多橢球反射鏡近光燈具設計方法研究

尹友軍，徐興榮，王好強

（1.江蘇文光車輛附件有限公司，江蘇 鎮江 212325；2.廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

造型美觀、線型流暢的汽車前照燈一直都是汽車主機廠家及燈具企業的研發目標；而汽車近光燈的基本功能也要求為駕駛員提供清晰的照明，減少光線對其他行人的炫目和不適應感。基于上述要求，為汽車研發生產出了不同形式、不同光學系統的前照燈，如拋物面反射鏡式、多重反射鏡式、多橢球發射鏡式及以后的LED 為主流的照明系統。

橢球燈具應用于汽車上以后，使得汽車燈具在造型上更加美觀，體現了時尚、奔放等現代元素，更加能夠體現設計人員的思想，滿足不同客戶的審美觀。本文就多橢球反射鏡近光燈具的設計進行探討，希望各位同行能共同研究，以提升我國燈具的研發能力及制造水平。

1 結構原理及優缺點

一個簡單的多橢球反射鏡近光系統，其原理與投影幻燈機相同；主要由燈泡、多橢球反射鏡、擋光板和非球面凸透鏡組成。如圖1 所示。

其工作原理：由位于橢球面第一個焦點處的燈泡發出的光線經反光鏡反射后，在第二焦點匯聚，經過擋光板遮擋一部分光線、凸透鏡折射后，光線近似平行于光軸射出，形成法規要求的明暗截止線[1]。

該系統具有以下優點：較大的反射鏡光線利用立體角提高了燈泡光能的利用率；較小的燈具透光面便于燈具外觀的組合和裝飾；利用擋光板設計，形成清晰的明暗截止線，使在以反射鏡配光中III 區易超標的現象得到很好的控制，防眩光區域高度達到最低的效果；光型照度區域分布均勻，沒有明顯的梯度差，有利于道路照明[2]。

目前存在的缺點：零件較多，結構較復雜，裝配精度要求較高；透鏡重量較重，對汽車燈具的抗振動顛簸性能提出了更高的要求；非球面透鏡與擋光板的位置精度要求高，在裝配時，需要嚴格控制擋光板的位置；在燈光的明暗分界線部位，易產生色散現象，造成視覺疲勞。

2 設計要點分析

2.1 多橢球反射鏡的構造

多橢球反射鏡的反射面為復合橢球面，其橫截面和縱截面均為橢圓，燈泡位于橢圓面的第一個焦點處。大家知道，在幾何光學方面，當光源放在橢圓的焦點時，經過橢圓的反射，光的匯聚點就會在橢圓的第二個焦點，如圖2 所示[3]。將這個橢圓繞HH 軸旋轉，則可得到一個標準的橢圓反射面，因為其垂直截面與水平截面相互對稱，這個反射鏡形成的光型則是一個圓環狀的光斑。這樣的光型基本上不能滿足汽車行車的要求，對于近光來說，25 L、25 R 處的照度值偏低，中間位置較亮。一般汽車的近光光型要求照射范圍盡可能寬廣，是一個扁平的光帶，所以單獨使用一個橢圓面作為反射鏡是不可行的。因此，實用的、滿足要求的橢球面反射鏡必須由兩個以上的橢圓方程構成。這就是要使用多橢球型反射面而不直接使用單橢球反射面的原因。經過多次實踐模擬，筆者認為，橢球的開口處為一橢圓，其長短軸之差可控制在2～3 mm，其橫截面為橢圓，縱截面也為橢圓，讓垂直截面與水平截面的不同來形成扁平的光型。

如圖3 所示。在已知橢圓上一點和其焦點位置時，通過解橢圓方程就可以得到橢圓的長短軸a、b。由此就確定了橢圓的軌跡。在三維軟件中，按其相對位置做出與開口橢圓A 水平截面和橢圓B 垂直截面橢圓C，如圖4 所示。使用3D 的造面功能，做出橢球反射面。至此，這個反射鏡可作為數學模型放到光學分析軟件中分析[4]，橢圓A1、A2、A3……的基本參數計算如圖3 所述。

2.2 非球面透鏡和擋光板

投射式汽車燈具的透鏡一般都是非球面的。單個球面透鏡無法精確地將平行光束聚集在焦點上，會產生所謂的球面像差，而非球面設計就要求通過焦點的光線經其折射后光線平行射出。其實非球面透鏡[5]的球面的母線是繞它的旋轉軸旋轉的多項式曲線[6]，再加上一定的修正系數，便得到一般通用的非球面方程：

式中：X 為非球面的旋轉對稱軸；Y 為距非球面軸垂直距離；R 為頂點曲率半徑；K 為二次曲線常數；a4、a6、……為非球面修正系數。

當a4Y4+a6Y6+a8Y8+……=0 時，上述方程即代表一個二次圓錐面。通過給定相應參數，經過配光模擬分析，最終確定其非球面的尺寸。一般情況下，非球面透鏡可以從專業廠家采購，要求的參數有透鏡的直徑、最大厚度、焦點、玻璃的折射率。在設計多橢球反射鏡近光時，可以根據實際情況及供應商提供的配光參數進行挑選，也可以使用光學軟件ZEMAX 進行設計，但自行設計的開發費用較高，周期較長。

擋光板的目的是遮住經過擋光板后面的多余光線，只讓有用的光線射出去，形成想得到的光型。對于近光光型，擋光板將設計成具有15°截至線的形狀[1]。

2.3 橢球面、透鏡、擋光板及燈泡的位置關系

擋光板會遮去一部分光線，使有效光束的使用率降低而使亮度不足。為改善此結果，必須調整燈絲、擋光板、透鏡的相對位置，使效率提高，增加光強度。可以從以下幾個方面考慮：

1）擋光板的位置必須置于透鏡的焦點處。

2）擋光板應向左下方移動1～2 mm，以讓開燈光聚集的中心，使光的利用率加大（以實際情況而定）。

3）透鏡與橢球面無嚴格的位置關系要求，為使近光系統結構緊湊，透鏡的位置可向燈泡方向移動一定距離。這個距離可根據實際的光型結構要求而定，但透鏡的焦點不能在橢球的第二個焦點外。

4）燈泡的燈絲中心應設計于橢球的焦點上。為得到更大的光利用率，燈絲中心前后可以做微量調整。最終的設計模擬結果如圖5 所示。

2.4 設計流程

經過幾年的發展，初步形成了圖6 所示的設計流程[7-8]。

3 結束語

以上只說明了設計多橢球反射鏡系統的一種方法，其中最主要的就是多橢球面的設計計算[9-10]。多橢球反射鏡在外觀尺寸被限定下設計制造并不容易，需要經過多次的模擬實驗[4]分析才能找出最佳的組合，可以通過改變構成橢球的前后端點及焦點的位置生成新的橢球面來產生扁平的光型。這些方法可以在實踐中不斷摸索總結。

[1]黃佐賢.現代汽車燈具[M].北京：長虹出版公司，2003.

[2]GB 4599-2007，汽車用燈絲燈泡前照燈[S].北京：中國標準出版社，2007.

[3]安連生.應用光學[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[4]ASAP 光學分析軟件[EB/OL].[2012-09-09].http：//bbs.ledcax.com/thread-30245-1-1.html

[5]非球面透鏡[DB/OL].[2012-09-09].http：//baike，baidu.com/view/464350.htm

[6]王溫良.車燈電腦輔助模擬配光分析[J].車輛研測資訊，2004，（9）

[7]楊良.汽車前照燈反射器自由曲面的設計步驟和技巧[J].照明工程學報，2001，（4）

[8]朱維濤，陳祥熙.汽車燈具設計原理與方法[J].光學儀器，2002，24（6）：35-41.

[9]周太明.光源原理與設計[M].上海：復旦大學出版社，1993.

[10]章海聰.燈具的系統化設計[J].照明工程學報，1992，（3）