基于LED光源的大型客車前照燈設計

帥詞鳳，蔡文濤，劉顯明，陳偉民

(重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

引言

LED是近年來廣泛應用于車用照明的新光源，因其光能利用率高、響應速度快、抗震性能好、壽命長和體積小等特點，已逐步成為信號燈、尾燈、儀Z表燈、氛圍燈等車用照明的主要替換光源。在前照燈方面，隨著LED功率的提高和穩定性的改善，如今已有越來越多的車型采用了LED作為前照燈功能照明的主光源。然而，目前應用LED光源前照燈的車型主要是小轎車，對于采用LED前照燈的大型客車鮮有報道。對比小轎車而言，在大型客車上應用LED車燈更具優勢，具體表現在：(1)客車相比小轎車的安裝空間大，且前部通常為垂直狀態，相比前部為斜面流線型的小轎車有效利用空間更大，便于光學和結構設計；(2)大部分小轎車為前置發動機車型，前照燈光源靠近發動機，導致散熱設計困難，而現代大型客車的發動機在車尾端，可降低散熱設計難度，對LED芯片耐熱性的要求也可降低從而降低成本；(3)小轎車大部分為私家車，大型客車通常為公共汽車，在使用頻率上大型客車往往更高，LED長壽命和抗震性的特點更利于在大客車上體現；(4)一般大型客車的價格遠高于普通小轎車(非豪華轎車)，車燈在整車價格的占比相對較低，在替換LED前照燈后對車價的影響不大，更利于LED前照燈的推廣。綜上所述，LED前照燈在大型客車上的應用具有非常顯著的技術和成本優勢。本文針對一款已有的客車前照燈原型，按GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》的技術要求，在外部框架尺寸不變的情況下利用LED光源進行了前照燈的遠光和近光的光學系統設計，并對設計結果進行了仿真驗證。

1 車燈設計標準

1.1 光源標準

光源作為前照燈系統的中心模塊，整個光學系統都是根據其光場分布而設計的。大功率LED作為前照燈光源，應具有亮度高、顯色指數適中的特點才能緩解駕駛疲勞。根據GB 4785—2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》中的規定，光源光色應為白色，總光通量不應小于1000lm，其色品坐標應在圖1所示的邊界范圍內。

圖1 光源色度特性邊界圖Fig.1 The bounds diagram of colorimetric properties

1.2 測試屏配光標準

汽車前照燈分為近光燈和遠光燈，二者需要實現的照明效果不一樣，分別有相應的設計標準。近光照明時，應不使對方司機產生炫目，同時保證己方道路有足夠的光照度以實現正常照明，而遠光照明主要目的是照亮前方更遠的道路，兩者不同的功能決定其在設計指標和方法上也大不相同。GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》對前照燈的指標進行了具體說明，其中關于近光和遠光照明的檢測是在離前照燈基準中心前25米處的配光屏上完成，近光和遠光光型在配光屏上的具體要求如圖2所示。

圖2 前照燈檢測標準示意圖Fig.2 Diagram of lighting screen

由圖2(a)可知，測試屏上各點的照度值應該嚴格控制，需形成兩條明顯的明暗截止線，為非對稱配光。為避免使來車司機產生炫目，截止線以上的照度應盡量小，截止線以下部分對應近處及本車道照明，應有較大的照度保證良好的照明效果。遠光照明標準則相對簡單，保證車道前方較遠處有充足照明即可，圖2(b)所示為遠光標準中測試屏上的測點照度要求，最大照度區域在HV點附近，兩側照度遞減。

2 光學系統設計

2.1 光源選型

根據GB 4785—2007標準選用OSRAM專用車燈芯片系列的產品，其色度指標均符合要求，光強分布為近似朗伯體。根據上述前照燈光通量要求(總光通量≥1000lm)及能源充分利用的角度出發，選用1×3型大功率LED芯片LE-UW-D1W3-01作為光源，單顆最大光通量可達630 lm，2顆即可達到總光通量要求。色坐標：Cx=0.3349，Cy=0.3405，在色品圖上為圖1色度特性邊界范圍內的A點，滿足系統設計指標。為簡化設計，LED光源在后續仿真中設定為1mm×3mm大小的面發光體。

2.2 整體結構

不同于傳統的鹵素或氙燈光源，大功率LED為面光源，光場為朗伯型分布，因此以LED為光源的汽車前照燈光學系統不能沿用傳統燈泡的配光系統。目前，汽車前照燈主要有三種類型：反射式、投射式和自由曲面式。投射式前照燈是利用橢圓將光線反射和會聚于調制光型的擋板處，最后通過配光透鏡達到照明要求，其中擋板會擋住部分光線，造成能源的浪費。而自由曲面式前照燈是將配光系統分割成很小的模塊，每一個模塊完成一部分光型的要求，難以用數學表達式描述，要求的加工精度高，難度大。而拋物面反射式前照燈作為傳統的汽車前照燈結構，體積雖然較大，但對于前部為垂直狀態且安裝空間較大的大型客車不受影響，且其能源利用率高，現有加工技術成熟，簡單，為本設計的首選類型。其工作原理為：光源發光，經拋物面式反射器反射形成平行光，所得平行光經配光透鏡后形成所需光形，其基本結構如圖3所示。

圖3 拋物面式系統結構示意圖Fig.3 The design diagram of parabolic headlamp

由汽車前照燈近光配光標準可得，其中近光燈測試屏上有水平截止線和斜向上15°截止線，而單個拋物面式系統難以同時形成兩條截止線，因此在本設計中采用兩個拋物面式系統分別形成兩條截止線來達到配光要求，如圖4所示為組合配光方案示意圖。

圖4 組合配光方案Fig.4 The combination of parabolic design

2.3 拋物面式反射器

光源發光入射至拋物面反射器形成平行光以便后續透鏡配光。拋物面反射器設計包括焦距、長和高的確定，應滿足：①不宜過小，由于芯片發出的光線大部分集中在±60°，過小會導致部分光線泄露；②不能過大，必須滿足現有汽車預留的車燈空間要求。本文采用的旋轉拋物面如圖5(a)所示，其焦距為15mm，長和高均為60mm，設其法線方向為Z軸正向，焦距為f，其數學表達式為：

圖5 (a)出射角α和反射角β示意圖，(b)β隨光線出射角α的變化Fig.5 (a) Schematic diagram of the emergency angle α and the reflection angle β, (b) α as a function of β

x2+y2=4fz

(1)

當點光源置于旋轉拋物面的焦點時，光線經反射器反射平行于Z軸出射。而在本設計中使用的LED為1mm×3mm,光源非焦點部分的出射光不會平行Z軸出射。現對與焦點具有一定偏移量的出射光進行分析，如圖5(a)所示，假設在Z軸方向的偏移量為d，根據反射定律，則出射光線與水平方向的夾角β滿足：

(2)

其中，β朝上為正，朝下為負。

LED的光強分布為近似朗伯體，在YZ平面內按α從-90°到90°分布，α順時針為正。取偏移量d在-0.2f到0.2f內取值，則β隨光線出射角α的變化如圖5(b)所示。

從圖5中可以得到：當光源在拋物面焦點沒有偏移時，為平行光出射；當光源偏移量為正時，反射角β也為正，即向上發光，反之向下發光。因此在近光燈設計中，應將光源放置在焦點的同一側。由于LED所發光呈近似朗伯體分布，光能主要集中在±10°，故將光源一端放置在焦點處時，另一端正向遠離焦點，則大部分光能水平出射，其他光線向上散射。那么在配光屏上的光照度從上往下逐漸變小，通過后續透鏡散光即可形成明顯的截止線。而遠光燈沒有截止線要求，因此可將光源放置焦點處以便得到均勻而滿足配光要求的光型。

2.4 配光透鏡

從反射器得到的反射光線大部分是平行于拋物面法線方向出射，故需要使用透鏡將平行光散開以滿足配光標準。凹透鏡、凸透鏡和柱面透鏡均有散光作用，但是前兩種透鏡的出射光散射角度很大，不利于形成明顯的截止線。在本設計中，采用多個柱面透鏡組合構成散光板進行配光。考慮到圖6(a)中柱面透鏡間會有較尖銳的棱角，存在加工難度問題，因此轉換為圖6(b)中的結構，而根據配光標準，配光屏上的照度是中間大兩邊小，可通過調整柱面透鏡的尺寸使得出射光在散開的基礎上加強中間部分的照度如圖6(c)所示，其設計衍化圖如圖6所示。

圖6 透鏡衍化圖Fig.6 The lens of its change and development

前照燈系統總共需要四個散光板，均由柱面透鏡組合構成。相鄰柱面透鏡相切排布，不同散光板的柱面透鏡尺寸不一，曲率半徑越小，散光度越大。且柱面透鏡個數不應排布過少，會導致柱面透鏡很厚；過多又造成散光度不高，經過多次設計調試最終確定柱面透鏡個數為10。其中近光燈0°散光板和遠光燈上部分散光板柱面透鏡均為垂直排布陣列，目的是將光線水平散開，具體參數和結構如圖7(a)和7(c)所示。近光燈15°散光板則是斜15°柱面透鏡排布陣列，形成斜向上15°截止線，所有柱面透鏡半徑均為12mm，如圖7(b)所示。遠光燈下散光板功能是在散開光線的基礎上加強中間區域的照明，因此中間部分仍然采用柱面透鏡散光，而兩邊采用平板直接透射至配光屏中間區域以達到目標配光效果，具體結構及參數如圖7(d)所示。

圖7 4種散光板結構示意圖Fig.7 The structure of 4 scatter plates

3 配光系統仿真與結構設計

3.1 近光模組

如前文所述，使用兩個拋物面式反射器組合構成完整的旋轉拋物面進行配光，分別形成水平截止線和斜向上15°截止線。其結構如圖8(a)所示，LED芯片分別放置焦點前后，則反射器出射光大部分平行散射，其余部分朝下入射至柱面透鏡。其中LED芯片模型和光源文件由OSRAM提供，反射器設置為全反射，透鏡材料為PMMA，具體模型如圖8(b)所示。配光屏設為10米的正方形，距離光源25米處，最后在測試屏上的配光效果如圖9所示，得到各測點的照度值如表1所示。

圖8 拋物面式近光燈系統Fig.8 The parabolic design of low-beam headlamp

圖9 近光燈測試屏照度圖Fig.9 The simulation result of parabolic low-beam

從照度圖上可得，測試屏上形成了兩條明顯的明暗截止線，且照度呈現出中間強兩邊弱的效果。通過對比各測點的照度和照度標準，完全符合GB 25991—2010中的近光照明要求。且在仿真中單顆LED光源的光通量設置為600lm，低于實際LED芯片在額定功率下發出的光通量(630 lm)，可減少LED芯片發熱量，利于車燈散熱。該方案的光源利用率達到66.5%，遠大于一般鹵素近光燈40%的效率，同時考慮到上述設計的近光燈方案中光源位置是十分理想的，在實際工程運用中難免會出現安裝誤差，對光源位置設定一定偏移量來探討其對光分布的影響，結果表明光源位置誤差在x、y、z三個方向分別控制在0.6mm、1mm和1.5mm以內時仍可符合要求。

表1 拋物面式設計的近光燈仿真值與國標對照Table 1 Comparison of the value from national standard with the simulation value of parabolic low-beam headlamp

3.2 遠光模組

遠光模組的配光要求相對簡單，只需使測試區域滿足照度要求，而平行光經柱面透鏡即可得到均勻照明區域。在設計時可以套用近光設計思路，上面的反射器可將光線散開用于整個照明區域，下面的反射器用于加強中間區域的照明。設計實體模型如圖10所示，圖11所示為測試屏上照度圖效果。

圖10 拋物面式遠光燈系統Fig.10 The parabolic design of high-beam headlamp

圖11 拋物面式設計的遠光配光結果Fig.11 The simulation result of parabolic high-beam headlamp

表2 拋物面式設計的遠光仿真值與國標對照Table 2 Comparison of the value from national standard with the simulation value of parabolic high-beam headlamp

由遠光燈測試屏照度效果圖看，其照度分布十分對稱且均勻，呈現出中間強兩邊弱，且照度梯度變化比較平緩，即視場明暗變化不大，十分適合遠光照明。遠光仿真值和國標對照表如表2所示，各項指標均符合標準。

最后對汽車前照燈進行結構和散熱系統設計，采用熱管加翅片的方式。將整個光學系統裝配在現有大型客車前照燈外殼中，圖12為所設計的LED車燈裝配圖，經裝配本文設計的前照燈可以很好地安裝在其內部，符合設計要求。

圖12 客車LED前照燈裝配圖Fig.12 The assembling drawing of passenger bus LED headlamp

4 結論

本文介紹了采用傳統拋物面反射式光學系統對一款大型客車前照燈進行LED光源替換設計的方案，給出了各部分光學系統結構的設計思路和實現方法，并對設計模型進行了計算驗證分析，遠近光照明的各項指標均滿足國標要求。本方案具有設計簡單、易于加工和安裝的典型特點，可充分發揮LED車用照明的諸多優勢，非常有利于在大型客車前照燈上進行推廣應用。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 25991—2010汽車用LED前照燈設計[S]. 北京：中國標準出版社, 2011.

[2] 國家發展和改革委員會.GB 4785—2007汽車及外掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[3] 凌銘, 張建文, 黃中榮. 汽車燈具的發展趨勢[J]. 照明工程學報，2013,24(4)：106-112.

[4] Sunho Jang， Moo Whan Shin. Thermal Analysis of LED Arrays for Automotive Headlamp With a Novel Cooling System[J]. IEEE, 2008, 8(3): 561-564.

[5] Katsuhiko Kishimoto, Hidenori Kawanishi. Vehicle Headlamp and Illumination Device[P]. US, 20110148280A1, 2011-6-23: 1-15.

[6] Lanfang Jiang, Hong Liu, Lida Hu. The effect of modeling on temperature field of automotive headlamp[C]. ICCASM-Int. Conf. Comput. Appl Syst Model, Proc, 2010, 1: V1602-V1606.

[7] Zhu Xiangbing, Ni Jian, Chen Qiaoyun. An optical design and simulation of LED low-beam headlamps[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 276: 012201-8.

[8] 鄭志軍. 汽車前照燈近光燈系統的比較[J]. 照明工程學報，2006,17(2)：44-47.

[9] 鄭志軍，胡永亮. 汽車前照燈明暗截止線偏移問題探討[J]. 照明工程學報，2012,23(2)：108-111.