大功率LED汽车尾灯曲面光学系统的设计

大功率LED汽车尾灯曲面光学系统的设计

姚松

（贵州航天风华实业有限公司贵州遵义563319）

摘要：随着LED光源技术的逐渐成熟，大功率LED已经成为汽车尾灯中的应用趋势。在进行大功率汽车尾灯曲面光学系统的设计中，应该充分利用每一个LED光源的光线，并根据汽车的整体造型设计出不同形状的曲面反射镜，满足不同用户的个性化需求。为此，在接下来的文章中，将围绕大功率LED汽车尾灯曲面光学系统的设计方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：LED；汽车尾灯；曲面光学系统

引言：对于汽车尾灯而言，主要就是在夜间驾驶车辆时提醒后车的司机前方有车辆存在，后车司机可以凭借前车尾灯获知前车的宽度以及与前车之间的距离等信息。因此，汽车尾灯是汽车重要的安全提示部件，其性能直接影响到汽车的安全行驶。为此，文章围绕大功率LED汽车尾灯曲面光学系统的设计进行分析，具有重要的现实意义。

1.汽车尾灯内容分析

汽车尾灯的功能包括后转向灯、后倒车灯、后刹车灯、后示宽灯和后雾灯等功能，但是这些功能并非都集成在同一灯腔内，而是分布在不同的灯腔内。因此，汽车尾灯的结构较为复杂，且多为不规则的形状。汽车灯具光源发展到现在，已经从第一代燃料式光源发展到第四代的LED光源。随着时代的发展，人们对节能、环保的要求越来越高，LED光源在汽车尾灯中得到了越来越广泛的应用。由于单个LED的功率较小，照度较低，在实际的应用中通常将多个LED集成在一起，以形成大功率、高照度的LED光源。在进行大功率LED汽车尾灯设计的过程中，不但要保持LED光源的稳定性，还要保持较高的光源利用率，因此，选择合适的光学系统设计（即配光方案）就成为尾灯设计的关键环节。如何进行大功率LED汽车尾灯的光学系统设计，已经成为当前汽车设计领域中的一个研究热点课题，受到了越来越多专家和学者的关注。

2.曲面光学系统的原理介绍

所谓的曲面光学系统，指的是这样一类光学系统：它不需要如传统光学系统所具有的复杂的计算公式，其曲面完全由离散的点拟合而成。利用一个或者数个自由曲面的相互结合，并根据光学扩扩展量守恒原理，进行光强的自由分配，从而实现对光照角度的控制。LED光线具有均匀性低、角度大等特点，而利用曲面光学系统设计的曲面反射镜则能使LED光线均匀的照射，很好的解决了LED光线的缺陷问题。曲面光学系统实现的基础为非成像光学理论，其设计目标为：在目标光照面上产生特定的光强，并且光能的利用率最大。由于曲面反射镜的结构较为复杂，且反射镜的表面是由大量的离散点构成的，因此，为了更好的完成曲面反射镜的设计，需要利用传统的光学理论、微积分理论与空间几何理论等方面的知识。目前，主流的曲面光学系统设计方法为直接法，使用直接法进行汽车尾灯曲面光学系统设计时，通常将LED光源的发光性质与预期的光照面上的光强分布作为初始条件，然后引入自由曲面，最后通过LED光源的光线分布与目标光照面的光强分布进行匹配，从而获得拟合的曲面反射镜。

3.大功率LED汽车尾灯曲面光学系统的设计

由于光只是整个电磁波谱上很小的一部分，光的传播可以看作电磁波的辐射，因此，光学系统设计的本质即是光能的重新分配，在改变光线传播方向的同时也要考虑到光能的传递效率。因此，如何设计出光能利用率高的曲面系统成为大功率LED汽车尾灯设计的重点。在进行曲面光学系统设计时，只需通过相关数学公式计算离散点，然后根据这些离散点拟合出完成的配光曲面。这些数学公式一般为低阶次的公式，具有结构简单、易于控制的特点，容易控制光照角度，且光能利用率高，有着优异的光学性能。

3.1汽车尾灯反射镜区域的划分

首先利用专业的曲面设计软件CATIA对尾灯灯壳的结构进行设计区域的测量，并根据实际需求将设计区域划分为五部分曲面，分别为转向、刹车、示宽、倒车和雾灯功能。通过LucidShape软件的LucidFunGeo功能在每个曲面的测量区域内构建各部分的反射面，并划分子块。其中，由于雾灯和转向灯距离尾灯的中心较远，相对应的光斑会变小，因此需要将它们打在亮区；示宽灯应拉宽光型，可将其向左右各扩散30度；在设计中要满足国标中要求的相关测试点的照度，并且具备清晰的明暗截止线。将各个子块设计成为自由曲面反射镜，并构成各自独立的反射腔体，通过相互配合实现汽车尾灯最终要求。

3.2尾灯曲面反射镜的设计

在每一个子块中，将LED光源看作一个理想的点，以该点为坐标原点建立直角坐标系，将Z轴定义在光照面的法线方向，将XOY平面定义在与该子块重合的平面上，根据光线反射的原理，可得LED光线的矢量表达式。汽车尾灯反射镜的设计是一项复杂的工作，必须借助专业的计算机软件才能进行模拟和优化，从而获得最优曲面[1]。

4.仿真模拟分析

首先利用软件CATIA构建汽车尾灯大功率LED光源模型，对LED光源的中心位置、结构、大小、数量、光照方向、光强、折射率等相关参数进行仿真设置。需要注意的是，仿真设置中的参数与现实中的参数相一致。构建好汽车尾灯的LED光源模型后，然后根据尾灯中的各个功能对曲面进行划分和设置，根据汽车尾灯的配光要求，并考虑到汽车尾灯造型与整车的协调性，反复调整光线在各个曲面中的反射角度，同时也要对各个子块的设计结果进行仿真模拟，若达不到配光要求，就要及时调整。尤其要注意的是，对于每一个子块中的配光要求都要与整个曲面的总体功能相一致。以后雾灯为例，对后雾灯的曲面反射镜进行了仿真设计，并进行了测试，测试数据如下：

根据上表中的仿真结果能够得知，后雾灯的光学系统完全满足国标要求。仿真结果与实测结果相比偏大5%～10%，其主要原因是，在仿真环境是理想状态，没有任何干扰因素。而在实际测试中存在着很多干扰因素，如灯壳的折射、散射等。因此，在进行汽车尾灯光学系统的仿真过程中，应该加入适当的干扰因素，保证仿真结果尽量符合实际测试。汽车尾灯中后转向灯、后倒车灯、后刹车灯和后示宽灯的曲面光学系统的设计方法与仿真测试与后雾灯的思路一致，此处就不再赘述。

结论

简而言之，为了提高大功率LED在汽车尾灯中的应用水平，提出一种基于自由曲面的大功率LED汽车尾灯光学系统设计方法。利用该方法进行汽车尾灯设计，无需在光学系统中额外配备透光镜，可根据汽车尾灯的功能设计出既相互独立又协调统一的曲面反射镜，光能利用率高，且易于控制光强和反射角度。为大功率LED汽车尾灯的设计提供了重要参考[2]。

参考文献：

[1]姚红兵，王单单，辛忠华，等.3片独立自由曲面式LED汽车近光灯光学设计[J].应用光学，2016，37（3）：435-440.

[2]李中杨，曾国英赵登峰.LED汽车前照灯结构设计[J].机械设计与制造，2018（a01）：140-142.