液体封装LED汽车远光灯光学设计_李海涛

１３２８
光 子 学 报
４１ 卷
表 １ 远 光 的 国 标 配 光 要 求 （单 位ｌｘ） Ｔａｂｌｅ １ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｂｅａｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ（ｕｎｉｔ：ｌｘ）
Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ｏｒ ｚｏｎｅｓ Ｅｍａｘ
ＨＶ ｐｏｉｎｔ ＨＶ ｐｏｉｎｔ ｔｏ １ １２５Ｌａｎｄ Ｒ ＨＶ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ２ ２５０Ｌａｎｄ Ｒ
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （Ｎｏ．６０８０８０１１）、国 际 合 作 基 金 （Ｎｏ．１０ＧＪＨＺ５１７）和 航 空 科 学 基 金 （Ｎｏ．２００９０８９８００１）资 助 第一作者：李海涛（１９８６－），男，硕士研究生，主要研究方向为 ＬＥＤ 灯具的散热及其光学设计．Ｅｍａｉｌ：ｒｌｏｆｍｃｃｓｆ＠１６３．ｃｏｍ 导师（通讯作者）：张苏娟（１９７５－），女，副研究员，主要研究方向为超快激光技术及其在生物医学方面的应用 ． Ｅｍａｉｌ：ｓｕｊｕａｎ＿ｚｈａｎｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ 收 稿 日 期 ：２０１２－０６－１２；修 回 日 期 ：２０１２－０９－０９
经历 了 白 炽 灯、卤 素 灯、ＨＩＤ 灯、ＬＥＤ 灯 的 发 展 过 的 ＬＥＤ 汽 车 远 光 灯 体 积 虽 有 缩 小，但 由 于 其 焦 距
程．其中，白 炽 灯 和 卤 钨 灯 光 效 在 ３０Ｌｍ／Ｗ 以 下， 寿 命 只 有 几 百 小 时 ，氙 气 灯 和 金 卤 灯 光 效 达 ９０Ｌｍ／ Ｗ，寿命３ ０００多小时［１］，而光效１５０Ｌｍ／Ｗ 的蓝光
０ 引言
和汽 车 紧 凑 型 设 计 之 间 的 矛 盾 是 制 约 其 发 展 的 主 要因素．传统 ＬＥＤ 汽车远光灯通过反射、折射、反射
汽 车 前 照 灯 是 汽 车 安 全 行 驶 必 不 可 少 的 部 件， 与折射共同作用的 方 式 实 现 配 光 要 求，体 积 和 质 量
自汽车问世以来，随着照明光源技术的进步，前照灯 相当大［６－９］．经过改 进，一 般 采 用 小 型 抛 物 面 反 射 器
光能收集效率．
径．修正后的椭球面玻 璃 外 壳 直 径 应 控 制 在 ５０ ｍｍ
使用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 立 灯 具 玻 璃 外 壳 和 封 装 液 范围内，表２和表３是基于 １ ３００ｌｍ 的 大 功 率 白 光
体模型，应 用 Ｔｒａｃｅｐｒｏ 光 学 仿 真 软 件 分 析 照 度 分 布 ．液 体 填 充 在 灯 具 内 部 的 整 个 空 间 ，对 光 线 起 汇 聚
（１ 西北大学 光子学与光子技术研究所，西安 ７１００６９） （２ 西安邮电大学 理学院，西安 ７１０１２１） （３ 西北大学 物理学系，西安 ７１００６９）
摘 要：使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装 ＬＥＤ，研究其封装后
的光学特性，以获得 一 种 光 效 高、散 热 好、体 积 小 的 新 型 汽 车 光 源．按 照 汽 车 用 ＬＥＤ 前 照 灯 ＧＢ
小，光源 位 变 化［１０］．目前使用的自由曲面反 射 器 减 小 了 光 源 位 置 偏移产生的配光变化，光能利用效率高 ，深 ［１１－１２］ 受人
芯片涂黄光荧光 粉 的 大 功 率 白 光 ＬＥＤ 光 源 已 经 商 业化［２］，寿命可达数万小 时．除 此 之 外，ＬＥＤ 光 源 比 传统光源体 积 小、响 应 快、工 作 电 压 低［３］，目 前 在 刹
体 进 入 玻 璃 外 壳 的 内 表 面 处 折 射 ；第 三 次 ：光 线 由 玻
璃外壳的外表面进入空气的界面处折射． 由折射定律计算得到
（ ） α′＝ａｒｃｓｉｎ
ｓｉｎα ｎ
（１）
α 和α′分 别 是 光 源 光 线 入 射 角 和 折 射 角，可 以 计 算
第一次折射后的角度变化．
根据第二次和第三次折射关系确定椭球面玻璃
Ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ ≥４８ａｎｄ ≤２４０
≥０．８ Ｅｍａｘ ≥２４ ≥６
２ 远光灯配光设计
２．１ 整 体 光 学 系 统 本文中远光灯的光学系统包括椭球面玻璃外
壳 、光 源 及 封 装 液 体 ，设 计 要 求 光 源 光 轴 与 玻 璃 外 壳
的 对 称 轴 重 合，光 通 利 用 效 率 高，整 体 灯 具 系 统
ｆ１＝１０．．５５５５ｂａ２
（３）
此款液体封装 ＬＥＤ 汽车远光灯就是把式（３）的点光
源修正后应用于实际光源实现灯具的自身投射式配
光． 灯具 外 壳 设 计 以 容 易 加 工 和 小 型 化 为 宗 旨，考
虑灯具汇聚光线能 力 和 灯 具 的 光 能 利 用 效 率，设 计
条件为
［ （ ）］ （（ｂｆ′１－－ａＲ２′））－ｔａｎ ａｒｃｓｉｎ
强值及经过液体界面折射后的光强值与此峰值的比 玻璃外壳对称轴移 动 光 源 以 得 到 最 佳 配 光 效 果．面
值定义为各自的相 对 光 强．折 射 后 光 能 分 布 集 中 且 光源经液体透镜汇聚后光线与玻璃外壳对称轴近似
边缘光强衰减迅速，大 大 提 高 了 椭 球 面 玻 璃 外 壳 的 平行．然后去掉玻璃 外 壳 多 余 部 分 得 到 玻 璃 外 壳 直
外 壳 形 状 和 光 源 的 位 置 ，玻 璃 非 常 薄 ，只 考 虑 光 线 在
表面的作用而忽略 光 线 在 玻 璃 中 的 传 播 距 离．由 椭 球面玻璃外壳决定的液体相当于一个椭球凸透镜，
利用椭球透镜成像 关 系 实 现 国 标 配 光 要 求．图 １ 是
一 个 椭 球 切 面 ，由 椭 球 内 侧 的 点 光 源Ｑ１ 发 出 的 光
ｓｉｎγ １．５５
≥０
（４）
式 （４）为 基 础 椭 球 面 玻 璃 外 壳 形 状 满 足 的 关 系 ，ａ′为
基础椭球面玻 璃 外 壳 的 长 度，ｂ′为 基 础 椭 球 面 玻 璃
外壳的半径，γ 是光源出 射 光 线 的 半 角 宽 度，Ｒ 表 示
光源发光部分的孔 径，在 仿 真 设 计 时 再 调 节 光 源 位
用实际光源的发光尺寸和形状． ２．３ 椭 球 面 外 壳
封装灯具的液体对 ＬＥＤ 光源不会产生损伤，折 射率为１．５５．玻璃 外 壳 的 折 射 率 是 １．４３．灯 具 系 统 对 光 源 发 出 的 光 经 ３ 次 折 射 作 用 ，第 一 次 ：光 源 发 出 的 光 线 在 进 入 液 体 的 界 面 处 折 射 ；第 二 次 ：光 线 由 液
根据汽 车 用 ＬＥＤ 前 照 灯 ＧＢ２５９９１－２０１０ 要 求，
光 ＬＥＤ 光 源．随 着 发 光 效 率 提 高 ＬＥＤ 取 代 传 统 光 汽车远光灯要实现 良 好 的 照 明．配 光 性 能 在 距 离 前
源作为汽车前照灯是必然局势． 对大功率高通量 ＬＥＤ 远光灯来说，庞大的体积
照灯基准中 心 前 ２５ ０００ ｍｍ 的 垂 直 平 面 配 光 屏 上 测 试 ［１３］，照 度 要 求 如 表 １ 所 示 ．
２５９９１－２０１０配光要求，选用１ ３００Ｌｍ 的大 功 率 白 光 ＬＥＤ 光 源，采 用 椭 球 面 玻 璃 作 为 灯 具 基 本 外
壳．用光学设计软件 ＴｒａｃｅＰｒｏ进行设计，通过调节 光 源 在 灯 具 内 的 位 置，修 改 玻 璃 外 壳 形 状，设 计
出了一款自投射式 ＬＥＤ 汽车远光灯．设计结果表 明：以 目 前 大 功 率 白 光 ＬＥＤ 光 源 技 术，椭 球 面 玻
线折射后成像于 Ｑ２ 点，折射成像公式为
ｎ１ ｆ１
＋ｎ２ ｆ２
＝ａ（ｎ１ｂ－２ ｎ２）
（２）
ａ，ｂ 是椭球面的长半轴和短半轴，ｎ１ 为液体折射率，
图 １ 椭 球 透 镜 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｌｉｐｓｏｉｄ ｌｅｎｓ
ｎ２ 为空气的折射率，ｆ２→∞时点光源发出的光折射 后 平 行 射 出 ，得 到 液 体 椭 球 透 镜 的 焦 点 为
置及灯具外壳． 这３ 次 折 射 的 同 时 伴 随 光 能 反 射 损 耗．介 质 分
界面的透射率与入射角和折射角有关系为
Ｔ＝２ｓｉｎ２（ｓαｉｎ＋ α２′αｓ）ｉｃｎｏ ｓ２２α′（α－α′）＋ｓ２ｉｓｎｉｎ ２２α（ｓαｉｎ＋ α２′α′） （５） 另外 液 体 对 光 能 有 吸 收 作 用，传 播 １ ｍｍ 吸 收 ０．０５％ ．忽 略 玻 璃 中 的 吸 收 损 失 ． ２．４ 仿 真 分 析
璃外壳直径在４０～５０ｍｍ 范围内的远光灯完全能满足国标要求，光能收集效率在 ８６．５％ 以上．最
后 对 制 作 灯 具 进 行 测 试 ，照 度 值 分 布 与 仿 真 结 果 基 本 吻 合 ．
关键词：ＬＥＤ 远光灯；液体透镜；投射式配光；椭球面玻璃壳
中图分类号：Ｏ４３９；Ｕ４６３．６５＋１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４２１３（２０１２）１１－１３２７－４
图1是一个椭球切面由椭球内侧的点光源q1发出的光线折射后成像于q2点折射成像公式为n1f1n2f2an1n2b22ab是椭球面的长半轴和短半轴n1为液体折射率图1椭球透镜fig1ellipsoidlensn2为空气的折射率f2时点光源发出的光折射后平行射出得到液体椭球透镜的焦点为f1155b2055a3此款液体封装led汽车远光灯就是把式3的点光源修正后应用于实际光源实现灯具的自身投射式配光
ＬＥＤ 实现大功 率 高 光 通 量 可 以 用 小 芯 片 集 成 封 装 ＧＢ２５９９１－２０１０的要求，对照度分布进行了测试．
或大芯片封装，大芯 片 封 装 使 得 光 源 系 统 的 热 阻 增
大［５］，且芯片中光的自吸收及反射损失会使光效降 １ ＧＢ２５９９１－２０１０远光灯配光要求
低，因此远光灯应使 用 小 芯 片 集 成 封 装 的 大 功 率 白
第 ４１ 卷 第 １１ 期
光 子 学 报
２０１２年１１月 ＡＣＴＡ ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１２
ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１２４１１１．１３２７
液体封装 ＬＥＤ 汽车远光灯光学设计
李 海 涛１，张 苏 娟１，张 炜２，牟 燕 妮１，吴 伟１，陆 治 国３
度照明应用中技术相对成熟［４］．由于大功率 ＬＥＤ 散 缘性 强、无 腐 蚀 性 的 透 明 硅 油 封 装 ＬＥＤ 汽 车 远 光
热困难，应用于汽车远光灯还具有挑战性．对于汽车 灯，与传统灯具相比，除了与光源热沉相连的散热装
远光灯来 说，它 需 要 采 用 大 功 率 高 光 通 量 的 光 源． 备外，光源 的 其 余 部 分 均 浸 没 在 硅 油 环 境 中．按 照
ＬＥＤ 集成光源 设 计 的 两 种 不 同 规 格 椭 球 面 玻 璃 外 壳的远光灯照度分布值．
作用的是椭球型液 体 透 镜，光 源 发 光 面 与 椭 球 面 玻
表 ２ 远 光 灯 配 光 的 仿 真 结 果 （半 长 轴 ２５．０２ ｍｍ，半 短 轴 ２０．６２ ｍｍ，直 径 ４０．００ ｍｍ） Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｂｅａｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ（ｓｅｍｉ－ｍａｊｏｒ ａｘｉｓ ２５．０２ｍｍ， ｓｅｍｉ－ｍｉｎｏｒ ａｘｉｓ ２０．６２ ｍｍ，ｄｉａｍｅｔｅｒ ４０．００ ｍｍ）
定做的光源光强及液体界面处折射后的光强分
布如图２所示．
图 ２ 相 对 光 强 分 布 曲 线 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｌｏｔ
１１ 期
李海涛，等：液体封装 ＬＥＤ 汽车远光灯光学设计
１３２９
以 光 源 光 强 峰 值 为 基 准，不 同 角 度 下 光 源 的 光 璃外壳的对 称 轴 垂 直．确 定 光 源 的 初 始 位 置 ｆ１，沿
们 青 睐 ，但 小 型 化 的 自 由 曲 面 反 射 器 加 工 难 度 大 ．最 后，工 作 温 度 对 ＬＥＤ 稳 定 性 和 寿 命 影 响 很 大．针 对 这些 问 题，依 据 当 前 大 功 率 白 光 ＬＥＤ 光 源 的 电 学、
车灯、倒车灯、转向灯、尾灯、以及信号灯等汽车低照 光学及封装技术，应 用 一 种 导 热 性 好、粘 度 小、电 绝
紧凑． ２．２ 光 源
目前商业化 的 小 芯 片 集 成 大 功 率 白 光 ＬＥＤ 光 源采用蓝 光 芯 片 表 面 涂 黄 光 荧 光 粉 的 技 术 相 对 成
熟．白光 ＬＥＤ 在标准条件下测得光效可达 １４０ｌｍ／ ｗ 以上，应用 于 封 装 的 单 粒 小 芯 片 面 积 为 １ ｍｍ× １ｍｍ，选 用 小 芯 片 封 装 成 的 光 源，在 ３．５ ｍｍ × ３．５ｍｍ范围内集成 ９ 只 芯 片 的 光 源 光 通 量 远 远 高 于１ ３００ｌｍ．这种蓝 色 芯 片 表 面 涂 黄 色 荧 光 粉 的 光 源光强角度分布范 围 为 １４０°左 右．为 了 设 计 的 精 确 性 ，设 计 时 光 源 应 用 实 际 的 光 强 分 布 ，光 源 发 光 面 使