LightTools中LED汽車尾燈設計

文章來源:恒光電器

發布時間: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（聯邦標準）規格標準，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規格標準中規定：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     

相關規范：

– 聯邦機動車輛安全標準和法規 (FMVSS)—美國聯邦標準

– 汽車工程師學會 (SAE)—燈具的規格, 研究和數據統計, 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)

– 聯合國歐洲經濟委員會內陸運輸部門(ECE)

– 大多數國家采用ECE規范.

– 日本大多數都遵循ECE規范，但日間行車燈規范除外。

 

 

    下圖為ECE尾燈設計的重要規格指標：

圖3：ECE尾燈設計規格指標

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。在此次討論系統中光除了要達到相應強度測試點的要求，醫院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30弧秒的角敏度來設置接收器上網格大小劃分）。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格要求：

主要規格指標:

   – 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

優化方法:

   – 使用45°半錐角（人眼張角）優化空間分布

   – 優化目標使用平均亮度

   – 還要優化出射光的角擴散分布以匹配相應的強度分布

使用 LightTools 創建光學模型。

LED光源選取：

   – 使用高功率紅色LED以便達到設計規格指標要求

   – 選擇OSRAM Golden DRAGON, LR W5SM-HZJZ-1-1

   – 此LED為單芯片，行業資訊，發光面約為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根光線數據光源文件

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：模型參數描述

圖9：CAD模型的燈具區域劃分（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化工具(BPO) 來優化Z-depths以實現均勻的空間分布。

   – 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：

   – 適當的減小紋理元件的寬度---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。

   – 優化Bezier曲線的相應參數

   – 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

 

重新優化空間分布：

    優化結束后，復制優化好的導光管兩根，恒光，辦公照明，放置在燈箱中。