基于自由曲面和菲涅爾透鏡的LED汽車后霧燈設(shè)計(jì)
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/123854.htmLED是新一代具有競爭力的新型固體光源,具有效率高、光色純、能耗低、壽命長、可靠耐用、無污染、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)過適當(dāng)?shù)呐涔馓幚矶苯討?yīng)用于實(shí)際的汽車照明系統(tǒng)將無法達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)。所以需對以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、以及汽車的安全性能[2-4]。
目前汽車照明技術(shù)的發(fā)展非常迅猛。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和市場的激烈競爭,現(xiàn)代汽車照明系統(tǒng)對發(fā)光效率、安全性能、以及美觀的要求也越來越高。汽車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)。汽車照明系統(tǒng)的非成像光學(xué)的設(shè)計(jì)是個多學(xué)科、復(fù)雜的過程[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)合透鏡可以同時實(shí)現(xiàn)會聚和配光的功能,這樣一來后霧燈就既節(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)用在例如剎車燈、駐車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈等汽車信號系統(tǒng)中。目前LED前照燈之所以還沒大規(guī)模應(yīng)用的一個重要因素就是散熱,而汽車LED前霧燈因?yàn)樗枰哪芰肯鄬η罢諢舻囊?,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,這個約束汽車LED前照燈的技術(shù)瓶頸在汽車LED后霧燈中可以輕易地解決,因此汽車LED后霧燈的研究具有很大的使用價值。
后霧燈的設(shè)計(jì)
LED光源的選擇
汽車后霧燈指的是在霧、雪、雨或塵埃彌漫等有礙可見度的情況下,為使后方其他道路使用者易于發(fā)現(xiàn),安裝在車輛尾部,光度比后位燈更強(qiáng)的紅色信號燈[6],在汽車的安全性中起著至關(guān)重要的作用。國內(nèi)外關(guān)于機(jī)動車后霧燈均有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),但是還沒有關(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)。每個凹槽都可以看做一個獨(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兩光束為研究對象,它們分別經(jīng)O、A折射后透過透鏡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)
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