基于光源利用率的投影式汽车前照灯近光配光设计

魏 辉 李礼夫

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)

1 引言

汽车前照灯是汽车夜间安全行驶的保障，其按照光学系统不同可分为反射式和投影式，反射式前照灯按反射面的形状可分为抛物面型［1］和自由曲面型［2］，反射式前照灯光源利用率 (配光屏幕上收集的光通量与光源发出的总光通量的比值)较高，但曲面设计相对复杂，加工难度大，且体积较大。投影式前照灯具有体积小，聚光性好，设计方便的特点，在汽车前照灯中得到了广泛的应用。但传统投影式前照灯反射器曲面一般为旋转椭球面和复合椭球面，其中旋转椭球面由单一母线旋转而成，水平和垂直的照射范围同样大小，难以达到近光配光“水平宽、上下窄”的要求。复合椭球面以旋转椭球面为基础，均匀分块后将各块旋转、偏移形成，其光分布的均匀性不佳，光源利用率不高，且型面上各块分离［3］。同时，传统投影式前照灯系统依靠挡板形成近光法规要求的明暗截止线 (光束投射到配光屏幕上，目视感觉到的明暗显著变化的分界线)，挡板挡去了很大一部分光线使其光源利用率明显降低。

为此，本文提出了一种基于光源利用率的投影式前照灯近光配光设计，该方法主要通过对椭球面反射器进行区域划分，并分别调整各区域第一焦点位置，使经过反射器反射的光线均投射在配光屏幕的明暗截止线下方，完全依靠反射面进行配光而取消挡板设计，解决了传统投影式光学系统在近光中光源利用率不高及照射范围难以满足要求等问题。

2 投影式前照灯配光基本原理

2.1 配光标准

《GB4599—2007汽车用灯丝灯泡前照灯》标准中规定远光为当车辆前方无道路使用者时，所使用的一种远距离照明光束。近光为当车辆前方道路有其他使用者时，所使用的一种不使对方炫目或引起不舒适感的近距离照明光束［4］。近光的设计关键在于既保证前方道路的充分照明又不产生使对面车辆驾驶员不舒服的眩光，标准中要求的配光性能在距离前照灯基准中心前25m的配光屏幕上各测试点、区的位置如图1所示，其中左半侧h-HV线为水平分布，右半侧HV-H3为15度向上分布，h-HV-H3线即为明暗截止线所在位置。

图1 国标中25m配光屏幕上测试点、区的位置图

2.2 传统投影式前照灯近光配光原理

传统投影式前照灯由反射器、光源、挡板和透镜组成，其结构如图2所示。反射器由一个旋转椭球面形成，将光源置于椭球面的焦点f1处，根据椭圆光学性质，光源发出的光线经反射器的椭球面反射后经过椭球面的焦点f2;将透镜的焦点与椭球面的焦点f2重合，则反射的光线经过椭球面焦点f2后经过透镜折射形成平行光线，投射到汽车行驶方向的前方。为形成具有法规要求的明暗截止线的近光光型，在焦点f2附近放置用于遮挡反射光线的挡板。由于实际光源不是理想的点光源，而是具有一定尺寸的点扩展光源 (其可简化为线光源)，当线光源中的那些不位于旋转椭球面焦点f1的光源的反射光束不能全部通过椭球面的焦点f2，从而产生了点扩展光源的成像像差，导致前照灯配光光型难以达到要求和光源的利用率降低等问题。

图2 投影式前照灯结构及工作原理图

改变光源与焦点f1的相对位置可以改变其在配光屏幕上的光型分布。以标准旋转椭球面反射器为例，在光学软件LucidShape中以焦点分别为14mm，70mm标准旋转椭球面为反射器曲面，长度5mm光通量1150lm的H1光源，孔径70mm的非球面透镜为光学部件建立投影式光学系统 (如图3)，进行仿真，分别观察反射器1/4椭球面的焦点与光源位置关系变化对光型的影响，得到变化结果，如图表1所示。

图3 标准椭球面仿真光学系统

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以反射器左上四分之一椭球面 (Ⅰ)为对象，通过分析表1可得出光源和焦点的位置与光型之间的变化关系，即:

1)当光源中心与反射器椭球面焦点f1重合时，光源在焦点两侧对称分布，光型在配光屏幕上以HV点成类似的中心对称分布。

2)当光源中心向内侧 (靠近反射器顶点方向)移动时，光源大部分处于焦点f1内侧，光型在配光屏幕上向右下移动，大部分处于配光屏幕右下方。当光源的右端点移至焦点f1处，即整个线光源均处在焦点f1内侧，光型全部在配光屏幕右下部分。

3)当光源中心向外侧 (远离反射器顶点方向)移动时，光源大部分处于焦点f1外侧，光型在配光屏幕上向左上移动，大部分处于配光屏幕左上方。当光源的左端点移至焦点f1处，即整个线光源均处在焦点f1外侧，光型全部在配光屏幕左上部分。

由标准旋转椭圆的对称性可知Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ有类似相同结论。根据上述规律可通过调整光源与焦点的位置关系实现改变光型的目的，达到配光要求。

3 基于光利用率的投影式前照灯近光设计

3.1 投影式前照灯近光光型的配光原理

基于光源利用率的投影式前照灯设计的主要目的是提高光源利用率，解决传统投影式前照灯光源利用率低及照射范围难达到法规要求等问题。传统投影式前照灯光学系统中反射器和挡板是两大重要的光学部件，也是影响光源利用率的重要因素，本文根据光源与焦点位置关系对光型的影响规律，设计了无挡板光学系统，即该光学系统仅由光源、反射器、透镜三部分组成。

根据上述光源与焦点的位置关系对光型的影响规律可知改变光源和焦点的相对关系可改变光型，在同一个光学系统中光源位置相对固定，而只能改变相对焦点位置，为了在无挡板的情况下形成具有法规要求的明暗截止线的近光光型，需要将反射器不同区域反射的光线形成的光型进行调整，故需要对反射器曲面进行多区域划分，分别设计。为了形成法规要求的近光光型本文将椭球面反射器曲面划分为五个区域，如图4所示，将上半部椭球面划分为1、2区域，将下半部椭球面划分为3、4、5三个区域，其对应的设计目标光型，如图5所示。根据光源与焦点位置关系对光型的影响规律可知:为形成图5中1、2光型需将1、2区域的焦点向光源外侧移动，使光型分别向配光屏幕上左下、右下移动，直至所有光线全部在明暗截止线下方;为形成图5中4、5光型需将4、5区域的焦点向光源内侧移动，使光型分别向配光屏幕左下、右下移动，直至所有光线全部在明暗截止线下方;3区域可将光源中心与焦点重合，即焦点变化范围在灯丝长度范围内，其光型成左下右上分布，右上部分形成右侧向上15°明暗截止线，左下部分在左侧水平线下方，可增强左侧照明。

变椭球面反射器设计的主要原理就是调整椭球面各区域的第一焦点位置，使各区域反射的光线均投射在配光屏幕上明暗截止线下方，并同时保证整个椭球反射面连续封闭，整体配光达到法规要求。因变椭球面设计中反射器并非标准旋转椭球面，所以光型的分界点 (光型全部出现在配光屏幕的某一象限)不一定出现在焦点与光源左右端点重合的位置，但光型的移动趋势仍符合光源与焦点位置关系对光型的影响规律。

图4 椭球面反射器曲面区域划分示意图

图5 各区域的目标对照光型位置示意图

3.2 变椭球面反射器设计

反射器可由不同的曲面形状形成，如抛物面型反射器、椭球面型反射器，它是投射式车灯光学系统的最重要组成部分。根据投影式前照灯近光光型的配光原理，为形成无挡板椭球面反射器，需改变反射器曲面各区域的焦点位置，将反射器各区域设计成具有相同第二焦点而不同第一焦点的可变椭圆曲面，既可满足曲面第一焦点的不同变化要求又可满足共同第二焦点汇聚光线的要求。

如图6所示，定义包含光源、椭球面焦点和透镜中心的直线为光轴，垂直光轴的椭球截面定义为光轴截面。沿光轴方向椭球面上的每条曲线定义为经线，光轴截面上的每条椭圆曲线定义为纬线，整个曲面由无数条经纬线组合而成。改变椭圆纬线上的椭圆半轴长可以改变相应焦点的位置，但仅靠纬线方向调整焦点变化很难形成无挡板投射式配光，且生成的反射器曲面很难达到连续封闭的曲面，故采用在纬线和经线两个方向同时进行调节，实现无挡板投影式配光?［5］。因变椭球面的短半轴在 XOY面的投影更直观，故将变椭球面纬线定义为关于短半轴长的函数。

将椭球纬线短半轴变化函数采用如下形式:

图6 变椭圆曲面反射器示意图

其中b为椭圆纬线的短半轴长，下标A、B分别表示不同纬线所在椭球面上光轴向的位置，下标1表示第一划分区域曲面的起始位置，d、e为A、B位置纬线长度调节参数，m、n为A、B位置纬线形状调节参数。调节参数d、e可以调节不同区域的椭圆纬线的短半轴长，且可以改变短半轴长的变化幅度大小。参数m、n可以改变纬线的形状进而改变椭球面的形状。

为了使变椭球纬线变化连续，将变椭球曲面上的经线也定义为连续变化的函数，并使各区域边界相同，使整个反射器曲面连续封闭且无奇异点。将变椭球经线定义为关于光轴坐标Z的变化函数:

b为椭圆经线的短半轴长，bA、bB分别代表椭圆经线在与纬线A、B交点处的短半轴长，r为经线的形状调节参数。调节参数r可以改变经线的形状。

将椭球面经纬线变化综合，得到整个反射器椭球面的设计方程式:

式中 k——为常数 (为椭球面第二焦点位置);

d、e——纬线长度调节参数;

m、n——纬线形状调节参数;

r——经线形状调节参数;

φ——反射面各区域内标准化角度 (使各分区的角度变化相对在0～90°变化)

因椭圆曲面上所有点都共第二焦点，故有

根据椭圆性质:

即能推得:

从而求得长半轴的表达式:

同时可求得其第一焦点f在光轴上位置:

从式 (6)和 (7)可以看出，k为常数时，长半轴及第一焦点在光轴上的位置与短半轴的变化趋势相同。

3.3 近光配光设计

根据前述变椭球面反射器的基本原理及设计方法，选定反射器曲面各区域的相关参数，其中各区域的共同边界参数一致以保证反射面的连续性、封闭性。通过各区域的焦点要求，设计各区域的空间曲面，建模后导入LucidShape中进行仿真分析，各区域的主要设计参数如表2所示，从表中可看出各区域的焦点范围与前述的基本原理相符。

表2 反射面各个区域的相关参数表

在三维软件Rhino中将各区域拼接得到连续封闭的整个反射器椭球面 (如图7)，导入光学软件LucidShape中建立基于光源利用率的投影式近光灯系统 (如图8，)，光源采用光通量为1150 lm，长度为5mm的H1灯泡，放置在Z轴上14mm处，透镜采用孔径为70mm的非球面透镜，透镜焦点与反射器椭球面第二焦点重合位于Z轴70mm处，反射器采用本文设计的变椭球面反射器。仿真得到配光屏幕上光型，如图9所示。

图7 完整的椭球面反射器曲面图

图8 基于光源利用率的投影式光学系统图

图9 基于光源利用率投影式前照灯近光仿真光型图

由图9可见，其近光光型图上水平照射范围在±20°以上，明暗截止线清晰，热区明显且处于中心偏右。用《GB4599—2007汽车用灯丝灯泡前照灯》标准检测，各关键点照度值的情况如表3所示，所有的关键点都能满足法规的要求。前照灯前25米配光屏幕上收集811 lm的光通量，光源利用率为70.5%。

以传统投影式前照灯为参照，反射器采用旋转椭球面，其他光学元件及尺寸与本文相同，如图10。在光学软件中仿真得到近光仿真光型图11。可见同等条件下传统投影式光学系统水平照射范围达不到水平照射范围±20°以上，且配光屏幕上收集的光通量为534lm，光源利用率为46.4%。结果表明与传统设计方法相比，采用本文方法设计的汽车前照灯反射器的近光光源利用率可提高24.1%。

图10 传统投影式光学系统

表3 配光屏幕上关键点照度值

图11 传统投影式前照灯近光仿真光型图

4 结论

本文从投影式前照灯配光基本原理出发，分析了椭球面反射器曲面光源与焦点位置关系对光型的影响变化规律，构造了变椭球面三维方程式，给出了以椭球面上经纬线的短半轴变化函数，定义了曲面经纬线的调整参数，并通过调整各个参数值，使整个椭球面连续封闭连接。通过改变反射器曲面参数控制不同区域反射面的焦点变化，使经过椭球面，反射器反射的光线均投射在配光屏幕上明暗截止线下方，并满足标准要求。与传统投影式光学系统相比，该设计反射器曲面具有可调整性，并取消了挡板设计，减少了挡板的设计成本及光线在挡板上堆积的热量对光学系统的不利影响，同时最重要的是将光利用率提高到70%以上，比传统设计提高了20%以上，且近光光型的均匀性较好，配光屏幕上各关键点照度值符合标准要求，此方法仅为投影式前照灯近光设计提供了一种方法，其可以通过更多区域的划分和不断的调整参数得到效果更好的配光，且对热区的分布需做进一步的研究。

［1］Yan，W．and W．Mao．A multi-reflector headlamp that can produce a diagonal cut-off without a shield．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Auto-mobile Engineering，2000，214，839～842．

［2］林渊，周莉，宋贤杰．汽车自由曲面反射器光学设计．照明工程学报，ZMGX，2005(01)．

［3］张鑫，屠其菲，宋贤杰．投影灯的光学设计．照明工程学报，ZMGX，2004(03)．

［4］GB4599—2007．汽车用灯丝灯泡前照灯 ［S］．北京:国家质量监督检验检疫总局，2007．

［5］Liou，Y．C．Design of a projector headlamp without using a screen．Proc．Instn Mech．Engrs，Part D:J．Automobile Engineering，2009．223(D12):p．1549～1558．