前照燈雙反射鏡近光截止線模糊原因探討及對策

李祥兵，楊偉民，劉 興

（神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050）

車燈近光截止線的品質(zhì)直接影響駕駛員的視覺舒適性和行車安全。駕駛員在夜間開車過程中，如果近光截止線太清晰，雖然可以保證近光能照得足夠遠(yuǎn)、足夠?qū)?，但長時(shí)間駕駛后，駕駛員會(huì)有視覺疲勞的問題，特別是對于氙氣前照燈和高功率LED前照燈。如果截止線太模糊，在開車過程中，駕駛員會(huì)感覺前方昏暗，照距和照明寬度無法保證，直接影響駕駛安全。因此，很多主機(jī)廠會(huì)對截止線采用主觀評價(jià)的方式來評價(jià)是否接受。通常情況下，車輛出現(xiàn)截止線模糊的概率較大，而且這對行車的安全危害更嚴(yán)重，但在車燈設(shè)計(jì)過程中，特別是反射式LED近光雙反射鏡設(shè)計(jì)過程中，由于受到多種因素的影響（光學(xué)面結(jié)構(gòu)、注塑和鍍鋁等），截止線品質(zhì)一直很難保證滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致工業(yè)化階段需要花費(fèi)大量的時(shí)間去調(diào)整和優(yōu)化，因此，需要對影響近光截止線品質(zhì)的相關(guān)因素進(jìn)行梳理，已確定一種具有普適性的解決方法。

1 前照燈近光截止線形成機(jī)理

在ECE（歐標(biāo)）和GB（國標(biāo)）中，均未給出前照燈近光明暗截止線清晰度品質(zhì)的評判要求。目前國家機(jī)動(dòng)車檢測中心和各生產(chǎn)廠家只能用極其模糊的語言來描述截止線品質(zhì)為清晰、較清晰和不清晰，平直、較平直和不平直等，這些主觀而模糊的語言由于沒有定量描述，導(dǎo)致在實(shí)際改進(jìn)中也面臨困難。比如在GB 4599中，對于前照燈近光截止線除了配光值要求外（主要是2250L、1125L、HV、H2、H3），沒有其他定義要求。實(shí)際上，在整車廠車輛下線時(shí)，需要對截止線的品質(zhì)進(jìn)行檢查，而截止線的清晰度直接決定了近光截止線的拐點(diǎn)能否被光檢臺捕捉。如果截止線不清晰，水平段不平直或存在多個(gè)拐點(diǎn)等，前束臺捕捉光標(biāo)就會(huì)來回跳動(dòng)，導(dǎo)致燈寬或燈高不合格。

近光截止線的形成方式多種多樣，每種方式的截止線品質(zhì)也存在差異。通常，截止線的形成方法有以下幾種。

1）由反射碗的型面實(shí)現(xiàn)的截止線。這種方式主要通過反射碗的拋物面進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，最終使光源經(jīng)過拋物面后，形成15°明暗截止線，一般用于傳統(tǒng)的反射式鹵素前照燈以及目前流行的反射式LED前照燈上。

2）由遮光板實(shí)現(xiàn)。即通過光源前方的遮光板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來形成截止線。這種方式一般用于投射式前照燈模組上，主要以鹵素前照燈居多，一般形成45°截止線。由于投射式前照燈的模組一般為模塊件，截止線一般都比較清晰。

3）通過遮蔽的方式來實(shí)現(xiàn)。這種方式一般通過遮蔽前照燈內(nèi)部的部分LED光源，在車輛前方形成暗區(qū)并構(gòu)建明暗截止線，LED光源數(shù)量較多，并經(jīng)常用于矩陣前照燈上。

4）通過合成的方式來實(shí)現(xiàn)。對于近光采用多個(gè)模組來實(shí)現(xiàn)的前照燈，其截止線一般通過2個(gè)或多個(gè)模組來實(shí)現(xiàn)。比如，對于2個(gè)模組形成近光的前照燈，其中一個(gè)模組形成截止線，另外一個(gè)模組進(jìn)行補(bǔ)光或者2個(gè)模組都形成截止線。

這4種方式的截止線品質(zhì)，相比較而言，反射式前照燈的截止線一般比透射式要差一些，這主要是因?yàn)橥渡涫角罢諢舻哪＝M一般是一個(gè)很成熟的模組，其模組本身的截止線品質(zhì)基本可以做到一種比較清晰的狀態(tài)，否則在不同造型特征的前照燈上使用時(shí)，整燈的截止線品質(zhì)將很難保證。

本文以標(biāo)致某款前照燈的開發(fā)為例，重點(diǎn)闡述反射式LED前照燈近光明暗截止線模糊產(chǎn)生的原因及解決方案。

2 某項(xiàng)目近光截止線模糊的原因

標(biāo)致某項(xiàng)目前照燈采用反射式LED前照燈設(shè)計(jì)，近遠(yuǎn)光分別由2個(gè)反射式發(fā)光單元構(gòu)成。對于近光，截止線形成方式為靠近翼子板區(qū)域的反射碗用于形成15°截止線，靠近保險(xiǎn)杠的近光反射碗用于形成水平段截止線，并給15°和水平段的截止線進(jìn)行補(bǔ)光。在開發(fā)過程中，曾出現(xiàn)截止線模糊導(dǎo)致整車廠前束無法正確捕捉到截止線拐點(diǎn)和捕捉光標(biāo)總是出現(xiàn)水平或垂直方向來回跳動(dòng)的情況，導(dǎo)致燈寬無法調(diào)整合格。該前照燈在配光室內(nèi)觀察時(shí)，肉眼也可發(fā)現(xiàn)近光截止線比較模糊。

該前照燈結(jié)構(gòu)比較簡單。遠(yuǎn)近光的功能布置見圖1，其中遠(yuǎn)近光反光鏡（采用PC材料）與反射鏡支架（ABS）鏈接，而反射鏡支架與3個(gè)固定點(diǎn)連接，這3個(gè)固定點(diǎn)主要用來進(jìn)行調(diào)光。光源散熱器采用鋁制材料。前照燈光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系如圖1所示，反射式LED前照燈的內(nèi)部關(guān)系如圖2所示。

圖1 前照燈光學(xué)系統(tǒng)組成

基于圖2分析，得出影響截止線品質(zhì)的物理系統(tǒng)有LED光源、電路板、反光鏡、支架和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過采用樹形圖來對原因進(jìn)行剖析，最終識別出7個(gè)關(guān)鍵影響因素，如圖3所示。

圖3 基于樹形圖識別的關(guān)鍵影響因素

2.1 LED亮度

光源的亮度直接決定了近遠(yuǎn)光的亮度。在GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中規(guī)定，LED前照燈應(yīng)使用低UV輻射形式的LED模組，或者光學(xué)模組使用抗UV輻射的防護(hù)。低UV輻射的LED模組應(yīng)滿足如下要求：

式中：S（λ）——光譜效應(yīng)權(quán)益函數(shù)，l；km——發(fā)光體最大發(fā)光功效極限值，km=683lm/W。

在LED選型過程中，如果LED本身的功率低于設(shè)計(jì)要求，會(huì)導(dǎo)致近光點(diǎn)亮昏暗，近光截止線明暗對比度降低，視覺上會(huì)形成昏暗的感覺。另外，LED本身是一種溫濕敏感元件，在較高的環(huán)境溫度下，比如70℃以上，由于LED驅(qū)動(dòng)本身的熱保護(hù)啟動(dòng)，光通量會(huì)出現(xiàn)較大的衰減，在這種情況下，也會(huì)導(dǎo)致近光截止線明暗度降低，截止線模糊，因此，在設(shè)計(jì)階段，要確保近遠(yuǎn)光的散熱性能達(dá)標(biāo)，保證穩(wěn)定的光學(xué)性能。

2.2 光源位置精度控制

光源的位置主要涉及電路板與反光鏡的相對位置關(guān)系。本項(xiàng)目為反射式LED前照燈，電路板上LED光源與反射鏡焦點(diǎn)之間的相對位置也影響截止線的品質(zhì)。反射式車燈的反光鏡一般為半拋物線曲面，因此，其光源的位置需要位于拋物線的焦點(diǎn)位置，這樣光源發(fā)出的光經(jīng)過反射鏡后就會(huì)呈現(xiàn)平行光或聚合的光線，否則就會(huì)形成雜散光，截止線上方出現(xiàn)較多的亮斑而導(dǎo)致截止線模糊。通常，在設(shè)計(jì)階段，LED光源一般位于焦點(diǎn)的理論位置，但在實(shí)際的操作過程中，由于反光鏡的變形，電路板和反光鏡尺寸的偏差，導(dǎo)致LED并不總是在反光鏡拋物面的理論焦點(diǎn)位置，這樣就會(huì)導(dǎo)致從光源發(fā)出的光線經(jīng)過反光鏡后，光線會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射，從而在截止線的上方形成亮斑，導(dǎo)致截止線不清晰。通常情況下，為了保證零件的變形滿足要求，就需要對反射鏡、反射鏡支架、電路板上的關(guān)鍵位置點(diǎn)（固定、定位、型面）打三坐標(biāo)或其他方式掃描（比如白光掃描），來確保零件狀態(tài)合格。如圖4所示。

圖4 電路板和反射鏡位置分析

在CAE模擬階段，電路板上LED的運(yùn)動(dòng)范圍在0.1mm內(nèi)，從理論上，可以保證反射鏡的截止線品質(zhì)不會(huì)因?yàn)長ED位置的微量變化而發(fā)生較大波動(dòng)。但在實(shí)際裝配成零件后，需要通過三坐標(biāo)掃描等更精確的方式，確定LED的位置偏移是否滿足前期數(shù)據(jù)設(shè)定的合理范圍。

2.3 功能布置

對于反射式LED前照燈，近光反射鏡的功能布置方式通常有3種，見表1。這3種方式各有優(yōu)勢，其中第3種方式由于2個(gè)近光不相鄰，反光鏡比較狹長，尺寸偏大。如果采用BMC材料，則整個(gè)反射鏡偏重，振動(dòng)性能要求很難滿足。如果采用PC材料，反射鏡的質(zhì)量減輕，但是整個(gè)反射鏡的變形較大，對配光起反作用。在前期設(shè)計(jì)階段，為了避免反射鏡的形變導(dǎo)致光學(xué)性能變差，盡可能選用第1種或第2種相對緊湊的設(shè)計(jì)方案，以降低配光的難度。

表1 近光反射鏡的功能布置方式

2.4 材料選擇

車燈反光鏡一般用PC或BMC材料，PC材料耐熱溫度為110℃左右，耐熱溫度相對BMC較低。另外，PC材料容易變形，且材料質(zhì)量相對較輕，對于同種尺寸的反射鏡，其振動(dòng)性能更容易滿足要求。而BMC材料屬于熱固性材料，質(zhì)量相對較大，耐熱可以達(dá)到150℃以上，抗振動(dòng)性能較好。在應(yīng)用方面，PC材料一般用于耐溫等級不高的場合，比如LED車燈反光鏡，小功率反光鏡，如制動(dòng)燈等，而BMC材料一般用于鹵素?zé)艚h(yuǎn)光反光鏡以滿足耐熱的要求。在本項(xiàng)目中，由于反射鏡狹長（帶4個(gè)反射鏡），為保證振動(dòng)試驗(yàn)滿足要求，采用了材質(zhì)較輕的PC材料。

零件的變形大小與材料選型密切有關(guān)，這就要求在設(shè)計(jì)階段：①根據(jù)模流報(bào)告分析變形量，需要考慮零件的變形，要求變形量小于2mm；②對于形變較大的區(qū)域，增加水路，通過降低溫度來控制變形；③根據(jù)實(shí)際的裝配情況，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)（如對某些結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)）來優(yōu)化變形。

2.5 零件變形控制

影響光學(xué)的零件主要是近遠(yuǎn)光反射鏡，而影響反光鏡變形的因素除了自身材料類型外，與之匹配的反光鏡支架也是導(dǎo)致反光鏡變形的主要因素。反光鏡與反光鏡支架之間采用8個(gè)螺釘固定，如圖5所示。在這些螺釘打緊前，只要其中1個(gè)或幾個(gè)螺釘?shù)墓潭ǘ嗣娌毁N合，螺釘打緊后就會(huì)導(dǎo)致反光鏡出現(xiàn)較為嚴(yán)重變形，從而影響配光。另外，反光鏡支架通過9、10和11這3個(gè)支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)反光鏡的水平和垂直調(diào)光（9為固定點(diǎn)，10為水平調(diào)光，11實(shí)現(xiàn)垂直調(diào)光），近光這3個(gè)點(diǎn)作用在反光鏡支架上，但在調(diào)光過程中，對反射鏡的變形也有較大影響。在工業(yè)化階段，可以通過反光鏡支架與反光鏡進(jìn)行適配的方式，來確認(rèn)各個(gè)打緊固定點(diǎn)在打緊前是否貼合，若在適配過程中存在較大的間隙，則需要對打緊端面進(jìn)行優(yōu)化，確保反光鏡的變形范圍控制在合理范圍內(nèi)。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)圖

對于反射鏡的變形，需要加強(qiáng)監(jiān)控。檢查的方法通常有3種：①用反光鏡毛坯件作為樣件，全部鍍鋁反光鏡正面朝下放置在玻璃上，比較鍍鋁后的零件與毛坯件之間的狀態(tài)，尤其是變形點(diǎn)的情況，參照樣件與玻璃之間的貼合情況，檢查各鍍鋁反光鏡與玻璃之間的貼合情況；②模仿熱封工裝做一個(gè)反光鏡的檢具，將反光鏡的毛坯件和鍍鋁件分別安裝在檢具上，通過檢查反光鏡各個(gè)打緊點(diǎn)與檢具之間的間隙，來判斷反光鏡是否變形；③對反光鏡進(jìn)行白光掃描，特別反光鏡的型面、打緊點(diǎn)端面等，用這種方案可以很精確地判斷哪些區(qū)域是否發(fā)生了嚴(yán)重變形。

2.6 鍍鋁品質(zhì)

反光鏡的鍍鋁品質(zhì)取決于反光鏡模具的拋光品質(zhì)和鍍鋁工藝。

模具的拋光品質(zhì)對光學(xué)面產(chǎn)生很大的影響。通常，表面拋光品質(zhì)可以用表面粗糙度來衡量。粗糙度越高，則鍍鋁層的附著力越小，光學(xué)表面也不完全是鏡面。拋光方式有很多種，比如機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光和流體拋光等。其中機(jī)械拋光的精度最高，可達(dá)到0.008μm，這種方式主要依靠切削、材料表面塑性變形去掉被拋光后的凸部，從而得到平滑面，一般使用油石條、羊毛輪、砂紙等，以手工操作為主，特殊零件如回轉(zhuǎn)體表面，可使用轉(zhuǎn)臺等輔助工具，表面品質(zhì)要求高的可采用超精研拋的方法。其缺點(diǎn)在于效率低，易造成拋光表面不均勻，拋光時(shí)間難掌握，適宜小面積的表面處理。在鍍鋁反光鏡的拋光中，一般采用機(jī)械拋光的方式。在本項(xiàng)目中，每個(gè)反光鏡拋光（共4個(gè)反射碗）需要3～4天時(shí)間才能完全拋光完成。在工業(yè)化階段，由于拋光過度，導(dǎo)致部分區(qū)域模具出現(xiàn)損壞，所以重新對模具進(jìn)行降面后再次精度拋光，保證了拋光品質(zhì)。

另外，在拋光過程中，找準(zhǔn)反射鏡模具的精拋位置對優(yōu)化截止線品質(zhì)也至關(guān)重要。通常，對于截止線不清晰的前照燈，需要在配光室內(nèi)，通過遮蔽的方式來大致確定是反射鏡的哪個(gè)區(qū)域?qū)е铝私刂咕€不清晰。用這種方法大致確定后，將該前照燈的反光鏡總成從燈中取出，然后將反光鏡放置在光檢臺上，更準(zhǔn)確地確認(rèn)是反光鏡的哪個(gè)反射面導(dǎo)致了模糊的截止線品質(zhì)，然后與模具廠拋光人員交流拋光的注意事項(xiàng)。通過這種有針對性的精拋操作，才能很好地消除截止線不清晰的問題。

鍍鋁品質(zhì)的好壞不僅與鍍鋁基材有關(guān)，也與鍍鋁方式的選擇（全鍍或局部鍍鋁）、模具的表面品質(zhì)、蒸發(fā)舟的電流、是否帶底涂和反射鏡的型腔深度有關(guān)。通常情況下，模具表面的精度越高，比如對于機(jī)械拋光的方式，一般粗糙度精度可以達(dá)到0.1μm，通常作為反光鏡拋光的首選方法。反光鏡的型腔深度越深，越容易出現(xiàn)鍍鋁死區(qū)，在這種情況下，通常需要采用全鍍鋁的方式，保證在型腔最深區(qū)域的鍍鋁層厚度和鋁層的附著力，如表2所示。在鍍鋁層的品質(zhì)管控中，一般采用在線檢測和試驗(yàn)驗(yàn)證的方案來共同確認(rèn)鍍鋁層的品質(zhì)。對于在線檢測，一般采用附著力測試（比如劃格法），NaOH試劑方法來判斷鍍鋁層品質(zhì)在生產(chǎn)線上是否滿足要求。在對鍍鋁層的測試中，需要完成高低溫循環(huán)試驗(yàn)，40℃耐水測試、光學(xué)測試等。

表2 鍍鋁層檢測方法

2.7 固定不良

在整個(gè)反射鏡系統(tǒng)中，零件的固定不良包含打緊點(diǎn)固定不良和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)松脫。此處打緊點(diǎn)主要指反光鏡與反光鏡支架之間的固定。其固定不良的失效方式包含螺釘松動(dòng)、螺釘漏裝等，對于存在多個(gè)打緊螺釘?shù)南到y(tǒng)，若其中1個(gè)或多個(gè)螺釘存在松動(dòng)或漏裝，勢必導(dǎo)致反光鏡變形，從而影響截止線的品質(zhì)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的松脫包含固定球頭松動(dòng)、水平和垂直調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)松動(dòng)或卡死等失效形式，這些故障將導(dǎo)致近光截止線水平或垂直方向無法調(diào)節(jié)。

3 解決方法及改善效果

3.1 解決方法

基于以上分析，最終識別出影響本項(xiàng)目截止線品質(zhì)的關(guān)鍵因素：鍍鋁面品質(zhì)、反光鏡變形和固定不良，提出了對應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化，見表3。

表3 解決方法

3.2 改善效果

1）配光值改善：在本項(xiàng)目中，通過優(yōu)化反光鏡及支架的結(jié)構(gòu)減少變形，并重新對模具進(jìn)行拋光，優(yōu)化鍍鋁工藝后，截止線的清晰度有較大改善?；贕B 25991—2010近光的光學(xué)照度值均有較大改善（圖6紅色字體部分乘以0.7，在合格范圍內(nèi)）。

圖6 近光的光學(xué)照度值

2）光通量的掃描：對于LED前照燈，光通量的評價(jià)一般在環(huán)境溫度50°C下進(jìn)行，通過測試左右前照燈的光通量發(fā)現(xiàn)，左右前照燈光通量為1425lm，高于早期設(shè)定的1300lm的目標(biāo)。在環(huán)境溫度70°C下，考慮到LED的光衰，測量實(shí)際前照燈的光通量（左右前照燈）為1208lm,也高于目前1105lm的要求。這說明通過優(yōu)化改進(jìn)，前照燈的光通量水平得到較大提升，能更進(jìn)一步提升客戶的滿意度。

3）截止線的評價(jià)：通過掃描截止線，發(fā)現(xiàn)截止線的水平度和明暗清晰度均能滿足要求。測量數(shù)據(jù)見表4。

表4 截止線測量數(shù)據(jù)

4 總結(jié)及展望

綜上所述，車燈近光截止線模糊問題，可以通過以下方式來優(yōu)化解決。

1）PC材質(zhì)反光鏡：對于尺寸比較小的反光鏡，由于變形可控，對反光鏡的光學(xué)性能影響不大。對于尺寸較大的材料，需要設(shè)計(jì)反光鏡加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如果反光鏡后方存在支架，支架推薦采用熱變形較小的材料，比如BMC等。

2）模具拋光是一門技能水平要求很高的工作，因此在對反光鏡拋光時(shí)，要保證拋光人員經(jīng)驗(yàn)非常豐富。另外，在精拋過程中，要精準(zhǔn)確定精拋位置。

3）鍍鋁前，要保證鍍鋁過程中不存在鍍鋁死角區(qū)域(否則某些區(qū)域會(huì)因?yàn)殄冧X層太薄而導(dǎo)致附著力不足，影響光學(xué)性能)。