（物理电子学专业论文）led信号灯计算机辅助设计.pdf

l e d 信号灯计算机辅助设计复蛋天学砑芝兰丝i ! 苎 论文题目：l e d 信号灯计算机辅助设计 光速皇照明王猩系物理电王堂专业 20 02 苗研究生屋甚韭指导教师周态明熬攫! 周篮副熬援 摘要 l e d 作为2 l 世纪的新型光源，正经历着日新月异的发展。相应的 l e d 灯具的二次光学设计也日趋显得重要。把计算机辅助设计方法引入 光学设计中，将有力地促进设计与生产制造的有效结合与交流。 本文首先对l e d 技术的发展历史、主要性能结构及其优缺点作了系 统的介绍。 其次，介绍了交通信号灯和汽车信号灯的结构、原理，以及l e d 在 这些应用领域的潜力。 接着，详细介绍了与l e d 计算机辅助设计相关的光学、光度学和计 算机图形学等方面的原理和方法。 然后，通过具体实例详细介绍了程序的内容、界面和信号灯设计的 一般步骤和方法。 最后，结合一例设计样灯，对程序进行了验证，对设计方法也进行 了讨论和总结。 关键词：l 盘信号乐准直邃配光速褫、光线逭碌 分娄霉丢舞硝渤阕驹子一 ! ! 里垡曼堑生墨盟塑壁望生堡星塑兰堂笪墼 一二卫l 论文题目：o p t i c a ld e s i g no f l e d s i g n a ll a m p s 光速皇照明工程系物理电壬堂专业 2qq2 届研究生屠甚韭指导教师固态明教援：围焦副教授 a b s t r a c t r e p r e s e n t i n gan e wg e n e r a t i o no fl i g h ts o u r c e s ，l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) i sg o i n g t h r o u g har a p i da n ds t e a d yd e v e l o p m e n t c o n s e q u e n t l yt h e r ei sad e m a n df o re f f i c i e n t d e s i g no ft h es e c o n d a r yo p t i c a ls y s t e m sf o rl e dl u m i n a r i e s t h ei n t r o d u c t i o no fc a dt o t h i sf i e l d w i l lb e g r e a t l y h e l p f u l f o rs o u n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d e s i g n i n ga n d m a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rb e g i n sw i t hs y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r yo fl e dt e c h n o l o g y , m a i n p r o p e r t i e so f l e d ，i t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， s e c o n d l yt h ec o n s t r u c t i o n sa n db a s i cp r i n c i p l e so ft r a f f i cs i g n a ll a m p sa n da u t o m o t i v e s i g n a ll a m p s ，a n dt h ep o t e n t i a lm a r k e tf o rl e d si nt h e s ef i e l d sa r es u m m a r i z e d t h i r d l yt h ec o r r e s p o n d i n gp r i n c i p l e sa n dm e t h o d si nt h ed e s i g np r o c e s s ，l i k eo p t i c s ， p h o t o m e t r ya n dc o m p u t e rg r a p h i c s ，a r ep r e s e n t e di nd e t a i l f o u r t h l yt h ei n t e r f a c eo ft h i sp r o g r a ma n df e a s i b l es t e p so fd e s i g n i n ga r ei n t r o d u c e d v i aa p r a c t i c a le x a m p l e f i n a l l yt h ep r o g r a ma n dt h ed e s i g nm e t h o da r ee v a l u a t e da n da n a l y z e da sw e l l k e y w o r d ：l e d ，s i g n a ll a m p ，c o l l i m a t i n gl e n s ，d i v e r g i n gl e n s ，r a y t r a c i n g ! 1 2 焦曼坚生兰盟塑壁堡生复皇型堕主堂丝塑一二l 引言 长期以来，白炽灯一直是信号灯的主要光源。虽然，新型光源不断涌现，但 是采用白炽灯作为光源的老式信号灯目前仍占大多数。其主要原因在于价格便 宜，初期投入少，结构简单。由于单个自炽灯的光通量大，可达几百流明，且其 辐射为连续光谱，因此利用反射镜和滤色配光镜就可以制成各种颜色和功能的信 号灯。 然而，白炽灯信号灯的缺点也是显而易见的。就光源而言，由于是灯丝发光， 抗震性差，灯丝易折断，从而使整个灯失效；而白炽灯本身寿命也不长，仅达 1 0 0 0 小时，因此，光源更换频率高，大大增加了信号灯后期维护的费用。其次， 白炽灯的发光原理是黑体辐射，所以有大部分能量被转化成热量而浪费，在能源 日趋紧张，大力提倡节能的今天，白炽灯被新型节能的光源替换已成为必然。并 且由于巨大热量的产生，对灯具采用材料的耐热性能要求很高。 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是一种利用p - n 结发光的光源，是将电能直接转 化成光能的半导体器件。l e d 早在三十多年前就已问世，虽然其激励响应时间短、 有效寿命长、功耗低，但由于制造技术的限制，其发光亮度小，且只有红色一种 颜色，很长一段时间内仅用于小指示器光源和字母数字显示器等有限领域中。随 着加工技术的发展，新材料的开发，l e d 的性能逐步提高，其发光强度和单管光 通大大增加，能生产更亮、更多色彩的l e d ，使其应用领域更为广阔。此外，采 用新型l e d 的信号灯在相同光输出的情况下，功耗更低，响应速度更快，有效寿 命更长，可达1 0 万小时以上，因此采用有限数目的l e d 替代白炽灯制成新型节 能高效的信号灯已成为可能。 l e d 用于交通信号灯，制成的灯具轻巧，安装简便：光源寿命长，耐高低温 性能好，故障率低，大大降低维修成本；最大的优点在于功耗低，与传统白炽灯 信号灯相比，可节能8 0 以上。美国、加拿大、日本的国家已经或正在大力研 制该类信号灯，推广使用。 l e d 用于汽车信号灯，除了具有上述优点之外，与传统白炽灯相比，优势还 在于：抗震性好，失效率低：灯具可以做得很薄，外形可塑性大，更有利于配合 汽车整体的流线型外观设计。目前，l e d 高位刹车灯已广泛应用，转向灯、刹车 灯等其它汽车信号灯正在研制过程中，以期获得可工业化的产品。 l e d 的优势及特点已被逐步认识，随着技术发展，超高亮度、高性能的l e d 的研制和大批量生产，它能在更多的应用领域中取代传统白炽灯，例如汽车信号 灯、液晶显示( l c d ) 背景照明等。本文所研究的l e d 光学系统的设计思路和基 本方法具有一定的普遍性，可作为其它l e d 灯具光学系统设计的参考。 l e d 信号灯计算机辅助设计垒g 苤兰塑竺兰竺! i 塑芏 第一章l e d 简介 1 1l e d 技术的发展 发光二极管( l e d ) 问世于二十世纪六十年代，1 9 6 4 年i v 族发光材料g a a s p 开发成功，出现了红色l e d ，峰值波长约为6 5 0 n m 。虽然，驱动电流为2 0 m a 时， 单个l e d 发出的光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率只有0 1i m w ，但 是全固体光源开始被人们接受，主要用于指示灯领域。 七十年代，材料研究更加活跃，是l e d 发展史上的第一个高潮。g a l a s p g a a s 的质量有所提高，并且利用汽相外延( v p e ) 和液态外延法( l p e ) 制作外延材料， 不仅使光效提高到1 l i l 胛，而且发光颜色覆盖了从黄绿色到红色的光谱范围 ( 5 6 5 n m _ - 9 4 0 n m ) 。应用也开始进入显示领域。 八十年代之后，应用层面逐渐展开，封装技术逐步提高，周边支持条件也相 对形成，促使l e d 技术得到突破。例如用l p e 技术制作g a a i a s 外延，制作高亮 度红色l e d 和红外二极管( i l e d ) ，波长分别为6 6 0 h m 、8 8 0 h m 和9 4 0 n t o 。随着金 属有机化学汽相外延法( m 0 v p e ) 的开发，产生了7 8 0 n t o 半导体激光二极管；新 芯片材料a i i n g a p 制成的红色、黄色l e d 光效可达l o l m w ，若采用透明衬底 ( t r a n s p a r e n ts u b s t r a t e ) ，光效可超过2 0 l m w 。而1 9 9 4 年通过m o v p e 研制的 第三代半导体材料g a n 使蓝、绿色l e d 光效达到i 0 1 m w ，实现了l e d 的全彩化。 九十年代，技术的发展主要集中在白色l e d 。大致有三种制作白色l e d 的方式： 在蓝色芯片表面涂敷微量荧光物质，部分蓝光激发涂敷物质形成黄光，与透过的 芯片自身发出的蓝光组成白光( 如图1 1 所示) ；将红、绿、蓝三种芯片封装在 一起；用z n s e 为基体，制成单芯片的白色l e d ，通电后，z n s e 有源层发出的蓝 光和衬底发光中心发出的黄光混合成白光。 点 强1 1 ( a ) 一种白色l e d 结构匿 枷 y a g 震光扣艋对 麓 盘矗 耋 寰 u 巷片 * t 1 舯) 西l i l ( b ) 相应光谱分布 进入二十一世纪后，l e d 被誉为“二十一世纪新光源”，是继白炽灯、荧光灯 和高强度气体放电灯( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ) 之后的“第四代光源”。 餮髓谣髓 r ，虽 l e d 信号灯计算机辅助设计复望才竺堕壁量丝i 全苎 其发展态势目益不可收，随着材料技术、封装技术的不断发展创新，红、橙色 l e d 光效已经可以达到1 0 0 1 m w ，绿色也可达到5 0 1 m w 。单颗l e d 的光通量也达 到几十l m 。l e d 的高效化、超高亮度和全色化使其应用领域也日趋广泛，逐步走 向户外照明指示的领域。 1 _ 2l e d 结构和性能 1 2 1 发光原理和材料 高纯半导体材料的电阻率很高。如果把某些杂质原子掺杂进去，就能使导带 中的自由电子过剩，形成n 型半导体；同样，如果掺杂一些p 型杂质，能使导带 中空穴过剩，形成p 型半导体。在两者非常窄的过渡区间内，形成p - n 结。如果 在p - n 结两端加上正向电压，则p 区中的空穴会流向n 区； n 区中的电子会流 向p 区。然后，随着少数载流子和多数载流子的复合放出能量；其中，一部分能 量转化为热，另一部分能量转化为光。通过采用不同的材料和掺杂量的不同，目 前l e d 发出的光已能基本覆盖可见光区域内大部分光谱范围。 袭1 1l e d 霉雨书| 辩及其兜_ i 罄范匿零b 瘦再领域 波长 芯片颜色全彩交通 村底材料汽车 材料编码视屏信号 红外7 0 0 一a i g a a s 深红色6 6 0a i g a a s u rr 红色6 2 5 l i n g a pi cg a a sg a prrr 暖橙色 6 1 5 l i n g a ps og a a s g a prrr 红橙色 6 0 5 l i n g a p r 0g a a s g a p 琥珀色5 9 5 l i n g a py l g a a sg 8 py 黄色 5 8 8 l i n g a p y lg s a s g a pyy 黄绿色 5 7 0g a p y g 绿色5 2 5 i n g a np g蓝宝石s i cg 蓝绿色 5 0 5i n g a nb g蓝宝石s i cb g 蓝色 4 7 0i n g a nb l蓝宝石i cb 深蓝色 4 3 0g a ns bs i cb 近紫外4 0 0a l i n g a n n u蓝宝石s i c l e d 信号虹、诗冀札毓嘞谴、卉复里大学硕士学位论文 1 2 2 基本结构 1 晶片结构 以a 1 i n g a p 芯片为例：h e w l e t tp a c k a r d 生产的a l i n g a pl e d 的晶体衬底为2 0 0 um 厚 的g a a s 层( 参见图2 ) 。衬底的顶部三层分别 为1pm 厚，掺有不同杂质，由铝、镓、铟和 图? 月如g a p ；擘垄，鳝f 坳结构图 磷构成。这种结构称为异型结结构。中间层 和底层形成p n 结。其中，中间层也被称为活性层，由于上面三层掺杂不同， 电子主要在活性层中复合。这种结构允许的最大驱动电流有所增加。 标准的a i i n g a pl e d 在结点处最大电流强度为5 0 m a ，而传统的l e d 技术只能 达到3 0 m a 。高的电流密度可能导致局部过热，从而损坏l e d 基片的晶体结构。 在这些区域中，形成黑斑，不再发光，使得该l e d 的性能下降。异型结构的活性 层可以承受较高电流密度，减少l e d 性能受损的可能性。 在三层a 1 i n g a p 层的上面有一4 5um 厚的g a p 层，作为与金属连接的界面。 a i i n g a p 基片的大部分表面不含金属物质，只有3 u m a i i n g a p 层的边上有铝元素。 因此，在潮湿的环境中，几乎没有会被氧化的表面。在诸如高驱动电流、温度骤 变及潮湿的各种恶劣条件下，a i i n g a p 技术显示了其抗衰减的卓越性能。 a 1 1 n g a p 的衬底材料主要有两种：用 g a a s 衬底对光有吸收作用，在活性层中 产生的光子到达g a a s 衬底时被吸收，因 此该技术称为a s - a l i n g a p 技术；另一种 称为“晶片耦合”的过程，可将吸收的 g a a s 衬底用透明的g a p 衬底来替代( 参 见图1 3 ) ，这种技术称为t s - a i i n g a p 技 术，在g a p 衬底后面涂上一层反射膜，则 光子都被反射回来，使效率增加，是 a s a 1 i n g a pl e d 的效率的两倍左右。 2 封装 如图1 4 所示，芯片的正极通过球形接 触点和金线，与管脚相连；负极通过反射 杯和引线架与另一管脚相连。反射杯主要 用于收集芯片侧面和底面发出的光，向期 望的方向角内反射出去。环氧树脂主要起 三方面作用：一是保护芯片等不受外界侵 b ) 透明g a p 村底 毯盟盘垃i | i 菡1 3a i i n g a pl e d 晶片结构 雹1 4l e d 封装示意臣 l e d 信号灯计算机辅助设计i 墼签堂鲤圭堂竺箜兰 蚀：二是通过不同的形状，起到透镜的作用，控制光的发散角：三是由于芯片折 射率与空气折射率相比太大，芯片内的光易发生全反射，导致过多光损失，因此 通过环氧树脂作一过渡，提高芯片的光出射效率。 1 2 3 性能一 1 电性能 l e d 的电性能和普通二极管相似，主要有正向特性和反向特性。在电子电路中， 将l e d 的正极接在高电位端，负极接在低电位端，l e d 就会导通，这种连接方式， 称为正向偏置。必须说明，当加在l e d 两端的正向电压很小时，仍然不能导通， 流过l e d 的正向电流i ，( f o r w a r dc u r r e n t ) 十分微弱。只有当正向电压达到某一 数值( 称为“阈值电压”) 以后，l e d 才能真正导通( 如图l5 a 所示) ，不同芯 豳l 。s n 芷向特性 v 矗 譬! 二i 竺? o o 叶1 丁q m 。 - n 。“。 二! l 一5 0 o r ( m ) 萤l j 5 b 反囱特性 片材料的域值电压不同。导通后l e d 两端的电压随电流变化大小也随材料的不同 丽不同，称为l e d 的“正向压降”v f ( f o r w a r dv o l t a g e ) 。 当l e d 的正极接在低电位端，负极接在高电位端，其中几乎没有电流流过， 此时l e d 处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。l e d 处于反向偏置时， 仍然会有微弱的反向电流i 。( r e v e r s ec u r r e n t ) 流过，称为漏电流。当l e d 两端 的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，将失去单方向导电特性，这 种状态称为二极管的击穿( g a 图1 5 b 所示) 。在l e d 应用的电路设计中，要尽量 避免过大的反向电流，导致l e d 意外失效。 2 光性能 l e d 发出的中心光强在一定范围内，随正向电流的增加而增加( 如图1 6 a 所 示) 。光的空间分布特性通常用光强i ，表示( 如图1 铀所示) ，不同的l e d 型号 可以用视角e ，( v i e w i n ga n g l e ，即光强的半值半宽度) 大小来分类。可以通过 改变反射杯形状、环氧树脂的形状或环氧树脂中散射剂的量来控制视角，以满足 不同设计、用途的需要。 一般单色l e d 发出光谱较窄，单色性好( 如图l | 6 c 所示) 。 l e d 信号灯计算机辅助设计复旦天学! 瞄拦垡i 竺 i v ( c d ) lf 上 低 懈 c 一 7 f l 彦 31 图i ? 6 a i v 弧j f ”v 0 = - 2 5 虞 i v ( 强l6 b l 。v s je 。 日 k 么盐l j 5 5 06 0 06 5 0 7 0 07 5 08 0 0 - 噍 p ( n m ) 豳1 6 c i 。y s 3 热性能 l e d 的光输出性能受工作环境温度l 影响，环境温度越高光输出越少( 如图 1 7 a 所示) 。同时，工作电流不能为了增加光输出而无限增大，因为l e d 的结点 温度有最大值( 一般为1 2 5 c ) 的限制，主要考虑在某一较高温度下，环氧树脂 开始迅速膨胀，会增加诸如连接点断开、l e d 基片从原来位置上向上升等致命性 损坏的可能性。下面的公式用于确定l e d 结点温度： 乃= - f 只r 口( 卜。) ( 1 1 ) 其中t ，结点温度 t 。环境温度 p 。功率消耗( v ， i ，) r m m 结点相对于环境温度的热阻抗 七古太七砖专嘉肿) 蟊l 。7 a i 。v s jt 。 l e d 信号灯计算机辅助设计寞旦文学煎兰堂垡蕉芏 这一公式表明，若减少系统的热阻抗，则经过l e d 的驱动电流可以增加，而同时 使结点温度仍小于最大值；同样，对于某一个特定的l e d 其r w m 已定，其工作 电流应确保在某一最高值以下，使结点温度不会超过极限值。通常l e d 供应商会 给出这些数据，如图1 7 b 所示。 l _ 3 与白炽灯、霓虹灯的比较 白炽灯在指示和照明领域内的应用具有悠久的 历史。它的基本结构如图1 8 a 所示，由透明的玻璃 泡壳和通过加热而发光的金属灯丝组成。光色接近 白色偏红，光谱覆盖范围大，在红外区域也有很多 能量，因此发光的同时又有大量热量产生。白炽灯 寿命短，通常只有几百小时。因为，自炽灯利用灯 丝发光，随着使用时间增加，钨丝蒸发后沉积在泡 壳上，光衰迅速；并且随着热点的产生，灯丝将很 快烧断。另外，由于灯丝和玻璃泡壳的存在，使白 炽灯的抗冲击性差，往往在正常寿命之前就已毁 坏。 霓虹灯由电极和封装玻璃灯管组成，灯管内一 般充有惰性放电气体，管壁上有时涂有荧光粉( 如 图i 8 b 所示) 。与白炽灯相比，霓虹灯的寿命较长， 图j 8 b 直织识鳓移元榴 一般为几千小时；耗电量较低；抗震性能也较好。但是，辐射光谱太窄，且要求 有高工作电压和一个限流电阻。 l e d 的工作寿命很长一般有几万小时，甚至可达到十万小时；工作电流低， 功耗小；热辐射少：有绝佳的抗机械冲击和抗震性能；与上述两者相比，体积很 小。并且由于它启动快，可以用高频逻辑电路控制。但是，它的颜色有限：且光 输出受环境温度的影响。 第二章信号灯和l e d 的优势 2 1 交通信号灯 2 1 1 简介 传统的交通信号灯一般用白炽灯或低压卤 钨灯作为光源，按功能可分为机动车信号灯、非 机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、 方向指示信号灯等。通常，一组机动车信号灯或 非机动车信号灯由红、黄、绿三个灯组成；而人 行横道信号灯则由红、绿两个灯组成。每个灯的 基本光学系统结构如图2 1 所示：灯泡安装在抛 物面反射器的焦点上，反射器将一部分光源发出 的光变成平行光反射出去：反射器出射口上罩着 一个玻璃或抗紫外塑料制成的透镜，称为“色片”， 主要用于滤去不需要的光谱，产生期望的颜色； 外面的黑色挡板称为“遮沿”，用来减小由于外来 光源( 如日光) 对信号灯光学效果的干扰，增加 信号的明暗对比度和色彩饱和度。 交通信号灯的标准一般由各国或地区自己制 定，例如美国的i t e 标准、欧洲的e c e 标准等。 交通信号灯的标准对信号颜色、最小光强、光分 酉2 j l 白恹虹交通灯结构示意豳 6 、 、 ? 色 yi | - | 嚼2 。2 c i e 色品舀。 布、安装和环境条件等都作了详细的要求。例如图2 2 为我国道路交通信号灯国 家标准( 报批稿) 对红、黄、绿三种颜色的色度要求在c i e 色品图中相应区域的 示意图；表2 1 为该标准对宽角度信号灯最小光强相对分布的要求。 丧2l 交通信g 灯雷家标准( 擐批稿) 关于宽角凌信号船配光分存 光强分布( 1 l n j n ) 基准轴基准轴左右 由f士0 2 5 。士5 1 0 士1 5 2 0 3 0 0 1 0 08 55 53 i i5 3 。8 07 5 5 6 03 5 1 0 3 0 8 2 0 。22 注：“”衰示谈角度对配光不作确定效值规定 l e d 信号灯计算机辅助设计复旦螳零陛譬堡墼苤 2 1 2l e d 与白炽灯的比较 白炽灯价格低，而单个光源输出的光通量却很大。光源可以直接在2 2 0 v 交 流电下工作，无须额外的电路设计。其光输出受环境温度的影响不大，并且更换 灯泡很容易。但是，白炽灯耗电大，且大部分辐射输出为红外、或不需要的颜色 而被滤色片滤去，效率低。白炽灯寿命短，因此，后期维护的成本较高。另外， 由于该类信号灯通过滤色片来确定光信号的颜色如果色片被损坏，会产生信号 不清的问题，易引起交通事故。 l e d 交通信号灯的最大优点之一就是节能，虽然其初始成本较高，但每个灯 平均耗电十几瓦，而传统的白炽灯信号灯耗电达到一百瓦以上，因此，一般而言， l e d 信号灯使用三年节省的电费就足以补偿其初始成本投入的差额。这其中，还 未算上由于l e d 寿命长而减少的维护费用，例如采用a 1 i n g a pl e d 制作的红、黄 信号灯组寿命可达l o 年。另夕 ，由于l e d 为单色光，无须滤色片，不会因色片 损坏而出现错误信号；并且通常用几个l e d 串联，即使一个坏了，也只影响该串 联线路，仍能保证有一定的光输出，直至修理、维护，确保道路交通安全。 然而，l e d 光输出受环境温度影响较大，须通过电路设计进行补偿；通常需 要设计驱动电路，使其能直接安装于2 2 0 v 的交流电网上，电路设计的好坏和所 用器件的寿命对整组灯的寿命影响很大；另外，l e d 的价格与白炽灯相比仍较贵。 鉴于有l e d 信号灯具有节能、高效、无假信号等诸多优势，我国上海、北京 等很多大城市已逐步替换下白炽灯信号灯。但从全国而言，由于成本问题，白炽 灯信号灯仍占有国内信号灯市场的9 0 。 2 2 汽车信号灯 2 2 1 简介 汽车信号灯按发光原理可以划分为两种类型：带主动的照明技术系统的信号 灯具，即指本身具有光源( 传统为自炽灯) ；和被动的信号灯具，即指本身无光 源，通过将另一辆汽车前照灯的灯光反射的途径发出信号( 回复反射器) 。按功 能可以分为：制动灯、前位灯、后位灯、倒车灯、示廓灯、驻车灯和后雾灯等。 例如示廓灯安装在车前和车后尽量高的位置，并应尽量靠近汽车宽度的外廓，用 来表明车宽；后雾灯用于雾天、降雪天、尘云中等行使时改善后部视见情况；而 倒车灯是挂上汽车变速器倒档才能点燃的白色灯光，它具有双重功能：一是将驾 驶员即将倒车的意图告示周围其它道路使用者，二是夜间在倒车时用来照亮附近 的物体。 l e d 信号灯计算机辅助设计复旦煮皇塑垡羔丝! i 垒主 不同功能的灯颜色也不同。例如后制动灯、后位灯、后雾灯等采用红色，因 为红色在近乎零强度时也能保持单色性，而其它颜色在很小强度时看起来发自， 人对红色的敏感性不随年龄的增长而降低很多，且在其它灯光的背景上更易于观 察、不容易受到干扰。闪光式转向信号灯采用琥珀色，因为这种颜色更容易与镀 铬零件反射出的白色日光光斑区别开来，而且在夜间被靠近的前照灯所射出的灯 光掩盖的程度也较低。 传统白炽灯信号灯具的结构如图2 3 所示。对于发光强度要求不太高的灯具， 用一种无反射器而带有菲涅耳( f r e s n e l ) 透镜的光学系统( 图2 3 a ) ，由于菲 涅耳透镜包角大，因此性能不错；若要能最大程度地利用光源的光通量，就需要 用带抛物面反射器的系统( 图2 3 b ) ；在一些特殊情况下也可用带椭圆反射器的 光学系统，将光通汇聚于椭圆的第二焦点上( 图2 3 c ) 。 汽车信号灯具通常具有非对称结构的特征，因为根据各国标准，要求水平几 何可见度显著大于垂直可见度( 灯具视表面可见的最小立体角) ，例如图2 4 是 我国g b 4 7 8 5 - 1 9 9 8 标准中对s l 、s 2 类制动灯的可见度要求：水平方向纵向轴左 右各4 5 。：垂直方向水平面上下各1 5 。，若安装高度小于7 5 0 r a m ，则向下可减 至5 。因此，信号灯具大多数配备有带透镜或棱镜式折光单元的配光镜；而反 射器却不是必备的元件，如果对发光强度要求不高，可用内部涂以白色的灯壳代 替反射器，不过，现代的汽车信号灯有时为了在灯来点亮时产生闪烁的效果，而 采用复合面组成的反射器。 撩艇 图2 。3 信号灯光学系统示意国 左为水平视图，右为垂直视图 固2 。4 割动灯几何司晁度示意国 g b 4 7 8 5 - 1 9 9 8 标准还对汽车外部照明和信号装置的数量、安装位置和光色等 作了具体规定，表2 2 为各种颜色的色度特性；对于各类汽车信号灯的配光性能， 鼍八对一 昏爹 l e d 信号灯计算机辅助设计童旦力学骈士学岔趁史 有相应标准对光分布、光强最大和最小值等也有详细规定，表2 3 为g b 5 9 2 0 1 9 9 9 对于前位灯、后位灯、示廓灯和除s 3 类之外的制动灯的配光要求，即在表中所 示的方向上，测量得到的发光强度不小于所示百分数与标准规定的各类灯具发光 强度最小值的乘积。 表2 。2g b 4 7 8 5 1 9 9 8 关- 1 ：色麦特性的规定 光色 色廑糟性 黄撮飘，o 3 3 5 缸色 麓肇掇“o o l 羞董氍最 f 乱3 1 0 齄冀越墨 f 仉5 0 0 琦蜂t 曩，o 1 5 0 - 4 - 0 “b 白色 赶埠t ，“4 4 0 奠譬艇曩，仉0 5 0 + 札r 5 b 趋缸攮鼠t 0 3 8 2 苎冀缸阻，0 4 2 9 冀珀色越虹量曩，0 8 9 r 趋自攮糟 m0 0 7 麓虹t 最， o 1 3 8 + 0 聃“ 趋蜂辘氍，1 2 9 xm1 0 0 膏色越白枉限 - - x + o 9 4 0 ，o 4 4 0 d 光谁轨迹鼍氍，- - x + o 9 9 2 表2 3 前位订、后位_ 灯、示辫恕和翻动灯( s 3 类除外) 配瓷分布 i _ + 2 2 2l e d 与白炽灯、霓虹灯的比较 1 l e d 与白炽灯 与交通信号灯一样，白炽灯用于汽车信号灯有价廉、易于更换和光输出不受 环境温度影响的优势。因此，一直以来，白炽灯是汽车信号灯的主要光源。但是， h t， l e d 信号灯计算机辅助设计复旦丈学旃士学堡堑塞 它的一些缺点也是显而易见的：寿命远远短于汽车的平均使用寿命，且抗震性差， 易发生灯丝断裂、泡壳碎掉等提前失效的问题；效率低、有大量热量产生，对邻 近的材料热性能要求高；由于信号颜色的产生是通过滤色片，则色片若有损坏， 易产生错误信号：而由于光源自身体积较大、且光学系统中要用到反射器、在加 上要为散热留出足够的空间，因此白炽灯作为光源的灯具要比l e d 灯具深，需要 占用更多的车内空间( 如图2 5 a 、b 所示) 。 昏2 i s 口自识超翻动、转向灯组酷2 5 bl e d 裁动转向灯组 l e d 没有灯丝、玻璃泡壳等易碎部件，芯片、金线等都封装在环氧树脂内， 因此，具有良好的抗震性能，这点对于汽车用光源很重要。其次，l e d 启动时间 远短于白炽灯，应用于制动灯，能为后方驾驶员提供额外的刹车距离，有利于提 高车辆行使的安全性。再者，它的寿命长，在汽车使用期内能实现“无需维护”。 另外，l e d 工作时没有大量热量产生，而且体积小，若采用如图2 5 b 所示的安 装在的金属架上，可使l e d 阵列排布按需变化，而不会使灯具变得很厚，占用很 多的车内空间。因此，从整体上说，l e d 信号灯能为灯具甚至车型的设计提供更 多的发展空间，也有利于促进道路行使的安全。只是，l e d 的价格较贵，且若发 生故障，一般需整灯更换，较麻烦。 2 l e d 和霓虹灯 霓虹灯最大的优势在于其均匀的发光面，光输出不随环境温度的影响，且由 于用了整流器，光输出也基本不受输入电压变化的影响，并且由于其启动时间比 白炽灯短，往往用于高位刹车灯( c h m s l ) 。但是，霓虹灯的玻璃灯管抗震性差， 且启动需要约1 0 0 0 v 的高压，而整流器也增加了灯具的体积，引起额外的电磁干 扰。 l e d 信号灯计算机辅助设计姐夫学厨士靴越丈 相比之下，将l e d 用于高位刹车灯，总体积更小、更薄，抗震性更好，最主 要的是没有危险的高压。但是，与霓虹灯相比，l e d 的缺点在于很难达到均匀的 发光面。由于各个l e d 的驱动电压总有些差异，通过串联和并联，很难使每个 l e d 都工作在最佳状态，导致光输出不均匀。 总之，l e d 的价格目前仍是阻碍其大量应用于汽车信号灯，特别是经济型汽 车的障碍a 但是其优越的性能却是无与伦比的，随着l e d 技术的发展，其性能价 格比将会日趋合理，易为人们接受。 第三章l e d 信号灯光学设计 相关原理和方法 传统的光学设计往往基于经验公式和设计经验，而采用计算机辅助设计，可 以模拟设计效果，给出较直观的预期结果。本章对涉及到的光学及计算机图形学 等基本原理和方法做一简单介绍。 3 1l e d 光源模型 要在计算机中实现效果模拟，首先得有一个数字化的光源模型。l e d 发光点 很小，可近似看成点光源，用一定数量带光通量的光线矢量模拟实际光线，即每 一根光线的数据包括其携带的光通量由。表示出射点的位置坐标( x ，y ，z ) 和表 示出射方向的角度坐标，即与三个坐标轴的夹角余弦( a ，b ，c ) 。 3 1 1 发光点的确定 l e d 的封装结构已在第一章中介绍，由芯 片发出的光线一部分直接经环氧树脂制成的 透镜折射出去，另一部分经反光碗反射后再折 射( 如图3 1 所示) 。因此，严格来说，从外 面看，发光点不在芯片本身，而是在图3 1 所 示的一个区域内。为了简化起见，假设发光点 位于所示区域中心点，研究表明，此点一般位 于芯片位置偏下i m m 之内。这可以在实际安装 时调整一下透镜的位置来得到修正。 3 1 2 参数计算 1 估算光通 根据光源的光强分布，可以用下式估算光 通： 抛。= ，如 一( 3 1 ) l e d 的光分布一般关于光轴呈旋转对称分 布，因此可以认为如图3 2 b 中所示在足够小 的d0 环带上，光强是一个常数i ，( 0 ) ，则环 带内的光通为： 抛，( p ) = ，( 口) 如 一( 3 2 ) 根据图3 2 b 所示可知此立体角为： d：粤：_(27asin口)(rds)：2res i n 8 d 8 一一( 3 3 ) l e d 信号灯计算机辅助设计童亘老学戤：丝塑苤 因此( 3 2 ) 式变为： 抛，( 护) = 2 兀( 印s i n o d o 一( 3 4 ) 则利用l e d 关于0 的相对光强分布曲线( 如图i 6 b ) 和轴向光强i ，( 0 ) 对( 3 4 ) 式积分可以得到这个l e d 发出的总光通： 电e d = 2 面( 0 ) r s i n 口土棚 一( 3 5 ) 其中，( 口) 是0 角度上光强关于轴上光强 i ，( 0 ) 的归一化的值，即相对光强。然而，由 于相对光强分布很难用一个简单的函数来 表示，因此，我们用累加代替积分，由光强 图上以一定间隔a0 取光强值，用下式计算 光通： = 碱( o ) s j n 日 ) 臼 一( 3 6 ) o 图3 3 角度、0 示意图 其中( 参见图3 3 ) a0 = 0 。w 2 一o i - - i 2 o i = ( 0 l - l 2 + 0 2 ) 2 2 光线光通量由。， 确定一个l e d 期望的总光线数目n ，理论上而言，n 取得越大，与实际效果符 合得越好。但是，综合考虑计算量、程序的运行速度，应该取一个适当的值。假 设1 0 万条光线的运算时间约5 分钟，处于可接受范围，并且一个灯具用1 0 0 个 l e d ，则单个l e d 的预期光线数为n = 1 0 0 0 条。则单根光线携带的光通量为： = ( 3 7 ) 3 光线坐标 对于一个l e d 来说，光线被假设从一个点发射出来，因此可以设发光点在坐 标原点。关键是如何确定光线的方向：在各个环带内的光线数n 。应该与该环带的 光通量中。呈正比： 肝：坐1 ：2 r c l , ( o t ) s i n o i a o l e d妒。 ( 3 8 ) 而在此环带内，光线的角度坐标( 0 ，1 l r ) 是利用了 蒙特卡洛方法，为随机分布，即设k 和l 为两个在 区间 0 ，1 之间的任意随机数( 蒙特卡洛方法参见 本章第五节和随机数产生参见附录a ) ，则在宽为 图3 。4 坐标转换示意图 x l e d 信号灯计算机辅助设计盔蛋丈譬堡兰兰堡i 垒苤 0 的第1 个环带内的光线的角度坐标为： f 0 = 只一1 ，2 + k 口 = 2 r r ， 设l e d 放置方向如图3 4 所示，则相应方向坐标为 i d = c o s 口= c o s 0 b = c o s f l = s i n 0 c o s y 【c = c o s y = s i n 0 s i n y 一( 3 9 ) 一( 3 1 0 ) 3 2 二次光学设计 前面的章节中已经介绍了l e d 的封装结构中含有反光碗和起透镜作用的环氧 树脂这些光学单元，使其出射光型呈一定的角度分布。然而，无论是交通信号灯 还是汽车信号灯，国家标准中都有严格的配光分布要求，为了能更有效地利用光 源发出的光通量，同时从灯具外观方面考虑，需要进行二次光学设计。 3 2 1 准直光学系统 i 简介 准直光学元件，顾名思义即为将入射的光束校正为平行光输出。利用准直光 学系统能够更多地收集从光源发出的光、提高利用率，从而有效地实现对光能量 的重新分配。 过去，我们通常用双凸或单凸透镜来获得平行光，但有时这些透镜会很厚， 会引起光透过率的减少，增加 了光损失。利用菲涅耳透镜就 能解决这一问题。菲涅耳透镜 是对凸透镜进行切割、平移而 形成的。它的光学作用和透镜 藩”卤瞥冒 一样，具有相同焦距的单凸透镜和菲涅耳透镜的厚 度相差可以很大( 如图3 5 所示) 。因此使用菲涅 耳透镜可减少光吸收损耗。并且菲涅耳透镜减少了 球差的影响。 利用抛物面反射器同样可以得到平行光输出。 与透镜相比，它能更有效地收集光源发出的光。并 且随着出光口形状的改变，不仅可以得到旋转对称 一r 一一1 强3 6 抛物霭反射器深 赛与出射角示意盈 l e d 信号灯计算机辅助设计童望苤孚超竺兰丝! i 望 的光分布，也可得到矩形等特殊要求的光分布，这是使用透镜做不到的。然而， 经抛物面反射的光束扩散角m 随着反射器的深度增加而减小( 如图3 6 所示) ， 因此要获得较高要求的平行光，反射器会很深，使灯具失去了使用l e d 来减小深 度的意义。所以，如果想要获得高质量的平行光，用菲涅耳透镜更合适。 2 计算方法 1 ) 普通薄透镜 在物方和像方的折射率一致时，可用下式确定薄透镜的曲率半径： ，：，t ：* ( 啊一1 ) ( 土+ 土) _ _ ( 3 1 1 ) 吒 其中f 、f 一一分别为物方和像方焦距 n 。一一透镜材料折射率 r 。、r ：一一分别为透镜两面的曲率半径，若为外凸则为正、内凹为负 2 ) 菲涅耳透镜 如图3 7 所示，首先确定期望的透镜直径d ，基面厚度d ，通光口径巾，透镜 所用材料的折射率r l 。 强3 7 菲涅耳透镜参数计算示意图 设点光源在a l 处，距离透镜第一个面为l 1 ，要求经过透镜后成像在a 处， 像距为l 2 。则根据图3 7 可得 t g u t = i h 式中l 。是设计前确定的，即为期望的透镜焦距：h 要估计确定 保证使h 小于d 2 。光线在第一个面上的折射满足下式： n s i n i i = s i n i i 一( 3 1 2 ) 第一环的h 值要 一( 3 1 3 ) l e d 锗号蜒、卉冀毽慵氟勒馊诗 复旦大学硕士学位论文 式中由图可知i 。= - - u 。，i 。一u 。一u 。 而三：上 智u l 则利用几何关系可得光线与第二个面相交点的高度： 日= ( 厶d ) t g u l 则像方会聚角u 。 鹕嘻 一( 3 1 4 ) 一( 3 1 5 ) 一( 3 1 6 ) l 。是设计前给出的，如果期望出射为平行光，则l ：= c o ，u 。= 0 。 对于第二个面应用折射定律：n s i n l 2 = s i n l 2 ，而i ：= i 。+ u 。一u ：，代入后 整理可得： t g ：- s i n ( u ： - u ：) 一( 3 1 7 ) 行一c o s ( 【，2 - ) 圆心角妒= u 2 + 1 ：，所以环状透镜表面的曲率半径为 r ：旦 s i n 妒 曲面中心0 的位置可由下式确定： q 。 t g 币 一般将上面公式( 3 1 2 ) 一( 3 1 9 ) 列表计算。 3 ) 抛物面反射器 在极坐标系中，抛物线的方程如下： 2 厂 r = - - - - = 一 1 一c o s ( 3 2 0 ) 灯具的深度d e p t h = r c o s 中。，则根据期望的灯 具深度和光出射角度取一个适当的组合，求出 r 代入( 3 2 0 ) 式，可以得到抛物面反射器的 焦距f 。 3 2 2 配光光学系统 1 简介 ( 3 1 8 ) 一一( 3 1 9 ) l e d 信号灯计算机辅助设计盔量力学掰士学舷垃艾 利用配光元件可以使光线发生偏转或扩散，形成期望的配光。主要由柱面透 镜和棱镜及其组合构成，如图3 9 所示：a 一柱面透镜，使光线沿柱面扩散；b 一 水平楔形块，使光线向左或右偏移( 偏向棱镜的底边) ：c 一垂直楔形块，同b ， 使光线向上或下偏移；d 一双方向倾斜的楔形块，使光线在水平和垂直方向上偏 移：e 一水平不等厚柱面透镜，相当于a 、b 两种光学元件的叠加；f 一垂直不等 厚柱面透镜，相当于a 、c 两种光学元件的叠加。另外，也可用球面、椭球面或 轮胎面的一部分，形成水平和垂直两个方向都有扩散，如图3 1 0 所示的单元。 图3 9 凡种基本配光元件强3 。l o 有双向曲率的透镜 2 计算方法 1 ) 棱镜 如果要求一平行光束经棱镜后偏折6 角度( 如图3 儿 所示) ，设棱镜材料的折射率为n 则棱镜顶角a 的大小 可由下式计算： s i n 占 留口2 n - c o s 8 2 ) 柱面透镜 在确定透镜材料折射率r l 、 率半径可由下式得到： 6 x n 2 - 2 n c o s 8 + i r = = 。“。一 2 s i n 占 ( 3 2 1 ) 圈3 i i 棱镜示意酉 单元宽度b 及要