基于多橢球反射器的LED汽車近光燈設(shè)計

王　靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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基于多橢球反射器的LED汽車近光燈設(shè)計

王靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：基于大功率LED芯片的類朗伯體發(fā)光特性、GB 25991—2010標(biāo)準(zhǔn)要求和非成像光學(xué)理論，設(shè)計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)。采用Monte-Carlo光學(xué)追跡法進(jìn)行仿真分析，并加工了近光燈樣件，測試其配光性能。結(jié)果表明：由變截面橢球體反射器、斜切角度為17°的擋板和具有能量分配功能的自由曲面透鏡組成的LED汽車近光燈有利于形成“水平方向?qū)?，垂直方向窄”的近光光型和清晰的明暗截止線；各主要測試點及區(qū)域的照度值滿足標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，且該系統(tǒng)的光能利用率相對于傳統(tǒng)近光燈系統(tǒng)提高近10%。

關(guān)鍵詞：LED汽車近光燈；非成像光學(xué)；變截面橢球體反射器；自由曲面透鏡

引言

汽車前照燈的配光性能，尤其是近光燈的性能是影響汽車行駛安全和照明質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1-6]。LED汽車近光燈光學(xué)設(shè)計方案主要有反射式和投射式兩種。反射式前照燈又可分為旋轉(zhuǎn)拋物面型前照燈和自由曲面型前照燈，前者因遮光罩的存在而使得系統(tǒng)的光學(xué)效率降低；后者雖然光能利用率較高，但難以形成清晰的明暗截止線且復(fù)雜的曲面設(shè)計給加工帶來極大的困難。投射式方案雖然能量利用率也不高，但卻能產(chǎn)生清晰的明暗截止線，反射器的設(shè)計和加工相對簡單[7，8]。

本文根據(jù)大功率白光LED的光電特性和非成像光學(xué)理論，設(shè)計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)。采用Monte-Carlo光學(xué)追跡法進(jìn)行仿真分析，并加工了近光燈樣件，仿真和測試結(jié)果表明：所設(shè)計的近光燈其配光性能滿足GB 25991—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1近光燈配光要求

根據(jù)GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》標(biāo)準(zhǔn)要求，前照燈近光應(yīng)具有足夠的照明并不產(chǎn)生眩目，在距離前照燈基準(zhǔn)中心線前25m的配光屏上，各主要測試點和區(qū)域位置如圖1所示[9]。近光光型大致可分為三部分：水平線以下0.75m處用于形成廣闊視野的矩形區(qū)域Ⅰ區(qū)、明暗截止線以上亮度較低不致引起炫目的Ⅲ區(qū)、Ⅰ區(qū)之上亮度較高用于遠(yuǎn)距離照明的矩形區(qū)域Ⅳ區(qū)。

圖1　GB 25991—2010規(guī)定的近光光型及主要測試點(區(qū)域)分布(圖中尺寸單位：mm)Fig.1　Light distribution and test points (zones) for the GB 25991—2010 low beam in millimeters

2近光燈配光設(shè)計

2.1　投射式光學(xué)系統(tǒng)

投射式光學(xué)系統(tǒng)由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成，如圖2所示，根據(jù)LED光源的發(fā)光特性，僅需半個橢球體就能有效的收集光線。對該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計將從反射器、擋板和透鏡三方面展開。

圖2　單個投射式光學(xué)系統(tǒng)的組成Fig.2　Constitution of every single projection unit

2.2　LED光源選擇

選擇合適的LED光源是汽車近光燈光學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)從色溫、工作電壓、電流和芯片結(jié)溫等多方面綜合考慮。基于GB 25991—2010的要求，設(shè)計中選取PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，型號為LAFL-C4S-0850，單顆芯片輸出光通量為850lm~1000lm，典型輸出功率13.7W。假設(shè)近光燈的目標(biāo)光通量為1200lm，典型工作電流為750mA。根據(jù)最小光通量來設(shè)計，可確保滿足設(shè)計目標(biāo)的要求[10]。

2.3　變截面橢球體反射器

變截面橢球體反射器是在旋轉(zhuǎn)橢球體反射器基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。為了形成圖1中要求的“水平方向?qū)?，垂直方向窄”的近光光型，反射器是由一系列具有不同第一焦點，相同第二焦點的橢圓面組成的，由水平截面第一焦點漸變到垂直截面第一焦點，如圖3所示。變截面橢球體反射器表面的數(shù)學(xué)描述如下[8,11]：

圖3　多橢球體反射器的截面Fig.3　Sections of poly-ellipsoid

(1)

ai=aHcos2i+aVsin2i

(2)

ai+ci=K(constant)

(3)

(4)

式中：i為任意一截面與水平面的夾角；ai、bi和ci分別為長半軸長、短半軸長和焦半徑；aH和aV分別為水平截面長半軸長和垂直截面長半軸長。

水平截面和垂直截面的橢圓方程為：

(5)

(6)

其中：f1和f2分別為垂直方向第一焦點和水平方向第一焦點,f3為公共第二焦點。

LED芯片的發(fā)光面中位于f1點處，光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射后在點f3處會聚。為使這個裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，將半橢球體反射器在f3點處截開。在CAD軟件中構(gòu)建變橢球體反射器的3D模型如圖4所示，水平截面和垂直截面第一焦點長度分別為42mm和32mm，第二焦點長度92mm。

圖4　多橢球體反射器三維模型Fig.4　The poly-ellipsoid reflector with LED chip

2.4　擋板

擋板的形狀和位置同樣影響著近光光型。為了形成的清晰的明暗截止線，擋板應(yīng)放置于變橢球體反射器的第二公共焦點處，在仿真中可根據(jù)實際情況上下或左右移動以確保明暗截止線清晰。擋板左側(cè)為水平直線，右側(cè)為一條向下角度為φ的斜線。由于近光明暗截止線右側(cè)為向上15°的斜線，所以設(shè)計初期φ定為15°，但仿真得到的明暗截止線右側(cè)角度卻為13°左右。這是因為，盡管所選LED的發(fā)光面可近似為線光源，但實際上發(fā)光面是有一定厚度的，所以對應(yīng)的發(fā)光面的投影是不規(guī)則四邊形而不是理想的矩形[11]。通過反復(fù)調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當(dāng)φ為17°時，仿真得到的明暗截止線右側(cè)角度最接近15°。

2.5　自由曲面透鏡

經(jīng)變橢球體反射器反射出的光線通過自由曲面透鏡進(jìn)行聚焦和光能的重新分配，以滿足GB 25991—2010中近光光能分布要求。近光光型中的Ⅲ區(qū)為防眩目區(qū)，該區(qū)域的照度值越小越好，因此，設(shè)計中可將經(jīng)過透鏡后的光能向Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區(qū)分布。以反射器的第二公共焦點(透鏡的焦點)為坐標(biāo)原點，光線在透鏡中的傳播路徑以及在25m配光屏上的分布如圖5所示。

圖5　光線在透鏡中的傳播路徑Fig.5　Light propagation in lens

根據(jù)非成像光學(xué)理論及能量守恒定律可建立圖5中坐標(biāo)原點處的光能(設(shè)為I0)與25m配光屏上某一位置r處能量分布(設(shè)為E0)的關(guān)系式[12]。假設(shè)與Y軸夾角為α1的光線在配光屏上的投射位置為r1，將0~α1夾角內(nèi)的光線分為j束，對應(yīng)著配光屏上Ⅰ內(nèi)的j個投影位置，從而可以得到[7,13]：

(7)

根據(jù)相同的原理，假設(shè)入射角α1~α2之間的光線投射到配光屏上的Ⅳ區(qū)，入射角α2~α3之間的光線投射到配光屏上的Ⅱ區(qū)，于是可得：

(8)

(9)

求解式(7)~(9)可以得到配光屏上的區(qū)域半徑與光線入射角之間的關(guān)系如下：

(10)

(11)

(12)

在透鏡的第一面和第二面上分別應(yīng)用折射定律可得

nair·sinα=nlens·sinβ

(13)

(14)

確定好圖5中的f后，聯(lián)立式(6)~(13)，通過計算機(jī)迭代計算可得到自由曲面透鏡第一面和第二面各點的坐標(biāo)，最后可建立透鏡的3D模型。

3仿真與測試結(jié)果分析

在CAD軟件中構(gòu)建近光燈系統(tǒng)的模型，再制造近光燈樣件如圖6所示。將模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件中，設(shè)定入射光線為100000條，根據(jù)Monte-Carlo光學(xué)追跡理論，通過反復(fù)調(diào)整模型位置，最終得到圖7(a)所示的近光光型圖。仿真結(jié)果顯示，變截面橢球體反射器的光能利用率為48.6%，相對于普通橢球體反射器光能利用率提高10%左右，而自由曲面透鏡的光效為96.8%。對于該近光系統(tǒng)，任意一橢圓截面與水平面夾角i的變化步長不同時，近光中的主要測試點B50L、75R、Ⅲ區(qū)的最大照度值，以及該近光系統(tǒng)的光能利用率的變化如圖8所示。由圖8可見，隨著夾角i變化步長的減小，前照燈近光B50L點的照度值以及Ⅲ區(qū)的最大照度值逐漸降低，而75R點的照度值和近光系統(tǒng)的光能利用率卻不斷增加。亦即在式(2)的漸變方程下，i的變化步長越小，得到LED近光燈光學(xué)系統(tǒng)的性能越優(yōu)，經(jīng)反射器反射后的光線都能投射到配光屏幕上的指定區(qū)域。且當(dāng)i的變化步長小于0.5°時，步長的變化率對光學(xué)系統(tǒng)的影響越顯著。

圖6　近光燈樣件Fig.6　Sample piece of the low-beam system

圖7　近光照度分布圖Fig.7　Beam pattern and isolux for low-beam system

圖8　夾角i的變化步長對近光系統(tǒng)光學(xué)性能的影響Fig.8　Influence of intersection angle on passing beam optical performance

對近光燈樣件進(jìn)行配光性能測試，也能得到清晰的明暗截止線，如圖7(b)所示，各測試點及區(qū)域的照度值均滿足GB 25991—2010的要求，如表1所示。由表1可見，樣件的測試值略低于仿真值，這是因為樣件中反射器涂層的反射率低于仿真時的設(shè)定值，且自由曲面透鏡由于加工等原因使其光效低于理想值；同時，仿真結(jié)果還取決于設(shè)定的入射光線數(shù)、橢圓截面與水平面夾角i的變化步長等因素。

表1　近光各測試點和區(qū)域的照度值　單位：lx

注：表1中，E50R為點50R處的實測照度值。

4結(jié)論

基于非成像光學(xué)理論和光線追跡原理，設(shè)計了一種由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)并進(jìn)行仿真和測試分析。結(jié)果顯示，所設(shè)計的近光系統(tǒng)能形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的光型，各主要測試點及區(qū)域的照度值也滿足標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，且該系統(tǒng)的光能利用率相對于傳統(tǒng)近光燈系統(tǒng)有較大幅度地提高。

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Design of LED Headlamp Low-beam Based on Multi-ellipsoid Reflector

Wang Jing，Cai Yixi，Bao Weiwei，Li Huixia, Li Xiaohua

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：A projection type LED headlamp low-beam consists of muti-ellipsoid reflectors, baffles and free surface lens is designed based on the approximate lambertian emitting characteristics of LED chips, provisions in GB 25991—2010 and non-imaging optics theory. The simulation has been done based on Monte-Carlo optical tracing method and the light distribution performance of a headlamp sample has been process. The results show that the muti-ellipsoid reflectors, 17 degree oblique angle of the baffles and the free surface lens are easy to form not only the low-beam light type which is wide in horizontal direction and narrow in vertical direction but also the clear cut-off line. The low-beam system meet the standard requirements, and the energy utilization rate increases nearly 10%.

Key words:LED headlamp low-beam； non-imaging optics； muti-ellipsoid reflector； free surface lens

基金項目：江蘇省動力機(jī)械清潔能源與應(yīng)用重點實驗室資助項目(編號：QK12001)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項目(蘇政辦發(fā)〔2011〕6 號)；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金資助項目(編號：5503000025)

中圖分類號：U463.65+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.018