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LED光强分布的摩托车信号灯配光设计

      如果能够从理论上建立LED光强分布的数学模型,研究一种LED阵列的光强分布且无需聚光器和配光镜,使其满足国家标准,从而为LED摩托车信号灯设计提供一种新的快捷、实用的方法,具有重要的理论与实际指导意义。
    1曲面LED阵列的光强分布的数学模型
    1.1单个LED光强分布的数学模型
    首先建立单个LED光强的分布模型,如图1所示。其中,探测球面中心为(0,0,0),半径为r,α表示LED光源的水平方向角;β表示LED光源的垂直方向角;θ表示单个LED光线OM与光轴OL的夹角;φ表示LED光轴OL与其在xy平面投影的夹角;γ表示LED光轴OL在xy平面投影与Y轴的夹角。
    则LED光轴对应的单位坐标为(cosφsinγ,cosφsinγ,sinφ),探测球面上M点的坐标(rcosβsinα,rcosβcosα,rsinβ)。
    由此,LED光源的光强分布可以表示为I=I(θ)或者I=I(α,β)。
    而单个LED的光强分布不是理想的朗伯体,该分布可以表述为:
    当θ=θ1/2时
    即
    由图1可知,θ也可以表示为LED光轴对应的向量OL与向量OM的夹角,则
    则
    由公式(5)可知,单个LED的光强分布与LED在空间的倾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有关,改变φ和γ就可以改变单个LED光强的分布。
    但是,由于单灯光强小,达不到摩托车信号灯的光强的国标要求,往往需要多个LED组合,而改变单个LED的倾斜角可以改变光强分布,因此可以进一步研究一种LED的曲面阵列排布的光强分布,进而用它来完成对LED摩托车信号灯的配光设计。
    1.2曲面LED阵列的光强分布的数学模型
    当接受屏距离足够远时,多个LED组合形成的面光源可以简化为点光源,且相邻两个LED之间的间距对曲面LED阵列的光强空间的影响可以忽略。则曲面LED阵列的光强分布只与LED的型号、LED的个数、以及单个LED倾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有关。
    则光强函数表达式可以表述为:
    式中I为LED阵列的光强;in为第n种型号的单个LED光源;N为LED光源的个数。
    根据公式(5)则:
    由公式(7)可知:改变γi和φi,可以改变曲面LED阵列的分布,通过合理的配置,无需附加反光杯或透镜就可以实现LED摩托车信号灯的配光设计。
    下面就以LED摩托车信号灯为例,介绍该方法的应用。
    2曲面LED阵列的光强分布数学模型在LED摩托车信号灯配光设计中的应用
    2.1摩托车信号灯的国家标准
    我国摩托车信号灯采用的标准是《摩托车光信号装置配光性能GBT17510-1998》,这个标准是针对传统白炽灯的规定,LED摩托车灯具的设计也只能继续沿用上述标准,对于LED摩托车信号灯的配光性能具体规定如下:
    在满足光度学二次平方反比定律距离确定的配光屏幕上,分布在范围为左右20°,上下10°的椭圆形区域内的测试点,光强要求在一定的范围之内,且满足如图2中的分布。
    其中图中的栅格线交叉处的数字为百分比,它表示该方向光强最小值与基准轴线方向光强度最小值的比值,pcb抄板栅格线围成的范围内任一方向测得的光强不得小于该方向周围诸方向中最小的光强值。
    2.2LED摩托车信号灯的配光设计
    由于单个LED的光强达不到国家标准对机动车灯光强的要求,因此采用LED的摩托车信号灯必须对LED进行阵列排布。
    目前,市面上不同型号的球帽型LED光源的光强分布范围和国标要求的测点的光强百分比比值不满足图2所示的国标的光强要求,大部分球帽型LED光源的光强集中在水平角和垂直角±15°的范围内且垂直方向的光强分布基本上满足国标光强分布图V2V方向的分布要求,但水平方向±20°处的光强值几乎为零,因此只需要将水平角15°从扩散到20°,根据公式(7),令
    则
    根据国家《摩托车光信号装置配光性能GBT17510-1998》中摩托车信号灯光强满足的要求,考虑到国标要求光强分布分别关于H-H对称和V2V对称,则:
    其中I(0,0)表示水平方向角0°,垂直方向角0°时的光强值,其余的类推。
    上述方程组若γi为方程的解,则-γi亦为方程组的解。考虑实际加工灯具的方便,假设γi为等差数列。只需从方程(10)—(18)中求解出一组满意解γi,即可以将水平方向的发散角扩散到20°,从而实现对摩托车信号灯的配光设计。
    针对摩托车信号灯中具体的一款LED制动灯,用上述方法来完成配光设计,进而验证该方法的可行性。
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