組合式LED自由曲面前照燈的近光配光設計與仿真

羅秉東 王亞軍 宋寧亮 孫天錫

(廈門大學電子科學系;福建省半導體照明工程技術研究中心，福建廈門 361005)

1 引言

現代汽車車燈主要采用鹵素燈、HID燈等傳統燈具，這些燈雖然光效比較高，但其能耗大、響應速度慢、光能利用率低的缺點不容忽視。與傳統的照明光源相比，LED具有許多優點，由于它的發光原理，使得它的工作壽命比鹵素燈和HID燈都要長。此外，LED在抵抗機械應力方面具有顯著的優勢，在設計上LED可以做到結構緊湊，可以實現燈具的最優化設計，減輕重量，節省空間。在車燈應用上，用LED取代傳統光源是目前的主流趨勢［1］。

通常實現前照燈的配光主要有兩種方式:反射式和投射式，目前最新設計的燈具大多采用高光能利用率的自由曲面反射式系統近光燈［2］。自由曲面反射器的原理是將反射面分割成許多不規則形狀小反射面，每個小反射面都具有不連續的曲率，貢獻所需光照度分布的一部分，把所有小曲面反射的照度分布疊加在一起即可達到最終所需要的光照度分布。由于自由曲面反射器無法用數學方程來描述，因此，我們利用光源映像法的思想，合理地對反射基礎面進行劃分和調整，并最終得到符合國標要求的照度分布。

目前，在車燈傳統光源反射器的基礎上，國內許多研究小組對其進行了相關研究。比如，楊良等提出了多曲面車燈設計流程及方法［3］，蘇勝君等通過計算機進行了反射鏡曲面建模設計與仿真的研究［4］，余桂英等對采用反射式自由曲面的LED汽車前照燈高效拋物反射器進行了研究［5］，使LED逐漸向車燈制造產業滲透，但總體上在LED車燈設計特別是在自由曲面反射燈的設計上還非常薄弱。本文基于國標規定光照度分布，在自由曲面反射器方面開展了深入研究，其中重點介紹了LED自由曲面反射器的設計組合步驟與技巧，并利用軟件進行建模及模擬仿真，同時采取新型組合方式使設計兼顧性能提升和結構優化。

2 基礎面和光源的選擇

2.1 基礎面

為了提高光能的利用效率，基礎反射面采用半面旋轉拋物面，將LED中心置于拋物面的焦點f上(見圖1)。

圖1 拋物面幾何示意圖

圖1中旋轉拋物面方程為y2+z2=4fx，d和θ分別為反射鏡的出光口徑半高和抱角，x0為反射面的深度，則:

選擇光強分布為朗伯型的LED光源，發光面法線方向光強最大為I0，光線與法線方向為π/2－ε時光強為Iε=I0cosε，則其總光通量為:

被反射器反射的光通量為:

假設反射器的反射率為1，則其光能利用率η為經過反射器后出射的光通量與光源總光通量之比，即

從理論上分析，反射鏡的抱角越大，光源的利用率越高，但會給反射鏡的加工制造帶來困難。當反射鏡的抱角超過110°時，光能利用率并不會隨著抱角的增大繼續顯著提高。將反射鏡的抱角θ限制于110°，既能得到較高的光能的利用率η，又不至于使反射鏡的加工制造過于困難［6，7］。由此可得到反射鏡的出光口徑半高與焦距的關系d=2.856f，當取f=15mm時，為方便起見，取d=45mm。

2.2 光源

本文采用Philips Lumileds公司的大功率汽車前照燈LED-LUXEON Altilon LED，該光源為冷白光朗伯型LED，最大光通量達到850lm。LUXEON Altilon經過設計和測試，可承受極端的溫度條件，并且能夠簡化光學設計、方便制造和裝配。圖2分別為其光譜和光強分布圖。

圖2 LUXEON Altilon光譜和光強分布

3 近光燈設計

3.1 近光燈的配光標準

前照燈的配光要求比較高，具有較高的設計難度，我國最近公布了 LED前照燈配光標準(GB25991—2010)［8］。國標規定，對近光燈來說，在25m外接收屏上要有明顯的明暗截止線，V-V線左側應為水平直線，右側為與水平線向上成15°的斜線HV－H3，或與水平線向上成15°斜線至水平線垂直距25cm處轉向水平的折線HV－H1－H2－H4，如圖3所示。

圖3 國標近光燈配光屏

3.2 反射面組合及設計

由于LED是面光源，因此不能采取背向反射面的方法，而是將LED芯片發光面面向半反射面并旋轉一定角度，使得反射效率達到最大。此外，由于反射面左右邊緣10mm部分反射效率很低且浪費空間，因此進行切除。為了達到足夠的照明效果，本文利用LED小尺寸的優點，采用多套自由曲面組合來實現汽車前照燈中的近光功能。本文采用三套反射系統，并排組合。如圖4所示。

圖4 拋物面半反射面及并排組合示意圖

其中左邊一套反射系統將產生右15°截止線， 右一加強左邊水平截止線、左邊區域及50R點的照度，中間反射系統產生均勻的光形以滿足各點的照度要求。整體尺寸為210mm×45mm×35mm，利于加工制造。

利用上述得到的旋轉拋物面數據在RefCAD中定義基礎面和光源屬性，并對基礎面進行分塊操作，根據反射定律和用戶設定的光線在屏幕上的投向區域，來反求出相應的反射面，并計算出每塊反射面在屏幕上的投射光線。

在調整各子塊光型的過程中，要注意克服雜散光的影響，盡量降低水平截止線以上的照度，以免產生眩目光線［9，10］。本文自由曲面的分塊和三維模型如圖5所示。

圖5 自由曲面的分塊和三維模型

4 光學仿真

TracePro是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。它可以精確地定義各種實際光源 (如發光二極管、白熾燈、弧光燈、鹵素燈等)的形狀和發光特性，利用其照明模塊可實現蒙特卡洛法光線追跡，以便確定某個指定表面上的光照度、強度或亮度。

自由曲面設計好之后，導出為IGES格式，將其導入到TracePro中組合成近光燈反射系統，由于導入的模型只有幾何屬性，還需設置其材料及光學屬性，本文定義反射器的材質為PMMA，表面的光學屬性為光學鏡面，反射率為85%，并調用自建的光源模型進行仿真。圖6為LED光源和導入的自由曲面的光線追跡圖。

圖6 LED光源和自由曲面的光線追跡

在光源正前方25米處設置接收面，接收面的面積為15000×6000mm2，首先分別追蹤三組反射系統各自光源發出的光線，仿真結果如圖7所示。三個反射系統照度分布較為理想，左邊反射系統產生清晰15°截止線，中間反射系統使整體照度均勻分布，右邊反射系統加強了左邊區域照度和50R點照度值。

圖7 左、中、右三組反射系統模擬照度圖

同時追蹤三組系統光源發出的光線，根據仿真的結果檢查各測試點和測試區域是否符合國標規定，對不達標的照度值，在RefCAD重新調整子系統中各子塊［11］，再導入TracePro中進行模擬，直至得到符合要求的照度值。模擬實驗最終追跡了五百萬條光線，得到的接收屏上的照度分布如圖8所示，水平和15°截止線十分清晰，整體照度無明顯陡變，表1列出了各測試點及測試區域的照度值，能夠較好地符合國標規定。仿真最終結果總光通量為841.83lm，入射光線396.5萬條，入射光通量與發射光通量之比即為系統光能利用率，達到79.3%，比傳統投射式前照燈更高。

圖8 組合后模擬得到的接收屏照度分布圖

表1 近光配光國標要求及仿真結果

5 結論

本文在已知光照度分布和光源特性的前提下，利用RefCAD構造出適合LED光源的自由曲面反射器，并利用TracePro軟件組合模型，進行光線追跡，仿真的結果較好地滿足GB25991—2010的對近光燈的配光要求，由于沒有傳統投射式的擋光板，因此該系統理論光能利用效率大大提高，達到79.3%。當前LED汽車前照燈配光設計已不再單純采取投射式或反射式，越來越多的設計采用兩種形式交叉的復合結構，使得車燈在LED芯片光效沒有明顯提高的條件下具有較高的光能利用效率和更優化的設計空間，滿足車燈日益提高的安全、審美和節能要求。本文采取的組合方式使設計更加緊湊合理，發揮了LED尺寸較小的優點，節省了設計空間，為未來LED應用于汽車車燈照明的配光設計提供了一個參考。

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