基于LED光强分布的摩托车信号灯配光设计

关键词： LED , 仿真 , 光强分布 , 摩托车信号灯 , 曲面LED阵列

　　摘　要： 为了解决目前L ED 摩托车信号灯光效低、成本高的问题，提出了一种基于L ED 光强分布数学模型的新方法。在推导了曲面L ED 阵列光强分布数学模型的基础上，将其应用于L ED 摩托车信号灯配光设计。进一步采用Tra2cepro 光学仿真软件对该方法设计的L ED 摩托车制动灯进行了模拟实验，结果证明曲面L ED 阵列光强分布的数学模型正确，能够满足国家摩托车配光标准的要求，从而对实现了L ED 摩托车信号灯的配光设计。

　　0 　引　言

　　目前通用的摩托车制动灯光源仍然是白炽灯占主导地位，加上红色的配光透镜实现配光要求，其缺点是白炽灯易损坏，功耗大，寿命短，可靠性差，给道路交通带来安全隐患等。LED（发光二极管） 具备体积小、寿命长、低能耗等优势被逐步应用于机动车车灯光源。目前通用的L ED 摩托车信号灯的配光设计方案主要有三种：第一种是直接将多个食人鱼型L ED 排布成平面状密封在灯罩内，其缺点是相当一部分光处在国标配光屏幕要求的范围外，造成光能的浪费;第二种是采用多个球帽型L ED 排布成平面状密封于灯罩内再加上配光透镜配光，其缺点是一部分光经配光透镜折射、散射和吸收，造成灯具光效比较低;第三种是将多个食人鱼型L ED 排布成平面，经抛物型聚光器和配光透镜联合配光。其缺点是聚光器设计成本高，配光透镜光能损失较大。三种配光设计方案设计的LED 摩托车信号灯光效低，光能损失大，设计成本高。
　　如果能够从理论上建立L ED 光强分布的数学模型，研究一种L ED 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L ED 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L ED 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表示单个L ED 光线OM 与光轴OL 的夹角;φ表示L ED 光轴OL 与其在x y 平面投影的夹角;γ表示L ED 光轴OL 在x y 平面投影与Y 轴的夹角。

　　

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　　则L ED 光轴对应的单位坐标为（co sφsinγ，cosφsinγ，sinφ） ，探测球面上M点的坐标（ rcosβsinα，rcosβcosα， rsinβ） 。
　　由此，L ED 光源的光强分布可以表示为I =I （θ） 或者I = I （α，β） 。
　　而单个L ED 的光强分布不是理想的朗伯体，该分布可以表述为：

　　

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　　当θ =θ1/ 2 时

　　

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　　即

　　

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　　由图1 可知，θ也可以表示为L ED 光轴对应的向量OL 与向量OM 的夹角，则

　　

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　　则