基于LED光強分布的摩托車信號燈配光設(shè)計
0 引 言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/187059.htm目前通用的摩托車制動燈光源仍然是白熾燈占主導(dǎo)地位,加上紅色的配光透鏡實現(xiàn)配光要求,其缺點是白熾燈易損壞,功耗大,壽命短,可靠性差,給道路交通帶來安全隱患等。LED(發(fā)光二極管) 具備體積小、壽命長、低能耗等優(yōu)勢被逐步應(yīng)用于機動車車燈光源。目前通用的L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計方案主要有三種:第一種是直接將多個食人魚型L ED 排布成平面狀密封在燈罩內(nèi),其缺點是相當(dāng)一部分光處在國標(biāo)配光屏幕要求的范圍外,造成光能的浪費;第二種是采用多個球帽型L ED 排布成平面狀密封于燈罩內(nèi)再加上配光透鏡配光,其缺點是一部分光經(jīng)配光透鏡折射、散射和吸收,造成燈具光效比較低;第三種是將多個食人魚型L ED 排布成平面,經(jīng)拋物型聚光器和配光透鏡聯(lián)合配光。其缺點是聚光器設(shè)計成本高,配光透鏡光能損失較大。三種配光設(shè)計方案設(shè)計的LED 摩托車信號燈光效低,光能損失大,設(shè)計成本高。
如果能夠從理論上建立L ED 光強分布的數(shù)學(xué)模型,研究一種L ED 陣列的光強分布且無需聚光器和配光鏡,使其滿足國家標(biāo)準(zhǔn),從而為L ED 摩托車信號燈設(shè)計提供一種新的快捷、實用的方法,具有重要的理論與實際指導(dǎo)意義。
1 曲面LED 陣列的光強分布的數(shù)學(xué)模型
1. 1 單個LED 光強分布的數(shù)學(xué)模型
首先建立單個L ED 光強的分布模型,如圖1 所示。其中,探測球面中心為(0 ,0 ,0) ,半徑為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表示單個L ED 光線OM 與光軸OL 的夾角;φ表示L ED 光軸OL 與其在x y 平面投影的夾角;γ表示L ED 光軸OL 在x y 平面投影與Y 軸的夾角。
則L ED 光軸對應(yīng)的單位坐標(biāo)為(co sφsinγ,cosφsinγ,sinφ) ,探測球面上M點的坐標(biāo)( rcosβsinα,rcosβcosα, rsinβ) 。
由此,L ED 光源的光強分布可以表示為I =I (θ) 或者I = I (α,β) 。
而單個L ED 的光強分布不是理想的朗伯體,該分布可以表述為:
當(dāng)θ =θ1/ 2 時
即
由圖1 可知,θ也可以表示為L ED 光軸對應(yīng)的向量OL 與向量OM 的夾角,則
則
由公式(5) 可知,單個L ED 的光強分布與L ED在空間的傾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有關(guān),改變φ和γ就可以改變單個L ED 光強的分布。
但是,由于單燈光強小,達不到摩托車信號燈的光強的國標(biāo)要求,往往需要多個L ED 組合,而改變單個L ED 的傾斜角可以改變光強分布,因此可以進一步研究一種L ED 的曲面陣列排布的光強分布,進而用它來完成對L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計。
1. 2 曲面LED 陣列的光強分布的數(shù)學(xué)模型
當(dāng)接受屏距離足夠遠時,多個L ED 組合形成的面光源可以簡化為點光源,且相鄰兩個LED 之間的間距對曲面L ED 陣列的光強空間的影響可以忽略。則曲面L ED 陣列的光強分布只與L ED 的型號、L ED 的個數(shù)、以及單個L ED 傾斜角的垂直分量角φ和水平分量角γ有關(guān)。
則光強函數(shù)表達式可以表述為:
式中I 為LED 陣列的光強; in 為第n 種型號的單個LED 光源; N 為LED 光源的個數(shù)。
根據(jù)公式(5) 則:
由公式(7) 可知:改變γi 和φi , 可以改變曲面L ED 陣列的分布,通過合理的配置,無需附加反光杯或透鏡就可以實現(xiàn)L ED 摩托車信號燈的配光設(shè)計。
下面就以L ED 摩托車信號燈為例,介紹該方法的應(yīng)用。
2 曲面LED陣列的光強分布數(shù)學(xué)模型在LED 摩托車信號燈配光設(shè)計中的應(yīng)用
2. 1 摩托車信號燈的國家標(biāo)準(zhǔn)
我國摩托車信號燈采用的標(biāo)準(zhǔn)是《摩托車光信號裝置配光性能GB T17510 - 1998》,這個標(biāo)準(zhǔn)是針對傳統(tǒng)白熾燈的規(guī)定,L ED 摩托車燈具的設(shè)計也只能繼續(xù)沿用上述標(biāo)準(zhǔn), 對于LED 摩托車信號燈的配光性能具體規(guī)定如下:
在滿足光度學(xué)二次平方反比定律距離確定的配光屏幕上,分布在范圍為左右20°,上下10°的橢圓形區(qū)域內(nèi)的測試點,光強要求在一定的范圍之內(nèi),且滿足如圖2 中的分布。
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