汽车前照灯用LED光源的光学设计
陈益民1,聂 蓉1,2,黄 杰2
(1.广东工业大学信息工程学院,广东广州510006;2.湖南铁道职业技术学院,湖南株洲412000)
摘 要:LED光源作为汽车照明系统的一门关键技术,LED汽车前照灯的配光设计是一个具有挑战性的研究课题。根据光通量及色度指标的要求选择LED光源,采用抛物面反射器并结合两者的偏移与旋转来分析光分布。每个LED光源拥有独立的光学系统,并负责配光屏上不同区域的照度,近光系统采用8个LED,远光系统采用10个LED。用CATIA三维设计软件画出组合反射器模型图,通过光学软件Tracepro反复调用不同的模型来追迹光线得到最后的配光效果。设计中无需配光镜、挡光板以及复杂的计算程序,设计周期短、配光效果好,给出的配光模拟照度值完全符合最新出台的GB459922007标准。
关键词:LED汽车前照灯;配光设计;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光源具有寿命长、高效节能、体积小、环保等优点,目前已经在刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯以及仪表用灯等方面广泛应用,即将成为车灯光源市场的主流。随着LED在汽车照明系统中的应用不断扩展,越来越多的难题被攻克。但是LED应用于汽车前照灯仍然具有挑战性,即LED不同于传统汽车光源的光学特性,使LED应用于前照灯时要面临复杂的光学设计,并且国内外还没有正式出台LED汽车前照灯的相关标准。虽然国际上一些有名的汽车厂商在试着使用全白光LED前灯模块,但也是以概念车的形式在车展上展出,LED前照灯仍处在研发阶段[326]。
1 LED光源的选择
目前国内并未出台LED前照灯标准,本文参考《GB459922007汽车灯丝灯泡前照灯》中的要求对光源进行选择,根据半封闭式前照灯标准,远光光通量不超过1300lm,近光不超过1000lm。从目前LED的流明数来看,必须依靠多个LED组合才能进行前照灯的配光设计。《GB478522007汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》明确表示汽车前照灯光色为白色,其色度特性也在一定的范围之内,因此本设计采用的是PhilipsLumiledsLUXEONRebel系列LXML2PWN120070中Neutral2White产品,色度指标均符合标准要求。该大功率LED在700mA的工作电流下,光通量典型值为130lm,正向电压为3.40V,初步确定近光用8个LED光源,远光用10个LED光源。
LXML2PWN120070的Tracepro模拟光强分布如图1所示。其数据由FRED中Digitizationcurves点选出出厂数据而成,点选数据越多模拟出来的曲线也就越精确,本次点选数为90。由于只考虑配光效果,光源本身宜采用简化模型。
2 组合抛物面反射器的设计
本设计所采取的方案没有配光透镜,也不需要复杂的曲面划分,只需通过对抛物面或者光源的偏移与旋转就可以获得不同的配光效果,由各个光学系统相互叠加达到最后的标准照度。值得一提的是,所有LED光源发出的光线只需反射一次,极大地提高了发光系统的效率。
2.1 基本抛物面的选取
设抛物线方程为
y2=4fz
旋转抛物面方程为
y2+x2=4fz
式中:f为焦距。取f=12mm,出光孔直径D=52.8mm,光源属性采用前面所述的LXML2PWN120070的光强分布。
由于LED为芯片发光,光线主要集中在正面[7]。通过仿真分析可以观察到,在相同尺寸的抛物面情况下,发光面放置方向与光线出射方向垂直时,测试屏上的光线收集率和总光通量比水平放置时要高得多,因此本设计采用如图2所示的发光面与光线出射方向垂直的放置方式。
2.2 光能量的分布
各种偏移与旋转的光分布如图3所示。为了简化起见,本文只采用抛物面上的几条特征光线进行分析。此抛物面的焦点F的坐标为(00f)。图3a表示光源中心位置[00z′],其中z′>(f+d?2)(d为LED光源z方向的长度),其出射光线方向与z轴成一定的发散角;图3b表示光源位置[00z′],其中z′<(f+d?2),出射光线沿着z轴先靠拢后发散;图3c和3d表示光源随抛物面沿x=Η的方向偏转,光源中心位置[0(d?2+f)sin(-Η)(d?2+f)cosΗ]。可以看出此时整体光线随偏转角度而上下偏移,同理光源随抛物面沿y=Υ的方向偏转时光源中心位置可由[(d?2+f)sinΥ0(d?2+f)cosΥ]求得;图3e和3f表示光源中心位置上移或者下移h个单位,光源中心位于(0±hf),这时光线有明显的下聚上散或者上聚下散的分布。
通过前面的分析可以知道,光线的分布与配光屏上的照度分布有一定的关系,光线密集的区域光照强,光线稀疏的区域光照较弱。由于共用一个光学孔径必然会带来不同程度的光损耗[8],因此每个LED配有单独的反射器,每个反射器负责配光屏上特定的照度区间。由此可见,该方法可以起到传统方案中配光和聚光的效果。
2.3 反射器三维模型的建立
反射器建模采用CATIAV5软件完成。该软件拥有独特曲面造型技术,极大地提高了开发的效率,广泛应用于复杂的曲面造型设计中[9]。本文采用CATIAV5软件中创成式外形完成反射器曲面的设计,近光采用8个反射器(如图4),远光采用10个反射器(如图5),每个反射器都是标准的抛物曲面。设计的关键在于控制各个反射器及其各自LED的偏移尺寸和旋转角度,使每个LED发出的光线经各自的反射器反射后照射到配光屏上特定的区域(图4和图5右下方,数字对应于各个反射器反射光线的中心照度区域)。根据配光标准,近光要产生清晰的明暗截止线(图4右下角粗线所示,即左侧为水平h2h线,右侧为h2h线上15°角斜线), 并且对配光区间各点的照度值要求比较高,因此设计过程比远光更加复杂。为了节省空间以及减少不必要的材料浪费,远光与近光一样,反射器组合模型都采用双排并列的方式,在不影响光线收集率的条件下将各个反射器整合起来,使反射器模型为一整体。本设计近灯和远灯反射器组合模型分别可以控制在170mm×170mm×20mm和210mm×170mm×20mm以内,由于旋转偏移的幅度很小,反射器模型并不影响整灯的美观效果。
3 仿真结果与分析
图6为近光反射器组合在25m配光屏上的照度图,仿真过程由Tracepro光学软件实现。近光光线设置为12500×8=100000条,光通量为130×8=1040lm。从配光图可以看出,到达接收屏的光线为97075条,总的流明数为1009.5lm,光线利用率和有效光通量极高,都能够达到97%以上,水平截止线和15°明暗截止线也清晰可见。
远光的光通量要求比近光的要高,但是标准只是针对特定的几点而言,所以设计起来并没有近光的复杂,在这里并不用考虑反射器的旋转问题,只需移动光源的位置即可。图7为远光反射器组合在25m配光屏上的照度图。同样,远光光线设置为10000×10=100000条,光通量为130×10=1300lm。从配光图可以看出,到达接收屏的光线为97168条,总的光通量为1262.6lm,光线利用率和有效光通量同样都能够达到97%以上。
我国前照灯标准光型与欧洲ECE法规基本一致,因此我国国标基本上是参照ECE的配光方式。但是目前我国还未出台LED汽车前照灯标准,本设计是参考GB459922007中卤钨灯的标准执行。国标规定配光性能应在距离前照灯基准中心前25m的配光屏上测量,各测试点、区的位置如图8所示(图中数值单位为mm)。
近光和远光在配光屏幕上的照度值应符合国际要求,各测试点或测试区域的标准照度及仿真结果如表1和表2所示。对于近光而言,GB459922007在GB459921994的基础上增加了从测试点1到8的光照度要求。由表1和表2可以看出,每个特定点的照度都能较大程度地符合GB459922007的标准要求。
4 结论
本设计是在已知光源发光分布的条件下,通过多个抛物面反射器和LED光源来控制光线的走向,从而在配光屏上取得标准的照度分布。本设计极大程度上降低了成本,设计流程简单,周期短,符合目前LED前照灯的设计趋势。本文对LED汽车前照灯远近配光进行了初步的设计与仿真,仿真结果完全符合GB459922007标准要求。关于实物与仿真结果之间的误差,还有待日后通过进一步的实验加以验证。