自行车前灯怎么装？我来告诉你答案基于LED的德标自行车灯光杯的设计方法

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基于LED的德国标准自行车照明杯设计方法

德国对前灯的要求在世界上比较全面，相对要求也比较高。尤其是对汽车的管制要求。

而车灯中又数前照明灯要求比较最为复杂，自行车前灯，摩托车前灯，汽车前灯的设计难度依次增加。

对于自行车前灯的法规要求，德标应数全球范围内最为严格和规范的，今天我们就自行车灯德标前灯的光杯设计进行思路上的探讨。使用到的软件是SPEOS for Catia，车灯设计中SPEOS应该是比较好的软件了。当然这里推荐使用正版软件。

1， 法规介绍（K-MARK和E-MARK）

首先在设计之前需要先了解德标中对自行车前照明灯的具体法规要求，德国STVZO法规(K-MARK):

图1 K-mark 光分布（距离灯源10m处平面）

图2 K-mark 光分布（距离灯源10m处平面，附各个点的坐标值）

-光源距量测点为 10M 距离的平面上

-中心亮点 称为 HV

-最亮点 称为 Emax

-HV > 10Lux

-Emax < 1.2 HV（如果最亮点位置不在HV上则发光区域中最亮点不超过12lux）

-HV 往上 3.4' (A) < 2Lux ( 明暗截止线的规范 )

-HV 往下 1.5' , 往左往右 4' > HV/2

-HV 往下 5' > 1.5 Lux

-HV 往下 5' 后, 再往左往右 4' > 1 Lux

以上是德国法规对配光设计的要求

A < 2 Lux 就是要做到明暗截止线，防止车灯影响到对向车友的视线。

Emax 的规定就是防止单一点的光束过于集中。

其他各点的规范， 是为了让光束可以均匀分布。 所以德规车灯最难设计的部分有两个， 明暗截止线与光束均匀分布。

这里我们顺便提一下欧盟的ECE Regulation No. 113 规范(E-mark)，要求细节和K-MARK 不太相同，但是设计思路类似。下文我们会按要求比较严格的K-mark进行详细的讲解，E-mark就不做设计详解了。

图3 E-mark 光分布（距离光源25米处平面）

-截止区， 为 H-H 线以上的区域。 此区之照度不得超过 0.32 lx。

-主亮区， 为低于 H-H 线 75 公分， 并于 V-V 线左右各延伸 225 公分的区域， 即从 25L点至 25R 点之间的区域。 此区之照度需高于 1.28 lx。

– 路面照射， 为低于 H-H 线 150 公分， 并于 V-V 线左右各延伸 225 公分的区域， 即从12.5L 点至 25R 点之间的区域。 此区之照度需高于 0.64 lx。

2， 根据配光要求拓展设计思路的可能性

在照明光学配光设计中无非就是利用光杯的反射，透镜的折射以达到法规要求的效果。可以只用光杯反射的方式进行设计，也可单使用透镜折射的方式进行设计，再有就是两种方式共同配合使用（不过这种方式使用的不多，因为实际操作中会比较麻烦，而且出光效率可能不会很高），当然也要根据车灯产品的外观和结构的限制来选择合适方式进行设计。下面我们就目前常用的设计方式举例说明：

先来看看比较标准的光型效果图，这个是实际产品照射到墙面上的效果。很容易看出整个光型的截止面线是非常明显的，这也是设计中难点和要点。

那么我们应该如何去设计光杯以达到这样的效果呢？手电筒大家可能比较熟悉点，手电筒的光杯一般是抛物面来做的，一个完成整的抛物面反射出来的光型是圆形的，而我们这个则是有点像两个矩形组合起来的，是否可以将手电筒的抛物面切掉相应的部分以得到矩形的光型呢？我们来试试看看：第一个图是手电筒的完整的光杯，第二个图是光杯在1m外的光型效果，

那我开始切割光杯，或者用面遮住光杯上的一部分反射面，如下图所示抛物面上部分被一个平面遮住了，这部分就不参与反射了，而反射则由没被遮住的抛物面和这个平面进行，可以看到第二个图中红框内光线已经减少，法规中的截止线是不是有这样的要求水平线往上3.4度照度不能大于2lux，而这里则通过遮挡的方式把这部分光反射到了其他地方。

但是回头再看看标准光型的形状，我们上面的光型是否还是感觉离标准的差距比较大呢，是否把水平左右两边也遮挡掉会更加接近呢？答案是肯定，但是我们在实际设计中不是这么干的，这里只是提供思路让大家考虑，拓展下思维是否还有更好的办法。

3， 实战中自行车光杯的设计分析

先给大家看一个自行车光杯的成型图，这是我已经设计好的光杯。是否感觉这不像我们日常看到的手电筒的光杯啊？形状样式是否更像我们汽车大灯上的光杯，由一条条的反射面组合而成的？其实这个光杯的成型基础也是抛物面的，只是利用了抛物面的一部分而已，然后把这部分的抛物面用线组分割开来，然后对各个面的曲率进行调整。当然说起来是这么回事，但是实际设计中要考虑的问题很多，首先是线组的数量和分布方式，还有切割而成的各个面对应的目标接收器平面（法规光分布面）上对应的区域，每个区域之间分布位置和重叠效果等等。

下图是光杯的光型效果图和法规各点的照度值，可以看出各个点都是符合设计要求的，不过由于HV中心点不是最亮的点，就要求后期模具加工和表面的镀膜都要控制的好点。为了让产品更稳定，如果得到这样的光型，最好还是要优化一下，将HV点的值调整为最亮点或者更高点的数值。后期注塑加工的翘曲，和大功率灯珠的热量会影响到整个光杯的造型（我们下文就先不针对模流分析和热分析进行详解了，有时间我们另外举例进行分析），而且我这里还没有把镜片部分加进来，没有将镜片的折射影响考虑进来。所以要求尽可能把各点的余量提高些。

4， 自行车德标光杯的设计详解

上面讲了常规德标光杯的设计思路，当然还有其他方式，我这里只以上文提到的进一步讲解。上文我们把灯珠放置到了顶面上朝下发光，通过反射面把光反射到目标平面。

1， 光杯的大小尺寸由产品外观和结构所确定，这个案子客户只提供了一个光杯的大致尺寸30x20x23mm，要求不能超过这个范围。但也不能太小了，不然影响美观。那么根据这个尺寸先设定好一个抛物面焦距为5mm，开口大小为不小于30mm，我这里设置的是35mm，因为我看车灯产品厚度至少要大于20mm，35/2=17.5mm，加上光杯的壁壁厚就差不多20mm了。

而光杯宽度30mm，根据这个尺寸我需要把抛物面分割成5个面，因为是奇数值，所以我中间的那个面是在中心位置的。如果分成偶数个面，那左右两边的面应该是对称关系的。可以只做一边的面调整好后再镜像过去，这样呢花费在调整曲面上的时间会少点。

光源类型我用的是点光源，位置默认在原点位置，如果希望设计再精确点可以用拓展光源，则需要找到灯珠模型以及灯珠发光面的面积大小，这个可以到各品牌官网上下载过来，最好可以下载到Prosource的光源近场分布ray文件，这样可以更直观的看到光源发光面的亮度分布效果。

分割网格的类型这里用freestyle，因为也只有这个类型支持我自由划分网格。

光束类型我就用sharp cut-off了，这个是做前照灯常规用的类型，这里的参数设置呢，这个就很复杂了，需要你了解各个参数的含义，以及其所表达的光学意义。这是软件基础和光学基础，需要你自己去深入学习了，我这里只是提供了设计的思路，具体的实施还得靠你自己多学习理论知识。下图我选了光杯上的中间面，其在接收器上的分布大致如此，这些参数都是我计算调整好的，默认不会是这样的数据。仅供参考。

这里说明一下默认生产的面没有像下图分布的，下图是设计好的数据。它的分布相对与都比较规则和平均，就好比抛物面没有划分过的抛物面生成的光斑一样。

这里有一点主要的细节，就是处理中间的面之外，两边的面所反射的光我都是让他们往尽量往相反一边照的，比如说本来左边的两个面应该对应接收器上左边部分，右边的面对应的是接收器右边部分，但是这样调整起来很难实现需要的效果，而且曲面造型会很怪异，每个面之间的深度差会很大，所以我干脆就将其向相反的方向分布光束，这样也好控制中心部分的亮度。特别是下图中箭头所指的两边的面，都朝向相反方向的。

经过多次调整终于调出了需要的效果，当然这不是最终的结构，还需要对曲面组进行修剪以配合产品外观。

经过修剪的面如下图，基本上一个德标自行车灯的光杯就做成了，最后就是加上顶面和镜片，再做一次模拟分析看看效果，基本上就完成了。后期就是把光杯做结构完成，进行模流分析，分析下结构注塑成型后的翘曲影响到反射曲面多少和进行热分析。后面是是复杂而费时的工作，我这里就不一一说明了。

以上是我对德标自行车灯光杯（K-mark）进行设计思路的一般讲解，光学理论（几何光学，只要有数学基础和光学物理基础应该很好学习）和软件基础因为实在复杂，笔者文字组织能力有限要讲清楚实在费时费力。以上比较适合有一定光学基础和软件基础的同学学习下设计思路。