基于光源利用率的投影式汽車前照燈近光配光設計

魏 輝 李禮夫

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640)

1 引言

汽車前照燈是汽車夜間安全行駛的保障，其按照光學系統不同可分為反射式和投影式，反射式前照燈按反射面的形狀可分為拋物面型［1］和自由曲面型［2］，反射式前照燈光源利用率 (配光屏幕上收集的光通量與光源發出的總光通量的比值)較高，但曲面設計相對復雜，加工難度大，且體積較大。投影式前照燈具有體積小，聚光性好，設計方便的特點，在汽車前照燈中得到了廣泛的應用。但傳統投影式前照燈反射器曲面一般為旋轉橢球面和復合橢球面，其中旋轉橢球面由單一母線旋轉而成，水平和垂直的照射范圍同樣大小，難以達到近光配光“水平寬、上下窄”的要求。復合橢球面以旋轉橢球面為基礎，均勻分塊后將各塊旋轉、偏移形成，其光分布的均勻性不佳，光源利用率不高，且型面上各塊分離［3］。同時，傳統投影式前照燈系統依靠擋板形成近光法規要求的明暗截止線 (光束投射到配光屏幕上，目視感覺到的明暗顯著變化的分界線)，擋板擋去了很大一部分光線使其光源利用率明顯降低。

為此，本文提出了一種基于光源利用率的投影式前照燈近光配光設計，該方法主要通過對橢球面反射器進行區域劃分，并分別調整各區域第一焦點位置，使經過反射器反射的光線均投射在配光屏幕的明暗截止線下方，完全依靠反射面進行配光而取消擋板設計，解決了傳統投影式光學系統在近光中光源利用率不高及照射范圍難以滿足要求等問題。

2 投影式前照燈配光基本原理

2.1 配光標準

《GB4599—2007汽車用燈絲燈泡前照燈》標準中規定遠光為當車輛前方無道路使用者時，所使用的一種遠距離照明光束。近光為當車輛前方道路有其他使用者時，所使用的一種不使對方炫目或引起不舒適感的近距離照明光束［4］。近光的設計關鍵在于既保證前方道路的充分照明又不產生使對面車輛駕駛員不舒服的眩光，標準中要求的配光性能在距離前照燈基準中心前25m的配光屏幕上各測試點、區的位置如圖1所示，其中左半側h-HV線為水平分布，右半側HV-H3為15度向上分布，h-HV-H3線即為明暗截止線所在位置。

圖1 國標中25m配光屏幕上測試點、區的位置圖

2.2 傳統投影式前照燈近光配光原理

傳統投影式前照燈由反射器、光源、擋板和透鏡組成，其結構如圖2所示。反射器由一個旋轉橢球面形成，將光源置于橢球面的焦點f1處，根據橢圓光學性質，光源發出的光線經反射器的橢球面反射后經過橢球面的焦點f2;將透鏡的焦點與橢球面的焦點f2重合，則反射的光線經過橢球面焦點f2后經過透鏡折射形成平行光線，投射到汽車行駛方向的前方。為形成具有法規要求的明暗截止線的近光光型，在焦點f2附近放置用于遮擋反射光線的擋板。由于實際光源不是理想的點光源，而是具有一定尺寸的點擴展光源 (其可簡化為線光源)，當線光源中的那些不位于旋轉橢球面焦點f1的光源的反射光束不能全部通過橢球面的焦點f2，從而產生了點擴展光源的成像像差，導致前照燈配光光型難以達到要求和光源的利用率降低等問題。

圖2 投影式前照燈結構及工作原理圖

改變光源與焦點f1的相對位置可以改變其在配光屏幕上的光型分布。以標準旋轉橢球面反射器為例，在光學軟件LucidShape中以焦點分別為14mm，70mm標準旋轉橢球面為反射器曲面，長度5mm光通量1150lm的H1光源，孔徑70mm的非球面透鏡為光學部件建立投影式光學系統 (如圖3)，進行仿真，分別觀察反射器1/4橢球面的焦點與光源位置關系變化對光型的影響，得到變化結果，如圖表1所示。

圖3 標準橢球面仿真光學系統

?

以反射器左上四分之一橢球面 (Ⅰ)為對象，通過分析表1可得出光源和焦點的位置與光型之間的變化關系，即:

1)當光源中心與反射器橢球面焦點f1重合時，光源在焦點兩側對稱分布，光型在配光屏幕上以HV點成類似的中心對稱分布。

2)當光源中心向內側 (靠近反射器頂點方向)移動時，光源大部分處于焦點f1內側，光型在配光屏幕上向右下移動，大部分處于配光屏幕右下方。當光源的右端點移至焦點f1處，即整個線光源均處在焦點f1內側，光型全部在配光屏幕右下部分。

3)當光源中心向外側 (遠離反射器頂點方向)移動時，光源大部分處于焦點f1外側，光型在配光屏幕上向左上移動，大部分處于配光屏幕左上方。當光源的左端點移至焦點f1處，即整個線光源均處在焦點f1外側，光型全部在配光屏幕左上部分。

由標準旋轉橢圓的對稱性可知Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ有類似相同結論。根據上述規律可通過調整光源與焦點的位置關系實現改變光型的目的，達到配光要求。

3 基于光利用率的投影式前照燈近光設計

3.1 投影式前照燈近光光型的配光原理

基于光源利用率的投影式前照燈設計的主要目的是提高光源利用率，解決傳統投影式前照燈光源利用率低及照射范圍難達到法規要求等問題。傳統投影式前照燈光學系統中反射器和擋板是兩大重要的光學部件，也是影響光源利用率的重要因素，本文根據光源與焦點位置關系對光型的影響規律，設計了無擋板光學系統，即該光學系統僅由光源、反射器、透鏡三部分組成。

根據上述光源與焦點的位置關系對光型的影響規律可知改變光源和焦點的相對關系可改變光型，在同一個光學系統中光源位置相對固定，而只能改變相對焦點位置，為了在無擋板的情況下形成具有法規要求的明暗截止線的近光光型，需要將反射器不同區域反射的光線形成的光型進行調整，故需要對反射器曲面進行多區域劃分，分別設計。為了形成法規要求的近光光型本文將橢球面反射器曲面劃分為五個區域，如圖4所示，將上半部橢球面劃分為1、2區域，將下半部橢球面劃分為3、4、5三個區域，其對應的設計目標光型，如圖5所示。根據光源與焦點位置關系對光型的影響規律可知:為形成圖5中1、2光型需將1、2區域的焦點向光源外側移動，使光型分別向配光屏幕上左下、右下移動，直至所有光線全部在明暗截止線下方;為形成圖5中4、5光型需將4、5區域的焦點向光源內側移動，使光型分別向配光屏幕左下、右下移動，直至所有光線全部在明暗截止線下方;3區域可將光源中心與焦點重合，即焦點變化范圍在燈絲長度范圍內，其光型成左下右上分布，右上部分形成右側向上15°明暗截止線，左下部分在左側水平線下方，可增強左側照明。

變橢球面反射器設計的主要原理就是調整橢球面各區域的第一焦點位置，使各區域反射的光線均投射在配光屏幕上明暗截止線下方，并同時保證整個橢球反射面連續封閉，整體配光達到法規要求。因變橢球面設計中反射器并非標準旋轉橢球面，所以光型的分界點 (光型全部出現在配光屏幕的某一象限)不一定出現在焦點與光源左右端點重合的位置，但光型的移動趨勢仍符合光源與焦點位置關系對光型的影響規律。

圖4 橢球面反射器曲面區域劃分示意圖

圖5 各區域的目標對照光型位置示意圖

3.2 變橢球面反射器設計

反射器可由不同的曲面形狀形成，如拋物面型反射器、橢球面型反射器，它是投射式車燈光學系統的最重要組成部分。根據投影式前照燈近光光型的配光原理，為形成無擋板橢球面反射器，需改變反射器曲面各區域的焦點位置，將反射器各區域設計成具有相同第二焦點而不同第一焦點的可變橢圓曲面，既可滿足曲面第一焦點的不同變化要求又可滿足共同第二焦點匯聚光線的要求。

如圖6所示，定義包含光源、橢球面焦點和透鏡中心的直線為光軸，垂直光軸的橢球截面定義為光軸截面。沿光軸方向橢球面上的每條曲線定義為經線，光軸截面上的每條橢圓曲線定義為緯線，整個曲面由無數條經緯線組合而成。改變橢圓緯線上的橢圓半軸長可以改變相應焦點的位置，但僅靠緯線方向調整焦點變化很難形成無擋板投射式配光，且生成的反射器曲面很難達到連續封閉的曲面，故采用在緯線和經線兩個方向同時進行調節，實現無擋板投影式配光?［5］。因變橢球面的短半軸在 XOY面的投影更直觀，故將變橢球面緯線定義為關于短半軸長的函數。

將橢球緯線短半軸變化函數采用如下形式:

圖6 變橢圓曲面反射器示意圖

其中b為橢圓緯線的短半軸長，下標A、B分別表示不同緯線所在橢球面上光軸向的位置，下標1表示第一劃分區域曲面的起始位置，d、e為A、B位置緯線長度調節參數，m、n為A、B位置緯線形狀調節參數。調節參數d、e可以調節不同區域的橢圓緯線的短半軸長，且可以改變短半軸長的變化幅度大小。參數m、n可以改變緯線的形狀進而改變橢球面的形狀。

為了使變橢球緯線變化連續，將變橢球曲面上的經線也定義為連續變化的函數，并使各區域邊界相同，使整個反射器曲面連續封閉且無奇異點。將變橢球經線定義為關于光軸坐標Z的變化函數:

b為橢圓經線的短半軸長，bA、bB分別代表橢圓經線在與緯線A、B交點處的短半軸長，r為經線的形狀調節參數。調節參數r可以改變經線的形狀。

將橢球面經緯線變化綜合，得到整個反射器橢球面的設計方程式:

式中 k——為常數 (為橢球面第二焦點位置);

d、e——緯線長度調節參數;

m、n——緯線形狀調節參數;

r——經線形狀調節參數;

φ——反射面各區域內標準化角度 (使各分區的角度變化相對在0～90°變化)

因橢圓曲面上所有點都共第二焦點，故有

根據橢圓性質:

即能推得:

從而求得長半軸的表達式:

同時可求得其第一焦點f在光軸上位置:

從式 (6)和 (7)可以看出，k為常數時，長半軸及第一焦點在光軸上的位置與短半軸的變化趨勢相同。

3.3 近光配光設計

根據前述變橢球面反射器的基本原理及設計方法，選定反射器曲面各區域的相關參數，其中各區域的共同邊界參數一致以保證反射面的連續性、封閉性。通過各區域的焦點要求，設計各區域的空間曲面，建模后導入LucidShape中進行仿真分析，各區域的主要設計參數如表2所示，從表中可看出各區域的焦點范圍與前述的基本原理相符。

表2 反射面各個區域的相關參數表

在三維軟件Rhino中將各區域拼接得到連續封閉的整個反射器橢球面 (如圖7)，導入光學軟件LucidShape中建立基于光源利用率的投影式近光燈系統 (如圖8，)，光源采用光通量為1150 lm，長度為5mm的H1燈泡，放置在Z軸上14mm處，透鏡采用孔徑為70mm的非球面透鏡，透鏡焦點與反射器橢球面第二焦點重合位于Z軸70mm處，反射器采用本文設計的變橢球面反射器。仿真得到配光屏幕上光型，如圖9所示。

圖7 完整的橢球面反射器曲面圖

圖8 基于光源利用率的投影式光學系統圖

圖9 基于光源利用率投影式前照燈近光仿真光型圖

由圖9可見，其近光光型圖上水平照射范圍在±20°以上，明暗截止線清晰，熱區明顯且處于中心偏右。用《GB4599—2007汽車用燈絲燈泡前照燈》標準檢測，各關鍵點照度值的情況如表3所示，所有的關鍵點都能滿足法規的要求。前照燈前25米配光屏幕上收集811 lm的光通量，光源利用率為70.5%。

以傳統投影式前照燈為參照，反射器采用旋轉橢球面，其他光學元件及尺寸與本文相同，如圖10。在光學軟件中仿真得到近光仿真光型圖11。可見同等條件下傳統投影式光學系統水平照射范圍達不到水平照射范圍±20°以上，且配光屏幕上收集的光通量為534lm，光源利用率為46.4%。結果表明與傳統設計方法相比，采用本文方法設計的汽車前照燈反射器的近光光源利用率可提高24.1%。

圖10 傳統投影式光學系統

表3 配光屏幕上關鍵點照度值

圖11 傳統投影式前照燈近光仿真光型圖

4 結論

本文從投影式前照燈配光基本原理出發，分析了橢球面反射器曲面光源與焦點位置關系對光型的影響變化規律，構造了變橢球面三維方程式，給出了以橢球面上經緯線的短半軸變化函數，定義了曲面經緯線的調整參數，并通過調整各個參數值，使整個橢球面連續封閉連接。通過改變反射器曲面參數控制不同區域反射面的焦點變化，使經過橢球面，反射器反射的光線均投射在配光屏幕上明暗截止線下方，并滿足標準要求。與傳統投影式光學系統相比，該設計反射器曲面具有可調整性，并取消了擋板設計，減少了擋板的設計成本及光線在擋板上堆積的熱量對光學系統的不利影響，同時最重要的是將光利用率提高到70%以上，比傳統設計提高了20%以上，且近光光型的均勻性較好，配光屏幕上各關鍵點照度值符合標準要求，此方法僅為投影式前照燈近光設計提供了一種方法，其可以通過更多區域的劃分和不斷的調整參數得到效果更好的配光，且對熱區的分布需做進一步的研究。

［1］Yan，W．and W．Mao．A multi-reflector headlamp that can produce a diagonal cut-off without a shield．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Auto-mobile Engineering，2000，214，839～842．

［2］林淵，周莉，宋賢杰．汽車自由曲面反射器光學設計．照明工程學報，ZMGX，2005(01)．

［3］張鑫，屠其菲，宋賢杰．投影燈的光學設計．照明工程學報，ZMGX，2004(03)．

［4］GB4599—2007．汽車用燈絲燈泡前照燈 ［S］．北京:國家質量監督檢驗檢疫總局，2007．

［5］Liou，Y．C．Design of a projector headlamp without using a screen．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Automobile Engineering，2009．223(D12):p．1549～1558．