LED双光透镜技术研究及应用

LED双光透镜技术研究及应用

靳冠洋

曼德电子电器有限公司河北保定071000

摘要：近年来，随着固态照明技术的快速发展，LED光源因其耗能低、光效高、寿命长、环保节能、响应速度快、可靠性高、设计自由度大等远优于传统汽车前照灯光源的特点，被誉为21世纪的绿色照明光源。作为汽车前照灯光源，LED还具有设计自由度大、可以形成鲜明的品牌区分度、可引入智能灯光技术、减少二氧化碳排放以及较高的安全性和免维护性等优势，日益成为汽车前照灯发展的重中之重。

关键词：光学设计；LED汽车前照灯；双光透镜

前言：

汽车前照灯双光系统基于投射式前照灯结构，具有结构紧凑，可自由切换远近光，便于开发自适应前照灯系统等优点，目前被广泛应用于许多车型上。但由于该系统需要通过挡板来实现远近光的切换，造成了大量的光能损失，光效通常只有30％左右，因此有必要对其进行优化设计。此外，由于目前汽车前照灯双光系统中使用的光源多为氙气光源，如果采用更加节能环保的LED作为双光系统的光源，可以很好得将两者的优势结合起来。

1、LED汽车前照灯产业发展趋势

近年来，随着固态照明技术的快速发展，LED光源因其耗能低、光效高、寿命长、环保节能、响应速度快、可靠性高、设计自由度大等远优于传统汽车前照灯光源的特点，被誉为21世纪的绿色照明光源。同时，作为汽车前照灯光源，LED还具有设计自由度大、可以形成鲜明的品牌区分度、可引入智能灯光技术、减少二氧化碳排放以及较高的安全性和免维护性等特点，而这些特点也成为LED汽车前照灯发展的主要驱动力。LED汽车前照灯自诞生以来就受到广泛的重视。

随着白光LED技术的不断进步以及人们对节能环保产品要求的提高，使用LED汽车前照灯的车型不断增加。在2015年3月的汽车灯具产业发展论坛中，来自国内外整车和灯具企业的相关专家均表示，随着技术的发展和成本的降低，LED汽车前照灯在各个级别的汽车上都会越来越普遍。当初在高档豪华汽车上才能看见LED前照灯，现在在家用车上也能看见。在使用方面，LED汽车前照灯的优势已经完全超越了传统的卤素前照灯和氙气前照灯，成本也比氙气前照灯低，LED汽车前照灯已经成为整个汽车前照灯产业发展的重中之重。所示，LED汽车前照灯的市场占有率正在逐年增长，而LED汽车前照灯取代传统汽车前照灯完全是时间上的问题。

2、LED汽车前照灯自由曲面双光系统整体设计

LED汽车前照灯双光系统分为远光部分和近光部分。光源1是单颗LED芯片，光源2是由6颗LED芯片组成的芯片阵列，光源采取垂直放置形式。配光透镜由上下两部分组成，下半部分负责实现近光的配光，上半部分负责与下半部分一起实现远光的配光。当光源1开启时，LED芯片在轴线以下的半空间内发光，光线经过抛物面反射器下半杯的反射获得适宜的发光角度，再通过透镜下半部分的配光最终在配光屏幕上得到标准要求的近光光型。当光源1和光源2同时开启时，LED芯片在整个空间内发光，光线通过两部分透镜的配光最终在配光屏幕上得到标准要求的远光光型。

图1LED汽车前照灯双光系统近光透镜光路图

2、抛物面反射器建模

根据上述的设计方法，将抛物面反射器的发光角度定为68°，光能利用率最大时的焦距和半径分别为4.44mm和17.76mm。通过反射器的配光，光源的发光角度由180°调整为68°。

2.1双光透镜模型设计

2.1.1自由曲面透镜近光部分设计

建立能量映射关系：近光在配光屏幕上形成的光斑为椭圆形，设配光屏幕上形成的椭圆形光斑的长半径为p，短半径为q，则光斑形状符合椭圆方程：x2/p2+y2+q2=1。椭圆的参数方程为公式：x=pcosδ、y=qsinδ。如图1所示，按照标准的要求，将近光配光屏幕根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域进行划分。

2.1.2自由曲面透镜远光部分设计

自由曲面透镜上半部分的作用是配合近光部分透镜一起实现远光的配光。该部分透镜的配光遵循标准对远光的配光要求，因此按照上述远光自由曲面透镜的设计方法进行设计。在MATLAB中得到的母线如图2所示。

图2MATLAB得到的透镜母线（坐标单位：mm）

将母线数据导入Solidworks软件，经过180。旋转可以得到透镜上半部分的模型如图3所示。

图3Solidworks软件中得到的远光部分透镜实体模型

2.2LED汽车前照灯双光系统配光分析

将光源、抛物面反射器、自由曲面透镜在Tracepro整合得到的LED汽车前照灯双光系统模型。设每个LED芯片发光面所发出的光线数量都均为100000条，在距离光源25000mm的配光屏幕上得到的近光和远光的配光，对应的各测试点、区的模拟照度值与国家标准值对比。设计的LED汽车前照灯双光系统在各测试点、区的照度值均在国标规定的范围内，产生近光时，在HV-H1-H2-H4线处产生了明暗截止线。

结语：

利用Tracepro软件，对LED汽车前照灯双光系统进行光线追迹，并对得到的远光和近光的配光进行分析，结果表明，配光屏幕上各测试点和测试区的照度值均符合标准的配光要求。

参考文献：

[1]李本亮，贾明辉，周光明．LED光管照明效果测试研究[J]．照明工程学报，2013，（01）：48-59．

[2]吴衡．大功率LED汽车前照灯自由曲面光学系统[D]．广东：华南理工大学，2012．

[3]王洪，王丽君，叶菲菲．投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计[J]．红外与激光工程，2012，04（29）：2463．2467．