一種應(yīng)用自由曲面的LED汽車前照近光燈配光設(shè)計

陶 鑫 劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

汽車前照燈用于夜間行車時的道路照明，直接關(guān)系到行車的安全性，而前照燈性能的優(yōu)劣是導(dǎo)致夜間交通事故的原因之一。目前前照燈光源較多使用傳統(tǒng)光源，如白熾燈、鹵素?zé)艏案邏簹怏w放電燈 (High Intensity Discharge Lamps，HID)等，這些光源壽命較短，其中白熾燈及鹵素?zé)魤勖鼉H為兩千至三千小時，HID光源壽命略長，但也僅為約八千小時。因而，一種具有長壽命的新型光源將能為提高照明性能及減少夜間行車交通事故的發(fā)生帶來積極的作用。

發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode，LED)作為新時代的光源，具有數(shù)萬小時的壽命，除此之外，LED與傳統(tǒng)光源相比具有光效高、體積緊湊、開關(guān)響應(yīng)時間短、耐沖擊及振動等諸多優(yōu)點，因而十分適合作為汽車前照燈光源。

然而，同傳統(tǒng)光源一樣，采用LED作為光源仍需進行特殊的二次光學(xué)設(shè)計，其中，最為復(fù)雜的是汽車近光燈的配光設(shè)計。

一般而言，LED近光燈的光學(xué)設(shè)計思路主要可分為折射式、反射式及混合式三種。而目前常見的設(shè)計方法為采用擋板的投射式以及采用分塊設(shè)計的反射式，兩種方法均有不足之處，前者的光學(xué)系統(tǒng)效率可能受擋板遮光影響較大，后者則存在體積過大的缺點。本文以自由曲面方法進行了混合式的LED近光燈設(shè)計，關(guān)鍵點為自由曲面的透鏡部分設(shè)計，目的在于取得高光學(xué)系統(tǒng)效率的同時保持體積緊湊。經(jīng)過模擬，設(shè)計結(jié)果符合國家近光燈配光標(biāo)準(zhǔn)。希望本文能為LED近光燈光學(xué)設(shè)計方法提供一種新思路。

2 前照燈近光配光標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，近光燈作為汽車夜間低速行駛時采用的照明手段，應(yīng)具有足夠的照度并不能對迎面開車司機或行人產(chǎn)生強烈的眩光。對此，GB25991—2010做出了特殊的規(guī)范，采用一種帶清晰的明暗截止線的近光燈配光標(biāo)準(zhǔn)以滿足上述要求。對近光燈的測試方法為在距離燈基準(zhǔn)中心前25m的垂直平面配光屏幕上測量，各測試點、區(qū)的照度應(yīng)滿足如表1的要求，測試點及測試區(qū)域的位置如圖1所示。

表1 GB25991—2010前照燈近光配光測試標(biāo)準(zhǔn)Table 1 GB25991—2010 low beam headlight requirement

圖1 GB25991—2010前照燈近光配光測試標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 GB25991—2010 low beam light standard

3 自由曲面設(shè)計方法

自由曲面是一種不規(guī)則或難以用統(tǒng)一方程式描述的曲面。通過應(yīng)用自由曲面可以任意控制光線角度及分配光強。靈活應(yīng)用自由曲面，能夠使照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，提高光能量的利用率，此外，還能夠減少不連續(xù)曲面的出現(xiàn)，方便加工。

本文構(gòu)建自由曲面的基本設(shè)計思路是根據(jù)曲面某點的入射光及出射光的矢量關(guān)系求得曲面上該點處的切向量，并結(jié)合邊界條件求解整個曲面。

首先考慮一個光源、曲面及受照平面組成的簡單光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示，以光源為原點建立坐標(biāo)系，假設(shè)一條從其發(fā)出的光線，入射到曲面上點p后折射至垂直于z軸的目標(biāo)面上t點。點p處的入射光線矢量、出射光線矢量及該點處的法向量滿足折射公式:

將上述三個向量的表達(dá)式代入折射公式，解得

繼而需要確定入射光與出射光的能量對應(yīng)關(guān)系。很自然的，考慮采用一種u→y，v→x的能量映射方式。在不考慮光能量損失如反射的情況下，根據(jù)能量守恒定律可知曲面上的入射光能量應(yīng)等于出射光能量，從而有

其中，I(u，v)為光強函數(shù)，E(xt，yt)為受照平面上的照度，由此關(guān)系式可求得t點坐標(biāo)用u，v表示的表達(dá)式，即 xt=f(u，v)，yt=g(u，v)，代入的法向量表達(dá)式，則可通過數(shù)值解法，結(jié)合自行設(shè)定的邊界條件求解該自由曲面。

4 采用LED的近光燈配光設(shè)計

根據(jù)GB25991—2010近光燈配光要求，受照屏不同位置處照度要求不同，因而本文采用分塊式能量分布方式，針對各照明區(qū)域獨立設(shè)計配光。

如圖3所示，整個光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及反射器組成，以盡可能充分利用光能量。該系統(tǒng)分為5部分，各部分對應(yīng)接收屏上不同位置處的光照區(qū)域，因此其映射關(guān)系不同。

圖3 近光燈設(shè)計示意圖Fig.3 Schematic diagram of the low beam light design

5 設(shè)計結(jié)果及模擬仿真

采用自由曲面方法并求解得圖3中不同區(qū)塊的自由曲面后可得反射器及透鏡曲面的點云，使用如CATIA及Rhino等建模軟件即可得到近光燈光學(xué)系統(tǒng)的模型。該模型外形尺寸近似一底面半徑21mm，長約30mm的圓柱體。具體模型如圖4所示。

圖4 近光燈模型Fig.4 Model of the low beam headlight design

圖5 仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation result

本文使用光學(xué)模擬軟件TracePro對該近光燈系統(tǒng)進行模擬仿真，LED采用200lm朗伯體光源，透鏡材料為PMMA，反射器設(shè)為全反射，接收屏為一邊長為10米的正方形平面，距光源25米遠(yuǎn)。仿真結(jié)果如圖5所示。接收屏上各區(qū)域照度如表2所示，考慮到實際應(yīng)用中，燈具效率將導(dǎo)致光通量的損失，可能導(dǎo)致受照面上照度不足，因而此處進行了裕度計算，以考察其在實際情況中是否能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中測試點的最小照度要求，照度較最低要求裕度=(理想條件下模擬照度－標(biāo)準(zhǔn)最小值)/理想條件下模擬照度。

表2 各區(qū)域測試結(jié)果及裕度Table 2 The test result

由表2中的測試結(jié)果可知，該光學(xué)系統(tǒng)能滿足GB25991—2010近光燈標(biāo)準(zhǔn)的要求，且留有30%以上的裕度，具有實際應(yīng)用的可行性。

經(jīng)仿真，該光學(xué)系統(tǒng)約71%光線入射至接收屏，光能量總出射率為90%，遠(yuǎn)大于鹵素近光燈40%的效率。

6 總結(jié)

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，LED取代傳統(tǒng)光源用于汽車前照燈已成為必然的趨勢，據(jù)此本文提出了一種LED汽車前照近光燈的配光設(shè)計方案。該方案以GB25991—2010為標(biāo)準(zhǔn)，通過自由曲面方法對透鏡及反射器進行精確設(shè)計，很好地實現(xiàn)了光的合理分配，使得能量利用率得到了極大的提高。設(shè)計中使用200lm光通量的LED，在假定透鏡未鍍膜的情況下也能完全滿足GB25991—2010標(biāo)準(zhǔn)中各點照度要求且裕度充足。尺寸方面，該光學(xué)系統(tǒng)模塊體積相當(dāng)于一個底面半徑21mm、長約30mm的圓柱體，十分緊湊，為汽車的外形設(shè)計提供了更寬松的條件。

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