用于集成 LED 汽车前照灯的非对称双自由曲面透镜

用于集成 LED 汽车前照灯的非对称双自由曲面透镜

华南理工大学物理与光电学院, 广州市光电工程研究中心, 广州 510640

华南理工大学中山现代工业技术研究院广东省宽禁带半导体芯片及应用工程研究中心, 中山 528437

应向其发送信件的作者。

摘要

我们提出了一种用于集成 LED 汽车前照灯的非对称双自由曲面透镜的设计方法，并开发了集成 LED 汽车光学系统。单个非对称双自由曲面透镜设计用于重新分配从光源发出的光线，以实现近光和远光。此外，自由曲面反射器用于提高远光灯的能量效率。放置在光路中的棱镜可以抑制目标平面边缘的色散。仿真和实验结果表明，关键点的照度值和色温完全可以满足联合国欧洲经济委员会车辆法规（ECE）R112、48和128的要求。

关键词：

非对称双自由曲面透镜；发光二极管；一体式汽车前照灯；自由曲面光学

一、简介

LED以其节能、能效高、寿命长、小型化等优点逐渐走进我们的生活[ 1 , 2 ]。在过去十年中， LED 凭借其出色的性能越来越多地用作汽车前照灯的光源 [ 3、4、5、6 ]。由于近光灯的要求与远光灯的要求完全不同，传统的前大灯中近光灯和远光灯的光学系统都是分开设计的，主要有投射式和反射式两种。通常，投影型光学系统通过透镜偏转，反射型通过反射器偏转 [ 7]. 有挡板的投影类型容易形成清晰的截止线，但很难提高能效；相反，没有挡板的反射型效率更高，但截止线较暗。此前，Cvetkovic 等人。提出了一种用于汽车近光灯和远光灯的同时多表面 (SMS) 3D 方法，其光学效率超过 75% [ 8、9 ]。多姆哈特等人。设计了一种用于基于 LED 的近光前照灯的组合透镜，但需要较大的空间来安装透镜以实现高能效 [ 10 ]。葛等。使用椭圆形和抛物线形反射器设计具有高能效的近光前照灯 [ 5]. 谢等人。提出了一种 LED 车辆投影仪前照灯的模块化设计，该前照灯在没有挡板的情况下提供了近光灯的截止线 [ 11 ]。楚等。提出了一种带有复合椭圆反射器的近光灯，在现有文献中实现了最高的能效 [ 12 ]。过去，我们的研究小组提出了几种用于前照灯的光学系统。例如，具有单个自由曲面透镜的光学系统[ 13 ]、使用抛物面反射器和微透镜阵列的低色散前照灯系统[ 14 ]、使用组合透镜的LED​​摩托车前照灯[ 15 ]等。 更多可在参考文献中找到近光灯和远光灯的单独设计方法 [ 16, 17 , 18 , 19 , 20 , 21 ]。近年来，紧凑型前照灯设计越来越流行 [ 22 ]。集成式前照灯通过近光灯和远光灯系统之间共享一些光学元件来减小体积，使集成式前照灯的设计符合紧凑型设计的趋势。然而，文献中很少有关于集成式前照灯的研究报道。洪等。设计了一个包含数字微镜装置的集成前照灯 [ 23 ]。吴等。提出了一种基于自由曲面反射器的模块化 LED 前照灯系统 [ 24]. Borocki 等人。推荐了具有近光和远光的单一光学系统，其中近光和远光之间的切换是通过可移动快门实现的 [ 25 ]。M.赖斯等。提出了一种基于投射式近光灯系统的集成式前照灯，其中远光灯源发出的光经挡板下平面反射，经透镜偏转，形成远光灯的照度分布 [ 26 ] . 在以往的研究中，大多数前照灯都是单独设计的，这可能会增加前照灯的复杂性和体积。带有可拆卸百叶窗的现有集成前照灯可能会影响前照灯的可靠性。因此，有必要研究一种结构简单、体积小的前照灯系统。

在本文中，我们提出了一种设计非对称双自由曲面透镜 (ADFSL) 的方法，并开发了一个集成 LED 汽车光学系统。在满足ECE R112、48、128[27、28、29要求的前提下]，这种新型集成式LED前照灯系统可以大大提高光学系统的紧凑度，抑制目标照明区域边缘的色散。只需一个透镜即可实现近光和远光，这意味着这种新型前照灯系统可以节省大量空间。提出了一种自由曲面反射器聚焦光以提高能量效率。此外，在光路中放置棱镜，进一步降低色散，为驾驶员提供舒适安全的照明。与传统的分体式前照灯和一体式前照灯相比，所提出的前照灯只有一个透镜来实现近光和远光，减小了汽车前照灯的体积。此外，使用ADFSL和棱镜的目标平面上的颜色分布更稳定。

2、设计方法

新型一体化前照灯的光学系统如图1所示. 整个系统由一个 ADFSL、一个自由曲面反射器、一个棱镜、一个挡板和两个 LED 组成。近光灯的光学系统包括LED光源、ADFSL的上半部分和挡板。相应地，远光灯的光学系统包括自由曲面反射器、棱镜、ADFSL的下半部分和LED光源。从近光 LED 光源发出的光线被挡板部分阻挡，然后被 ADFSL 重新分配，在目标平面上形成具有清晰截止线的近光。另一方面，来自远光 LED 光源的光线被自由曲面反射器聚焦在一个点上，然后被棱镜偏转。最后剩下的光线会被ADFSL重新分配，形成远光灯的照度分布。

图 1. 集成 LED 汽车前照灯的光学系统。

2.1. 近光模式光学系统

在过去的十年中，已经出台了一系列用于驾驶员安全的法规。近光灯主要用于良好的道路照明，不能对对面司机造成眩光。根据ECE R112规定，测试点和截止线如图2所示。

图 2. 近光灯的测试点和区域。

可以发现，近光灯的光形向两侧都有较宽的水平散布，可以为驾驶者提供较大的视角。而且，近光灯的照明点是“左暗右亮”。测量平面位于前照灯前方25m处，用于测试关键点的照度。每个光学元件都有特定的功能，以确保在测量平面上有合格的近光。具体来说，ADFSL的上半部分用于实现椭圆光斑，挡板阻挡杂散光形成清晰的截止线。在我们的实验室中，没有椭球反射器的激光前照灯近光系统（图3) 进行了设计，并且为了光学系统的紧凑性，近光灯的集成式前照灯也采用了这种结构。

图 3. 没有椭圆体反射器的近光系统。

双自由曲面透镜 (DFSL) 与单自由曲面透镜相比具有许多优点。例如，它可以实现精确的光分布，并通过其内外自由曲面 [ 15 ] 抑制色散。偏转系数C（0≤C≤1）是DFSL中的一个重要因素，用于表示两个自由曲面的角偏转比。值得一提的是θ,φ分别是天顶角和方位角，α是目标平面上的离散点与正 X 轴之间的角度（图 4）。光线穿过内自由曲面后的角度可以表示如下：

 (1)

图 4. 非对称双自由曲面透镜的光偏转示意图。

构建ADFSL需要计算目标平面上一定角度的射线与目标平面离散点之间的映射关系。图5显示了目标照明区域的划分。为了简化计算并生成合格的照度分布，将照明区设置为椭圆并分为I、II、III区。E1、E2、E3分别为I、II、III区对应的照度，长半轴为a，短半轴为b。类似地，半长轴和半短轴均分为三部分，Ai我,bi我分别为分割后的子椭圆的半长轴和半短轴。另一方面，目标照明区域沿方向分为n个部分α， 在哪里α我我是第 i个部分与正X轴之间的角度。

图 5. 近光目标平面的划分。

I0是LED光源的中心强度；I( θ )，光的强度分布在θ方向;θ, 出射光与光轴的夹角；以及两者之间的关系I( θ )和I0可以表示如下：

 (2)

根据能量守恒，我们得到 [ 30 ]

 (3)

通过求解上述积分方程，得到之间的映射关系θi并且可以获取目标平面上的照明区域。

根据能量守恒，方位角之间的关系φj和αj可以表示如下：

 (4)

通过求解上述方程，之间的关系φj和αj获得。

 (5)

目标平面上的点的坐标可以通过等式(5)计算。然后，我们得到从光源发出的光与目标平面上的点之间的映射关系。接下来，通过迭代计算 ADFL 的轮廓。第一和第二自由曲面的初始点分别设置为 L1 和 L2。给定初始点后，根据折射定律的向量形式可以得到初始点的法向量，

图 6. 双自由曲面透镜的上半部分。

选用45度弧形挡板形成清晰的截止线，如图7所示。

图 7. 挡板。

2.2. 远光模式光学系统

汽车前照灯的远光灯主要用于恶劣的道路照明，因为它可以为目标区域提供足够的照明 [ 31 ]。此外，法规要求目标平面中心区域具有最大照度。远光灯的测试区域如图8所示。

图 8. 远光灯的测试点和区域。

传统设计使用椭圆反射器来聚焦从光源发出的光线，而从远光灯源发出的部分光线会因为LED光源的体积而被近光灯源遮挡。它将造成显着的能量损失，如图9a所示。因此，采用图1的结构来提高光效和照度。从远光源发出的光线通过自由曲面反射器聚焦在 Z 轴上的一点，如图9b所示。

图 9. ( a ) 基于椭圆反射器的集成前照灯和 ( b ) 自由曲面反射器草图。

由于反射器的对称性，只设计了一半的自由曲面反射器。给定一个初始点，根据反射定律的向量形式可以得到初始点的法向量，可以表示为

 (7)

In−→Out分别是入射光线和出射光线的单位矢量，并且N→是法向量。自由曲面反射器的初始曲线和轮廓可以通过迭代过程获得。

自由曲面反射器将从光源发出的光线会聚到Z轴上的另一个焦点。因此， Z轴上的焦点可以看作是一个没有体积的光源，它不会阻挡来自近光光源的光线，并且会照亮目标平面。与近光灯设计过程类似，远光灯的光斑设置为椭圆，其半长轴和半短轴均分为m份。因此，Ai,bi我分别是第 i个部分的半长轴和半短轴，0 ≤ i ≤ m。同时，目标平面也沿着α方向，αi我为第i个部分与X轴的夹角，则目标平面分为m× n格子，如图10所示。根据能量守恒，我们可以得到映射关系。

 (8)

其中E 0 ∙k i为照度值，ki为第i部分的照度控制因子。一般来说，离原点越近，k i的值越大。I( θ , φ )是由自由曲面反射器聚焦的光的强度分布。计算出式（8）后，可以得到映射关系，通过法向量迭代计算ADFSL下半部分的轮廓。

图 10. 远光目标平面的划分。

与近光镜头构建方法类似，整个ADFSL可以在建模软件中构建。如图11所示，透镜的直径和厚度分别为64mm和30mm。

 (9)

图 11. 非对称双自由曲面透镜。

虽然DFSL可以减少目标平面上的色散，但由于偏转角较大，边缘处仍然存在严重的色散。为了获得具有稳定颜色分布的光图案，在光学系统中添加棱镜以减小ADFSL的偏转角。图 12显示了棱镜中的光路。棱镜根据折射定律使光线发生偏转，入射光线与出射光线的偏转角为δ 公式 (9) 给出了棱镜 [ 32 ] 偏转角的计算。

图 12. 棱镜中的光路。

3.模拟

经过计算和优化，将集成前照灯的整个系统引入光学仿真软件LightTools[ 33 ]，如 图13所示。整个系统的体积为91×64×64mm 3，比所有单独设计的前照灯系统都要小。原点放置的近光光源为OSRAM公司的KW H4L531.TE，选用6R亮度，光通量1300 lm [ 34 ]。另一方面，放置在自由曲面反射器焦点处的远光光源为KW H4L531.TE，选择7R亮度，1500 lm光通量。近光和远光光源符合 ECE R48 和 ECE R128 规定 [ 28、29 ]。

图 13. 仿真软件中集成前照灯的光学系统。

仿真前，自由曲面反射器设置为反射率为90%的铝合金，透镜材料为PMMA，折射率为1.49。挡板被设置为一个完美的吸收器，可以吸收所有撞击它的光线。可以在软件中读取规定区域内关键点和指定区域的准确照度值。仿真结果显示在下面的图和表中。

图 14和 图 15分别显示了近光灯的照度和颜色分布。图 16显示了远光灯的照度分布。图 17a显示了带有棱镜的远光灯的颜色分布，图 17b显示了没有棱镜的颜色分布。表 1和表 2分别显示了近光和远光目标平面上的模拟照度值。

图 14. 近光灯的照度分布。

图 15. 近光灯的颜色分布。

图 16. 带棱镜的远光灯照度分布。

图 17. ( a ) 带棱镜的远光灯的颜色分布和 ( b ) 不带棱镜的远光灯的颜色分布。

表 1. 近光灯在目标平面上的模拟照度值。

表 2. 远光灯在目标平面上的模拟照度值。

图 14和图 15表明采用单 ADFSL 的集成前照灯系统可以保证近光灯的质量。近光灯照射宽度可达12m，可为驾驶者提供大视角。此外，蓝色边缘的截止线没有出现，这意味着传统投影设计中的蓝色边缘截止线的固有问题可以通过该方法解决。近光灯色温在目标平面上稳定，目标平面颜色接近白色。如表1所示，近光灯仿真值完全满足ECE R112法规要求；图 16表明远光灯的照度分布可以符合ECE R112法规的要求。此外，远光灯的最高值为80.8lux，在道路光线较差的情况下也能提供充足的照明。图 17显示了远光灯的颜色分布。与没有棱镜的颜色分布相比，有棱镜的颜色分布更稳定，这意味着在光路中增加棱镜可以大大抑制边缘的色散。表 2表明远光灯的仿真值满足ECE R112法规的要求。总之，近光灯和远光灯的光形和关键点的仿真值完全符合ECE R112的要求；此外，通过使用新的集成光学系统可以大大抑制色散。

在这里，我们必须对安装错误进行简单的分析。近光源和远光源位置安装误差为±±分别为 0.3 毫米和 0.5 毫米。也就是说，当位置误差大于上述数值时，性能将不再满足ECE R112规定。因此，正确安装光学元件对于实现最佳性能非常重要。

4.实验

为研究实验的照度性能，根据光学仿真软件的结果对光学样品进行加工组装，采用GO-HD5汽车照明测试系统对关键点和指定区域的照度值进行测试。根据ECE R112规定，光源稳定后开始测试。近光点亮点和50V点色温测试如图18所示，远光灯点亮点和HV点色温测试如图19所示。近光和远光测量屏的测试照度值分别如表3和表4所示。

图 18. ( a ) 照明光斑和 ( b ) 近光灯 50 V 点颜色测试结果。

图 19. ( a ) 照明点和 ( b ) 远光灯 HV 点颜色测试结果。

表 3 近光灯在目标平面上的测试照度值。

表 4. 远光灯在目标平面上的测试照度值。

从图18a可以看出，上方有一条直线截止线，没有杂散光，测量屏上色温稳定。截止线附近出现轻微的色散，这与模拟结果不同。此外，它仍然符合 ECE 法规。与传统的近光灯相比，截止线附近的色散要小得多。由于防护罩位置和机械物体的吸收存在轻微误差，照度测试结果与模拟略有不同。但所有要求点的照度值均能符合规定。根据ECE规定，50V点的颜色测试结果必须在白光范围内。50V点测色结果为5160K，如图图18b，比较合格。近光灯点平滑过渡，为驾驶员提供视觉舒适感。

从图19a和表4可以推断，照明光斑呈近椭圆形，中心区域最亮，符合ECE规定。远光灯颜色接近白色，说明加棱镜可以减少目标区域边缘的色散，稳定色温。与近光测试结果相似，远光测试结果见表4低于仿真结果。远光灯的最大照度为70.36 lux，低于模拟结果，但仍远高于法规要求，能够为地面提供充足的照度。同样，HV 点的颜色测试结果必须在白光范围内。HV点颜色测试结果为5560K，如图19b所示，符合规定。

5. 讨论

根据仿真和实验结果可以发现，所需点的照度值和色温分布均合格。新型集成式前照灯系统与传统前照灯系统的对比如表5所示。

表 5. 新型集成前照灯与传统前照灯的比较。

新型一体式LED头灯体积为91×64×64mm 3，比传统的头灯小得多。ADFSL 的直径为 64 毫米，与传统的近光透镜一样大，这意味着可以节省安装远光系统及其冷却系统的空间。与不带棱镜的远光灯相比，采用ADFSL和棱镜的新型前大灯由于棱镜的光线偏转，颜色分布更加均匀。近光灯和远光灯都合格。由于新型集成式前照灯只有一个光学系统，因此其成本低于具有两个光学系统的传统前照灯。通过使用非对称双自由曲面透镜，新型集成式前照灯的截止线比使用单个自由曲面或非球面透镜的传统前照灯具有更小的色散，为迎面而来的驾驶员提供舒适的照明。

6。结论

我们提出了一种设计非对称双自由曲面透镜和集成 LED 前照灯光学系统的方法。详细介绍了光学元件的构建算法。仿真和实验结果表明，所选光源可以获得良好的光图案，关键点和指定区域的值完全符合ECE R112、48和128的标准。而且，目标平面上的颜色均匀性由自由曲面透镜和棱镜改进。整个光学系统的体积比传统前大灯更小，节省了空间来安全安装其他电子设备，例如距离传感器，帮助驾驶员更好地控制车距。而且，

作者贡献

此处介绍的工作是所有作者合作完成的。概念化和方法论、HZ、DL 和 HW；验证和分析，写作，HZ 和 YW；监督，HW 所有作者均已阅读并同意手稿的出版版本。

资金

本工作得到广东省科技计划项目（Nos.2017B010112003、2020B010171001）、广州市科技计划项目（Nos.201604046021、201905010001）和中山市科技发展专项资金项目（Nos. .2019AG014,2019AG042,2020AG023).

数据可用性声明

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