基于有延展反射面的擋光板的多曲面前照燈的光學設(shè)計

姚紅兵，陳 楓，李留成，張海云

（1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇億諾車輛部件有限公司，江蘇 丹陽 212300）

引言

汽車前照燈的近光部分，通常適用于在城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通較為繁忙的區(qū)域夜間或光照不足的情況下行車時開啟。相對于夜間高速車道和偏遠鄉(xiāng)村區(qū)域開啟的遠光燈而言，近光設(shè)計有著更高的設(shè)計標準和安全要求，既需要保證充足的光照強度和視覺舒適度，又必須保障會車時不會對對面的駕駛員造成眩光效果。世界各國都有著不同的地理、道路、車流量情況，所以都制定了相應的行業(yè)標準和法規(guī)。我國的法規(guī)參照了與我國行車情況相似的歐盟ECE 標準，于2011年發(fā)布了GB25991-2010《汽車用LED 前照燈》標準，要求投射式前照燈的近光光型有清晰的明暗截止線，截止線拐點兩側(cè)的光線進行非對稱分布，左側(cè)延展到車前40 m～45 m 處，右側(cè)延展到車前50 m～60 m 處[1-3]。對于近光配光性能各測試點、區(qū)的照度測算，應該在與前照燈基準中心相距25 m 的垂直配光屏幕上進行，各測試點及測試區(qū)的具體位置見圖1所示。

圖1 配光屏幕示意圖Fig.1 Schematic diagram of light distribution screen

本文設(shè)計目標為一款雙光燈，光源總光通量要求為1 400 lm，因為LED 光源相較于鹵素光源有極大優(yōu)勢，且5 芯單顆粒光通量較高且可以較簡單地確定光源中心位置，所以本設(shè)計采用了OSRAM 5 芯單顆粒LED 光源，型號KW H5L531.TE。PCB板布局、連接線和PCB 板安裝如圖2所示。

圖2 LED 電源驅(qū)動設(shè)置Fig.2 LED power drive settings

1 基于有延展反射面的擋光板的多曲面前照燈的光學設(shè)計

1.1 基于有延展反射面的擋光板的多曲面前照燈的光學設(shè)計思路

根據(jù)單顆粒LED 的朗伯余弦體結(jié)構(gòu)的光源設(shè)計，單獨的拋物型反射面很難同時滿足國標配光法規(guī)和客戶的要求[4]，所以按照一級反射面（類拋物面）配合擋光板前方的延展反射面（類拋物面）和二級反射面（拋物面）2 個功能區(qū)來調(diào)節(jié)光線分布，光線走勢圖如圖3所示。

圖3 光線走向圖Fig.3 Diagram of ray trend

為了保證光域內(nèi)的光線分布均勻度且各區(qū)不會出現(xiàn)照度值衰減過快的現(xiàn)象，將LED 光源的中心位置設(shè)置在反射器（由一級反射面和二級反射面組成）的第一個焦點處，所有光線必將交于反射器的第二個焦點處，且一級反射面所反射的光線反射到擋光板前方的延展反射面上，將該部分光線反射到配光屏的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。由二級反射面反射的光線將均勻地分布在配光屏幕的Ⅳ區(qū)和Ⅱ區(qū)。為防止炫目，在第二個焦點的水平位置處放置擋光板，且擋光板拐點就位于焦點上，遮擋炫目光線的同時在視域內(nèi)呈現(xiàn)清晰的明暗截止線[5-6]。反射面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，實物結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 采用多曲面設(shè)計的各個反射面Fig.4 Different reflectors of complex curved surfaces design

圖5 實物樣件的各個反射面Fig.5 Different reflectors of samples

1.2 透鏡設(shè)計

在進行投射式前照燈透鏡組總成設(shè)計時，透鏡一般采用玻璃透鏡或者亞克力透鏡，由于亞克力材料相對于硼化硅材料的玻璃材料有更高的折射系數(shù)，為了獲得更好的配光效果，本設(shè)計采用了亞克力材料[7]。透鏡采用非球面透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計，焦距為46 mm，直徑為82 mm，透鏡結(jié)構(gòu)和實物如圖6所示。其定義方程式為

圖6 圓形透鏡及開口位置Fig.6 Circular lens and its opening position

1.3 基于光學面的整體透鏡組結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于該設(shè)計方案中光源顆粒穩(wěn)定工作時的溫度要求為-40 ℃～125 ℃，為了防止工作環(huán)境溫度過高而造成LED 顆粒被擊穿進而產(chǎn)生光衰現(xiàn)象（光通量在短時間內(nèi)降低至70%以下），所以在透鏡組總成后部添加散熱器和風扇，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[8-10]。

圖7 散熱器和風扇Fig.7 Radiator and fan

2 設(shè)計模擬結(jié)果

本設(shè)計采用了5 芯單顆粒LED 光源，型號為KW H5L531.TE。在1 000 mA 的電壓工作下，該5 芯顆粒的輸出光通量為1 400 lm。通過LucidShape進行模擬，配光屏在正前方25 m 處，面罩系數(shù)為0.85。通過蒙特卡羅光線追跡模擬（模擬的光線數(shù)目為11 200 000 條，見圖8），最終得到車前25 m 配光屏幕上的配光數(shù)據(jù)如圖9所示，法規(guī)測試數(shù)據(jù)如圖10 所示[11]。

根據(jù)圖10 可看出，由光型分布情況可知前照燈的光型分布滿足GB25991-2010《汽車用LED 前照燈》法規(guī)要求[12]。具有延展面的擋光板設(shè)計中，正前方25 m 處的屏幕光通量為590 lm，屏幕最大照度值為51.9 lx。

表1和表2是根據(jù)吉利汽車股份公司于2017年提出的某款車型的近光測試分級標準（汽車兩側(cè)車燈中心距離1 345 mm，車燈距離地面726.8 mm，初始下傾角1%），來測試本設(shè)計與不具有延展反射面的透鏡組總成設(shè)計結(jié)果對比的路照模擬數(shù)據(jù)差異[13]。

圖8 蒙特卡羅光線追跡對話框Fig.8 Monte Carlo ray tracing dialog

圖9 具有延展面的透鏡組總成設(shè)計模擬光型Fig.9 Simulation of optical design on headlamps with extended reflectors

圖10 近光光型的法規(guī)測試Fig.10 LID measure test of low beam

表1 吉利近光燈路照標準Table1 Road illumination standards of low beam in Geely

表2 吉利近光燈路照測試Table2 Road illumination test of low beam in Geely

由表1和表2中的數(shù)據(jù)可以看出，具有延展反射面的擋光板設(shè)計在相同參數(shù)的路照模擬測試中，具有更好的路面照度分布：車前10 m、20 m 和40 m 處5 lx 等照度曲線的寬度和車前中心位置的最大照度值都高于不具有延展反射面的擋光板設(shè)計。驗證了該設(shè)計思路的正確性和實現(xiàn)方式的可行性。

3 實物加工及配光校驗

如圖11 所示為2D 圖紙圖片及實物圖片。

圖11 樣燈模組Fig.11 Sample lamp module

在實物掃描時，以燈座指向透鏡的方向為正前方，若是擋光板安裝時，拐點位置在透鏡焦點的正前方，截止線位置就會泛紅；拐點位置在透鏡焦點的正后方，截止線位置就會泛藍；偏差越大，情況越明顯，直至截止線出現(xiàn)藍虛或者紅虛現(xiàn)象[14]。規(guī)?；a(chǎn)時，截止線顏色稍顯泛藍或泛紅是無法避免的，但只要截止線清晰，就說明拐點位置在誤差范圍內(nèi)[15]。利用汽車燈具配光機對實際加工的前照燈進行光域掃描，測量裝置及測試結(jié)果如圖12和表3所示。

圖12 測試系統(tǒng)和各測試點測量Fig.12 Test system and measurement of each test point

表3 吉利近光燈路照測試Table3 Road illumination test of low beam in Geely

根據(jù)表1和表3的近光燈路照標準及測試數(shù)據(jù)可見，樣燈實測數(shù)據(jù)與模擬測試數(shù)據(jù)間的差異約為3%，樣燈功能完全符合設(shè)計需求，無論是模擬數(shù)據(jù)還是樣燈實測數(shù)據(jù)都超過了吉利近光燈3 級標準，若繼續(xù)進行改進，完全可以達到吉利近光燈2 級標準。

4 結(jié)論

LED 光源的投射式前照燈設(shè)計是結(jié)合了電子、結(jié)構(gòu)、光學這三方面技術(shù)的設(shè)計過程。本文著重講述了光學部分的設(shè)計，其中包括了PCB 板、基礎(chǔ)面和相關(guān)延展面的設(shè)計、透鏡和擋光板的設(shè)計，并通過NX10.0 和LucidShape 軟件進行了設(shè)計及仿真，經(jīng)正前方25 m 配光屏上的配光結(jié)果及法規(guī)測試驗證，得出本設(shè)計有助于投射式大燈在行車時，提高配光Ⅲ區(qū)照度值，進而提高近光設(shè)計中路照部分的地面最大照度值，有助于提高行車時駕駛員的視覺舒適度，并提高行車安全性。