LightTools中LED汽車尾燈設計
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2014-12-05
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首先來簡單的討論下有關汽車尾燈設計的ECE（聯(lián)邦標準）規(guī)格標準，恒光電器，廠房照明，然后我們再著重講解LED光源的剎車燈設計—兩種設計方法：邊緣側發(fā)光導光管設計和小鏡面反射器設計。
汽車尾燈的功能包括:轉向指示、剎車指示、停車指示、位置指示、倒車指示、以及后霧燈。
有時也需要:
– ECE規(guī)格標準中規(guī)定：在車尾中央較高位置也需要安裝剎車燈
– 車牌照明
此次簡報我們只考慮剎車燈設計
圖1：各類燈的位置排布
下圖所示幾種燈點亮后的真實效果圖(Prius C)。對于這輛車而言, 剎車燈使用紅色LED,轉向燈為琥珀色。而在FMVSS 標準中，國際資訊，轉向燈應為紅色。
圖2：各類燈點亮效果
相關規(guī)范：
– 聯(lián)邦機動車輛安全標準和法規(guī) (FMVSS)—美國聯(lián)邦標準
– 汽車工程師學會 (SAE)—燈具的規(guī)格, 研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 但不具有法律約束力，在北美尤為重要
– 加拿大機動車安全標準(CMVSS)
– 聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會內陸運輸部門(ECE)
– 大多數(shù)國家采用ECE規(guī)范.
– 日本大多數(shù)都遵循ECE規(guī)范，但日間行車燈規(guī)范除外。
下圖為ECE尾燈設計的重要規(guī)格指標：
圖3：ECE尾燈設計規(guī)格指標
ECE剎車燈光強要求：
19 個測試點，國內資訊，每個測試點必須在標準最大和最小值之間。此外，根據(jù)相關要求還需要：
– 垂直方向:一些光需要傳播方向在+/-15º
– 水平方向:一些光需要傳播方向在+/-45º
圖4：強度測試點位置
圖5：強度測試點允許范圍值
亮度可視化：
所謂的亮度就是人眼對光的強度感受，LED球泡燈，單位：lumens/sr/m^2。在此次討論系統(tǒng)中光除了要達到相應強度測試點的要求，醫(yī)院led照明，LED筒燈，被觀察者看到的空間分布也很重要。還需要考慮人眼分辨率（我們將根據(jù)30弧秒的角敏度來設置接收器上網(wǎng)格大小劃分）。最后需要選擇一個觀察距離（這里我們選擇3米）。
這次設計工作的相關規(guī)格要求：
主要規(guī)格指標:
– 設計必須通過ECE S1剎車燈強度標準
– 令人滿意的空間分布
次要目標: 效率
光源選擇：廠商提供的LED光源
優(yōu)化方法:
– 使用45°半錐角（人眼張角）優(yōu)化空間分布
– 優(yōu)化目標使用平均亮度
– 還要優(yōu)化出射光的角擴散分布以匹配相應的強度分布
使用 LightTools 創(chuàng)建光學模型。
LED光源選取：
– 使用高功率紅色LED以便達到設計規(guī)格指標要求
– 選擇OSRAM Golden DRAGON, LR W5SM-HZJZ-1-1
– 此LED為單芯片，行業(yè)資訊，發(fā)光面約為1mm x 1mm
– 光源輸出功率: 39 – 71 lumens
– 配光曲線分布近似朗伯分布
– LED制造商提供5M根光線數(shù)據(jù)光源文件
圖6：LED光譜分布圖
圖7：LED配光曲線分布圖
CAD 結構設計：
尾燈的初始結構設計由CAD軟件完成(此次案例使用SolidWorks軟件) 。
圖8：模型參數(shù)描述
圖9：CAD模型的燈具區(qū)域劃分（用于放置不同燈具）
圖10：劃分完成后的模型
邊緣側發(fā)光導光管設計方法：
– 嘗試使用長條形導光管或圓形導光管來實現(xiàn)邊緣照明
– 長度約為 ~150 mm （CAD模型中放置剎車燈的長度）
– 可以先在導光管的表面上切出一平面，星級酒店照明燈具，然后使用LightTools 3D紋理功能，商業(yè)照明燈具，CE認證，將庫元件紋理添加到剛切出的平面上。
– 接著可以使用背光板優(yōu)化工具(BPO) 來優(yōu)化Z-depths以實現(xiàn)均勻的空間分布。
– 起始為簡單的 45º 楔角。
圖11：鋸齒紋理描述
優(yōu)化楔角：
– 導光管背面添加90%朗伯反射光學屬性
– 獲得均勻空間分布結構需要使用BPO優(yōu)化，最佳楔角為45°
圖12：BPO用戶界面
圖13：光導管模型
圖14：45°半錐角的模擬結果圖
該楔角的強度分布結果：
圖15：強度分布結果（效果不理想）
調整結構：
調整垂直分布：
– 適當?shù)臏p小紋理元件的寬度---減小到4.1mm。
調整水平分布：
– 更復雜的光萃取結構：由LightTools中的庫元件功能和Bezier曲線完成。
– 優(yōu)化Bezier曲線的相應參數(shù)
– 添加拔模角
– 添加半徑為50微米的圓角
圖16：修改后鋸齒紋理描述
重新優(yōu)化空間分布：