汽車前照燈用LED光源的光學(xué)設(shè)計
陳益民1,聶 蓉1,2,黃 杰2
(1.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東廣州510006;2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲412000)
摘 要:LED光源作為汽車照明系統(tǒng)的一門關(guān)鍵技術(shù),LED汽車前照燈的配光設(shè)計是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題。根據(jù)光通量及色度指標(biāo)的要求選擇LED光源,采用拋物面反射器并結(jié)合兩者的偏移與旋轉(zhuǎn)來分析光分布。每個LED光源擁有獨立的光學(xué)系統(tǒng),并負(fù)責(zé)配光屏上不同區(qū)域的照度,近光系統(tǒng)采用8個LED,遠(yuǎn)光系統(tǒng)采用10個LED。用CATIA三維設(shè)計軟件畫出組合反射器模型圖,通過光學(xué)軟件Tracepro反復(fù)調(diào)用不同的模型來追跡光線得到最后的配光效果。設(shè)計中無需配光鏡、擋光板以及復(fù)雜的計算程序,設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞:LED汽車前照燈;配光設(shè)計;反射器;照度
OpticaldesignofautomotiveheadlampwithLED
CHENYi2min1,NIERong1,2,HUANGJie2
(1.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2.HunanRailwayProfessionalTechnologyCollege,Zhuzhou412000,China)
Abstract:Duetoitssuperiorperformancessuchasenergysavingandenvironmentalprotection,LEDiswidelyusedinautomotivelighting.Asakeytechniqueonautomotivelightingsystem,lightdistributiondesignofLEDautomotiveheadlampisachallengingresearchsubject.LEDsourceswerechosenaccordingtothestandard,andLightdistributionwasanalyzedbyusingparabolicreflectorundermovingandrotatingconditions.Eachlightsourcehasitsself2containedopticalsystemandarrangestheirradianceofdifferentareaondistribute2screen,8LEDsourceswereusedinlow2beamsystem,and10LEDsourceswereusedinhigh2beamsystem.CombinedreflectormodelwasdrawninCATIAsoftware.ThefinalresultswereachievedbyusingTraceproaftercallingdifferentlensmodeliteratively.Baffleboardandcomplexcalculationprogramwerenotrequiredinthisdesignprocess.Thismethodhasshortdesignperiodandhighdistributionefficiency.ThefinalilluminationresultscompletelyconformtotherevisedstandardofGB459922007.
Keywords:LEDautomotiveheadlamp;lightdistributiondesign;reflector;illumination
引言
LED光源具有壽命長、高效節(jié)能、體積小、環(huán)保等優(yōu)點,目前已經(jīng)在剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、尾燈以及儀表用燈等方面廣泛應(yīng)用,即將成為車燈光源市場的主流。隨著LED在汽車照明系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)展,越來越多的難題被攻克。但是LED應(yīng)用于汽車前照燈仍然具有挑戰(zhàn)性,即LED不同于傳統(tǒng)汽車光源的光學(xué)特性,使LED應(yīng)用于前照燈時要面臨復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計,并且國內(nèi)外還沒有正式出臺LED汽車前照燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。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(fā)階段[326]。
1 LED光源的選擇
目前國內(nèi)并未出臺LED前照燈標(biāo)準(zhǔn),本文參考《GB459922007汽車燈絲燈泡前照燈》中的要求對光源進(jìn)行選擇,根據(jù)半封閉式前照燈標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)光光通量不超過1300lm,近光不超過1000lm。從目前LED的流明數(shù)來看,必須依靠多個LED組合才能進(jìn)行前照燈的配光設(shè)計。《GB478522007汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)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(nèi),因此本設(shè)計采用的是PhilipsLumiledsLUXEONRebel系列LXML2PWN120070中Neutral2White產(chǎn)品,色度指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)光用10個LED光源。
LXML2PWN120070的Tracepro模擬光強分布如圖1所示。其數(shù)據(jù)由FRED中Digitizationcurves點選出出廠數(shù)據(jù)而成,點選數(shù)據(jù)越多模擬出來的曲線也就越精確,本次點選數(shù)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(shè)計
本設(shè)計所采取的方案沒有配光透鏡,也不需要復(fù)雜的曲面劃分,只需通過對拋物面或者光源的偏移與旋轉(zhuǎn)就可以獲得不同的配光效果,由各個光學(xué)系統(tǒng)相互疊加達(dá)到最后的標(biāo)準(zhǔn)照度。值得一提的是,所有LED光源發(fā)出的光線只需反射一次,極大地提高了發(fā)光系統(tǒng)的效率。
2.1 基本拋物面的選取
設(shè)拋物線方程為
y2=4fz
旋轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)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(shè)計采用如圖2所示的發(fā)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(zhuǎn)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(jìn)行分析。此拋物面的焦點F的坐標(biāo)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(fā)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(fā)散;圖3c和3d表示光源隨拋物面沿x=Η的方向偏轉(zhuǎn),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(zhuǎn)角度而上下偏移,同理光源隨拋物面沿y=Υ的方向偏轉(zhuǎn)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(guān)系,光線密集的區(qū)域光照強,光線稀疏的區(qū)域光照較弱。由于共用一個光學(xué)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(fù)責(zé)配光屏上特定的照度區(qū)間。由此可見,該方法可以起到傳統(tǒng)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(shù),極大地提高了開發(fā)的效率,廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的曲面造型設(shè)計中[9]。本文采用CATIAV5軟件中創(chuàng)成式外形完成反射器曲面的設(shè)計,近光采用8個反射器(如圖4),遠(yuǎn)光采用10個反射器(如圖5),每個反射器都是標(biāo)準(zhǔn)的拋物曲面。設(shè)計的關(guān)鍵在于控制各個反射器及其各自LED的偏移尺寸和旋轉(zhuǎn)角度,使每個LED發(fā)出的光線經(jīng)各自的反射器反射后照射到配光屏上特定的區(qū)域(圖4和圖5右下方,數(shù)字對應(yīng)于各個反射器反射光線的中心照度區(qū)域)。根據(jù)配光標(biāo)準(zhǔn),近光要產(chǎn)生清晰的明暗截止線(圖4右下角粗線所示,即左側(cè)為水平h2h線,右側(cè)為h2h線上15°角斜線), 并且對配光區(qū)間各點的照度值要求比較高,因此設(shè)計過程比遠(yuǎn)光更加復(fù)雜。為了節(jié)省空間以及減少不必要的材料浪費,遠(yuǎn)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(shè)計近燈和遠(yuǎn)燈反射器組合模型分別可以控制在170mm×170mm×20mm和210mm×170mm×20mm以內(nèi),由于旋轉(zhuǎn)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(jié)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(xué)軟件實現(xiàn)。近光光線設(shè)置為12500×8=100000條,光通量為130×8=1040lm。從配光圖可以看出,到達(dá)接收屏的光線為97075條,總的流明數(shù)為1009.5lm,光線利用率和有效光通量極高,都能夠達(dá)到97%以上,水平截止線和15°明暗截止線也清晰可見。
遠(yuǎn)光的光通量要求比近光的要高,但是標(biāo)準(zhǔn)只是針對特定的幾點而言,所以設(shè)計起來并沒有近光的復(fù)雜,在這里并不用考慮反射器的旋轉(zhuǎn)問題,只需移動光源的位置即可。圖7為遠(yuǎn)光反射器組合在25m配光屏上的照度圖。同樣,遠(yuǎn)光光線設(shè)置為10000×10=100000條,光通量為130×10=1300lm。從配光圖可以看出,到達(dá)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(dá)到97%以上。
我國前照燈標(biāo)準(zhǔn)光型與歐洲ECE法規(guī)基本一致,因此我國國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn),本設(shè)計是參考GB459922007中鹵鎢燈的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。國標(biāo)規(guī)定配光性能應(yīng)在距離前照燈基準(zhǔn)中心前25m的配光屏上測量,各測試點、區(qū)的位置如圖8所示(圖中數(shù)值單位為mm)。
近光和遠(yuǎn)光在配光屏幕上的照度值應(yīng)符合國際要求,各測試點或測試區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)照度及仿真結(jié)果如表1和表2所示。對于近光而言,GB459922007在GB459921994的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)要求。
4 結(jié)論
本設(shè)計是在已知光源發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的照度分布。本設(shè)計極大程度上降低了成本,設(shè)計流程簡單,周期短,符合目前LED前照燈的設(shè)計趨勢。本文對LED汽車前照燈遠(yuǎn)近配光進(jìn)行了初步的設(shè)計與仿真,仿真結(jié)果完全符合GB459922007標(biāo)準(zhǔn)要求。關(guān)于實物與仿真結(jié)果之間的誤差,還有待日后通過進(jìn)一步的實驗加以驗證。