王　靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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基于多橢球反射器的LED汽車近光燈設(shè)計

王靜，蔡憶昔，包偉偉，李慧霞，李小華

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：基于大功率LED芯片的類朗伯體發(fā)光特性、GB 25991—2010標準要求和非成像光學理論，設(shè)計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)。采用Monte-Carlo光學追跡法進行仿真分析，并加工了近光燈樣件，測試其配光性能。結(jié)果表明：由變截面橢球體反射器、斜切角度為17°的擋板和具有能量分配功能的自由曲面透鏡組成的LED汽車近光燈有利于形成“水平方向?qū)?，垂直方向窄”的近光光型和清晰的明暗截止線；各主要測試點及區(qū)域的照度值滿足標準的限值要求，且該系統(tǒng)的光能利用率相對于傳統(tǒng)近光燈系統(tǒng)提高近10%。

關(guān)鍵詞：LED汽車近光燈；非成像光學；變截面橢球體反射器；自由曲面透鏡

引言

汽車前照燈的配光性能，尤其是近光燈的性能是影響汽車行駛安全和照明質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1-6]。LED汽車近光燈光學設(shè)計方案主要有反射式和投射式兩種。反射式前照燈又可分為旋轉(zhuǎn)拋物面型前照燈和自由曲面型前照燈，前者因遮光罩的存在而使得系統(tǒng)的光學效率降低；后者雖然光能利用率較高，但難以形成清晰的明暗截止線且復(fù)雜的曲面設(shè)計給加工帶來極大的困難。投射式方案雖然能量利用率也不高，但卻能產(chǎn)生清晰的明暗截止線，反射器的設(shè)計和加工相對簡單[7，8]。

本文根據(jù)大功率白光LED的光電特性和非成像光學理論，設(shè)計了一套由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)。采用Monte-Carlo光學追跡法進行仿真分析，并加工了近光燈樣件，仿真和測試結(jié)果表明：所設(shè)計的近光燈其配光性能滿足GB 25991—2010標準的要求。

1近光燈配光要求

根據(jù)GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》標準要求，前照燈近光應(yīng)具有足夠的照明并不產(chǎn)生眩目，在距離前照燈基準中心線前25m的配光屏上，各主要測試點和區(qū)域位置如圖1所示[9]。近光光型大致可分為三部分：水平線以下0.75m處用于形成廣闊視野的矩形區(qū)域Ⅰ區(qū)、明暗截止線以上亮度較低不致引起炫目的Ⅲ區(qū)、Ⅰ區(qū)之上亮度較高用于遠距離照明的矩形區(qū)域Ⅳ區(qū)。

圖1　GB 25991—2010規(guī)定的近光光型及主要測試點(區(qū)域)分布(圖中尺寸單位：mm)Fig.1　Light distribution and test points (zones) for the GB 25991—2010 low beam in millimeters

2近光燈配光設(shè)計

2.1　投射式光學系統(tǒng)

投射式光學系統(tǒng)由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成，如圖2所示，根據(jù)LED光源的發(fā)光特性，僅需半個橢球體就能有效的收集光線。對該系統(tǒng)的光學設(shè)計將從反射器、擋板和透鏡三方面展開。

圖2　單個投射式光學系統(tǒng)的組成Fig.2　Constitution of every single projection unit

2.2　LED光源選擇

選擇合適的LED光源是汽車近光燈光學設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)從色溫、工作電壓、電流和芯片結(jié)溫等多方面綜合考慮?；贕B 25991—2010的要求，設(shè)計中選取PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，型號為LAFL-C4S-0850，單顆芯片輸出光通量為850lm~1000lm，典型輸出功率13.7W。假設(shè)近光燈的目標光通量為1200lm，典型工作電流為750mA。根據(jù)最小光通量來設(shè)計，可確保滿足設(shè)計目標的要求[10]。

2.3　變截面橢球體反射器

變截面橢球體反射器是在旋轉(zhuǎn)橢球體反射器基礎(chǔ)上改進得到的。為了形成圖1中要求的“水平方向?qū)?，垂直方向窄”的近光光型，反射器是由一系列具有不同第一焦點，相同第二焦點的橢圓面組成的，由水平截面第一焦點漸變到垂直截面第一焦點，如圖3所示。變截面橢球體反射器表面的數(shù)學描述如下[8,11]：

圖3　多橢球體反射器的截面Fig.3　Sections of poly-ellipsoid

(1)

ai=aHcos2i+aVsin2i

(2)

ai+ci=K(constant)

(3)

(4)

式中：i為任意一截面與水平面的夾角；ai、bi和ci分別為長半軸長、短半軸長和焦半徑；aH和aV分別為水平截面長半軸長和垂直截面長半軸長。

水平截面和垂直截面的橢圓方程為：

(5)

(6)

其中：f1和f2分別為垂直方向第一焦點和水平方向第一焦點,f3為公共第二焦點。

LED芯片的發(fā)光面中位于f1點處，光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射后在點f3處會聚。為使這個裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，將半橢球體反射器在f3點處截開。在CAD軟件中構(gòu)建變橢球體反射器的3D模型如圖4所示，水平截面和垂直截面第一焦點長度分別為42mm和32mm，第二焦點長度92mm。

圖4　多橢球體反射器三維模型Fig.4　The poly-ellipsoid reflector with LED chip

2.4　擋板

擋板的形狀和位置同樣影響著近光光型。為了形成的清晰的明暗截止線，擋板應(yīng)放置于變橢球體反射器的第二公共焦點處，在仿真中可根據(jù)實際情況上下或左右移動以確保明暗截止線清晰。擋板左側(cè)為水平直線，右側(cè)為一條向下角度為φ的斜線。由于近光明暗截止線右側(cè)為向上15°的斜線，所以設(shè)計初期φ定為15°，但仿真得到的明暗截止線右側(cè)角度卻為13°左右。這是因為，盡管所選LED的發(fā)光面可近似為線光源，但實際上發(fā)光面是有一定厚度的，所以對應(yīng)的發(fā)光面的投影是不規(guī)則四邊形而不是理想的矩形[11]。通過反復(fù)調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當φ為17°時，仿真得到的明暗截止線右側(cè)角度最接近15°。

2.5　自由曲面透鏡

經(jīng)變橢球體反射器反射出的光線通過自由曲面透鏡進行聚焦和光能的重新分配，以滿足GB 25991—2010中近光光能分布要求。近光光型中的Ⅲ區(qū)為防眩目區(qū)，該區(qū)域的照度值越小越好，因此，設(shè)計中可將經(jīng)過透鏡后的光能向Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區(qū)分布。以反射器的第二公共焦點(透鏡的焦點)為坐標原點，光線在透鏡中的傳播路徑以及在25m配光屏上的分布如圖5所示。

圖5　光線在透鏡中的傳播路徑Fig.5　Light propagation in lens

根據(jù)非成像光學理論及能量守恒定律可建立圖5中坐標原點處的光能(設(shè)為I0)與25m配光屏上某一位置r處能量分布(設(shè)為E0)的關(guān)系式[12]。假設(shè)與Y軸夾角為α1的光線在配光屏上的投射位置為r1，將0~α1夾角內(nèi)的光線分為j束，對應(yīng)著配光屏上Ⅰ內(nèi)的j個投影位置，從而可以得到[7,13]：

(7)

根據(jù)相同的原理，假設(shè)入射角α1~α2之間的光線投射到配光屏上的Ⅳ區(qū)，入射角α2~α3之間的光線投射到配光屏上的Ⅱ區(qū)，于是可得：

(8)

(9)

求解式(7)~(9)可以得到配光屏上的區(qū)域半徑與光線入射角之間的關(guān)系如下：

(10)

(11)

(12)

在透鏡的第一面和第二面上分別應(yīng)用折射定律可得

nair·sinα=nlens·sinβ

(13)

(14)

確定好圖5中的f后，聯(lián)立式(6)~(13)，通過計算機迭代計算可得到自由曲面透鏡第一面和第二面各點的坐標，最后可建立透鏡的3D模型。

3仿真與測試結(jié)果分析

在CAD軟件中構(gòu)建近光燈系統(tǒng)的模型，再制造近光燈樣件如圖6所示。將模型導入光學仿真軟件中，設(shè)定入射光線為100000條，根據(jù)Monte-Carlo光學追跡理論，通過反復(fù)調(diào)整模型位置，最終得到圖7(a)所示的近光光型圖。仿真結(jié)果顯示，變截面橢球體反射器的光能利用率為48.6%，相對于普通橢球體反射器光能利用率提高10%左右，而自由曲面透鏡的光效為96.8%。對于該近光系統(tǒng)，任意一橢圓截面與水平面夾角i的變化步長不同時，近光中的主要測試點B50L、75R、Ⅲ區(qū)的最大照度值，以及該近光系統(tǒng)的光能利用率的變化如圖8所示。由圖8可見，隨著夾角i變化步長的減小，前照燈近光B50L點的照度值以及Ⅲ區(qū)的最大照度值逐漸降低，而75R點的照度值和近光系統(tǒng)的光能利用率卻不斷增加。亦即在式(2)的漸變方程下，i的變化步長越小，得到LED近光燈光學系統(tǒng)的性能越優(yōu)，經(jīng)反射器反射后的光線都能投射到配光屏幕上的指定區(qū)域。且當i的變化步長小于0.5°時，步長的變化率對光學系統(tǒng)的影響越顯著。

圖6　近光燈樣件Fig.6　Sample piece of the low-beam system

圖7　近光照度分布圖Fig.7　Beam pattern and isolux for low-beam system

圖8　夾角i的變化步長對近光系統(tǒng)光學性能的影響Fig.8　Influence of intersection angle on passing beam optical performance

對近光燈樣件進行配光性能測試，也能得到清晰的明暗截止線，如圖7(b)所示，各測試點及區(qū)域的照度值均滿足GB 25991—2010的要求，如表1所示。由表1可見，樣件的測試值略低于仿真值，這是因為樣件中反射器涂層的反射率低于仿真時的設(shè)定值，且自由曲面透鏡由于加工等原因使其光效低于理想值；同時，仿真結(jié)果還取決于設(shè)定的入射光線數(shù)、橢圓截面與水平面夾角i的變化步長等因素。

表1　近光各測試點和區(qū)域的照度值　單位：lx

注：表1中，E50R為點50R處的實測照度值。

4結(jié)論

基于非成像光學理論和光線追跡原理，設(shè)計了一種由變截面橢球體反射器、擋板和自由曲面透鏡組成的投射式LED前照燈近光系統(tǒng)并進行仿真和測試分析。結(jié)果顯示，所設(shè)計的近光系統(tǒng)能形成標準規(guī)定的光型，各主要測試點及區(qū)域的照度值也滿足標準的限值要求，且該系統(tǒng)的光能利用率相對于傳統(tǒng)近光燈系統(tǒng)有較大幅度地提高。

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Design of LED Headlamp Low-beam Based on Multi-ellipsoid Reflector

Wang Jing，Cai Yixi，Bao Weiwei，Li Huixia, Li Xiaohua

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract：A projection type LED headlamp low-beam consists of muti-ellipsoid reflectors, baffles and free surface lens is designed based on the approximate lambertian emitting characteristics of LED chips, provisions in GB 25991—2010 and non-imaging optics theory. The simulation has been done based on Monte-Carlo optical tracing method and the light distribution performance of a headlamp sample has been process. The results show that the muti-ellipsoid reflectors, 17 degree oblique angle of the baffles and the free surface lens are easy to form not only the low-beam light type which is wide in horizontal direction and narrow in vertical direction but also the clear cut-off line. The low-beam system meet the standard requirements, and the energy utilization rate increases nearly 10%.

Key words:LED headlamp low-beam； non-imaging optics； muti-ellipsoid reflector； free surface lens

基金項目：江蘇省動力機械清潔能源與應(yīng)用重點實驗室資助項目(編號：QK12001)；江蘇省高校優(yōu)勢學科建設(shè)項目(蘇政辦發(fā)〔2011〕6 號)；江蘇大學高級人才科研啟動基金資助項目(編號：5503000025)

中圖分類號：U463.65+1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.018