投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计.docx

第41卷第9期 红外与激光工程2012年9月V014l NO9 Infrared and Laser EngineeringSep2012投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计王洪1,2，王丽君。，叶菲菲1，黄华茂1，罗婉霞。 (1华南理工大学理学院广东高校半导体照明工程研究中心，广东广州510640；2School of Materials Science&Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta 30332 USA；3广州广日电气设备有限公司，广东广州511447)摘要：根据LED光源的发光特性，设计了一种由椭球反射器、挡板和自由曲面透镜所组成的投射 式LED近光灯系统。基于非成像光学理论，建立了LED光源经椭球反射器后的出射光线角度与照明 平面上坐标的对应关系，结合折反射定律计算透镜自由曲面上的点坐标，通过建模软件将坐标点拟合 成曲面实体而得到自由曲面透镜模型。采用蒙特卡洛光线追迹法进行仿真，结果表明：其配光结果完全满 足GB45992007标准，而且体积小，视野广阔，边缘区域光能也较高，光线利用率达到9592。 关键词：LED近光灯；投射式系统； 自由曲面透镜中图分类号：043419文献标志码：A 文章编号：10072276(2012)09246305Design of LED headlight low-beam freeform lens basedon proj ector systemWang Hon919，Wang Lijunl，Ye Feifeil，Huang Huama01，Luo Wanxia3(1Guangdong Engineering Regearch Center for Solid State Lighting，School of Science，South China University of Technology， Guangzhou 510640，China；2School of Materials Science and Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta 30332 USA；3Guangzhou Guangri Electrical Equipment Company Limited，Guangzhou 511447，China)Abstract：According to the features of LED light source，a projector lowbeam system，which consisted of the ellipsoidal reflector，baffle and freeform lens，was presentedBased on nonimaging optics theory， the correspondence between the angle of the light reflected by the ellipsoidal reflector and the coordinates of point in the target plane was establishedThe freeform lens point coordinates calculated according to the correspondence of reflection and refraction laws was fitted to surface entity by mechanical modeling software，and was impoged into optical software to be simulated by Monte Carlo ray tracing methodTheresults show that light distribution of lens fully satisfied GB4599-2007 standards，and the system has asmall size，broad vision，high light of edge regions，and the efficiency of incident rays is 9592 Key words：LED lowbeam；projector system；freeform lens收稿日期：20120112；修订日期：2012一02一19基金项目：广州市重大科技专项计划(2010Ul-D00221，2011Y500006)；广东省战略性新型产业发展专项资金LED产业项目 (2010A08t002009，201IA081301004)；华南理工大学中央高校基本科研业务费(2011ZZ0017)作者简介：王洪(1964一)，男，教授，博士，主要从事光学系统设计、光通信网络与器件方面的研究。Email：phhwangscuteducn万方数据2464红外与激光工程 第4l豢0引言 1投射式系统前照灯是汽车在夜问行驶时照明前方道路的投射式系统一般由椭球反射器、挡板、透镜组 灯具，是保障汽车安全运行的重要部件之一。传统 成，其原理如图l所示。对该系统的光学设计应从下 的前照灯光源有白炽灯、卤素灯及高强度气体放电 面3个方面人手。 灯(HID)，白炽灯和卤素灯使用寿命短，HID虽然使用寿命较长，但能耗极大。因此，开发新型耐用的光源对提高前照灯性能及促进行车安全有积极作用。而随刃譬沁着大功率LED光通量和光效的提高，LED以其寿命1 过jLE。刀长、体积小、节能环保、响应时间短、设计自由度大等优点，将取代其他光源成为第四代汽车灯光源1。 汽车灯具的配光设计是影响汽车照明质量和图1投射式系统原理图Hg1 Principle of projector sys把m效果的关键因素。由于LED光场分布近似朗伯型，使LED应用于前照灯时面临着复杂的光学设计问 11椭球面反射器 题【3l。LED汽车前灯主要有两种设计方式：反射式和 该反射器的母线是椭圆，椭圆方程为：2222投射式H1。反射式前照灯按反射器的形状可以分为Za+y仿=1(1)抛物面型和自由曲面型。抛物面型前照灯因其存在222a-b mC(2)遮光罩和配光镜，光能损失比较大；自由曲面型前照一口Zc，Y0(3)灯虽然能量利用率高，但难以形成明暗清晰的截止 式中：a和b为椭圆的长、短半轴；c为焦点到坐标原 线，且其曲面设计复杂，对模具精度和加工工艺要求 点的距离，将该椭圆曲线沿母线旋转180。即可。椭球极高，使自由曲面反射器的优势不能充分发挥出来；有两个焦点，将LED光源以与光轴垂直的方式放置投射式前照灯不仅能够很容易产生清晰的明暗截止 在椭球的第一焦点处，光源发出的光线经过反射后 线，设计流程简单，加工制造方便，而且对眩光有很在第二焦点处会聚。由于LED光源近似朗伯体发 好的控制。但是早期的LED投射式系统都是采用多 光，因而椭球反射器只需取上半部分并且将其截至 个LED光源，每个LED光源都有独立的光学系统， 在第二焦点处。椭球反射器如图2所示。 这种光学系统占用体积大，不利于散热，能量损失严重，而且配光透镜一般采用消球差的非球面透镜，无 法将光线均匀发散，使边缘区域光能分配较少晦】。基于LED光源特点，设计了一种投射式LED前 照灯近光系统，该系统由椭球反射器、挡板、自由曲 面透镜所组成。在设计自由曲面透镜时，根据非成 像光学理论，建立了LED光源经椭球反射器后的图2椭球反射器Fig2 Empsoidal把flector出射光线角度与照明平面上坐标的对应关系，结合折反射定律计算透镜自由曲面上的点坐标，通过建 12挡板 模软件将坐标点拟合成曲面实体从而得到自由曲根据国际标准要求，在25 m的配光屏幕上，近 面透镜。采用蒙特卡洛光线追迹法进行仿真，仿真光应产生明显的明暗截止线，其水平部分位于V-V 结果表明：其配光结果完全满足GB45992007标 线左侧，右侧为与水平线成150的斜线，或向上成 准，而且其体积小，视野广阔，边缘区域光能也较450斜线至水平线垂直距25cm转向水平的折线。为 高，光线利用率达到9592。 了形成清晰的明暗截止线，应将挡板放置在椭球反万方数据第9期 王洪等：投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计2465射器的第二焦点处，并且可以根据实际情况左右移 13自由曲面透镜 动少许位置以确保截止线足够清晰。设计该挡板左非成像光学能够对能量进行重新分配及组合，侧为水平的直线，右侧为一条向下150的斜线。其具按需分配光能以及精确设计具有各种给定光分布的体模型如图3所示。 照明光学系统们。文中基于非成像光学理论结合折 反射定律及近光的配光标准来设计自由曲面透镜。131近光配光标准 前照灯近光应该具有足够的照明，不产生眩目，产生清晰的明暗截止线，其配光性能应在距离前照图3挡板 灯基准中心前25m的垂直平面配光屏幕上测量，各Fig3 Baffle 测试点、区的位置如图4所示。 猫3 9603 9602 2502 250一l 500 7S(1入5f10蕊蕊腻S弋沁。心测惑忒犍i誓娆弋、1 5。沁义沁义心进二J，一 e【多；予缠殇舅戮黝H：篙-75L 75R，一 =，一、MiddleIinc ofroad图4汽车近光灯配光标准Fig4 Photometric standards of automobile lowbeam132划分区域 区域，这样就可以形成特定的光线分布情况，如图5 根据汽车近光灯配光标准，汽车近光灯的光型 所示(D点为椭球第二焦点)。可以分为4个区域(I区、区、区、区)，每个区133自由曲面透镜设计域都有相应的照度要求值，区为眩光区，其最大照 经过区域划分之后。根据能量守恒定律可以建 度不能超过07Ix，因而在设计自由曲面透镜时可以立经过椭球反射器后的能量与照射到配光屏幕的能 将从椭球第二焦点发出的光线按照角度分为3个部 量的关系等式。 分分别投射到配光屏幕上的除区域外的其他3个设给定光分布为Po，光源的中心光强为L，考虑角度为Ol的光人射到配光屏幕的位置为rl，与轴线夹角 小于0l的光入射的位置坐标也小于r，将第一部分光 线肌晚等分成f份，对应每一个研在半径rl上也分成 了f份，这样就得到了数组研(f)和n(O，那么第一区域出 射光和屏幕上的2照度的能量守恒表达式为：，9Ii r 7-(j)OJ O Pordr(4)图5光线分布图FigS Light distribution 角度为晚一倪之间的光线入射到配光屏幕的位万方数据红外与激光工程第4l卷的能量守恒表达式为：式中：九为自由曲面的介质折射率；石为入射光线单f 9I(，) ，nU)2竹J10cosOsinedO=2Ir JP。rdr(5)位向量；D“7为出射光线单位向量；为自由曲面在光线入射点的单位法向量。 同理，可得第三区域能量守恒表达式为：在计算第二面面型时，首先确定一个计算的初f(I)，l(女)2霄IIocosOsinOdO=2，rrPordr (6)始点，设光线经过第一面折射后入射到自由曲面上口J通过上述3个表达式，可以分别得到各区域半的点8坐标为(工，y)，光线经过透镜折射后投射到屏 径与出射光角度之间的关系式如下：幕上的点c坐标为(厂，哪，其中H=25m，根据能量守恒定律由公式(7)一(9)决定。于是，入射光线A万与出州f)=、每域n2叭f)(7)射光线口才的单位向量均可求得，再利用折射定律(公式(11)即可得到B点的法向向量，从而确定该点蚴=苦(sin2啪)-SiIl2+(8)的切平面，该切平面与下一点的经过第一面折射后入射到自由曲面上的光线相交从而确定自由曲面的小)=每(sirl2 0s(k)-sin2 02)+(9)下一点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在每一部分设计过程如下。 的直线相交得到下一点，通过计算机迭代即可得到 根据椭球反射器的特性，光源位置在反射器第各点的坐标。从而确定了自由曲面上的每个点的坐一焦点时，光线将从反射器的第二焦点处射出，因而标710 可将第二焦点出射的光线看作是一点光源出射。以椭球反射器的第二焦点为原点建立坐标系如图5所2构建模型及仿真 示，设置透镜的后截距卢10mm，自由曲面透镜有两将用MATLAB编程得到的自由曲面透镜的点个面，第一面为一柱面，第二面为自由曲面。在第一坐标导人刭机械建模软件中，拟合得到了自由曲面透镜的实体模型如图7所示；将这些元件导入光学仿真软件中，进行光线追迹得到在25m配光屏幕上硫|。胃，吠_fi乇y 1Il；?、I：reefotto0图5自由曲面透镜设计示意图Fig6 Sketch map for feeform lens design面应用折射定律： 图7目由曲面透俄模型sin0sin0=nn (10) Fig7 Model of frccform lens7光线从空气入射到自由曲面介质中，空气的折的近光照度分布图见图8。表l为25m测试屏上近 射率为，I=1，而自由曲面透镜使用材料PMMA制光的照度值。成，折射率n=1493 5。A点坐标值可求得为(厂tanO，在光学仿真软件中设置光源光通量值为400 hn，D，且折射光线A8的斜率值为cot0，利用点斜式即光线条数为200000条。由表1可看出：该近光灯光可得到AB的直线方程。型的各重要测试点及区域照度值完全满足国家标准光线在经过自由曲面透镜第二面时发生折射， 的要求；由图8可看到：光源发出的光线经过椭球反折射定律的矢量形式可表示为【w】：射器后入射到自由曲面透镜的光线为85 195条，经24一12-一【l+n一2n(Oui崩) =D“，一n啊(11) 过自由曲面透镜折射之后到达配光屏幕上的光线为万方数据第9期王洪等：投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计2467 O序列光线追迹光学软件的仿真验证，该投射式系统 在配光屏幕上能够形成近光灯所需要的光型，并且 O其各重要测试点及区域照度值均能达到国家标准的 O要求，而且体积小，视野广阔，边缘区域光能也较高， 0光线利用率达到9592。如0如O参考文献：【I】GaciI D，Calleja A J，Garcia J，et a1Suitable switchingconv阳topologies for automotive signal lamps andFig8 Diagram of lowbeam isoluxheadlamps using power LED【CIIEEE AS 7(08)，2008：表1近光照度限值I单位：Ix)l一7Tab1 Low-beam illumimmce value(unit：Ix)2】Chen Fei，Wang Kai，Qin Zong，et a1Design method of址gh-efficient LED headlamps lens【J】Opt庙呸孵豁，2010，】8：20926-20938Donahoe D NThermal aspects of LED automotive heacUights【CImEE VPPC09：2009：1193-1199Wang Xiao，Liu Huixia。Yi Yong，et a1Computer simulation design and illuminating simulation of automobile beeform headlamp reflector【J】Journal of System Simulation，200618(2)：496-499(in Chinese) 王霄。刘会霞，易勇，等汽车自由曲面前照灯反射器仿 真设计及照明模拟J】系统仿真学报，20