LED摩托車前照燈的光學系統設計

吳敏強

（廣州虎輝照明科技公司，廣東廣州 510170）

LED摩托車前照燈的光學系統設計

吳敏強

（廣州虎輝照明科技公司，廣東廣州 510170）

LED以其體積小、控制靈活、光色純、耐震動、啟動時間快，在功耗、壽命以及以及環保方面均有不可比擬的優越性；廣泛應用于照明產品之中，地位舉足輕重，更成為新一代摩托車光源技術的首選。如何設計LED摩托車前照燈的關健部件光學系統組件，成為了摩托車前照燈產品上利用LED光源的一個主要研究課題。

雙層透鏡LED發光裝置；近光燈設計；遠光燈設計；摩托車前照燈配光設計

0 引言

摩托車前照燈選擇LED作為光源，具有以下優點：

超長壽命：比摩托車壽命還要長，可以說LED車燈無需更換，并且LED的工作壽命隨著技術的突破和進展將不斷增加；

耐久：LED器件的光產生機構使它抗振動和耐沖擊，而熱燈絲白熾燈遭受振動和沖擊時發光易失效［1］。

無污染和低能耗［2］：LED不包含水銀，生產和使用過程中無污染，而且能耗低。燈光的利用率更高，LED產品具備比鹵素燈更高的光電轉換效率［2］，當今LED大批量生產都在100 lm/W以上，鹵素燈20 lm/W（圖1），未來還將進一步的提高。一般做摩托車前照燈用的白熾燈能耗超過60 W，而用4顆標準小于3 W大功率LED代替。即使包括控制單元用電在內，整燈消耗不超過12 W。

圖1 兩種光源的光效比較

色溫更高：超過5 000 K，因此更接近日光色，這對駕駛員是非常舒服的，由于該LED前照燈全部采用LED冷光源，發熱量低，燈腔內溫差變化不大，不容易在燈腔內壁積霧，尤其對遠光燈更是如此，使行車更為安全。

1 摩托車前照燈的技術要求

摩托車前照燈由遠光燈、近光燈構成，前照燈的配光應使近光具有足夠的照明并不眩目，遠光具有良好的照明。遠光燈接通點亮的時候，近光燈也同時在接通點亮狀態。

摩托車前照燈光型，無論是近光燈還是遠光燈，都需要符合一定的光強分布。采用測試點、測試線和測試面的方式可以確定在不同的垂直角度和水平角度上的用坎德拉為單位的光強值。這些參數已被制定為國家標準或工業推薦值。例如對于一個摩托車近光燈，其光型分布要求需要基于以下幾點來確定：

（1）要有足夠的路面照度和照射寬度，路面照明的均勻度，保證足夠的可見距離；提供路面足夠的亮度，光的投射寬度足夠大；為駕駛員提供安全性；

（2）對迎面而來的車輛駕駛員的眩光限制；

（3）燈具光束的照射位置和光強性能；

（4）為駕駛員的舒適度提供一定的發散光及前沿光。

配光應在前照燈基準中心前25 m［3］，過HV點的鉛垂配光測試屏幕上測定，配光測試屏幕的具體布置（見圖2）。

圖2 摩托車前照燈配光屏幕

1.1 近光燈配光要求

（1）如圖1所示的配光屏幕上，近光應產生明顯的水平明暗截止線，并在V-V線左右至少5°范圍內保持整直和水平。距H-H線下250 mm形成一個水平明暗截止線；該截止線主要有兩個功能：控制眩光和輔助瞄準。并且近光范圍在Ⅳ區范圍內必須保證有一定標準的光照度。

（2）在配光屏幕上，各測試點或區域的照度限值，應符合表1的規定。

表1 近光燈配光要求lx

1.2 遠光燈配光要求

（1）在配光屏幕上，遠光的最亮區域偏離H－H線上下不得超過0.6°。

（2）在配光屏幕上，遠光最大照度、測試點或測試區域照度的限值應符合表2的規定［3］。

表2 遠光燈配光要求lx

2 摩托車前照燈的光學設計

根據以上摩托車前照燈配光標準和特性，本文主要研究和探討比較復雜的摩托車遠近光燈配光原理。對于遠近光燈來說，需要解決兩個主要的技術問題：

（1）保證良好的道路照明要求，對遠處的危險物盡早做出判斷，這就要求燈光亮度要高，照射范圍要大；

（2）是防止迎面來車輛的駕駛員眩目，產生危險，所以要求燈光高度要稍低一些，不可以對相對行駕車輛駕駛員的視覺產生影響。

對LED光源而言，目前國內外還沒有正式出臺LED前照燈的生產檢驗標準，國內國際上均采用傳統白熾絲光源標準。在我國，摩托車前照燈的光分布標準（GB5948-1998摩托車白熾絲光源前照燈配光性能），是一個行業執行的國家標準，所有在道路上行駛的車輛都必須遵守。其中近光是一個長條形光帶，中間是一個比較高亮度的區域，以便盡可能遠的照亮前方的道路，并且不會對相對方向車輛的駕駛員產生眩目影響。近光光束在水平方向有所散開，以利于辨清道路周邊及行人的情況，近光燈需要有非常明顯的光束明暗截止線。

前照燈在所有摩托車燈具中是結構中較為復雜、設計要求高、設計及制造難度的較大的一種，而配光設計就更具挑戰性的研究課題；近光燈在前照燈中有最為嚴格的光形要求，也就成為摩托車前照燈最為關健的技術之一。

2.1 近光燈設計

本文中近光燈采用雙層透鏡LED發光裝置。原理是LED芯片發光面形狀大多數是接近正方形或矩形（圖3），這是由于芯片在加工切割和封裝時的工藝所形成。

傳統的反射方案、折射方案和投射方案等對發散性光束都較難產生鮮明的明暗截止線。在這里正是利用LED芯片發光面最原始形狀的這一特點，在LED的軸向正前方，內層安置光學凸透鏡，LED的發光中心位于光學凸透鏡焦點F處，而且LED芯片齊邊要平行于照射的水平明暗截止線；再通過凸透鏡對LED光源進行聚光折射，得到了與LED芯片發光相同形狀的倒像光斑，如圖4所示。

圖3 LED芯片的形狀

圖4 LED光源經凸透鏡折射的光斑

由于凸透鏡成像原理，凸透鏡焦點聚光折射所得的LED光斑是與LED芯片發光形狀的成倒像，而且使用的LED芯片發光面面積越大，產生的光斑面積就越大，照度更均勻。

在透鏡的外層加上豎紋波形光學透鏡，使聚光成像的光斑進行再次光學整形；在豎紋波形光學透鏡的折射下，光形進一步向兩則擴寬，如圖5所示。

圖5 雙層透鏡LED發光裝置原理

由于內層聚光凸透鏡已把LED光源原有的芯片發光面形狀得到最清晰投射，再由外層的豎紋波形透鏡，把第一次聚光后的光斑進行再次調整分配，以達到最佳寬廣但不高的光形效果，同時確保光形上面是一條較為清晰的明暗截止線，才能達到近光的技術要求，如圖6所示。

圖6 LED光源經雙層透鏡折射的光形

雙層透鏡LED發光裝置充分利用LED光源的原始發光面形狀特性進行配光，使光源的光損減到最小，同時減小了復雜的光學設計。投射光形明暗截止線有非常尖銳的截止面，圖形清晰、邊界分明可控性強，避免LED以往使用復雜的曲面和遮光板而造成較大的光能損耗。該發光裝置的設計和加工更加靈活、簡單、高效和易于實現。

2.2 遠光燈設計

遠光燈相比近光燈的配光圖形要求簡單得多，遠光考慮到無其他行人或近距相向車輛的情況下，能為駕駛員提供良好的照明，因此遠光需要較大的中心光強，兩側呈現階梯性逐漸減弱，這樣才能照得遠和要顧及兩側路面的狀況，而對于明暗截止線則沒有明確的限制。

本文中遠光燈裝置的設計采用拋物面反光杯反射和透鏡折射組合而成，同時又分兩種不同裝置結構組合形式。

拋物面反射原理是根據拋物線的幾何特性，反光杯位于LED的側面，其反光面為拋物線圍繞反光杯軸線旋轉而成的一個拋物面，LED的發光中心位于拋物線的焦點上，通過拋物面的反射作用，對位于焦點上的光強作聚焦反射，反射后的光束沿著反光杯的軸線方向平行地向前照射，如圖7所示。

圖7 拋物面反射原理

根據拋物線方程y2=2px（p=2F）。

反光杯采用該形式的優點是設計比較靈活，容易實施，光斑集中明亮，照射距離遠。

2.2.1 遠光裝置結構1

第一種遠光裝置結構是拋物面反光杯反射加豎紋波形透鏡折射的配光設計，如圖8所示。

圖8 LED光源經拋物面反射后再經豎紋波形透鏡折射

該裝置結構原理是由拋物面反光杯對LED光源進行聚光反射出平行的光束，然后再經過外層的豎紋波形透鏡對反光杯聚光后的光斑進行再次光學分配，使發光的光斑由圓形向兩則擴寬為長條狀光斑，如圖9所示。

圖9 LED經拋物面反射加透鏡折射后的光斑

該裝置結構LED光源經反光杯聚光平行反射，再經外層豎紋波形透鏡折射向兩側擴寬配光，所得的光斑圖形是中間照度最強，兩側逐漸減弱的長條狀。反光杯和豎紋波形透鏡的設計和加工簡單、易于實現，光斑圖形清晰。

2.2.2 遠光裝置結構2

第二種遠光裝置結構是拋物面反光杯內加裝凸透鏡的配光設計，如圖10所示。

圖10 反光杯和凸透鏡對LED分別聚光

該裝置結構原理是LED光源軸心線外層光線經拋物面反光杯反射聚光，而LED光源軸心線內層不能被反光杯反射的光線，則由內層凸透鏡進行折射聚光。通過外層拋物面反光杯反射聚光形成的光斑和內層凸透鏡折射聚光形成的光斑進行疊加組合，大大增強了光斑的亮度（如圖11）。這樣就充分地利用LED發光角度特性進行較完全的聚光，同時由于凸透鏡阻擋了LED正前方較強的直射光線，也就減少了LED直射光線對行人及相向車輛駕駛員的視覺傷害。

該結構中反光杯和凸透鏡的設計和加工也容易簡單，產生的光斑光強高，照射距離遠。

2.3 摩托車前照燈配光設計

鑒于目前單顆大功率LED的實際光通量（不超過400 lm），尚不能滿足摩托車前照燈標準的要求，必須依靠多顆LED組合才能達到前照燈的配光設計。因此，本設計使用4顆大功率LED作為配光模塊；近光燈采用了1顆大功率LED進行配光設計，遠光燈采用3顆大功率LED和近光燈同時點亮，而且實際照明的時候遠光燈是4顆大功率LED同時點亮。

在配光過程中，針對每個發光裝置分別配光，使每個發光裝置發揮著不同的作用。近光燈組使用雙層透鏡配LED光源形狀進行聚光和配光。遠光燈組光學設計采用兼并兩種發光裝置結構，第一種裝置結構是內層拋物面反光杯加外層豎紋波形透鏡配光；第二種裝置結構是拋物面反光杯反射和凸透鏡折射分別對LED光源進行聚光。

圖11 LED經拋物面反射和凸透鏡折射后疊加組合而成的光斑

圖12 遠近光燈配光裝置分布

圖12所示，中間下方的1顆大功率LED采用雙層透鏡裝置分步配光設計，最終光斑成為寬廣的圖形，并且在上方形成一條極為鮮明的明暗截止線。中間上方的1顆大功率LED采用拋物面反光杯加豎紋波形透鏡發光裝置設計，光源聚光后形成明亮的光斑再向兩側擴展和擴寬，使車的前方兩邊一定范圍的路況也受到燈光照射。其余兩側各1顆大功率LED采用拋物面反光杯反射和凸透鏡折射光束疊加發光裝置設計，進一步加強車燈正前方中心的光強，使得3顆大功率LED發出的組合光斑，中心最亮點等都要能超過標準的要求，形成HV點的照度最強，兩側照度逐漸減弱的分布情況。

摩托車前照燈發光裝置組合模塊采用了圓周分布方式，在不影響光線收集率的條件下將各個發光裝置整合起來，形成一個整體；同時遠近光兩組中心線也必須要互成一定的角度，經計算為2.50，才能滿足摩托車前大燈遠近光配光在暗室25 m測試屏幕圖形和參數要求。

3 結語

本文中折射式和反射式不同組合光學系統設計的LED摩托車前照燈，經樣品實驗室檢驗測試：在檢驗規定的配光性能的距離前照燈基準中心前25 m的配光屏幕上測量，如表3和表4。近光和遠光的照度測試結果都能滿足GB5948-1998摩托車白熾絲光源前照燈配光性能要求。

表3 近光配光國標要求和樣品測試結果

表4 遠光配光國標要求和樣品測試結果

目前，國內市場上還沒有符合國家標準的LED摩托車前照燈燈具。本文中的摩托車前照燈光學系統設計樣品經測試結果顯示，都滿足GB5948-1998摩托車白熾絲光源前照燈配光性能摩托車檢驗標準要求，正好填補這一方面的空白。該燈具系統發光裝置采用了多項創新技術，產生極佳的照明效果，真正發揮LED光源綠色環保節能的優點，有效減少摩托車整體能源的消耗，也標志著LED摩托車前照燈技術進入一個嶄新的時代，同時為LED摩托車前照燈帶來很好的發展機遇。

［1］陳大華.綠色照明LED實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［2］劉志偉.LED前照燈研究［J］.光機電信息，2009（4）：35-39.

［3］GB5948-1998.摩托車白熾絲光源前照燈配光性能［S］.

Optical System Design of LED Motorcycle Headlamps

WU Min-qiang
（Guangzhou TigerFire Lighting Technology Corporation，Guangzhou510170，China）

LED with its small size,flexible control,color pure,shock resistance,quick start-up,superiority in power,life and environmental protection and has the incomparable.Widely used in lighting products,position play a decisive role,has become a new generation of motorcycle light source technology choice.How to design the LED motorcycle headlight of the key components in optical system components,a headlamp of motorcycle products on the use of a major research project of the LED light source.

double lens LED light emitting device；the dipped headlight design；high beam headlight design；motorcycle headlamp light distribution design

U483.03

A

：1009－9492(2014)01－0045－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.011

吳敏強，男，1962年生，廣東廣州人，大學專科，助理工程師/技師。研究領域：五金、塑料模具設計、光學設計與產品設計。

(編輯：向 飛)

2013－04－15