基于多椭球反射器的LED汽车近光灯设计

王　静，蔡忆昔，包伟伟，李慧霞，李小华

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江　212013)



基于多椭球反射器的LED汽车近光灯设计

王静，蔡忆昔，包伟伟，李慧霞，李小华

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：基于大功率LED芯片的类朗伯体发光特性、GB 25991—2010标准要求和非成像光学理论，设计了一套由变截面椭球体反射器、挡板和自由曲面透镜组成的投射式LED前照灯近光系统。采用Monte-Carlo光学追迹法进行仿真分析，并加工了近光灯样件，测试其配光性能。结果表明：由变截面椭球体反射器、斜切角度为17°的挡板和具有能量分配功能的自由曲面透镜组成的LED汽车近光灯有利于形成“水平方向宽，垂直方向窄”的近光光型和清晰的明暗截止线；各主要测试点及区域的照度值满足标准的限值要求，且该系统的光能利用率相对于传统近光灯系统提高近10%。

关键词：LED汽车近光灯；非成像光学；变截面椭球体反射器；自由曲面透镜

引言

汽车前照灯的配光性能，尤其是近光灯的性能是影响汽车行驶安全和照明质量的关键因素[1-6]。LED汽车近光灯光学设计方案主要有反射式和投射式两种。反射式前照灯又可分为旋转抛物面型前照灯和自由曲面型前照灯，前者因遮光罩的存在而使得系统的光学效率降低；后者虽然光能利用率较高，但难以形成清晰的明暗截止线且复杂的曲面设计给加工带来极大的困难。投射式方案虽然能量利用率也不高，但却能产生清晰的明暗截止线，反射器的设计和加工相对简单[7，8]。

本文根据大功率白光LED的光电特性和非成像光学理论，设计了一套由变截面椭球体反射器、挡板和自由曲面透镜组成的投射式LED前照灯近光系统。采用Monte-Carlo光学追迹法进行仿真分析，并加工了近光灯样件，仿真和测试结果表明：所设计的近光灯其配光性能满足GB 25991—2010标准的要求。

1近光灯配光要求

根据GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》标准要求，前照灯近光应具有足够的照明并不产生眩目，在距离前照灯基准中心线前25m的配光屏上，各主要测试点和区域位置如图1所示[9]。近光光型大致可分为三部分：水平线以下0.75m处用于形成广阔视野的矩形区域Ⅰ区、明暗截止线以上亮度较低不致引起炫目的Ⅲ区、Ⅰ区之上亮度较高用于远距离照明的矩形区域Ⅳ区。

图1　GB 25991—2010规定的近光光型及主要测试点(区域)分布(图中尺寸单位：mm)Fig.1　Light distribution and test points (zones) for the GB 25991—2010 low beam in millimeters

2近光灯配光设计

2.1　投射式光学系统

投射式光学系统由变截面椭球体反射器、挡板和自由曲面透镜组成，如图2所示，根据LED光源的发光特性，仅需半个椭球体就能有效的收集光线。对该系统的光学设计将从反射器、挡板和透镜三方面展开。

图2　单个投射式光学系统的组成Fig.2　Constitution of every single projection unit

2.2　LED光源选择

选择合适的LED光源是汽车近光灯光学设计的关键，应从色温、工作电压、电流和芯片结温等多方面综合考虑。基于GB 25991—2010的要求，设计中选取PHILIPS LUXEON Altilon系列大功率LED芯片，型号为LAFL-C4S-0850，单颗芯片输出光通量为850lm~1000lm，典型输出功率13.7W。假设近光灯的目标光通量为1200lm，典型工作电流为750mA。根据最小光通量来设计，可确保满足设计目标的要求[10]。

2.3　变截面椭球体反射器

变截面椭球体反射器是在旋转椭球体反射器基础上改进得到的。为了形成图1中要求的“水平方向宽，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点，相同第二焦点的椭圆面组成的，由水平截面第一焦点渐变到垂直截面第一焦点，如图3所示。变截面椭球体反射器表面的数学描述如下[8,11]：

图3　多椭球体反射器的截面Fig.3　Sections of poly-ellipsoid

(1)

ai=aHcos2i+aVsin2i

(2)

ai+ci=K(constant)

(3)

(4)

式中：i为任意一截面与水平面的夹角；ai、bi和ci分别为长半轴长、短半轴长和焦半径；aH和aV分别为水平截面长半轴长和垂直截面长半轴长。

水平截面和垂直截面的椭圆方程为：

(5)

(6)

其中：f1和f2分别为垂直方向第一焦点和水平方向第一焦点,f3为公共第二焦点。

LED芯片的发光面中位于f1点处，光源发出的光线经过反射后在点f3处会聚。为使这个装置的结构紧凑，将半椭球体反射器在f3点处截开。在CAD软件中构建变椭球体反射器的3D模型如图4所示，水平截面和垂直截面第一焦点长度分别为42mm和32mm，第二焦点长度92mm。

图4　多椭球体反射器三维模型Fig.4　The poly-ellipsoid reflector with LED chip

2.4　挡板

挡板的形状和位置同样影响着近光光型。为了形成的清晰的明暗截止线，挡板应放置于变椭球体反射器的第二公共焦点处，在仿真中可根据实际情况上下或左右移动以确保明暗截止线清晰。挡板左侧为水平直线，右侧为一条向下角度为φ的斜线。由于近光明暗截止线右侧为向上15°的斜线，所以设计初期φ定为15°，但仿真得到的明暗截止线右侧角度却为13°左右。这是因为，尽管所选LED的发光面可近似为线光源，但实际上发光面是有一定厚度的，所以对应的发光面的投影是不规则四边形而不是理想的矩形[11]。通过反复调整，发现当φ为17°时，仿真得到的明暗截止线右侧角度最接近15°。

2.5　自由曲面透镜

经变椭球体反射器反射出的光线通过自由曲面透镜进行聚焦和光能的重新分配，以满足GB 25991—2010中近光光能分布要求。近光光型中的Ⅲ区为防眩目区，该区域的照度值越小越好，因此，设计中可将经过透镜后的光能向Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区分布。以反射器的第二公共焦点(透镜的焦点)为坐标原点，光线在透镜中的传播路径以及在25m配光屏上的分布如图5所示。

图5　光线在透镜中的传播路径Fig.5　Light propagation in lens

根据非成像光学理论及能量守恒定律可建立图5中坐标原点处的光能(设为I0)与25m配光屏上某一位置r处能量分布(设为E0)的关系式[12]。假设与Y轴夹角为α1的光线在配光屏上的投射位置为r1，将0~α1夹角内的光线分为j束，对应着配光屏上Ⅰ内的j个投影位置，从而可以得到[7,13]：

(7)

根据相同的原理，假设入射角α1~α2之间的光线投射到配光屏上的Ⅳ区，入射角α2~α3之间的光线投射到配光屏上的Ⅱ区，于是可得：

(8)

(9)

求解式(7)~(9)可以得到配光屏上的区域半径与光线入射角之间的关系如下：

(10)

(11)

(12)

在透镜的第一面和第二面上分别应用折射定律可得

nair·sinα=nlens·sinβ

(13)

(14)

确定好图5中的f后，联立式(6)~(13)，通过计算机迭代计算可得到自由曲面透镜第一面和第二面各点的坐标，最后可建立透镜的3D模型。

3仿真与测试结果分析

在CAD软件中构建近光灯系统的模型，再制造近光灯样件如图6所示。将模型导入光学仿真软件中，设定入射光线为100000条，根据Monte-Carlo光学追迹理论，通过反复调整模型位置，最终得到图7(a)所示的近光光型图。仿真结果显示，变截面椭球体反射器的光能利用率为48.6%，相对于普通椭球体反射器光能利用率提高10%左右，而自由曲面透镜的光效为96.8%。对于该近光系统，任意一椭圆截面与水平面夹角i的变化步长不同时，近光中的主要测试点B50L、75R、Ⅲ区的最大照度值，以及该近光系统的光能利用率的变化如图8所示。由图8可见，随着夹角i变化步长的减小，前照灯近光B50L点的照度值以及Ⅲ区的最大照度值逐渐降低，而75R点的照度值和近光系统的光能利用率却不断增加。亦即在式(2)的渐变方程下，i的变化步长越小，得到LED近光灯光学系统的性能越优，经反射器反射后的光线都能投射到配光屏幕上的指定区域。且当i的变化步长小于0.5°时，步长的变化率对光学系统的影响越显著。

图6　近光灯样件Fig.6　Sample piece of the low-beam system

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

图8　夹角i的变化步长对近光系统光学性能的影响Fig.8　Influence of intersection angle on passing beam optical performance

对近光灯样件进行配光性能测试，也能得到清晰的明暗截止线，如图7(b)所示，各测试点及区域的照度值均满足GB 25991—2010的要求，如表1所示。由表1可见，样件的测试值略低于仿真值，这是因为样件中反射器涂层的反射率低于仿真时的设定值，且自由曲面透镜由于加工等原因使其光效低于理想值；同时，仿真结果还取决于设定的入射光线数、椭圆截面与水平面夹角i的变化步长等因素。

表1　近光各测试点和区域的照度值　单位：lx

注：表1中，E50R为点50R处的实测照度值。

4结论

基于非成像光学理论和光线追迹原理，设计了一种由变截面椭球体反射器、挡板和自由曲面透镜组成的投射式LED前照灯近光系统并进行仿真和测试分析。结果显示，所设计的近光系统能形成标准规定的光型，各主要测试点及区域的照度值也满足标准的限值要求，且该系统的光能利用率相对于传统近光灯系统有较大幅度地提高。

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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

基金项目：江苏省动力机械清洁能源与应用重点实验室资助项目(编号：QK12001)；江苏省高校优势学科建设项目(苏政办发〔2011〕6 号)；江苏大学高级人才科研启动基金资助项目(编号：5503000025)

中图分类号：U463.65+1

文献标识码：A

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