基于自由曲面和菲涅爾透鏡的LED汽車(chē)后霧燈設(shè)計(jì)

　　引言

　　LED是新一代具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型固體光源，具有效率高、光色純、能耗低、壽命長(zhǎng)、可靠耐用、無(wú)污染、控制靈活、響應(yīng)快、尺寸小、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于LED芯片輸出的光符合朗伯分布，如果不經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐涔馓幚矶苯討?yīng)用于實(shí)際的汽車(chē)照明系統(tǒng)將無(wú)法達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)。所以需對(duì)以LED為光源的照明系統(tǒng)進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響到照明系統(tǒng)的發(fā)光效率、能耗、以及汽車(chē)的安全性能[2-4]。

　　目前汽車(chē)照明技術(shù)的發(fā)展非常迅猛。隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)代汽車(chē)照明系統(tǒng)對(duì)發(fā)光效率、安全性能、以及美觀的要求也越來(lái)越高。汽車(chē)照明中的自由曲面反射鏡及LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工是至關(guān)重要的。有別于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。汽車(chē)照明系統(tǒng)的非成像光學(xué)的設(shè)計(jì)是個(gè)多學(xué)科、復(fù)雜的過(guò)程[5]。和傳統(tǒng)的拋物面反射鏡加配光透鏡的組合相比，采用自由曲面和菲涅爾原理結(jié)合透鏡可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)會(huì)聚和配光的功能，這樣一來(lái)后霧燈就既節(jié)省使用空間又降低安裝成本。自由曲面的設(shè)計(jì)使得后霧燈變得更加靈活性和緊湊。

　　至今為止，LED主要應(yīng)用在例如剎車(chē)燈、駐車(chē)燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車(chē)燈等汽車(chē)信號(hào)系統(tǒng)中。目前LED前照燈之所以還沒(méi)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要因素就是散熱，而汽車(chē)LED前霧燈因?yàn)樗枰哪芰肯鄬?duì)前照燈的要少，所用的LED也相應(yīng)較少，并且隨著單顆LED的光效不斷提高，產(chǎn)生的廢熱減少，這個(gè)約束汽車(chē)LED前照燈的技術(shù)瓶頸在汽車(chē)LED后霧燈中可以輕易地解決，因此汽車(chē)LED后霧燈的研究具有很大的使用價(jià)值。

　　后霧燈的設(shè)計(jì)

　　LED光源的選擇

　　汽車(chē)后霧燈指的是在霧、雪、雨或塵埃彌漫等有礙可見(jiàn)度的情況下，為使后方其他道路使用者易于發(fā)現(xiàn)，安裝在車(chē)輛尾部，光度比后位燈更強(qiáng)的紅色信號(hào)燈[6]，在汽車(chē)的安全性中起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)動(dòng)車(chē)后霧燈均有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但是還沒(méi)有關(guān)于半導(dǎo)體照明的標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。此文中設(shè)計(jì)的LED后霧燈以傳統(tǒng)鎢絲燈及鹵素?zé)舻某Ｒ?guī)要求作為標(biāo)準(zhǔn)GB-11554中規(guī)定后霧燈的光源為紅色。在配光方面最大的難度是：要保證菱形區(qū)域內(nèi)光照強(qiáng)度處于一定區(qū)間的要求。為了能夠得到很好的設(shè)計(jì)效果，本設(shè)計(jì)選用OSRAM(歐司朗)公司的一款小功率紅光LED，其發(fā)光效率高且非常小巧，發(fā)光角為120°，在700 mA工作電流下，光通量典型值為10 lm，其光強(qiáng)分布如圖1[9]。

　　設(shè)計(jì)原理

　　菲涅爾透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。而本文中采用的是將LED發(fā)出的光線轉(zhuǎn)化成平行光線。

　　如圖2左和右，將一LED光源在透鏡軸線上F點(diǎn)處，由它發(fā)出的光束到達(dá)菲涅爾透鏡的曲折面。在此我們選取o、n兩光束為研究對(duì)象，它們分別經(jīng)O、A折射后透過(guò)透鏡O'、B以平行光的形式射出[10]。

　　根據(jù)折射定律：

　　(1)

　　式(1)中N1為空氣的折射率近似等于1，N2為透鏡材料的折射率， θ1、θ2分別是透鏡斜面的入射角和折射角。由圖2可得：

　　θ1=θ2 + ，θ2 = αn (2)