基于LED光源的大型客車前照燈設(shè)計(jì)

帥詞鳳，蔡文濤，劉顯明，陳偉民

(重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

引言

LED是近年來廣泛應(yīng)用于車用照明的新光源，因其光能利用率高、響應(yīng)速度快、抗震性能好、壽命長和體積小等特點(diǎn)，已逐步成為信號燈、尾燈、儀Z表燈、氛圍燈等車用照明的主要替換光源。在前照燈方面，隨著LED功率的提高和穩(wěn)定性的改善，如今已有越來越多的車型采用了LED作為前照燈功能照明的主光源。然而，目前應(yīng)用LED光源前照燈的車型主要是小轎車，對于采用LED前照燈的大型客車鮮有報道。對比小轎車而言，在大型客車上應(yīng)用LED車燈更具優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：(1)客車相比小轎車的安裝空間大，且前部通常為垂直狀態(tài)，相比前部為斜面流線型的小轎車有效利用空間更大，便于光學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)大部分小轎車為前置發(fā)動機(jī)車型，前照燈光源靠近發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致散熱設(shè)計(jì)困難，而現(xiàn)代大型客車的發(fā)動機(jī)在車尾端，可降低散熱設(shè)計(jì)難度，對LED芯片耐熱性的要求也可降低從而降低成本；(3)小轎車大部分為私家車，大型客車通常為公共汽車，在使用頻率上大型客車往往更高，LED長壽命和抗震性的特點(diǎn)更利于在大客車上體現(xiàn)；(4)一般大型客車的價格遠(yuǎn)高于普通小轎車(非豪華轎車)，車燈在整車價格的占比相對較低，在替換LED前照燈后對車價的影響不大，更利于LED前照燈的推廣。綜上所述，LED前照燈在大型客車上的應(yīng)用具有非常顯著的技術(shù)和成本優(yōu)勢。本文針對一款已有的客車前照燈原型，按GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》的技術(shù)要求，在外部框架尺寸不變的情況下利用LED光源進(jìn)行了前照燈的遠(yuǎn)光和近光的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 車燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 光源標(biāo)準(zhǔn)

光源作為前照燈系統(tǒng)的中心模塊，整個光學(xué)系統(tǒng)都是根據(jù)其光場分布而設(shè)計(jì)的。大功率LED作為前照燈光源，應(yīng)具有亮度高、顯色指數(shù)適中的特點(diǎn)才能緩解駕駛疲勞。根據(jù)GB 4785—2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定》中的規(guī)定，光源光色應(yīng)為白色，總光通量不應(yīng)小于1000lm，其色品坐標(biāo)應(yīng)在圖1所示的邊界范圍內(nèi)。

圖1 光源色度特性邊界圖Fig.1 The bounds diagram of colorimetric properties

1.2 測試屏配光標(biāo)準(zhǔn)

汽車前照燈分為近光燈和遠(yuǎn)光燈，二者需要實(shí)現(xiàn)的照明效果不一樣，分別有相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。近光照明時，應(yīng)不使對方司機(jī)產(chǎn)生炫目，同時保證己方道路有足夠的光照度以實(shí)現(xiàn)正常照明，而遠(yuǎn)光照明主要目的是照亮前方更遠(yuǎn)的道路，兩者不同的功能決定其在設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法上也大不相同。GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》對前照燈的指標(biāo)進(jìn)行了具體說明，其中關(guān)于近光和遠(yuǎn)光照明的檢測是在離前照燈基準(zhǔn)中心前25米處的配光屏上完成，近光和遠(yuǎn)光光型在配光屏上的具體要求如圖2所示。

圖2 前照燈檢測標(biāo)準(zhǔn)示意圖Fig.2 Diagram of lighting screen

由圖2(a)可知，測試屏上各點(diǎn)的照度值應(yīng)該嚴(yán)格控制，需形成兩條明顯的明暗截止線，為非對稱配光。為避免使來車司機(jī)產(chǎn)生炫目，截止線以上的照度應(yīng)盡量小，截止線以下部分對應(yīng)近處及本車道照明，應(yīng)有較大的照度保證良好的照明效果。遠(yuǎn)光照明標(biāo)準(zhǔn)則相對簡單，保證車道前方較遠(yuǎn)處有充足照明即可，圖2(b)所示為遠(yuǎn)光標(biāo)準(zhǔn)中測試屏上的測點(diǎn)照度要求，最大照度區(qū)域在HV點(diǎn)附近，兩側(cè)照度遞減。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光源選型

根據(jù)GB 4785—2007標(biāo)準(zhǔn)選用OSRAM專用車燈芯片系列的產(chǎn)品，其色度指標(biāo)均符合要求，光強(qiáng)分布為近似朗伯體。根據(jù)上述前照燈光通量要求(總光通量≥1000lm)及能源充分利用的角度出發(fā)，選用1×3型大功率LED芯片LE-UW-D1W3-01作為光源，單顆最大光通量可達(dá)630 lm，2顆即可達(dá)到總光通量要求。色坐標(biāo)：Cx=0.3349，Cy=0.3405，在色品圖上為圖1色度特性邊界范圍內(nèi)的A點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。為簡化設(shè)計(jì)，LED光源在后續(xù)仿真中設(shè)定為1mm×3mm大小的面發(fā)光體。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)的鹵素或氙燈光源，大功率LED為面光源，光場為朗伯型分布，因此以LED為光源的汽車前照燈光學(xué)系統(tǒng)不能沿用傳統(tǒng)燈泡的配光系統(tǒng)。目前，汽車前照燈主要有三種類型：反射式、投射式和自由曲面式。投射式前照燈是利用橢圓將光線反射和會聚于調(diào)制光型的擋板處，最后通過配光透鏡達(dá)到照明要求，其中擋板會擋住部分光線，造成能源的浪費(fèi)。而自由曲面式前照燈是將配光系統(tǒng)分割成很小的模塊，每一個模塊完成一部分光型的要求，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，要求的加工精度高，難度大。而拋物面反射式前照燈作為傳統(tǒng)的汽車前照燈結(jié)構(gòu)，體積雖然較大，但對于前部為垂直狀態(tài)且安裝空間較大的大型客車不受影響，且其能源利用率高，現(xiàn)有加工技術(shù)成熟，簡單，為本設(shè)計(jì)的首選類型。其工作原理為：光源發(fā)光，經(jīng)拋物面式反射器反射形成平行光，所得平行光經(jīng)配光透鏡后形成所需光形，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拋物面式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The design diagram of parabolic headlamp

由汽車前照燈近光配光標(biāo)準(zhǔn)可得，其中近光燈測試屏上有水平截止線和斜向上15°截止線，而單個拋物面式系統(tǒng)難以同時形成兩條截止線，因此在本設(shè)計(jì)中采用兩個拋物面式系統(tǒng)分別形成兩條截止線來達(dá)到配光要求，如圖4所示為組合配光方案示意圖。

圖4 組合配光方案Fig.4 The combination of parabolic design

2.3 拋物面式反射器

光源發(fā)光入射至拋物面反射器形成平行光以便后續(xù)透鏡配光。拋物面反射器設(shè)計(jì)包括焦距、長和高的確定，應(yīng)滿足：①不宜過小，由于芯片發(fā)出的光線大部分集中在±60°，過小會導(dǎo)致部分光線泄露；②不能過大，必須滿足現(xiàn)有汽車預(yù)留的車燈空間要求。本文采用的旋轉(zhuǎn)拋物面如圖5(a)所示，其焦距為15mm，長和高均為60mm，設(shè)其法線方向?yàn)閆軸正向，焦距為f，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖5 (a)出射角α和反射角β示意圖，(b)β隨光線出射角α的變化Fig.5 (a) Schematic diagram of the emergency angle α and the reflection angle β, (b) α as a function of β

x2+y2=4fz

(1)

當(dāng)點(diǎn)光源置于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)時，光線經(jīng)反射器反射平行于Z軸出射。而在本設(shè)計(jì)中使用的LED為1mm×3mm,光源非焦點(diǎn)部分的出射光不會平行Z軸出射。現(xiàn)對與焦點(diǎn)具有一定偏移量的出射光進(jìn)行分析，如圖5(a)所示，假設(shè)在Z軸方向的偏移量為d，根據(jù)反射定律，則出射光線與水平方向的夾角β滿足：

(2)

其中，β朝上為正，朝下為負(fù)。

LED的光強(qiáng)分布為近似朗伯體，在YZ平面內(nèi)按α從-90°到90°分布，α順時針為正。取偏移量d在-0.2f到0.2f內(nèi)取值，則β隨光線出射角α的變化如圖5(b)所示。

從圖5中可以得到：當(dāng)光源在拋物面焦點(diǎn)沒有偏移時，為平行光出射；當(dāng)光源偏移量為正時，反射角β也為正，即向上發(fā)光，反之向下發(fā)光。因此在近光燈設(shè)計(jì)中，應(yīng)將光源放置在焦點(diǎn)的同一側(cè)。由于LED所發(fā)光呈近似朗伯體分布，光能主要集中在±10°，故將光源一端放置在焦點(diǎn)處時，另一端正向遠(yuǎn)離焦點(diǎn)，則大部分光能水平出射，其他光線向上散射。那么在配光屏上的光照度從上往下逐漸變小，通過后續(xù)透鏡散光即可形成明顯的截止線。而遠(yuǎn)光燈沒有截止線要求，因此可將光源放置焦點(diǎn)處以便得到均勻而滿足配光要求的光型。

2.4 配光透鏡

從反射器得到的反射光線大部分是平行于拋物面法線方向出射，故需要使用透鏡將平行光散開以滿足配光標(biāo)準(zhǔn)。凹透鏡、凸透鏡和柱面透鏡均有散光作用，但是前兩種透鏡的出射光散射角度很大，不利于形成明顯的截止線。在本設(shè)計(jì)中，采用多個柱面透鏡組合構(gòu)成散光板進(jìn)行配光?？紤]到圖6(a)中柱面透鏡間會有較尖銳的棱角，存在加工難度問題，因此轉(zhuǎn)換為圖6(b)中的結(jié)構(gòu)，而根據(jù)配光標(biāo)準(zhǔn)，配光屏上的照度是中間大兩邊小，可通過調(diào)整柱面透鏡的尺寸使得出射光在散開的基礎(chǔ)上加強(qiáng)中間部分的照度如圖6(c)所示，其設(shè)計(jì)衍化圖如圖6所示。

圖6 透鏡衍化圖Fig.6 The lens of its change and development

前照燈系統(tǒng)總共需要四個散光板，均由柱面透鏡組合構(gòu)成。相鄰柱面透鏡相切排布，不同散光板的柱面透鏡尺寸不一，曲率半徑越小，散光度越大。且柱面透鏡個數(shù)不應(yīng)排布過少，會導(dǎo)致柱面透鏡很厚；過多又造成散光度不高，經(jīng)過多次設(shè)計(jì)調(diào)試最終確定柱面透鏡個數(shù)為10。其中近光燈0°散光板和遠(yuǎn)光燈上部分散光板柱面透鏡均為垂直排布陣列，目的是將光線水平散開，具體參數(shù)和結(jié)構(gòu)如圖7(a)和7(c)所示。近光燈15°散光板則是斜15°柱面透鏡排布陣列，形成斜向上15°截止線，所有柱面透鏡半徑均為12mm，如圖7(b)所示。遠(yuǎn)光燈下散光板功能是在散開光線的基礎(chǔ)上加強(qiáng)中間區(qū)域的照明，因此中間部分仍然采用柱面透鏡散光，而兩邊采用平板直接透射至配光屏中間區(qū)域以達(dá)到目標(biāo)配光效果，具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖7(d)所示。

圖7 4種散光板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structure of 4 scatter plates

3 配光系統(tǒng)仿真與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 近光模組

如前文所述，使用兩個拋物面式反射器組合構(gòu)成完整的旋轉(zhuǎn)拋物面進(jìn)行配光，分別形成水平截止線和斜向上15°截止線。其結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示，LED芯片分別放置焦點(diǎn)前后，則反射器出射光大部分平行散射，其余部分朝下入射至柱面透鏡。其中LED芯片模型和光源文件由OSRAM提供，反射器設(shè)置為全反射，透鏡材料為PMMA，具體模型如圖8(b)所示。配光屏設(shè)為10米的正方形，距離光源25米處，最后在測試屏上的配光效果如圖9所示，得到各測點(diǎn)的照度值如表1所示。

圖8 拋物面式近光燈系統(tǒng)Fig.8 The parabolic design of low-beam headlamp

圖9 近光燈測試屏照度圖Fig.9 The simulation result of parabolic low-beam

從照度圖上可得，測試屏上形成了兩條明顯的明暗截止線，且照度呈現(xiàn)出中間強(qiáng)兩邊弱的效果。通過對比各測點(diǎn)的照度和照度標(biāo)準(zhǔn)，完全符合GB 25991—2010中的近光照明要求。且在仿真中單顆LED光源的光通量設(shè)置為600lm，低于實(shí)際LED芯片在額定功率下發(fā)出的光通量(630 lm)，可減少LED芯片發(fā)熱量，利于車燈散熱。該方案的光源利用率達(dá)到66.5%，遠(yuǎn)大于一般鹵素近光燈40%的效率，同時考慮到上述設(shè)計(jì)的近光燈方案中光源位置是十分理想的，在實(shí)際工程運(yùn)用中難免會出現(xiàn)安裝誤差，對光源位置設(shè)定一定偏移量來探討其對光分布的影響，結(jié)果表明光源位置誤差在x、y、z三個方向分別控制在0.6mm、1mm和1.5mm以內(nèi)時仍可符合要求。

表1 拋物面式設(shè)計(jì)的近光燈仿真值與國標(biāo)對照Table 1 Comparison of the value from national standard with the simulation value of parabolic low-beam headlamp

3.2 遠(yuǎn)光模組

遠(yuǎn)光模組的配光要求相對簡單，只需使測試區(qū)域滿足照度要求，而平行光經(jīng)柱面透鏡即可得到均勻照明區(qū)域。在設(shè)計(jì)時可以套用近光設(shè)計(jì)思路，上面的反射器可將光線散開用于整個照明區(qū)域，下面的反射器用于加強(qiáng)中間區(qū)域的照明。設(shè)計(jì)實(shí)體模型如圖10所示，圖11所示為測試屏上照度圖效果。

圖10 拋物面式遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)Fig.10 The parabolic design of high-beam headlamp

圖11 拋物面式設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)光配光結(jié)果Fig.11 The simulation result of parabolic high-beam headlamp

表2 拋物面式設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)光仿真值與國標(biāo)對照Table 2 Comparison of the value from national standard with the simulation value of parabolic high-beam headlamp

由遠(yuǎn)光燈測試屏照度效果圖看，其照度分布十分對稱且均勻，呈現(xiàn)出中間強(qiáng)兩邊弱，且照度梯度變化比較平緩，即視場明暗變化不大，十分適合遠(yuǎn)光照明。遠(yuǎn)光仿真值和國標(biāo)對照表如表2所示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

最后對汽車前照燈進(jìn)行結(jié)構(gòu)和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用熱管加翅片的方式。將整個光學(xué)系統(tǒng)裝配在現(xiàn)有大型客車前照燈外殼中，圖12為所設(shè)計(jì)的LED車燈裝配圖，經(jīng)裝配本文設(shè)計(jì)的前照燈可以很好地安裝在其內(nèi)部，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 客車LED前照燈裝配圖Fig.12 The assembling drawing of passenger bus LED headlamp

4 結(jié)論

本文介紹了采用傳統(tǒng)拋物面反射式光學(xué)系統(tǒng)對一款大型客車前照燈進(jìn)行LED光源替換設(shè)計(jì)的方案，給出了各部分光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證分析，遠(yuǎn)近光照明的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求。本方案具有設(shè)計(jì)簡單、易于加工和安裝的典型特點(diǎn)，可充分發(fā)揮LED車用照明的諸多優(yōu)勢，非常有利于在大型客車前照燈上進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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