反射式矩陣LED遠光設計

吳杰，鄧亮

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

隨著汽車數量的增多，交通安全越發引人關注，尤其是在夜間，重大傷亡交通事故頻繁發生。據統計，國內夜間行駛量不到總量的1/3，卻造成了70%以上的交通事故[1]。事故原因主要有：夜間的光線差、照明不良及會車時遠光使用不當造成駕駛員眩目，其中遠光使用不當占40%。因此，解決行車過程中遠光引起的眩目，對提高夜間行車安全性，降低駕駛疲勞具有重要的意義[2-5]。

汽車遠光防眩目方法可分為被動式防眩目法和主動式防眩目法。被動式防眩目法是在人眼處、前擋風玻璃處或其他光線傳播過程的某處，對遠光光線進行過濾或吸收處理以防止駕駛員眩目。主動式防眩目法實現遠光初精細的照明區域控制，產生暗區避免炫目。本文作者介紹的反射矩陣式LED遠光裝置屬于主動式防眩目法，通過9顆LED光源，按矩陣方式排列成LED陣列，在點亮時分別發射光束，這些光束經各自對應的光學反射鏡反射，沿著各主照射方向在前方形成光亮區域，這些光亮區域可組合成預定的光分布(遠光分布)。此模組有兩種工作狀態：當所有的LED都接通時，為普通遠光照明狀態，此時光分布滿足法規GB 25991-2010要求；而當關閉一個或幾個LED時，可以在前方特定的區域(來車或前車區域)形成“暗區”，此時為自適應無眩目遠光照明狀態，滿足ECE R123要求。

1 前照燈遠光配光系統設計

1.1 整體設計

該配光系統由9顆LED光源及6塊自由曲面反射鏡構成，其中LED光源按矩陣陣列排放，且每塊反射鏡對應1～2顆LED。

圖1為左、右前照燈配光系統及其功能的示意圖。

圖1 前照燈配光系統及其功能的示意圖

其中L為反射鏡；S為光源；H-H線表示水平方向；V-V線表示垂直方向。由圖1可見，左、右兩個前照燈配光系統各有9顆LED發出光束，經由各自對應的反射鏡反射，可在前方呈現9個光亮區域，組合形成遠光分布。

1.2 反射鏡種類的選取

汽車前照燈的反射系統一般可分為兩種：拋物面反射式和自由曲面反射式。由拋物面的性質可知，當光源置于拋物面反射鏡的焦點附近時，光源發出的光線經由反射鏡反射，會沿著與拋物面主軸近乎水平的方向出射，即拋物面可將空間立體角內全部的光能量匯聚，以平行光出射，如圖2所示。為實現照明區域分布，拋物面反射鏡還需要配合配光鏡。

自由曲面式反射鏡上可分為多個子面，且各子面間曲率不連續或焦點不同。如圖3所示，自由曲面與拋物面的區別在于，自由曲面可同時達到光線的偏移和散射目的。此矩陣LED遠光模組中各反射鏡對應一顆或兩顆LED，即有兩個焦點，且其出射的角度和展寬均不同，因此反射鏡采用自由曲面式設計。

自由曲面反射鏡的設計步驟為：(1)光源模擬的選取，導入光源；(2)基面選取及基礎面的劃分，根據實際配光需求對基礎面進行劃分；(3)各子面的光型精細調整，使邊緣截止線清晰、光型方正且分布均勻。(4)各子面間的光順與銜接。(5)設計的反射面輸出到三維造型軟件。

圖3 自由曲面反射鏡截面圖

圖2 拋物面反射鏡截面圖

1.3 自由曲面反射鏡設計原理

圖4為自由曲面反射鏡光線追跡原理圖。其中點O為光源中心點，點P為光源發出的一束光線與自由曲面反射鏡的一個交點。假設點O的坐標為(xO，yO，zO)，則其發出的光線的空間方程可表示為

(1)

式中：s為OP之間的距離；α、β、γ分別為點O發出的光線沿x軸、y軸、z軸的方向余弦。定義反射鏡曲面在點P處的單位法向量為N(αN,βN,γN)時，則反射光線單位方向向量為

(2)

式中:iO為光線的入射角，則有：

cosiO=ααN+ββN+γγN

(3)

當已知點P的坐標(xP，yP，zP)，又可求得經反射鏡反射后的光線空間方程：

(4)

式中：s1為點P到屏幕上目標點Q的距離值。由式(1)—(4)可知，一旦反射鏡面的位置及形狀固定，點O至反射鏡曲面任一點的單位方向向量、距離和其在反射鏡曲面的單位法向量都已確定，由點O坐標可計算得到點P的坐標值，再確定前方測試屏幕的距離，即可獲得點Q坐標值。

圖4 自由曲面反射鏡光線追跡原理圖

1.4 反射鏡校準設計

在LED光源貼片時，總會存在誤差，即光源離焦量，離焦量對光線偏移的影響較嚴重，因此必須進行LED的容差分析，以二維拋物線為例進行分析，如圖5所示。

圖5 離焦量對光型偏移影響

圖5中點O為拋物線焦點處的光源，點O1為偏移Δx后的光源位置，點A、B分別為光源O與O1發出的相平行的光與拋物面的交點，反射后分別到達接收屏的點C和點D，l為拋物線在點B處的法線。當拋物線方程、偏移量Δx、點A坐標值已知時，點A、B、E的坐標值都可以通過簡單方程聯立計算求得。

現假設點A坐標為(x，y)，點B坐標為(x1，y1)，點E坐標為(x2，y2)，屏距離y軸為x3，那么光線在屏上的偏移量Δy：

(5)

通過式(5)可以得到軸向的離焦量引起光線的偏移值。同樣，可以通過簡單的數學模型觀察計算其他方向的離焦量對光線偏移的影響，這里不做贅述。由圖6可以更直觀地觀察反射鏡與光源的相對偏差對光型的影響，可見光源軸向或左右偏移0.3 mm和0.6 mm時，光型的形狀和位置都發生了明顯的失真。

圖6 反射鏡與光源的相對偏差對光型的影響

該模組對反射鏡的定位精度及LED的貼片精度有很高的要求，在實際生產過程中，需要設計專用設備修正光學誤差。

2 系統建模與仿真

通過LucidShape光學仿真軟件對配光系統進行建模和仿真，為方便反射面的微調，建模時需要單獨設計每個反射鏡。圖 7(a)、(b)、(c)分別為左前照燈中部分LED的子光型分布圖。

圖7 前照燈部分LED的子光型分布圖

由圖7可知，每顆LED照明的角度區域都不同，L4光分布的最大照度為48.9 lx；L5光分布的最大照度為51.3 lx；L6光分布的最大照度為59.1 lx。通過這些子光分布的排列組合，可形成多種無眩目光分布。

當9顆LED全部點亮時，各LED產生的子光型組合形成普通遠光分布，如圖8所示。

圖8 左前照燈普通遠光分布圖

由圖8可知，該光型邊緣截止線較清晰，照度值較高。為進一步了解此普通遠光分布情況，對其進行法規點模擬測試，可得表1中結果，可知普通遠光滿足GB 25991-2010法規要求。其中H,V測試點為屏幕照度分布的(0,0)處，H2-H3、H1-H4為法規測試區域。

表1 普通遠光的法規測試結果 lx

在前照燈系統處于無眩目遠光模式時，前置圖像傳感器會自動檢測前方道路情況，當檢測到前方有其他車輛時，會將位置信號傳遞給控制器，由控制器關閉相應的LED，使得前方車輛處于前照燈照明范圍之外，避免駕駛員產生眩目，增加行車安全性。圖9為含“暗區”的無眩目光分布的兩種視角，其中圖9(a)為俯視視角；圖9(b)為駕駛員視角。

由圖9中兩種視角可以明顯看出，該模組產生的無眩目光光分布截止線清晰，分布均勻，總體效果較好。參考歐盟ECE法規，對此前照燈產生無眩目光分布作模擬測試，具體如表2所示。

表2中α、β分別表示前方測試屏水平和垂直方向的角度值，且圖中只列出了右行交通情況下的測試結果值。由表2中結果可見，該無眩目光分布滿足ECE法規中的要求，防眩目效果較好。值得一提的是，該前照燈可產生30多種有效的無眩目光分布，基本滿足道路行駛的需求。

圖9 無眩目光分布圖

表2 無眩目光分布的法規測試結果

注：“-”表示光線偏離基準線向左照射，“+”表示光線偏離基準線向右照射。

3 結束語

介紹并設計了一種基于反射的矩陣式LED前照燈，既可產生普通遠光照明分布，又可通過控制各LED的通斷產生無眩目光分布，并提出了一種反射鏡的位置可調的結構，可以得到最優化的光型分布，防止生產制造誤差引起光型過差。通過LucidShape光學軟件進行仿真，仿真結果表明：普通遠光分布滿足法規GB 25991-2010要求，且可實現多種含“暗區”光分布，達到防眩目的效果；滿足ECE R123法規要求，可供防眩目前照燈設計參考。