于存勝,姚紅兵,黃立敏,楊夏軍,呂萬育

(1.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.河海大學 理學院,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)的遠光光學系統(tǒng)出射的遠光光束呈靜態(tài)分布，照明條件太過單一且需要手動切換，不能滿足夜間復雜道路條件下的行車安全需要。自適應(yīng)遠光系統(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)的遠光露出空間，有效解決了傳統(tǒng)遠光開啟時產(chǎn)生的眩目效應(yīng)。相較于傳統(tǒng)遠光光學系統(tǒng)，擁有ADB光學系統(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光學模組。該光學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)，先將所需目標照度面進行劃區(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。該方法合理地劃分遠光光型分布區(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)了遠光法規(guī)的配光要求。

1 ADB配光標準

目前關(guān)于LED前照燈遠光法規(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)測試標準[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動車輛進行認證的統(tǒng)一規(guī)定》和ECE R123《關(guān)于批準裝有汽車自適應(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)中對普通遠光光束的配光要求即可。當工作在自適應(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)遠光配光測試標準要求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。在單獨遠光的基礎(chǔ)上，將遠光分布區(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)的遠光分布范圍如表2所示。為實現(xiàn)上述遠光配光要求，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出射的光線進一步收集，并使之有序反射成具有一定擴散角度的出射光線，以實現(xiàn)精細照明[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照明面的交點為B點，其中LED光源的位置到目標照明面的距離為H，則入射光線的單位向量In的矢量表達式為[8]

In=(cosθ(i),sinθ(i))

(2)

出射光線的單位向量Out的矢量表達式為

(3)

式中，z′(i)為目標照明面上的橫坐標。

結(jié)合折反射定律，當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。依次不斷進行數(shù)值迭代即可求出自由反射面上的所有離散點坐標[10]，然后將各離散點輸入到3D建模軟件中進行反射面的擬合。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)進行優(yōu)化，直至在25 m遠處配光屏幕上遠光照度的光型分布達到所需設(shè)計要求。然后將優(yōu)化后得到的各光學自由曲面子塊與其他整燈部件進行組合，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)值均符合遠光法規(guī)要求，驗證了自由曲設(shè)計的可行性。

當該系統(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

汽車照明光學元件一般都是由復雜、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元件，并通過標準工件對所建立的刀具誤差模型進行驗證，不斷降低自由曲面光學元件加工誤差，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元件，進行拋光鍍鋁處理，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，一般采用三坐標測量機來測試自由曲面的加工精度。三坐標測量機的工作原理為：通過高精度測頭感應(yīng)器沿著樣件表面進行逐點運動，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)遠方配光機對實際加工出來的反射式ADB模組進行光型掃描測試[17]。該裝置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角精度可以達到±0.01°，25 m處探頭精度達到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ADB系統(tǒng)工作在此自適應(yīng)模式下實際點亮時，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到33.4%，各測試點數(shù)值均符合遠光法規(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。