基于光源利用率的投影式汽車前照燈近光配光設(shè)計

魏 輝 李禮夫

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

1 引言

汽車前照燈是汽車夜間安全行駛的保障，其按照光學(xué)系統(tǒng)不同可分為反射式和投影式，反射式前照燈按反射面的形狀可分為拋物面型［1］和自由曲面型［2］，反射式前照燈光源利用率 (配光屏幕上收集的光通量與光源發(fā)出的總光通量的比值)較高，但曲面設(shè)計相對復(fù)雜，加工難度大，且體積較大。投影式前照燈具有體積小，聚光性好，設(shè)計方便的特點(diǎn)，在汽車前照燈中得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)投影式前照燈反射器曲面一般為旋轉(zhuǎn)橢球面和復(fù)合橢球面，其中旋轉(zhuǎn)橢球面由單一母線旋轉(zhuǎn)而成，水平和垂直的照射范圍同樣大小，難以達(dá)到近光配光“水平寬、上下窄”的要求。復(fù)合橢球面以旋轉(zhuǎn)橢球面為基礎(chǔ)，均勻分塊后將各塊旋轉(zhuǎn)、偏移形成，其光分布的均勻性不佳，光源利用率不高，且型面上各塊分離［3］。同時，傳統(tǒng)投影式前照燈系統(tǒng)依靠擋板形成近光法規(guī)要求的明暗截止線 (光束投射到配光屏幕上，目視感覺到的明暗顯著變化的分界線)，擋板擋去了很大一部分光線使其光源利用率明顯降低。

為此，本文提出了一種基于光源利用率的投影式前照燈近光配光設(shè)計，該方法主要通過對橢球面反射器進(jìn)行區(qū)域劃分，并分別調(diào)整各區(qū)域第一焦點(diǎn)位置，使經(jīng)過反射器反射的光線均投射在配光屏幕的明暗截止線下方，完全依靠反射面進(jìn)行配光而取消擋板設(shè)計，解決了傳統(tǒng)投影式光學(xué)系統(tǒng)在近光中光源利用率不高及照射范圍難以滿足要求等問題。

2 投影式前照燈配光基本原理

2.1 配光標(biāo)準(zhǔn)

《GB4599—2007汽車用燈絲燈泡前照燈》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定遠(yuǎn)光為當(dāng)車輛前方無道路使用者時，所使用的一種遠(yuǎn)距離照明光束。近光為當(dāng)車輛前方道路有其他使用者時，所使用的一種不使對方炫目或引起不舒適感的近距離照明光束［4］。近光的設(shè)計關(guān)鍵在于既保證前方道路的充分照明又不產(chǎn)生使對面車輛駕駛員不舒服的眩光，標(biāo)準(zhǔn)中要求的配光性能在距離前照燈基準(zhǔn)中心前25m的配光屏幕上各測試點(diǎn)、區(qū)的位置如圖1所示，其中左半側(cè)h-HV線為水平分布，右半側(cè)HV-H3為15度向上分布，h-HV-H3線即為明暗截止線所在位置。

圖1 國標(biāo)中25m配光屏幕上測試點(diǎn)、區(qū)的位置圖

2.2 傳統(tǒng)投影式前照燈近光配光原理

傳統(tǒng)投影式前照燈由反射器、光源、擋板和透鏡組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。反射器由一個旋轉(zhuǎn)橢球面形成，將光源置于橢球面的焦點(diǎn)f1處，根據(jù)橢圓光學(xué)性質(zhì)，光源發(fā)出的光線經(jīng)反射器的橢球面反射后經(jīng)過橢球面的焦點(diǎn)f2;將透鏡的焦點(diǎn)與橢球面的焦點(diǎn)f2重合，則反射的光線經(jīng)過橢球面焦點(diǎn)f2后經(jīng)過透鏡折射形成平行光線，投射到汽車行駛方向的前方。為形成具有法規(guī)要求的明暗截止線的近光光型，在焦點(diǎn)f2附近放置用于遮擋反射光線的擋板。由于實(shí)際光源不是理想的點(diǎn)光源，而是具有一定尺寸的點(diǎn)擴(kuò)展光源 (其可簡化為線光源)，當(dāng)線光源中的那些不位于旋轉(zhuǎn)橢球面焦點(diǎn)f1的光源的反射光束不能全部通過橢球面的焦點(diǎn)f2，從而產(chǎn)生了點(diǎn)擴(kuò)展光源的成像像差，導(dǎo)致前照燈配光光型難以達(dá)到要求和光源的利用率降低等問題。

圖2 投影式前照燈結(jié)構(gòu)及工作原理圖

改變光源與焦點(diǎn)f1的相對位置可以改變其在配光屏幕上的光型分布。以標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)橢球面反射器為例，在光學(xué)軟件LucidShape中以焦點(diǎn)分別為14mm，70mm標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)橢球面為反射器曲面，長度5mm光通量1150lm的H1光源，孔徑70mm的非球面透鏡為光學(xué)部件建立投影式光學(xué)系統(tǒng) (如圖3)，進(jìn)行仿真，分別觀察反射器1/4橢球面的焦點(diǎn)與光源位置關(guān)系變化對光型的影響，得到變化結(jié)果，如圖表1所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橢球面仿真光學(xué)系統(tǒng)

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以反射器左上四分之一橢球面 (Ⅰ)為對象，通過分析表1可得出光源和焦點(diǎn)的位置與光型之間的變化關(guān)系，即:

1)當(dāng)光源中心與反射器橢球面焦點(diǎn)f1重合時，光源在焦點(diǎn)兩側(cè)對稱分布，光型在配光屏幕上以HV點(diǎn)成類似的中心對稱分布。

2)當(dāng)光源中心向內(nèi)側(cè) (靠近反射器頂點(diǎn)方向)移動時，光源大部分處于焦點(diǎn)f1內(nèi)側(cè)，光型在配光屏幕上向右下移動，大部分處于配光屏幕右下方。當(dāng)光源的右端點(diǎn)移至焦點(diǎn)f1處，即整個線光源均處在焦點(diǎn)f1內(nèi)側(cè)，光型全部在配光屏幕右下部分。

3)當(dāng)光源中心向外側(cè) (遠(yuǎn)離反射器頂點(diǎn)方向)移動時，光源大部分處于焦點(diǎn)f1外側(cè)，光型在配光屏幕上向左上移動，大部分處于配光屏幕左上方。當(dāng)光源的左端點(diǎn)移至焦點(diǎn)f1處，即整個線光源均處在焦點(diǎn)f1外側(cè)，光型全部在配光屏幕左上部分。

由標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)橢圓的對稱性可知Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ有類似相同結(jié)論。根據(jù)上述規(guī)律可通過調(diào)整光源與焦點(diǎn)的位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)改變光型的目的，達(dá)到配光要求。

3 基于光利用率的投影式前照燈近光設(shè)計

3.1 投影式前照燈近光光型的配光原理

基于光源利用率的投影式前照燈設(shè)計的主要目的是提高光源利用率，解決傳統(tǒng)投影式前照燈光源利用率低及照射范圍難達(dá)到法規(guī)要求等問題。傳統(tǒng)投影式前照燈光學(xué)系統(tǒng)中反射器和擋板是兩大重要的光學(xué)部件，也是影響光源利用率的重要因素，本文根據(jù)光源與焦點(diǎn)位置關(guān)系對光型的影響規(guī)律，設(shè)計了無擋板光學(xué)系統(tǒng)，即該光學(xué)系統(tǒng)僅由光源、反射器、透鏡三部分組成。

根據(jù)上述光源與焦點(diǎn)的位置關(guān)系對光型的影響規(guī)律可知改變光源和焦點(diǎn)的相對關(guān)系可改變光型，在同一個光學(xué)系統(tǒng)中光源位置相對固定，而只能改變相對焦點(diǎn)位置，為了在無擋板的情況下形成具有法規(guī)要求的明暗截止線的近光光型，需要將反射器不同區(qū)域反射的光線形成的光型進(jìn)行調(diào)整，故需要對反射器曲面進(jìn)行多區(qū)域劃分，分別設(shè)計。為了形成法規(guī)要求的近光光型本文將橢球面反射器曲面劃分為五個區(qū)域，如圖4所示，將上半部橢球面劃分為1、2區(qū)域，將下半部橢球面劃分為3、4、5三個區(qū)域，其對應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)光型，如圖5所示。根據(jù)光源與焦點(diǎn)位置關(guān)系對光型的影響規(guī)律可知:為形成圖5中1、2光型需將1、2區(qū)域的焦點(diǎn)向光源外側(cè)移動，使光型分別向配光屏幕上左下、右下移動，直至所有光線全部在明暗截止線下方;為形成圖5中4、5光型需將4、5區(qū)域的焦點(diǎn)向光源內(nèi)側(cè)移動，使光型分別向配光屏幕左下、右下移動，直至所有光線全部在明暗截止線下方;3區(qū)域可將光源中心與焦點(diǎn)重合，即焦點(diǎn)變化范圍在燈絲長度范圍內(nèi)，其光型成左下右上分布，右上部分形成右側(cè)向上15°明暗截止線，左下部分在左側(cè)水平線下方，可增強(qiáng)左側(cè)照明。

變橢球面反射器設(shè)計的主要原理就是調(diào)整橢球面各區(qū)域的第一焦點(diǎn)位置，使各區(qū)域反射的光線均投射在配光屏幕上明暗截止線下方，并同時保證整個橢球反射面連續(xù)封閉，整體配光達(dá)到法規(guī)要求。因變橢球面設(shè)計中反射器并非標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)橢球面，所以光型的分界點(diǎn) (光型全部出現(xiàn)在配光屏幕的某一象限)不一定出現(xiàn)在焦點(diǎn)與光源左右端點(diǎn)重合的位置，但光型的移動趨勢仍符合光源與焦點(diǎn)位置關(guān)系對光型的影響規(guī)律。

圖4 橢球面反射器曲面區(qū)域劃分示意圖

圖5 各區(qū)域的目標(biāo)對照光型位置示意圖

3.2 變橢球面反射器設(shè)計

反射器可由不同的曲面形狀形成，如拋物面型反射器、橢球面型反射器，它是投射式車燈光學(xué)系統(tǒng)的最重要組成部分。根據(jù)投影式前照燈近光光型的配光原理，為形成無擋板橢球面反射器，需改變反射器曲面各區(qū)域的焦點(diǎn)位置，將反射器各區(qū)域設(shè)計成具有相同第二焦點(diǎn)而不同第一焦點(diǎn)的可變橢圓曲面，既可滿足曲面第一焦點(diǎn)的不同變化要求又可滿足共同第二焦點(diǎn)匯聚光線的要求。

如圖6所示，定義包含光源、橢球面焦點(diǎn)和透鏡中心的直線為光軸，垂直光軸的橢球截面定義為光軸截面。沿光軸方向橢球面上的每條曲線定義為經(jīng)線，光軸截面上的每條橢圓曲線定義為緯線，整個曲面由無數(shù)條經(jīng)緯線組合而成。改變橢圓緯線上的橢圓半軸長可以改變相應(yīng)焦點(diǎn)的位置，但僅靠緯線方向調(diào)整焦點(diǎn)變化很難形成無擋板投射式配光，且生成的反射器曲面很難達(dá)到連續(xù)封閉的曲面，故采用在緯線和經(jīng)線兩個方向同時進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無擋板投影式配光?［5］。因變橢球面的短半軸在 XOY面的投影更直觀，故將變橢球面緯線定義為關(guān)于短半軸長的函數(shù)。

將橢球緯線短半軸變化函數(shù)采用如下形式:

圖6 變橢圓曲面反射器示意圖

其中b為橢圓緯線的短半軸長，下標(biāo)A、B分別表示不同緯線所在橢球面上光軸向的位置，下標(biāo)1表示第一劃分區(qū)域曲面的起始位置，d、e為A、B位置緯線長度調(diào)節(jié)參數(shù)，m、n為A、B位置緯線形狀調(diào)節(jié)參數(shù)。調(diào)節(jié)參數(shù)d、e可以調(diào)節(jié)不同區(qū)域的橢圓緯線的短半軸長，且可以改變短半軸長的變化幅度大小。參數(shù)m、n可以改變緯線的形狀進(jìn)而改變橢球面的形狀。

為了使變橢球緯線變化連續(xù)，將變橢球曲面上的經(jīng)線也定義為連續(xù)變化的函數(shù)，并使各區(qū)域邊界相同，使整個反射器曲面連續(xù)封閉且無奇異點(diǎn)。將變橢球經(jīng)線定義為關(guān)于光軸坐標(biāo)Z的變化函數(shù):

b為橢圓經(jīng)線的短半軸長，bA、bB分別代表橢圓經(jīng)線在與緯線A、B交點(diǎn)處的短半軸長，r為經(jīng)線的形狀調(diào)節(jié)參數(shù)。調(diào)節(jié)參數(shù)r可以改變經(jīng)線的形狀。

將橢球面經(jīng)緯線變化綜合，得到整個反射器橢球面的設(shè)計方程式:

式中 k——為常數(shù) (為橢球面第二焦點(diǎn)位置);

d、e——緯線長度調(diào)節(jié)參數(shù);

m、n——緯線形狀調(diào)節(jié)參數(shù);

r——經(jīng)線形狀調(diào)節(jié)參數(shù);

φ——反射面各區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化角度 (使各分區(qū)的角度變化相對在0～90°變化)

因橢圓曲面上所有點(diǎn)都共第二焦點(diǎn)，故有

根據(jù)橢圓性質(zhì):

即能推得:

從而求得長半軸的表達(dá)式:

同時可求得其第一焦點(diǎn)f在光軸上位置:

從式 (6)和 (7)可以看出，k為常數(shù)時，長半軸及第一焦點(diǎn)在光軸上的位置與短半軸的變化趨勢相同。

3.3 近光配光設(shè)計

根據(jù)前述變橢球面反射器的基本原理及設(shè)計方法，選定反射器曲面各區(qū)域的相關(guān)參數(shù)，其中各區(qū)域的共同邊界參數(shù)一致以保證反射面的連續(xù)性、封閉性。通過各區(qū)域的焦點(diǎn)要求，設(shè)計各區(qū)域的空間曲面，建模后導(dǎo)入LucidShape中進(jìn)行仿真分析，各區(qū)域的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示，從表中可看出各區(qū)域的焦點(diǎn)范圍與前述的基本原理相符。

表2 反射面各個區(qū)域的相關(guān)參數(shù)表

在三維軟件Rhino中將各區(qū)域拼接得到連續(xù)封閉的整個反射器橢球面 (如圖7)，導(dǎo)入光學(xué)軟件LucidShape中建立基于光源利用率的投影式近光燈系統(tǒng) (如圖8，)，光源采用光通量為1150 lm，長度為5mm的H1燈泡，放置在Z軸上14mm處，透鏡采用孔徑為70mm的非球面透鏡，透鏡焦點(diǎn)與反射器橢球面第二焦點(diǎn)重合位于Z軸70mm處，反射器采用本文設(shè)計的變橢球面反射器。仿真得到配光屏幕上光型，如圖9所示。

圖7 完整的橢球面反射器曲面圖

圖8 基于光源利用率的投影式光學(xué)系統(tǒng)圖

圖9 基于光源利用率投影式前照燈近光仿真光型圖

由圖9可見，其近光光型圖上水平照射范圍在±20°以上，明暗截止線清晰，熱區(qū)明顯且處于中心偏右。用《GB4599—2007汽車用燈絲燈泡前照燈》標(biāo)準(zhǔn)檢測，各關(guān)鍵點(diǎn)照度值的情況如表3所示，所有的關(guān)鍵點(diǎn)都能滿足法規(guī)的要求。前照燈前25米配光屏幕上收集811 lm的光通量，光源利用率為70.5%。

以傳統(tǒng)投影式前照燈為參照，反射器采用旋轉(zhuǎn)橢球面，其他光學(xué)元件及尺寸與本文相同，如圖10。在光學(xué)軟件中仿真得到近光仿真光型圖11?？梢娡葪l件下傳統(tǒng)投影式光學(xué)系統(tǒng)水平照射范圍達(dá)不到水平照射范圍±20°以上，且配光屏幕上收集的光通量為534lm，光源利用率為46.4%。結(jié)果表明與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，采用本文方法設(shè)計的汽車前照燈反射器的近光光源利用率可提高24.1%。

圖10 傳統(tǒng)投影式光學(xué)系統(tǒng)

表3 配光屏幕上關(guān)鍵點(diǎn)照度值

圖11 傳統(tǒng)投影式前照燈近光仿真光型圖

4 結(jié)論

本文從投影式前照燈配光基本原理出發(fā)，分析了橢球面反射器曲面光源與焦點(diǎn)位置關(guān)系對光型的影響變化規(guī)律，構(gòu)造了變橢球面三維方程式，給出了以橢球面上經(jīng)緯線的短半軸變化函數(shù)，定義了曲面經(jīng)緯線的調(diào)整參數(shù)，并通過調(diào)整各個參數(shù)值，使整個橢球面連續(xù)封閉連接。通過改變反射器曲面參數(shù)控制不同區(qū)域反射面的焦點(diǎn)變化，使經(jīng)過橢球面，反射器反射的光線均投射在配光屏幕上明暗截止線下方，并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。與傳統(tǒng)投影式光學(xué)系統(tǒng)相比，該設(shè)計反射器曲面具有可調(diào)整性，并取消了擋板設(shè)計，減少了擋板的設(shè)計成本及光線在擋板上堆積的熱量對光學(xué)系統(tǒng)的不利影響，同時最重要的是將光利用率提高到70%以上，比傳統(tǒng)設(shè)計提高了20%以上，且近光光型的均勻性較好，配光屏幕上各關(guān)鍵點(diǎn)照度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，此方法僅為投影式前照燈近光設(shè)計提供了一種方法，其可以通過更多區(qū)域的劃分和不斷的調(diào)整參數(shù)得到效果更好的配光，且對熱區(qū)的分布需做進(jìn)一步的研究。

［1］Yan，W．a(chǎn)nd W．Mao．A multi-reflector headlamp that can produce a diagonal cut-off without a shield．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Auto-mobile Engineering，2000，214，839～842．

［2］林淵，周莉，宋賢杰．汽車自由曲面反射器光學(xué)設(shè)計．照明工程學(xué)報，ZMGX，2005(01)．

［3］張鑫，屠其菲，宋賢杰．投影燈的光學(xué)設(shè)計．照明工程學(xué)報，ZMGX，2004(03)．

［4］GB4599—2007．汽車用燈絲燈泡前照燈 ［S］．北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2007．

［5］Liou，Y．C．Design of a projector headlamp without using a screen．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Automobile Engineering，2009．223(D12):p．1549～1558．