自由曲面的遠(yuǎn)光透鏡探討

摘要：隨著LED的發(fā)展，車(chē)燈行業(yè)已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)的鹵素?zé)暨^(guò)渡至LED車(chē)燈。文章利用自由曲面設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)光透鏡可以使光形滿(mǎn)足不同法規(guī)的照明要求，相對(duì)于傳統(tǒng)遠(yuǎn)光燈，能提高照明亮度，使視野更清晰，保證路面行車(chē)安全。

關(guān)鍵詞：車(chē)燈行業(yè)；LED；自由曲面；遠(yuǎn)光透鏡；照明要求 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TN312 文章編號(hào)：1009-2374（2016）17-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.032

近年來(lái)，LED芯片以及封裝生產(chǎn)工藝發(fā)展迅速，LED的各項(xiàng)性能都有著顯著的提高，被大量應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，特別是在汽車(chē)照明的應(yīng)用上，因?yàn)槠潴w積小的特點(diǎn)，使得車(chē)燈的設(shè)計(jì)多樣化。

當(dāng)今汽車(chē)前照燈的配光方案有多種，如傳統(tǒng)的反射式方案、投射式方案、自由曲面反射方案等，而縱觀(guān)當(dāng)今的汽車(chē)市場(chǎng)，大部分的高端汽車(chē)已采用LED近光燈作為照明，而遠(yuǎn)光一般還是采用傳統(tǒng)燈泡和反射杯的組合方式，這限制了汽車(chē)前照燈的體積的小巧化。

本文中的設(shè)計(jì)將采用LED和透鏡組合的方式作為遠(yuǎn)光燈，整燈體積只有30*30*15，光形能同時(shí)滿(mǎn)足歐規(guī)的ECE R112和美規(guī)的FMVSS 108的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，透鏡利用自由曲面設(shè)計(jì)，對(duì)LED發(fā)出的光能實(shí)行分區(qū)域控制，達(dá)到光斑均勻的效果，滿(mǎn)足法規(guī)的要求。

1 歐規(guī)和美規(guī)的遠(yuǎn)光標(biāo)準(zhǔn)

兩者測(cè)試點(diǎn)及要求光強(qiáng)值如表1所示。

由表1可以看到，歐規(guī)的遠(yuǎn)光燈照射角度較窄，水平方向只要求邊界±5°達(dá)到一定的亮度，對(duì)應(yīng)于歐洲的比較窄小道路，而美規(guī)的角度有±12°左右，能提供更寬闊的視野，使行車(chē)更加安全。它們要求的中心亮度差不多，都是40000cd以上。表1中美規(guī)的光強(qiáng)要求值是按照最高的要求類(lèi)型，所以可先按照滿(mǎn)足美規(guī)的要求來(lái)設(shè)計(jì)，然后加強(qiáng)H-2.5L&2.5R附近區(qū)域，這樣就能同時(shí)滿(mǎn)足歐規(guī)要求。

2 LED光源選擇

遠(yuǎn)光燈要求亮度較高，故選取osram black flat三芯片的LED：KW H3L531.TE，該燈珠為車(chē)燈專(zhuān)用LED，散熱性能、穩(wěn)定性均比一般LED要高。當(dāng)LED使用電流為1A時(shí)，光通量能達(dá)到1000lm，能滿(mǎn)足遠(yuǎn)光的照明需要。芯片發(fā)光面積小，光源發(fā)光角度約120°，適用于光學(xué)設(shè)計(jì)。LED光源色溫選擇5700K左右，與日光接近。

3 透鏡設(shè)計(jì)

確定LED發(fā)光面到透鏡內(nèi)表面的距離，選擇透鏡直徑36mm，對(duì)應(yīng)不同的距離，LED能量利用率和中心光強(qiáng)會(huì)有不同，LED距離透鏡越遠(yuǎn)，利用率呈下降趨勢(shì)，中心光強(qiáng)呈增加趨勢(shì)，故需要選擇一合適的距離。由于LED發(fā)光角度為120°，95%的能量都集中在這個(gè)角度內(nèi)，故可選擇燈珠距離透鏡底面10mm，這樣LED在立體角120°內(nèi)的能量都能利用。

透鏡外表面采用自由曲面設(shè)計(jì)，分成8個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域照射到25m平面上的光斑均不相同，疊加后形成遠(yuǎn)光光斑，由于光斑是左右對(duì)稱(chēng)，故只需要設(shè)計(jì)4個(gè)區(qū)域的曲面即可。

需要建立光源與目標(biāo)平面之間的能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)邊緣光線(xiàn)理論，從光源邊緣發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，將照射到目標(biāo)平面的邊緣位置，而兩邊緣光線(xiàn)之間的光線(xiàn)則都照射到目標(biāo)平面上。所以，可以將光源單元內(nèi)的光能量Φ0對(duì)應(yīng)照射在目標(biāo)平面面積單元S0內(nèi)。而遠(yuǎn)光的光形一般是長(zhǎng)條形，可以將目標(biāo)平面進(jìn)行方形的劃分，如圖1所示。這樣只要確保了Φ0的四條邊角光線(xiàn)通過(guò)自由曲面透鏡折射后，能夠分別照射到S0的四個(gè)頂點(diǎn)上，那么LED總能量Φ就能對(duì)應(yīng)地分布在目標(biāo)平面內(nèi)。

由于入射的邊界光線(xiàn)位置分布和方向已知，對(duì)應(yīng)出射到目標(biāo)平面的光線(xiàn)位置和方向也知道，入射面為平面，根據(jù)折射定律可以求得出射點(diǎn)的位置，由多條光線(xiàn)的出射點(diǎn)可得出透鏡的出射面曲面。當(dāng)LED能量區(qū)域的劃分趨于無(wú)限大時(shí)，出射點(diǎn)就足夠多，從而構(gòu)成透鏡的出射曲面就越精確。

透鏡的4個(gè)曲面區(qū)域控制光線(xiàn)，用透鏡邊緣區(qū)域的曲面控制光線(xiàn)出射到目標(biāo)平面上形成長(zhǎng)條形光斑，寬度為左右15°。經(jīng)過(guò)透鏡中心區(qū)域光線(xiàn)集中出射到目標(biāo)平面中心，加強(qiáng)中心部分照明。透鏡分區(qū)如圖2。通過(guò)光學(xué)模擬軟件模擬可得出如圖3的光斑。模擬時(shí)設(shè)置透鏡材料為PC，透過(guò)率0.9，LED光通量1000lm，目標(biāo)平面距離發(fā)光面25m。中心強(qiáng)度達(dá)到40000cd以上。

模擬結(jié)果：中心光強(qiáng)45000cd左右，水平左右3°有32000～33000cd，水平左右6°有7700～8000cd，水平左右9°有3800～4000cd，水平左右12°有1100cd，能同時(shí)滿(mǎn)足歐規(guī)和美規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

4 樣品對(duì)比驗(yàn)證

把透鏡3D模型發(fā)給供應(yīng)商開(kāi)模，組裝燈板和透鏡后進(jìn)行測(cè)試。透鏡材料為光學(xué)級(jí)PC，LED光通量調(diào)節(jié)至1000lm。光斑如圖3，光形和模擬的十分接近。

測(cè)試數(shù)據(jù)如下：中心光強(qiáng)45459cd，水平左右3°分別是31516cd和31176cd，水平左右6°分別是8777cd和8501cd，水平左右9°分別是4668cd和4529cd，水平左右12°分別是1735cd和1786cd。

與模擬的結(jié)果比較，可以看出中心區(qū)域差異不大，H-V點(diǎn)都是45000cd左右。邊緣的光強(qiáng)實(shí)際測(cè)試會(huì)比模擬的大一些（因?yàn)閷?shí)際上組裝焦點(diǎn)位置會(huì)有偏差，光線(xiàn)會(huì)發(fā)散，導(dǎo)致邊緣測(cè)試值變高），但是不會(huì)影響法規(guī)值。

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果，可以看到采用自由曲面設(shè)計(jì)的透鏡能夠有效控制區(qū)域的光能分布，使光的能量分布達(dá)到預(yù)期的效果，而且實(shí)際和設(shè)計(jì)相差不大，故采用軟件設(shè)計(jì)和模擬能夠?qū)?shí)際開(kāi)模提供指導(dǎo)和預(yù)判

作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)鋒（1986-），男，廣東廣州人，供職于廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，研究方向：車(chē)燈光學(xué)。

（責(zé)任編輯：王 波）