汽车尾灯的功能包括:转向指示、刹车指示、停车指示、位置指示、倒车指示、以及后雾灯。
有时也需要:
– ECE规格标准中规定：在车尾中央较高位置也需要安装刹车灯
– 车牌照明
此次简报我们只考虑刹车灯设计
图1：各类灯的位置排布
下图所示几种灯点亮后的真实效果图(Prius C)。对于这辆车而言, 刹车灯使用红色LED,转向灯为琥珀色。而在FMVSS 标准中，转向灯应为红色。
图2：各类灯点亮效果
相关规范：
– 联邦机动车辆安全标准和法规 (FMVSS)—美国联邦标准
– 汽车工程师学会 (SAE)—灯具的规格, 研究和数据统计, 但不具有法律约束力，在北美尤为重要
– 加拿大机动车安全标准(CMVSS)
– 联合国欧洲经济委员会内陆运输部门(ECE)
– 大多数国家采用ECE规范.
– 日本大多数都遵循ECE规范，但日间行车灯规范除外。
下图为ECE尾灯设计的重要规格指标：
图3：ECE尾灯设计规格指标
ECE刹车灯光强要求：
19 个测试点，每个测试点必须在标准最大和最小值之间。此外，根据相关要求还需要：
– 垂直方向:一些光需要传播方向在+/-15º
– 水平方向:一些光需要传播方向在+/-45º
图4：强度测试点位置
图5：强度测试点允许范围值
亮度可视化：
所谓的亮度就是人眼对光的强度感受，单位：lumens/sr/m^2。在此次讨论系统中光除了要达到相应强度测试点的要求，被观察者看到的空间分布也很重要。还需要考虑人眼分辨率（我们将根据30弧秒的角敏度来设置接收器上网格大小划分）。最后需要选择一个观察距离（这里我们选择3米）。
这次设计工作的相关规格要求：
主要规格指标:
– 设计必须通过ECE S1刹车灯强度标准
– 令人满意的空间分布
次要目标: 效率
光源选择：厂商提供的LED光源
优化方法:
– 使用45°半锥角（人眼张角）优化空间分布
– 优化目标使用平均亮度
– 还要优化出射光的角扩散分布以匹配相应的强度分布
使用 LightTools 创建光学模型。
LED光源选取：
– 使用高功率红色LED以便达到设计规格指标要求
– 选择OSRAM Golden DRAGON, LR W5SM-HZJZ-1-1
– 此LED为单芯片，发光面约为1mm x 1mm
– 光源输出功率: 39 – 71 lumens
– 配光曲线分布近似朗伯分布
– LED制造商提供5M根光线数据光源文件
图6：LED光谱分布图
图7：LED配光曲线分布图
CAD 结构设计：
尾灯的初始结构设计由CAD软件完成(此次案例使用SolidWorks软件) 。
图8：模型参数描述
图9：CAD模型的灯具区域划分（用于放置不同灯具）
图10：划分完成后的模型
边缘侧发光导光管设计方法：
– 尝试使用长条形导光管或圆形导光管来实现边缘照明
– 长度约为 ~150 mm （CAD模型中放置刹车灯的长度）
– 可以先在导光管的表面上切出一平面，然后使用LightTools 3D纹理功能，将库元件纹理添加到刚切出的平面上。
– 接着可以使用背光板优化工具(BPO) 来优化Z-depths以实现均匀的空间分布。
– 起始为简单的 45º 楔角。
图11：锯齿纹理描述
优化楔角：
– 导光管背面添加90%朗伯反射光学属性
– 获得均匀空间分布结构需要使用BPO优化，最佳楔角为45°
图12：BPO用户界面
图13：光导管模型
图14：45°半锥角的模拟结果图
该楔角的强度分布结果：
图15：强度分布结果（效果不理想）
调整结构：
调整垂直分布：
– 适当的减小纹理元件的宽度---减小到4.1mm。
调整水平分布：
– 更复杂的光萃取结构：由LightTools中的库元件功能和Bezier曲线完成。
– 优化Bezier曲线的相应参数
– 添加拔模角
– 添加半径为50微米的圆角
图16：修改后锯齿纹理描述
重新优化空间分布：
优化结束后，复制优化好的导光管两根，放置在灯箱中。
图17：重新优化结果
图18：灯箱结构
图19：强度分布模拟结果
完整系统的测试点值：
– 总功率130 lm (单颗LED 43.4 lm)
– 通过最低测试点指标
– 有15 lumens进入测试点区域, +/-20º x +/-10º (光源总功率的11%)
– 正半球有72 lumens (光源总功率的55%)
图20：测试点值
图21：灯箱装配结构
不同距离的观察者直视的亮度模拟结果：
模拟运算使用15M根光线，2°半锥角。
图22：不同距离模拟结果
图23：多重视角亮度模拟图
图24：真实渲染模拟图
