反射式ADB模組的光學(xué)設(shè)計

于存勝,姚紅兵,黃立敏,楊夏軍,呂萬育

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.河海大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.常州星宇車燈股份有限公司,江蘇 常州 213000)

隨著我國個人汽車保有量逐年逐漸提升，夜間汽車行駛的安全問題也變得日益突出。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)光光學(xué)系統(tǒng)出射的遠(yuǎn)光光束呈靜態(tài)分布，照明條件太過單一且需要手動切換，不能滿足夜間復(fù)雜道路條件下的行車安全需要。自適應(yīng)遠(yuǎn)光系統(tǒng)(Adaptive Driving Beam，ADB)可以通過單個LED的停用或調(diào)暗，有選擇地遮蔽其他道路使用者占據(jù)的遠(yuǎn)光露出空間，有效解決了傳統(tǒng)遠(yuǎn)光開啟時產(chǎn)生的眩目效應(yīng)。相較于傳統(tǒng)遠(yuǎn)光光學(xué)系統(tǒng)，擁有ADB光學(xué)系統(tǒng)的車輛不僅能夠給駕駛員帶來更好的視覺效果，還能夠改善駕乘體驗，減少夜間交通事故發(fā)生概率[1-2]。

基于ADB光學(xué)系統(tǒng)獨有的特點，本文提出了一種以數(shù)顆LED作為光源的反射式ADB光學(xué)模組。該光學(xué)模組的組成包括多顆LED光源、自由曲面、燈板和散熱器。該方法以非成像理論為基礎(chǔ)，先將所需目標(biāo)照度面進(jìn)行劃區(qū)域處理，同時建立出射光線與各基礎(chǔ)配光區(qū)的對應(yīng)坐標(biāo)關(guān)系，然后結(jié)合折反射定律依次計算出各自由曲上的離散點坐標(biāo)。該方法合理地劃分遠(yuǎn)光光型分布區(qū)域和基礎(chǔ)反射面，調(diào)整并優(yōu)化了各子塊的面型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)光法規(guī)的配光要求。

1 ADB配光標(biāo)準(zhǔn)

目前關(guān)于LED前照燈遠(yuǎn)光法規(guī)主要包括GB 25 991-2010《汽車用LED前照》、GB/T30036-2013《汽車用自適應(yīng)前照明系統(tǒng)》。由于對自適應(yīng)前照燈的測試評價方法的研究還不夠成熟，目前關(guān)于ADB照明系統(tǒng)并沒有明確的法規(guī)測試標(biāo)準(zhǔn)[3]，只有在最新版本的歐洲汽車技術(shù)法規(guī)ECE R48《關(guān)于在照明和光信號裝置安裝方面對機(jī)動車輛進(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，對自適應(yīng)遠(yuǎn)光系統(tǒng)設(shè)置了明確的規(guī)定和具體的測試方法要求[4-5]。

ECE R123中對于ADB的法規(guī)測試分為系統(tǒng)最大激活條件和自適應(yīng)階段兩種模式。當(dāng)其工作系統(tǒng)在最大激活條件(LED光源全部點亮)模式時，只需滿足前照燈法規(guī)中對普通遠(yuǎn)光光束的配光要求即可。當(dāng)工作在自適應(yīng)階段模式時，則需要滿足下表的配光法規(guī)要求[6]。根據(jù)我國實際道路行駛規(guī)則，ECE R123中對右行駕駛的要求法規(guī)如表1所示。

表1 自適應(yīng)遠(yuǎn)光配光測試標(biāo)準(zhǔn)要求Table 1. Standard requirements for adaptive high beam distribution test

2 反射面設(shè)計及配光分析

2.1 劃分基礎(chǔ)反射子塊與分段設(shè)計

由ADB工作原理可知，為合理使用遠(yuǎn)光燈，避免對對向駕駛員產(chǎn)生眩目效果，ADB模組的主要工作模式為：通過各個基礎(chǔ)反射面出射光型的相互疊加來變換形成各種不同亮暗組合的遠(yuǎn)光光型。本設(shè)計采用左右側(cè)ADB模組，共使用2×2顆4芯片LED。在單獨遠(yuǎn)光的基礎(chǔ)上，將遠(yuǎn)光分布區(qū)域-15.2°～15.2°劃分為16個基礎(chǔ)分區(qū)。左側(cè)ADB模組實現(xiàn)的分區(qū)范圍為-15.2°～6.4°，共涉及8個分區(qū)，左右側(cè)模組光型分區(qū)為鏡像關(guān)系，每顆LED芯片對應(yīng)的遠(yuǎn)光分布范圍如表2所示。為實現(xiàn)上述遠(yuǎn)光配光要求，保證光型疊加后的均勻性，單個ADB模組內(nèi)設(shè)有2個基礎(chǔ)反射面共15個子塊，分為上下兩行，如圖1所示。上述反射面子塊主要是將LED出射的光線進(jìn)一步收集，并使之有序反射成具有一定擴(kuò)散角度的出射光線，以實現(xiàn)精細(xì)照明[6-7]。

圖1 基礎(chǔ)反射面的劃分Figure 1. Division of the base reflecting surface

表2 遠(yuǎn)光分布區(qū)域的劃分Table 2. Division of high beam distribution area

2.2 自由曲面反射面設(shè)計基礎(chǔ)

自由曲面的求取分為以下步驟：利用能量守恒和折射定律，建立入射光線和出射光線的映射關(guān)系；然后利用給定的邊界條件和所有已知曲率關(guān)系來求取對應(yīng)的離散點；最后將離散點擬合成所求自由曲面。

以LED光源發(fā)光點作為原點，建立二維平面坐標(biāo)系，以LED光線出射方向作為Z軸，如圖2所示，其折反射定律的矢量形式表達(dá)式為

圖2 入射光線和出射光線的幾何關(guān)系Figure 2. Geometric relationship between incident light and outgoing light

(1)

式中，In、Out、N均為二維坐標(biāo)向量形式，In和Out分別為入射光線和出射光線的單位矢量形式；N為自由曲面在某一點的單位法向量；n為自由曲面外部介質(zhì)折射率。

在對自由曲面發(fā)射面上的離散點求解時，假設(shè)θ(i)是LED發(fā)射一條出射光線與X軸的夾角，該出射光線和自由曲面反射面的交點為A點，經(jīng)自由曲面反射后與目標(biāo)照明面的交點為B點，其中LED光源的位置到目標(biāo)照明面的距離為H，則入射光線的單位向量In的矢量表達(dá)式為[8]

In=(cosθ(i),sinθ(i))

(2)

出射光線的單位向量Out的矢量表達(dá)式為

(3)

式中，z′(i)為目標(biāo)照明面上的橫坐標(biāo)。

結(jié)合折反射定律，當(dāng)n=1時，求得自由曲面上一點A點單位法向量N(a,b)[9]為

(4)

在以上求解過程中，計算出LED出射光線與自由反射面初始交點A0處的單位法向量N0。由關(guān)系式N·T= 0可求出該點處的切向量方程T0。聯(lián)立以上切線方程和LED下一條出射光線方程得到下一點A1。依次不斷進(jìn)行數(shù)值迭代即可求出自由反射面上的所有離散點坐標(biāo)[10]，然后將各離散點輸入到3D建模軟件中進(jìn)行反射面的擬合。擬合后得到的各子塊自由曲面組合，如圖3所示。

圖3 各子塊自由曲面組合Figure 3. Free-form surface combination of each sub-block

不斷地對自由曲面反射面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直至在25 m遠(yuǎn)處配光屏幕上遠(yuǎn)光照度的光型分布達(dá)到所需設(shè)計要求。然后將優(yōu)化后得到的各光學(xué)自由曲面子塊與其他整燈部件進(jìn)行組合，最終形成的ADB自由曲面裝配實體，如圖4所示。

圖4 建模實體圖Figure 4. Modeling entity diagram

2.3 設(shè)計結(jié)果模擬分析

合理選擇LED光源是車燈設(shè)計的重要組成部分，應(yīng)著重從光效、封裝熱阻、色溫、壽命等方面考慮。光源應(yīng)選擇封裝熱阻低并且光效高的LED芯片，同時在一定的環(huán)境溫度下LED光電參數(shù)應(yīng)趨于穩(wěn)定一致，色溫在4 700 K附近，光強衰減不應(yīng)大于20%[11]。

本文設(shè)計選用OSRAM OSLON Black Flat S系列，型號為KW HKL531，光通量選用960 lm，光色為白色且色度特性符合GB4785的規(guī)定，發(fā)光角度典型值為120°，最大結(jié)溫為150 ℃，正常工作的溫度范圍為-40～125 ℃。由于采用了特殊的封裝技術(shù)，使其發(fā)光面尺寸僅為1.03 mm×1.03 mm，給自由反射面設(shè)計留有較大的靈活度，更有利于精簡ADB模組整體結(jié)構(gòu)尺寸。

當(dāng)該系統(tǒng)處于最大激活條件，LED光源全部工作時，單個左側(cè)ADB模組遠(yuǎn)光光型模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 最大激活條件下的模擬光分布圖Figure 5. Simulated light distribution map under maximum activation conditions

由圖5可以看出，該ADB模組光學(xué)系統(tǒng)的效率為33.8%，接收屏幕上的最大照度為135 lx，橫向角度展寬為23°，縱向角度展寬為8.5°。該結(jié)果不僅符合遠(yuǎn)光法規(guī)對光型分布寬度要求，也提供了較高的中心照度數(shù)值，滿足了夜間行車對視野范圍和路面照度的需要。

利用Lucidshape法規(guī)判定模塊LID Measure Test Table自動檢測各測試點具體法規(guī)數(shù)值，各測試點具體數(shù)值如表3所示。

表3 各測試點模擬照度值Table 3. Simulated illumination value of each test point

由表3可以看出，模擬得到的各測試點數(shù)值均符合遠(yuǎn)光法規(guī)要求，驗證了自由曲設(shè)計的可行性。

當(dāng)該系統(tǒng)處于自適應(yīng)模式時，通過單個不同LED芯片的停用或調(diào)暗，可以形成不少于20種的亮暗分布模式。以下給出一種自適應(yīng)模式下芯片亮滅組合方式，當(dāng)LED芯片chip5、chip6、chip7停用時，該系統(tǒng)在這種亮暗模式下光型和亮度分布如圖6和圖7所示。

圖6 一種自適應(yīng)模式下的模擬光分布圖Figure 6. Simulated light distribution map in an adaptive mode

圖7 一種自適應(yīng)模式下的模擬亮度分布圖Figure 7. Simulated brightness map in an adaptive mode

由圖6和圖7可以看出，當(dāng)ADB系統(tǒng)工作在此自適應(yīng)模式下時，亮度圖中間形成一個寬度約2.5°的暗區(qū)。兩車相會時，此暗區(qū)的形成能有效避免對對向駕駛員造成眩光刺激，且不影響駕駛員行車道路方向其他區(qū)域的照明視野，能較大程度改善駕駛員的夜間駕駛體驗。

3 樣件加工及配光測試

汽車照明光學(xué)元件一般都是由復(fù)雜、無軸對稱的異性自由曲面拼接形成，拼接面之間不可避免地會存在一些尖銳的棱角，因此傳統(tǒng)的切削和拋光工藝已經(jīng)很難保證自由曲面面形的精度[12]。目前常用多軸超精密金剛石銑削來加工自由曲面光學(xué)元件，并通過標(biāo)準(zhǔn)工件對所建立的刀具誤差模型進(jìn)行驗證，不斷降低自由曲面光學(xué)元件加工誤差，去除以上加工方式所產(chǎn)生的不利性刀紋。將加工完成后的光學(xué)元件，進(jìn)行拋光鍍鋁處理，以提高反射面的反射率，增大系統(tǒng)光效[13-14]。加工完成后的樣件實體如圖8所示。

圖8 ADB模組樣件正視圖Figure 8. ADB module prototype front view

ADB模組實物加工完成后，一般采用三坐標(biāo)測量機(jī)來測試自由曲面的加工精度。三坐標(biāo)測量機(jī)的工作原理為：通過高精度測頭感應(yīng)器沿著樣件表面進(jìn)行逐點運動，將探針的受力的大小和方向經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成空間三維坐標(biāo)點，并在三維軟件中構(gòu)建測試出的面形。通過對比測試面形與設(shè)計面形的誤差，為后續(xù)面形的優(yōu)化和修改提供方案[15-16]。

如圖9所示，本文使用型號為GO-HD5的國產(chǎn)遠(yuǎn)方配光機(jī)對實際加工出來的反射式ADB模組進(jìn)行光型掃描測試[17]。該裝置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角精度可以達(dá)到±0.01°，25 m處探頭精度達(dá)到0.01 lx 。

圖9 旋轉(zhuǎn)測試法對各測試點測量Figure 9. Rotate test method to measure each test point

通過以上配光機(jī)掃描后，得到ADB模組實物光型圖及各個測試點法規(guī)值[18-19]。當(dāng)ADB模組處于最大激活條件(LED光源全部點亮)時，該模組實測光學(xué)系統(tǒng)的效率為34.3%，接收屏幕上的最大照度為134 lx，如圖10和表4所示。排除測量儀器和實際加工的相對誤差，實際測得的光型仍能滿足遠(yuǎn)光燈法規(guī)要求。

圖10 最大激活條件下的實測光分布圖Figure 10. Actual light distribution map under maximum activation conditions

表4 實際測試點照度值Table 4. Illumination value of actual test point

由圖10表4和可以看出，實際樣件ADB模組光學(xué)系統(tǒng)的效率為33.4%，接收屏幕上的最大照度為134 lx，實際測試橫向角度展寬為22°，縱向角度展寬為7°。各測試點數(shù)值均符合遠(yuǎn)光法規(guī)要求，光分布寬度及效率與模擬測試結(jié)果基本保持一致，表明實際產(chǎn)品能夠為駕駛?cè)藛T提供良好的行車照明條件。

當(dāng)該系統(tǒng)處于自適應(yīng)模式，并且LED芯片chip5、chip6、chip7停用時，實際測試得到的光型和亮度分布如圖11和圖12所示。

圖11 一種自適應(yīng)模式下的實測光分布圖Figure 11. Actual light distribution map in an adaptive mode

圖12 一種自適應(yīng)模式下的實測亮度分布圖Figure 12. Actual brightness map in an adaptive mode

由圖11和圖12可以看出，當(dāng)ADB系統(tǒng)工作在此自適應(yīng)模式下實際點亮?xí)r，配光屏幕左側(cè)形成一個寬度約2°的暗區(qū)，實際點亮和模擬得到的亮斑分布情況一致，證明產(chǎn)品設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

本文基于折反射定律和非成像光學(xué)理論，設(shè)計了一種通過單個LED停用或調(diào)暗以形成無眩光區(qū)域的反射式ADB模組。在LED最大激活條件下，該模組實物的有效光利用率達(dá)到33.4%，各測試點數(shù)值均符合遠(yuǎn)光法規(guī)要求。在自適應(yīng)模式下，該模組也能通過LED停用形成數(shù)種亮暗光斑的組合，在夜間會車時，能有效避免對對向駕駛員產(chǎn)生眩光刺激，改善駕乘體驗，減少夜間交通事故的發(fā)生率。