基于LED光強(qiáng)分布的摩托車信號燈配光設(shè)計(jì)

0 　引　言

　　目前通用的摩托車制動(dòng)燈光源仍然是白熾燈占主導(dǎo)地位，加上紅色的配光透鏡實(shí)現(xiàn)配光要求，其缺點(diǎn)是白熾燈易損壞，功耗大，壽命短，可靠性差，給道路交通帶來安全隱患等。LED（發(fā)光二極管） 具備體積小、壽命長、低能耗等優(yōu)勢被逐步應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車車燈光源。目前通用的L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計(jì)方案主要有三種：第一種是直接將多個(gè)食人魚型L ED 排布成平面狀密封在燈罩內(nèi)，其缺點(diǎn)是相當(dāng)一部分光處在國標(biāo)配光屏幕要求的范圍外，造成光能的浪費(fèi);第二種是采用多個(gè)球帽型L ED 排布成平面狀密封于燈罩內(nèi)再加上配光透鏡配光，其缺點(diǎn)是一部分光經(jīng)配光透鏡折射、散射和吸收，造成燈具光效比較低;第三種是將多個(gè)食人魚型L ED 排布成平面，經(jīng)拋物型聚光器和配光透鏡聯(lián)合配光。其缺點(diǎn)是聚光器設(shè)計(jì)成本高，配光透鏡光能損失較大。三種配光設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的LED 摩托車信號燈光效低，光能損失大，設(shè)計(jì)成本高。

　　如果能夠從理論上建立L ED 光強(qiáng)分布的數(shù)學(xué)模型，研究一種L ED 陣列的光強(qiáng)分布且無需聚光器和配光鏡，使其滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，從而為L ED 摩托車信號燈設(shè)計(jì)提供一種新的快捷、實(shí)用的方法，具有重要的理論與實(shí)際指導(dǎo)意義。

　　1 　曲面LED 陣列的光強(qiáng)分布的數(shù)學(xué)模型

　　1. 1 　單個(gè)LED 光強(qiáng)分布的數(shù)學(xué)模型

　　首先建立單個(gè)L ED 光強(qiáng)的分布模型，如圖1 所示。其中，探測球面中心為（0 ，0 ，0） ，半徑為r ，α表示L ED 光源的水平方向角;β表示L ED 光源的垂直方向角;θ表示單個(gè)L ED 光線OM 與光軸OL 的夾角;φ表示L ED 光軸OL 與其在x y 平面投影的夾角;γ表示L ED 光軸OL 在x y 平面投影與Y 軸的夾角。

　　則L ED 光軸對應(yīng)的單位坐標(biāo)為（co sφsinγ，cosφsinγ，sinφ） ，探測球面上M點(diǎn)的坐標(biāo)（ rcosβsinα，rcosβcosα， rsinβ） 。

　　由此，L ED 光源的光強(qiáng)分布可以表示為I =I （θ） 或者I = I （α，β） 。

　　而單個(gè)L ED 的光強(qiáng)分布不是理想的朗伯體，該分布可以表述為：

　　當(dāng)θ =θ1/ 2 時(shí)

　　即

　　由圖1 可知，θ也可以表示為L ED 光軸對應(yīng)的向量OL 與向量OM 的夾角，則

　　則

　　由公式（5） 可知，單個(gè)L ED 的光強(qiáng)分布與L ED在空間的傾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有關(guān)，改變φ和γ就可以改變單個(gè)L ED 光強(qiáng)的分布。

　　但是，由于單燈光強(qiáng)小，達(dá)不到摩托車信號燈的光強(qiáng)的國標(biāo)要求，往往需要多個(gè)L ED 組合，而改變單個(gè)L ED 的傾斜角可以改變光強(qiáng)分布，因此可以進(jìn)一步研究一種L ED 的曲面陣列排布的光強(qiáng)分布，進(jìn)而用它來完成對L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計(jì)。

　　1. 2 　曲面LED 陣列的光強(qiáng)分布的數(shù)學(xué)模型

　　當(dāng)接受屏距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，多個(gè)L ED 組合形成的面光源可以簡化為點(diǎn)光源，且相鄰兩個(gè)LED 之間的間距對曲面L ED 陣列的光強(qiáng)空間的影響可以忽略。則曲面L ED 陣列的光強(qiáng)分布只與L ED 的型號、L ED 的個(gè)數(shù)、以及單個(gè)L ED 傾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有關(guān)。

　　則光強(qiáng)函數(shù)表達(dá)式可以表述為：

　　式中I 為LED 陣列的光強(qiáng); in 為第n 種型號的單個(gè)LED 光源; N 為LED 光源的個(gè)數(shù)。

　　根據(jù)公式（5） 則：

　　由公式（7） 可知：改變γi 和φi ， 可以改變曲面L ED 陣列的分布，通過合理的配置，無需附加反光杯或透鏡就可以實(shí)現(xiàn)L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計(jì)。

　　下面就以L ED 摩托車信號燈為例，介紹該方法的應(yīng)用。

　　2 　曲面LED陣列的光強(qiáng)分布數(shù)學(xué)模型在LED 摩托車信號燈配光設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　2. 1 　摩托車信號燈的國家標(biāo)準(zhǔn)

　　我國摩托車信號燈采用的標(biāo)準(zhǔn)是《摩托車光信號裝置配光性能GB T17510 - 1998》，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對傳統(tǒng)白熾燈的規(guī)定，L ED 摩托車燈具的設(shè)計(jì)也只能繼續(xù)沿用上述標(biāo)準(zhǔn)， 對于LED 摩托車信號燈的配光性能具體規(guī)定如下：

　　在滿足光度學(xué)二次平方反比定律距離確定的配光屏幕上，分布在范圍為左右20°，上下10°的橢圓形區(qū)域內(nèi)的測試點(diǎn)，光強(qiáng)要求在一定的范圍之內(nèi)，且滿足如圖2 中的分布。