汽车研发：汽车大灯的设计与开发！

一、定义

汽车大灯，也称汽车前照灯、汽车LED日行灯，作为汽车的眼睛，不仅关系到一个车主的外在形象，更与夜间开车或坏天气条件下的安全驾驶紧密联系。

二、汽车大灯的组成、发展以及类型

三、汽车大灯设计开发流程

四、汽车车灯照明原理

1. 反光镜

定义：常用的反射镜是抛物面反射镜。抛物面是以抛物线为母线绕轴旋转180°而构成，剖面图如图所示。

由于下部反射光会照到上方，对驾驶员会造成严重的晕眩，为了克服炫光，H4灯在近光灯丝下设置一个遮光罩，使近光灯的光线不落在反射镜的下部分，避免下部分反射光线射入驾驶员眼里。

远近光灯的切换原理：

F是反射镜的一个焦点，在该点光源经过反射镜后光线沿水平射出。

S是反射镜的另一个焦点，在该点光源经过反射镜后光线沿斜角度射出，聚焦于光路外一点。

2. 配光镜

配光镜又称散光玻璃，它是用透光玻璃压制而成，是很多块特殊的棱镜和透镜的组合，是汽车灯具的三大组成之一。其作用是将反射镜反射的平行光束进行折射，使车前路面和路线都有良好而均匀的照明。

柱面透镜（凹圆柱面或凸圆柱面）使光线左右发散成一个角度。双曲平面（轮胎）透镜。使光线左右、上下均发散一角度。楔形棱镜，使光线向下、向上或向斜方向偏折一个角度。

五、LED汽车大灯的设计

现在使用白色LED 作为汽车前照灯的光源，这样它们的优越性就可以得到充分的展示。这种新系统比通常使用的卤钨灯要明亮，与HID头灯的亮度差不多。但是考虑到LED光源特有的优越性，比如重量轻、安装深度小、耗能低、寿命更长、没有环境污染等，它们的确更适合作为下一代汽车前照灯系统的光源。此外，白色LED 的使用还可以使整个车的设计变得更加灵活。现在我们正在进行白光LED 汽车前照灯的研发工作，以充分展示它们的优越性。

1. 白光LED的现状

1）白光LED的原理

白光LED 有几种不同的工作原理：

A. “蓝光LED + $荧光粉”型是是白光LED 发展的最高水平,它最有可能被用在第一代LED 汽车前照灯系统中。

B. “紫外线LED + 红绿蓝三色荧光粉”型因其高的显色指数而最有潜力作为通常的照明系统用灯,但作为前照灯系统使用时还应研究如何克服紫外光对塑料的老化作用。

C. “红绿蓝三芯片”型有改变发光颜色的性能,但它目前仍然不能在前照灯系统中使用,因为很难克服它在使用过程中颜色的改变,这种颜色改变可能来自3 种芯片温度特性的不同,也可能来自不同LED 的损耗退化速度。

2）光通量

光通量指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。2005 和2006 年,其光效就可达到60lmPW,最大功率预计可以达到1～5W,因此一个LED 的光通输出预计能达以60～300lm。如下图为近几年LED的光效发展。

3）亮度

当今LED 的亮度最大是4cdPmm2 ,这个数值比卤钨灯亮度20～25cdPmm2 要低得多,而与HID 前照灯比就更是低了10 倍多。因此,为了设计出合适尺寸的汽车前照灯系统,单个LED 的输出亮度必须提高到现在的2～3 倍。

使用荧光粉的LED 的出射亮度不仅仅决定于芯片的尺寸,同时还决定于与芯片作为一个整体的包含荧光粉的发光表面的外观尺寸。

同样是一个面积为1 ×1mm 的芯片,它能发出30lm 的光通量，但是它的亮度却能在01*cdPmm2 之间变化，这取决于荧光粉的涂敷方式及部件的封装方法。因此，用于汽车前照灯的LED 用荧光粉必须涂敷得尽可能薄,这样就不会增大光源系统的表面积。

4）寿命

用于汽车前照灯,LED 的寿命必须超过HID 光源的3 000h ,若进一步考虑到替换LED 光源的过程难度更大,LED 的寿命要求能够超过10000h。

2. 汽车前照灯的实际应用

1）光学系统

一套LED 前照灯系统毫无疑问需要多个LED 光源,因为单个LED 不能提供足够的光通量。同时,通常的卤钨灯和HID 光源,它们发出的光线会射向除基底外的各个方向,而一般的目前使用的大功率LED发出的光线因受到结构的限制,只会向半个球的方向发射。这就使得使用LED 的前照灯的光学系统与常规的前照灯系统不同。但是这两种前照灯系统对其出射光的要求是一样的,因此基本上可以使用通常的方法设计使用LED 的前照灯系统。

2）光学系统组成成分的精确尺寸定位

LED 光源和光学系统做得更小，光学元件的相对位置就要求更加精确。以直接投射光学系统为例，如下图为直接投射光学系统中LED 放置位置的影响示意图，该图显示了透镜和LED 的相对位置对出射光束的光轴方向的影响。LED 前照灯系统包含了大量的光源，对于宽光束分布的远光束系统，透镜和LED相对位置的影响不会成为问题。而近光束有非常尖锐的截止面，为了达到各个LED 单元发光光轴方向的一致性，前照灯系统的各个组成之间的相对位置就要求非常精确。

3）LED 的亮度和头灯的尺寸

光源的亮度在汽车前照灯系统中，近光束灯要求达到2 000～30 000cd 的光强度,而远光束灯至少要求达到50 000cd 的光强。光源在一个给定方向的光强度取决于光源的发光部分在该方向的亮度，换句话说，取决于光源中许多的小发光体的亮度的总和。在此小发光体就是组成光源的众多LED ，光源LED 的亮度需要考虑到光线在各个光学部件的反射和传输中的衰减。在一个典型的前照灯系统中，光在各个光学元件包括外透镜在内总的衰减大约是25 %～40 %。根据物理学的观点来看，光学元件是不可能放大光源的亮度，因而对光源的亮度的要求就决定了前照灯表面面积的下限。下图为光源的亮度与汽车前照灯的最小表面面积的关系图。

4） LED 的最大工作温度和热处理

在LED 的所有的工作条件下，作为发光同时也是发热的部件，P-N 结的温度( Tj ) 不能超过绝对额定值( Tjmax ) ，目前Tjmax 大约是120 ℃。

LED灯散热器使用铝和黑色明矾石制成，为了实现灯的自然风冷，以鱼鳍状延伸到灯的外部。

六．LED大灯光束试验

1. 近光束

为了证明LED 前照灯系统的可能性，我们制造了能产生近光的带反射器的灯具样品，它的光分布符合美国的标准。下图是它的光分布情况。36lm 的光通量和1 600cd 的最大光强可以通过使用2 个LED 配合一个38mm×94mm的反射镜得到，其应用的每个LED 功率为1W，亮度是4cdPmm²，光通量是30lm，芯片的尺寸是1mm ×1mm。下图为近光带反射器的灯具样品的光分布。

2. 远光束

我们进一步试验，使用带反射器的远光灯具样品。如图显示了它的光分布情况。3 600cd 的最大光强是使用1 个LED 配合一个半径为30mm 的半圆形反光镜得到，其应用的每个LED 功率为5W，亮度大约是4cdPmm²，光通量是95lm，芯片的尺寸是2mm×2mm。为了使其最大亮度能超过50 000cd，需要使用14 个这样的单元，每个单元的反射面的投影面积是28126cm²，因而14 个单元的总投射面积是395164cm² 。拥有这样一个投射面积的前照灯系统就太过庞大而无法实际应用。为了制造一个实用的样品，LED 的亮度至少要增加3 倍。下图为远光带反射器的灯具样品的光分布。