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白光LED应用于汽车前照灯照明中的研究

屠其非  
【摘要】: 发光二极管(LED,Light Emitting Diode)的出现,被人们认为是在照明领域继爱迪生发明钨丝灯泡一个世纪之后,又一项具有革命性意义的进展。与此同时,由于空气动力学和汽车造型的需求,汽车前部位置越来越低且呈流线型,为前照灯预留的高度空间越来越小,而为满足汽车照明的智能化和人性化需求,光型根据路况和天气等因素自动变换的自适应前照灯(AFS,AdaptiveFrontlighting System)也逐渐成为车辆的热点之一。LED光学系统结构紧凑、模块化的优点,恰好能满足上述车灯发展的趋势,因此在汽车前照灯照明上具有巨大的应用潜力。然而,作为一种全新的发光模式,LED存在着光度学、色度学方面的新问题,并且对传统光学设计方法也提出了挑战和创新的需求,因此虽然LED在汽车信号灯等照明方面的应用由来已久,但完全进入前照灯照明领域还需要一段时间。 本论文从光度学、色度学和光学三方面,探讨了LED在汽车前照灯中应用的潜在问题及可行性,以前雾灯为例进行了前照灯光学设计,并在设计基础上的样件进行测试和对比验证。在光度学方面,通过选择不同色温、不同光谱组成、不同白光生成方式的LED,结合传统的卤钨灯和HID灯,研究在不同理论基础下的中间视觉模型中有效光能量的变化,证实在中间视觉条件下,光谱组成恰当的LED与传统卤钨灯相比具有更高光效能。并对数据归纳总结,利用S/P值(即光源在暗视觉和明视觉条件下有效光通之比)预测待评估光源在不同亮度水平下与参考光源相比较的相对效用,可以作为光源在中间视觉条件下实际性能预测的依据。在色度学方面,本论文根据对LED照射下,交通标志颜色偏移情况的分析,证实大多数荧光粉型白光LED不会对交通标志的正确辨认产生影响,但是对荧光粉型白光LED的蓝峰位置必须有一定限制,建议不低于450nm。在光利用率方面的研究,根据传统包角、光通利用率、系统允许误差和灯丝映像等方法的计算推导,创新的提出了针对LED独特的发光形式和空间光强分布的光学系统设计方法,设计了基于复合抛物线的反射面、反射和投影模式的LED前雾灯,验证了关于短焦距抛物面误差精度的分析,以及光源成像和空间能量分布在反射镜不同位置的分析,充分利用LED的光强分布,完成能量有效合理利用,实现预期理论模拟效果,从而从理论和实践上验证了本论文提出的LED前照灯光学系统设计方式切实可行。 本论文的创新点在于; 1.对传统抛物线型反射镜进行修正,提出利用复合抛物线和抛物面用于LED光学系统设计,能明显降低LED安装位置的精度要求,并用相对简单的方式实现多种配光形式。此结果对其它民用灯具具有普遍适用性。 2.利用灯丝映像法和区域光通计算法,结合LED特殊配光分布,对汽车前照灯用自由曲面反射镜和椭球面反射镜的分区和区域功能进行重新划分和设计,为LED汽车前照灯光学设计进一步开展提供了理论依据和指导方向。 3.将透镜场曲的修正应用于PES(Poly Ellipsoid System)前照灯,改善了由于系统体积减小而对截止线质量产生的影响。


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