聶希圣，蘇迎，趙德華

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

引言

節(jié)能環(huán)保在新時(shí)期已經(jīng)成為汽車行業(yè)的主要目標(biāo)，近年來四階段油耗的實(shí)施期限的臨近、電動(dòng)車取代傳統(tǒng)燃油車的時(shí)間目標(biāo)，這一切都表現(xiàn)出世界各國為降低碳排放貢獻(xiàn)著自己的力量。LED產(chǎn)品以其低能耗、壽命長，在科技發(fā)展的今天從各種照明光源中脫穎而出，如今LED光源在汽車領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，本文主要針對厚壁光導(dǎo)的日間行車燈與轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行研究[1]。

1 光學(xué)設(shè)計(jì)法規(guī)分析

1.1 整車安裝法規(guī)要求

我國汽車及掛車外部照明和信號裝置的安裝規(guī)定4785-2007明確指出，1.日間行車燈是晝間行車時(shí)，使得車輛更為易見的一種面向前方的燈具。2.轉(zhuǎn)向燈是用于向其他使用道路者表明車輛將向右或向左轉(zhuǎn)向的燈具。兩功能安裝法規(guī)相同，均為水平方向上要求在基準(zhǔn)軸線方向上，離車輛縱向?qū)ΨQ平面最遠(yuǎn)的視表面邊緣，到車輛外緣端面之間的距離應(yīng)不大于400mm。兩相鄰視表面之間的距離應(yīng)不小于600mm。豎直方向上要求離地高度應(yīng)不小于350mm，不大于1500 mm[2]。

1.2 配光法規(guī)要求

根據(jù)日間行車燈法規(guī)GB23255-2009，配光光型如圖1，要求在基準(zhǔn)軸線的發(fā)光強(qiáng)度不小于400cd，每個(gè)燈具所發(fā)出的各個(gè)測量方向的光，投射到配光分布上點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度，不應(yīng)低于圖1上所示各點(diǎn)百分比值與400cd的乘積。在任何方向上，燈具發(fā)出的光強(qiáng)度應(yīng)不大于1200cd[3]。

汽車及掛車轉(zhuǎn)向信號燈法規(guī)17509-2008，配光光型如圖2，要求轉(zhuǎn)向燈各個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度不應(yīng)小于表1發(fā)光強(qiáng)度最小值與對應(yīng)方向標(biāo)明的百分?jǐn)?shù)的乘積，在該范圍內(nèi)發(fā)出的光強(qiáng)變化均勻[4]。

綜合日間行車燈和轉(zhuǎn)向燈法規(guī)的安裝要求及配光分布要求，筆者分析得出兩種功能可以共用一套光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上通過不同光源之間的切換得到實(shí)現(xiàn)。

圖1 日間行車燈光型

圖2 轉(zhuǎn)向燈光型

表1 轉(zhuǎn)向燈發(fā)光強(qiáng)度要求 單位為坎德拉

2 設(shè)計(jì)方案制定

2.1 結(jié)構(gòu)方案制定

常見厚壁光導(dǎo)有圖3-圖6幾種光學(xué)結(jié)構(gòu)，筆者根據(jù)模具，光學(xué)點(diǎn)亮效果，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成本四方面綜合考慮，最終選擇圖3結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。

圖3 厚壁光導(dǎo)斷面

圖4 厚壁光導(dǎo)斷面

圖5 厚壁光導(dǎo)斷面

圖6 厚壁光導(dǎo)斷面

圖3光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過筆者劃分，主要由三部分組成：

a聚光器：負(fù)責(zé)收集光源發(fā)出的光線，同時(shí)通過全反射原理將豎直方向傳播的光束轉(zhuǎn)化成為水平方向傳播的光束；

b光束傳播中間結(jié)構(gòu)：負(fù)責(zé)將聚光器轉(zhuǎn)化完成的光束傳遞到魚眼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)部分；

c魚眼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)：負(fù)責(zé)將水平入射光束進(jìn)一步通過曲面折射，擴(kuò)大光束的發(fā)散角度。

筆者根據(jù)厚壁光導(dǎo)各部分的設(shè)計(jì)要領(lǐng)對厚壁光導(dǎo)的具體設(shè)計(jì)方案如下：

聚光器：為了滿足厚壁光導(dǎo)更加均勻的人眼視覺效果，在本設(shè)計(jì)中筆者優(yōu)化改進(jìn)了聚光器常規(guī)只負(fù)責(zé)全反射改變光束傳播方向的設(shè)計(jì)思路，即在聚光器滿足全反射的同時(shí)進(jìn)行了二次光學(xué)設(shè)計(jì)如圖7所示，這樣可以使LED光源發(fā)出的光束在改變光路的同時(shí)完成光學(xué)上的第一次角度擴(kuò)散。

圖7 光學(xué)擴(kuò)散結(jié)構(gòu)

圖8 魚眼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)

圖9 厚壁光導(dǎo)

魚眼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)：筆者首先在厚壁光導(dǎo)表面設(shè)計(jì)生成2×2mm的網(wǎng)格曲線，然后通過CATIA二次開發(fā)程序繪制得出魚眼擴(kuò)散花紋，如圖8所示。為了能在滿足法規(guī)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的人眼視覺效果，筆者不斷優(yōu)化，改變魚眼花紋的擴(kuò)散角度。經(jīng)過軟件計(jì)算最終生成厚壁光導(dǎo)如圖9所示[5]。

2.2 光學(xué)接收器設(shè)置

為模擬分析在不同視角下人眼視覺效果，筆者根據(jù)人眼視覺習(xí)慣，分別制定了三個(gè)不同方位的光學(xué)接收器。接受器的具體位置信息如下：接收器1位于車頭的正前方，接收器2位于光導(dǎo)外側(cè)20度位置，接收器3位于光導(dǎo)內(nèi)側(cè)20度位置。

2.3 光源方案設(shè)置

筆者在本設(shè)計(jì)中LED光源采用顆粒，如圖10。

圖10 日間行車燈LED顆粒

圖11 轉(zhuǎn)向燈LED顆粒

2.4 人眼視覺模擬分析

筆者應(yīng)用光學(xué)分析軟件Lucid shape對兩種功能分別進(jìn)行模擬，輸出點(diǎn)亮人眼視覺效果如下圖12-圖17，分析日間行車燈和轉(zhuǎn)向功能，筆者發(fā)現(xiàn)在考察的各個(gè)視圖內(nèi)厚壁光導(dǎo)上均未發(fā)現(xiàn)明顯暗區(qū)，光導(dǎo)表面發(fā)光均勻，符合主觀評價(jià)要求。

圖12 日行效果

圖13 轉(zhuǎn)向燈效果

圖14 日行效果（外20°）

圖15 轉(zhuǎn)向燈效果（外20°）

圖16 日行效果（內(nèi)20°）

圖17 轉(zhuǎn)向燈效果（內(nèi)20°）

2.5 法規(guī)模擬分析

運(yùn)用光學(xué)軟件生成日間行車燈和轉(zhuǎn)向燈的光斑如圖18，圖20。對模擬配光圖進(jìn)行法規(guī)數(shù)值分析，分別得到法規(guī)符合性校核結(jié)果報(bào)告如圖19，圖21，根據(jù)法規(guī)報(bào)告得出兩個(gè)功能均能滿足法規(guī)要求。

圖18 日間行車燈光型

2.6 結(jié)論與應(yīng)用方案

經(jīng)過本次厚壁光導(dǎo)的光學(xué)設(shè)計(jì)，筆者得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)法規(guī)要求，日間行車燈與轉(zhuǎn)向燈有類似的法規(guī)要求，這樣對光學(xué)設(shè)計(jì)提供了兩種功能共用一個(gè)功能區(qū)域的可能性。為后續(xù)車型的設(shè)計(jì)開發(fā)也可以提供一定的參考。

（2）厚壁光導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)出于對外觀效果，模具成本，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性各方面考慮，筆者建議采用本文中光學(xué)結(jié)構(gòu)方案。

圖19 日間行車燈配光報(bào)告

圖20 轉(zhuǎn)向燈光型

圖21 轉(zhuǎn)向燈配光報(bào)告