前照灯双反射镜近光截止线模糊原因探讨及对策

李祥兵，杨伟民，刘 兴

（神龙汽车有限公司，湖北 武汉 430050）

车灯近光截止线的品质直接影响驾驶员的视觉舒适性和行车安全。驾驶员在夜间开车过程中，如果近光截止线太清晰，虽然可以保证近光能照得足够远、足够宽，但长时间驾驶后，驾驶员会有视觉疲劳的问题，特别是对于氙气前照灯和高功率LED前照灯。如果截止线太模糊，在开车过程中，驾驶员会感觉前方昏暗，照距和照明宽度无法保证，直接影响驾驶安全。因此，很多主机厂会对截止线采用主观评价的方式来评价是否接受。通常情况下，车辆出现截止线模糊的概率较大，而且这对行车的安全危害更严重，但在车灯设计过程中，特别是反射式LED近光双反射镜设计过程中，由于受到多种因素的影响（光学面结构、注塑和镀铝等），截止线品质一直很难保证满足设计要求，导致工业化阶段需要花费大量的时间去调整和优化，因此，需要对影响近光截止线品质的相关因素进行梳理，已确定一种具有普适性的解决方法。

1 前照灯近光截止线形成机理

在ECE（欧标）和GB（国标）中，均未给出前照灯近光明暗截止线清晰度品质的评判要求。目前国家机动车检测中心和各生产厂家只能用极其模糊的语言来描述截止线品质为清晰、较清晰和不清晰，平直、较平直和不平直等，这些主观而模糊的语言由于没有定量描述，导致在实际改进中也面临困难。比如在GB 4599中，对于前照灯近光截止线除了配光值要求外（主要是2250L、1125L、HV、H2、H3），没有其他定义要求。实际上，在整车厂车辆下线时，需要对截止线的品质进行检查，而截止线的清晰度直接决定了近光截止线的拐点能否被光检台捕捉。如果截止线不清晰，水平段不平直或存在多个拐点等，前束台捕捉光标就会来回跳动，导致灯宽或灯高不合格。

近光截止线的形成方式多种多样，每种方式的截止线品质也存在差异。通常，截止线的形成方法有以下几种。

1）由反射碗的型面实现的截止线。这种方式主要通过反射碗的抛物面进行适当优化，最终使光源经过抛物面后，形成15°明暗截止线，一般用于传统的反射式卤素前照灯以及目前流行的反射式LED前照灯上。

2）由遮光板实现。即通过光源前方的遮光板的旋转运动来形成截止线。这种方式一般用于投射式前照灯模组上，主要以卤素前照灯居多，一般形成45°截止线。由于投射式前照灯的模组一般为模块件，截止线一般都比较清晰。

3）通过遮蔽的方式来实现。这种方式一般通过遮蔽前照灯内部的部分LED光源，在车辆前方形成暗区并构建明暗截止线，LED光源数量较多，并经常用于矩阵前照灯上。

4）通过合成的方式来实现。对于近光采用多个模组来实现的前照灯，其截止线一般通过2个或多个模组来实现。比如，对于2个模组形成近光的前照灯，其中一个模组形成截止线，另外一个模组进行补光或者2个模组都形成截止线。

这4种方式的截止线品质，相比较而言，反射式前照灯的截止线一般比透射式要差一些，这主要是因为投射式前照灯的模组一般是一个很成熟的模组，其模组本身的截止线品质基本可以做到一种比较清晰的状态，否则在不同造型特征的前照灯上使用时，整灯的截止线品质将很难保证。

本文以标致某款前照灯的开发为例，重点阐述反射式LED前照灯近光明暗截止线模糊产生的原因及解决方案。

2 某项目近光截止线模糊的原因

标致某项目前照灯采用反射式LED前照灯设计，近远光分别由2个反射式发光单元构成。对于近光，截止线形成方式为靠近翼子板区域的反射碗用于形成15°截止线，靠近保险杠的近光反射碗用于形成水平段截止线，并给15°和水平段的截止线进行补光。在开发过程中，曾出现截止线模糊导致整车厂前束无法正确捕捉到截止线拐点和捕捉光标总是出现水平或垂直方向来回跳动的情况，导致灯宽无法调整合格。该前照灯在配光室内观察时，肉眼也可发现近光截止线比较模糊。

该前照灯结构比较简单。远近光的功能布置见图1，其中远近光反光镜（采用PC材料）与反射镜支架（ABS）链接，而反射镜支架与3个固定点连接，这3个固定点主要用来进行调光。光源散热器采用铝制材料。前照灯光学系统的内部关系如图1所示，反射式LED前照灯的内部关系如图2所示。

图1 前照灯光学系统组成

基于图2分析，得出影响截止线品质的物理系统有LED光源、电路板、反光镜、支架和调节机构。通过采用树形图来对原因进行剖析，最终识别出7个关键影响因素，如图3所示。

图3 基于树形图识别的关键影响因素

2.1 LED亮度

光源的亮度直接决定了近远光的亮度。在GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》中规定，LED前照灯应使用低UV辐射形式的LED模组，或者光学模组使用抗UV辐射的防护。低UV辐射的LED模组应满足如下要求：

式中：S（λ）——光谱效应权益函数，l；km——发光体最大发光功效极限值，km=683lm/W。

在LED选型过程中，如果LED本身的功率低于设计要求，会导致近光点亮昏暗，近光截止线明暗对比度降低，视觉上会形成昏暗的感觉。另外，LED本身是一种温湿敏感元件，在较高的环境温度下，比如70℃以上，由于LED驱动本身的热保护启动，光通量会出现较大的衰减，在这种情况下，也会导致近光截止线明暗度降低，截止线模糊，因此，在设计阶段，要确保近远光的散热性能达标，保证稳定的光学性能。

2.2 光源位置精度控制

光源的位置主要涉及电路板与反光镜的相对位置关系。本项目为反射式LED前照灯，电路板上LED光源与反射镜焦点之间的相对位置也影响截止线的品质。反射式车灯的反光镜一般为半抛物线曲面，因此，其光源的位置需要位于抛物线的焦点位置，这样光源发出的光经过反射镜后就会呈现平行光或聚合的光线，否则就会形成杂散光，截止线上方出现较多的亮斑而导致截止线模糊。通常，在设计阶段，LED光源一般位于焦点的理论位置，但在实际的操作过程中，由于反光镜的变形，电路板和反光镜尺寸的偏差，导致LED并不总是在反光镜抛物面的理论焦点位置，这样就会导致从光源发出的光线经过反光镜后，光线会向各个方向发射，从而在截止线的上方形成亮斑，导致截止线不清晰。通常情况下，为了保证零件的变形满足要求，就需要对反射镜、反射镜支架、电路板上的关键位置点（固定、定位、型面）打三坐标或其他方式扫描（比如白光扫描），来确保零件状态合格。如图4所示。

图4 电路板和反射镜位置分析

在CAE模拟阶段，电路板上LED的运动范围在0.1mm内，从理论上，可以保证反射镜的截止线品质不会因为LED位置的微量变化而发生较大波动。但在实际装配成零件后，需要通过三坐标扫描等更精确的方式，确定LED的位置偏移是否满足前期数据设定的合理范围。

2.3 功能布置

对于反射式LED前照灯，近光反射镜的功能布置方式通常有3种，见表1。这3种方式各有优势，其中第3种方式由于2个近光不相邻，反光镜比较狭长，尺寸偏大。如果采用BMC材料，则整个反射镜偏重，振动性能要求很难满足。如果采用PC材料，反射镜的质量减轻，但是整个反射镜的变形较大，对配光起反作用。在前期设计阶段，为了避免反射镜的形变导致光学性能变差，尽可能选用第1种或第2种相对紧凑的设计方案，以降低配光的难度。

表1 近光反射镜的功能布置方式

2.4 材料选择

车灯反光镜一般用PC或BMC材料，PC材料耐热温度为110℃左右，耐热温度相对BMC较低。另外，PC材料容易变形，且材料质量相对较轻，对于同种尺寸的反射镜，其振动性能更容易满足要求。而BMC材料属于热固性材料，质量相对较大，耐热可以达到150℃以上，抗振动性能较好。在应用方面，PC材料一般用于耐温等级不高的场合，比如LED车灯反光镜，小功率反光镜，如制动灯等，而BMC材料一般用于卤素灯近远光反光镜以满足耐热的要求。在本项目中，由于反射镜狭长（带4个反射镜），为保证振动试验满足要求，采用了材质较轻的PC材料。

零件的变形大小与材料选型密切有关，这就要求在设计阶段：①根据模流报告分析变形量，需要考虑零件的变形，要求变形量小于2mm；②对于形变较大的区域，增加水路，通过降低温度来控制变形；③根据实际的装配情况，通过优化数据（如对某些结构薄弱区域进行加强）来优化变形。

2.5 零件变形控制

影响光学的零件主要是近远光反射镜，而影响反光镜变形的因素除了自身材料类型外，与之匹配的反光镜支架也是导致反光镜变形的主要因素。反光镜与反光镜支架之间采用8个螺钉固定，如图5所示。在这些螺钉打紧前，只要其中1个或几个螺钉的固定端面不贴合，螺钉打紧后就会导致反光镜出现较为严重变形，从而影响配光。另外，反光镜支架通过9、10和11这3个支点实现反光镜的水平和垂直调光（9为固定点，10为水平调光，11实现垂直调光），近光这3个点作用在反光镜支架上，但在调光过程中，对反射镜的变形也有较大影响。在工业化阶段，可以通过反光镜支架与反光镜进行适配的方式，来确认各个打紧固定点在打紧前是否贴合，若在适配过程中存在较大的间隙，则需要对打紧端面进行优化，确保反光镜的变形范围控制在合理范围内。

图5 光学系统固定结构图

对于反射镜的变形，需要加强监控。检查的方法通常有3种：①用反光镜毛坯件作为样件，全部镀铝反光镜正面朝下放置在玻璃上，比较镀铝后的零件与毛坯件之间的状态，尤其是变形点的情况，参照样件与玻璃之间的贴合情况，检查各镀铝反光镜与玻璃之间的贴合情况；②模仿热封工装做一个反光镜的检具，将反光镜的毛坯件和镀铝件分别安装在检具上，通过检查反光镜各个打紧点与检具之间的间隙，来判断反光镜是否变形；③对反光镜进行白光扫描，特别反光镜的型面、打紧点端面等，用这种方案可以很精确地判断哪些区域是否发生了严重变形。

2.6 镀铝品质

反光镜的镀铝品质取决于反光镜模具的抛光品质和镀铝工艺。

模具的抛光品质对光学面产生很大的影响。通常，表面抛光品质可以用表面粗糙度来衡量。粗糙度越高，则镀铝层的附着力越小，光学表面也不完全是镜面。抛光方式有很多种，比如机械抛光、化学抛光、电解抛光、超声波抛光、磁研磨抛光和流体抛光等。其中机械抛光的精度最高，可达到0.008μm，这种方式主要依靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光后的凸部，从而得到平滑面，一般使用油石条、羊毛轮、砂纸等，以手工操作为主，特殊零件如回转体表面，可使用转台等辅助工具，表面品质要求高的可采用超精研抛的方法。其缺点在于效率低，易造成抛光表面不均匀，抛光时间难掌握，适宜小面积的表面处理。在镀铝反光镜的抛光中，一般采用机械抛光的方式。在本项目中，每个反光镜抛光（共4个反射碗）需要3～4天时间才能完全抛光完成。在工业化阶段，由于抛光过度，导致部分区域模具出现损坏，所以重新对模具进行降面后再次精度抛光，保证了抛光品质。

另外，在抛光过程中，找准反射镜模具的精抛位置对优化截止线品质也至关重要。通常，对于截止线不清晰的前照灯，需要在配光室内，通过遮蔽的方式来大致确定是反射镜的哪个区域导致了截止线不清晰。用这种方法大致确定后，将该前照灯的反光镜总成从灯中取出，然后将反光镜放置在光检台上，更准确地确认是反光镜的哪个反射面导致了模糊的截止线品质，然后与模具厂抛光人员交流抛光的注意事项。通过这种有针对性的精抛操作，才能很好地消除截止线不清晰的问题。

镀铝品质的好坏不仅与镀铝基材有关，也与镀铝方式的选择（全镀或局部镀铝）、模具的表面品质、蒸发舟的电流、是否带底涂和反射镜的型腔深度有关。通常情况下，模具表面的精度越高，比如对于机械抛光的方式，一般粗糙度精度可以达到0.1μm，通常作为反光镜抛光的首选方法。反光镜的型腔深度越深，越容易出现镀铝死区，在这种情况下，通常需要采用全镀铝的方式，保证在型腔最深区域的镀铝层厚度和铝层的附着力，如表2所示。在镀铝层的品质管控中，一般采用在线检测和试验验证的方案来共同确认镀铝层的品质。对于在线检测，一般采用附着力测试（比如划格法），NaOH试剂方法来判断镀铝层品质在生产线上是否满足要求。在对镀铝层的测试中，需要完成高低温循环试验，40℃耐水测试、光学测试等。

表2 镀铝层检测方法

2.7 固定不良

在整个反射镜系统中，零件的固定不良包含打紧点固定不良和调节结构松脱。此处打紧点主要指反光镜与反光镜支架之间的固定。其固定不良的失效方式包含螺钉松动、螺钉漏装等，对于存在多个打紧螺钉的系统，若其中1个或多个螺钉存在松动或漏装，势必导致反光镜变形，从而影响截止线的品质。调节机构的松脱包含固定球头松动、水平和垂直调节结构松动或卡死等失效形式，这些故障将导致近光截止线水平或垂直方向无法调节。

3 解决方法及改善效果

3.1 解决方法

基于以上分析，最终识别出影响本项目截止线品质的关键因素：镀铝面品质、反光镜变形和固定不良，提出了对应的措施进行优化，见表3。

表3 解决方法

3.2 改善效果

1）配光值改善：在本项目中，通过优化反光镜及支架的结构减少变形，并重新对模具进行抛光，优化镀铝工艺后，截止线的清晰度有较大改善。基于GB 25991—2010近光的光学照度值均有较大改善（图6红色字体部分乘以0.7，在合格范围内）。

图6 近光的光学照度值

2）光通量的扫描：对于LED前照灯，光通量的评价一般在环境温度50°C下进行，通过测试左右前照灯的光通量发现，左右前照灯光通量为1425lm，高于早期设定的1300lm的目标。在环境温度70°C下，考虑到LED的光衰，测量实际前照灯的光通量（左右前照灯）为1208lm,也高于目前1105lm的要求。这说明通过优化改进，前照灯的光通量水平得到较大提升，能更进一步提升客户的满意度。

3）截止线的评价：通过扫描截止线，发现截止线的水平度和明暗清晰度均能满足要求。测量数据见表4。

表4 截止线测量数据

4 总结及展望

综上所述，车灯近光截止线模糊问题，可以通过以下方式来优化解决。

1）PC材质反光镜：对于尺寸比较小的反光镜，由于变形可控，对反光镜的光学性能影响不大。对于尺寸较大的材料，需要设计反光镜加强结构，如果反光镜后方存在支架，支架推荐采用热变形较小的材料，比如BMC等。

2）模具抛光是一门技能水平要求很高的工作，因此在对反光镜抛光时，要保证抛光人员经验非常丰富。另外，在精抛过程中，要精准确定精抛位置。

3）镀铝前，要保证镀铝过程中不存在镀铝死角区域(否则某些区域会因为镀铝层太薄而导致附着力不足，影响光学性能)。