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复旦大学 硕士学位论文 LED汽车近光灯的光学设计 姓名：徐晨洁 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：宋贤杰 20090412 摘要 2 0 0 3 年国际领先的车灯公司就开始设计一些以白光L E D 为光源的前照灯模 块，作为在汽车外部照明应用的率先尝试。如今，2 0 0 9 年日本小糸已经使第一 辆全L E D 近光灯汽车实现了量产。L E D 在近光光学设计上的应用引起了许多车灯 厂商的关注。尽管L E D 的体积小，寿命长，抗振动，启动快的特点得到了广泛的 认可，但是光学设计却与之前传统光源的光学设计大相径庭，并不可随意替代， 而需重新研发匹配的光学系统模块。为了满足光学配光标准，同时利用体积小的 优势，模块化的设计能提高L E D 光通利用率，且能够达到近光的照度要求。本文 尝试了两种不同的光学设计实现方法：P E S ( 抛物面椭圆反射器系统) 和F F R ( 自 由曲面反射器) ，并研究了芯片的大小比例的选择与放置方向对光型的影响，推 荐合理化建议，最终模拟的配光标准达到了近光照度的要求。其中还包括通过分 析光型和2 5 米屏幕的截止线要求来完善光型的方法和理论。此外，比较了P E S 系统和F F R 系统设计上的差别和系统效率的差距，以及两两组合的应用优势。最 后对L E D 在A F S 智能化前照灯应用进行了介绍和展望。 由于光学设计从设计理念之初到模拟，调整，开模，样品测试，需要经历 很多复杂的步骤。其中牵涉到光学的像差，场曲现象，光学校准。在光学系统中， 会受到结构和空间的限制。由于本人光学设计经验尚浅，在照明性能上虽然能达 到了标准要求，但在系统效率和均匀度上还未能达到最好的效果。不过，相信随 着L E D 性能和光通量的不断提高，从光学上来讲，更易实现优良的前照灯光型效 果。 关键词：L E D ，近光灯，光学设计，自由曲面，复合椭球面 中图分类号：T M 9 2 3 3 4 L E D 汽车近光灯的光学设计复笪大学砺士笋岔趁文 A b s t r a c t I nt h ey e a ro f2 0 0 3 ，m a n yg l o b a ll e a d i n gh e a d l a m pm a n u f a c t u r e sh a v e a l r e a d yb e g u nt od e v e l o pL E Dm o d u l eu s e di na u t o m o t i v eh e a d l a m p ，w h i c h i st h ef i r s tt r yo nt h ea p p l i c a t i o no fe x t e r i o ra u t o m o t i v e1 i g h t i n g C u r r e n t l y ，i n2 0 0 9 ，J a p a nk o i t oh a sm a d ef u l lL E Dp a s s i n gb e a mm o d u l em a s s p r o d u c t i o nf o rt h ef i r s tt i m ei nt h eg l o b a lm a r k e t T h e n ，m o r ea n dm o r e h e a d l a m pm a n u f a c t u r e sp a ya t t e n t i o nt ot h eu s a g eo fL E Da sp a s s i n gb e a m l i g h ts o u r c e s A l t h o u g hL E Dh a st h ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z e ，l o n gl i f e t i m e ， a n t i v i b r a t i o na n dq u i c ks t a r t u p ，t h eo p t i c a ld e s i g ni sq u i e td i f f e r e n t f r o mt h eo p t i c a ls y s t e mo ft r a d i t i o nl i g h ts o u r c e sa n dt h eo p t i c a ls y s t e m c a n tb ed i r e c t l yr e p l a c e d ，b u tn e e dr e d e s i g nt h es u i t e do p t i c a lm o d u l e I no r d e rt om e e tt h ep h o t o m e t r i cr e q u i r e m e n t s ，a n dm a k ef u l1u s eo fL E D s m a l ls i z e ，d e s i g n i n go p t i c a ls y s t e ma sm o d u l ec a ni m p r o v e1i g h t e f f i c i e n c yo fL E Da n dm e e tt h ep h o t o m e t r i cp e r f o r m a n c ea sw e l1 T h i sp a p e r t r i e dt w od i f f e r e n to p t i c a ld e s i g n ：P E S ( P a r a b o l i cE l l i p s eS y s t e m ) a n d F F R ( F r e eF o r mR e f l e c t o r ) ，a n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fL E Dc h i p a r r a n g e m e n t sa n dp l a c ed i r e c t i o nt ob e a mp a t t e r n T h e r e f o r e ，r e c o m m e n d e d t h er e a s o n a b l es u g g e s t i o na n df i n a l l yg a v eo u ts i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c h c a nm e e tt h ep a s s i n gb e a mr e q u i r e m e n t s P a p e ra l s oi n c l u d e dt h es t u d yo n b e a mp a t t e r nc l a s s i f i c a t i o na n dc u t o f f1 i n eo n2 5 ms c r e e nt op e r f e c tt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s F u r t h e r m o r e ，Ic o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eo fl i g h t e f f i c i e n c ya n dd e s i g nb e t w e e nP E Sa n dF F Ra n di l l u s t r a t e dt h ea d v a n t a g e s o fc o m b i n e ds y s t e m s I nt h ee n d ，Im a d eb r i e fi n t r o d u c t i o no fA F S ( A d a p t i v e F r o n t li g h t i n gS y s t e m ) o nt h eu s eo fL E Da n df u t u r ee x p e c t a t i o n B e c a u s eo p t i c a ld e s i g ni n c l u d e sm a n yc o m p l i c a t e ds t e p sf r o mi n i t i a l c o n c e p t st os i m u l a t i o n ，m o d i f i c a t i o n ，t o o li n g ，s a m p l et e s t i n g ，t h o s e s t e p si n v o l v eo p t i c a ld e f l e c t i o n ，f i e l db e n d i n ga n do p t i c a lc a li b r a t i o n O p t i c a ld e s i g nw i l lb el i m i t e db yt h es t r u c t u r ea n ds p a c e D u et om yl a c k o fr i c he x p e r i e n c eo no p t i c a ld e s i g n ，a l t h o u g ht h es i m u l a t i o nh a sm e tt h e r e q u i r e m e n t s ，t h eu n i f o r m i t ya n ds y s t e me f f i c i e n c yd o n tr e a c ht h eb e s t r e s u l t s B u tw i t ht h ec o n t i n u i n gi m p r o v i n gp e r f o r m a n c ea n dl u m e no u t p u t 2 o fL E D ，f r o mt h eo p t i c a ld e s i g np o i n to fv i e w ，i t Sm o r ee a s i e rt or e a li z e ag o o dh e a dl a m pb e a m K e y w o r d s ：L E D ，p a s s i n gb e a m ，o p t i c a ld e s i g n ，F F R ，P E S C h i n e s eL i b r a r yC l a s s i f i c a t i o n ：T M 9 2 3 3 4 jI 士 I 亩 汽车消费市场对汽车的外观美观的线条设计和节能有越来越广泛的需求。因 此，将其两者结合能最大化汽车前照灯的性能和外观效应，同时据美国统计数据 表明使用全L E D 近光灯可节约可观的电能，同时减少二氧化碳的排放量( 见表1 ) 。 2 0 0 7 年E C E 欧洲经济委员会批准了使用L E D 作为近光灯光源的法案( E C EN o 9 8 以及E C EN o 1 1 2 修订案) 。与此同时，日本小糸研发的第一个全L E D 近光灯也随 着L E X U SL S 6 0 0 H 批量生产( 见图2 ) ，此后，L E D 在近光灯上的应用日益广泛。 A u d iR 8 等各类高端车辆相继推出了使用L E D 光源的前照灯。N A L ，K o i t o ，V a l e o ， H e l l a ，S t a n l y 开始投入大量研发力量寻找最佳的L E D 光学实现方法，其中走在 较前的N A L 使用全反射器的形式；用一些能自由控制的面改变光线使之在水平方 向扩散，在垂直方向汇聚；K o i t o 使用P E S 系统，复合椭球面反射镜将光线汇聚 到透镜的焦点上，最后得到要求的光型，此方法更加复杂，需要考虑的因素更多， 但是正因如此，能更精确的调整光线，而且可以多模块化的使用，因此在实际市 场上应用的更多。由于L E D 相比于其他光源，发光特性即有很大的差别，又具有 很大的选择空问，芯片阵列的排布和放置的位置选择和结构设计都会影响到最终 效果，因此有很大的研究空间和潜力。 表l ：美国政霄2 0 0 3 年瞬做的调查数据单位( 太瓦时每年) 应用领域使用传统光源的耗能使用L E D 的耗能 前照灯一远光 0 6 90 5 3 前照灯一近光 5 8 64 2 6 前转向灯0 3 40 1 1 前停车灯 0 8 60 1 6 后刹车灯和后转向信号灯 1 3 90 4 3 后尾灯 1 5 20 4 3 高位刹车灯一外置 0 1 50 0 2 高位刹车灯一内置 0 4 6 0 0 9 牌照灯 0 3 20 0 7 倒车指示灯 0 1 3O 0 1 示廓灯 O 3 20 1 2 雾灯 O 2 l0 2 1 日行灯 0 8 50 6 2 总计1 3 1 87 7 3 节约能耗5 4 5 4 L E D 汽车近光灯的光学设计复型天掌研t 擎岔趁丈 表2 ：L E X U SL S 6 0 0 t t 全L E D 近光灯模块 5 第一章白光L E D 概述 第一节白光L E D 利用半导体P N 结把电能转换成为光能的器件称为发光二极管，或简称为L E D ( L i g h tE m i t t i n gD i o d e ) 。由于这种发光是由注入的电子和空穴复合而产生的， 故也叫注入式电致发光。 发光二极管的注入电致发光有悠久的研究历史。早在1 9 0 7 年就曾报道过， 在金刚砂晶体通过以正、反两个方向的电流时可看到发光现象。最早的L E D 诞生 于1 9 6 2 年，美国通用电气公司的霍洛亚克博士用化合物半导体材料磷砷化镓 ( G a A s P ) 研制出发红光的发光二极管。之后L E D 逐渐应用于指示灯、信号、显 示等领域。 在1 9 9 4 年，日本科学家中村修二在G a a N 衬底上生长A I l n G a N ，成功研制出第 一个蓝光L E D ，堪称L E D 发展史上的又一个里程碑。蓝光L E D 开发的成功，一方 面解决了三基色缺色的问题，另一方面使半导体白光照明成为可能。 图1 1 ：L E D 发光机理概略图 图为L E D 发光机理图，在L E D 的P 1 1 结合部有一发光层，当注入电流时 在该处电子和空穴再结合放出与电子和空穴的能量差相对应的能量hY ( h 为普 朗克常数。Y 为频率) 而发出光，该能量差相当于半导体材料的带隙能量E g ( e v ) ， 其与发光波长入( n m ) 的关系为入= 1 2 4 0 E g 。这样就可以用半导体材料制成发出各 种光色的L E D 。 白光L E D 分为单芯片型、多芯片型( 双芯片型和三芯片型) ，多芯片型是将 不同光色的芯片装配在同一个包装内得到混色后发出白光。单芯片型制造方式又 分：( 1 ) 将蓝色L E DI n G a N 芯片与钇铝石榴石( Y A G ) 荧光粉组合成二基色白 光L E D ，或由I n G a N ( 蓝光峰值4 3 0 n m 或4 7 0 n m ) 与红色( 6 5 0 n m ) 和绿色( 5 4 0 n m ) 6 荧光粉组成三基色白光L E D ；( 2 ) 利川蓝色Z n S e 为基体制成芯片与衬基发出的 黄光复合成白光；( 3 ) 川发出紫外光的I n G a NL E D 发出的紫外光激励三犟色荧 光粉发出白色光。 日前牛成白光的方式丰要有以下三利- ，见下图。 第二节白光L E D 前照灯的产业化进程 汽车前照灯的设计一直是汽车行业的一个重要研究和开发领域。我们先后研 究了自由曲面汽车前照灯的设计、汽车投射灯、高亮度L E D 在信号灯具中的应用 等项目。前照灯的光源大多采用卤素灯泡或H I D 。L E D 是照明界的新一代光源，以 其迅速发展的光效，大范同可选择的色温，无极调光，长寿命和体积小，并且抗 震性好的特点，从照明领域的显示应用逐渐发展到功能性应用。L E D ) 匕源具有广 阔的应用前景，已应州到照明、影视、信号灯、景观装饰等各方面。L E D 灯具作 为第四代汽车光源被众多汽车制造商善加利用，已大量应用到汽车信号灯、装饰 灯、照明等多个方面。近年来出现的高亮度、超高亮度大功率L E D ，生产成本也 逐步降低。L E D 逐步取代传统卤素灯泡成为汽车前照灯新光源是必然趋势。国际 上许多公司和研究机构正着手开发和研制汽车L E D 前照灯，如德国海拉H e l l a 、 日本d x K o i t o 、德国欧司朗O s r a m 等公司都研发了L E D 前照灯。L J 国在“十五” 计划中也把L E D 半导体照明项【二1 列入国家重点扶持项日。 在2 0 0 7 年4 月美国底特律召开的S A E 年会上，在照明委员会的会议议程里， L E D 应川占了近一半的时问，且5 0 以上的论文关于L E D 在汽车前照灯, t l 的应厂玎。 7 从L E D 元器件，二次光学设计到散热技术的研究，几乎涵盖了L E D 前照灯所需各 方面的技术信息和最新进展。 随着L E D 芯片和封装技术的发展，正如化学领域有著名的摩尔定律，半导 体领域也有海兹定律，由安捷伦前科学家研究得出：L E D 光效的上升和成本下降 随着时间的变化关系。由于白光L E D 常用的混光原理( 黄色荧光粉加上蓝光芯 片) ，在C I E 色度图上可以发现，理论上混光方式可以模拟各种色温的白光，从 2 7 0 0 K 到6 5 0 0 K 是常用照明的色温范围。此外，L E D 可以在很短的时间内启动， 而且通常L E D 的寿命可以达到3 万至5 万小时，大大减少了车灯更换和维护成 本。 图1 - 3 ：L E D 的性能特点和性价比趋势 如今国内的L E D 前照灯也已经进入产业化的发展，多个L E D 科技研发生产 基地都进行了系统的产业化过程。国内领先的L E D 前照灯生产厂家将杰出的 L E D 性能和前照灯的紧凑型结构完美结合，并已经有安装使用，并通过了相关 检测单位的标准要求。同时国家8 6 3 项目也将L E D 前照灯纳入其中，更有一些 L E D 上游尤为集中的地区，将此研发的成果产业化，取得了巨大的成功。近年 来著名品牌车如宝马、福特、本田、丰田、奔驰、奥迪、凌志等无不遗余力发掘 新的卖点，争相推出各式新款车吸引顾客，从而各自开发出了引人入胜的五彩缤 纷的车灯款式。L E D 灯具作为第四代汽车光源，已为众多汽车制造商善加利用 制造出美奂美伦的车灯款式。 L E D 车前照灯在历经近年来的技术验证、概念车展示等开发阶段之后，迎来 了有望应用于量产车的入市前景，其标志性事件是：凯迪拉克E s c a l a d eP l a t i n u m 新款，成为率先在业界装用以L E D 作为前照灯的近远光束之全部光源的首个量 L E D 汽车近光灯的光学设计复笪天学砑士学岔趁玄 产年型。 中田的凌志L S 6 0 0 h 是世界上首个采川L E D 前照光源的量产车，不过它只在 近程光上应川了L E D ，远程光源仍为卤素灯。该含两种光源的前照4 i 灯总成南 小糸车灯供货。 奥迪也宣布将要在R 8 运动款式跑车上装 j 以L E D 为单光源的照明系统。 这必将推动L E D 进入汽车照明领域技术殿堂的势头。 据预测，在未来5 年内我国L E D 车灯将有大规模的发展，近几年内会形成 年产1 0 亿元的产值，5 年后会形成每年3 0 亿元的产值。 图1 4 ：L e x u sL S 6 0 0 H 近光灯效果 图卜5 ：L E D 前照灯样品 9 第二章灯具光学系统的设计基础 第一节灯具的定义和光学基础 2 1 1 灯具的定义和设计要素 国际照明委员会C I E 定义灯具为能重新分配，改变或控制光线的器具。灯 具的结构包括所使用的光源，改变光线在空间上分布的光学系统，固定灯座，保 护光源与支承光学系统的机械部件，以及使光源正常工作的电气附件等；灯具的 主要功用是改变光源的光输出分布，以满足各种视觉作业任务的要求，使人的视 觉感官获得最大程度的舒适。 在照明设计中，灯具会因为不同的视觉作业要求和照明范围而有不同的选 择。灯具的功用以及使用的场合不同造成了光学系统的多样性。根据灯具的定义 了解到灯具中最主要的部分是光学系统，它能实现灯具的各种不同的照明功能， 分配光线到工作面的需要位置。根据光源的光输出分布，通过合理的光学系统， 改变光通的空间分布，以达到特定照明场合的要求。因此，灯具光学系统的设计 是灯具设计的核心。一般采用的光学系统有反射型，透射型和反射透射结合型三 种。 图2 1 ：光学系统的设计要素 反射器的设计要考虑反射材料的反射系数，反射分布形状，同时要考虑合适 的反射曲面的构成，反射器起始角和截止角的大小，光中心与反射器顶点的距离， 还要考虑光源尺度的影响。对于要求光效高，方向性好的灯具可采用镜面反射材 料。对于光线要求柔和的灯具可采用扩散反射材料。对于眩光控制要求高的灯具 1 0 可采用较大的截止角。对于光输出分布比较规则的灯具可选择合适的特种几何曲 面，如抛物面，椭球面等。对于光输出分布各向不均匀的灯具( 如汽车前灯) ， 就要采用复杂的曲面，甚至是自由曲面。 折射器的设计要考虑折射材料的折射系数，分光能力，同时也要考虑合适的 折射曲面的构成。一般折射方式有透镜折射，平板折射，棱镜折射和棱锥折射， 选择合适的折射方式和控制折射单元的几何参数是灯具折射器设计的关键。 第二节基本光学元件和功能 反射器是一利，重新分配，控制光源光通量的器件。光源发出的光经反射器反 射后，投射到要求的方向。为了提高效率，反射器由高反射率的材料做成。这些 材料有铝、镀铝的玻璃或塑料等。常用的反射器材料是镀铝，常称为镜面反射器。 反射器的形式多种多样，有抛物面反射器，球面反射器，椭球面反射器，双曲面 反射器，柱面抛物面反射器，复合型反射器。因为在车灯设计中，主要运用的是 复合型抛物面反射器和椭球面反射器，在这里对两种反射器的基本原理做初步介 绍。 2 2 1 镜面反射器设计的理论基础 1 抛物面反射器 该反射器的母线为抛物线，绕其光轴旋转1 8 0 。，即构成旋转抛物面反射器，描 写母线的方程为： Y 2 = 4 f i t 式中，f 是抛物面的焦距在极坐标系统中，母线的方程为 p = 而2 f 式中，p 为焦点至母线上一点的矢径，1 l r 是矢径与极轴之间夹角。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) L E D 汽车近光灯的光学设计复直天学颤士笋岔鲶文 图2 2 ：抛物面反射器中光源的光路 若将一点光源置于完美的抛物面反射镜的焦点上，则所有的反射光线都将平 行于光轴探照灯和很多投光灯就是按照这一原理设计的光源在轴上偏离焦点 位置时，光束不再是平行光当光源位于焦点以内时，光束发散；而当光源位于 焦点以外时，光束先会聚而后再发散理想的点光源是不存在的，光源总有一定 的尺寸图1 2 表示了当球形光源的球心置于抛物面反射镜的焦点上时反射光束 发散的情况由图可以清楚地看到，最大发散度是发生在顶点M o 的位置上，最 大发散角Q 。为 口。- 2 a r c s i n 9 ( 2 - 3 ) 式中，r 为光源半径，f 为抛物面反射器焦距，在角Q 。以外没有反射光。 最大发散角的原理同样可以应用在反射器的投影面上，靠近光源的区域产 生最大的投影面积，在前照灯光型中起到扩散的作用；同时，较小的投影面积起 到热点( 汇聚) 的作用，本文稍后会做具体的分析介绍。 lI H i II ：，：，：一：一：一 l Il 厂、 l 一l L1 _ j 一 图2 3 ：投影面积与反射位置的关系 通常光源相对于光学系统都不能称之为点光源，于是光源光线的出射位置一 般都是偏离焦点的位置，因此在做光线分析的时候，有必要了解偏离焦点的出射 光的光学路径。 2 抛物面偏离焦点的点光源的光线追踪原理 y l p C z o , 睁一 彪炎 f8 0 k 、 墨 0 弋 倪 fj 一 、 图2 4 ：偏离焦点的光线追迹 设点光源嘲离焦点腋坊向为a ，在荫向为历光线在尸r 如，y 0 ) 点经反射 后交枷于A 点。像图) 用表示锤0 脯的光线与瑚问的夹角，可知? t g w = ( 2 t g 詈一b f ) ( 1 + a f t 9 2 - 。4 ) ( 2 - 4 ) 二 二 因为法线与水平轴线的夹角为昙，于是有a 寻w - 昙和口。：旦一w 2 2 “ 2 在A P F A 中，么F 刚= 2 a + = 2 a + 吼= w ，由正弦定理知： P AP F s i n ( 1 8 0 。一目) s i n a I 即= 历而= f ( 1 + f 9 2 尹0 = S e C 2 詈 所以 三s i n w = 尸_ F s i n ( 口I 一叻：f s e e 昙( s i n 9 一叻 得到 工：f s e c _ a 1 ( s i n 秒c 握一c 。s 秒) 3 椭球面反射器 该反射器的母线为椭圆椭圆方程的表达式为 吾弓= t7 + 爷- 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 口2 一b 2 = c 2( 2 1 0 ) 式中，a 和b 为椭圆的长短半轴，c 为焦点至坐标原点的距离。椭圆有两个 焦点。若一个点光源放置在一个焦点F 上，则反射光线将通过另一个焦点F 。 有一个有趣的应用例子：将椭球反射器在A B 处切开，所有的光线看上去都是从 焦点F 出的。如果在A B 处加上一个盖子，但中央留一个孔，则使所有的光线仍 = 三一 为因 然能够通过。在某些情况下可以利用这一性质，通过一个狭小的开口发射出发散 的光来这样可以很容易地隐蔽光源。 图2 5 ：椭球面反射器结构图 2 2 2 折射器设计的基础理论 利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件，用于改变原先光线前进的 方向，获得合理的光分布。灯具中经常使用的折射器有棱纹板和透镜两大类。 汽车前照灯的配光镜上的各棱镜单元则精确地控制着出射光束的方向，以便 形成符合法规要求的光分布，既能照亮前方行驶的路面，又能防止对迎面车辆造 成眩光。作为折射光线用的透镜至少有一个曲面。下图有两种常用的透镜。其中 图( a ) 一面是球面，一面是平面，是平凸透镜。当一束平行光入射到球面上时， 由于折射作用，光束会聚到焦点上。图( b ) 一面是凹球面，一面是平面，是平凹 透镜。当一束平行光入射到凹球面上时，光被散开，而所有散开的光反向延长时 都会聚于焦点。 二一 二 J 、心j 二L 衫 f 一 、 图2 - 6 ：常用的薄透镜 产厂2 南 协 ( 仇一1 ) F 一二) ，I，2 上式给出了薄透镜焦距与折射率、曲率半径的关系，称为磨镜者公式。 1 4 第三章汽车前照灯技术综述 第一节分类及其特殊要求 3 1 1 汽车前照灯的组成 前照灯是汽车夜问行驶时作为道路提供照明的聚光式灯具。前照灯起源 于法语词“P h a r e ( 灯塔，灯塔灯光或灯塔灯) 。德语以及现代法语术语中，前 照灯常被称为聚光灯。前照灯包括近光灯和远光灯。近光灯是当车辆前方有其他 道路使用者时，不致使对方眩目或有不舒适感所使用的近距离照明灯具；远光灯 是当车辆前方无其他道路使用者时所使用的远距离照明灯具。汽车前照灯作为一 种特殊的灯具，不但要满足灯具的一般要求，还具有其特殊性，这是由于它所应 用的照明场所的特殊要求所决定的。 3 1 2 特殊要求 汽车制造的趋势之一是汽车的速度得到不断的提高。显然，在夜间借助前照 灯远光进行行驶也希望能够用上汽车的高速度。为了保证夜间的安全行驶，要求 由远光照明所决定的发现和辨认障碍物的距离应保证足以实现及时停车。 停车距离可由公式： 睢掣+ I (3-1)o 3 6 2 5 舻 其中S c o t 是汽车安全停车距离，米；V 是汽车速度，公里小时；T 识别障碍 物，驾驶员反应和制动过程开始前制动器驱动机构作用的总时间，秒；是轮胎 与道路的附着系数；K 3 是指制动使用状况系数；I o 是至障碍物的停车距离储备， 米。又经研究表明，必要的光照度与停车距离的关系是： E K p = O 2 + 0 1S o c t ( 3 2 ) 于是前照灯所必须的发光强度为： I = E k p ( S o c t ) 2 ( 3 3 ) 因此，根据欧洲标准，两只前照灯的远光的最大发光强度应不低于4 0 0 0 0 c d ，而 只有在车速不大于1 0 0 7 0 公里小时( 干和湿道路) 的情况下才能保证发现障碍 物的距离。为了增加照明距离，在某些汽车上使用辅助前照灯和聚光前照灯。所 有前照灯的总发光强度不应超过I m a x = 2 2 5 0 0 0 c d ，这可以在最大车速为1 4 0 1 1 0 l 。E D 汽车近光灯的光学设计复- 旦天劬士岔鲶又 公里i x 时的情况下保证视见障碍物的必要距离。 本文着重探讨近光前照灯反射器的设计，近光灯川于会车时的道路照明，对 近光光束的要求有两个方面：。个是防止迎面米车驾驶员的眩日要求光束要 低、要暗；另个是保证良好的道路照明要求光束要高、要亮。汽车前照灯 既要照亮汽车前方的路面和交通信号标志，又不能给对方来车驾驶员造成不舒适 的眩光。这就要求前照灯的光强空问分布满足十分精确的要求。在我国，汽车前 照灯的光分布标准( G B 4 5 9 9 - 9 4 汽车前照灯配光性能) 是等同于相关的E C E 法规。近光前照灯的光分布完全不对称。巾问是一个高光强区域以尽可能照亮前 方的路面。光束在水平方向有所散开，以利于辨清路边的情况。在指向对方来车 驾驶员眼睛的方向上光强很小，不产生眩光。在前照灯产生的明、喑区之问有一 条十分鲜明的分界( 截止) 线。对于右行车辆来说，中垂线左侧是条水平线，右 侧是一条与水平线成1 5 。的向上的斜线。， 一蛆一一2 。一1 0D1 02 0钧4 1 i r r = Of l t 萨5 0 0l A ：r 囊8 za t 眨怠一1 1 】= 磁c d韵a x = 2 3 6 0 c 翻】1 0 01 6 0 翟的4 0 08 3 01 0 0 01 6 粼4 0 0 0 1 0 0 3 01 6 0 U D O l U Ul 勺o m ，l n ：OEn a xa t 9 7 5 , o 2 5 = 7 6 5i xm a r = 7 6 5 图3 1 ：2 5 米屏幕上的光分布和光型鸟瞰图 汽车前照灯设计是随着汽车技术的不断进步，人们要求的不断提高而不断发 展的，汽车技术的不断进步，例如汽车时速的不断提升，要求汽车前照灯制造商提 供强度更高，照得更远的前照灯，而随着造型技术的不断发展，人们审美要求的 不断提高，留给汽车前照灯的空问越来越小，而对其美学造型的要求却越来越高。 这些都给汽车前照灯的设计提出了越来越高的要求，并刺激着汽车前照灯设计技 术的不断发展。 汽车前照灯设计的难点在于光学设计，即采用什么样的配光系统米实现要求 的配光分布。对于汽车前照灯，反射器尺寸与光源相比较而言，不能像一般反射 器那样可以H j 远场光度学进行计算，必须重新考虑计算方法。汽车前照灯设计的 对矛盾在于对光强的越米越高的要求，与对眩光的越米越强的控制之问的矛盾， 1 6 一方面：车速的不断提升要求前照灯的光强越来越高，另一方面，行车安全的要求 又要求控制汽车前照灯对迎面来车司机造成的眩光不能太高。 总的来说，汽车前照灯不仅要满足灯具的一般功能，还必须符合以下两条要 求i 汽车主动安全性能和汽车造型的要求。汽车主动安全是指汽车防止事故发生 的能力。汽车前照灯性能是其中一项重要指标。也就是说，在前照灯设计中，要 在要求前照灯照得更远更亮和严格的眩光控制之间取得平衡；汽车前照灯是汽车 造型的重要方面。各大车厂的各款新车都有其设计新颖、造型独特的车灯为卖点。 同时由于空气动力学的要求，现代汽车设计更趋向于低轮廓和流线的外形，因此 必然使得汽车前照灯变得更狭长和较多地从垂直面倾斜，而留给前照灯的空间也 越来越小，这些都对汽车前照灯的设计产生了结构上的限制。 第二节前照灯发展历史和现状 前照灯的发展历史可以由两条线索追溯，首先是前照灯使用的光源历经的变 迁；其次是前照灯的结构的进化和演变。随着科技的进步和发展，前照灯的性能 和外观，尺寸都有很大的变化，带给我们日新月异的惊喜和挑战。 3 2 1 前照灯随光源的演变历史和现状 1 白炽前照灯 爱迪生在1 8 7 9 年发明了白炽灯。1 9 0 8 年，第一个汽车前照灯用灯泡诞生， 采用钨丝发光，真空无填充气体。但由于灯丝钨的蒸发，使灯泡的寿命大大缩短。 2 卤钨前照灯 利用卤钨循环可使钨重回灯丝，从而延长光源寿命的原理早在1 9 1 2 年就被 发现，但直到上世纪六十年代中期，卤钨灯才开始用于汽车前照灯。在这方面， 欧洲先于美国。欧洲市场出现大量使用单灯丝卤钨光源H I 、H 2 和H 3 的前照灯， 六十年代后期，双灯丝卤钨灯H 4 也开始使用。七十年代，卤钨灯泡开始在美国 全封闭式前照灯中得以应用。同时，由于灯泡寿命的改善，全玻璃封闭已不再需 要，逐步采用塑料镀膜等工艺，而塑料材质也使灯具抗冲击能力有所改善。 1 7 L E D 汽车近光灯的光学设计复型Z - 笋砑士学岔趁丈 图3 2 ：双灯丝卤钨前照灯 3 气体放电光源前照灯 第三代为高强度气体放电H I D 前照灯。高强度气体放电灯( H I D ，H i g h I n t e n s i t yD i s c h a r g e ) 在商业照明中很早被应用，但由于快速启动和迅速重启的问 题，1 9 9 1 年才在欧洲出现第款H I D 前照灯。与卤钨灯相比，H I D 具有寿命长、 亮度高、光通大、色温高等优点。因此，能提供更宽更亮的光型，照射更大更远 的范围。但同时，高色温、高亮度也更容易产牛眩光的问题。因此欧洲针对H I D 光源及其前照灯制定了新的标准( E C ER 9 8 和E C ER 9 9 ) 。美国的车灯法规 F M V S S l 0 8q J 也添加了关于H I D 近光灯的。些光度参数。 4 L E D 前照灯 虽然L E D 诞生于上世纪三十年代，但第一。个L E D 信号灯在1 9 8 5 年才被用 于一客用车上。1 9 8 6 年，N i s s a n3 0 0 Z X 型车上的高位刹车灯( C H M S L ) 运用了 7 2 个5 m m 的L E D ，标志着L E D 逐步进入了汽车工业。 随着白光L E D 技术的不断发展，车灯行业将其作为下一代前照灯光源而受 到关注。2 0 0 3 年，几大车灯公司开始设计些以白光L E D 为光源的模块，作为 在前照灯中应用的尝试。 虽然作为一种全新的光源，在光度、色度和光学等方面都为人们提出了些 问题，但白光L E D 的寿命长、体积小、肩动快、设计自由度大等特点是其他光 源无法比拟的。冈此在汽车前照灯巾，特别是今后智能化前照灯中的应用潜力巨 大。下图为使用仝L E D 光源的前照灯样品以及全球首个已经在2 0 0 7 年量产L E D 近光灯L E X U SL S 6 0 0 H 。 L 婴邀全重光灯的光学设计复旦天学砑士学岔蘑史 转向灯 示廓灯 日行灯 6 个近光 模组 3 6 “ - 远光 模组 图3 - 3 ：L E D 前照灯模块样品 图3 5 ：L E D 与传统光源前照灯的路面性能比较 从图r 1 1 可见，路面的照射面积L E D 已经可以超过H I D ，给与更远的照射范 闹，将光束更有效地投到需要的区域。 1 9 、- ， 1 9 7 81 9 9 62 0 0 7 L E D 白炽灯 瓣誊缓疆鞘瞄簟簟 瀚幽缓溷譬互盈灌鞠 ( 叠 糊瞳苏理盈0 F 王d 蜊t a 歹i 、 叫事囊摹蛩 0 飘、 i 黼霾 豳豳圉 翅， 蛰 国 嗨瞬氅堇础 瓣) 图3 - 6 ：前照灯光源演示意图 3 2 2 前照灯随结构变化的发展和现状 1 全封闭前照灯 在三十年代后期，美国汽车前照灯急需一些新技术米改变，于是开发了全封 闭前照灯，整个灯具完全密封，由镀铝的反射镜、带花纹的配光镜和光源组成， 单元内充有惰性气体以延长钨丝的寿命。该灯具的开发解决了美国市场上前照灯 存在的诸多问题，同时两年之后使市场规范话，将前照灯多变的尺寸统一为直径 为7 英寸的圆形灯具，且所有车辆都使用双灯制。至1 9 4 0 年，每辆车的前照灯 最大光强已由5 0 0 0 0 c d 提升至7 5 0 0 0 c d 。 2 自由曲面F F R 反射镜前照灯 反射器的曲面被定义为：由法线矢量控制的M * N 次曲面，此曲面由C A D 系统，用参数处理的方法生成，其开发效率非常高。这个曲面的技术特征是：灯 泡内无遮光罩。 出于空气动力学和造型的考虑，汽车前部低而呈流线形，因此为前照灯预留 的空问越来越小。同时，从外观考虑，人们希望去掉有细密花纹的配光镜，能呈 现光亮的反射面。因此，配光仃务要完全由反射镜来完成。显然，简甲的抛物面 等传统曲面无法满足需求，由此产生了自由曲面反射镜。这类反射镜由许多小的 面己组成，面C 之问有相对平滑的过渡，通过调节各面冗位置和法向，控制光束 走向，形成期望的光型。欧洲的T 程师首先以H 4 为光源，设计了分块面的反射 镜，仉摹准面仍为抛物面。随后设计了多分块的表面。随着光学辅助设计软件的 开发，第个无需任何透镜协助，能独立形成理想配光的光滑过波的自由曲面诞 2 0 L E D 汽车近光灯的光学设计复旦天学劬士笋岔硷丈 牛。而笫一个全透明透镜、自由曲面反射镜前照灯于1 9 8 0 年| 、口J 世。 自由曲面系统把反射面分割成许多不规则形状( 即自由形状) 的小反射面( 即 小曲面) ，每。个小曲面都完成整个配光系统t 1 1 的部分功能，所有这些小功能组 叠加在起达到最终的配光要求。然，这些小功能组的分割可根据造型要求。 而每个小的三维曲面都需借助计算机辅助计算系统通过大量参数进行计算。在 整个反射面上的几乎任何。部分都可被利用( H l 灯泡需要遮盖一部分，冈为该灯 泡定位精度稍差，如果不遮盖一点，会由于灯泡精度问题产牛法规所不允许的眩 光，即很难形成清晰的明暗截止线。而在9 2 年以后开发的新的H 7 灯泡由于有 足够高的定位精度，所以不需要增加遮光罩) 。P O L O 近光灯即采用此技术。 图3 7 ：自由曲面系统近光灯光分布以及有效反射面 需要重申的是，此自由曲面本身完全实现了光束的收集、聚焦和发散的功能， 根本不需要在配光镜上增加花纹米实现配光。因而，对配光镜的要求仪仪是造型 保证灯具密生寸的一部分。此技术已经于9 0 年代初投入批量使用。当然，无论如 何，光线透过无花纹的配光镜都会产生一定的漫反射，冈此如果能适当增加一点 花纹效果最佳。 根据对反射镜的不同造型要求，大体有如下几种设计方向可供选择：分别为 连续型、线段型和多块小曲面型。 综合评价，线段型反射镜的配光是最佳的；连续型反射镜方面由于没有明 显突出的结点而使配光值受到。定的限制( 即光的利用率受到限制) ，另一方面它 的优势在于它几乎不产牛杂散光( 我们知道对配光的评价无非在光强和光型两方 面进行) ：而多小曲面反射镜则由于众多突出的明显变化的结点而产生很大比例 的杂散光，当然同时也给人一种闪闪发亮的外观( 跟钻石一般) 。同时也需要很高 的代价来抑制这利杂散光带来的眩同。 使用此系统，与抛物面系统相比有如下优点： 配光利用率大大提高，为道路使用者提供了更加安全的照明。 对配光镜外观的造型更加自由。在配光镜上不要求一定有花纹，当然适当 增加一点会防止漫反射，因而取得最佳配光效果。透过配光镜，整灯内部造型显 现无疑。 对配光镜的型面造型更加自由。因为几乎没有对配光镜在配光方面的要 求，所以配光镜与光轴的夹角可小到3 0 度，因而可适用于车头造型非常灵活弧 度非常大的车型。 3 复合椭球面P E S 前照灯 复合椭球面( P E S ，P o l yE l l i p s o i dS y s t e m ) 前照灯由于其紧凑的出光口径、 独特的外观、均匀的配光、能形成完美的截止线和光型可变性强等特点，在很多 中高档车辆上被广泛使用。1 9 8 5 年，椭球面前照灯( 也被称为投影灯) 首次开 发成功，并于1 9 9 4 年在德国的巴士上第一次应用。它的第一焦点是灯泡灯丝， 第二焦点是遮光罩，并且把聚光配光镜的焦点做成与第二焦点一致，因此，纵截 面使光线沿光轴平行扩散，横截面使光线向左右方向扩散，这样能够获得与以前 光学系统同样的配光光形。 其特点是，由于设置在第二焦点的遮光罩消除一部分的反射光而获得的截止 线的投影非常清晰。并且其优点是由于根据遮光罩的形状而决定截止线，所以， 可以很容易的设计任意的配光光形。由于配光镜采用了复合椭球面，能更多而有 效的利用光线，做成小型化而高效率的灯具。 到今天为止，投影模块的发展经历了以下几个方面： 在光学原理上从最初的旋转对称反射面和透镜、m 灯泡、简易遮光屏，发 展到后来的投影模块是用计算机模拟的自由曲面反射镜。当然形状仍然有点象椭 球，灯光利用率仍然比较低；最终发展到今天的自由曲面的超级P E S 模块。它 是通过对自由曲面反射面的计算机优化模拟设计，使反射镜尽可能多地收集来自 光源的光能，利用尽可能减少光损失的遮光屏并使用计算机优化模拟的透镜共同 达到最大限度利用光能并得到最优光分布的设计方式； 在反射镜材料上，从金属冲压材料自由曲面反射镜，发展到塑料材料自由 曲面反射镜，这样根据对灯具的不同要求有了更多的选择。比如需要环保且对光 型本身要求不是非常苛刻的情况下可采用冲压的金属反射镜，当然成本相对也较 低；如果对光型要求非常高那么也选择成本相对较高的耐高温塑料注塑成型。 透镜口径从6 0 m m 左右发展到目前4 0 m m 至9 0 m m 不等的各个系列，这 样给不同空间以及不同的造型要求以更多的选择。当然不同口径的透镜带来的光 分布效果也不同，比如4 0 m m 直径的透镜透光面面gW , q l - 常小，光强非常集- I ，那 么H 有轻微污染就将带来严重的眩F 1 光。 从最初的只用于近光灯( 折角遮光屏) 发展到几前应川到