自由曲面的遠光透鏡探討

摘要：隨著LED的發展，車燈行業已經逐步從傳統的鹵素燈過渡至LED車燈。文章利用自由曲面設計的遠光透鏡可以使光形滿足不同法規的照明要求，相對于傳統遠光燈，能提高照明亮度，使視野更清晰，保證路面行車安全。

關鍵詞：車燈行業；LED；自由曲面；遠光透鏡；照明要求 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN312 文章編號：1009-2374（2016）17-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.032

近年來，LED芯片以及封裝生產工藝發展迅速，LED的各項性能都有著顯著的提高，被大量應用在各個領域，特別是在汽車照明的應用上，因為其體積小的特點，使得車燈的設計多樣化。

當今汽車前照燈的配光方案有多種，如傳統的反射式方案、投射式方案、自由曲面反射方案等，而縱觀當今的汽車市場，大部分的高端汽車已采用LED近光燈作為照明，而遠光一般還是采用傳統燈泡和反射杯的組合方式，這限制了汽車前照燈的體積的小巧化。

本文中的設計將采用LED和透鏡組合的方式作為遠光燈，整燈體積只有30*30*15，光形能同時滿足歐規的ECE R112和美規的FMVSS 108的法規標準，透鏡利用自由曲面設計，對LED發出的光能實行分區域控制，達到光斑均勻的效果，滿足法規的要求。

1 歐規和美規的遠光標準

兩者測試點及要求光強值如表1所示。

由表1可以看到，歐規的遠光燈照射角度較窄，水平方向只要求邊界±5°達到一定的亮度，對應于歐洲的比較窄小道路，而美規的角度有±12°左右，能提供更寬闊的視野，使行車更加安全。它們要求的中心亮度差不多，都是40000cd以上。表1中美規的光強要求值是按照最高的要求類型，所以可先按照滿足美規的要求來設計，然后加強H-2.5L&2.5R附近區域，這樣就能同時滿足歐規要求。

2 LED光源選擇

遠光燈要求亮度較高，故選取osram black flat三芯片的LED：KW H3L531.TE，該燈珠為車燈專用LED，散熱性能、穩定性均比一般LED要高。當LED使用電流為1A時，光通量能達到1000lm，能滿足遠光的照明需要。芯片發光面積小，光源發光角度約120°，適用于光學設計。LED光源色溫選擇5700K左右，與日光接近。

3 透鏡設計

確定LED發光面到透鏡內表面的距離，選擇透鏡直徑36mm，對應不同的距離，LED能量利用率和中心光強會有不同，LED距離透鏡越遠，利用率呈下降趨勢，中心光強呈增加趨勢，故需要選擇一合適的距離。由于LED發光角度為120°，95%的能量都集中在這個角度內，故可選擇燈珠距離透鏡底面10mm，這樣LED在立體角120°內的能量都能利用。

透鏡外表面采用自由曲面設計，分成8個區域，每一個區域照射到25m平面上的光斑均不相同，疊加后形成遠光光斑，由于光斑是左右對稱，故只需要設計4個區域的曲面即可。

需要建立光源與目標平面之間的能量的對應關系。根據邊緣光線理論，從光源邊緣發出的光線經過光學系統后，將照射到目標平面的邊緣位置，而兩邊緣光線之間的光線則都照射到目標平面上。所以，可以將光源單元內的光能量Φ0對應照射在目標平面面積單元S0內。而遠光的光形一般是長條形，可以將目標平面進行方形的劃分，如圖1所示。這樣只要確保了Φ0的四條邊角光線通過自由曲面透鏡折射后，能夠分別照射到S0的四個頂點上，那么LED總能量Φ就能對應地分布在目標平面內。

由于入射的邊界光線位置分布和方向已知，對應出射到目標平面的光線位置和方向也知道，入射面為平面，根據折射定律可以求得出射點的位置，由多條光線的出射點可得出透鏡的出射面曲面。當LED能量區域的劃分趨于無限大時，出射點就足夠多，從而構成透鏡的出射曲面就越精確。

透鏡的4個曲面區域控制光線，用透鏡邊緣區域的曲面控制光線出射到目標平面上形成長條形光斑，寬度為左右15°。經過透鏡中心區域光線集中出射到目標平面中心，加強中心部分照明。透鏡分區如圖2。通過光學模擬軟件模擬可得出如圖3的光斑。模擬時設置透鏡材料為PC，透過率0.9，LED光通量1000lm，目標平面距離發光面25m。中心強度達到40000cd以上。

模擬結果：中心光強45000cd左右，水平左右3°有32000～33000cd，水平左右6°有7700～8000cd，水平左右9°有3800～4000cd，水平左右12°有1100cd，能同時滿足歐規和美規標準。

4 樣品對比驗證

把透鏡3D模型發給供應商開模，組裝燈板和透鏡后進行測試。透鏡材料為光學級PC，LED光通量調節至1000lm。光斑如圖3，光形和模擬的十分接近。

測試數據如下：中心光強45459cd，水平左右3°分別是31516cd和31176cd，水平左右6°分別是8777cd和8501cd，水平左右9°分別是4668cd和4529cd，水平左右12°分別是1735cd和1786cd。

與模擬的結果比較，可以看出中心區域差異不大，H-V點都是45000cd左右。邊緣的光強實際測試會比模擬的大一些（因為實際上組裝焦點位置會有偏差，光線會發散，導致邊緣測試值變高），但是不會影響法規值。

從實際測試結果和模擬結果，可以看到采用自由曲面設計的透鏡能夠有效控制區域的光能分布，使光的能量分布達到預期的效果，而且實際和設計相差不大，故采用軟件設計和模擬能夠對實際開模提供指導和預判

作用。

參考文獻

[1] 鄭志軍.汽車前照燈近光燈系統的比較[J].照明工程學報，2006，17（2）.

[2] 王凱.大功率LED封裝與應用的自由曲面光學研究[D].華中科技大學，2011.

作者簡介：陳國鋒（1986-），男，廣東廣州人，供職于廣州廣日電氣設備有限公司，研究方向：車燈光學。

（責任編輯：王 波）