投射式汽车前照灯透镜参数设计研究

佟 飞,沈为民,黄 杰,屠于梦,李 敏

(1.中国计量学院，光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.欧司朗(中国)照明有限公司上海分公司，上海 200001)



投射式汽车前照灯透镜参数设计研究

佟 飞1,沈为民1,黄 杰1,屠于梦2,李 敏1

(1.中国计量学院，光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.欧司朗(中国)照明有限公司上海分公司，上海 200001)

基于非球面设计原理，应用LucidShape软件，建立投射式前照灯实体模型，透镜选取不同的直径和焦距获得对应光型，分析透镜直径和焦距对光型的影响，通过比较光型及各个测试点照度，获得特定直径下的适用于近光灯的透镜焦距范围。仿真结果表明，随着透镜直径的增大，光能利用率逐渐升高，当透镜焦距增大时，光型的水平扩展度和纵向扩展度随之减小，在透镜直径为70mm的情况下，适用于近光灯的透镜焦距范围为45mm～50mm。

投射式前照灯；光型；透镜

引言

在投射式汽车前照灯系统中，普遍使用非球面透镜作为投射透镜[1,2]。但是，对于投影系统中透镜的尺寸，国际上还没有统一标准。基于空气动力学的考虑，汽车前照灯的整体尺寸受到限制，为了控制系统的深度和口径，优先采用小口径短焦距的透镜，同时透镜的焦距和直径的改变对光能利用率、扩散角都有影响[3]。在不同直径的情况下，适用于近光灯的透镜焦距范围是不同的，获取合理的焦距范围，对近光灯防止眩光、提高光效都有着重要的作用。所以探索透镜的直径和焦距对光型的影响以及透镜特定直径下适用于近光灯的焦距范围就变得尤为重要。

目前，国内外许多研究小组都在进行投射式前照灯透镜设计方面的研究，设计的透镜从结构上来说，大致可分为两种，一种是自由曲面透镜；另一种是菲涅尔透镜。其中，余桂英等对采用大齿距菲涅尔非球面透镜进行了研究，设计的透镜可使系统轻量化、小型化、提高了系统总体性能[4]；陈菲等人设计了一种前后表面不同结构的高效率自由曲面透镜[5]，光能利用超过88%；王洪提出了汽车近光灯自由曲面透镜的设计流程及方法[6]，设计的自由曲面透镜光线利用率达到95.92%，Matthias Brinkmann等人针对投射系统的色散问题，设计了一种衍射光学元件(DOEs)透镜，达到了很好的减少色散的效果[7]。这些研究多强调配光透镜结构上的设计，通过设计不同的透镜结构，从而优化配光效果，未对透镜的尺寸对配光效果的影响进行分析，且设计的特殊结构透镜大多比较复杂，制造难度大，成本高，不适合实际大量生产。Henning Weinhold等人在双光卤钨投影灯研究中，提到在双光卤钨投影系统中，当透镜的直径为75mm时，后焦距为57mm的配光效果较好，但并未说明透镜尺寸如何影响配光光型，而且双功能投影系统的内部结构与传统的投影灯有差异，空间结构的不同、光源的不同都将导致透镜适用于近光的焦距范围发生变化[8]。

本文以传统光源卤素灯H7为光源，根据投射式前照灯的设计方法，利用LucidShape软件建立系统实体模型，并在符合ECE配光标准的前提下，对系统各部分参数进行调整，改变透镜的直径和焦距，获得光型图，分析不同直径、焦距的配光透镜对光形的影响，并在透镜直径为70mm的情况下，探索适用于近光灯的透镜焦距范围，为配光镜的设计提供一定参考依据。

1 投射系统设计理论

投射式前照灯也称为复合椭圆面反光镜前照灯系统(PES)。它主要有多椭圆面反光镜、挡板、透镜、光源[9]。结构如图1所示。多椭圆面反光镜是通过计算机辅助设计计算求得的，光源经过它反射后，不用配光镜就能达到法规要求的光形；挡板可以精确地控制配光性能中所要求的明暗截止线；再经过高精度大的透镜折射，最终获得高清晰度的光形，很好地达到法规要求的配光性能。

图1 投射式前照灯结构图Fig.1 Structure of projection headlamp

投射式汽车车灯光学原理：车灯的反射镜纵、横断面有长、短轴变化的椭圆组成，形成复合椭球，根据椭球面的聚光性质，位于椭圆第一个焦点放置光源，光源发出的光线，经由椭球面反射后形成经过椭球第二个焦点的反射光线。如果使透镜的焦点与椭圆第二个焦点重合，则反射光线经透镜折射聚光后形成平行光束，投射到汽车行驶方向的前方，从而形成前照灯的配光光型。由于采用椭球面作为反射镜，使灯具具有可利用光束多、体积小、效率高等特点[10,11]。为了形成具有明暗截止线的近光光型，在第二焦点附近放置用于遮挡反射光线的挡板。这样，通过挡板将反射光的一部分遮挡，从而形成非常鲜明的明暗截止线。截止线的形状可由挡板的形状决定[12]。它的优点是可以方便地设计出任意配光图形，如满足ECE、SAE、GB等标准的配光要求。

2 投射式前照灯模型建立

为了分析透镜尺寸和焦距对光形的影响，首先利用LucidShape光学模拟软件建立投射式前照灯光学模型。

本文建立的投射式前照灯光学模型各参数如下：透镜初始直径和焦距分别取60mm、40mm，透镜为理想透射体，透射系数为1。多椭球反射面采用双焦点形式，其中垂直剖面上一个椭圆焦点为(0,0,29.1)和(0,0,70)，另一个椭圆焦点为(0,0,25)和(0,0,70)；水平剖面内一个椭圆焦点为(0,0,27.05)和(-10,0,110)，另一个椭圆焦点为(0,0,27.05)和(10,0,110)，反射面为理想反射体，反射系数为1。选择ECE15°挡板，挡板放置在与光轴垂直，过点(0,0,70)的位置。选择H7光源，其光通量为1100lm，模拟过程中追迹光线数设为20000000条。

3 实验模拟及结果分析

以控制变量法进行模拟实验，并利用软件中的测点功能测量各个测试点的数值，并记录下来。为了分析透镜的直径和焦距对光形的影响，首先分析在透镜焦距固定的情况下，单独改变透镜直径对光形的影响，我们选择焦距为40mm，直径分别为60mm、65mm、70mm、75mm、80mm的五组光形图进行分析，如图2～图6所示。

图2 透镜直径60mm的光型Fig.2 Light distribution of the diameter 60mm lens

图3 透镜直径65mm的光型Fig.3 Light distribution of the diameter 65mm lens

图4 透镜直径70mm的光型Fig.4 Light distribution of the diameter 70mm lens

图5 透镜直径75mm光型Fig.5 Light distribution of the diameter 75mm lens

图6 透镜直径80mm光型Fig.6 Light distribution of the diameter 80mm lens

图2～图6中，横坐标表示前照灯水平扩展角度，每格表示10°，纵坐标表示前照灯纵向扩散角度。不同直径下光通量和最大光强的数值如表1所示。

表1 不同直径下的光型数据Table 1 Data of light distribution with the different diameter

由表1可知，在透镜焦距不变的情况下，随着透镜尺寸的增加，透镜能将更多的光束会聚到光场中，接收屏内接收的光通量也随着增大，最大光强的位置和光型水平扩展度变化不大，最大光强值逐渐增大，同时光线向中心收拢，光型边缘越来越锐利，各个测试点照度增大。

下面分析焦距对近光灯光型的影响，我们选取透镜70mm的情况下，分别取透镜焦距为40mm、45mm、50mm、55mm、60mm五组光型图进行分析(如图7～图11所示)。

图7 透镜焦距40mm光型Fig.7 Light distribution of the focal length 40mm lens

图8 透镜焦距45mm光型Fig.8 Light distribution of the focal length 45mm lens

图10 透镜焦距55mm光型Fig.10 Light distribution of the focal length 55mm lens

图11 透镜焦距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强的数值如表2所示。

表2 不同焦距下的光型数据Table 2 Data of light distribution with the different focal length

由图9～图11和表2可知，随着透镜焦距的增大，光型水平扩展度和纵向扩展度明显减小，接收屏接收的光通量逐渐减小，最大光强逐渐增大，而且各个测点光强也随之增大。

由于不同车辆的要求不同，使得透射式前照灯使用的透镜的直径不同，在不同的直径下，透镜适用于近光灯的焦距范围是有变化的。鉴于当今市场上的主流透镜大多采用70mm直径，所以主要针对直径70mm的透镜，探索其适用于近光灯的焦距范围。通过综合考虑光通量，最大光强以及光型等多方面因素，在进行模拟结果中，当透镜直径为70mm时，焦距在45mm～50mm范围内，获得比较理想的光型，测试结果如表3所示。

表3 近光各个测点数值Table 3 Low-beam illuminance value of each test point(unit：lx)

从表3可知，经过软件组件测试，测试结果中关键测试点均符合GB 4599—2007及ECE R112标准的要求[13,14]。如位置点75R，该测试点坐标为(1.15,-0.57)，坐标中横坐标表示光轴左偏1.15°，纵坐标表示光轴下调0.57°，通过模拟得到该点在透镜焦距为45mm和50mm时，照度值分别为20.96lx和21.37lx，满足最小12lx的要求。

4 结论

本文基于投射式汽车车灯光学原理，建立汽车前照灯模型，分析了不同透镜直径、焦距对汽车前照灯配光光型的影响。模拟分析结果表明当透镜直径为70mm时，适用于近光灯透镜焦距范围为45mm～50mm。从投射式汽车前照灯测试结果中，可以得出：关键测试点均可以满足GB 4599—2007、ECE R112的配光要求。为车用投射式前照灯透镜设计提供了一定参考。

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[14] ECE R112. 关于批准发射不对称远光和/或近光和装有白炽灯泡的机动车前照灯的统一规定[S].

简 讯

2015年4月2日，中国轻工业联合会三届五次理事会暨全国轻工行业工作座谈会在石家庄太行国宾馆召开。发改委、工信部、国资委、河北省政府相关领导到会并致辞。会议总结了2014年工作，商讨部署了2015年工作，为轻工科技、品牌、企管、年鉴等颁发了年度奖。轻工各行业协学会、联合会分支机构、直属单位，各省市轻工部门及获奖企业300多人参会。4月1日晚举行了三届九次常务理事会。中国照明学会徐淮理事长参加。

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