一种应用自由曲面的LED汽车前照近光灯配光设计[1]

　　1 引言

　　汽车前照灯用于夜间行车时的道路照明，直接关系到行车的安全性，而前照灯性能的优劣是导致夜间交通事故的原因之一。目前前照灯光源较多使用传统光源，如白炽灯、卤素灯及高压气体放电灯(HighIntensityDischargeLamps，HID)等，这些光源寿命较短，其中白炽灯及卤素灯寿命仅为两千至三千小时，HID光源寿命略长，但也仅为约八千小时。因而，一种具有长寿命的新型光源将能为提高照明性能及减少夜间行车交通事故的发生带来积极的作用。

　　发光二极管(LightEmittingDiode，LED)作为新时代的光源，具有数万小时的寿命，除此之外，LED与传统光源相比具有光效高、体积紧凑、开关响应时间短、耐冲击及振动等诸多优点，因而十分适合作为汽车前照灯光源。

　　然而，同传统光源一样，采用LED作为光源仍需进行特殊的二次光学设计，其中，最为复杂的是汽车近光灯的配光设计。

　　一般而言，LED近光灯的光学设计思路主要可分为折射式、反射式及混合式三种。而目前常见的设计方法为采用挡板的投射式以及采用分块设计的反射式，两种方法均有不足之处，前者的光学系统效率可能受挡板遮光影响较大，后者则存在体积过大的缺点。本文以自由曲面方法进行了混合式的LED近光灯设计，关键点为自由曲面的透镜部分设计，目的在于取得高光学系统效率的同时保持体积紧凑。经过模拟，设计结果符合国家近光灯配光标准。希望本文能为LED近光灯光学设计方法提供一种新思路。

　　2 前照灯近光配光标准

　　根据国家标准要求，近光灯作为汽车夜间低速行驶时采用的照明手段，应具有足够的照度并不能对迎面开车司机或行人产生强烈的眩光。对此，GB25991—2010做出了特殊的规范，采用一种带清晰的明暗截止线的近光灯配光标准以满足上述要求。对近光灯的测试方法为在距离灯基准中心前25m的垂直平面配光屏幕上测量，各测试点、区的照度应满足如表1的要求，测试点及测试区域的位置如图1所示。

　　表1GB25991—2010前照灯近光配光测试标准

　　图1GB25991—2010前照灯近光配光测试标准

　　3 自由曲面设计方法

　　自由曲面是一种不规则或难以用统一方程式描述的曲面。通过应用自由曲面可以任意控制光线角度及分配光强。灵活应用自由曲面，能够使照明系统结构更紧凑，提高光能量的利用率，此外，还能够减少不连续曲面的出现，方便加工。

　　本文构建自由曲面的基本设计思路是根据曲面某点的入射光及出射光的矢量关系求得曲面上该点处的切向量，并结合边界条件求解整个曲面。

　　首先考虑一个光源、曲面及受照平面组成的简单光学系统，如图2所示，以光源为原点建立坐标系，假设一条从其发出的光线，入射到曲面上点p后折射至垂直于z轴的目标面上t点。点p处的入射光线矢量出射光线矢量及该点处的法向量满足折射公式:

　　图2光学系统示意图

　　继而需要确定入射光与出射光的能量对应关系。很自然的，考虑采用一种u→y，v→x的能量映射方式。在不考虑光能量损失如反射的情况下，根据能量守恒定律可知曲面上的入射光能量应等于出射光能量，从而有

　　其中，I(u，v)为光强函数，E(xt，yt)为受照平面上的照度，由此关系式可求得t点坐标用u，v表示的表达式，即Xt=f(u，v)，Yt=g(u，v)，代入珝N的法向量表达式，则可通过数值解法，结合自行设定的边界条件求解该自由曲面。