浅谈汽车信号灯实现技术方案以及材料应用

高坤

摘 要：汽车信号灯作为整车造型中一个重要的因素，扮演越来越重要的角色。基于过往20年里的发展，随着各种新材料新技术的应用，实现信号灯的技术方案也越来越多样化。本文简单的介绍了汽车信号灯技术的发展历史，针对目前市场上常用的实现信号灯的若干技术方案进行介绍，以及适用于各种方案的材料其使用条件。

关键词：汽车信号灯 发展历史 技术方案和材料应用

A Brief Discussion about the Technical Scheme and Material Application of Automobile Signal Lamp

Gao Kun

Abstract：As an important factor in vehicle styling， automobile signal lights play an increasingly important role. Based on the development of the past 20 years， with the application of various new materials and technologies， the technical solutions to realize signal lights are becoming more and more diversified. This article briefly introduces the development history of automobile signal lamp technology， and introduces several technical schemes commonly used in the market to realize signal lamps， and the conditions of use of materials suitable for various schemes.

Key words：car signal lights， development history， technical solutions and material applications.

1 引言

21世纪，人民生活水平不断提高，对于汽车的需求，尤其是美学需求也在持续增加，而车灯作为整车造型中至关重要的一部分，也日益凸显出其重要性。对于车灯的需求不仅要满足基础的功能性，同时要有科技感，美感。信号灯作为车灯里装饰的重要部分，在近20年里发展迅速。

2 汽车信号灯实现的技术方案

2.1 汽车信号灯技术发展简介

车灯在车辆的行驶过程中除了提供必要的路面照明（远近光，角灯等）外，另一个重要的功能就是给其它的车辆或者行人发出（标志）或者警示功能，使其注意安全。车灯的信号灯主要包括日间行车灯，位置灯，转向灯，制动灯等。20世纪90年代前的车灯信号灯大多都是通过各种灯泡配合反光碗实现的，在这个阶段更侧重于满足法规的要求，造型的自由度受限。因为灯泡作为光源，尺寸比较大，需要匹配满足法规的反光碗尺寸也相对较大。此时的车灯美学上有所不足。2000年左右，为了更突出品牌造型的特征，实现造型的各种炫酷创意，传统的光源技术已经满足不了此时的需要了。随着LED技术的发展，给车灯信号灯的设计带来了极大的自由度。LED因为其自身尺寸小，寿命长等优点。给了设计更多尝试的可能，实现信号灯的技术变的多种多样，比如LED和反光碗的组合的形式来实现车灯信号灯。进一步的发展，大家对于均匀性的需要增加，LED和光导的组合给了实现造型新的可能，光导技术开始突飞猛进。随着时间的发展2010年前后，整车厂日益追求个性和自身品牌的辨识度。车灯里的信号灯造型设计已经不仅仅是要满足法规这个基础功能，还是突出汽车品牌的重要介质，同时越来越多的新技术和新材料被应用到车灯信号灯上，如光导技术，厚壁，OLED，动态点亮等。

2.2 目前市场上常用的车灯信号灯实现技术

当然目前市场的大趋势是通过LED光源实现。通过LED光源实现包括以下3种主要形式：反光碗，光导和厚壁，如图1所示。

2.2.1 反光碗实现信号灯的方式又包括反射式和直射式两种。直射式这种方式可能存在点亮效果缺陷，即可以看到LED直射出来的光，有可能会有一个极大的点亮亮斑。反射式分两种，一种是将LED置于上方，一种是将LED置于下方。将LED置于下方，有可能在直视车灯的时候，直接看到整颗LED，同样可以看到LED直射的光。将LED置于上方是目前市场上采用较多的一种实现方式，因为此时LED位于上方，整个光学系统的出光面对应的是反光碗，不存在会直接看到LED的风险，消除了直视LED的可能，提升了整个光学系统的均匀性。对于反光碗这种实现点亮的方式还可以根据客户的具体需要，在其前方放置内配镜，内配镜可以是透明的;也可以是有光学花纹的，可以内外表面均有光学花纹，也可以只有单层有光学花纹;也可以是加皮纹的，同理光学花纹，可以内外表面均有皮纹，也可以只有单层有皮纹。也可以内配镜的一侧，加光学花纹，一侧加光学皮纹。此时的光学花纹和皮纹的添加方式，根据具体的造型和法规要求。

2.2.2 得益于LED光源的应用，光导技术应用在车灯行业，光导的实现基本原理，就是通过光的折射定律。光导给了造型极大的设计自由度，光导点亮后均匀性表现较好。整车厂通过光导技术来实现自身品牌家族脸谱化，比如宝马的天使眼，最初就是通过光导技术实现的，而后不断演变升级。为了实现更多的点亮效果，光导还可以和其它光学元器件搭配使用，比如光导和内配镜组合，可以在内配镜上加光学花纹，或者皮纹，或者是乳白色体散射材料（通常用于尾灯），进一步的提升其均匀性，增加造型的多样性;还可以在光导的后方放置厚壁，这样利用厚壁件可以顺序依次点亮每个单元的情况，实现转向灯的动态点亮，或者迎宾灯的功能。光导位于厚壁件前方，当点亮整个光学系统时，可见的是光导的点亮效果，保证整个光学系统的点亮效果能够达到较优状态。为了实现造型更多的可能性，也可以在厚壁加光导的光学系统前方加内配镜，内配镜可以根据具体的造型实际要求，增加花纹，皮纹。或者在厚壁加光导的光学系统前方加厚壁结构，此时的厚壁结构可能是单纯增加厚度，比如从常规的3mm内透镜，增加到50mm的厚壁结构。也可以是在其内外表面有光学花纹或者皮纹的厚壁結构。在光学系统前方再增加厚壁结构大多是为了美观而不是出于功能性的考虑。因为位于光导后方的厚壁是具有光学准直结构的厚壁结构。而位于光导前方的厚壁结构，只是出于美观或者均匀性提升的考虑。

2.2.3 第三种实现信号的方案是厚壁。所谓厚壁其实现原理，同样是光的折射定律，在LED发出的光经过厚壁入光端的光学准直结构，保证能够更多的利用LED发出的光，准直后的光沿着厚壁的造型传播，在厚壁的出光面上做各种枕式或者条状配光花纹，以满足相应功能的法规要求。以上是直射式的厚壁工作原理，可是实际情况下出于造型，空间，成本等诸多方面的考虑，需要使用弯折式的厚壁。其工作原理和直射式类似，LED发出的光经过准直器后是竖直的方向传播，根据造型和空间的需要决定更改光的传播方向，更改的方式是通过做让光进行全反射的45度斜面实现，将光的传播方式更改为水平方向传播。最后在光出射的面上做各种枕式或者条状配光花纹，以满足相应功能的法规要求。厚壁较光导来说最大的优势是，由于其由若干个子单元阵列实现整体造型的，因此可以顺序点亮每个子单元，从而实现如转向灯的动态流水功能，或者可以通过电路控制不同的点亮形式和方式，实现炫酷的迎宾灯功能。

4 汽车信号灯实现的材料应用

4.1 基于上面的分析，目前常用的实现方式是反光碗，光导以及厚壁。反光碗可以通过PC或者ABS或者BMC材料注塑后镀铝实现，成为设计的信号灯反光碗。ABS塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物。PC是聚碳酸酯塑料，BMC是不饱和聚酯团状塑料。BMC较多的应用在温度较高的远近光功能上。PC和ABS在信號灯上应用比较广泛，具体的选择基于不同的造型，耐热和成本考量。

4.2 光导和厚壁这两种信号灯的实现方式是近20年以来比较常见的实现形式。目前市场上用于实现光导和厚壁件的主要有以下3种透明材料，分别是PMMA，PC和PMMI，如下图2所示。会有3种材料的选择主要是出于热学的考虑。

4.2.1 从配光的角度来说，反射率最低且吸收最少的是透明PMMA材料，它的配光表现最优，可是其耐热表现较差，适用温度低于100°C。因此透明PMMA这种材料注塑成的光导大多用于尾灯，或者前灯位置灯功能（因为前灯位置灯对于配光的要求较低，HV测试点最低要求满足4cd）的光导，或者某些前端输入光源功率较低的功能。

前灯实现日间行灯法规（HV测试点的法规要求最低为400cd。）或者转向灯功能（前灯转向灯3类，分别为1，1a，1b，其HV测试点的最低要求分别为175cd，250cd，和400cd。）均需要较高功率LED输入。以日间行车灯为例，其HV的最低值要求是位置灯要求的100倍。因此满足日间行车灯法规所需要的LED流明值也会相应增加，对应LED的总功率也会增加。光导前端热的压力就会增加，此时再使用PMMA这种材料，就可能会有光导前端融化的风险，因此PC材料成为选择，其折射率为1.586与PMMA的1.493较为接近。单位距离1mm的吸收0.00074也和0.00047较为接近。整体光学表现同样出色，且具有更好的热学表现。

车灯的各个功能，光学法规要求满足的测试值是不一样的。其中前大灯的日间行车灯在HV点法规要求是最高的，因此某些车灯可能由于造型和空间的限制，整个光学系统效率很低，因此前端需要较高功率的LED，导致光导前端温度进一步上升，或者光导的造型靠近某个热源（比如位于某灯泡的上方），这样对整根光导的耐热有较高要求。此时透明PC材料已经不能满足要求。透明PMMI这种材料成为选择，它可以用于低于135°C的情况。且其光学表现和PC极为相近。

以上3种材料是光导常用的注塑材料，其选择最大的决定因素就是温度。根据不同的光学系统，鉴于耐热的考虑，选择最适合的材料。光导经常出现的一个质量缺陷是光导尾端发黄这个情况，一般通过优化注塑参数可以改善，可是如果光导的尺寸，即光导的直径越小，整根光导长度越长，越容易发黄。但是从成本的角度考虑，透明PMMA具有最大的价格优势，透明PC次之，透明PMMI最贵。因此某一个项目光导材料的选择一定是出于成本，质量以及温度等综合因素整体权衡后的选择。

4.2.2 厚壁件由于其是由一个单元阵列实现造型的，因此厚壁所需要的LED颗数较多，但是相对于光导而言，对应于每个单元的LED功率也较低。因此透明PC和透明PMMA成为较常用的两种材料，一般不会需要耐热的透明PMMI材料。选择透明PC还是透明PMMA的条件同样是基于温度这个主要考虑因素。