一種應(yīng)用自由曲面的LED汽車前照近光燈配光設(shè)計(jì)

陶 鑫 劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

汽車前照燈用于夜間行車時(shí)的道路照明，直接關(guān)系到行車的安全性，而前照燈性能的優(yōu)劣是導(dǎo)致夜間交通事故的原因之一。目前前照燈光源較多使用傳統(tǒng)光源，如白熾燈、鹵素?zé)艏案邏簹怏w放電燈 (High Intensity Discharge Lamps，HID)等，這些光源壽命較短，其中白熾燈及鹵素?zé)魤勖鼉H為兩千至三千小時(shí)，HID光源壽命略長(zhǎng)，但也僅為約八千小時(shí)。因而，一種具有長(zhǎng)壽命的新型光源將能為提高照明性能及減少夜間行車交通事故的發(fā)生帶來(lái)積極的作用。

發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode，LED)作為新時(shí)代的光源，具有數(shù)萬(wàn)小時(shí)的壽命，除此之外，LED與傳統(tǒng)光源相比具有光效高、體積緊湊、開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間短、耐沖擊及振動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而十分適合作為汽車前照燈光源。

然而，同傳統(tǒng)光源一樣，采用LED作為光源仍需進(jìn)行特殊的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，其中，最為復(fù)雜的是汽車近光燈的配光設(shè)計(jì)。

一般而言，LED近光燈的光學(xué)設(shè)計(jì)思路主要可分為折射式、反射式及混合式三種。而目前常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法為采用擋板的投射式以及采用分塊設(shè)計(jì)的反射式，兩種方法均有不足之處，前者的光學(xué)系統(tǒng)效率可能受擋板遮光影響較大，后者則存在體積過(guò)大的缺點(diǎn)。本文以自由曲面方法進(jìn)行了混合式的LED近光燈設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)為自由曲面的透鏡部分設(shè)計(jì)，目的在于取得高光學(xué)系統(tǒng)效率的同時(shí)保持體積緊湊。經(jīng)過(guò)模擬，設(shè)計(jì)結(jié)果符合國(guó)家近光燈配光標(biāo)準(zhǔn)。希望本文能為L(zhǎng)ED近光燈光學(xué)設(shè)計(jì)方法提供一種新思路。

2 前照燈近光配光標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，近光燈作為汽車夜間低速行駛時(shí)采用的照明手段，應(yīng)具有足夠的照度并不能對(duì)迎面開(kāi)車司機(jī)或行人產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光。對(duì)此，GB25991—2010做出了特殊的規(guī)范，采用一種帶清晰的明暗截止線的近光燈配光標(biāo)準(zhǔn)以滿足上述要求。對(duì)近光燈的測(cè)試方法為在距離燈基準(zhǔn)中心前25m的垂直平面配光屏幕上測(cè)量，各測(cè)試點(diǎn)、區(qū)的照度應(yīng)滿足如表1的要求，測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試區(qū)域的位置如圖1所示。

表1 GB25991—2010前照燈近光配光測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Table 1 GB25991—2010 low beam headlight requirement

圖1 GB25991—2010前照燈近光配光測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 GB25991—2010 low beam light standard

3 自由曲面設(shè)計(jì)方法

自由曲面是一種不規(guī)則或難以用統(tǒng)一方程式描述的曲面。通過(guò)應(yīng)用自由曲面可以任意控制光線角度及分配光強(qiáng)。靈活應(yīng)用自由曲面，能夠使照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，提高光能量的利用率，此外，還能夠減少不連續(xù)曲面的出現(xiàn)，方便加工。

本文構(gòu)建自由曲面的基本設(shè)計(jì)思路是根據(jù)曲面某點(diǎn)的入射光及出射光的矢量關(guān)系求得曲面上該點(diǎn)處的切向量，并結(jié)合邊界條件求解整個(gè)曲面。

首先考慮一個(gè)光源、曲面及受照平面組成的簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示，以光源為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，假設(shè)一條從其發(fā)出的光線，入射到曲面上點(diǎn)p后折射至垂直于z軸的目標(biāo)面上t點(diǎn)。點(diǎn)p處的入射光線矢量、出射光線矢量及該點(diǎn)處的法向量滿足折射公式:

將上述三個(gè)向量的表達(dá)式代入折射公式，解得

繼而需要確定入射光與出射光的能量對(duì)應(yīng)關(guān)系。很自然的，考慮采用一種u→y，v→x的能量映射方式。在不考慮光能量損失如反射的情況下，根據(jù)能量守恒定律可知曲面上的入射光能量應(yīng)等于出射光能量，從而有

其中，I(u，v)為光強(qiáng)函數(shù)，E(xt，yt)為受照平面上的照度，由此關(guān)系式可求得t點(diǎn)坐標(biāo)用u，v表示的表達(dá)式，即 xt=f(u，v)，yt=g(u，v)，代入的法向量表達(dá)式，則可通過(guò)數(shù)值解法，結(jié)合自行設(shè)定的邊界條件求解該自由曲面。

4 采用LED的近光燈配光設(shè)計(jì)

根據(jù)GB25991—2010近光燈配光要求，受照屏不同位置處照度要求不同，因而本文采用分塊式能量分布方式，針對(duì)各照明區(qū)域獨(dú)立設(shè)計(jì)配光。

如圖3所示，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及反射器組成，以盡可能充分利用光能量。該系統(tǒng)分為5部分，各部分對(duì)應(yīng)接收屏上不同位置處的光照區(qū)域，因此其映射關(guān)系不同。

圖3 近光燈設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the low beam light design

5 設(shè)計(jì)結(jié)果及模擬仿真

采用自由曲面方法并求解得圖3中不同區(qū)塊的自由曲面后可得反射器及透鏡曲面的點(diǎn)云，使用如CATIA及Rhino等建模軟件即可得到近光燈光學(xué)系統(tǒng)的模型。該模型外形尺寸近似一底面半徑21mm，長(zhǎng)約30mm的圓柱體。具體模型如圖4所示。

圖4 近光燈模型Fig.4 Model of the low beam headlight design

圖5 仿真結(jié)果圖Fig.5 Simulation result

本文使用光學(xué)模擬軟件TracePro對(duì)該近光燈系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，LED采用200lm朗伯體光源，透鏡材料為PMMA，反射器設(shè)為全反射，接收屏為一邊長(zhǎng)為10米的正方形平面，距光源25米遠(yuǎn)。仿真結(jié)果如圖5所示。接收屏上各區(qū)域照度如表2所示，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，燈具效率將導(dǎo)致光通量的損失，可能導(dǎo)致受照面上照度不足，因而此處進(jìn)行了裕度計(jì)算，以考察其在實(shí)際情況中是否能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試點(diǎn)的最小照度要求，照度較最低要求裕度=(理想條件下模擬照度－標(biāo)準(zhǔn)最小值)/理想條件下模擬照度。

表2 各區(qū)域測(cè)試結(jié)果及裕度Table 2 The test result

由表2中的測(cè)試結(jié)果可知，該光學(xué)系統(tǒng)能滿足GB25991—2010近光燈標(biāo)準(zhǔn)的要求，且留有30%以上的裕度，具有實(shí)際應(yīng)用的可行性。

經(jīng)仿真，該光學(xué)系統(tǒng)約71%光線入射至接收屏，光能量總出射率為90%，遠(yuǎn)大于鹵素近光燈40%的效率。

6 總結(jié)

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，LED取代傳統(tǒng)光源用于汽車前照燈已成為必然的趨勢(shì)，據(jù)此本文提出了一種LED汽車前照近光燈的配光設(shè)計(jì)方案。該方案以GB25991—2010為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)自由曲面方法對(duì)透鏡及反射器進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，很好地實(shí)現(xiàn)了光的合理分配，使得能量利用率得到了極大的提高。設(shè)計(jì)中使用200lm光通量的LED，在假定透鏡未鍍膜的情況下也能完全滿足GB25991—2010標(biāo)準(zhǔn)中各點(diǎn)照度要求且裕度充足。尺寸方面，該光學(xué)系統(tǒng)模塊體積相當(dāng)于一個(gè)底面半徑21mm、長(zhǎng)約30mm的圓柱體，十分緊湊，為汽車的外形設(shè)計(jì)提供了更寬松的條件。

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