汽車前照燈系統光學設計原理及方法

張志超

摘? 要：隨著汽車行駛速度的提高，必須提升汽車的照明條件，汽車燈生產廠將高科技應用于車燈的設計制造，縮短開發周期，降低生產成本。隨著汽車工業的飛速發展，汽車照明設計受到了人們的關注。該文介紹了汽車照明燈系統光學設計原理及方法，通過實例論證了利用軟件進行設計的效果。

關鍵詞：汽車前照燈? 光學設計? 系統? 原理

中圖分類號：O439? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0085-02

隨著汽車行駛速度的提高，必須提升汽車的照明條件，汽車燈生產廠將高科技應用于車燈的設計制造，縮短開發周期，降低生產成本。目前我國轎車車燈以仿制為主，1988年底投產的某汽車公司轎車車燈由國外設計提供模具，國外對汽車車燈計算機設計已有多年研究，目前世界上僅少數車燈制造大廠有設計軟件，國內車燈制造行業尚無完善的自主設計手段。

1? 汽車前照燈的研究

1.1 前照燈的光源

隨著時代的快發展，汽車前照燈光源不斷更新，光源的效率與壽命不斷提升。早期汽車前照燈用煤油作光源，不能滿足路面照明要求。乙炔燈通過點燃乙炔氣體實現照明，乙炔燈亮度較煤油燈高，但經濟性差[1]。白熾燈以其亮度高的優點速度應用到照明的各領域，白熾燈是由電流通過鎢絲產生熱量，燈泡達到白熾狀態發出亮光。產生熱量同時燃燒了鎢絲，其壽命較短。

鹵鎢燈是填充氣體內含部分鹵族元素的充氣白熾燈，延長了鹵鎢燈的壽命，氙氣燈發光原理為鎮流器將電極兩端電壓瞬間提升到2萬V，擊穿氙氣產生亮度極大的光芒，氙氣燈耗材及壽命超越白熾燈，LED燈具有壽命長，啟動快等系列優點，飛利浦，日亞等公司都加大LED技術的研發力度，LED被人們逐漸應用到汽車照明領域。現在已有汽車公司將LED應用于汽車前照燈上，LED仍存在單顆光能量不足的難題，LED的配光，眩光與可見度特性都超過鹵鎢燈，LED色度不能滿足現有汽車前照燈的標準，LED可提供足夠的可見度。LED會比HID產生更多的不舒適的眩光。

1.2 汽車前照燈的分類

汽車前照燈可分為投射式與反射式。反射式前照燈可分為拋物型與自由曲面型，拋物型不符合車身的流線設計，自由曲面型可很好的克服其問題。投射式前照燈由光源，遮光板，反射器與光學透鏡組成，光學透鏡采用非球面透鏡，光源放在橢圓的第一焦點，透鏡的焦點與橢圓的第二焦點重合。投射式前照燈截止線由遮光板決定，遮光板遮住一些光線，使得投射式前照燈光利用率有所下降。

自由曲面前照燈由光源，反射器與配光鏡組成，其最大特點是配光任務由自由曲面反射器完成。配廣汽僅作為前照燈的外部密封。現代汽車設計可節省油耗量，車燈的設計空間逐漸減小，自由曲面前照燈配光鏡無需承擔配光任務，更符合車型的設計。曲面前照燈無遮光罩，為道路提供了更安全的照明。其缺點是難以形成清晰的明暗截止面。

1.3 前照燈設計

用LED作為光源的前照燈是目前設計的熱點，必須采用多顆LED光源方可達到配光要求，下圖為小功率LED前照燈，可同時實現遠近光，遠光燈時開啟15個0.5W的LED，近光時開啟14個0.5W的LED，前照燈的仿真結果滿足了國家標準。具有光能利用率高等優點（見圖1）。

2? 系統的數學模型

帶配光鏡的車燈系統由光源，反射鏡與配光鏡組成，汽車近光燈的配光主要有ECE與SAE兩種標準，國內主要采用ECE標準，帶配光鏡的前照燈系統光源多采用H4的雙燈絲燈泡，國內前照燈反射鏡面型多為拋物面[2]。

燈絲位置的幾何形狀可建立其數學面型，如將長螺旋狀燈絲視為柱狀光源，每個小單元做點光源處理，m=INT（L/2R），劃分后每個小單元長度與直徑近似，取其中心點為發光點，第n塊小單元的中心坐標為Xon=L×n/m-L/2m-L/2，誤差可控在允許接受范圍內，其第n塊小單元的中心坐標為：

Xon=（L×n/m-L/2m-L/2）×cosθ，Zwm=（L×n/m-L/2m-L/2）×sinθ，其原點在遠光燈絲中心。

P1是遠光燈絲的中心到安裝面的距離。P2是到涂覆層的距離，d1是燈泡直徑。在近光燈絲下有從斜側方切a1角的配光屏，可形成水平與向上斜15°的陰暗截止線，角度分布在180°+a1至360°范圍內的光線被遮住。當π+a1

反射鏡通常采用單一曲面反射鏡，目前國內車燈反射面大多為單一曲面。圖3光源發出空間光線方程為：X=X0+axt，Y=Y0+βxt，Z=Z0+γxt，t為原點到光線與拋物面焦點距離，以頂點為原點拋物面的方程為：y2+z2=4fx， cosio=ααN+ββN+γγN，求得其反射面交點及法矢量（見圖3）。

配光鏡的設計直接影響光斑的形狀，為使經反射器光線擴散，配光鏡花紋為光學元件，經適當的分區達到符合ECE標注的配光效果。用于配光鏡設計的透鏡種類有6種，都滿足一定光線偏轉要求。

圓柱面透鏡為垂直放置，楔形塊的作用是使光線偏移，楔形塊具有兩個方向的傾斜角度使光線偏移，水平方向不等厚的圓柱面透鏡，為圓柱面透鏡與楔形塊疊加。

有3種透鏡由圓柱面透鏡與楔形透鏡兩種基本類型組成，只需計算兩種光學元件的參數，即可確定配光鏡花紋的初始結構。圓柱面透鏡需計算柱面半徑R，根據要求擴散角度δ0通過近似光路計算公司計算初始R與a，計算出角度δ，用迭代的方法逐步逼近要求的值。

各區的透鏡類型基本符合6種類型。通過觀察屏幕上的點列圖分布，可知都經對平行光的實際偏轉與要求差值很小。確定用迭代法逼近求出初始結構參數誤差可滿足實際計算需求。可根據光線空間計算方法，得到特定小單元后的折射光線。

3? 設計計算實例

利用軟件設計桑塔納前照燈近光照明，桑塔納前照燈近光照明燈泡功率為50W，反射鏡頂點到遠光燈絲中心距離為23mm，配光鏡頂點在y軸偏轉角為11.8°，測試屏與車燈系統距離為25m。

運用軟件計算前，將燈泡的參數輸入程序，可通過數據庫直調入部件參數，程序建立包括常用部件的車燈系統簡單數據庫。根據光源模擬結果產生3萬條隨機光線，得出每條光線的空間方程，求出其折射光線，其與測試屏相交。屏幕網格間距為5°。

繪制完點列圖后，進行測試屏的能量計算，此例中指定等值線為18lx，16lx，14lx……共9段，將屏幕上各點照度值轉換為對應的顏色灰度。計算得到最大照度為19·168lx，計算誤差為3.2%。

4? 結語

LED汽車前照燈與AFS是未來車燈的發展趨勢，目前我國車燈技術水平與國外相比仍存在一定差距。自主創新能力有待提升。我國車燈檢測技術需不斷改進。該文設計軟件實現了設計與校驗功能，有望為汽車燈具行業車燈設計提供有效幫助。

參考文獻

[1] 朱維濤.汽車前照燈系統光學設計方法研究[J].儀器儀表學報，2005（9）：971-975.

[2] 賀姝慜. LED汽車前照燈的光學設計[D].深圳大學，2016.