佟 飛,沈為民,黃 杰,屠于夢,李 敏

(1.中國計量學(xué)院，光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.歐司朗(中國)照明有限公司上海分公司，上海 200001)

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投射式汽車前照燈透鏡參數(shù)設(shè)計研究

佟 飛1,沈為民1,黃 杰1,屠于夢2,李 敏1

(1.中國計量學(xué)院，光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.歐司朗(中國)照明有限公司上海分公司，上海 200001)

基于非球面設(shè)計原理，應(yīng)用LucidShape軟件，建立投射式前照燈實體模型，透鏡選取不同的直徑和焦距獲得對應(yīng)光型，分析透鏡直徑和焦距對光型的影響，通過比較光型及各個測試點照度，獲得特定直徑下的適用于近光燈的透鏡焦距范圍。仿真結(jié)果表明，隨著透鏡直徑的增大，光能利用率逐漸升高，當透鏡焦距增大時，光型的水平擴展度和縱向擴展度隨之減小，在透鏡直徑為70mm的情況下，適用于近光燈的透鏡焦距范圍為45mm～50mm。

投射式前照燈；光型；透鏡

引言

在投射式汽車前照燈系統(tǒng)中，普遍使用非球面透鏡作為投射透鏡[1,2]。但是，對于投影系統(tǒng)中透鏡的尺寸，國際上還沒有統(tǒng)一標準。基于空氣動力學(xué)的考慮，汽車前照燈的整體尺寸受到限制，為了控制系統(tǒng)的深度和口徑，優(yōu)先采用小口徑短焦距的透鏡，同時透鏡的焦距和直徑的改變對光能利用率、擴散角都有影響[3]。在不同直徑的情況下，適用于近光燈的透鏡焦距范圍是不同的，獲取合理的焦距范圍，對近光燈防止眩光、提高光效都有著重要的作用。所以探索透鏡的直徑和焦距對光型的影響以及透鏡特定直徑下適用于近光燈的焦距范圍就變得尤為重要。

目前，國內(nèi)外許多研究小組都在進行投射式前照燈透鏡設(shè)計方面的研究，設(shè)計的透鏡從結(jié)構(gòu)上來說，大致可分為兩種，一種是自由曲面透鏡；另一種是菲涅爾透鏡。其中，余桂英等對采用大齒距菲涅爾非球面透鏡進行了研究，設(shè)計的透鏡可使系統(tǒng)輕量化、小型化、提高了系統(tǒng)總體性能[4]；陳菲等人設(shè)計了一種前后表面不同結(jié)構(gòu)的高效率自由曲面透鏡[5]，光能利用超過88%；王洪提出了汽車近光燈自由曲面透鏡的設(shè)計流程及方法[6]，設(shè)計的自由曲面透鏡光線利用率達到95.92%，Matthias Brinkmann等人針對投射系統(tǒng)的色散問題，設(shè)計了一種衍射光學(xué)元件(DOEs)透鏡，達到了很好的減少色散的效果[7]。這些研究多強調(diào)配光透鏡結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，通過設(shè)計不同的透鏡結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化配光效果，未對透鏡的尺寸對配光效果的影響進行分析，且設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)透鏡大多比較復(fù)雜，制造難度大，成本高，不適合實際大量生產(chǎn)。Henning Weinhold等人在雙光鹵鎢投影燈研究中，提到在雙光鹵鎢投影系統(tǒng)中，當透鏡的直徑為75mm時，后焦距為57mm的配光效果較好，但并未說明透鏡尺寸如何影響配光光型，而且雙功能投影系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的投影燈有差異，空間結(jié)構(gòu)的不同、光源的不同都將導(dǎo)致透鏡適用于近光的焦距范圍發(fā)生變化[8]。

本文以傳統(tǒng)光源鹵素燈H7為光源，根據(jù)投射式前照燈的設(shè)計方法，利用LucidShape軟件建立系統(tǒng)實體模型，并在符合ECE配光標準的前提下，對系統(tǒng)各部分參數(shù)進行調(diào)整，改變透鏡的直徑和焦距，獲得光型圖，分析不同直徑、焦距的配光透鏡對光形的影響，并在透鏡直徑為70mm的情況下，探索適用于近光燈的透鏡焦距范圍，為配光鏡的設(shè)計提供一定參考依據(jù)。

1 投射系統(tǒng)設(shè)計理論

投射式前照燈也稱為復(fù)合橢圓面反光鏡前照燈系統(tǒng)(PES)。它主要有多橢圓面反光鏡、擋板、透鏡、光源[9]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。多橢圓面反光鏡是通過計算機輔助設(shè)計計算求得的，光源經(jīng)過它反射后，不用配光鏡就能達到法規(guī)要求的光形；擋板可以精確地控制配光性能中所要求的明暗截止線；再經(jīng)過高精度大的透鏡折射，最終獲得高清晰度的光形，很好地達到法規(guī)要求的配光性能。

圖1 投射式前照燈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of projection headlamp

投射式汽車車燈光學(xué)原理：車燈的反射鏡縱、橫斷面有長、短軸變化的橢圓組成，形成復(fù)合橢球，根據(jù)橢球面的聚光性質(zhì)，位于橢圓第一個焦點放置光源，光源發(fā)出的光線，經(jīng)由橢球面反射后形成經(jīng)過橢球第二個焦點的反射光線。如果使透鏡的焦點與橢圓第二個焦點重合，則反射光線經(jīng)透鏡折射聚光后形成平行光束，投射到汽車行駛方向的前方，從而形成前照燈的配光光型。由于采用橢球面作為反射鏡，使燈具具有可利用光束多、體積小、效率高等特點[10,11]。為了形成具有明暗截止線的近光光型，在第二焦點附近放置用于遮擋反射光線的擋板。這樣，通過擋板將反射光的一部分遮擋，從而形成非常鮮明的明暗截止線。截止線的形狀可由擋板的形狀決定[12]。它的優(yōu)點是可以方便地設(shè)計出任意配光圖形，如滿足ECE、SAE、GB等標準的配光要求。

2 投射式前照燈模型建立

為了分析透鏡尺寸和焦距對光形的影響，首先利用LucidShape光學(xué)模擬軟件建立投射式前照燈光學(xué)模型。

本文建立的投射式前照燈光學(xué)模型各參數(shù)如下：透鏡初始直徑和焦距分別取60mm、40mm，透鏡為理想透射體，透射系數(shù)為1。多橢球反射面采用雙焦點形式，其中垂直剖面上一個橢圓焦點為(0,0,29.1)和(0,0,70)，另一個橢圓焦點為(0,0,25)和(0,0,70)；水平剖面內(nèi)一個橢圓焦點為(0,0,27.05)和(-10,0,110)，另一個橢圓焦點為(0,0,27.05)和(10,0,110)，反射面為理想反射體，反射系數(shù)為1。選擇ECE15°擋板，擋板放置在與光軸垂直，過點(0,0,70)的位置。選擇H7光源，其光通量為1100lm，模擬過程中追跡光線數(shù)設(shè)為20000000條。

3 實驗?zāi)M及結(jié)果分析

以控制變量法進行模擬實驗，并利用軟件中的測點功能測量各個測試點的數(shù)值，并記錄下來。為了分析透鏡的直徑和焦距對光形的影響，首先分析在透鏡焦距固定的情況下，單獨改變透鏡直徑對光形的影響，我們選擇焦距為40mm，直徑分別為60mm、65mm、70mm、75mm、80mm的五組光形圖進行分析，如圖2～圖6所示。

圖2 透鏡直徑60mm的光型Fig.2 Light distribution of the diameter 60mm lens

圖3 透鏡直徑65mm的光型Fig.3 Light distribution of the diameter 65mm lens

圖4 透鏡直徑70mm的光型Fig.4 Light distribution of the diameter 70mm lens

圖5 透鏡直徑75mm光型Fig.5 Light distribution of the diameter 75mm lens

圖6 透鏡直徑80mm光型Fig.6 Light distribution of the diameter 80mm lens

圖2～圖6中，橫坐標表示前照燈水平擴展角度，每格表示10°，縱坐標表示前照燈縱向擴散角度。不同直徑下光通量和最大光強的數(shù)值如表1所示。

表1 不同直徑下的光型數(shù)據(jù)Table 1 Data of light distribution with the different diameter

由表1可知，在透鏡焦距不變的情況下，隨著透鏡尺寸的增加，透鏡能將更多的光束會聚到光場中，接收屏內(nèi)接收的光通量也隨著增大，最大光強的位置和光型水平擴展度變化不大，最大光強值逐漸增大，同時光線向中心收攏，光型邊緣越來越銳利，各個測試點照度增大。

下面分析焦距對近光燈光型的影響，我們選取透鏡70mm的情況下，分別取透鏡焦距為40mm、45mm、50mm、55mm、60mm五組光型圖進行分析(如圖7～圖11所示)。

圖7 透鏡焦距40mm光型Fig.7 Light distribution of the focal length 40mm lens

圖8 透鏡焦距45mm光型Fig.8 Light distribution of the focal length 45mm lens

圖10 透鏡焦距55mm光型Fig.10 Light distribution of the focal length 55mm lens

圖11 透鏡焦距60mm光型Fig.11 Light distribution of the focal length 60mm lens

不同焦距下光通量和最大光強的數(shù)值如表2所示。

表2 不同焦距下的光型數(shù)據(jù)Table 2 Data of light distribution with the different focal length

由圖9～圖11和表2可知，隨著透鏡焦距的增大，光型水平擴展度和縱向擴展度明顯減小，接收屏接收的光通量逐漸減小，最大光強逐漸增大，而且各個測點光強也隨之增大。

由于不同車輛的要求不同，使得透射式前照燈使用的透鏡的直徑不同，在不同的直徑下，透鏡適用于近光燈的焦距范圍是有變化的。鑒于當今市場上的主流透鏡大多采用70mm直徑，所以主要針對直徑70mm的透鏡，探索其適用于近光燈的焦距范圍。通過綜合考慮光通量，最大光強以及光型等多方面因素，在進行模擬結(jié)果中，當透鏡直徑為70mm時，焦距在45mm～50mm范圍內(nèi)，獲得比較理想的光型，測試結(jié)果如表3所示。

表3 近光各個測點數(shù)值Table 3 Low-beam illuminance value of each test point(unit：lx)

從表3可知，經(jīng)過軟件組件測試，測試結(jié)果中關(guān)鍵測試點均符合GB 4599—2007及ECE R112標準的要求[13,14]。如位置點75R，該測試點坐標為(1.15,-0.57)，坐標中橫坐標表示光軸左偏1.15°，縱坐標表示光軸下調(diào)0.57°，通過模擬得到該點在透鏡焦距為45mm和50mm時，照度值分別為20.96lx和21.37lx，滿足最小12lx的要求。

4 結(jié)論

本文基于投射式汽車車燈光學(xué)原理，建立汽車前照燈模型，分析了不同透鏡直徑、焦距對汽車前照燈配光光型的影響。模擬分析結(jié)果表明當透鏡直徑為70mm時，適用于近光燈透鏡焦距范圍為45mm～50mm。從投射式汽車前照燈測試結(jié)果中，可以得出：關(guān)鍵測試點均可以滿足GB 4599—2007、ECE R112的配光要求。為車用投射式前照燈透鏡設(shè)計提供了一定參考。

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簡 訊

2015年4月2日，中國輕工業(yè)聯(lián)合會三屆五次理事會暨全國輕工行業(yè)工作座談會在石家莊太行國賓館召開。發(fā)改委、工信部、國資委、河北省政府相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)到會并致辭。會議總結(jié)了2014年工作，商討部署了2015年工作，為輕工科技、品牌、企管、年鑒等頒發(fā)了年度獎。輕工各行業(yè)協(xié)學(xué)會、聯(lián)合會分支機構(gòu)、直屬單位，各省市輕工部門及獲獎企業(yè)300多人參會。4月1日晚舉行了三屆九次常務(wù)理事會。中國照明學(xué)會徐淮理事長參加。

Research on Parameter Design of Lens Projector Automotive Headlamp

Tong Fei1, Shen Weimin1, Huang Jie1, Tu Yumeng2, Li Min

(1.CollegeofOpticalandElectronicScienceTechnology,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China;2.OSRAMShanghaiRep.Office,Shanghai200001,China)

Based on the principle of aspheric design, a projector system model of automotive headlamp was established by LucidShape. The corresponding light distribution was studied when diameter and focal length of lens were changed appropriately. Finally, applied to focal range of low beam was obtained by comparing light distribution and illuminance of each test point under the given diameter. The simulation result shows that the utility rate of luminous energy gradually is increased with the increase of the diameter of the lens, expansion of horizontal and vertical are decreased when focal length of lens is increased. Applied to focal range of low beam is 45mm～50mm when diameter of aspheric lens is 70mm.

projector headlamp; light distribution; lens

U463.65

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.024