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郭志刚
[摘 要]随着LED光源技术及应用的发展，其在汽车照明市场中所占的份额也逐年增大。本文提出了一种以单模组 LED 光源的一体式汽车前照灯系统的光学设计方法。
[关键词]单模组；LED；一体式； 汽车前照灯
中图分类号：U85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0029-01
Design of integrated automobile headlamp with single mode LED light source
GuoZhigang
（R&DCenterofGreatMotorCompany，AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHeBei，baoding071000）
[Abstract]With the development of LED lighting technology and application， its share of automobile lighting market is increasing year by year. This paper presents an optical design method of a one-piece car headlamp system with single mode LED light source.
[Key words]single module； The LED； One-piece； Car headlights
引言
LED光源具有寿命长、高效节能、体积小、环保等优点，目前已经在刹车灯、转向灯、倒车灯、尾灯以及仪表用灯等方面广泛应用，即将成为车灯光源市场的主流。随着LED在汽车照明系统中的应用不断扩展，越来越多的难题被攻克。但是LED应用于汽车前照灯仍然具有挑战性，即LED不同于传统汽车光源的光学特性，使LED应用于前照灯时要面临复杂的光学设计。
一、一体式前照灯设计
文中所研究的单模组LED光源的一体式汽車前照灯利用单模组LED光源、共反射器结构实现远近光两种照明需求，根据GB25991-2010中对LED汽车近光灯与远光灯的相关要求，要将远光与近光集成在同一模组内，需要解决远光中心照度、近光截止线与展宽这三个问题。
一体式汽车前照灯系统的整体结构，该前照灯系统由反射器组、可翻转挡板以及透镜三个部分组成，其中反射器组由准直系统以及聚光反射器两部分组成
二、透镜与挡板
可翻转挡板的作用是形成近光所需的清晰截止线，当挡板位于图中实线位置时，前照灯工作在近光模式，当挡板翻转位于图中虚线位置时，前照灯工作在远光模式。
一束平行光经过透镜汇聚于透镜焦点后发散，形成较大的展宽。设透镜焦距为f，透镜到测试屏距离为L，平行光束宽度为d，透镜厚度为D，透镜材料折射率为n，展宽为l，经过透镜汇聚后的发散角为α。则根据它们的几何关系可得透镜焦距f的计算公式为：f+f（n-1）-r2-（d/2）2 =d（1）
L-f根据前级结构可以确定平行光束宽度d，再根据其他已知条件可以获得所需透镜的焦距f。观察f的计算公式可以发现，当展宽l越小时，焦距越大。
由于近光截止线的存在，当透镜焦距越大时，整个结构的长度也将越长。因此，为了使得整体结构足够小，采用这种方式来获得较大的水平展宽。考虑到垂直展宽很小，可采用位于透镜焦点附近的一束光线经过透镜后会形成一束近似平行的光线。综上，由反射器组出射的光线组合抛物面反射器的设计本设计所采取的方案没有配光透镜，也不需要复杂的曲面划分，只需通过对抛物面或者光源的偏移与旋转就可以获得不同的配光效果，由各个光学系统相互叠加达到最后的标准照度。值得一提的是，所有LED光源发出的光线只需反射一次，极大地提高了发光系统的效率。
三、基本抛物面的选取
设抛物线方程为y2=4fz旋转抛物面方程为y2+x2=4fz式中：f为焦距。取f=12mm，出光孔直径D=52.8mm，光源属性采用前面所述的LXML-PWN1-0070的光强分布。
由于LED为芯片发光，光线主要集中在正面。通过仿真分析可以观察到，在相同尺寸的抛物面情况下，发光面放置方向与光线出射方向垂直时，测试屏上的光线收集率和总光通量比水平放置时要高得多，因此本设计采用发光面与光线出射方向垂直的放置方式。
四、反射器三维模型的建立
反射器建模采用CATIAV5软件完成。该软件拥有独特曲面造型技术，极大地提高了开发的效率，广泛应用于复杂的曲面造型设计中。本文采用CATIAV5软件中创成式外形完成反射器曲面的设计，近光采用8个反射器，远光采用10个反射器，每个反射器都是标准的抛物曲面。设计的关键在于控制各个反射器及其各自LED的偏移尺寸和旋转角度，使每个LED发出的光线经各自的反射器反射后照射到配光屏上特定的区域根据配光标准，近光要产生清晰的明暗截止线右下角粗线所示，即左侧为水平h-h线，右侧为h-h线上15°角斜线，
五、仿真结果与分析
近光反射器组合在25m配光屏上的照度图，仿真过程由Tracepro光学软件实现。近光光线设置为12500×8=100000条，光通量为130×8=1040lm。从配光图可以看出，到达接收屏的光线为97075条，总的流明数为1009.5lm，光线利用率和有效光通量极高，都能够达到97%以上，水平截止线和15°明暗截止线也清晰可见。
远光的光通量要求比近光的要高，但是标准只是针对特定的几点而言，所以设计起来并没有近光的复杂，在这里并不用考虑反射器的旋转问题，只需移动光源的位置即可。远光反射器组合在25m配光屏上的照度图。同样，远光光线设置为10000×10=100000条，光通量为130×10=1300lm。从配光图可以看出，到达接收屏的光线为97168条，总的光通量为1262.6lm，光线利用率和有效光通量同样都能够达到97%以上。
结论
本设计是在已知光源发光分布的条件下，通过多个抛物面反射器和LED光源来控制光线的走向，从而在配光屏上取得标准的照度分布。本设计极大程度上降低了成本，设计流程简单，周期短，符合目前LED前照灯的设计趋势。本文对LED汽车前照灯远近配光进行了初步的设计与仿真，仿真结果完全符合GB4599-2007标准要求。关于实物与仿真结果之间的误差，还有待日后通过进一步的实验加以验证。
参考文献
[1] 王俊伟，葛爱明，蔡金林，陈镜羽，朱凌.单模组LED光源的一体式汽车前照灯设计[J].红外与激光工程，2015，09：2710-2715.
[2] 陈益民，聂蓉，黄杰.汽车前照灯用LED光源的光学设计[J].应用光学，2010，03：390-394.
