基于ADB汽车前照灯的光学设计

2019-10-10姚红兵王宣淇辛忠华

应用光学 2019年4期

姚红兵，王宣淇，辛忠华

(1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013；2.大茂伟瑞柯车灯有限公司，江苏常州 213022)

引言

汽车远光灯作为汽车照明功能灯具，主要用于夜间照明。远光灯的使用不当容易造成其他司机眩目、视盲，有安全隐患。因此在汽车灯具设计研发领域，设计自动远光防眩目车灯是十分有必要的。传统的汽车前大灯需要驾驶人员手动调节远近光，但由于相较近光，远光灯可以扩大视野，所以经常出现一些驾驶者到夜晚就打开远光灯，这种驾驶习惯严重影响着车辆行驶安全。

比较早的机械式远光防眩大灯采用了机械的方式来实现远光防眩目，成本较低，其原理为在原有远光的基础上添加挡光板和促动器。由于为单通道设计，挡光板的移动只可挡住射向一辆对向车辆的光线。多通道设计由于机械转轴的运动需要时间而不容易实现，因此具有很大缺陷和弊端[1-2]。

所谓矩阵LED大灯,即为分组控制单颗LED。它不仅可以实现多通道防眩目，而且精准反应速度快，但由于成本高，技术复杂，难以普及[3]。汽车行业外媒Driving Vision News CEO Hector Fratty表示虽然就现在而言，安装ADB系统的车辆只占据全球汽车市场的1%，但预计到2025年，这个数字将达到15%。为了提高精确度，照明供应商正在增加矩阵LED像素。Lumileds的Vanderhaeghen表示，目前已经有了多种解决方案，从20 LEDs到84 LEDs都有。在2018年洛杉矶车展上，奔驰展示的2018C级汽车，这辆汽车安装的就是84 LEDs灯。

本文基于为实现远光防眩目功能，设计了一种以多颗LED作为光源的汽车前照灯ADB光学模组，由光源、装饰框、透镜组及灯壳构成。基于非成像光学理论并结合Snell定律，设计光学部分。通过相应的电子设计，可达到对LED光源不同亮灭组合的实现。在此条件下建立使光源经过透镜后的出射光线角度与照明屏幕上的坐标的对应关系，形成不同的光型，实现远光防眩目功能。

1 ADB前大灯设计模型

1.1 ADB配光标准

车灯的配光标准根据不同功能将照明效果使用数字量化来进行分析。对于汽车前照灯产品，根据不同的光源，我国分别有GB4599-2007、GB21259-2007及GB25991-2010这3个标准。国标的制定主要根据实际道路情况参照欧盟ECE配光标准[4-5]。

对于自适应远光(ADB)，国标目前并没有明确的规定和测试方法要求。但在欧标ECE R48《关于在照明和光信号装置安装方面对机动车辆进行认证的统一规定》和ECE R123《关于批准装有汽车自适应前照明系统的统一规定》中，对这部分有说明。在ECE R123中，说明了ADB在试验室测试时的发光强度要求。当光源全部工作时，需要满足前照灯法规中对普通远光光束的配光要求。当其工作在自适应阶段时，需要满足表1所示的配光要求[6]。

表1 自适应远光配光测试标准要求

如为左行交通或该汽车前大灯除ADB模块，还配有单独近光灯并满足近光灯法规要求，则B部分就不再适用[7]。

2 模拟结果和实物配光

2.1 设计过程

2.1.1 划分子块，合理利用区域

为避免由于远光灯使用不当而导致其他司机眩目，ADB模组需要在不同情况下可变换不同光型，则设计采用多颗LED。本设计采用了2个模组，为2*12颗LED。单个模组内侧透镜面为与12颗LED一一对应的12块。为了增大光的利用率，采用双透镜设计[7-8]，外侧透镜为非球面透镜。如图1为单个模组内部结构俯视图。模组内侧透镜主要负责收集上下左右光线打出具有扩散角度的光线，并使之经过外侧透镜的焦距，外侧透镜则负责将光线再次收集并扩散。在设计中，为了使光型连续且点亮均匀，2个模组需要相互配合，光型为互相补充。如图2为单个模组光型。

图1 单个模组内部结构俯视图

2.1.2 光线分析，修改参数

在软件LucidShape中输入以上透镜组、各数据及光源参数，通过光线追迹即可得到25 m远的配光屏幕上照度分布图。采用蒙特卡洛计算方法进行光线追迹，通过不断修改单个透镜的焦距、尺寸，两透镜之间距离等参数进行优化，直至在配光屏幕上的远光灯照度分布满足相应标准要求。

2.2 透镜设计基础

本设计采用非球面透镜。非球面最简单的定义为“回转对称的不是球面的表面”，该结构曲率半径随着中心轴而变化，可以有效地消除在准直和聚焦系统中所带来的球差，改善图像质量，减少光学元件，降低设计成本。

非球面透镜的定义方程式为

A4X4+A6X6+A8X8+…

(1)

式中：X为与光轴之间的径向距离；Z为平行于光轴表面的轮廓；C为曲率半径的倒数；K为二次常数；A4、A6、A8…为第4、6、8…次非球面系数。其中当K=0时，方程式表示为球面；当-1

在此设计中，内侧透镜选用双非球面透镜，外侧透镜选用平面-非球面透镜，对于平面-非球面透镜，设凸透镜厚度为d，出射光线与非球面的交点距光轴为y，距光心的水平距离为x,由费马原理得：

(2)

令ci=ni+f

(3)

则(f+d-x)2+y2=(c1-nix)2

(4)

(5)

显然，此为双曲线方程，因而此非球面为旋转双曲面[9-10]。图3为平面-非球面透镜成像基本原理图。图中发光点位置均为焦点。

图3 平面-非球面透镜光成像光路图

2.3 设计结果模拟

LED光源应根据实际需求从电压、电流、结温、热阻、色温等多方面进行衡量选择，是LED汽车车灯光学设计的关键。光源应选择结温较高并易于散热的LED芯片，并要求LED光电参数稳定一致，色温在3 000 K～5 000 K，光强衰减小于20%[11-12]。

本设计选取OSRAM OSLON Compact系列，型号为LUW_CEUP，光通量选用250 lm，其光色为白色，色坐标符合GB标准，发光角度为120°，工作温度范围为-40℃～125 ℃，最大结温为150℃。该类型号LED利用先进的封装技术，尺寸仅为2 mm×1.5 mm，有效的减小了ADB模组的尺寸。

当全部LED工作时，最终得到的模拟结果如图4所示。照度最大值为11 lx，该模组光学系统效率为35.7%，利用LucidShape LID光型分布情况可检测各个测试点，该结果满足ECE R112 class B标准要求，如表2所示。