基于多橢球反射器的LED汽車近光燈設計

王　靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江　212013)

?

基于多橢球反射器的LED汽車近光燈設計

王靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：基于大功率LED芯片的類朗伯體發光特性、GB 25991—2010標準要求和非成像光學理論，設計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統。采用Monte-Carlo光學追跡法進行仿真分析，并加工了近光燈樣件，測試其配光性能。結果表明：由變截面橢球體反射器、斜切角度為17°的擋板和具有能量分配功能的自由曲面透鏡組成的LED汽車近光燈有利于形成“水平方向寬，垂直方向窄”的近光光型和清晰的明暗截止線；各主要測試點及區域的照度值滿足標準的限值要求，且該系統的光能利用率相對于傳統近光燈系統提高近10%。

關鍵詞：LED汽車近光燈；非成像光學；變截面橢球體反射器；自由曲面透鏡

引言

汽車前照燈的配光性能，尤其是近光燈的性能是影響汽車行駛安全和照明質量的關鍵因素[1-6]。LED汽車近光燈光學設計方案主要有反射式和投射式兩種。反射式前照燈又可分為旋轉拋物面型前照燈和自由曲面型前照燈，前者因遮光罩的存在而使得系統的光學效率降低；后者雖然光能利用率較高，但難以形成清晰的明暗截止線且復雜的曲面設計給加工帶來極大的困難。投射式方案雖然能量利用率也不高，但卻能產生清晰的明暗截止線，反射器的設計和加工相對簡單[7，8]。

本文根據大功率白光LED的光電特性和非成像光學理論，設計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統。采用Monte-Carlo光學追跡法進行仿真分析，并加工了近光燈樣件，仿真和測試結果表明：所設計的近光燈其配光性能滿足GB 25991—2010標準的要求。

1近光燈配光要求

根據GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》標準要求，前照燈近光應具有足夠的照明并不產生眩目，在距離前照燈基準中心線前25m的配光屏上，各主要測試點和區域位置如圖1所示[9]。近光光型大致可分為三部分：水平線以下0.75m處用于形成廣闊視野的矩形區域Ⅰ區、明暗截止線以上亮度較低不致引起炫目的Ⅲ區、Ⅰ區之上亮度較高用于遠距離照明的矩形區域Ⅳ區。

圖1　GB 25991—2010規定的近光光型及主要測試點(區域)分布(圖中尺寸單位：mm)Fig.1　Light distribution and test points (zones) for the GB 25991—2010 low beam in millimeters

2近光燈配光設計

2.1　投射式光學系統

投射式光學系統由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成，如圖2所示，根據LED光源的發光特性，僅需半個橢球體就能有效的收集光線。對該系統的光學設計將從反射器、擋板和透鏡三方面展開。

圖2　單個投射式光學系統的組成Fig.2　Constitution of every single projection unit

2.2　LED光源選擇

選擇合適的LED光源是汽車近光燈光學設計的關鍵，應從色溫、工作電壓、電流和芯片結溫等多方面綜合考慮。基于GB 25991—2010的要求，設計中選取PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，型號為LAFL-C4S-0850，單顆芯片輸出光通量為850lm~1000lm，典型輸出功率13.7W。假設近光燈的目標光通量為1200lm，典型工作電流為750mA。根據最小光通量來設計，可確保滿足設計目標的要求[10]。

2.3　變截面橢球體反射器

變截面橢球體反射器是在旋轉橢球體反射器基礎上改進得到的。為了形成圖1中要求的“水平方向寬，垂直方向窄”的近光光型，反射器是由一系列具有不同第一焦點，相同第二焦點的橢圓面組成的，由水平截面第一焦點漸變到垂直截面第一焦點，如圖3所示。變截面橢球體反射器表面的數學描述如下[8,11]：

圖3　多橢球體反射器的截面Fig.3　Sections of poly-ellipsoid

(1)

ai=aHcos2i+aVsin2i

(2)

ai+ci=K(constant)

(3)

(4)

式中：i為任意一截面與水平面的夾角；ai、bi和ci分別為長半軸長、短半軸長和焦半徑；aH和aV分別為水平截面長半軸長和垂直截面長半軸長。

水平截面和垂直截面的橢圓方程為：

(5)

(6)

其中：f1和f2分別為垂直方向第一焦點和水平方向第一焦點,f3為公共第二焦點。

LED芯片的發光面中位于f1點處，光源發出的光線經過反射后在點f3處會聚。為使這個裝置的結構緊湊，將半橢球體反射器在f3點處截開。在CAD軟件中構建變橢球體反射器的3D模型如圖4所示，水平截面和垂直截面第一焦點長度分別為42mm和32mm，第二焦點長度92mm。

圖4　多橢球體反射器三維模型Fig.4　The poly-ellipsoid reflector with LED chip

2.4　擋板

擋板的形狀和位置同樣影響著近光光型。為了形成的清晰的明暗截止線，擋板應放置于變橢球體反射器的第二公共焦點處，在仿真中可根據實際情況上下或左右移動以確保明暗截止線清晰。擋板左側為水平直線，右側為一條向下角度為φ的斜線。由于近光明暗截止線右側為向上15°的斜線，所以設計初期φ定為15°，但仿真得到的明暗截止線右側角度卻為13°左右。這是因為，盡管所選LED的發光面可近似為線光源，但實際上發光面是有一定厚度的，所以對應的發光面的投影是不規則四邊形而不是理想的矩形[11]。通過反復調整，發現當φ為17°時，仿真得到的明暗截止線右側角度最接近15°。

2.5　自由曲面透鏡

經變橢球體反射器反射出的光線通過自由曲面透鏡進行聚焦和光能的重新分配，以滿足GB 25991—2010中近光光能分布要求。近光光型中的Ⅲ區為防眩目區，該區域的照度值越小越好，因此，設計中可將經過透鏡后的光能向Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區分布。以反射器的第二公共焦點(透鏡的焦點)為坐標原點，光線在透鏡中的傳播路徑以及在25m配光屏上的分布如圖5所示。

圖5　光線在透鏡中的傳播路徑Fig.5　Light propagation in lens

根據非成像光學理論及能量守恒定律可建立圖5中坐標原點處的光能(設為I0)與25m配光屏上某一位置r處能量分布(設為E0)的關系式[12]。假設與Y軸夾角為α1的光線在配光屏上的投射位置為r1，將0~α1夾角內的光線分為j束，對應著配光屏上Ⅰ內的j個投影位置，從而可以得到[7,13]：

(7)

根據相同的原理，假設入射角α1~α2之間的光線投射到配光屏上的Ⅳ區，入射角α2~α3之間的光線投射到配光屏上的Ⅱ區，于是可得：

(8)

(9)

求解式(7)~(9)可以得到配光屏上的區域半徑與光線入射角之間的關系如下：

(10)

(11)

(12)

在透鏡的第一面和第二面上分別應用折射定律可得

nair·sinα=nlens·sinβ

(13)

(14)

確定好圖5中的f后，聯立式(6)~(13)，通過計算機迭代計算可得到自由曲面透鏡第一面和第二面各點的坐標，最后可建立透鏡的3D模型。

3仿真與測試結果分析

在CAD軟件中構建近光燈系統的模型，再制造近光燈樣件如圖6所示。將模型導入光學仿真軟件中，設定入射光線為100000條，根據Monte-Carlo光學追跡理論，通過反復調整模型位置，最終得到圖7(a)所示的近光光型圖。仿真結果顯示，變截面橢球體反射器的光能利用率為48.6%，相對于普通橢球體反射器光能利用率提高10%左右，而自由曲面透鏡的光效為96.8%。對于該近光系統，任意一橢圓截面與水平面夾角i的變化步長不同時，近光中的主要測試點B50L、75R、Ⅲ區的最大照度值，以及該近光系統的光能利用率的變化如圖8所示。由圖8可見，隨著夾角i變化步長的減小，前照燈近光B50L點的照度值以及Ⅲ區的最大照度值逐漸降低，而75R點的照度值和近光系統的光能利用率卻不斷增加。亦即在式(2)的漸變方程下，i的變化步長越小，得到LED近光燈光學系統的性能越優，經反射器反射后的光線都能投射到配光屏幕上的指定區域。且當i的變化步長小于0.5°時，步長的變化率對光學系統的影響越顯著。

圖6　近光燈樣件Fig.6　Sample piece of the low-beam system

圖7　近光照度分布圖Fig.7　Beam pattern and isolux for low-beam system

圖8　夾角i的變化步長對近光系統光學性能的影響Fig.8　Influence of intersection angle on passing beam optical performance

對近光燈樣件進行配光性能測試，也能得到清晰的明暗截止線，如圖7(b)所示，各測試點及區域的照度值均滿足GB 25991—2010的要求，如表1所示。由表1可見，樣件的測試值略低于仿真值，這是因為樣件中反射器涂層的反射率低于仿真時的設定值，且自由曲面透鏡由于加工等原因使其光效低于理想值；同時，仿真結果還取決于設定的入射光線數、橢圓截面與水平面夾角i的變化步長等因素。

表1　近光各測試點和區域的照度值　單位：lx

注：表1中，E50R為點50R處的實測照度值。

4結論

基于非成像光學理論和光線追跡原理，設計了一種由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統并進行仿真和測試分析。結果顯示，所設計的近光系統能形成標準規定的光型，各主要測試點及區域的照度值也滿足標準的限值要求，且該系統的光能利用率相對于傳統近光燈系統有較大幅度地提高。

參考文獻

[1] 朱騫，朱向冰. 采用小功率LED的汽車前照燈光學設計[J]. 光學技術，2012，38(4)：427-430.

[2] 楊桂婷，劉一兵. 大功率LED 燈具散熱裝置的設計[J]. 照明工程學報，2014, 25(6): 91-94.

[3] 余榮斌，王寶，李豐果. LED 光源反射器特征參數對被照面照度的影響[J]. 照明工程學報，2013, 24(6): 66-70.

[4] 李柏林，關燁鋒，羅婉霞. LED 隧道燈透鏡的全偏光設計[J]. 照明工程學報，2014, 25(3):89-92.

[5] TENG Tun-Chien, KUO Ming-Feng. Highly precise optical model for simulating light guide plate using LED light source [J]. Optics Express, 2010, 18(21):22208-22214.

[6] JAE Young Joo, CHANG Seog Kang, SOON Sub Park, et al. LED beam shaping lens based on the near-field illumination [J]. Optics Express, 2009, 17(26): 23449-23458.

[7] 王洪，王麗君，葉菲菲 等. 投射式LED汽車近光燈自由曲面透鏡設計[J]. 紅外與激光工程，2012,41(9)：2463-2467.

[8] 余桂英，陳曉麗，姚帥,等. 投射式LED汽車前照燈的光學設計[J]. 中國計量學院學報，2008,19(1)：73-77.

[9] 汽車用LED前照燈：GB 25991—2010[S]. 北京：中國標準出版社，2011.

[10] 周志敏，紀愛華. 汽車LED照明驅動電路設計實例[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[11] YUAN Chang Liou. An anamorphic automobile headlamp design [J]. Proc.IMechE Part D: J.Automobile Engineering, 2008, 222：963-974.

[12] WINSTON R, MINANO J C, BENITEZ P. Nonimaging Optics [M]. New York: Elsevier Academic, 2005.

[13] 王洪，張小凡，王海宏，等. 自由曲面LED路燈反射器設計[J]. 紅外與激光工程，2010,39(4):727-731.

Design of LED Headlamp Low-beam Based on Multi-ellipsoid Reflector

Wang Jing，Cai Yixi，Bao Weiwei，Li Huixia, Li Xiaohua

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：A projection type LED headlamp low-beam consists of muti-ellipsoid reflectors, baffles and free surface lens is designed based on the approximate lambertian emitting characteristics of LED chips, provisions in GB 25991—2010 and non-imaging optics theory. The simulation has been done based on Monte-Carlo optical tracing method and the light distribution performance of a headlamp sample has been process. The results show that the muti-ellipsoid reflectors, 17 degree oblique angle of the baffles and the free surface lens are easy to form not only the low-beam light type which is wide in horizontal direction and narrow in vertical direction but also the clear cut-off line. The low-beam system meet the standard requirements, and the energy utilization rate increases nearly 10%.

Key words:LED headlamp low-beam； non-imaging optics； muti-ellipsoid reflector； free surface lens

基金項目：江蘇省動力機械清潔能源與應用重點實驗室資助項目(編號：QK12001)；江蘇省高校優勢學科建設項目(蘇政辦發〔2011〕6 號)；江蘇大學高級人才科研啟動基金資助項目(編號：5503000025)

中圖分類號：U463.65+1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.018