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车头灯光学系统:通过LED化实现大幅进步

来源:日经技术在线 时间:2016-02-04 09:34 [编辑:cnledw_bj] 【字体: 】 我来说两句

  汽车外灯从1988年开始配备LED作为高位刹车灯,之后推广到刹车灯或尾灯、转向灯,初期阶段以指示灯为中心扩大了应用范围。而白色LED是于1995年投入实用的,因作为车头灯的光源需要同时具备高通量和高亮度,最初以为白色LED在车头灯中配备需要花费一段时间。然而,随着LED的大电流化、芯片扩大等技术革新的快速推进,在2007年出现了以白色LED为光源的前照灯。白色LED的形状、发光分布等与传统的灯泡光源完全不同,而且具有光线中不含红外线等许多特点。本文将以光学系统为核心,简要介绍这些特点,以及利用这些特点的LED车头灯。

  车头灯光源的变化及其特点

  ♦ 车头灯光源的变化

  为保证夜间行驶安全,如图1所示,车头灯在光源做了改进的同时,还提高了性能。

  图1:光源与车头灯性能的进化

  过去的卤素灯泡、HID灯泡等灯泡光源是发光管中4~5mm长的发光部(灯丝或电弧)在高温下发光,只需要1个光源,得到的光量就足以形成车头灯的配光。而另一方面,车头灯用LED的性能进化如图2所示。虽然在开发之初,1个芯片的光通量和亮度小于传统的灯泡光源,但现在已经具备了与HID灯泡相同的性能。

  图2:车头灯用LED及其性能

  ♦ 车头灯用LED的特点

  LED是半导体光源,因此拥有下列与灯泡光源不同的特点。

  · 仅向半球方向发光

  · 小型光源

  · 光线基本不含红外线

  · 发光部可在基板上的任意位置设置

  · 点亮速度快,瞬间点亮

  · 半导体怕热,需要散热器

  各种光源的发光方向与光源尺寸的示例参见图3。

  图3:光源的发光方向与大小

  车头灯光学系统的原理

  现在的车头灯光学系统如图4所示,广泛使用2种光学系统。

  图4:车头灯光学系统

  抛物线型利用反射器反射光源射出的光线,形成配光图案。反射器分割成多个区块,利用其各个区块的形状控制光线射向上下左右,形成整体配光。投影型顾名思义,是进行投影的光学系统,会在凸透镜焦点附近形成与配光图案相似的光分布,并将其扩大投影。光分布使用名为“复合椭圆反射器”的反射镜形成,形成近光灯的配光,需要在透镜焦点附近设置遮光板,以形成减少对面车辆炫光的截止线。投影型因为能够有效释放光源的光线,而且体积小,所以得到了广泛应用。

  而且,投影型是使用凸透镜进行投影,通过改变焦点附近的光分布和遮光板的形状,可以形成各种各样的配光图案。图5是在配光可变式远光灯ADB(Adaptive Driving Beam)中的应用示例。在这个例子中,右侧灯具的配光与左侧灯具的配光图案各异,合成形成整体配光。可以在不导致前方车辆炫光的情况下,照亮路旁的行人,增加了辨识性。

  图5:ADB的配光

  ♦ LED车头灯光学系统

  LED车头灯以前面介绍的车头灯光学系统为基础,利用LED的特点提高效率,实现了新的外观设计和高功能化等。

  利用LED的光分布提高光学系统的效率

  通常的投影型车头灯采用灯泡光源,为了形成截止线,会使用遮光板屏蔽光线。之所以使用这样的光学系统,是因为灯泡光源向360度全方位发光而造成的限制。LED只向半球方向发光,如图6所示,没有采用遮光板屏蔽光线,而是嵌入了能够有效利用光线的反射镜“光束整形器”。

  图6:灯泡光源与LED的光学系统

  ♦ 小型光源成就新的外观设计

  LED与灯泡光源相比,在光线射出的方向没有发光管、灯座等结构物,光学系统也可以实现小型化。因此在灯具内可以集成多个光学系统,2007年发布的世界第一款LED车头灯由3个小型投影单元组成,实现了有别于传统车头灯、令人震撼的新外观设计。而且,这款车头灯使多个光学单元分别具备聚光、扩散等配光功能,通过合成的方式,形成了图7的整体配光。通过为各个配光功能分别采用最佳光学设计,可以实现良好的辨识性。这款车头灯使大扩散单元的光轴朝向车辆外侧,实现了过去无法企及的横向大范围扩散。

  图7:由4个单元构成的LED车头灯

  在LED性能提高的同时,光学单元也继续进化,2014年,图8中L字形的近光灯设计成为了现实。这种光学系统利用2个反射镜,有效利用了传统投影型光学系统无法利用的光线。能够在灯具内配置如此复杂的结构,依靠的是LED的小型化。

  图8:采用L形设计的LED车头灯

  热环境差异推动进化

  ♦ 光学系统材料的变化

  与传统的卤素灯泡、放电灯光源相比,LED的光源温度低,光线中不含红外线,因此,光学部件可以采用耐热温度较低的材料。具有代表性的是投影型凸透镜。LED过去采用玻璃制造,而LED车头灯可以选用树脂材料,在实现轻量化的同时,大幅提高了外观设计的自由度。

  车头灯不仅是保证夜间视野的安全部件,也是决定汽车设计的一个重要要素。通过采用树脂透镜,可以按照汽车设计师的要求,实现五花八门的外观设计。

  在过去,车头灯基本都是图9(a)中的圆形,而现在可以制作图9(b)中的方形等异形透镜,对于改变汽车车灯的外形、印象作出了不小的贡献。

  图9:使用异形透镜的车头灯

  像图10一样,在LED旁边配置光学部件的光学系统也是研究的对象,考虑到成本,这种形状很难用玻璃材料制作,可以说是一种只有用树脂才能实现光学系统。

  图10:在LED旁设置导光体的光学系统示例

 

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