汽車前照燈系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)原理及方法

張志超

摘? 要：隨著汽車行駛速度的提高，必須提升汽車的照明條件，汽車燈生產(chǎn)廠將高科技應(yīng)用于車燈的設(shè)計(jì)制造，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車照明設(shè)計(jì)受到了人們的關(guān)注。該文介紹了汽車照明燈系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)原理及方法，通過實(shí)例論證了利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的效果。

關(guān)鍵詞：汽車前照燈? 光學(xué)設(shè)計(jì)? 系統(tǒng)? 原理

中圖分類號：O439? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0085-02

隨著汽車行駛速度的提高，必須提升汽車的照明條件，汽車燈生產(chǎn)廠將高科技應(yīng)用于車燈的設(shè)計(jì)制造，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。目前我國轎車車燈以仿制為主，1988年底投產(chǎn)的某汽車公司轎車車燈由國外設(shè)計(jì)提供模具，國外對汽車車燈計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)已有多年研究，目前世界上僅少數(shù)車燈制造大廠有設(shè)計(jì)軟件，國內(nèi)車燈制造行業(yè)尚無完善的自主設(shè)計(jì)手段。

1? 汽車前照燈的研究

1.1 前照燈的光源

隨著時代的快發(fā)展，汽車前照燈光源不斷更新，光源的效率與壽命不斷提升。早期汽車前照燈用煤油作光源，不能滿足路面照明要求。乙炔燈通過點(diǎn)燃乙炔氣體實(shí)現(xiàn)照明，乙炔燈亮度較煤油燈高，但經(jīng)濟(jì)性差[1]。白熾燈以其亮度高的優(yōu)點(diǎn)速度應(yīng)用到照明的各領(lǐng)域，白熾燈是由電流通過鎢絲產(chǎn)生熱量，燈泡達(dá)到白熾狀態(tài)發(fā)出亮光。產(chǎn)生熱量同時燃燒了鎢絲，其壽命較短。

鹵鎢燈是填充氣體內(nèi)含部分鹵族元素的充氣白熾燈，延長了鹵鎢燈的壽命，氙氣燈發(fā)光原理為鎮(zhèn)流器將電極兩端電壓瞬間提升到2萬V，擊穿氙氣產(chǎn)生亮度極大的光芒，氙氣燈耗材及壽命超越白熾燈，LED燈具有壽命長，啟動快等系列優(yōu)點(diǎn)，飛利浦，日亞等公司都加大LED技術(shù)的研發(fā)力度，LED被人們逐漸應(yīng)用到汽車照明領(lǐng)域?，F(xiàn)在已有汽車公司將LED應(yīng)用于汽車前照燈上，LED仍存在單顆光能量不足的難題，LED的配光，眩光與可見度特性都超過鹵鎢燈，LED色度不能滿足現(xiàn)有汽車前照燈的標(biāo)準(zhǔn)，LED可提供足夠的可見度。LED會比HID產(chǎn)生更多的不舒適的眩光。

1.2 汽車前照燈的分類

汽車前照燈可分為投射式與反射式。反射式前照燈可分為拋物型與自由曲面型，拋物型不符合車身的流線設(shè)計(jì)，自由曲面型可很好的克服其問題。投射式前照燈由光源，遮光板，反射器與光學(xué)透鏡組成，光學(xué)透鏡采用非球面透鏡，光源放在橢圓的第一焦點(diǎn)，透鏡的焦點(diǎn)與橢圓的第二焦點(diǎn)重合。投射式前照燈截止線由遮光板決定，遮光板遮住一些光線，使得投射式前照燈光利用率有所下降。

自由曲面前照燈由光源，反射器與配光鏡組成，其最大特點(diǎn)是配光任務(wù)由自由曲面反射器完成。配廣汽僅作為前照燈的外部密封?，F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)可節(jié)省油耗量，車燈的設(shè)計(jì)空間逐漸減小，自由曲面前照燈配光鏡無需承擔(dān)配光任務(wù)，更符合車型的設(shè)計(jì)。曲面前照燈無遮光罩，為道路提供了更安全的照明。其缺點(diǎn)是難以形成清晰的明暗截止面。

1.3 前照燈設(shè)計(jì)

用LED作為光源的前照燈是目前設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，必須采用多顆LED光源方可達(dá)到配光要求，下圖為小功率LED前照燈，可同時實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光，遠(yuǎn)光燈時開啟15個0.5W的LED，近光時開啟14個0.5W的LED，前照燈的仿真結(jié)果滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)。具有光能利用率高等優(yōu)點(diǎn)（見圖1）。

2? 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

帶配光鏡的車燈系統(tǒng)由光源，反射鏡與配光鏡組成，汽車近光燈的配光主要有ECE與SAE兩種標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)主要采用ECE標(biāo)準(zhǔn)，帶配光鏡的前照燈系統(tǒng)光源多采用H4的雙燈絲燈泡，國內(nèi)前照燈反射鏡面型多為拋物面[2]。

燈絲位置的幾何形狀可建立其數(shù)學(xué)面型，如將長螺旋狀燈絲視為柱狀光源，每個小單元做點(diǎn)光源處理，m=INT（L/2R），劃分后每個小單元長度與直徑近似，取其中心點(diǎn)為發(fā)光點(diǎn)，第n塊小單元的中心坐標(biāo)為Xon=L×n/m-L/2m-L/2，誤差可控在允許接受范圍內(nèi)，其第n塊小單元的中心坐標(biāo)為：

Xon=（L×n/m-L/2m-L/2）×cosθ，Zwm=（L×n/m-L/2m-L/2）×sinθ，其原點(diǎn)在遠(yuǎn)光燈絲中心。

P1是遠(yuǎn)光燈絲的中心到安裝面的距離。P2是到涂覆層的距離，d1是燈泡直徑。在近光燈絲下有從斜側(cè)方切a1角的配光屏，可形成水平與向上斜15°的陰暗截止線，角度分布在180°+a1至360°范圍內(nèi)的光線被遮住。當(dāng)π+a1

反射鏡通常采用單一曲面反射鏡，目前國內(nèi)車燈反射面大多為單一曲面。圖3光源發(fā)出空間光線方程為：X=X0+axt，Y=Y0+βxt，Z=Z0+γxt，t為原點(diǎn)到光線與拋物面焦點(diǎn)距離，以頂點(diǎn)為原點(diǎn)拋物面的方程為：y2+z2=4fx， cosio=ααN+ββN+γγN，求得其反射面交點(diǎn)及法矢量（見圖3）。

配光鏡的設(shè)計(jì)直接影響光斑的形狀，為使經(jīng)反射器光線擴(kuò)散，配光鏡花紋為光學(xué)元件，經(jīng)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)達(dá)到符合ECE標(biāo)注的配光效果。用于配光鏡設(shè)計(jì)的透鏡種類有6種，都滿足一定光線偏轉(zhuǎn)要求。

圓柱面透鏡為垂直放置，楔形塊的作用是使光線偏移，楔形塊具有兩個方向的傾斜角度使光線偏移，水平方向不等厚的圓柱面透鏡，為圓柱面透鏡與楔形塊疊加。

有3種透鏡由圓柱面透鏡與楔形透鏡兩種基本類型組成，只需計(jì)算兩種光學(xué)元件的參數(shù)，即可確定配光鏡花紋的初始結(jié)構(gòu)。圓柱面透鏡需計(jì)算柱面半徑R，根據(jù)要求擴(kuò)散角度δ0通過近似光路計(jì)算公司計(jì)算初始R與a，計(jì)算出角度δ，用迭代的方法逐步逼近要求的值。

各區(qū)的透鏡類型基本符合6種類型。通過觀察屏幕上的點(diǎn)列圖分布，可知都經(jīng)對平行光的實(shí)際偏轉(zhuǎn)與要求差值很小。確定用迭代法逼近求出初始結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差可滿足實(shí)際計(jì)算需求?？筛鶕?jù)光線空間計(jì)算方法，得到特定小單元后的折射光線。

3? 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

利用軟件設(shè)計(jì)桑塔納前照燈近光照明，桑塔納前照燈近光照明燈泡功率為50W，反射鏡頂點(diǎn)到遠(yuǎn)光燈絲中心距離為23mm，配光鏡頂點(diǎn)在y軸偏轉(zhuǎn)角為11.8°，測試屏與車燈系統(tǒng)距離為25m。

運(yùn)用軟件計(jì)算前，將燈泡的參數(shù)輸入程序，可通過數(shù)據(jù)庫直調(diào)入部件參數(shù)，程序建立包括常用部件的車燈系統(tǒng)簡單數(shù)據(jù)庫。根據(jù)光源模擬結(jié)果產(chǎn)生3萬條隨機(jī)光線，得出每條光線的空間方程，求出其折射光線，其與測試屏相交。屏幕網(wǎng)格間距為5°。

繪制完點(diǎn)列圖后，進(jìn)行測試屏的能量計(jì)算，此例中指定等值線為18lx，16lx，14lx……共9段，將屏幕上各點(diǎn)照度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的顏色灰度。計(jì)算得到最大照度為19·168lx，計(jì)算誤差為3.2%。

4? 結(jié)語

LED汽車前照燈與AFS是未來車燈的發(fā)展趨勢，目前我國車燈技術(shù)水平與國外相比仍存在一定差距。自主創(chuàng)新能力有待提升。我國車燈檢測技術(shù)需不斷改進(jìn)。該文設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與校驗(yàn)功能，有望為汽車燈具行業(yè)車燈設(shè)計(jì)提供有效幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱維濤.汽車前照燈系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005（9）：971-975.

[2] 賀姝慜. LED汽車前照燈的光學(xué)設(shè)計(jì)[D].深圳大學(xué)，2016.