摘 要:LED光源作為汽車照明系統的一門關鍵技術,LED汽車前照燈的配光設計是一個具有挑戰性的研究課題。根據光通量及色度指標的要求選擇LED光源,采用拋物面反射器并結合兩者的偏移與旋轉來分析光分布。每個LED光源擁有獨立的光學系統,并負責配光屏上不同區域的照度,近光系統采用8個LED,遠光系統采用10個LED。用CATIA三維設計軟件畫出組合反射器模型圖,通過光學軟件Tracepro反復調用不同的模型來追跡光線得到最后的配光效果。設計中無需配光鏡、擋光板以及復雜的計算程序,設計周期短、配光效果好,給出的配光模擬照度值完全符合最新出臺的GB459922007標準。
關鍵詞:LED汽車前照燈;配光設計;反射器;照度
引言
LED光源具有壽命長、高效節能、體積小、環保等優點,目前已經在剎車燈、轉向燈、倒車燈、尾燈以及儀表用燈等方面廣泛應用,即將成為車燈光源市場的主流。隨著LED在汽車照明系統中的應用不斷擴展,越來越多的難題被攻克。但是LED應用于汽© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
車前照燈仍然具有挑戰性,即LED不同于傳統汽車光源的光學特性,使LED應用于前照燈時要面臨復雜的光學設計,并且國內外還沒有正式出臺LED汽車前照燈的相關標準。雖然國際上一些有名的汽車廠商在試著使用全白光LED前燈模塊,但也是以概念車的形式在車展上展出,LED前照燈仍處在研發階段[326]。
1 LED光源的選擇
目前國內并未出臺LED前照燈標準,本文參考《GB459922007汽車燈絲燈泡前照燈》中的要求對光源進行選擇,根據半封閉式前照燈標準,遠光光通量不超過1300lm,近光不超過1000lm。從目前LED的流明數來看,必須依靠多個LED組合才能進行前照燈的配光設計。《GB478522007汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》明確表示汽車前照燈光色為白色,其色度特性也在一定的范圍之內,因此本設計采用的是PhilipsLumiledsLUXEONRebel系列LXML2PWN120070中Neutral2White產品,色度指標均符合標準要求。該大功率LED在700mA的工作電流下,光通量典型值為130lm,正向電壓為3.40V,初步確定近光用8個LED光源,遠光用10個LED光源。
LXML2PWN120070的Tracepro模擬光強分布如圖1所示。其數據由FRED中Digitizationcurves點選出出廠數據而成,點選數據越多模擬出來的曲線也就越精確,本次點選數為90。由于只考慮配光效果,光源本身宜采用簡化模型。
2 組合拋物面反射器的設計
本設計所采取的方案沒有配光透鏡,也不需要復雜的曲面劃分,只需通過對拋物面或者光源的偏移與旋轉就可以獲得不同的配光效果,由各個光學系統相互疊加達到最后的標準照度。值得一提的是,所有LED光源發出的光線只需反射一次,極大地提高了發光系統的效率。
2.1 基本拋物面的選取
設拋物線方程為
y2=4fz
旋轉拋物面方程為
y2+x2=4fz
式中:f為焦距。取f=12mm,出光孔直徑D=52.8mm,光源屬性采用前面所述的LXML2PWN120070的光強分布。
由于LED為芯片發光,光線主要集中在正面[7]。通過仿真分析可以觀察到,在相同尺寸的拋物面情況下,發光面放置方向與光線出射方向垂直時,測試屏上的光線收集率和總光通量比水平放置時要高得多,因此本設計采用如圖2所示的發光面與光線出射方向垂直的放置方式。
2.2 光能量的分布
各種偏移與旋轉的光分布如圖3所示。為了簡化起見,本文只采用拋物面上的幾條特征光線進行分析。此拋物面的焦點F的坐標為(00f)。圖3a表示光源中心位置[00z′],其中z′>(f+d??2)(d為LED光源z方向的長度),其出射光線方向與z軸成一定的發散角;圖3b表示光源位置[00z′],其中z′<(f+d??2),出射光線沿著z軸先靠攏后發散;圖3c和3d表示光源隨拋物面沿x=Η的方向偏轉,光源中心位置[0(d??2+f)sin(-Η)(d??2+f)cosΗ]。可以看出此時整體光線隨偏轉角度而上下偏移,同理光源隨拋物面沿y=Υ的方向偏轉時光源中心位置可由[(d??2+f)sinΥ0(d??2+f)cosΥ]求得;圖3e和3f表示光源中心位置上移或者下移h個單位,光源中心位于(0±hf),這時光線有明顯的下聚上散或者上聚下散的分布。
通過前面的分析可以知道,光線的分布與配光屏上的照度分布有一定的關系,光線密集的區域光照強,光線稀疏的區域光照較弱。由于共用一個光學孔徑必然會帶來不同程度的光損耗[8],因此每個LED配有單獨的反射器,每個反射器負責配光屏上特定的照度區間。由此可見,該方法可以起到傳統方案中配光和聚光的效果。
2.3 反射器三維模型的建立
反射器建模采用CATIAV5軟件完成。該軟件擁有獨特曲面造型技術,極大地提高了開發的效率,廣泛應用于復雜的曲面造型設計中[9]。本文采用CATIAV5軟件中創成式外形完成反射器曲面的設計,近光采用8個反射器(如圖4),遠光采用10個反射器(如圖5),每個反射器都是標準的拋物曲面。設計的關鍵在于控制各個反射器及其各自LED的偏移尺寸和旋轉角度,使每個LED發出的光線經各自的反射器反射后照射到配光屏上特定的區域(圖4和圖5右下方,數字對應于各個反射器反射光線的中心照度區域)。根據配光標準,近光要產生清晰的明暗截止線(圖4右下角粗線所示,即左側為水平h2h線,右側為h2h線上15°角斜線), 并且對配光區間各點的照度值要求比較高,因此設計過程比遠光更加復雜。為了節省空間以及減少不必要的材料浪費,遠光與近光一樣,反射器組合模型都采用雙排并列的方式,在不影響光線收集率的條件下將各個反射器整合起來,使反射器模型為一整體。本設計近燈和遠燈反射器組合模型分別可以控制在170mm×170mm×20mm和210mm×170mm×20mm以內,由于旋轉偏移的幅度很小,反射器模型并不影響整燈的美觀效果。
3 仿真結果與分析
圖6為近光反射器組合在25m配光屏上的照度圖,仿真過程由Tracepro光學軟件實現。近光光線設置為12500×8=100000條,光通量為130×8=1040lm。從配光圖可以看出,到達接收屏的光線為97075條,總的流明數為1009.5lm,光線利用率和有效光通量極高,都能夠達到97%以上,水平截止線和15°明暗截止線也清晰可見。
遠光的光通量要求比近光的要高,但是標準只是針對特定的幾點而言,所以設計起來并沒有近光的復雜,在這里并不用考慮反射器的旋轉問題,只需移動光源的位置即可。圖7為遠光反射器組合在25m配光屏上的照度圖。同樣,遠光光線設置為10000×10=100000條,光通量為130×10=1300lm。從配光圖可以看出,到達接收屏的光線為97168條,總的光通量為1262.6lm,光線利用率和有效光通量同樣都能夠達到97%以上。
我國前照燈標準光型與歐洲ECE法規基本一致,因此我國國標基本上是參照ECE的配光方式。但是目前我國還未出臺LED汽車前照燈標準,本設計是參考GB459922007中鹵鎢燈的標準執行。國標規定配光性能應在距離前照燈基準中心前25m的配光屏上測量,各測試點、區的位置如圖8所示(圖中數值單位為mm)。
近光和遠光在配光屏幕上的照度值應符合國際要求,各測試點或測試區域的標準照度及仿真結果如表1和表2所示。對于近光而言,GB459922007在GB459921994的基礎上增加了從測試點1到8的光照度要求。由表1和表2可以看出,每個特定點的照度都能較大程度地符合GB459922007的標準要求。
4 結論
本設計是在已知光源發光分布的條件下,通過多個拋物面反射器和LED光源來控制光線的走向,從而在配光屏上取得標準的照度分布。本設計極大程度上降低了成本,設計流程簡單,周期短,符合目前LED前照燈的設計趨勢。本文對LED汽車前照燈遠近配光進行了初步的設計與仿真,仿真結果完全符合GB459922007標準要求。關于實物與仿真結果之間的誤差,還有待日后通過進一步的實驗加以驗證。