前照燈雙反射鏡近光截止線模糊原因探討及對策

李祥兵，楊偉民，劉 興

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050）

車燈近光截止線的品質(zhì)直接影響駕駛員的視覺舒適性和行車安全。駕駛員在夜間開車過程中，如果近光截止線太清晰，雖然可以保證近光能照得足夠遠、足夠寬，但長時間駕駛后，駕駛員會有視覺疲勞的問題，特別是對于氙氣前照燈和高功率LED前照燈。如果截止線太模糊，在開車過程中，駕駛員會感覺前方昏暗，照距和照明寬度無法保證，直接影響駕駛安全。因此，很多主機廠會對截止線采用主觀評價的方式來評價是否接受。通常情況下，車輛出現(xiàn)截止線模糊的概率較大，而且這對行車的安全危害更嚴重，但在車燈設計過程中，特別是反射式LED近光雙反射鏡設計過程中，由于受到多種因素的影響（光學面結構、注塑和鍍鋁等），截止線品質(zhì)一直很難保證滿足設計要求，導致工業(yè)化階段需要花費大量的時間去調(diào)整和優(yōu)化，因此，需要對影響近光截止線品質(zhì)的相關因素進行梳理，已確定一種具有普適性的解決方法。

1 前照燈近光截止線形成機理

在ECE（歐標）和GB（國標）中，均未給出前照燈近光明暗截止線清晰度品質(zhì)的評判要求。目前國家機動車檢測中心和各生產(chǎn)廠家只能用極其模糊的語言來描述截止線品質(zhì)為清晰、較清晰和不清晰，平直、較平直和不平直等，這些主觀而模糊的語言由于沒有定量描述，導致在實際改進中也面臨困難。比如在GB 4599中，對于前照燈近光截止線除了配光值要求外（主要是2250L、1125L、HV、H2、H3），沒有其他定義要求。實際上，在整車廠車輛下線時，需要對截止線的品質(zhì)進行檢查，而截止線的清晰度直接決定了近光截止線的拐點能否被光檢臺捕捉。如果截止線不清晰，水平段不平直或存在多個拐點等，前束臺捕捉光標就會來回跳動，導致燈寬或燈高不合格。

近光截止線的形成方式多種多樣，每種方式的截止線品質(zhì)也存在差異。通常，截止線的形成方法有以下幾種。

1）由反射碗的型面實現(xiàn)的截止線。這種方式主要通過反射碗的拋物面進行適當優(yōu)化，最終使光源經(jīng)過拋物面后，形成15°明暗截止線，一般用于傳統(tǒng)的反射式鹵素前照燈以及目前流行的反射式LED前照燈上。

2）由遮光板實現(xiàn)。即通過光源前方的遮光板的旋轉運動來形成截止線。這種方式一般用于投射式前照燈模組上，主要以鹵素前照燈居多，一般形成45°截止線。由于投射式前照燈的模組一般為模塊件，截止線一般都比較清晰。

3）通過遮蔽的方式來實現(xiàn)。這種方式一般通過遮蔽前照燈內(nèi)部的部分LED光源，在車輛前方形成暗區(qū)并構建明暗截止線，LED光源數(shù)量較多，并經(jīng)常用于矩陣前照燈上。

4）通過合成的方式來實現(xiàn)。對于近光采用多個模組來實現(xiàn)的前照燈，其截止線一般通過2個或多個模組來實現(xiàn)。比如，對于2個模組形成近光的前照燈，其中一個模組形成截止線，另外一個模組進行補光或者2個模組都形成截止線。

這4種方式的截止線品質(zhì)，相比較而言，反射式前照燈的截止線一般比透射式要差一些，這主要是因為投射式前照燈的模組一般是一個很成熟的模組，其模組本身的截止線品質(zhì)基本可以做到一種比較清晰的狀態(tài)，否則在不同造型特征的前照燈上使用時，整燈的截止線品質(zhì)將很難保證。

本文以標致某款前照燈的開發(fā)為例，重點闡述反射式LED前照燈近光明暗截止線模糊產(chǎn)生的原因及解決方案。

2 某項目近光截止線模糊的原因

標致某項目前照燈采用反射式LED前照燈設計，近遠光分別由2個反射式發(fā)光單元構成。對于近光，截止線形成方式為靠近翼子板區(qū)域的反射碗用于形成15°截止線，靠近保險杠的近光反射碗用于形成水平段截止線，并給15°和水平段的截止線進行補光。在開發(fā)過程中，曾出現(xiàn)截止線模糊導致整車廠前束無法正確捕捉到截止線拐點和捕捉光標總是出現(xiàn)水平或垂直方向來回跳動的情況，導致燈寬無法調(diào)整合格。該前照燈在配光室內(nèi)觀察時，肉眼也可發(fā)現(xiàn)近光截止線比較模糊。

該前照燈結構比較簡單。遠近光的功能布置見圖1，其中遠近光反光鏡（采用PC材料）與反射鏡支架（ABS）鏈接，而反射鏡支架與3個固定點連接，這3個固定點主要用來進行調(diào)光。光源散熱器采用鋁制材料。前照燈光學系統(tǒng)的內(nèi)部關系如圖1所示，反射式LED前照燈的內(nèi)部關系如圖2所示。

圖1 前照燈光學系統(tǒng)組成

基于圖2分析，得出影響截止線品質(zhì)的物理系統(tǒng)有LED光源、電路板、反光鏡、支架和調(diào)節(jié)機構。通過采用樹形圖來對原因進行剖析，最終識別出7個關鍵影響因素，如圖3所示。

圖3 基于樹形圖識別的關鍵影響因素

2.1 LED亮度

光源的亮度直接決定了近遠光的亮度。在GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中規(guī)定，LED前照燈應使用低UV輻射形式的LED模組，或者光學模組使用抗UV輻射的防護。低UV輻射的LED模組應滿足如下要求：

式中：S（λ）——光譜效應權益函數(shù)，l；km——發(fā)光體最大發(fā)光功效極限值，km=683lm/W。

在LED選型過程中，如果LED本身的功率低于設計要求，會導致近光點亮昏暗，近光截止線明暗對比度降低，視覺上會形成昏暗的感覺。另外，LED本身是一種溫濕敏感元件，在較高的環(huán)境溫度下，比如70℃以上，由于LED驅動本身的熱保護啟動，光通量會出現(xiàn)較大的衰減，在這種情況下，也會導致近光截止線明暗度降低，截止線模糊，因此，在設計階段，要確保近遠光的散熱性能達標，保證穩(wěn)定的光學性能。

2.2 光源位置精度控制

光源的位置主要涉及電路板與反光鏡的相對位置關系。本項目為反射式LED前照燈，電路板上LED光源與反射鏡焦點之間的相對位置也影響截止線的品質(zhì)。反射式車燈的反光鏡一般為半拋物線曲面，因此，其光源的位置需要位于拋物線的焦點位置，這樣光源發(fā)出的光經(jīng)過反射鏡后就會呈現(xiàn)平行光或聚合的光線，否則就會形成雜散光，截止線上方出現(xiàn)較多的亮斑而導致截止線模糊。通常，在設計階段，LED光源一般位于焦點的理論位置，但在實際的操作過程中，由于反光鏡的變形，電路板和反光鏡尺寸的偏差，導致LED并不總是在反光鏡拋物面的理論焦點位置，這樣就會導致從光源發(fā)出的光線經(jīng)過反光鏡后，光線會向各個方向發(fā)射，從而在截止線的上方形成亮斑，導致截止線不清晰。通常情況下，為了保證零件的變形滿足要求，就需要對反射鏡、反射鏡支架、電路板上的關鍵位置點（固定、定位、型面）打三坐標或其他方式掃描（比如白光掃描），來確保零件狀態(tài)合格。如圖4所示。

圖4 電路板和反射鏡位置分析

在CAE模擬階段，電路板上LED的運動范圍在0.1mm內(nèi)，從理論上，可以保證反射鏡的截止線品質(zhì)不會因為LED位置的微量變化而發(fā)生較大波動。但在實際裝配成零件后，需要通過三坐標掃描等更精確的方式，確定LED的位置偏移是否滿足前期數(shù)據(jù)設定的合理范圍。

2.3 功能布置

對于反射式LED前照燈，近光反射鏡的功能布置方式通常有3種，見表1。這3種方式各有優(yōu)勢，其中第3種方式由于2個近光不相鄰，反光鏡比較狹長，尺寸偏大。如果采用BMC材料，則整個反射鏡偏重，振動性能要求很難滿足。如果采用PC材料，反射鏡的質(zhì)量減輕，但是整個反射鏡的變形較大，對配光起反作用。在前期設計階段，為了避免反射鏡的形變導致光學性能變差，盡可能選用第1種或第2種相對緊湊的設計方案，以降低配光的難度。

表1 近光反射鏡的功能布置方式

2.4 材料選擇

車燈反光鏡一般用PC或BMC材料，PC材料耐熱溫度為110℃左右，耐熱溫度相對BMC較低。另外，PC材料容易變形，且材料質(zhì)量相對較輕，對于同種尺寸的反射鏡，其振動性能更容易滿足要求。而BMC材料屬于熱固性材料，質(zhì)量相對較大，耐熱可以達到150℃以上，抗振動性能較好。在應用方面，PC材料一般用于耐溫等級不高的場合，比如LED車燈反光鏡，小功率反光鏡，如制動燈等，而BMC材料一般用于鹵素燈近遠光反光鏡以滿足耐熱的要求。在本項目中，由于反射鏡狹長（帶4個反射鏡），為保證振動試驗滿足要求，采用了材質(zhì)較輕的PC材料。

零件的變形大小與材料選型密切有關，這就要求在設計階段：①根據(jù)模流報告分析變形量，需要考慮零件的變形，要求變形量小于2mm；②對于形變較大的區(qū)域，增加水路，通過降低溫度來控制變形；③根據(jù)實際的裝配情況，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)（如對某些結構薄弱區(qū)域進行加強）來優(yōu)化變形。

2.5 零件變形控制

影響光學的零件主要是近遠光反射鏡，而影響反光鏡變形的因素除了自身材料類型外，與之匹配的反光鏡支架也是導致反光鏡變形的主要因素。反光鏡與反光鏡支架之間采用8個螺釘固定，如圖5所示。在這些螺釘打緊前，只要其中1個或幾個螺釘?shù)墓潭ǘ嗣娌毁N合，螺釘打緊后就會導致反光鏡出現(xiàn)較為嚴重變形，從而影響配光。另外，反光鏡支架通過9、10和11這3個支點實現(xiàn)反光鏡的水平和垂直調(diào)光（9為固定點，10為水平調(diào)光，11實現(xiàn)垂直調(diào)光），近光這3個點作用在反光鏡支架上，但在調(diào)光過程中，對反射鏡的變形也有較大影響。在工業(yè)化階段，可以通過反光鏡支架與反光鏡進行適配的方式，來確認各個打緊固定點在打緊前是否貼合，若在適配過程中存在較大的間隙，則需要對打緊端面進行優(yōu)化，確保反光鏡的變形范圍控制在合理范圍內(nèi)。

圖5 光學系統(tǒng)固定結構圖

對于反射鏡的變形，需要加強監(jiān)控。檢查的方法通常有3種：①用反光鏡毛坯件作為樣件，全部鍍鋁反光鏡正面朝下放置在玻璃上，比較鍍鋁后的零件與毛坯件之間的狀態(tài)，尤其是變形點的情況，參照樣件與玻璃之間的貼合情況，檢查各鍍鋁反光鏡與玻璃之間的貼合情況；②模仿熱封工裝做一個反光鏡的檢具，將反光鏡的毛坯件和鍍鋁件分別安裝在檢具上，通過檢查反光鏡各個打緊點與檢具之間的間隙，來判斷反光鏡是否變形；③對反光鏡進行白光掃描，特別反光鏡的型面、打緊點端面等，用這種方案可以很精確地判斷哪些區(qū)域是否發(fā)生了嚴重變形。

2.6 鍍鋁品質(zhì)

反光鏡的鍍鋁品質(zhì)取決于反光鏡模具的拋光品質(zhì)和鍍鋁工藝。

模具的拋光品質(zhì)對光學面產(chǎn)生很大的影響。通常，表面拋光品質(zhì)可以用表面粗糙度來衡量。粗糙度越高，則鍍鋁層的附著力越小，光學表面也不完全是鏡面。拋光方式有很多種，比如機械拋光、化學拋光、電解拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光和流體拋光等。其中機械拋光的精度最高，可達到0.008μm，這種方式主要依靠切削、材料表面塑性變形去掉被拋光后的凸部，從而得到平滑面，一般使用油石條、羊毛輪、砂紙等，以手工操作為主，特殊零件如回轉體表面，可使用轉臺等輔助工具，表面品質(zhì)要求高的可采用超精研拋的方法。其缺點在于效率低，易造成拋光表面不均勻，拋光時間難掌握，適宜小面積的表面處理。在鍍鋁反光鏡的拋光中，一般采用機械拋光的方式。在本項目中，每個反光鏡拋光（共4個反射碗）需要3～4天時間才能完全拋光完成。在工業(yè)化階段，由于拋光過度，導致部分區(qū)域模具出現(xiàn)損壞，所以重新對模具進行降面后再次精度拋光，保證了拋光品質(zhì)。

另外，在拋光過程中，找準反射鏡模具的精拋位置對優(yōu)化截止線品質(zhì)也至關重要。通常，對于截止線不清晰的前照燈，需要在配光室內(nèi)，通過遮蔽的方式來大致確定是反射鏡的哪個區(qū)域導致了截止線不清晰。用這種方法大致確定后，將該前照燈的反光鏡總成從燈中取出，然后將反光鏡放置在光檢臺上，更準確地確認是反光鏡的哪個反射面導致了模糊的截止線品質(zhì)，然后與模具廠拋光人員交流拋光的注意事項。通過這種有針對性的精拋操作，才能很好地消除截止線不清晰的問題。

鍍鋁品質(zhì)的好壞不僅與鍍鋁基材有關，也與鍍鋁方式的選擇（全鍍或局部鍍鋁）、模具的表面品質(zhì)、蒸發(fā)舟的電流、是否帶底涂和反射鏡的型腔深度有關。通常情況下，模具表面的精度越高，比如對于機械拋光的方式，一般粗糙度精度可以達到0.1μm，通常作為反光鏡拋光的首選方法。反光鏡的型腔深度越深，越容易出現(xiàn)鍍鋁死區(qū)，在這種情況下，通常需要采用全鍍鋁的方式，保證在型腔最深區(qū)域的鍍鋁層厚度和鋁層的附著力，如表2所示。在鍍鋁層的品質(zhì)管控中，一般采用在線檢測和試驗驗證的方案來共同確認鍍鋁層的品質(zhì)。對于在線檢測，一般采用附著力測試（比如劃格法），NaOH試劑方法來判斷鍍鋁層品質(zhì)在生產(chǎn)線上是否滿足要求。在對鍍鋁層的測試中，需要完成高低溫循環(huán)試驗，40℃耐水測試、光學測試等。

表2 鍍鋁層檢測方法

2.7 固定不良

在整個反射鏡系統(tǒng)中，零件的固定不良包含打緊點固定不良和調(diào)節(jié)結構松脫。此處打緊點主要指反光鏡與反光鏡支架之間的固定。其固定不良的失效方式包含螺釘松動、螺釘漏裝等，對于存在多個打緊螺釘?shù)南到y(tǒng)，若其中1個或多個螺釘存在松動或漏裝，勢必導致反光鏡變形，從而影響截止線的品質(zhì)。調(diào)節(jié)機構的松脫包含固定球頭松動、水平和垂直調(diào)節(jié)結構松動或卡死等失效形式，這些故障將導致近光截止線水平或垂直方向無法調(diào)節(jié)。

3 解決方法及改善效果

3.1 解決方法

基于以上分析，最終識別出影響本項目截止線品質(zhì)的關鍵因素：鍍鋁面品質(zhì)、反光鏡變形和固定不良，提出了對應的措施進行優(yōu)化，見表3。

表3 解決方法

3.2 改善效果

1）配光值改善：在本項目中，通過優(yōu)化反光鏡及支架的結構減少變形，并重新對模具進行拋光，優(yōu)化鍍鋁工藝后，截止線的清晰度有較大改善。基于GB 25991—2010近光的光學照度值均有較大改善（圖6紅色字體部分乘以0.7，在合格范圍內(nèi)）。

圖6 近光的光學照度值

2）光通量的掃描：對于LED前照燈，光通量的評價一般在環(huán)境溫度50°C下進行，通過測試左右前照燈的光通量發(fā)現(xiàn)，左右前照燈光通量為1425lm，高于早期設定的1300lm的目標。在環(huán)境溫度70°C下，考慮到LED的光衰，測量實際前照燈的光通量（左右前照燈）為1208lm,也高于目前1105lm的要求。這說明通過優(yōu)化改進，前照燈的光通量水平得到較大提升，能更進一步提升客戶的滿意度。

3）截止線的評價：通過掃描截止線，發(fā)現(xiàn)截止線的水平度和明暗清晰度均能滿足要求。測量數(shù)據(jù)見表4。

表4 截止線測量數(shù)據(jù)

4 總結及展望

綜上所述，車燈近光截止線模糊問題，可以通過以下方式來優(yōu)化解決。

1）PC材質(zhì)反光鏡：對于尺寸比較小的反光鏡，由于變形可控，對反光鏡的光學性能影響不大。對于尺寸較大的材料，需要設計反光鏡加強結構，如果反光鏡后方存在支架，支架推薦采用熱變形較小的材料，比如BMC等。

2）模具拋光是一門技能水平要求很高的工作，因此在對反光鏡拋光時，要保證拋光人員經(jīng)驗非常豐富。另外，在精拋過程中，要精準確定精拋位置。

3）鍍鋁前，要保證鍍鋁過程中不存在鍍鋁死角區(qū)域(否則某些區(qū)域會因為鍍鋁層太薄而導致附著力不足，影響光學性能)。