一种新型高效节能的日间行车灯的光学设计

谢延青，郭昊宇，余彩霞，周 龙

（上汽大众汽车有限公司，上海 201906）

随着国内消费水平的提高以及人们对生活品质的追求，汽车已成为人们日常生活中必备的交通工具。随着科技的发展与创新，国内的汽车研发能力与汽车制造能力日益提升，大批的新能源汽车公司新型汽车企业涌入市场。主机厂想要在众多的竞争市场中脱颖而出，就必须在价格的下降、功能的创新、新颖的造型等方面有足够的优势。汽车灯具亦如此，灯具不再是仅仅满足法规和照明要求即可，更亮、更炫、更智能的灯光更能吸引消费者的眼球。同时，高性价比也是消费者考量的重要因素之一。

随着LED技术的发展，LED凭借高寿命、高光效、色温可调、低能耗、小巧可适用于多变的造型等优势，迅速占领照明市场，在汽车领域也得到广泛的应用。近年来，越来越多的LED应用于车用信号灯、远近光灯，传统的灯泡和氙气灯已经逐渐退出汽车灯具的舞台。本文通过聚光器收集LED发出的光线，然后有方向性地均匀扩散，再通过反射碗和内配镜形成一种效率高、寿命长、均匀性好、成本低的日间行车灯。

1 日间行车灯的概述

1.1 日间行车灯的作用

日间行车灯也称昼间行驶灯，在昼间行驶时，使得车辆更为易见的一种面向前方的灯具。它的功能不是照明，而是增加车辆辨识度，可降低车辆意外事故的发生率，加强行车安全。据官方统计，车辆安装日间行车灯，可降低12.4%的车辆意外，同时也可降低26.45%的车祸死亡几率。日间行车灯除了增强辨识性，还可以作为装饰，多元素的集成和特殊的造型，使汽车看起来更酷、更炫、更美观。因此，日间行车灯作为汽车选装的配置，受到越来越多的用户的欢迎。

1.2 日间行车灯的配光性能要求

根据日间行车灯法规GB 23255—2019，配光光型如图1所示，要求在基准轴线的发光强度不小于400cd，每个灯具所发出的各个测量方向的光，投射到配光分布上点的发光强度，不应低于图1上所示各点百分比值与400cd的乘积。在任何方向上，灯具发出的光强度应不大于1200cd。昼间行驶灯的配光的角度范围在垂直方向为水平面上10°到水平面以下5°，水平方向为向外和向内20°的区域，该区域内不小于1.0cd。

图1 配光屏幕

1.3 常见的日间行车灯光学结构及优缺点

随着LED日间行车灯的使用越来越广泛，常见的以LED为光源的日间行车灯实现方式有反射碗、厚壁光导、光导3种。传统日间行车灯发光方案对比见表1。

表1 传统日间行车灯发光方案对比

1）反射碗结构大部分采用反射式的形式，避免LED直射，优点是反射碗的光学效率高，而且LED可以共用一个PCB板，工艺简单，节省成本。缺点是相邻反射腔之间有暗区，整体的均匀性差，视觉效果不美观。反射碗式日间行车灯光学结构及发光效果如图2所示。

图2 反射碗式日间行车灯光学结构及发光效果

2）厚壁光导一般由聚光器、光束传播的中间结构和鱼眼扩散结构三部分组成，厚壁式光导造型丰富，极窄、锐角等有轮廓的造型都能实现。厚壁式光导结构还有个优势是可以顺序点亮，可实现流水转向灯与日间行车灯共用结构，或者通过电路控制不同的点亮形式和方式，实现与日间行车灯共用的炫酷的迎宾功能。缺点是使用的LED颗粒多、安装工艺复杂、需要的结构空间大、成本高，且均匀性不及光导结构。

厚壁式光导分为直射式厚壁结构和侧投式厚壁结构两种，直射式厚壁结构光源的光线通过聚光器，直射到厚壁光导，再由上方的鱼眼花纹射出。这种光学结构LED发光的光线基本都会被利用到，光学效率高。但是光线直接通过聚光器直射到厚壁不容易扩散，容易造成极强的颗粒感。为了满足厚壁光导更加均匀的人眼视觉效果，设计者通常都会对聚光器进行改进，在聚光器上增加扩散花纹结构。侧投式厚壁结构光线经过反射面得到更好的扩散，均匀性较直射式有提升，但LED的光学利用率降低，效率低。厚壁式日间行车灯光学结构及发光效果如图3所示。

图3 厚壁式日间行车灯光学结构及发光效果

3）相较于反射碗和厚壁式光导，光导结构的日间行车灯更加美观，给造型极大的设计自由度，均匀性更好，给人高级感，因此越来越多的光导应用于高级车或车辆的高配版本上。不同于厚壁式光导，LED均匀地分散在光导下方，LED集中在光导的一端或两端，光线通过光导齿均匀地向外扩散。当然光导也有它的缺点，光导拐弯半径不宜过小，不能急剧转弯。光导入口端、末端、定位筋和固定卡扣容易形成亮点，当光导长度过长时，首尾有色差，对注塑工艺也有较高的要求。光导式日间行车灯光学结构及发光效果如图4所示。

图4 光导式日间行车灯光学结构及发光效果

以上3种方式是目前实现日间行车灯以及其他信号灯常用的最基本的光学结构，但是在实际应用中，出于美观或功能性的考虑，会有一些延伸的光学结构。例如，为了追求较优的点亮效果，会在反射碗或光导前方增加带花纹的或皮纹内配镜。又或者为了既有好的均匀性又能有顺序点亮效果，把厚壁置于光导后方，同时实现日间行车灯与流水转向灯功能。

2 新型日间行车灯的光学设计方案

2.1 结构方案制订

通过对数据的分析，我们的日间行车灯的发光区域的Z向宽度最大可达35mm，采用厚壁和光导的光学方案都存在一定的设计难度，并且成本较高。最终从成本和点亮效果综合考虑，我们放弃了上述3种常见的日间行车灯的光学结构，设计了一种新的仿灯泡效果的光学方案。光学系统由聚光器、反射碗和内配镜三部分组成。聚光器负责收集光源发出的光线，进行第一次光学扩散。在X方向准直射出，在Y方向180°均匀扩散到内配镜上，再由内配镜上的鱼眼结构，将光线均匀扩散到指定的角度。反射碗的作用是将部分聚光器发出的光反射到内配镜上。该结构均匀性好，光学效率高，LED使用总光通量600lm，是光导结构光通量的一半，大大节省了LED数量，节省了成本。新型日间行车灯的光学结构如图5所示。

图5 新型日间行车灯的光学结构图

2.2 光源方案设置

本设计中选用两颗日亚的NCSW170C颗粒作为光源，NCSW170C相较于其他品牌同等性能的LED，有较大的价格优势，进一步节约了成本。在设计分析过程中，为确保模拟结果更接近实际样品，我们使用原厂的光源档进行模拟分析。LED的结构如图6所示。

图6 NCSW170C结构图

2.3 光学模拟分析

本设计方案的模拟均是使用SPEOS软件完成，除了模拟光斑图，验证法规，我们还设置了不同方位的光学sensor，模拟分析在不同视角下的人眼视觉效果，除了车头正前方外，还设置了内20°到外20°，上10°到下5°的sensor。在满足法规的要求下，尽量优化各个视角的均匀性，使设计在法规和人眼视觉效果上均满足SVW的设计要求。

2.3.1 人眼视觉模拟分析

通过对不同角度的点亮效果模拟，我们发现该方案发光区域发光均匀，在各方向均未发现明显的暗区，符合主观评价要求。在上10°到下5°，左右20°范围内均满足2:1的亮度比，图7～图11是点亮效果图。

图7 日间行车灯点亮效果（HV view）

图8 日间行车灯点亮效果（上10°）

图9 日间行车灯点亮效果（下5°）

图10 日间行车灯点亮效果（左20°）

图11 日间行车灯点亮效果（右20°）

2.3.2 法规模拟分析

通过SPEOS软件模拟日行灯的光斑如图12所示，对模拟配光图进行法规数值分析，得到图13所示的日间行车灯配光报告，从配光报告可以看出，扣除模拟余量后，各测试点数值还可以满足国标的130%。

图12 日间行车灯光斑图

图13 日间行车灯配光报告

3 结语

本文对市场上常用的日间行车灯的技术方案进行介绍，并对其优缺点进行总结分析。在此基础上提出一种了全新的日间行车灯的光学设计方案，从光学结构、光源、和模拟结果进行了分析。从模拟结果来看，满足GB 23255—2019的法规要求，均匀性符合主观评价要求。此光学方案还可以用于日间行车灯与位置灯复合的灯具，通过调整LED的驱动电流，可满足位置灯的法规。此方案光学效率高，LED光通量只需要光导方案的一半，但出光均匀性接近光导方案，大大节省了成本，为后续车型的设计开发提供一定的参考。