一种应用自由曲面的LED汽车前照近光灯配光设计

By | 2020年7月24日

  1 引言


  汽车前照灯用于夜间行车时的路线照明,间接关系到行车的平安性,而前照灯功能的好坏是招致夜间交通事变的缘由之一。今朝前照灯光源较多应用传统光源,如白炽灯、卤素灯及低压气体放电灯(HighIntensityDischargeLamps,HID)等,这些光源寿命较短,此中白炽灯及卤素灯寿命仅为两千至三千小时,HID光源寿命略长,但也仅为约八千小时。因此,一种具备短命命的新型光源将能为进步照明功能及缩小夜间行车交通事变的发作带来踊跃的作用。


  发光二极管(LightEmittingDiode,LED)作为新时代的光源,具备数万小时的寿命,除了此以外,LED与传统光源相比具备光效高、体积松散、开关呼应工夫短、耐打击及振动等诸多优点,因此非常适宜作为汽车前照灯光源。


  但是,同传统光源同样,采纳LED作为光源仍需进行非凡的二次光学设计,此中,最为复杂的是汽车近光灯的配光设计。


  普通而言,LED近光灯的光学设计思绪次要可分为折射式、反射式及夹杂式三种。而今朝常见的设计办法为采纳挡板的投射式和采纳分块设计的反射式,两种办法均有有余的地方,前者的光学零碎效率可能受挡板遮光影响较年夜,后者则存正在体积过年夜的缺陷。本文以自在曲面办法进行了夹杂式的LED近光灯设计,要害点为自在曲面的透镜局部设计,目的正在于获得高光学零碎效率的同时放弃体积松散。通过模仿,设计后果合乎国度近光灯配光规范。心愿本文能为LED近光灯光学设计办法提供一种新思绪。


  2 前照灯近光配光规范


  依据国度规范要求,近光灯作为汽车夜间低速行驶时采纳的照明手法,应具备足够的照度其实不能对迎面开车司机或行人孕育发生激烈的眩光。对此,GB25991—2010做出了非凡的标准,采纳一种带明晰的明暗截止线的近光灯配光规范以餍足上述要求。对近光灯的测试办法为正在间隔灯基准中心前25m的垂直立体配光屏幕上丈量,各测试点、区的照度应餍足如表1的要求,测试点及测试区域的地位如图1所示。


  表1GB25991—2010前照灯近光配光测试规范




  图1GB25991—2010前照灯近光配光测试规范


  3 自在曲面设计办法


  自在曲面是一种没有规定或难以用对立方程式形容的曲面。经过使用自在曲面能够恣意管制光线角度及调配光强。灵敏使用自在曲面,可以使照明零碎构造更松散,进步光能量的行使率,别的,还可以缩小没有延续曲面的呈现,不便加工。


  本文构建自在曲面的根本设计思绪是依据曲面某点的入射光及出射光的矢量关系求患上曲面上该点处的切向量,并连系鸿沟前提求解整个曲面。


  起首思考一个光源、曲面及受照立体组成的简略光学零碎,如图2所示,以光源为原点建设坐标系,假定一条从其收回的光线,入射到曲面上点p后折射至垂直于z轴的指标面上t点。点p处的入射光线矢量出射光线矢量及该点处的法向量餍足折射公式:



  图2光学零碎表示图


  


  继而需求确定入射光与出射光的能量对应关系。很天然的,思考采纳一种u→y,v→x的能量映照形式。正在没有思考光能量丧失如反射的状况下,依据能量守恒定律可知曲面上的入射光能量应等于出射光能量,从而有


  


  此中,I(u,v)为光强函数,E(xt,yt)为受照立体上的照度,由此关系式可求患上t点坐标用u,v示意的表白式,即Xt=f(u,v),Yt=g(u,v),代入珝N的法向量表白式,则可经过数值解法,连系自行设定的鸿沟前提求解该自在曲面。

 

  4 采纳LED的近光灯配光设计


  依据GB25991—2010近光灯配光要求,受照屏没有同地位处照度要求没有同,因此本文彩用分块式能量散布形式,针对各照明区域自力设计配光。


  如图3所示,整个光学零碎由透镜及反射器组成,以尽可能充沛行使光能量。该零碎分为5局部,各局部对应接纳屏上没有同地位处的光照区域,因而其映照关系没有同。



  图3近光灯设计表示图


  5 设计后果及模仿仿真


  采纳自在曲面办法并求解患上图3中没有同区块的自在曲面后可患上反射器及透镜曲面的点云,应用如CATIA及Rhino等建模软件便可失去近光灯光学零碎的模子。该模子外形尺寸近似一底面半径21妹妹,长约30妹妹的圆柱体。详细模子如图4所示。



  图4近光灯模子


  本文应用光学模仿软件TracePro对该近光灯零碎进行模仿仿真,LED采纳200lm朗伯体光源,透镜资料为PMMA,反射器设为全反射,接纳屏为一边长为10米的正方形立体,距光源25米远。仿真后果如图5所示。接纳屏上各区域照度如表2所示,思考到实际使用中,灯具效率将招致光通量的丧失,可能招致受照面上照度有余,因此此处进行了裕度较量争论,以调查其正在实际状况中能否能餍足国度规范中测试点的最小照度要求,照度较最低要求裕度=(理想前提下模仿照度-规范最小值)/理想前提下模仿照度。



  图5仿真后果图


  由表2中的测试后果可知,该光学零碎能餍足GB25991—2010近光灯规范的要求,且留有30%以上的裕度,具备实际使用的可行性。


  表2各区域测试后果及裕度



  经仿真,该光学零碎约71%光线入射至接纳屏,光能量总出射率为90%,弘远于卤素近光灯40%的效率。


  6 总结


  跟着半导体照明技巧的倒退,LED庖代传统光源用于汽车前照灯已成为必定的趋向,据此本文提出了一种LED汽车前照近光灯的配光设计计划。该计划以GB25991—2010为规范,经过自在曲面办法对透镜及反射器进行准确设计,很好地完成了光的正当调配,使患上能量行使率失去了极年夜的进步。设计中应用200lm光通量的LED,正在假设透镜未镀膜的状况下也能齐全餍足GB25991—2010规范中各点照度要求且裕度短缺。尺寸方面,该光学零碎模块体积相称于一个底面半径21妹妹、长约30妹妹的圆柱体,非常松散,为汽车的外形设计提供了更宽松的前提。


 


编纂:Cedar