基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

挡光板是近代投射式汽车前照灯用于调节近光灯配光性能的重要部件。采用聚焦法调整挡光板拐点的位置可以有效地抑制投射式前照灯近光照射时光型截止线上的色差和梯度问题，具有提高驾驶员视觉舒适度和行车安全指标的功能。采用一种基于有延展反射面的挡光板的多曲面LED前照灯的光学设计，使用NX10.0建立结构模型，LucidShape软件进行仿真，配光屏幕最大照度值为51.9 lx。研究基于有延展反射面的挡光板的光学设计与常规挡光板的光学设计的配光差异，以及两者在吉利汽车2017年提出的近光路照标准下两者数据对比情况。结果表明：具有延展反射面的挡光板可以有效提高配光Ⅲ区各点的基础数值，进一步提高行车时道路前方40 m～50 m处的视觉亮度，利于辨清道路前方及行人情况。

Abstract

The light barrier is an important part for the headlamp in the modern projected automobile to adjust the light distribution performance of headlights. The focus method to adjust the position of the light barrier can effectively suppress the chromatism and gradient on the cut-off line, which has the functions of improving driver’s visual comfort and driving safety. An optical design of complex curved surfaces LED automotive headlamp based on light barrier with extended reflectors was adopted, the NX10.0 was used to build the structure model and LucidShape software was used for simulation, the maximum illumination value is 51.9 lx. The light distribution differences of optical design on light barrier with extended reflectors and optical design on conventional light barrier, as well as the comparison of two data under the road lighting standard proposed by Geely Automobile in 2017 were studied. The results show that the light barrier with extended reflectors can effectively improve the basic numerical of each point in the third light distribution zone and the visual brightness at 40 m~50 m ahead of the road, which are beneficial to the road ahead and pedestrians.

1 引言

汽车前照灯的近光部分，通常适用于在城市和乡镇交通较为繁忙的区域夜间或光照不足的情况下行车时开启。相对于夜间高速车道和偏远乡村区域开启的远光灯而言，近光设计有着更高的设计标准和安全要求，既需要保证充足的光照强度和视觉舒适度，又必须保障会车时不会对对面的驾驶员造成眩光效果。世界各国都有着不同的地理、道路、车流量情况，所以都制定了相应的行业标准和法规。我国的法规参照了与我国行车情况相似的欧盟ECE标准，于2011年发布了GB25991-2010《汽车用LED前照灯》标准，要求投射式前照灯的近光光型有清晰的明暗截止线，截止线拐点两侧的光线进行非对称分布，左侧延展到车前40 m～45 m处，右侧延展到车前50 m～60 m处^[1-3]。对于近光配光性能各测试点、区的照度测算，应该在与前照灯基准中心相距25 m的垂直配光屏幕上进行，各测试点及测试区的具体位置见图1所示。

图 1. Schematic diagram of light distribution screen

Fig. 1. Schematic diagram of light distribution screen

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本文设计目标为一款双光灯，光源总光通量要求为1 400 lm，因为LED光源相较于卤素光源有极大优势，且5芯单颗粒光通量较高且可以较简单地确定光源中心位置，所以本设计采用了OSRAM 5芯单颗粒LED光源，型号KW H5L531.TE。PCB板布局、连接线和PCB板安装如图2所示。

图 2. LED power drive settings

Fig. 2. LED power drive settings

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1 基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

1.1 基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计思路

根据单颗粒LED的朗伯余弦体结构的光源设计，单独的抛物型反射面很难同时满足国标配光法规和客户的要求^[4]，所以按照一级反射面（类抛物面）配合挡光板前方的延展反射面（类抛物面）和二级反射面（抛物面）2个功能区来调节光线分布，光线走势图如图3所示。

图 3. Diagram of ray trend

Fig. 3. Diagram of ray trend

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为了保证光域内的光线分布均匀度且各区不会出现照度值衰减过快的现象，将LED光源的中心位置设置在反射器（由一级反射面和二级反射面组成）的第一个焦点处，所有光线必将交于反射器的第二个焦点处，且一级反射面所反射的光线反射到挡光板前方的延展反射面上，将该部分光线反射到配光屏的Ⅰ区和Ⅱ区。由二级反射面反射的光线将均匀地分布在配光屏幕的Ⅳ区和Ⅱ区。为防止炫目，在第二个焦点的水平位置处放置挡光板，且挡光板拐点就位于焦点上，遮挡炫目光线的同时在视域内呈现清晰的明暗截止线^[5-6]。反射面结构设计如图4所示，实物结构如图5所示。

图 4. Different reflectors of complex curved surfaces design

Fig. 4. Different reflectors of complex curved surfaces design

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图 5. Different reflectors of samples

Fig. 5. Different reflectors of samples

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1.2 透镜设计

在进行投射式前照灯透镜组总成设计时，透镜一般采用玻璃透镜或者亚克力透镜，由于亚克力材料相对于硼化硅材料的玻璃材料有更高的折射系数，为了获得更好的配光效果，本设计采用了亚克力材料^[7]。透镜采用非球面透镜结构设计，焦距为46 mm，直径为82 mm，透镜结构和实物如图6所示。其定义方程式为

图 6. Circular lens and its opening position

Fig. 6. Circular lens and its opening position

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1$Z(x) = \frac{{c{x^2}}}{{1 + \sqrt {1 - (k + 1){c^2}{x^2}} }} + {A_4}{X^4} + {A_6}{X^6} + {A_8}{X^8} + \cdots $

1.3 基于光学面的整体透镜组结构设计

由于该设计方案中光源颗粒稳定工作时的温度要求为−40 ℃～125 ℃，为了防止工作环境温度过高而造成LED颗粒被击穿进而产生光衰现象（光通量在短时间内降低至70%以下），所以在透镜组总成后部添加散热器和风扇，其结构如图7所示^[8-10]。

图 7. Radiator and fan

Fig. 7. Radiator and fan

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2 设计模拟结果

本设计采用了5芯单颗粒LED光源，型号为KW H5L531.TE。在1 000 mA的电压工作下，该5芯颗粒的输出光通量为1 400 lm。通过LucidShape进行模拟，配光屏在正前方25 m处，面罩系数为0.85。通过蒙特卡罗光线追迹模拟（模拟的光线数目为11 200 000条，见图8），最终得到车前25 m配光屏幕上的配光数据如图9所示，法规测试数据如图10所示^[11]。

根据图10可看出，由光型分布情况可知前照灯的光型分布满足GB25991-2010《汽车用LED前照灯》法规要求^[12]。具有延展面的挡光板设计中，正前方25 m处的屏幕光通量为590 lm，屏幕最大照度值为51.9 lx。

表1和表2是根据吉利汽车股份公司于2017年提出的某款车型的近光测试分级标准（汽车两侧车灯中心距离1 345 mm，车灯距离地面726.8 mm，初始下倾角1%），来测试本设计与不具有延展反射面的透镜组总成设计结果对比的路照模拟数据差异^[13]。

表 1. 吉利近光灯路照标准

Table 1. Road illumination standards of low beam in Geely

等级	参数
等级	W10（m） @5 lx	W20（m） @5 lx	W40（m） @5 lx	E1（lx） @10 m-20 m	E2（lx） @65 m R1.5
注：W10（m）@5 lx——车前10 m处5 lx照度宽度;E1（lx）@10 m~20 m——车前中心位置10 m~20 m之间的最大照度值;E2（lx）@65 m R1.5——车前65 m右侧1.5 m处照度值。
1	≥16	≥25	≥14	≥180	≥12
2	≥14	≥22	≥12	≥150	≥9
3	≥12	≥18	≥10	≥130	≥7
4	≥10	≥15	≥8	≥110	≥5
5	≥8	≥12	≥6	≥90	≥3

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图 8. Monte Carlo ray tracing dialog

Fig. 8. Monte Carlo ray tracing dialog

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图 9. Simulation of optical design on headlamps with extended reflectors

Fig. 9. Simulation of optical design on headlamps with extended reflectors

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图 10. LID measure test of low beam

Fig. 10. LID measure test of low beam

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表 2. 吉利近光灯路照测试

Table 2. Road illumination test of low beam in Geely

测试内容	W10（m）@5 lx	W20（m）@5 lx	W40（m）@5 lx	E1（lx）@10 m~20 m	E2（lx）@65 m R1.5
模拟参数：车宽1.345 m，车高0.726 8 m，初始下倾角1.0%。
具有延展面的设计	14.81（2级）	21.43（3级）	14,12（1级）	157.83（2级）	10.79（2级）
不具有延展面的设计	14.32（2级）	20.17（3级）	13.87（2级）	152.11（2级）	9.94（3级）
灯具端电压	13.2 V×0.85面罩损耗

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由表1和表2中的数据可以看出，具有延展反射面的挡光板设计在相同参数的路照模拟测试中，具有更好的路面照度分布：车前10 m、20 m和40 m处5 lx等照度曲线的宽度和车前中心位置的最大照度值都高于不具有延展反射面的挡光板设计。验证了该设计思路的正确性和实现方式的可行性。

3 实物加工及配光校验

如图11所示为2D图纸图片及实物图片。

图 11. Sample lamp module

Fig. 11. Sample lamp module

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在实物扫描时，以灯座指向透镜的方向为正前方，若是挡光板安装时，拐点位置在透镜焦点的正前方，截止线位置就会泛红；拐点位置在透镜焦点的正后方，截止线位置就会泛蓝；偏差越大，情况越明显，直至截止线出现蓝虚或者红虚现象^[14]。规模化生产时，截止线颜色稍显泛蓝或泛红是无法避免的，但只要截止线清晰，就说明拐点位置在误差范围内^[15]。利用汽车灯具配光机对实际加工的前照灯进行光域扫描，测量装置及测试结果如图12和表3所示。

图 12. Test system and measurement of each test point

Fig. 12. Test system and measurement of each test point

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表 3. 吉利近光灯路照测试

Table 3. Road illumination test of low beam in Geely

测试内容	W10（m）@5 lx	W20（m）@5 lx	W40（m）@5 lx	E1（lx）@10～20 m	E2（lx）@65 m R1.5
模拟参数：车宽1.345 m，车高0.726 8 m，初始下倾角1.0%。
模拟测试数据	14.81（2级）	21.43（3级）	14,12（1级）	157.83（2级）	10.79（2级）
样灯实测数据	14.63（2级）	20.88（3级）	13.76（2级）	154.21（2级）	10.63（2级）
灯具端电压	13.2 V×0.85面罩损耗

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根据表1和表3的近光灯路照标准及测试数据可见，样灯实测数据与模拟测试数据间的差异约为3%，样灯功能完全符合设计需求，无论是模拟数据还是样灯实测数据都超过了吉利近光灯3级标准，若继续进行改进，完全可以达到吉利近光灯2级标准。

4 结论

LED光源的投射式前照灯设计是结合了电子、结构、光学这三方面技术的设计过程。本文着重讲述了光学部分的设计，其中包括了PCB板、基础面和相关延展面的设计、透镜和挡光板的设计，并通过NX10.0和LucidShape软件进行了设计及仿真，经正前方25 m配光屏上的配光结果及法规测试验证，得出本设计有助于投射式大灯在行车时，提高配光Ⅲ区照度值，进而提高近光设计中路照部分的地面最大照度值，有助于提高行车时驾驶员的视觉舒适度，并提高行车安全性。

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1 引言

1 基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

1.1 基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计思路

姚红兵, 陈枫, 李留成, 张海云. 基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计[J]. 应用光学, 2020, 41(2): 382. Hongbing YAO, Feng CHEN, Liucheng LI, Haiyun ZHANG. Optical design of complex curved surfaces automotive headlamp based on light barrier with extended reflectors[J]. Journal of Applied Optics, 2020, 41(2): 382.