王 堯 ，劉 華，盧振武，方 超，荊 雷

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033)

1 引 言

隨著半導體固態(tài)照明技術的迅速發(fā)展，發(fā)光二極管( LED) 在照明領域的地位日益凸顯，其憑借體積小、壽命長、顯色性好、節(jié)能高效、抗震性好的特點，在汽車照明領域具有無可比擬的優(yōu)勢［1-5］。

汽車后轉向燈是向車輛后方道路使用者表明車輛將向左或向右轉向的燈具。目前，LED 在汽車后轉向燈領域還未普及，僅有少數(shù)高檔汽車的后轉向燈采用LED 光源?，F(xiàn)行的后轉向燈多采用自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光的方式［6］，這種方式存在兩方面不足: 一是反光腔不能對LED 中心部分進行精確控制;二是反光腔和配光鏡需要相互配合，在裝配中容易產生誤差。因此，現(xiàn)行的LED 汽車后轉向燈存在著配光性能不準確，能量利用率低等問題，這些問題極大地制約了LED 在汽車后轉向燈領域的應用和普及。

本文根據(jù)國家標準《汽車及掛車轉向信號燈配光性能》( GB17905-2008) 的要求［7］，應用非成像光學原理及斯涅爾定律對LED 發(fā)出的所有光線進行有效控制，設計出了一款準直配光一體化的LED 后轉向燈透鏡。透鏡僅通過一次加工成型，消除了裝配誤差。利用TracePro 光學模擬軟件對該透鏡的分析結果表明: 在最小可見角的要求范圍內，發(fā)光強度均大于1.6 cd，且配光光形符合GB17905-2008 要求。

2 后轉向燈配光性能

國家標準《汽車及掛車轉向信號燈配光性能》( GB17905-2008) 要求后轉向燈應為琥珀色，其發(fā)光強度分布如圖1 所示。圖中的柵格線交叉處的數(shù)字為百分比，它表示該方向光強最小值與基準軸線方向光強度最小值的比值，其中基準軸線方向發(fā)光強度最小值為50 cd，最大值為350 cd。在發(fā)光強度分布范圍內，轉向燈發(fā)出的光應均勻，即柵格線圍成的范圍內任一方向測得的光強不得小于該方向周圍各方向中最小的光強值。圖2 規(guī)定了轉向燈最小可見角，要求在與基準軸線方向V= -15° ～+15°，H= -45° ～+80°范圍內發(fā)光強度≥0.3 cd。

圖1 后轉向燈發(fā)光強度分布Fig.1 Luminous intensity distribution of rear turn lamp

圖2 后轉向燈最小可見角示意圖Fig.2 Minimum visible angle of rear turn lamp

3 理論設計

3.1 透鏡基本結構

本文設計的后轉向燈采用旋轉對稱結構，包括準直結構、配光結構和實現(xiàn)最小可見角結構三部分，如圖3 所示，z軸，y軸，x軸分別對應于圖1中的基準軸線，V方向和H方向。準直結構將LED 發(fā)出的朗伯分布的光變?yōu)槠叫泄獬錾?，該結構包括透射面1 和全反射面2; 曲面3 為配光結構，由多個球面密接組成，將通過準直結構出射的平行光整形為滿足圖1 所示的配光光型;曲面4、5、6 是為了滿足轉向燈最小可見角而設計的結構，其中曲面4 將通過準直結構出射的一部分平行光發(fā)散到與z軸成0 ～40°的區(qū)域，曲面6 為球面，LED 發(fā)出的光經過曲面6 后不改變方向，然后通過曲面5 將光線折射到與z軸成40 ～80°區(qū)域，最終滿足最小可見角的要求。

圖3 透鏡基本結構圖Fig.3 Structure of the lens

3.2 準直結構

透鏡材料折射率為n，則對于曲面1，如圖4( a) 所示，設曲線上點P1的坐標為(x1，z1) ，根據(jù)斯涅爾定律，有:

式中，i、α 分別為入射光線I和曲線上P1點處的切線T與x軸的夾角。

在曲線上P1點前取一點P＇1(x1- Δx，z1-Δz) ，其中Δx，Δz均為很小的量，可以認為P＇1處切向量與P1處的切向量相同。P1點可以看作該點處入射光線I與P＇1處的切線的交點。根據(jù)曲線1 的起始點P10(x10，z10) ，經過反復迭代計算即可獲得曲線1 上各點坐標［8-9］，其中曲線1 終點記為P1end(x1end，z1end) 。

同樣，對于曲面2，如圖4( b) 所示，設曲線上P2點的坐標為(x2，z2) ，根據(jù)斯涅爾定律有:

圖4 準直結構示意圖Fig.4 Structure of collimator

式中:i、r、α 分別為入射光線I、經過一次折射后進入透鏡的光線R和曲線上P2點處的切線T與x軸的夾角。P2為該點處光線R與P＇2處的切線的交點。根據(jù)曲線2 的起始點P2(x20，z20) ，經過反復迭代計算得到曲線2 上各點坐標，其中曲線2終點記為P2end(x2end，z2end) 。

3.3 配光結構

曲面3 采用多個球面透鏡密接組成，每個透鏡的曲率半徑均為R3，在x方向上透鏡直徑為Lx，y方向上透鏡直徑為Ly，其放大的結構示意圖如圖5 所示。平行光線垂直入射到曲面3 上，設x方向上光線入射角為βx，經過曲面3 后出射光線與z軸夾角為θx，則有:

同樣在y方向上:

根據(jù)圖1 可知，轉向燈的配光光形在x方向±20°，y方向±10°內呈近似矩形分布，因此θx=20°，θy=10°。考慮透鏡尺寸及加工等因素，Lx確定為4 mm，根據(jù)式( 3) ( 4) 求解得到R3、Ly，即可確定曲面3 的面型。

圖5 曲面3 計算示意圖Fig.5 Calculation of curved surface 3

3.4 滿足最小可見角要求的結構

經過準直結構出射的平行光，其中一部分經過面4 后發(fā)散，滿足0 ～40°區(qū)域的最小可見角的要求，如圖6 所示。圖中P4(x4，z4) 為曲線4 上的點，o為出射光線O與z軸的夾角，α 為P4處的切線與x軸的夾角，根據(jù)斯涅爾定律得到方程組:

圖6 曲面4 計算示意圖Fig.6 Calculation of curved surface 4

與準直結構類似，通過迭代計算得到曲線4上各點坐標，其中曲線終點記為P4end(x4end，z4end) 。

曲面5 和曲面6 共同滿足40 ～80°區(qū)域最小可見角的要求。如圖7 所示，曲面6 為半徑為R6的球面，LED 發(fā)出的光線I經過曲面6 后不發(fā)生偏折，在曲面5 處發(fā)生折射，形成出射光線O，由斯涅爾定律可得:

曲線5 上各點P5(x5，z5) 通過迭代計算可以依次得到。

圖7 曲面5 和曲面6 計算示意圖Fig.7 Calculation of curved surfaces 5 and 6

4 設計結果及分析

采用折射率n=1.49 的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 作為透鏡材料，進行后轉向燈設計。后轉向燈光源選用LUXEON 公司的LXMA-PL01-0023 芯片，其光通量典型值為40 lm。圖8 為設計完成的后轉向燈透鏡的3D 結構圖，透鏡高為8.32 mm，直徑為12.64 mm。

利用TracePro 軟件對設計結果進行模擬仿真。后轉向燈的發(fā)光強度分布如圖9 所示，在x方向±20°，y方向±10°內呈近似矩形分布。各測試點的發(fā)光強度值如表1 所示，模擬結果均符合GB17905-2008 的要求，其中基準軸線方向發(fā)光強度為176 cd。同時在x方向±80°，y方向±80°的矩形區(qū)間，轉向燈發(fā)出的光均勻，發(fā)光強度均大于1.6 cd，滿足GB17905-2008 中最小可見角的要求。

圖8 后轉向燈透鏡3D 結構圖Fig.8 Three dimensional structure diagram of rear turn lamp

表1 各測試點模擬光強度值Tab．1 Luminous intensity of each test point after simulation

圖9 后轉向燈發(fā)光強度分布模擬圖Fig.9 Luminous intensity distribution simulation diagram of rear turn lamp

若采用常見的自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光方式進行后轉向燈設計，則在基準軸線方向發(fā)光強度仍為176 cd，且滿足最小可見角的情況下，其發(fā)光強度分布并不具均勻性，如圖10 所示。

圖10 常見配光方式發(fā)光強度模擬圖Fig.10 Luminous intensity distribution simulation diagram of rear turn lamp by common method

表2 兩種配光方式對比Tab．2 Comparison of two methods

兩種配光方式對比結果如表2 所示。采用非成像光學方法設計的一體化LED 后轉向燈透鏡，只需40 lm 光通量即可實現(xiàn)轉向的配光功能，比常見的自由曲面反光腔和配光透鏡組合配光方式能量利用率高69%。同時，光強分布均勻性和最小可見角范圍內的光強均優(yōu)于常見配光方式，配光性能有顯著提升。

5 結 論

本文基于非成像光學原理和斯涅爾定理設計了一款LED 后轉向燈透鏡。該透鏡包含準直結構、配光結構和滿足最小可見角要求的結構。運用TracePro 光學模擬軟件對實際光源和LED 后轉向燈透鏡進行模擬分析，結果表明: 在x方向±20°，y方向±10°內發(fā)光強度呈近似矩形分布，且各測試點結果均滿足GB17905-2008 要求。最小可見角要求范圍內，光強≥1.6 cd。

［1］ STERANKA F M，BHAT J ，COLLINS D，et al.. High power LEDs technology status and market applications［J］.Physical Status Solid(A)Appl． Res．，2002，194(2) ：380-388

［2］ PELKA D G，PATEL K. An overview of LED applications for general illumination［J］.SPIE，2003，3781：15-26.

［3］ 金鵬，喻春雨，周奇峰，等.LED 在道路照明中的光效優(yōu)勢［J］.光學 精密工程，2011，19(1) :51-55.JIN P，YU CH Y，ZHOU Q F，et al.. Superior application of LED to street lighting［J］.Opt． Precision Eng．，2011，19(1) :51-55.( in Chinese)

［4］ 耿安兵.一種LED 光能收集光學系統(tǒng)的設計［J］.光學與光電技術，2011，9(3) :24-27.GENG A B. An optical system design method for LED light collection［J］.Optics＆Optoelectronic Technol．，2011，9(3) :24-27.( in Chinese)

［5］ CHENG Y. Progress in display technologies and their applications［J］.Chinese J． Optics and Appl． Opt．，2010，3(1) :27-32.

［6］ 黃佐賢.現(xiàn)代汽車燈具［M］.北京:長虹出版公司，2003.HUANG Z X.Modern Automobile Lamps and Lanterns［M］. Beijing:Changhong Publishing Company，2003.( in Chinese)

［7］ 上海汽車燈具研究所.GB17905-2008 汽車及掛車轉向信號燈配光性能［S］.中國國家標準化管理委員會.北京:中國標準出版社，2008.Shanghai Auto Lamps Research Institute. GB17905-2008，Photometric characteristics of direction indicators for motor vehicles and their trailers［S］. Standardization Administration of the People＇s Republic of China. Beijing: China Standard Press，2008.( in Chinese)

［8］ CHEN J J，LIN C T. Freeform surface design for a light-emitting diode based collimating lens［J］.Optical Eng．，2010，49(9) :09300-1-09300-8.

［9］ LUO Y，F(xiàn)ENG Z X，HAN Y J，et al．. Design of compact and smooth free-form optical system with uniform illuminance for LED source［J］.Opt． Express，2010，18(9) :9055-9063.