一种应用自由曲面的LED汽车前照近光灯配光设计

陶 鑫 刘木清

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

汽车前照灯用于夜间行车时的道路照明，直接关系到行车的安全性，而前照灯性能的优劣是导致夜间交通事故的原因之一。目前前照灯光源较多使用传统光源，如白炽灯、卤素灯及高压气体放电灯 (High Intensity Discharge Lamps，HID)等，这些光源寿命较短，其中白炽灯及卤素灯寿命仅为两千至三千小时，HID光源寿命略长，但也仅为约八千小时。因而，一种具有长寿命的新型光源将能为提高照明性能及减少夜间行车交通事故的发生带来积极的作用。

发光二极管 (Light Emitting Diode，LED)作为新时代的光源，具有数万小时的寿命，除此之外，LED与传统光源相比具有光效高、体积紧凑、开关响应时间短、耐冲击及振动等诸多优点，因而十分适合作为汽车前照灯光源。

然而，同传统光源一样，采用LED作为光源仍需进行特殊的二次光学设计，其中，最为复杂的是汽车近光灯的配光设计。

一般而言，LED近光灯的光学设计思路主要可分为折射式、反射式及混合式三种。而目前常见的设计方法为采用挡板的投射式以及采用分块设计的反射式，两种方法均有不足之处，前者的光学系统效率可能受挡板遮光影响较大，后者则存在体积过大的缺点。本文以自由曲面方法进行了混合式的LED近光灯设计，关键点为自由曲面的透镜部分设计，目的在于取得高光学系统效率的同时保持体积紧凑。经过模拟，设计结果符合国家近光灯配光标准。希望本文能为LED近光灯光学设计方法提供一种新思路。

2 前照灯近光配光标准

根据国家标准要求，近光灯作为汽车夜间低速行驶时采用的照明手段，应具有足够的照度并不能对迎面开车司机或行人产生强烈的眩光。对此，GB25991—2010做出了特殊的规范，采用一种带清晰的明暗截止线的近光灯配光标准以满足上述要求。对近光灯的测试方法为在距离灯基准中心前25m的垂直平面配光屏幕上测量，各测试点、区的照度应满足如表1的要求，测试点及测试区域的位置如图1所示。

表1 GB25991—2010前照灯近光配光测试标准Table 1 GB25991—2010 low beam headlight requirement

图1 GB25991—2010前照灯近光配光测试标准Fig.1 GB25991—2010 low beam light standard

3 自由曲面设计方法

自由曲面是一种不规则或难以用统一方程式描述的曲面。通过应用自由曲面可以任意控制光线角度及分配光强。灵活应用自由曲面，能够使照明系统结构更紧凑，提高光能量的利用率，此外，还能够减少不连续曲面的出现，方便加工。

本文构建自由曲面的基本设计思路是根据曲面某点的入射光及出射光的矢量关系求得曲面上该点处的切向量，并结合边界条件求解整个曲面。

首先考虑一个光源、曲面及受照平面组成的简单光学系统，如图2所示，以光源为原点建立坐标系，假设一条从其发出的光线，入射到曲面上点p后折射至垂直于z轴的目标面上t点。点p处的入射光线矢量、出射光线矢量及该点处的法向量满足折射公式:

将上述三个向量的表达式代入折射公式，解得

继而需要确定入射光与出射光的能量对应关系。很自然的，考虑采用一种u→y，v→x的能量映射方式。在不考虑光能量损失如反射的情况下，根据能量守恒定律可知曲面上的入射光能量应等于出射光能量，从而有

其中，I(u，v)为光强函数，E(xt，yt)为受照平面上的照度，由此关系式可求得t点坐标用u，v表示的表达式，即 xt=f(u，v)，yt=g(u，v)，代入的法向量表达式，则可通过数值解法，结合自行设定的边界条件求解该自由曲面。

4 采用LED的近光灯配光设计

根据GB25991—2010近光灯配光要求，受照屏不同位置处照度要求不同，因而本文采用分块式能量分布方式，针对各照明区域独立设计配光。

如图3所示，整个光学系统由透镜及反射器组成，以尽可能充分利用光能量。该系统分为5部分，各部分对应接收屏上不同位置处的光照区域，因此其映射关系不同。

图3 近光灯设计示意图Fig.3 Schematic diagram of the low beam light design

5 设计结果及模拟仿真

采用自由曲面方法并求解得图3中不同区块的自由曲面后可得反射器及透镜曲面的点云，使用如CATIA及Rhino等建模软件即可得到近光灯光学系统的模型。该模型外形尺寸近似一底面半径21mm，长约30mm的圆柱体。具体模型如图4所示。

图4 近光灯模型Fig.4 Model of the low beam headlight design

图5 仿真结果图Fig.5 Simulation result

本文使用光学模拟软件TracePro对该近光灯系统进行模拟仿真，LED采用200lm朗伯体光源，透镜材料为PMMA，反射器设为全反射，接收屏为一边长为10米的正方形平面，距光源25米远。仿真结果如图5所示。接收屏上各区域照度如表2所示，考虑到实际应用中，灯具效率将导致光通量的损失，可能导致受照面上照度不足，因而此处进行了裕度计算，以考察其在实际情况中是否能满足国家标准中测试点的最小照度要求，照度较最低要求裕度=(理想条件下模拟照度－标准最小值)/理想条件下模拟照度。

表2 各区域测试结果及裕度Table 2 The test result

由表2中的测试结果可知，该光学系统能满足GB25991—2010近光灯标准的要求，且留有30%以上的裕度，具有实际应用的可行性。

经仿真，该光学系统约71%光线入射至接收屏，光能量总出射率为90%，远大于卤素近光灯40%的效率。

6 总结

随着半导体照明技术的发展，LED取代传统光源用于汽车前照灯已成为必然的趋势，据此本文提出了一种LED汽车前照近光灯的配光设计方案。该方案以GB25991—2010为标准，通过自由曲面方法对透镜及反射器进行精确设计，很好地实现了光的合理分配，使得能量利用率得到了极大的提高。设计中使用200lm光通量的LED，在假定透镜未镀膜的情况下也能完全满足GB25991—2010标准中各点照度要求且裕度充足。尺寸方面，该光学系统模块体积相当于一个底面半径21mm、长约30mm的圆柱体，十分紧凑，为汽车的外形设计提供了更宽松的条件。

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