著LED日間行車燈的使用越來(lái)越廣泛，常見的以LED為光源的日間行車燈實(shí)現(xiàn)方式有反射碗、厚壁光導(dǎo)、光導(dǎo)3種。傳統(tǒng)日間行車燈發(fā)光方案對(duì)比見表1。

表1 傳統(tǒng)日間行車燈發(fā)光方案對(duì)比

1）反射碗結(jié)構(gòu)大部分采用反射式的形式，避免LED直射，優(yōu)點(diǎn)是反射碗的光學(xué)效率高，而且LED可以共用一個(gè)PCB板，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省成本。缺點(diǎn)是相鄰反射腔之間有暗區(qū)，整體的均勻性差，視覺(jué)效果不美觀。反射碗式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果如圖2所示。

圖2 反射碗式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果

2）厚壁光導(dǎo)一般由聚光器、光束傳播的中間結(jié)構(gòu)和魚眼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)三部分組成，厚壁式光導(dǎo)造型豐富，極窄、銳角等有輪廓的造型都能實(shí)現(xiàn)。厚壁式光導(dǎo)結(jié)構(gòu)還有個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以順序點(diǎn)亮，可實(shí)現(xiàn)流水轉(zhuǎn)向燈與日間行車燈共用結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)電路控制不同的點(diǎn)亮形式和方式，實(shí)現(xiàn)與日間行車燈共用的炫酷的迎賓功能。缺點(diǎn)是使用的LED顆粒多、安裝工藝復(fù)雜、需要的結(jié)構(gòu)空間大、成本高，且均勻性不及光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

厚壁式光導(dǎo)分為直射式厚壁結(jié)構(gòu)和側(cè)投式厚壁結(jié)構(gòu)兩種，直射式厚壁結(jié)構(gòu)光源的光線通過(guò)聚光器，直射到厚壁光導(dǎo)，再由上方的魚眼花紋射出。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)LED發(fā)光的光線基本都會(huì)被利用到，光學(xué)效率高。但是光線直接通過(guò)聚光器直射到厚壁不容易擴(kuò)散，容易造成極強(qiáng)的顆粒感。為了滿足厚壁光導(dǎo)更加均勻的人眼視覺(jué)效果，設(shè)計(jì)者通常都會(huì)對(duì)聚光器進(jìn)行改進(jìn)，在聚光器上增加擴(kuò)散花紋結(jié)構(gòu)。側(cè)投式厚壁結(jié)構(gòu)光線經(jīng)過(guò)反射面得到更好的擴(kuò)散，均勻性較直射式有提升，但LED的光學(xué)利用率降低，效率低。厚壁式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果如圖3所示。

圖3 厚壁式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果

3）相較于反射碗和厚壁式光導(dǎo)，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的日間行車燈更加美觀，給造型極大的設(shè)計(jì)自由度，均勻性更好，給人高級(jí)感，因此越來(lái)越多的光導(dǎo)應(yīng)用于高級(jí)車或車輛的高配版本上。不同于厚壁式光導(dǎo)，LED均勻地分散在光導(dǎo)下方，LED集中在光導(dǎo)的一端或兩端，光線通過(guò)光導(dǎo)齒均勻地向外擴(kuò)散。當(dāng)然光導(dǎo)也有它的缺點(diǎn)，光導(dǎo)拐彎半徑不宜過(guò)小，不能急劇轉(zhuǎn)彎。光導(dǎo)入口端、末端、定位筋和固定卡扣容易形成亮點(diǎn)，當(dāng)光導(dǎo)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，首尾有色差，對(duì)注塑工藝也有較高的要求。光導(dǎo)式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果如圖4所示。

圖4 光導(dǎo)式日間行車燈光學(xué)結(jié)構(gòu)及發(fā)光效果

以上3種方式是目前實(shí)現(xiàn)日間行車燈以及其他信號(hào)燈常用的最基本的光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，出于美觀或功能性的考慮，會(huì)有一些延伸的光學(xué)結(jié)構(gòu)。例如，為了追求較優(yōu)的點(diǎn)亮效果，會(huì)在反射碗或光導(dǎo)前方增加帶花紋的或皮紋內(nèi)配鏡。又或者為了既有好的均勻性又能有順序點(diǎn)亮效果，把厚壁置于光導(dǎo)后方，同時(shí)實(shí)現(xiàn)日間行車燈與流水轉(zhuǎn)向燈功能。

2 新型日間行車燈的光學(xué)設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)方案制訂

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，我們的日間行車燈的發(fā)光區(qū)域的Z向?qū)挾茸畲罂蛇_(dá)35mm，采用厚壁和光導(dǎo)的光學(xué)方案都存在一定的設(shè)計(jì)難度，并且成本較高。最終從成本和點(diǎn)亮效果綜合考慮，我們放棄了上述3種常見的日間行車燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新的仿燈泡效果的光學(xué)方案。光學(xué)系統(tǒng)由聚光器、反射碗和內(nèi)配鏡三部分組成。聚光器負(fù)責(zé)收集光源發(fā)出的光線，進(jìn)行第一次光學(xué)擴(kuò)散。在X方向準(zhǔn)直射出，在Y方向180°均勻擴(kuò)散到內(nèi)配鏡上，再由內(nèi)配鏡上的魚眼結(jié)構(gòu)，將光線均勻擴(kuò)散到指定的角度。反射碗的作用是將部分聚光器發(fā)出的光反射到內(nèi)配鏡上。該結(jié)構(gòu)均勻性好，光學(xué)效率高，LED使用總光通量600lm，是光導(dǎo)結(jié)構(gòu)光通量的一半，大大節(jié)省了LED數(shù)量，節(jié)省了成本。新型日間行車燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型日間行車燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

2.2 光源方案設(shè)置

本設(shè)計(jì)中選用兩顆日亞的NCSW170C顆粒作為光源，NCSW170C相較于其他品牌同等性能的LED，有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步節(jié)約了成本。在設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，為確保模擬結(jié)果更接近實(shí)際樣品，我們使用原廠的光源檔進(jìn)行模擬分析。LED的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 NCSW170C結(jié)構(gòu)圖

2.3 光學(xué)模擬分析

本設(shè)計(jì)方案的模擬均是使用SPEOS軟件完成，除了模擬光斑圖，驗(yàn)證法規(guī)，我們還設(shè)置了不同方位的光學(xué)sensor，模擬分析在不同視角下的人眼視覺(jué)效果，除了車頭正前方外，還設(shè)置了內(nèi)20°到外20°，上10°到下5°的sensor。在滿足法規(guī)的要求下，盡量?jī)?yōu)化各個(gè)視角的均勻性，使設(shè)計(jì)在法規(guī)和人眼視覺(jué)效果上均滿足SVW的設(shè)計(jì)要求。

2.3.1 人眼視覺(jué)模擬分析

通過(guò)對(duì)不同角度的點(diǎn)亮效果模擬，我們發(fā)現(xiàn)該方案發(fā)光區(qū)域發(fā)光均勻，在各方向均未發(fā)現(xiàn)明顯的暗區(qū)，符合主觀評(píng)價(jià)要求。在上10°到下5°，左右20°范圍內(nèi)均滿足2:1的亮度比，圖7～圖11是點(diǎn)亮效果圖。

圖7 日間行車燈點(diǎn)亮效果（HV view）

圖8 日間行車燈點(diǎn)亮效果（上10°）

圖9 日間行車燈點(diǎn)亮效果（下5°）

圖10 日間行車燈點(diǎn)亮效果（左20°）

圖11 日間行車燈點(diǎn)亮效果（右20°）

2.3.2 法規(guī)模擬分析

通過(guò)SPEOS軟件模擬日行燈的光斑如圖12所示，對(duì)模擬配光圖進(jìn)行法規(guī)數(shù)值分析，得到圖13所示的日間行車燈配光報(bào)告，從配光報(bào)告可以看出，扣除模擬余量后，各測(cè)試點(diǎn)數(shù)值還可以滿足國(guó)標(biāo)的130%。

圖12 日間行車燈光斑圖

圖13 日間行車燈配光報(bào)告

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)市場(chǎng)上常用的日間行車燈的技術(shù)方案進(jìn)行介紹，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。在此基礎(chǔ)上提出一種了全新的日間行車燈的光學(xué)設(shè)計(jì)方案，從光學(xué)結(jié)構(gòu)、光源、和模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。從模擬結(jié)果來(lái)看，滿足GB 23255—2019的法規(guī)要求，均勻性符合主觀評(píng)價(jià)要求。此光學(xué)方案還可以用于日間行車燈與位置燈復(fù)合的燈具，通過(guò)調(diào)整LED的驅(qū)動(dòng)電流，可滿足位置燈的法規(guī)。此方案光學(xué)效率高，LED光通量只需要光導(dǎo)方案的一半，但出光均勻性接近光導(dǎo)方案，大大節(jié)省了成本，為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定的參考。