ICFDM学报2006年第7 期 国际设计和制造业协会 2006 年6月19-22, 广州, 中国 205-208页
用于汽车照明的LED（发光二极管） 光线系统的设计和制造 Suet1，Jiang Jinbo1,Lee WingBun1, Cheung ChiFai1 和Eric Cheng2 1、香港理工大学工业与系统工程系先进光学制造中心。2、香港理工大学能源电子研究中心电气工程部.
摘要: 现代汽车照明系统要求具有高效率、安全和美观的特点。Freeform（是一套可以融合视觉与触觉来完成复杂3D模型建构的软件。使用者需要通过Freeform的手柄(代替鼠标用的)，即有触觉的雕刻笔来控制和雕刻电脑画面中的3D模型，可以随心所欲地构建任意的模型形状，是一种全新的3D设计软件，目前主要用于玩具、珠宝、鞋底、工艺品的设计，也广泛用于概念设计-----信息来自互联网）反射器和LED 光线系统的设计和制造是汽车照明设计的关键。非想象光学设计使汽车照明系统设计脱离了传统的光学设计。组成光学的次要照明所需要的LED 光线系统的几何外形不能由常规的制造过程来完成。在本文里, 将详细说明由超级精密的Freeform机器所制造的信号灯和前灯的光学设计和结构。
主题词: 汽车光线系统, LED 光线系统, Freeform, 非球面，超精确度制造, 汽车 1介绍:
当前, 在汽车照明设备技术之中正发生着巨大的变化。汽车制造商与供应商和立法者已经达成一致，一起向往车灯发展的明天。Freeform 前灯是已有的具有高灵活性和简洁性的设计之一。如果要用数学函数和设计或结构来定义Freeform前灯的Freeform表面通常是有困难的。
撇开不谈Freeform 反射器系统, 高强度固体照明设备技术(LED) 在汽车照明技术中越来越充当着重要的角色。现今, 大多数汽车制造商正考虑在他们的新车模型中使用高强度LED照明设备，例如：刹车灯、信号灯、尾灯和车厢灯等。LED照明设备由于几个原因可以成为先进的技术。与在电子输入后反映稍慢的卤素灯泡相比较, LED照明设备几乎立即反应, 给其他司机留下了可贵的额外警告时间。LED是
高效率的,与卤素灯泡比起来可以节省200瓦特的能量和减少使用50%的电能。与常规光比起来, LED能为新的照明设备创造出新的可能性, 允许更多灵活的设计。
虽然几个市场上有效的光学设计和自动生成的软件能够完成非想像光线的追踪和光学系统的3D模型。譬如ASAP, TracePro, LightTools, SPEOS, LucidShape, ReflectorCAD, 和CATIA, Unigraphic等设计软件, 但被设计的表面仅能由超级精密的多轴线的自由形式的非等角的机器根据多轴线光栅来构造出来.可细微沟纹和光栅的表面没有随后被擦亮。但是, freeform 光学设计的功能仍然主要取决于光学设计师的经验和CNC 机器操作员通过昂贵试验和多次错误的方法试验来实现。优选的光学设计要保证高质量主要取决于功能规格, 机器忍耐程度和Freeform计量误差。 所以, LED照明设备技术入汽车光线系统关键取决于状态工艺设计和超精确度机器的制造。
2. 具有信号作用的制导光线系统
在过去的20年发光二极管(LED)有合理的成功的渗透入汽车照明设备市场的历史。当常规LED长期被使用在汽车里面作为指示灯的时候,在20世纪80年代晚期90年代初期时出现了能用于汽车外部的起信号作用的高亮度的LED（HB）技术。
伴随着铟镓铝磷化物(InGaAlP) HB LED技术在20世纪90年代初期的发展, 汽车信号灯市场开始了一个坚固成长的期间。直到2004年为止,世界范围内生产的近40%的小汽车和轻型货车使用基于LED为中心的终止灯。这个市场已经被打开通过更高的性能(例如, 更短的刺激时间),更高的可靠性,和更多灵活性的组合。设计选择使用与普通白炽灯相比价格平稳下降的HB设备也进一步的使市场变的更好。
到目前为止,LED已经成功地被使用于汽车信号灯系统，譬如刹车灯,尾灯, 位置灯, 转向灯, 雾灯, 终止灯, 倒车灯等等。典型地, LED 信号光系统由LED光源,准直仪,和透镜罩组成,如图1所示。准直仪在常规上是把反射器阵列的菲涅耳透镜阵列或复合TIR&R (总在内部反射&折射)透镜阵列收集的从LED光源发出的光以最大效率投射出去。透镜罩由透镜阵列枕和条纹透镜阵列组成，主要用于重新分配从准直仪投射出的光线来创造一个国内交通规则的标准样式,或国际标准 。譬如ECE 或SAE。在透镜表面的透镜枕是在两个不同的垂直方向有不同曲度的环形表面。
图1 LED信号灯的典型的结构,(a) 反射器阵列+ 透镜阵列枕,(b) 菲涅耳透镜阵列+透镜阵列枕, (c) 复合TIR&R 透镜阵列+透镜阵列枕,(d) 透镜枕的环形表面的主体。
配置选择是一个重要的方面在照明设计之中,因为不同的LED 来源的分歧角度是不同的。例如, 如果一个很窄的角度的LED光源被选择做为信号灯,然后菲涅耳透镜或一个凸面冷凝器透镜就应该被选择作为准直仪。在这样的条件下, 反射器或TIR&R透镜并不适合做准直仪。刹车灯如图2所示。在这个设计之中, LED光源在正负45度的分歧角度内。所以,菲涅耳透镜列阵与数字角度45度被采取为准直仪。透镜列阵枕用被设计成的环形表面来重新分配光线以符合全国标准GB5920-94,这是中国的汽车刹车灯设计标准。
一个低侧面LED光源，譬如朗伯反射器LED。反射器或复合TIR&R透镜需要次要光学。TIR&R透镜的设计能达到非常高光提取效率。TIR&R LED 透镜的设计如图3 所示。透镜被分割成为三个区域。中心区域是折射区域。它是一个瞄准中心区域的能散发出光线的环形表面。中心区域的外部有两个TIR（内部反射）区域,它的作用是反映内部反射的情况并收集出口的一部分散射的光。那么所有180度方位角的角度内从LED光源所散发出的光都被收集和瞄准。