基于Speos 制动灯与光扩散位置灯技术融合研究与分析

李 俊

（合创汽车科技有限公司， 广东 广州 511466）

1 背景说明

近些年随着汽车行业的发展，汽车尾部灯具采用贯穿灯设计已经成为主流趋势，而造型在设计上追求细长风格以及均匀发光的精致商品性需求，给灯具设计带来了不小的挑战，因而制动灯与位置灯的融合设计方案值得研究与探讨。

后位置灯功能在日常用车体验中使用频率最高，其发光效果对汽车后组合灯的美观性起到非常大的影响，在进行汽车尾部灯具设计时，应优先考虑后位置灯的效果，再将其他功能信号灯进行融合匹配。当前行业主流认可的后位置灯发光技术有光扩散式和厚壁光导式两种结构[1]，如图1所示。本文主要针对制动灯与光扩散位置灯融合技术研究与分析。

图1 主流后位置灯的发光效果图

2 技术与原理

光扩散发光技术是在灯具外配光镜部件内增加一个内配光镜部件（图2），并通过在内配光镜材料中添加一定的有机硅光扩散粒子，使得该粒子分散在配光镜部件中，当光线入射至光扩散部件时将发生两种折射模式，一种是有孔隙折射模式，另一种是无孔隙折射模式，如图3所示。光线在有孔隙折射模式中发生的折射次数要多于无孔隙折射模式[2]。折射次数的多少与材料的雾度成正相关，即折射次数越多，材料的雾度越大，反之则越小。

图2 光扩散内配光镜与外配光镜结构图示

图3 光线入射光扩散板折射示意图

图4 制动灯结构断面设计剖视图

同时扩散材料中的孔隙是随着扩散粒子的粒径大小变化而发生变化的，当粒子的粒径增大时，孔隙会减小并随之消失，那么可以明确材料的雾度是随着扩散粒子的粒径增大而减小。

根据GB/T 2410测得可见光波段下的光透过率T1以及光线偏离入射光线的光透过率T2，材料雾度等于T2/T1[3]。由此可知材料雾度与透过率T1成负相关，那么材料的透过率T1随着扩散粒子的粒径增大而增大。

3 设计方案

制动灯和后位置灯在《GB 4785汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》中是强制装配的信号灯，其配光性能需要满足法规《GB 5920汽车及挂车前位灯、后位灯、示廓灯和制动灯配光性能》的要求。

制动灯作为警示信号灯，其法规配光强度比后位置灯要求更高，关键配光强度指标要求见表1。

表1 制动灯与后位置灯关键配光强度指标要求

灯具是集成光学、电气、结构、材料四维综合性的产品，基于制动灯与后位置灯配光法规在光照强度上的差异化定义，并结合产品开发的经济性，位置灯通常采用功率为0.2W LED设计，制动灯通常采用功率为0.5W LED设计，经过计算分析可得到光源具体参数信息，见表2。

表2 制动灯与后位置灯光源参数信息

在光源参数选型明确的基础上，对不同材料配比的内外配光镜与不同空间设计结构进行仿真建模分析。相关的方案见表3。

表3 差异化设计方案列举

4 仿真建模与分析

在Speos光学仿真软件环境中基于各个方案进行仿真分析，建立分析模型并定义好相关的边界参数条件。相关仿真分析结果如下。

1） 方案1：光源与内配距离25mm，Inner lens PMMADF23，Inner lens透过率30%。配光性能参数Imax最大发光强度值为72.5cd，局部个别点不满足配光法规，点亮效果上，存在较多颗粒感等商品性不良问题，灯具参数与灯光效果见图5。

图5 方案1灯具参数及灯光效果

2） 方案2：光源与内配距离35mm，Inner lens PMMADF23，Inner lens透过率30%。方案2在方案1的基础上提升LED光源与内配光镜的距离，通过仿真分析可知发光均匀性得到有效改善，但配光性能参数中Imax最大发光强度下降至60.85cd，多点发光强度配光不满足法规要求，灯具参数与灯光效果见图6。

图6 方案2灯具参数及灯光效果

3） 方案3：光源与内配距离25mm，Inner lens PMMA-8N-YDF0038，Inner lens透过率20%。方案3在方案1的基础上降低了内配光镜透过率，由30%降低至20%，通过仿真分析可知发光均匀性得到有效改善，但配光性能参数中Imax最大发光强度下降至53.18cd，多点发光强度存在不满足法规要求，灯具参数与灯光效果见图7。

图7 方案3灯具参数及灯光效果

4） 方案4：光源与内配距离25mm，Inner lens PMMADF23，Inner lens透过率30%，增加反射挡板。方案4在方案1的基础上增加了聚光结构，通过仿真分析可知配光性能满足法规要求，Imax最大发光强度达到106.1cd，但发光均匀性上局部存在LED轻微颗粒感，灯具参数与灯光效果见图8。

图8 方案4灯具参数及灯光效果

5） 方案5：光源与内配距离25mm，Inner lens PMMAYDF0038，Inner lens透过率20%，增加反射挡板。方案5在方案1的基础上增加了聚光结构，同时降低内配光镜透过率，由30%降低至20%，通过仿真分析可知，配光性能Imax最大发光强度达到84.92cd，同时发光效果不存在LED颗粒感问题，发光商品性满足外观评价要求，灯具参数与灯光效果见图9。

图9 方案5灯具参数及灯光效果

5 结论与展望

通过仿真分析结果可以看出，采用扩散式发光的位置、制动信号灯，在LED光源发光功率未提升的情况下，可以通过增加LED光源到内配光镜的距离或者降低内配光镜的透过率改善发光均匀性。建议参考LED光源与内配距离35mm，内配光镜透过率20%进行设计。

另外可以在LED光源与内配光镜之间增加聚光结构，提升制动灯的配光强度，以满足制动灯高强度配光法规需求。

随着贯穿式尾灯造型的普及，人们对尾灯的美学观赏性要求也越来越高，发光均匀性作为发光美学的重要评价指标之一，设计阶段自然需要充分考虑，但在光扩散制动灯类型中通过提升材料雾化程度，降低材料透过率的方法改善发光均匀性，也会存在发光强度降低的情况，从而可能导致制动灯安全警示性能有所下降。那么如何在发光强度的安全警示性能与点灯发光均匀性之间做好平衡也可以作为下一步研究的方向。