基于自由曲面和菲涅尔透镜的LED汽车后雾灯设计

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引言

LED是新一代具有竞争力的新型固体光源，具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活、响应快、尺寸小、抗冲击等优点[1]。由于LED芯片输出的光符合朗伯分布，如果不经过适当的配光处理而直接应用于实际的汽车照明系统将无法达到所需标准。所以需对以LED为光源的照明系统进行二次光学设计，设计结果直接影响到照明系统的发光效率、能耗、以及汽车的安全性能[2-4]。

目前汽车照明技术的发展非常迅猛。随着汽车产业的高速发展和市场的激烈竞争，现代汽车照明系统对发光效率、安全性能、以及美观的要求也越来越高。汽车照明中的自由曲面反射镜及LED照明系统的设计和加工是至关重要的。有别于传统光学系统的设计。汽车照明系统的非成像光学的设计是个多学科、复杂的过程[5]。和传统的抛物面反射镜加配光透镜的组合相比，采用自由曲面和菲涅尔原理结合透镜可以同时实现会聚和配光的功能，这样一来后雾灯就既节省使用空间又降低安装成本。自由曲面的设计使得后雾灯变得更加灵活性和紧凑。

至今为止，LED主要应用在例如刹车灯、驻车灯、转向灯、倒车灯等汽车信号系统中。目前LED前照灯之所以还没大规模应用的一个重要因素就是散热，而汽车LED前雾灯因为所需要的能量相对前照灯的要少，所用的LED也相应较少，并且随着单颗LED的光效不断提高，产生的废热减少，这个约束汽车LED前照灯的技术瓶颈在汽车LED后雾灯中可以轻易地解决，因此汽车LED后雾灯的研究具有很大的使用价值。

　　后雾灯的设计

LED光源的选择

汽车后雾灯指的是在雾、雪、雨或尘埃弥漫等有碍可见度的情况下，为使后方其他道路使用者易于发现，安装在车辆尾部，光度比后位灯更强的红色信号灯[6]，在汽车的安全性中起着至关重要的作用。国内外关于机动车后雾灯均有着严格的标准，但是还没有关于半导体照明的标准[7-8]。此文中设计的LED后雾灯以传统钨丝灯及卤素灯的常规要求作为标准GB-11554中规定后雾灯的光源为红色。在配光方面最大的难度是：要保证菱形区域内光照强度处于一定区间的要求。为了能够得到很好的设计效果，本设计选用OSRAM(欧司朗)公司的一款小功率红光LED，其发光效率高且非常小巧，发光角为120°，在700 mA工作电流下，光通量典型值为10 lm，其光强分布如图1[9]。

设计原理

菲涅尔透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。而本文中采用的是将LED发出的光线转化成平行光线。

如图2左和右，将一LED光源在透镜轴线上F点处，由它发出的光束到达菲涅尔透镜的曲折面。在此我们选取o、n两光束为研究对象，它们分别经O、A折射后透过透镜O'、B以平行光的形式射出[10]。
根据折射定律：
(1)
式(1)中N1为空气的折射率近似等于1，N2为透镜材料的折射率， θ1、θ2分别是透镜斜面的入射角和折射角。由图2可得：
θ1=θ2 + ，θ2 = αn (2)
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