多機能一体型LED自動車用シグナルランプの最適な配光とディフューザー濃度は？

国家標準の自動車光信号装置設置規定によると、信号灯は自動車の重要な表示と注意喚起機能装置として、装備が義務付けられている。LED技術の台頭により、自動車信号灯の形状はますます多様化している。自動車信号灯の光学設計は主に3種類の構造を採用している。第一はビュイックの新型英龍モデルのような導光体の形態、第二はGAC MOTORの2013 GS4のような反射ボウルの形態、第三は小鵬のG3のような肉厚部品の形態である。

本論文で開発された信号灯は第三の光学設計に基づいており、厚肉部品の前に光拡散器付き内部配光ミラーを追加し、均一配光効果を実現した。信号灯の均一性は徐々に主流の要求となり、拡散材の使用と組み合わせることで、信号灯の均一性を大幅に向上させることができる。現在、Tesla Model S / Model XとRoewe RX5 Plusは、フロントポジションランプの均一性を高めるためにディフューザーを装備していますが、ターンライトの配光要求のため、Roewe RX5 Plusのターンシグナルは依然として完全透明材料を装備しています。本論文では、様々な信号灯の配光とディフューザー濃度の比例関係を分析し、比較した。

スリー・イン・ワン信号ランプの光学設計

Hechuang 007フロントコンビネーションライト、シグナルライト-フロントポジション。
図1に示すように、ライト、デイタイム・ドライビング・ライト、フロント・ターン・シグナルの3つの機能が統合されている。

フロントコンビネーションランプのシグナルランプは、光拡散板の応用と組み合わせることで、1つで3つの機能を持つLEDシグナルランプを実現しており、その光学構造は図2のようになっている。光線はライトポートから肉厚部に通過し、通過後、全反射面はフロントディフューザーに反射され、ディフューザー通過後、光は発散される。
材料会社の入力によると、ディフューザーデータベースは当面光学シミュレーションをサポートしない。そのため、本稿では、物理試験結果と組み合わせて、異なる拡散板材料比率と実際のLED信号灯の配光試験結果を比較し、拡散板材料比率と配光値の変化傾向、および法規の臨界値に沿った配光値を求める。

2 ナショナル・スタンダードの配光要件

国家標準は、自動車とトレーラーのフロントポジションライト、昼間走行用ライト、フロントターンランプにそれぞれ配光性能の要求がある。3つの機能が統合されているため、設計されたLEDセマフォは3つの法規の最小値と最大値を同時に考慮しなければならない。各規制の最小光度分布要件と光度限界は以下の通りである。

2.フロントポジションランプ1個。
GB 5920「自動車およびトレーラーの前照灯、後照灯、外形」による。
ランプとブレーキランプの配光性能は、フロントランプ（単一ランプ）のすべての測定方向から投影した図3の配光スクリーン上の点の光度が、図3に示す各点のパーセント値と4 cdの積を下回ってはならないことを要求している[1]。同時に、フロントライトから見えるどの方向においても、光度が60cdを超えてはならない。

図3によると、フロントランプの各測定方向の最小光量分布は表1のようになる。

2.昼間用信号機2基。
GB 23255「昼間における自動車運転灯の配光性能」[2]による。
図4の配光画面上の点に投影される昼間の走行灯の全測定方向からの光の光度は、図4に示す点の割合の値と400cdの積より低くならないことが要求される。同時に、昼間に走行灯が見えるどの方向においても、光度が1200cdより大きくならないようにする。

図4によると、表2に示すように、各測定方向における昼間走行用ライトの最小光度分布を得ることができる。

2.3 フロントウインカー

GB 17509「自動車及びトレーラー用操向信号灯の配光」[3]の要求事項によると、Hechuang007の方向信号発光面積は、近接発光面積から20mm以上40mm未満であり、クラス1aフロント操向灯に属する。図5の配光画面上の点に投影されるクラス1aフロントステアリングライトの全測定方向の光の光度は、図5に示す点の割合の値と250cdの積を下回ってはならない。同時に、日中、ドライビングライトが見えるどの方向においても、光度は 800cd を超えてはならない。

図5によると、表3に示すように、クラス1aのフロント・ステアリング・ライトの各測定方向における最小光度分布を得ることができる。

(3) 実際のテスト結果と分析は、内部配光ミラー（内部）のポリカーボネート（PC）材料を渡す。
拡散板は材料に混合され、質量分率はそれぞれ0%、3%、4%、5%、7%であった。三機能LED信号灯の配光は、V-H座標系試験法[4]によって試験された。国家標準の要求と比較し、法規の配光に満たない試験結果を重点的に列挙した。
表4と表5に示すように、フロント・ポジション・ライトとデイタイム・ドライビング・ライトのHVポイントは規制の要件を満たしておらず、ディフューザーを追加しない場合のHVポイントの光量は規制の上限を超えている。

ATT： 注：イタリック体の数字は、この方向の配光結果が規定の要件を満たしていないことを示す。「適合」表は、その位置が配光規定に適合していることを示すが、正確な試験値は得られていない。

同時に表5は、日中走行用配光スクリーンのHV点円の上下5°と5°付近の範囲の光度も、規制で要求される上限値を超えていることを示している。

ディフューザー比が5%になると、1a級フロントウインカーHV点、H-5L点、H-5R点の光量値は法規で要求される下限値を下回り、配光結果を表6に示す。

注： 適合」表は、その位置が配光規制に適合しているが、正確な試験値が得られていないことを示す。

表7に示すように、拡散板比率が7%に達すると、昼間の配光画面上のHV点、H-5R点、H-10R点の光量値が規制で求められる下限値より低くなり、拡散板濃度の上昇が制限される。

表8に示すように、ディフューザ比が7%になると、1a級フロントウインカーの配光スクリーンのHV点の上下5°の範囲と5°付近の光量が法規で要求される下限値より低くなり、この部分の配光点ではディフューザ濃度の上昇が制限される。

注： 斜体数字は、この方向の配光結果が法規制の要件を満たしていないことを示す。

上記の実測試験結果の分析によると、ディフューザー濃度が変化すると、フロントライト、昼間走行用ライト、フロントウインカーのHV点の光量値もそれに応じて変化し、例えば表9の「ウインカーVIS」の最後の行は、ウインカーD15-R45の画角配光点の光量値であり、その変化傾向はHV点とは逆である。

表9より，3つの機能のHV配光値は，いずれも拡散板比の増加 に伴い減少していることがわかる．中でも昼間走行灯のHV点の配光値の変化が最も顕著であり、拡散板比率が7%に達した時の光量値は、非拡散板の1/4程度となっている。同時に、ステアリングライトD15-R45の視野角分布点の光量値はディフューザー比の増加とともに増加し、ディフューザー比が7%に達したときの光量値はディフューザーなしの2.5倍である。

注： 適合」表は、その位置が配光規制に適合しているが、正確な試験値が得られていないことを示す。

4 結論

以上の考察から、拡散板を追加することで、視野角の光量を効果的に増加させ、配光画面の中心部の光量を減少させることができることがわかった。本論文の3-in-one LED自動車信号灯の配光結果と合わせると、ディフューザー比の妥当な範囲は5%以下であるべきである。

さらに、本稿で取り上げた拡散板比率の範囲は、ヘチュアン007（図2）の前面にある複合ランプの有効発光領域と光学構造に基づいている。実際の発光構造に応じて、対応する配分を行う必要がある。