一种LED汽车前照近光灯配光设计方案[1]

　　0　引言

　　汽车前照系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明。夜间的行车量占总行车量的25%，而发生在夜间的交通事故却占总交通事故的47%，导致夜间交通事故频频发生有诸多原因，前照灯性能的衰退是其中的一个主要原因。传统的前照灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电灯(HighIntensityDischargeLamps，HID)，白炽灯和卤素灯的使用寿命一般只有几百个小时，HID 的使用寿命也只有几千个小时。因此，寻求一种新型耐用的光源来取代传统的光源对提高前照灯的性能以及减少夜间交通事故的发生有积极的作用。

　　发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是21世纪具有竞争力的新型固体光源，与传统光源相比它具有寿命长、体积小、能耗低、可靠耐用、响应快、设计灵活、控制灵活等优点。LED 已广泛用于车内照明装置及车外信号装置.随着白光LED 技术的发展，单粒LED 的光通量将不断提高，LED 取代传统光源用于前照灯已成为必然趋势。同时，由于LED 设计及控制灵活，以LED 为光源的自适应前照系统可以更有效地实现光束的自适应功能。

　　目前限制LED 应用于汽车前照系统的主要因素有：单粒LED 的光效和光通量、系统的光效。单粒LED 的光效和光通量决定了LED 前照灯所用LED的数量，进而决定了LED 前照灯的结构及热处理方式。前照灯的光效定义为由光源出射的每单位流明的光通量中照射到地面的光通量所占的比例，光效越高前照灯所用LED 的数量越少。

　　针对LED 前照灯面临的主要问题，本文以GB4599-94为标准，提出了一种LED 前照近光灯的配光设计方案，然后通过一设计实例逼近该配光方案，定性和定量地验证了该配光方案的可行性，为今后LED 汽车前照系统的设计提供了有利的指导。

　　1　GB4599-94前照灯近光配光标准

　　前照近光灯是一种在夜间低速行驶或者在会车时使用的照明灯，使用时不但应保证在车前40m 处司机能看清障碍物，而且不能让迎面开车司机或行人产生眩目。GB4599-94 要求用一种带清晰明暗截止线的近光光型的前照灯来满足上述近光照明要求，采用的前照灯配光屏幕如图1，配光屏上各测试点及测试区域的照度要求如表1。

　　表1　前照灯近光的配光要求(单位：lx)

　　图1　前照灯配光屏

　　2　LED 近光灯配光设计

　　文中LED 前照近光灯的配光依据是GB4599-94，采用计算机辅助设计方法，其配光过程如图2。

　　图2　LED 近光灯配光过程

　　2.1　系统类型确定

　　LED 前照灯的光效取决于前照灯所用光学系统的类型，LED 前照灯应采用光能传输效率较高的光学系统。LED 前照灯光学系统可为反射型、折射型、全内反射(TotalInternalReflection，TIR)以及复合型。其中反射型前照系统效率较高、设计技术较成熟，据此文中LED 前照灯采用反射型结构。

　　2.2　光源选取

　　与传统光源不同，一般LED 的出光相对集中。当前照灯采用反射型结构时，考虑到前照灯较大的照明范围要求和对LED 出光的有效利用，所选用的LED 最大光强不应集中在光轴附近。侧发光型LED 的法向光强往往较小，最大光强对应的角度一般在75°～85°，因此侧发光型LED是反射型LED前照灯的理想光源。在选取具体的侧发光型LED时，应综合考虑LED的光通量及其光效。

　　2.3　基础面选取

　　在设计近光灯反射器时，一般采用抛物面作为基础面。抛物面可由抛物线绕其主轴旋转得到，抛物线方程可表示为

　　式中f为抛物线的焦距，狉为抛物线焦点到抛物线上点的矢径，θ 为对应的半孔径角，如图3。

　　图3　旋转抛物面

　　考虑到车体上安装灯具的位置尺寸有限，出光孔的直径选取既要满足车体对灯具外形尺寸的要求，又要使反射器收集尽量多的LED 的出光。因此，可先根据LED 的光强分布确定抛物线的最小半孔径角，然后结合灯具外形尺寸要求确定抛物线的焦距，进而确定基础抛物面。

　　2.4　基础面划分及子面光型调整

　　ReflectorCAD 是一款专门用于车灯反射器设计的配光软件。根据选定的光源建立适合ReflectorCAD 的光源模型，然后在ReflectorCAD中建立基础抛物面模型，并合理放置光源模型和抛物面模型，之后便可划分基础抛物面。

　　图4中，粗实线表示的环形区域为沿着基础面的光轴并逆着光出射的方向所看到的图形，其中小圆对应基础面的安装孔。首先，根据配光屏上各测试区域及明暗截止线将基础面划分为区域A和区域B两部分，环形区域中的阴影部分为区域A，剩余部分为区域B;光源出光经区域A反射后照射到配光屏上位于明暗截止线和过HV点的水平线之间的区域，光源出光经区域B反射后照射到配光屏上过HV点的水平线以下的区域;之后，分别对区域A和区域B进行子块划分，子块划分的方式不唯一，但均应保证反射器的美感。根据近光灯的配光要求，通过合理调整光源经各子块反射后在配光屏上的光照分布，实现对各子块位置及曲率的调整，并通过叠加所有光分布形成符合法规的光型。在调整子块的位置和曲率时，应尽量保证相邻子块间的衔接。

　　图4　基础抛物面划分

　　2.5　ASAP模拟分析

　　GB4599-94对各测试点及测试区域的照度有着严格的要求，通过ReflectorCAD 得到的配光图只是大致的光分布，还需利用ASAP 进行详细的模拟分析。

　　在ASAP 中，根据前照灯近光的配光要求对各测试点及测试区域的照度进行详细分析。当模拟结果不满足配光要求时，需利用ReflectorCAD 对配光图进行相应调整，然后再导入ASAP 分析，如此反复直至ASAP 模拟得到的光分布满足前照灯近光的配光要求。