汽车LED灯用配光透镜研究及应用

刘 威，王 波，于 群

（常州通宝光电股份有限公司，江苏 常州 213001）

昼间灯是一种新型的信号灯具，安装在车身前部，主要用于在白天行车视线环境较差的情况中，制造信号让道路的其他参与者尽早地发现自己，它的功效不是为了使驾驶员能看清路面，而是为了让别人知道有一辆车开过来了。因此，这种灯具不是照明灯，而是一种信号灯。固然，加装了昼间行驶灯可使汽车看起来更酷、更炫，但白天行驶灯的最大功效不在于美观，而是提供车辆的被辨识性。在国外行车开启头灯，可降低12.4%的车辆意外，同时也可降低26.4%的车祸死亡机率。总之，昼间行车灯的目的就是为了交通安全。

1 LED昼间灯光效和可靠性分析

一般的昼间灯，出于光能由机械能转换的关系，昼间灯的功率为12W左右，产品的光通量为80lm左右，色温范围在6500K左右。LED昼间灯比传统的卤素灯还要亮，消耗功率仅为昼间灯的50%，功率在7W左右。LED灯无污染、无辐射、发光均匀、光色饱满、持久恒定、使用寿命长，所以LED汽车昼间行驶灯是汽车昼间灯的必然趋势。然而现有LED昼间灯的配光镜由于设计的结构不合理，很难将LED产生的光线充分、平稳、集中地配出，导致现有的LED昼间灯要采用大功率的LED，以此弥补配光镜的不足，但是这样便增加了能耗，并会产生大量的热量，增加LED周围的工作温度，缩短LED的使用寿命。

2 具体技术方案实施方式

针对上述技术问题，本LED灯用配光透镜设计能够将光线充分、稳定、集中，配出符合GB 23255—2009《汽车昼间行驶灯配光性能》标准的LED昼间灯，其相应地可以减小LED的功率，从而减少热量的产生，也能够延长发光源的使用寿命。配光报告如图1所示。

如图2所示，汽车LED灯用配光透镜，包括采用亚克力或PC材料制成的圆形透镜本体1，透镜本体上至少设置一用于为发光源配光的配光单元2，在透镜本体上设置有7个配光单元，其中一配光单元处于透镜本体中部，剩余6个配光单元分布在该配光单元的周围，当然这里配光单元的数量还可以根据需要来进行设定；其中，配光单元包括由透镜本体一表面向外延伸出的锥形体3，制造时，锥形体与透镜本体一次性一体成型制成，锥形体与透镜本体一样可以透光，锥形体直径大的一端与透镜本体连接，锥形体直径小的一端面中部设置有延伸至锥形体中部的盲孔4，盲孔的底部为向外鼓起的弧形聚光面5；盲孔的大小、深度与LED发光源的尺寸相适应，可供LED发光源放置于其中，但又不是太大。

图1 配光报告

图2 配光镜结构示意图

在透镜本体另一表面上设置有向锥形体直径大的一端凹陷的圆形配光槽6，配光槽底部为具有配光面7的中心配光区8，在中心配光区周围设置有多个依次叠加的台阶配光面9，多个依次叠加的台阶配光面形成喇叭口状18，每个台阶配光面由若干个凸出的弧形配光面10依次排列构成。

图3为配光单元示意图。台阶配光面设置了3个，其为将中心配光区围在其中的圆形台阶配光面；其中，一级台阶配光面的外直径等于上一级相邻台阶配光面的内直径，这样保证各级台阶配光面之间配光的连续性；3个台阶配光面在投影上构成同心的配光面，相邻台阶面配光面上相对应位置的弧形配光面构成径向配光单元11。其中，弧形配光面10的投影形状为由2根斜线同一端连接的同心圆弧线13、1301构成的扇面状。2根斜线之间形成的夹角A在25°～50°之间，实施时，可以为25°、30°、35°、40°、45°、50°，当然还可以更大或更小，但是这些范围内的角度，能够提高配出光线的平稳性及均匀性；中心配光区的配光面7由多个矩形配光面相邻接构成，矩形配光面的表面向外凸出呈弧形面。这里通过图3对径向配光单元进行说明，图3中示出径向配光单元中的3个弧形配光面，在投影上的斜线在一直线上，这样保证径向配光单元中的3个弧形配光面配出光线的整洁、平稳、完整性。

图3 配光单元示意图

相邻配光单元之间采用凸出于透镜本体的挡边进行隔挡，挡边可以采用超声焊接在透镜本体上，也可以与透镜本体一次成型；圆形透镜本体侧面开设有6个减重槽，透镜本体具有锥形体的表面一体设置有3个安装柱脚16、3个定位柱脚17，便于透镜本体与车灯部件的装配。

3 本设计的工作原理

LED发光源伸入锥形体的盲孔中，其顶部产生光线由盲孔底部的弧形聚光面进行聚光，并通过中心配光区的配光面进行配光，配出的光线为成型光型的中心光线；而LED发光源产生的边缘光线通过锥形体的透光，反射到台阶配光面上的弧形配光面进行配光，由于设置了多个依次叠加的台阶配光面形成喇叭口状，且通过每个台阶配光面上的弧形配光面的配光，能够配出成型光型的周围光线，且配出的周围光线稳定、平稳、集中；这样通过中心配光区、多个台阶配光面的弧形配光面，能够配出完整的光型，且光型稳定、平稳、集中、美观大方。

4 设计应用分析

本汽车LED灯用配光透镜本体为圆形，在透镜本体上设置有7个配光单元，其中一配光单元处于透镜本体中部，剩余6个配光单元分布在该配光单元的周围。这样结构的设计，能够使整体配出的光线均匀、美观。

为了使配光更完美，所述台阶配光面设置有3个，其为将中心配光区围在其中的圆形台阶配光面，这样中心配光区负责光线的中心区域配光，而其台阶配光面负责中心区域周围的配光，使配出的光线充实、集中；其中，一级台阶配光面的外直径等于上一级相邻台阶配光面的内直径，这样相邻台阶配光面之间配出的光线能够形成一体，而不会分散，提高配光的品质。

所述多个台阶配光面在投影上构成同心的配光面，相邻台阶面配光面上相对应位置的弧形配光面构成径向配光单元。这样配出的光线能够形成一个整体的光线，而不是一段一段的光线，保证配出光线稳定、均匀，且比较美观。

弧形配光面的投影形状为由2根斜线同一端连接的同心圆弧线构成的扇面状。2根斜线之间形成的夹角A在25°～50°之间。中心配光区的配光面由多个矩形配光面相邻接构成，矩形配光面的表面向外凸出呈弧形面。光线通过凸出的弧形面配出。相邻配光单元之间采用凸出于透镜本体的挡边进行隔挡。通过挡边的设置，可以防止相邻配光单元之间光线的干扰，避免出现光线混乱现象，保证光线的整洁度。

为了减轻配光透镜的质量，减少其制造材料的使用，在所述透镜本体侧面开设有减重槽，为了便于安装及安装的准确性，透镜本体具有锥形体的表面一体设置有安装柱脚、定位柱脚。

5 结论

采用本设计方案，LED发光源伸入锥形体的盲孔中，其顶部产生光线由盲孔底部的弧形聚光面进行聚光，并通过中心配光区的配光面进行配光，配出的光线为成型光型的中心光线；而LED发光源产生的边缘光线通过锥形体的透光，反射到台阶配光面上的弧形配光面进行配光，由于设置了多个依次叠加的台阶配光面形成喇叭口状，且通过每个台阶配光面上的弧形配光面的配光，能够配出成型光型的周围光线，且配出的周围光线稳定、平稳、集中；这样通过中心配光区、多个台阶配光面的弧形配光面，能够配出均匀完整的光型，且光型稳定、平稳、集中、美观大方；本设计方案合理，能够将光线充分、稳定、集中配出，无需增大LED的功率，相反通过采用本透镜，还可以相应地减小LED的功率，从而也能够减少热量的产生，延长发光源的使用寿命。图4为光形示意图。

图4 光形示意图