梁寶雯

（廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511000）

引言

當(dāng)前汽車照明都具有多樣化、高亮度、低能耗等特點。遠(yuǎn)光是汽車照明中最亮的功能照明，在昏暗無路燈環(huán)境以及高速公路等情況下，充當(dāng)主要的照明功能，其性能好壞會直接影響駕駛安全。過去的遠(yuǎn)光燈多數(shù)采用鹵素?zé)艏臃垂獗绞交蜻h(yuǎn)近光一體的直投式，因此遠(yuǎn)光的造型會被限制為圓形或方形。如今，大眾對車燈的要求不再僅僅停留在照明功能，而是要求車燈既有實用的照明功能，也要滿足造型設(shè)計美感?，F(xiàn)提出一種TIR 結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)光設(shè)計，采用LED光源，這種采用遠(yuǎn)光照明方式因為每顆TIR 的體積較小，而由多顆TIR 組合起來的遠(yuǎn)光不僅可以保證遠(yuǎn)光的照度的同時，還可以根據(jù)客戶設(shè)計切割出不同的造型，并且由于采用多顆單芯片LED 分散排布，燈珠的散熱可以得到保證，使得車燈可靠性也可以進(jìn)一步提高。

1 基本原理

TIR（Total Internal Reflector）結(jié)構(gòu)，又稱為collimator 結(jié)構(gòu)，根據(jù)奈斯?fàn)柖ɡ韓密sinθ密=n疏sinθ疏。式中：n密為光密介質(zhì)的折射率；θ密為光密介質(zhì)入射角；n疏為光疏介質(zhì)的折射率；θ疏為光疏介質(zhì)入射角。光從光密介質(zhì)傳播至光疏介質(zhì)時，如果入射的角度大于臨界值，則光會發(fā)生全反射[1]，入射角度小于臨界值時，光會發(fā)生折射。目前市面上的車用LED 多數(shù)發(fā)光角是120°。TIR 結(jié)構(gòu)不僅通過全反射原理，將LED 發(fā)光角較大的光線利用起來，TIR 還能將LED 光源中心角度進(jìn)行有效控制，可以說LED 所有角度的光線都利用，也就是將反光杯結(jié)構(gòu)無法利用到的LED 光全部利用，因此TIR 結(jié)構(gòu)較一般反光杯光效高。見圖1。

圖1 TIR 發(fā)光原理圖

2 法規(guī)分析

遠(yuǎn)光的主要功能是在環(huán)境較差或者高速公路上，汽車行駛速度較快時用于照明汽車前方路況，因此遠(yuǎn)光必須在較集中的角度范圍內(nèi)有較高的照度。根據(jù)國家法規(guī)GB 25991—2010《汽車用LED 前照燈》規(guī)定配光性能應(yīng)在距離前照燈基準(zhǔn)中心前25 m的垂直平面配光平面上測量，測試點分布是最大值照度值，屏幕中心HV照度，HV到水平方向左右1.125 m 的照度值，以及HV到水平方左右2.25 m 的照度值，遠(yuǎn)光的照度要求如表1 所示。

表1 遠(yuǎn)光的配光照度要求[2]

3 設(shè)計方案

本方案采用LED 光源，光學(xué)件由后部的TIR 結(jié)構(gòu)以及前面的網(wǎng)格花紋組成。LED 光源使用的是歐司朗的LUW CEUP.HD 芯片，該LED 為車規(guī)使用級的，驅(qū)動電流為1 A 時，光通量為290 lm，發(fā)光角為120°。TIR 結(jié)構(gòu)的作用是收集LED 發(fā)出來的所有光線，并使光線基本按照行車方向直射出去，而網(wǎng)格花紋則是將TIR 收集到的光線調(diào)整角度，以此達(dá)到滿足國家法規(guī)的要求，以此設(shè)計一款滿足造型需求的遠(yuǎn)光燈。本設(shè)計采用的光學(xué)材料為塑料PC（Polycarbonate），折射率為1.586，該材料是汽車車燈中使用非常成熟的光學(xué)材料，具有較高的耐熱性能，相對玻璃材質(zhì)來說，塑料PC 質(zhì)量小、韌性強、異形造型加工難度較低。

3.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖2 為遠(yuǎn)光結(jié)構(gòu)正視圖，如圖所示該造型是長條形且有一定弧度，根據(jù)造型本設(shè)計采用7 顆LED對應(yīng)7 個TIR 結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)的前表面上增加網(wǎng)格花紋，圖3 為遠(yuǎn)光結(jié)構(gòu)后側(cè)視圖。單顆LED 的光通量290 lm，一共使用2 030 lm 光通量，每顆LED 的驅(qū)動電流為1 A，驅(qū)動電壓約3 V，即每顆燈珠的功率為3 W，共需21 W 功率，普通的鹵素?zé)襞莨庠垂β蕿?8 W 以上，相較而言，LED 光源的遠(yuǎn)光功率僅為鹵素?zé)襞莸囊话?，降低了整車的能耗，減少了新能源汽車的耗電壓力。

圖2 遠(yuǎn)光結(jié)構(gòu)正視圖

圖3 遠(yuǎn)光結(jié)構(gòu)后側(cè)視圖

3.2 設(shè)計結(jié)果

設(shè)計結(jié)果如圖4 所示，圖4 為遠(yuǎn)光在25 m 屏的光斑圖，設(shè)計時考慮了汽車車燈外面罩的透過率，根據(jù)工程經(jīng)驗按80%計算。由圖可知光斑左右寬度大于10°，上下角度達(dá)到5°，光效為51%，最大值為101 lx，法規(guī)要求最大值為48 lx 以上，由表2 可知，HV 點至1125L 和R 以及HV點至2 250L 和R 的位置最小值都大于80lx，法規(guī)要求分別為24 lx 和6 lx以上，其中H1 和H4 點對應(yīng)法規(guī)的是1 125L 和1 125R 的點，H2 和H3 點對應(yīng)法規(guī)的是2 250L 和2 250R 的點，該設(shè)計亮度滿足法規(guī)要求且余量均在100%以上。圖5 為該設(shè)計的路照效果圖，如圖5 所示遠(yuǎn)光的路照均勻，無明顯亮斑，司機在駕駛位能看清前方車道，圖6 為該遠(yuǎn)光的鳥瞰圖，光斑照射范圍達(dá)250 m 以上（以1 lx 照度為界），且在燈前18 m 的位置，光斑的照度最大，為141 lx。

圖5 路照效果圖

圖6 光斑鳥瞰圖

表2 遠(yuǎn)光設(shè)計模擬值

圖4 遠(yuǎn)光25 m 屏光斑圖

4 結(jié)論

該設(shè)計采用了TIR 結(jié)構(gòu)加網(wǎng)格花紋的方案使得LED 光源發(fā)出的光能得到有效的利用，光效較高，能達(dá)到50%以上，路照效果均勻，照程遠(yuǎn)且造型多變，不再受限于以往的圓形或方形等比較固定的形狀。另外由于LED 顆數(shù)的靈活運用，采用是單芯片LED，每顆LED 間隔一段距離，有利于LED 的散熱，提高了燈珠的可靠性，從而提高整個遠(yuǎn)光系統(tǒng)的可靠性。能耗方面，LED 光源所需功率低，更加符合新能源汽車的需求。