基于ADB汽車前照燈的光學(xué)設(shè)計(jì)

姚紅兵，王宣淇，辛忠華

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.大茂偉瑞柯車燈有限公司，江蘇 常州 213022)

引言

汽車遠(yuǎn)光燈作為汽車照明功能燈具，主要用于夜間照明。遠(yuǎn)光燈的使用不當(dāng)容易造成其他司機(jī)眩目、視盲，有安全隱患。因此在汽車燈具設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)自動(dòng)遠(yuǎn)光防眩目車燈是十分有必要的。傳統(tǒng)的汽車前大燈需要駕駛?cè)藛T手動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近光，但由于相較近光，遠(yuǎn)光燈可以擴(kuò)大視野，所以經(jīng)常出現(xiàn)一些駕駛者到夜晚就打開遠(yuǎn)光燈，這種駕駛習(xí)慣嚴(yán)重影響著車輛行駛安全。

比較早的機(jī)械式遠(yuǎn)光防眩大燈采用了機(jī)械的方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光防眩目，成本較低，其原理為在原有遠(yuǎn)光的基礎(chǔ)上添加擋光板和促動(dòng)器。由于為單通道設(shè)計(jì)，擋光板的移動(dòng)只可擋住射向一輛對(duì)向車輛的光線。多通道設(shè)計(jì)由于機(jī)械轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間而不容易實(shí)現(xiàn)，因此具有很大缺陷和弊端[1-2]。

所謂矩陣LED大燈,即為分組控制單顆LED。它不僅可以實(shí)現(xiàn)多通道防眩目，而且精準(zhǔn)反應(yīng)速度快，但由于成本高，技術(shù)復(fù)雜，難以普及[3]。汽車行業(yè)外媒Driving Vision News CEO Hector Fratty表示雖然就現(xiàn)在而言，安裝ADB系統(tǒng)的車輛只占據(jù)全球汽車市場的1%，但預(yù)計(jì)到2025年，這個(gè)數(shù)字將達(dá)到15%。為了提高精確度，照明供應(yīng)商正在增加矩陣LED像素。Lumileds的Vanderhaeghen表示，目前已經(jīng)有了多種解決方案，從20 LEDs到84 LEDs都有。在2018年洛杉磯車展上，奔馳展示的2018C級(jí)汽車，這輛汽車安裝的就是84 LEDs燈。

本文基于為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光防眩目功能，設(shè)計(jì)了一種以多顆LED作為光源的汽車前照燈ADB光學(xué)模組，由光源、裝飾框、透鏡組及燈殼構(gòu)成?；诜浅上窆鈱W(xué)理論并結(jié)合Snell定律，設(shè)計(jì)光學(xué)部分。通過相應(yīng)的電子設(shè)計(jì)，可達(dá)到對(duì)LED光源不同亮滅組合的實(shí)現(xiàn)。在此條件下建立使光源經(jīng)過透鏡后的出射光線角度與照明屏幕上的坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成不同的光型，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光防眩目功能。

1 ADB前大燈設(shè)計(jì)模型

1.1 ADB配光標(biāo)準(zhǔn)

車燈的配光標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同功能將照明效果使用數(shù)字量化來進(jìn)行分析。對(duì)于汽車前照燈產(chǎn)品，根據(jù)不同的光源，我國分別有GB4599-2007、GB21259-2007及GB25991-2010這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。國標(biāo)的制定主要根據(jù)實(shí)際道路情況參照歐盟ECE配光標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

對(duì)于自適應(yīng)遠(yuǎn)光(ADB)，國標(biāo)目前并沒有明確的規(guī)定和測試方法要求。但在歐標(biāo)ECE R48《關(guān)于在照明和光信號(hào)裝置安裝方面對(duì)機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》和ECE R123《關(guān)于批準(zhǔn)裝有汽車自適應(yīng)前照明系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)定》中，對(duì)這部分有說明。在ECE R123中，說明了ADB在試驗(yàn)室測試時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度要求。當(dāng)光源全部工作時(shí)，需要滿足前照燈法規(guī)中對(duì)普通遠(yuǎn)光光束的配光要求。當(dāng)其工作在自適應(yīng)階段時(shí)，需要滿足表1所示的配光要求[6]。

表1 自適應(yīng)遠(yuǎn)光配光測試標(biāo)準(zhǔn)要求

如為左行交通或該汽車前大燈除ADB模塊，還配有單獨(dú)近光燈并滿足近光燈法規(guī)要求，則B部分就不再適用[7]。

2 模擬結(jié)果和實(shí)物配光

2.1 設(shè)計(jì)過程

2.1.1 劃分子塊，合理利用區(qū)域

為避免由于遠(yuǎn)光燈使用不當(dāng)而導(dǎo)致其他司機(jī)眩目，ADB模組需要在不同情況下可變換不同光型，則設(shè)計(jì)采用多顆LED。本設(shè)計(jì)采用了2個(gè)模組，為2*12顆LED。單個(gè)模組內(nèi)側(cè)透鏡面為與12顆LED一一對(duì)應(yīng)的12塊。為了增大光的利用率，采用雙透鏡設(shè)計(jì)[7-8]，外側(cè)透鏡為非球面透鏡。如圖1為單個(gè)模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖。模組內(nèi)側(cè)透鏡主要負(fù)責(zé)收集上下左右光線打出具有擴(kuò)散角度的光線，并使之經(jīng)過外側(cè)透鏡的焦距，外側(cè)透鏡則負(fù)責(zé)將光線再次收集并擴(kuò)散。在設(shè)計(jì)中，為了使光型連續(xù)且點(diǎn)亮均勻，2個(gè)模組需要相互配合，光型為互相補(bǔ)充。如圖2為單個(gè)模組光型。

圖1 單個(gè)模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖

2.1.2 光線分析，修改參數(shù)

在軟件LucidShape中輸入以上透鏡組、各數(shù)據(jù)及光源參數(shù)，通過光線追跡即可得到25 m遠(yuǎn)的配光屏幕上照度分布圖。采用蒙特卡洛計(jì)算方法進(jìn)行光線追跡，通過不斷修改單個(gè)透鏡的焦距、尺寸，兩透鏡之間距離等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直至在配光屏幕上的遠(yuǎn)光燈照度分布滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 透鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

本設(shè)計(jì)采用非球面透鏡。非球面最簡單的定義為“回轉(zhuǎn)對(duì)稱的不是球面的表面”，該結(jié)構(gòu)曲率半徑隨著中心軸而變化，可以有效地消除在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來的球差，改善圖像質(zhì)量，減少光學(xué)元件，降低設(shè)計(jì)成本。

非球面透鏡的定義方程式為

A4X4+A6X6+A8X8+…

(1)

式中：X為與光軸之間的徑向距離；Z為平行于光軸表面的輪廓；C為曲率半徑的倒數(shù)；K為二次常數(shù)；A4、A6、A8…為第4、6、8…次非球面系數(shù)。其中當(dāng)K=0時(shí)，方程式表示為球面；當(dāng)-1

在此設(shè)計(jì)中，內(nèi)側(cè)透鏡選用雙非球面透鏡，外側(cè)透鏡選用平面-非球面透鏡，對(duì)于平面-非球面透鏡，設(shè)凸透鏡厚度為d，出射光線與非球面的交點(diǎn)距光軸為y，距光心的水平距離為x,由費(fèi)馬原理得：

(2)

令ci=ni+f

(3)

則(f+d-x)2+y2=(c1-nix)2

(4)

(5)

顯然，此為雙曲線方程，因而此非球面為旋轉(zhuǎn)雙曲面[9-10]。圖3為平面-非球面透鏡成像基本原理圖。圖中發(fā)光點(diǎn)位置均為焦點(diǎn)。

圖3 平面-非球面透鏡光成像光路圖

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果模擬

LED光源應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求從電壓、電流、結(jié)溫、熱阻、色溫等多方面進(jìn)行衡量選擇，是LED汽車車燈光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。光源應(yīng)選擇結(jié)溫較高并易于散熱的LED芯片，并要求LED光電參數(shù)穩(wěn)定一致，色溫在3 000 K～5 000 K，光強(qiáng)衰減小于20%[11-12]。

本設(shè)計(jì)選取OSRAM OSLON Compact系列，型號(hào)為LUW_CEUP，光通量選用250 lm，其光色為白色，色坐標(biāo)符合GB標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)光角度為120°，工作溫度范圍為-40℃～125 ℃，最大結(jié)溫為150℃。該類型號(hào)LED利用先進(jìn)的封裝技術(shù)，尺寸僅為2 mm×1.5 mm，有效的減小了ADB模組的尺寸。

當(dāng)全部LED工作時(shí)，最終得到的模擬結(jié)果如圖4所示。照度最大值為11 lx，該模組光學(xué)系統(tǒng)效率為35.7%，利用LucidShape LID光型分布情況可檢測各個(gè)測試點(diǎn)，該結(jié)果滿足ECE R112 class B標(biāo)準(zhǔn)要求，如表2所示。

圖4 模擬發(fā)光強(qiáng)度光型圖

表2 各測試點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度

2.4 實(shí)物加工及配光測試

對(duì)于汽車照明的光學(xué)組件，大多數(shù)選擇塑料模造非球面透鏡。采用注射-壓縮成型法，其在注射時(shí)模具型腔的體積大于最終體積，利用填充于模具型腔內(nèi)的樹脂因冷卻的體積收縮，在外部施加力使收縮部分得到了補(bǔ)償。此種方法由于局部不會(huì)發(fā)生殘留應(yīng)變，可滿足光學(xué)透鏡的光學(xué)均一性[13]。

ADB模組外側(cè)透鏡即選擇這種非球面透鏡，塑料類型為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，透過率為92%，密度為普通硅的50%左右，而力學(xué)強(qiáng)度為普通硅玻璃的50%以上，熔點(diǎn)為253℃。對(duì)于該模組內(nèi)側(cè)透鏡，由于LED單顆光通量較高且數(shù)量較多，為有效地提高散熱性能，采用硅質(zhì)透鏡[14]。

模組加工完成后，可采用三坐標(biāo)測量機(jī)來檢測其精度是否合格。三坐標(biāo)測量機(jī)通過其測頭探針，在樣件表面逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，受到反作用力使自身形變，測頭探針作為傳感器將信息傳送于計(jì)算機(jī)，在經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算后，得到稱之為“云點(diǎn)”的大量密散的測量值[15]。

將實(shí)際加工的ADB模組安裝至車燈上。利用汽車燈具配光機(jī)LMT GO-H-1660對(duì)其進(jìn)行光域掃描，如圖5所示。該裝置測光探頭已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，相對(duì)誤差均不大于±1.5%。

圖5 旋轉(zhuǎn)測試法對(duì)各測試點(diǎn)測量

如圖6和表3所示，為光域掃描后得到的實(shí)物整體光型及各個(gè)測試點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度。此結(jié)果為將全部LED點(diǎn)亮的結(jié)果，考慮測量儀器相對(duì)誤差后，其仍可滿足遠(yuǎn)光燈法規(guī)要求。

圖6 實(shí)際發(fā)光強(qiáng)度光型圖

3 結(jié)論

基于Snell定律及非成像光學(xué)理論，設(shè)計(jì)了可以主動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)光光束而避免給其他道路使用者造成眩目的ADB光學(xué)系統(tǒng)。通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)其實(shí)物配光性能測試，所設(shè)計(jì)前照燈ADB光學(xué)系統(tǒng)滿足相應(yīng)法規(guī)要求。

表3 配光標(biāo)準(zhǔn)判斷