多椭球反射镜近光灯具设计方法研究

尹友军，徐兴荣，王好强

（1.江苏文光车辆附件有限公司，江苏 镇江 212325；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

造型美观、线型流畅的汽车前照灯一直都是汽车主机厂家及灯具企业的研发目标；而汽车近光灯的基本功能也要求为驾驶员提供清晰的照明，减少光线对其他行人的炫目和不适应感。基于上述要求，为汽车研发生产出了不同形式、不同光学系统的前照灯，如抛物面反射镜式、多重反射镜式、多椭球发射镜式及以后的LED 为主流的照明系统。

椭球灯具应用于汽车上以后，使得汽车灯具在造型上更加美观，体现了时尚、奔放等现代元素，更加能够体现设计人员的思想，满足不同客户的审美观。本文就多椭球反射镜近光灯具的设计进行探讨，希望各位同行能共同研究，以提升我国灯具的研发能力及制造水平。

1 结构原理及优缺点

一个简单的多椭球反射镜近光系统，其原理与投影幻灯机相同；主要由灯泡、多椭球反射镜、挡光板和非球面凸透镜组成。如图1 所示。

其工作原理：由位于椭球面第一个焦点处的灯泡发出的光线经反光镜反射后，在第二焦点汇聚，经过挡光板遮挡一部分光线、凸透镜折射后，光线近似平行于光轴射出，形成法规要求的明暗截止线[1]。

该系统具有以下优点：较大的反射镜光线利用立体角提高了灯泡光能的利用率；较小的灯具透光面便于灯具外观的组合和装饰；利用挡光板设计，形成清晰的明暗截止线，使在以反射镜配光中III 区易超标的现象得到很好的控制，防眩光区域高度达到最低的效果；光型照度区域分布均匀，没有明显的梯度差，有利于道路照明[2]。

目前存在的缺点：零件较多，结构较复杂，装配精度要求较高；透镜重量较重，对汽车灯具的抗振动颠簸性能提出了更高的要求；非球面透镜与挡光板的位置精度要求高，在装配时，需要严格控制挡光板的位置；在灯光的明暗分界线部位，易产生色散现象，造成视觉疲劳。

2 设计要点分析

2.1 多椭球反射镜的构造

多椭球反射镜的反射面为复合椭球面，其横截面和纵截面均为椭圆，灯泡位于椭圆面的第一个焦点处。大家知道，在几何光学方面，当光源放在椭圆的焦点时，经过椭圆的反射，光的汇聚点就会在椭圆的第二个焦点，如图2 所示[3]。将这个椭圆绕HH 轴旋转，则可得到一个标准的椭圆反射面，因为其垂直截面与水平截面相互对称，这个反射镜形成的光型则是一个圆环状的光斑。这样的光型基本上不能满足汽车行车的要求，对于近光来说，25 L、25 R 处的照度值偏低，中间位置较亮。一般汽车的近光光型要求照射范围尽可能宽广，是一个扁平的光带，所以单独使用一个椭圆面作为反射镜是不可行的。因此，实用的、满足要求的椭球面反射镜必须由两个以上的椭圆方程构成。这就是要使用多椭球型反射面而不直接使用单椭球反射面的原因。经过多次实践模拟，笔者认为，椭球的开口处为一椭圆，其长短轴之差可控制在2～3 mm，其横截面为椭圆，纵截面也为椭圆，让垂直截面与水平截面的不同来形成扁平的光型。

如图3 所示。在已知椭圆上一点和其焦点位置时，通过解椭圆方程就可以得到椭圆的长短轴a、b。由此就确定了椭圆的轨迹。在三维软件中，按其相对位置做出与开口椭圆A 水平截面和椭圆B 垂直截面椭圆C，如图4 所示。使用3D 的造面功能，做出椭球反射面。至此，这个反射镜可作为数学模型放到光学分析软件中分析[4]，椭圆A1、A2、A3……的基本参数计算如图3 所述。

2.2 非球面透镜和挡光板

投射式汽车灯具的透镜一般都是非球面的。单个球面透镜无法精确地将平行光束聚集在焦点上，会产生所谓的球面像差，而非球面设计就要求通过焦点的光线经其折射后光线平行射出。其实非球面透镜[5]的球面的母线是绕它的旋转轴旋转的多项式曲线[6]，再加上一定的修正系数，便得到一般通用的非球面方程：

式中：X 为非球面的旋转对称轴；Y 为距非球面轴垂直距离；R 为顶点曲率半径；K 为二次曲线常数；a4、a6、……为非球面修正系数。

当a4Y4+a6Y6+a8Y8+……=0 时，上述方程即代表一个二次圆锥面。通过给定相应参数，经过配光模拟分析，最终确定其非球面的尺寸。一般情况下，非球面透镜可以从专业厂家采购，要求的参数有透镜的直径、最大厚度、焦点、玻璃的折射率。在设计多椭球反射镜近光时，可以根据实际情况及供应商提供的配光参数进行挑选，也可以使用光学软件ZEMAX 进行设计，但自行设计的开发费用较高，周期较长。

挡光板的目的是遮住经过挡光板后面的多余光线，只让有用的光线射出去，形成想得到的光型。对于近光光型，挡光板将设计成具有15°截至线的形状[1]。

2.3 椭球面、透镜、挡光板及灯泡的位置关系

挡光板会遮去一部分光线，使有效光束的使用率降低而使亮度不足。为改善此结果，必须调整灯丝、挡光板、透镜的相对位置，使效率提高，增加光强度。可以从以下几个方面考虑：

1）挡光板的位置必须置于透镜的焦点处。

2）挡光板应向左下方移动1～2 mm，以让开灯光聚集的中心，使光的利用率加大（以实际情况而定）。

3）透镜与椭球面无严格的位置关系要求，为使近光系统结构紧凑，透镜的位置可向灯泡方向移动一定距离。这个距离可根据实际的光型结构要求而定，但透镜的焦点不能在椭球的第二个焦点外。

4）灯泡的灯丝中心应设计于椭球的焦点上。为得到更大的光利用率，灯丝中心前后可以做微量调整。最终的设计模拟结果如图5 所示。

2.4 设计流程

经过几年的发展，初步形成了图6 所示的设计流程[7-8]。

3 结束语

以上只说明了设计多椭球反射镜系统的一种方法，其中最主要的就是多椭球面的设计计算[9-10]。多椭球反射镜在外观尺寸被限定下设计制造并不容易，需要经过多次的模拟实验[4]分析才能找出最佳的组合，可以通过改变构成椭球的前后端点及焦点的位置生成新的椭球面来产生扁平的光型。这些方法可以在实践中不断摸索总结。

[1]黄佐贤.现代汽车灯具[M].北京：长虹出版公司，2003.

[2]GB 4599-2007，汽车用灯丝灯泡前照灯[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]安连生.应用光学[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[4]ASAP 光学分析软件[EB/OL].[2012-09-09].http：//bbs.ledcax.com/thread-30245-1-1.html

[5]非球面透镜[DB/OL].[2012-09-09].http：//baike，baidu.com/view/464350.htm

[6]王温良.车灯电脑辅助模拟配光分析[J].车辆研测资讯，2004，（9）

[7]杨良.汽车前照灯反射器自由曲面的设计步骤和技巧[J].照明工程学报，2001，（4）

[8]朱维涛，陈祥熙.汽车灯具设计原理与方法[J].光学仪器，2002，24（6）：35-41.

[9]周太明.光源原理与设计[M].上海：复旦大学出版社，1993.

[10]章海聪.灯具的系统化设计[J].照明工程学报，1992，（3）