汽車全紅透鏡的LED轉(zhuǎn)向燈研究

摘要：隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車造型的不斷新穎時(shí)尚化和LED照明技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車燈具在滿足現(xiàn)有法規(guī)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(zhàn)。汽車轉(zhuǎn)向燈作為車輛警告系統(tǒng)的一部分，是指在機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向時(shí)提醒前后左右車輛及行人注意的重要指示信號(hào)燈，對行車安全起著重要的作用，所以轉(zhuǎn)向燈顯得非常重要，市面上尾燈轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向燈應(yīng)運(yùn)而生。為此，對該LED轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)、相關(guān)原理及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：LED;汽車尾燈;轉(zhuǎn)向信號(hào)燈;全紅外透鏡;整體性

中圖分類號(hào)：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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車制造業(yè)也搭載上了國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的快車道。汽車行業(yè)的高速發(fā)展是一次機(jī)遇，同時(shí)也對我國汽車行業(yè)的發(fā)展提出了更高、更新的挑戰(zhàn)，其中汽車技術(shù)和汽車造型是主要的兩大突破點(diǎn)。在汽車造型方面，汽車尾燈是較為重要的部件。

現(xiàn)有汽車的尾燈是集制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向燈、位置燈等功能為一體，汽車的轉(zhuǎn)向燈安裝在汽車的尾燈上?，F(xiàn)有汽車尾燈的外透鏡的主體是紅色的，但是現(xiàn)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(qū)域。通常無色透明區(qū)域被絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)師用于透過琥珀色的LED光線，也就是作為轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。轉(zhuǎn)向信號(hào)燈是體現(xiàn)車輛在行車中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表現(xiàn)形式，肩負(fù)著保證車輛使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全的責(zé)任。但是紅外透鏡局部有一塊無色透明區(qū)域，毫無疑問是滿足不了客戶和市場的審美需求，同時(shí)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(zhuǎn)向信號(hào)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(zhuǎn)向信號(hào)燈的其中一種實(shí)現(xiàn)方式。本研究具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約空間，LED燈板發(fā)出的黃色光線經(jīng)厚壁光導(dǎo)射出后，再經(jīng)紅外透鏡射出符合法規(guī)的琥珀色光色，改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)向燈需要在外透鏡上做一處無色透鏡的區(qū)域作為轉(zhuǎn)向區(qū)域的現(xiàn)狀，同時(shí)也滿足了市場和客戶對于尾燈的外觀審美需求以及設(shè)計(jì)師的造型理念。

2 全紅透鏡LED轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)示意

本方案涉及一種全紅透鏡的LED轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。如圖1，包括殼體、紅外透鏡、飾圈、光導(dǎo)支架、厚壁光導(dǎo)、支架、LED燈板等組件。該轉(zhuǎn)向信號(hào)燈點(diǎn)亮方式主要包含LED燈板固定在支架上，厚壁光導(dǎo)放置在光導(dǎo)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(dǎo)，經(jīng)過紅外透鏡射出滿足法規(guī)可被識(shí)別的轉(zhuǎn)向燈的光信號(hào)。其特征在于：LED燈板經(jīng)厚壁光導(dǎo)射出的光線處設(shè)置有全紅外透鏡，轉(zhuǎn)向信號(hào)燈光源設(shè)置在由殼體、飾圈、紅外透鏡形成的容納腔內(nèi)。

3 LED的工作原理

汽車LED本質(zhì)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(dāng)給它加正向電壓時(shí)，它就能導(dǎo)通，加反向電壓的話，它就會(huì)截止，這就是二極管的單向?qū)щ娦浴，F(xiàn)在越來越多的汽車廠家采用了LED作為光源來設(shè)計(jì)汽車燈具，以滿足市場消費(fèi)者的要求。且汽車用LED全部引用的是車規(guī)級(jí)的物料，能應(yīng)對汽車在日常使用過程中的各種復(fù)雜環(huán)境的要求。

LED基本的工作原理[1]：LED工作時(shí)是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過程（圖2），能量級(jí)差大小不同，產(chǎn)生的光的波長及頻率也就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。

4 LED的主要技術(shù)參數(shù)

4.1 LED的光學(xué)特性

光參數(shù)包括光通量、光強(qiáng)度、光亮度、光照度等，其他參數(shù)有光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等[2]。LED發(fā)出光線的光色與其波長關(guān)系緊密。該方案經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，LED發(fā)出黃光，黃光的波長在586～595 nm（圖3）時(shí)，符合該方案的光色設(shè)計(jì)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(fā)出的黃光經(jīng)紅外透鏡射出的光色起著至關(guān)重要的作用。本研究設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和LED的正確選擇下，紅外透鏡射出符合法規(guī)的琥珀色光色。

a.光通量。

光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，光通量的符號(hào)為[?]，單位為流明（Im）。根據(jù)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(qiáng)度。

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向上的立體角元d[Ω]內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟[?]除以立體角元之商，即

I=d[?]/d[Ω] （2）

c.光亮度。

光源發(fā)光表面上某一點(diǎn)處的亮度是該面源dS在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)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(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)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(fā)光效率。

發(fā)光效率指輸入單位功率的電能時(shí)，LED發(fā)出能夠被人眼視覺接受的光能量，反映了LED光電轉(zhuǎn)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(shù)。

其他參數(shù)如光譜、色品坐標(biāo)、主波長、色溫等，其色譜圖見圖4。

4.2 LED的電學(xué)特性

LED的主要電氣特性是I-V參數(shù)，它是指發(fā)光二極管兩端正向電壓與正向?qū)娏髦g的關(guān)系。LED也具有一般半導(dǎo)體元件的特性，LED的I-V特性也表現(xiàn)出明顯的非線性和單向?qū)щ娞匦裕瑪?shù)學(xué)關(guān)系式為：

IF=IS（eqVF/KT-1） （5）

式中，IF為正向電流;IS為LED飽和導(dǎo)通電流;VF為正向電壓;T為PN的結(jié)溫;q、K為半導(dǎo)體材料系數(shù)。

4.3 LED的熱學(xué)特性

LED工作的時(shí)候，溫度會(huì)升高，溫度越高，波長越長。根據(jù)LED的相關(guān)特性，經(jīng)過計(jì)算以及反復(fù)模擬就看到最終光色的色坐標(biāo)落在黃光法規(guī)范圍內(nèi)，顯示的是琥珀色黃光。經(jīng)過反復(fù)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(dǎo)入光色信息和材料的光譜信息，然后計(jì)算出最終光色。

汽車LED燈具的設(shè)計(jì)過程要經(jīng)歷熱學(xué)分析、力學(xué)分析、光學(xué)分析等一系列流程。雖然LED是光學(xué)元件，但是在工作過程中，LED自身也會(huì)產(chǎn)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(zhǔn)計(jì)算溫度對LED光色的影響。通常工程師會(huì)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(shí)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(zhuǎn)化為熱能。同時(shí)，LED元件對溫度的變化非常敏感，如果結(jié)溫較高，那么LED的發(fā)光性能將會(huì)降低，LED的結(jié)溫升高并且散熱不及時(shí)，還會(huì)造成LED的波長發(fā)生漂移，影響外觀及質(zhì)量要求。

汽車LED燈具中光色度的標(biāo)準(zhǔn)共分為兩種，第一種為GB4785;另一種為SAEJ578。兩種光色度標(biāo)準(zhǔn)中對LED的白色光的定義存在差別，白光對趨紅極限的標(biāo)準(zhǔn)GB4785為0.382，SAE J578標(biāo)準(zhǔn)為0.380，趨藍(lán)極限GB4785為0.31，SAE J578標(biāo)準(zhǔn)為0.300，SAE J578的標(biāo)準(zhǔn)中的趨藍(lán)極限與趨紅極限更加寬泛，LED更能滿足SAE J578中規(guī)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(diào)等都對LED的光色的差異性起著重要作用。LED工作時(shí)PN結(jié)的結(jié)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(xué)穩(wěn)定性的好壞對LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等有著重要的影響。LED結(jié)溫過高，并且熱量集聚在LED內(nèi)部，散熱效果不佳，會(huì)影響LED的使用壽命，或者直接損壞LED。

汽車燈具熱穩(wěn)定性可以在汽車燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到優(yōu)化，汽車燈具的散熱效果會(huì)直接影響燈具的故障率和使用壽命。

圖5所示為LED結(jié)溫和相對光通量的關(guān)系，LED的光通量與結(jié)溫的關(guān)系可以表示如下：

[?]v（T2）=[?]v（T1）e-k△Tj （6）

式中，[?]v（T1）為結(jié)溫T1時(shí)的光通量;[?]v（T2）為結(jié)溫T2時(shí)的光通量;K為溫度系數(shù)為Tj：結(jié)溫的改變量。

結(jié)溫也會(huì)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(guān)系可以表示如下：

λd（T2）=λd（T1）+△T·K （7）

式中，λd（T1）為結(jié)溫T1時(shí)的主波長;λd（T2）為結(jié)溫T2時(shí)的主波長;K為波長隨溫度變化的系數(shù);△T為溫差。

從上述公式推導(dǎo)得出：LED的結(jié)溫點(diǎn)溫度每升高10 ℃，主波長增加1 nm。因?yàn)榧t色LED汽車信號(hào)燈顏色的允許范圍非常寬（大約為90 nm），在設(shè)計(jì)時(shí)顏色的變化不是很重要，但是對于設(shè)計(jì)黃色的信號(hào)燈時(shí)，必須考慮到顏色的漂移，因?yàn)辄S色LED的信號(hào)燈允許的波長范圍一般在5～10 nm[5]。

5 LED配光原理

LED本質(zhì)是發(fā)光二級(jí)管，是一種電光轉(zhuǎn)換的過程。應(yīng)用不同的半導(dǎo)體材料就能發(fā)出不同顏色的光，比如采用鎘硒化鋅半導(dǎo)體材料的LED可以發(fā)出綠色的光，采用磷化鋁鎵銦可以發(fā)出黃色的光，砷化鋁鎵可以發(fā)出紅色的光。

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

對于白光LED，內(nèi)部結(jié)構(gòu)除了芯片之外，還有熒光粉。一般用藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉，復(fù)合得到白光，這里除了芯片的電致發(fā)光之外，還有熒光粉的光致發(fā)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(diào)配如圖6所示。

對于怎么做出全紅透鏡并且滿足轉(zhuǎn)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(guān)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(hào)裝置的安裝規(guī)定》中，對于汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)燈的琥珀色光色做出了規(guī)定?；贚ED發(fā)光和不同顏色的配光原理，全紅透鏡的LED轉(zhuǎn)向燈通過準(zhǔn)確的配光，當(dāng)光經(jīng)過物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生吸收和反射，混合后產(chǎn)生了不同于原來的光色;利用這一種吸收和反射原理，聯(lián)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(chǎn)生不同的光色現(xiàn)象，且要確保光的轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)試驗(yàn)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(guī)中轉(zhuǎn)向燈的琥珀色光色要求。如圖7所示，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)?zāi)M研究，從左至右，依次是白光區(qū)域、黃光區(qū)域、紅光區(qū)域。圖7中X表示法規(guī)要求的范圍。全紅透鏡具有濾光特性，當(dāng)黃色的光色透過紅色面罩時(shí)，發(fā)生光色的吸收和反射，混合出滿足法規(guī)的琥珀色光色，即由轉(zhuǎn)向燈光源發(fā)出的黃光經(jīng)過厚壁光導(dǎo)再經(jīng)紅透鏡后，射出轉(zhuǎn)向燈規(guī)定的琥珀色光色。

6 結(jié)語

與現(xiàn)有技術(shù)相比，全紅透鏡LED轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)相對簡單，由轉(zhuǎn)向功能的LED作為光源，投射出的黃光經(jīng)過厚壁光導(dǎo)，再經(jīng)紅透鏡后，最終投射出我們?nèi)庋劭梢姷溺晟馍覞M足相關(guān)法規(guī)的要求。該轉(zhuǎn)向燈彌補(bǔ)了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向燈只能取用一塊無色透明區(qū)域外透鏡的現(xiàn)狀，打破了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向燈不可以實(shí)現(xiàn)全紅的外觀效果，規(guī)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(shí)，隨著國家對汽車行業(yè)的大力支持，汽車行業(yè)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(xié)調(diào)性也就顯得至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

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[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(zhuǎn)向燈的研究與開發(fā)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2008.

[6]華維單片機(jī)林北彩色的LED燈是如何做出來的，LED的本質(zhì)和發(fā)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?yàn)槠囌彰飨到y(tǒng)開發(fā)。

蘇丹，男，1985年生，工程師，研究方向?yàn)槠囌彰飨到y(tǒng)開發(fā)。