反射式矩陣LED遠(yuǎn)光設(shè)計(jì)

吳杰，鄧亮

(常州星宇車(chē)燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

隨著汽車(chē)數(shù)量的增多，交通安全越發(fā)引人關(guān)注，尤其是在夜間，重大傷亡交通事故頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)夜間行駛量不到總量的1/3，卻造成了70%以上的交通事故[1]。事故原因主要有：夜間的光線差、照明不良及會(huì)車(chē)時(shí)遠(yuǎn)光使用不當(dāng)造成駕駛員眩目，其中遠(yuǎn)光使用不當(dāng)占40%。因此，解決行車(chē)過(guò)程中遠(yuǎn)光引起的眩目，對(duì)提高夜間行車(chē)安全性，降低駕駛疲勞具有重要的意義[2-5]。

汽車(chē)遠(yuǎn)光防眩目方法可分為被動(dòng)式防眩目法和主動(dòng)式防眩目法。被動(dòng)式防眩目法是在人眼處、前擋風(fēng)玻璃處或其他光線傳播過(guò)程的某處，對(duì)遠(yuǎn)光光線進(jìn)行過(guò)濾或吸收處理以防止駕駛員眩目。主動(dòng)式防眩目法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光初精細(xì)的照明區(qū)域控制，產(chǎn)生暗區(qū)避免炫目。本文作者介紹的反射矩陣式LED遠(yuǎn)光裝置屬于主動(dòng)式防眩目法，通過(guò)9顆LED光源，按矩陣方式排列成LED陣列，在點(diǎn)亮?xí)r分別發(fā)射光束，這些光束經(jīng)各自對(duì)應(yīng)的光學(xué)反射鏡反射，沿著各主照射方向在前方形成光亮區(qū)域，這些光亮區(qū)域可組合成預(yù)定的光分布(遠(yuǎn)光分布)。此模組有兩種工作狀態(tài)：當(dāng)所有的LED都接通時(shí)，為普通遠(yuǎn)光照明狀態(tài)，此時(shí)光分布滿足法規(guī)GB 25991-2010要求；而當(dāng)關(guān)閉一個(gè)或幾個(gè)LED時(shí)，可以在前方特定的區(qū)域(來(lái)車(chē)或前車(chē)區(qū)域)形成“暗區(qū)”，此時(shí)為自適應(yīng)無(wú)眩目遠(yuǎn)光照明狀態(tài)，滿足ECE R123要求。

1 前照燈遠(yuǎn)光配光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

該配光系統(tǒng)由9顆LED光源及6塊自由曲面反射鏡構(gòu)成，其中LED光源按矩陣陣列排放，且每塊反射鏡對(duì)應(yīng)1～2顆LED。

圖1為左、右前照燈配光系統(tǒng)及其功能的示意圖。

圖1 前照燈配光系統(tǒng)及其功能的示意圖

其中L為反射鏡；S為光源；H-H線表示水平方向；V-V線表示垂直方向。由圖1可見(jiàn)，左、右兩個(gè)前照燈配光系統(tǒng)各有9顆LED發(fā)出光束，經(jīng)由各自對(duì)應(yīng)的反射鏡反射，可在前方呈現(xiàn)9個(gè)光亮區(qū)域，組合形成遠(yuǎn)光分布。

1.2 反射鏡種類(lèi)的選取

汽車(chē)前照燈的反射系統(tǒng)一般可分為兩種：拋物面反射式和自由曲面反射式。由拋物面的性質(zhì)可知，當(dāng)光源置于拋物面反射鏡的焦點(diǎn)附近時(shí)，光源發(fā)出的光線經(jīng)由反射鏡反射，會(huì)沿著與拋物面主軸近乎水平的方向出射，即拋物面可將空間立體角內(nèi)全部的光能量匯聚，以平行光出射，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)照明區(qū)域分布，拋物面反射鏡還需要配合配光鏡。

自由曲面式反射鏡上可分為多個(gè)子面，且各子面間曲率不連續(xù)或焦點(diǎn)不同。如圖3所示，自由曲面與拋物面的區(qū)別在于，自由曲面可同時(shí)達(dá)到光線的偏移和散射目的。此矩陣LED遠(yuǎn)光模組中各反射鏡對(duì)應(yīng)一顆或兩顆LED，即有兩個(gè)焦點(diǎn)，且其出射的角度和展寬均不同，因此反射鏡采用自由曲面式設(shè)計(jì)。

自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)步驟為：(1)光源模擬的選取，導(dǎo)入光源；(2)基面選取及基礎(chǔ)面的劃分，根據(jù)實(shí)際配光需求對(duì)基礎(chǔ)面進(jìn)行劃分；(3)各子面的光型精細(xì)調(diào)整，使邊緣截止線清晰、光型方正且分布均勻。(4)各子面間的光順與銜接。(5)設(shè)計(jì)的反射面輸出到三維造型軟件。

圖3 自由曲面反射鏡截面圖

圖2 拋物面反射鏡截面圖

1.3 自由曲面反射鏡設(shè)計(jì)原理

圖4為自由曲面反射鏡光線追跡原理圖。其中點(diǎn)O為光源中心點(diǎn)，點(diǎn)P為光源發(fā)出的一束光線與自由曲面反射鏡的一個(gè)交點(diǎn)。假設(shè)點(diǎn)O的坐標(biāo)為(xO，yO，zO)，則其發(fā)出的光線的空間方程可表示為

(1)

式中：s為OP之間的距離；α、β、γ分別為點(diǎn)O發(fā)出的光線沿x軸、y軸、z軸的方向余弦。定義反射鏡曲面在點(diǎn)P處的單位法向量為N(αN,βN,γN)時(shí)，則反射光線單位方向向量為

(2)

式中:iO為光線的入射角，則有：

cosiO=ααN+ββN+γγN

(3)

當(dāng)已知點(diǎn)P的坐標(biāo)(xP，yP，zP)，又可求得經(jīng)反射鏡反射后的光線空間方程：

(4)

式中：s1為點(diǎn)P到屏幕上目標(biāo)點(diǎn)Q的距離值。由式(1)—(4)可知，一旦反射鏡面的位置及形狀固定，點(diǎn)O至反射鏡曲面任一點(diǎn)的單位方向向量、距離和其在反射鏡曲面的單位法向量都已確定，由點(diǎn)O坐標(biāo)可計(jì)算得到點(diǎn)P的坐標(biāo)值，再確定前方測(cè)試屏幕的距離，即可獲得點(diǎn)Q坐標(biāo)值。

圖4 自由曲面反射鏡光線追跡原理圖

1.4 反射鏡校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在LED光源貼片時(shí)，總會(huì)存在誤差，即光源離焦量，離焦量對(duì)光線偏移的影響較嚴(yán)重，因此必須進(jìn)行LED的容差分析，以二維拋物線為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 離焦量對(duì)光型偏移影響

圖5中點(diǎn)O為拋物線焦點(diǎn)處的光源，點(diǎn)O1為偏移Δx后的光源位置，點(diǎn)A、B分別為光源O與O1發(fā)出的相平行的光與拋物面的交點(diǎn)，反射后分別到達(dá)接收屏的點(diǎn)C和點(diǎn)D，l為拋物線在點(diǎn)B處的法線。當(dāng)拋物線方程、偏移量Δx、點(diǎn)A坐標(biāo)值已知時(shí)，點(diǎn)A、B、E的坐標(biāo)值都可以通過(guò)簡(jiǎn)單方程聯(lián)立計(jì)算求得。

現(xiàn)假設(shè)點(diǎn)A坐標(biāo)為(x，y)，點(diǎn)B坐標(biāo)為(x1，y1)，點(diǎn)E坐標(biāo)為(x2，y2)，屏距離y軸為x3，那么光線在屏上的偏移量Δy：

(5)

通過(guò)式(5)可以得到軸向的離焦量引起光線的偏移值。同樣，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型觀察計(jì)算其他方向的離焦量對(duì)光線偏移的影響，這里不做贅述。由圖6可以更直觀地觀察反射鏡與光源的相對(duì)偏差對(duì)光型的影響，可見(jiàn)光源軸向或左右偏移0.3 mm和0.6 mm時(shí)，光型的形狀和位置都發(fā)生了明顯的失真。

圖6 反射鏡與光源的相對(duì)偏差對(duì)光型的影響

該模組對(duì)反射鏡的定位精度及LED的貼片精度有很高的要求，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用設(shè)備修正光學(xué)誤差。

2 系統(tǒng)建模與仿真

通過(guò)LucidShape光學(xué)仿真軟件對(duì)配光系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，為方便反射面的微調(diào)，建模時(shí)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)反射鏡。圖 7(a)、(b)、(c)分別為左前照燈中部分LED的子光型分布圖。

圖7 前照燈部分LED的子光型分布圖

由圖7可知，每顆LED照明的角度區(qū)域都不同，L4光分布的最大照度為48.9 lx；L5光分布的最大照度為51.3 lx；L6光分布的最大照度為59.1 lx。通過(guò)這些子光分布的排列組合，可形成多種無(wú)眩目光分布。

當(dāng)9顆LED全部點(diǎn)亮?xí)r，各LED產(chǎn)生的子光型組合形成普通遠(yuǎn)光分布，如圖8所示。

圖8 左前照燈普通遠(yuǎn)光分布圖

由圖8可知，該光型邊緣截止線較清晰，照度值較高。為進(jìn)一步了解此普通遠(yuǎn)光分布情況，對(duì)其進(jìn)行法規(guī)點(diǎn)模擬測(cè)試，可得表1中結(jié)果，可知普通遠(yuǎn)光滿足GB 25991-2010法規(guī)要求。其中H,V測(cè)試點(diǎn)為屏幕照度分布的(0,0)處，H2-H3、H1-H4為法規(guī)測(cè)試區(qū)域。

表1 普通遠(yuǎn)光的法規(guī)測(cè)試結(jié)果 lx

在前照燈系統(tǒng)處于無(wú)眩目遠(yuǎn)光模式時(shí)，前置圖像傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)前方道路情況，當(dāng)檢測(cè)到前方有其他車(chē)輛時(shí)，會(huì)將位置信號(hào)傳遞給控制器，由控制器關(guān)閉相應(yīng)的LED，使得前方車(chē)輛處于前照燈照明范圍之外，避免駕駛員產(chǎn)生眩目，增加行車(chē)安全性。圖9為含“暗區(qū)”的無(wú)眩目光分布的兩種視角，其中圖9(a)為俯視視角；圖9(b)為駕駛員視角。

由圖9中兩種視角可以明顯看出，該模組產(chǎn)生的無(wú)眩目光光分布截止線清晰，分布均勻，總體效果較好。參考?xì)W盟ECE法規(guī)，對(duì)此前照燈產(chǎn)生無(wú)眩目光分布作模擬測(cè)試，具體如表2所示。

表2中α、β分別表示前方測(cè)試屏水平和垂直方向的角度值，且圖中只列出了右行交通情況下的測(cè)試結(jié)果值。由表2中結(jié)果可見(jiàn)，該無(wú)眩目光分布滿足ECE法規(guī)中的要求，防眩目效果較好。值得一提的是，該前照燈可產(chǎn)生30多種有效的無(wú)眩目光分布，基本滿足道路行駛的需求。

圖9 無(wú)眩目光分布圖

表2 無(wú)眩目光分布的法規(guī)測(cè)試結(jié)果

注：“-”表示光線偏離基準(zhǔn)線向左照射，“+”表示光線偏離基準(zhǔn)線向右照射。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹并設(shè)計(jì)了一種基于反射的矩陣式LED前照燈，既可產(chǎn)生普通遠(yuǎn)光照明分布，又可通過(guò)控制各LED的通斷產(chǎn)生無(wú)眩目光分布，并提出了一種反射鏡的位置可調(diào)的結(jié)構(gòu)，可以得到最優(yōu)化的光型分布，防止生產(chǎn)制造誤差引起光型過(guò)差。通過(guò)LucidShape光學(xué)軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：普通遠(yuǎn)光分布滿足法規(guī)GB 25991-2010要求，且可實(shí)現(xiàn)多種含“暗區(qū)”光分布，達(dá)到防眩目的效果；滿足ECE R123法規(guī)要求，可供防眩目前照燈設(shè)計(jì)參考。