組合式LED自由曲面前照燈的近光配光設(shè)計與仿真

羅秉東 王亞軍 宋寧亮 孫天錫

(廈門大學(xué)電子科學(xué)系;福建省半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心，福建廈門 361005)

1 引言

現(xiàn)代汽車車燈主要采用鹵素?zé)?、HID燈等傳統(tǒng)燈具，這些燈雖然光效比較高，但其能耗大、響應(yīng)速度慢、光能利用率低的缺點(diǎn)不容忽視。與傳統(tǒng)的照明光源相比，LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，由于它的發(fā)光原理，使得它的工作壽命比鹵素?zé)艉虷ID燈都要長。此外，LED在抵抗機(jī)械應(yīng)力方面具有顯著的優(yōu)勢，在設(shè)計上LED可以做到結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)燈具的最優(yōu)化設(shè)計，減輕重量，節(jié)省空間。在車燈應(yīng)用上，用LED取代傳統(tǒng)光源是目前的主流趨勢［1］。

通常實(shí)現(xiàn)前照燈的配光主要有兩種方式:反射式和投射式，目前最新設(shè)計的燈具大多采用高光能利用率的自由曲面反射式系統(tǒng)近光燈［2］。自由曲面反射器的原理是將反射面分割成許多不規(guī)則形狀小反射面，每個小反射面都具有不連續(xù)的曲率，貢獻(xiàn)所需光照度分布的一部分，把所有小曲面反射的照度分布疊加在一起即可達(dá)到最終所需要的光照度分布。由于自由曲面反射器無法用數(shù)學(xué)方程來描述，因此，我們利用光源映像法的思想，合理地對反射基礎(chǔ)面進(jìn)行劃分和調(diào)整，并最終得到符合國標(biāo)要求的照度分布。

目前，在車燈傳統(tǒng)光源反射器的基礎(chǔ)上，國內(nèi)許多研究小組對其進(jìn)行了相關(guān)研究。比如，楊良等提出了多曲面車燈設(shè)計流程及方法［3］，蘇勝君等通過計算機(jī)進(jìn)行了反射鏡曲面建模設(shè)計與仿真的研究［4］，余桂英等對采用反射式自由曲面的LED汽車前照燈高效拋物反射器進(jìn)行了研究［5］，使LED逐漸向車燈制造產(chǎn)業(yè)滲透，但總體上在LED車燈設(shè)計特別是在自由曲面反射燈的設(shè)計上還非常薄弱。本文基于國標(biāo)規(guī)定光照度分布，在自由曲面反射器方面開展了深入研究，其中重點(diǎn)介紹了LED自由曲面反射器的設(shè)計組合步驟與技巧，并利用軟件進(jìn)行建模及模擬仿真，同時采取新型組合方式使設(shè)計兼顧性能提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 基礎(chǔ)面和光源的選擇

2.1 基礎(chǔ)面

為了提高光能的利用效率，基礎(chǔ)反射面采用半面旋轉(zhuǎn)拋物面，將LED中心置于拋物面的焦點(diǎn)f上(見圖1)。

圖1 拋物面幾何示意圖

圖1中旋轉(zhuǎn)拋物面方程為y2+z2=4fx，d和θ分別為反射鏡的出光口徑半高和抱角，x0為反射面的深度，則:

選擇光強(qiáng)分布為朗伯型的LED光源，發(fā)光面法線方向光強(qiáng)最大為I0，光線與法線方向?yàn)棣?2－ε時光強(qiáng)為Iε=I0cosε，則其總光通量為:

被反射器反射的光通量為:

假設(shè)反射器的反射率為1，則其光能利用率η為經(jīng)過反射器后出射的光通量與光源總光通量之比，即

從理論上分析，反射鏡的抱角越大，光源的利用率越高，但會給反射鏡的加工制造帶來困難。當(dāng)反射鏡的抱角超過110°時，光能利用率并不會隨著抱角的增大繼續(xù)顯著提高。將反射鏡的抱角θ限制于110°，既能得到較高的光能的利用率η，又不至于使反射鏡的加工制造過于困難［6，7］。由此可得到反射鏡的出光口徑半高與焦距的關(guān)系d=2.856f，當(dāng)取f=15mm時，為方便起見，取d=45mm。

2.2 光源

本文采用Philips Lumileds公司的大功率汽車前照燈LED-LUXEON Altilon LED，該光源為冷白光朗伯型LED，最大光通量達(dá)到850lm。LUXEON Altilon經(jīng)過設(shè)計和測試，可承受極端的溫度條件，并且能夠簡化光學(xué)設(shè)計、方便制造和裝配。圖2分別為其光譜和光強(qiáng)分布圖。

圖2 LUXEON Altilon光譜和光強(qiáng)分布

3 近光燈設(shè)計

3.1 近光燈的配光標(biāo)準(zhǔn)

前照燈的配光要求比較高，具有較高的設(shè)計難度，我國最近公布了 LED前照燈配光標(biāo)準(zhǔn)(GB25991—2010)［8］。國標(biāo)規(guī)定，對近光燈來說，在25m外接收屏上要有明顯的明暗截止線，V-V線左側(cè)應(yīng)為水平直線，右側(cè)為與水平線向上成15°的斜線HV－H3，或與水平線向上成15°斜線至水平線垂直距25cm處轉(zhuǎn)向水平的折線HV－H1－H2－H4，如圖3所示。

圖3 國標(biāo)近光燈配光屏

3.2 反射面組合及設(shè)計

由于LED是面光源，因此不能采取背向反射面的方法，而是將LED芯片發(fā)光面面向半反射面并旋轉(zhuǎn)一定角度，使得反射效率達(dá)到最大。此外，由于反射面左右邊緣10mm部分反射效率很低且浪費(fèi)空間，因此進(jìn)行切除。為了達(dá)到足夠的照明效果，本文利用LED小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，采用多套自由曲面組合來實(shí)現(xiàn)汽車前照燈中的近光功能。本文采用三套反射系統(tǒng)，并排組合。如圖4所示。

圖4 拋物面半反射面及并排組合示意圖

其中左邊一套反射系統(tǒng)將產(chǎn)生右15°截止線， 右一加強(qiáng)左邊水平截止線、左邊區(qū)域及50R點(diǎn)的照度，中間反射系統(tǒng)產(chǎn)生均勻的光形以滿足各點(diǎn)的照度要求。整體尺寸為210mm×45mm×35mm，利于加工制造。

利用上述得到的旋轉(zhuǎn)拋物面數(shù)據(jù)在RefCAD中定義基礎(chǔ)面和光源屬性，并對基礎(chǔ)面進(jìn)行分塊操作，根據(jù)反射定律和用戶設(shè)定的光線在屏幕上的投向區(qū)域，來反求出相應(yīng)的反射面，并計算出每塊反射面在屏幕上的投射光線。

在調(diào)整各子塊光型的過程中，要注意克服雜散光的影響，盡量降低水平截止線以上的照度，以免產(chǎn)生眩目光線［9，10］。本文自由曲面的分塊和三維模型如圖5所示。

圖5 自由曲面的分塊和三維模型

4 光學(xué)仿真

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。它可以精確地定義各種實(shí)際光源 (如發(fā)光二極管、白熾燈、弧光燈、鹵素?zé)舻?的形狀和發(fā)光特性，利用其照明模塊可實(shí)現(xiàn)蒙特卡洛法光線追跡，以便確定某個指定表面上的光照度、強(qiáng)度或亮度。

自由曲面設(shè)計好之后，導(dǎo)出為IGES格式，將其導(dǎo)入到TracePro中組合成近光燈反射系統(tǒng)，由于導(dǎo)入的模型只有幾何屬性，還需設(shè)置其材料及光學(xué)屬性，本文定義反射器的材質(zhì)為PMMA，表面的光學(xué)屬性為光學(xué)鏡面，反射率為85%，并調(diào)用自建的光源模型進(jìn)行仿真。圖6為LED光源和導(dǎo)入的自由曲面的光線追跡圖。

圖6 LED光源和自由曲面的光線追跡

在光源正前方25米處設(shè)置接收面，接收面的面積為15000×6000mm2，首先分別追蹤三組反射系統(tǒng)各自光源發(fā)出的光線，仿真結(jié)果如圖7所示。三個反射系統(tǒng)照度分布較為理想，左邊反射系統(tǒng)產(chǎn)生清晰15°截止線，中間反射系統(tǒng)使整體照度均勻分布，右邊反射系統(tǒng)加強(qiáng)了左邊區(qū)域照度和50R點(diǎn)照度值。

圖7 左、中、右三組反射系統(tǒng)模擬照度圖

同時追蹤三組系統(tǒng)光源發(fā)出的光線，根據(jù)仿真的結(jié)果檢查各測試點(diǎn)和測試區(qū)域是否符合國標(biāo)規(guī)定，對不達(dá)標(biāo)的照度值，在RefCAD重新調(diào)整子系統(tǒng)中各子塊［11］，再導(dǎo)入TracePro中進(jìn)行模擬，直至得到符合要求的照度值。模擬實(shí)驗(yàn)最終追跡了五百萬條光線，得到的接收屏上的照度分布如圖8所示，水平和15°截止線十分清晰，整體照度無明顯陡變，表1列出了各測試點(diǎn)及測試區(qū)域的照度值，能夠較好地符合國標(biāo)規(guī)定。仿真最終結(jié)果總光通量為841.83lm，入射光線396.5萬條，入射光通量與發(fā)射光通量之比即為系統(tǒng)光能利用率，達(dá)到79.3%，比傳統(tǒng)投射式前照燈更高。

圖8 組合后模擬得到的接收屏照度分布圖

表1 近光配光國標(biāo)要求及仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文在已知光照度分布和光源特性的前提下，利用RefCAD構(gòu)造出適合LED光源的自由曲面反射器，并利用TracePro軟件組合模型，進(jìn)行光線追跡，仿真的結(jié)果較好地滿足GB25991—2010的對近光燈的配光要求，由于沒有傳統(tǒng)投射式的擋光板，因此該系統(tǒng)理論光能利用效率大大提高，達(dá)到79.3%。當(dāng)前LED汽車前照燈配光設(shè)計已不再單純采取投射式或反射式，越來越多的設(shè)計采用兩種形式交叉的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使得車燈在LED芯片光效沒有明顯提高的條件下具有較高的光能利用效率和更優(yōu)化的設(shè)計空間，滿足車燈日益提高的安全、審美和節(jié)能要求。本文采取的組合方式使設(shè)計更加緊湊合理，發(fā)揮了LED尺寸較小的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了設(shè)計空間，為未來LED應(yīng)用于汽車車燈照明的配光設(shè)計提供了一個參考。

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