1 引言
由于LED光源相对传统的卤钨灯具有响应快、重量轻、安装深度小、耗能低、寿命长，无污染等优点，被公认为是汽车照明领域的新一代光源，必将逐步取代卤钨灯、白炽灯。LED信号灯早在1985年就被用在客车上，但早期LED光通量比较小，仅局限应用于汽车高位刹车灯。近几年，随着半导体新材料的开发与封装工艺的进步，LED的性能不断提高，LED在汽车上的应用也逐步扩展到内部照明、后组合灯乃至前大灯的照明领域中。
2 LED的选型
传统用于指示的支架式LED，光通量和亮度都比较小，一款后位灯常需要用到100个～300个LED才能达到要求。LED数目太多不但导致成本过高，而且容易出现故障，可靠性不高；新型的1W大功率LED光通量超过了50lm，散热问题也得到较好的解决，但是大功率LED器件价格过于昂贵，一般多应用于汽车前大灯，而且没有商品化的LED汽车前大灯面市。
目前，国内外在汽车LED后组合灯领域用的比较多的是食人鱼系列LED，如花冠、标志307CC、上海华普、比亚迪F3等车型，这是因为食人鱼系列LED的封装结构有4个引脚，热传导性能优于普通支架式2脚LED，可以承受相对比较大的电流，单管光通量可达3.0lm左右，如Lumileds公司的SuperFlux系列LED等；此外，食人鱼的4脚封装结构比较方便固定与安装，外形结构比较符合美观的要求。
现选取佛山国星光电科技有限公司生产的食人鱼系列LED，在正向驱动电流IF=25mA条件下，典型光通量为2.5lm，半值角2θ1/2（光强度值为中心光强的一半时所对应的角度）为55°，主波长为625nm。查阅国家标准GB5920-94《汽车前和后（侧）灯、示廊灯和制动灯配光性能》，通过估算满足国家标准的总光通量，再考虑到光的损失和可靠性，选取了56个该规格的LED，利用光学仿真软件TracePro完成光学设计与仿真。
3 LED后位灯光学结构设计
3.1灯具整体结构设计
设计的LED后位灯主要结构包括灯罩、聚光板、LED、PCB板、主控板、后盖等，如图1所示，以及配件橡胶外壳、防水密封圈、螺纹、电源引线等。其中灯罩、聚光镜、后盖均采用透光率高的PC料注塑成型，在配件接口处及电源引脚处采用橡胶圈或者注入环氧树脂密封防水。
图1 LED后位灯光学结构图
后盖1主要是用来固定和密封其它配件，主控板2和PCB板4为LED提供稳定的驱动电流，聚光镜5的作用在于收窄由LED发出的光，使光线变成近似平行光，灯罩6（配光镜）用于将由聚光镜收窄的近似平行光重新分配，使光线沿水平方向扩散一定角度，最终整个灯具的出光满足国标的要求。
3.2聚光镜的设计
聚光镜又称为校直镜，作用在于把光源发出的光变成可利用的光型，按照聚光原理分为反射聚光和折射聚光两种，反射聚光一般用旋转抛物面或者近似抛物面的直线旋转面结构。由于后位灯由56个LED排列组成，每个LED均按照一定的角度来出射光线，用一个反射腔体显然不能达到所有LED有效聚光的目的，故需要为每个LED都设计一个反射腔体。
反射腔体采用旋转抛物面的结构，抛物面的底部挖空以容纳食人鱼LED的发光头，如图2所示。根据抛物面的性质，由抛物面焦点处发出的光线，经过抛物面反射后以平行光出射。假设LED的芯片近似当成点光源处理，调整LED与反射腔的位置使芯片处于抛物面的焦点处。考虑到模具制造和装配的误差，反射腔体底部孔的直径应该比食人鱼Φ3发光头略大。
图2 反射腔示意图
图3 枕型透镜示意图
3.3枕型透镜的设计
为了使经过反射腔体会聚的光线扩散或偏转，需要在灯具前面安装具有一定光学效果的配光镜（如图1中的5），配光镜实际上由一个个的光学元件组成，常用的光学元件有：圆柱面透镜、水平楔形块、垂直楔形块、两个方向倾斜的楔形块、水平方向不等厚的圆柱面透镜、垂直方向不等厚的圆柱面透镜，上述光学元件分别对光线在水平或者垂直方向有不同的偏折效果。
在汽车灯具中，常用的配光镜光学单元为圆柱面透镜，又称枕型透镜，枕型透镜设计的关键是圆柱面顶角A与半径R（如图3）的确定。现根据经由反射腔体出射的光斑的大小及需要偏折的角度大致确定圆柱面的顶角A与半径R，在软件TracePro中对配光镜的性能进行模拟，修改参数直到仿真的效果满足国家标准的要求。
4 光学仿真软件及仿真步骤
为了检验所设计的后位灯是否满足国家标准的要求，最直接的方法就是进行配光的试验。以前的设计方法是依靠个人的经验和大量的试验，不但跟不上灯具设计需求的速度和越来越严格的车灯照明标准，而且浪费大量的财力、物力和人力。现借助光学软件TracePro对所设计的LED后位灯具进行仿真，以快速开发出满足要求的灯具结构。
4.1仿真软件TracePro
TracePro是由美国Lambda Research公司所开发出来的一套光学仿真软件，可以方便实现照明系统分析、光学分析、辐射分析以及光度分析的光线模拟，能够仿真所有类型的汽车照明系统，能够通过光线追踪显示系统中几何物体之间的散射、吸收、折射、偏振和反射等相互作用，尤其是其强大的建模能力和接口功能，可以方便实现与其它的结构造型软件兼容，如Pro/E、Catia、AutoCAD、Solidworks等。
在Tracepro中就是根据用户设定的光源特性，追踪从光源发出的按一定空间光强分布的随机光线，这些随机出射光线的位置、方向以及传播过程中与各界面的反射、折射、散射、吸收都需要采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来模拟，在设定的观测屏幕上统计光线的分布，结果经计算和平滑处理后就是用户所需要的照度分布图、光强分布图等。
4.2光学仿真的基本步骤
光学仿真的基本步骤包括：(l)在Catia中建立灯具的三维模型，通过*．igs文件并且导入到TracePro的CAD窗口中；(2)根据对食人鱼I_ED光强分布的测试结果，建立光源的模型，增加光源特性；(3)定义各种表面和材料特性数据，并且赋予系统中的几何模型；(4)定义光源追踪特性，包括波长、阈值和传播特性，然后开始光线追踪；(5)对所追踪的光线进行分析，包括照度分布、光强分布等，比较仿真结果与国家标准的差距，对不满足要求的地方进行结构的修正，直到满足设计要求。
5 仿真与测试结果
按照上述步骤建立所设计的LED后位灯的光学模型，设置每个LED发光面出射光线5000条，光通量为2.5lm，追踪光线的仿真结果，观察测试屏幕的矩光强分布图(rectangular iso-candela)，可以获得各个测试点的光强度值，如图4所示。
图4 观测屏幕上光强分布图
上述设计的灯具样品，在汽车灯具检测中心进行配光性能测试，检测结果与国家标准值的对比详见表1：
表1 检测点光强值对比表（角度单位：°）
从表1数据中可以看出：灯具样品测试点的光强度值均在国家标准要求的范围之内，均大于要求的最小值，仿真结果在一定误差范围内比较真实地反映了灯具的实际光学效果。
6 结束语
汽车灯具是一个复杂的光学照明系统，涉及到光学、结构、电学、热学等多方面的知识。采用食人鱼LED作为光源，针对卡车用的后位灯进行光学结构的设计，在Catia中建立了其三维模型，借助光学软件TracePro进行了光学效果的仿真，最终成功地制作出车灯样品，经车灯中心的检测，验证了此设计方案的可行性。
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本文标题：一款LED后位灯的光学设计与仿真
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