1 引言
由于LED光源相對傳統的鹵鎢燈具有響應快、重量輕、安裝深度小、耗能低、壽命長，無污染等優點，被公認為是汽車照明領域的新一代光源，必將逐步取代鹵鎢燈、白熾燈。LED信號燈早在1985年就被用在客車上，但早期LED光通量比較小，僅局限應用于汽車高位剎車燈。近幾年，隨著半導體新材料的開發與封裝工藝的進步，LED的性能不斷提高，LED在汽車上的應用也逐步擴展到內部照明、后組合燈乃至前大燈的照明領域中。
2 LED的選型
傳統用于指示的支架式LED，光通量和亮度都比較小，一款后位燈常需要用到100個～300個LED才能達到要求。LED數目太多不但導致成本過高，而且容易出現故障，可靠性不高；新型的1W大功率LED光通量超過了50lm，散熱問題也得到較好的解決，但是大功率LED器件價格過于昂貴，一般多應用于汽車前大燈，而且沒有商品化的LED汽車前大燈面市。
目前，國內外在汽車LED后組合燈領域用的比較多的是食人魚系列LED，如花冠、標志307CC、上海華普、比亞迪F3等車型，這是因為食人魚系列LED的封裝結構有4個引腳，熱傳導性能優于普通支架式2腳LED，可以承受相對比較大的電流，單管光通量可達3.0lm左右，如Lumileds公司的SuperFlux系列LED等；此外，食人魚的4腳封裝結構比較方便固定與安裝，外形結構比較符合美觀的要求。
現選取佛山國星光電科技有限公司生產的食人魚系列LED，在正向驅動電流IF=25mA條件下，典型光通量為2.5lm，半值角2θ1/2（光強度值為中心光強的一半時所對應的角度）為55°，主波長為625nm。查閱國家標準GB5920-94《汽車前和后（側）燈、示廊燈和制動燈配光性能》，通過估算滿足國家標準的總光通量，再考慮到光的損失和可靠性，選取了56個該規格的LED，利用光學仿真軟件TracePro完成光學設計與仿真。
3 LED后位燈光學結構設計
3.1燈具整體結構設計
設計的LED后位燈主要結構包括燈罩、聚光板、LED、PCB板、主控板、后蓋等，如圖1所示，以及配件橡膠外殼、防水密封圈、螺紋、電源引線等。其中燈罩、聚光鏡、后蓋均采用透光率高的PC料注塑成型，在配件接口處及電源引腳處采用橡膠圈或者注入環氧樹脂密封防水。
圖1 LED后位燈光學結構圖
后蓋1主要是用來固定和密封其它配件，主控板2和PCB板4為LED提供穩定的驅動電流，聚光鏡5的作用在于收窄由LED發出的光，使光線變成近似平行光，燈罩6（配光鏡）用于將由聚光鏡收窄的近似平行光重新分配，使光線沿水平方向擴散一定角度，最終整個燈具的出光滿足國標的要求。
3.2聚光鏡的設計
聚光鏡又稱為校直鏡，作用在于把光源發出的光變成可利用的光型，按照聚光原理分為反射聚光和折射聚光兩種，反射聚光一般用旋轉拋物面或者近似拋物面的直線旋轉面結構。由于后位燈由56個LED排列組成，每個LED均按照一定的角度來出射光線，用一個反射腔體顯然不能達到所有LED有效聚光的目的，故需要為每個LED都設計一個反射腔體。
反射腔體采用旋轉拋物面的結構，拋物面的底部挖空以容納食人魚LED的發光頭，如圖2所示。根據拋物面的性質，由拋物面焦點處發出的光線，經過拋物面反射后以平行光出射。假設LED的芯片近似當成點光源處理，調整LED與反射腔的位置使芯片處于拋物面的焦點處。考慮到模具制造和裝配的誤差，反射腔體底部孔的直徑應該比食人魚Φ3發光頭略大。
圖2 反射腔示意圖
圖3 枕型透鏡示意圖
3.3枕型透鏡的設計
為了使經過反射腔體會聚的光線擴散或偏轉，需要在燈具前面安裝具有一定光學效果的配光鏡（如圖1中的5），配光鏡實際上由一個個的光學元件組成，常用的光學元件有：圓柱面透鏡、水平楔形塊、垂直楔形塊、兩個方向傾斜的楔形塊、水平方向不等厚的圓柱面透鏡、垂直方向不等厚的圓柱面透鏡，上述光學元件分別對光線在水平或者垂直方向有不同的偏折效果。
在汽車燈具中，常用的配光鏡光學單元為圓柱面透鏡，又稱枕型透鏡，枕型透鏡設計的關鍵是圓柱面頂角A與半徑R（如圖3）的確定。現根據經由反射腔體出射的光斑的大小及需要偏折的角度大致確定圓柱面的頂角A與半徑R，在軟件TracePro中對配光鏡的性能進行模擬，修改參數直到仿真的效果滿足國家標準的要求。
4 光學仿真軟件及仿真步驟
為了檢驗所設計的后位燈是否滿足國家標準的要求，最直接的方法就是進行配光的試驗。以前的設計方法是依靠個人的經驗和大量的試驗，不但跟不上燈具設計需求的速度和越來越嚴格的車燈照明標準，而且浪費大量的財力、物力和人力。現借助光學軟件TracePro對所設計的LED后位燈具進行仿真，以快速開發出滿足要求的燈具結構。
4.1仿真軟件TracePro
TracePro是由美國Lambda Research公司所開發出來的一套光學仿真軟件，可以方便實現照明系統分析、光學分析、輻射分析以及光度分析的光線模擬，能夠仿真所有類型的汽車照明系統，能夠通過光線追蹤顯示系統中幾何物體之間的散射、吸收、折射、偏振和反射等相互作用，尤其是其強大的建模能力和接口功能，可以方便實現與其它的結構造型軟件兼容，如Pro/E、Catia、AutoCAD、Solidworks等。
在Tracepro中就是根據用戶設定的光源特性，追蹤從光源發出的按一定空間光強分布的隨機光線，這些隨機出射光線的位置、方向以及傳播過程中與各界面的反射、折射、散射、吸收都需要采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法來模擬，在設定的觀測屏幕上統計光線的分布，結果經計算和平滑處理后就是用戶所需要的照度分布圖、光強分布圖等。
4.2光學仿真的基本步驟
光學仿真的基本步驟包括：(l)在Catia中建立燈具的三維模型，通過*．igs文件并且導入到TracePro的CAD窗口中；(2)根據對食人魚I_ED光強分布的測試結果，建立光源的模型，增加光源特性；(3)定義各種表面和材料特性數據，并且賦予系統中的幾何模型；(4)定義光源追蹤特性，包括波長、閾值和傳播特性，然后開始光線追蹤；(5)對所追蹤的光線進行分析，包括照度分布、光強分布等，比較仿真結果與國家標準的差距，對不滿足要求的地方進行結構的修正，直到滿足設計要求。
5 仿真與測試結果
按照上述步驟建立所設計的LED后位燈的光學模型，設置每個LED發光面出射光線5000條，光通量為2.5lm，追蹤光線的仿真結果，觀察測試屏幕的矩光強分布圖(rectangular iso-candela)，可以獲得各個測試點的光強度值，如圖4所示。
圖4 觀測屏幕上光強分布圖
上述設計的燈具樣品，在汽車燈具檢測中心進行配光性能測試，檢測結果與國家標準值的對比詳見表1：
表1 檢測點光強值對比表（角度單位：°）
從表1數據中可以看出：燈具樣品測試點的光強度值均在國家標準要求的范圍之內，均大于要求的最小值，仿真結果在一定誤差范圍內比較真實地反映了燈具的實際光學效果。
6 結束語
汽車燈具是一個復雜的光學照明系統，涉及到光學、結構、電學、熱學等多方面的知識。采用食人魚LED作為光源，針對卡車用的后位燈進行光學結構的設計，在Catia中建立了其三維模型，借助光學軟件TracePro進行了光學效果的仿真，最終成功地制作出車燈樣品，經車燈中心的檢測，驗證了此設計方案的可行性。
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本文標題：一款LED后位燈的光學設計與仿真
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