张志超

摘  要：随着汽车行驶速度的提高，必须提升汽车的照明条件，汽车灯生产厂将高科技应用于车灯的设计制造，缩短开发周期，降低生产成本。随着汽车工业的飞速发展，汽车照明设计受到了人们的关注。该文介绍了汽车照明灯系统光学设计原理及方法，通过实例论证了利用软件进行设计的效果。

关键词：汽车前照灯  光学设计  系统  原理

中图分类号：O439                                   文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0085-02

随着汽车行驶速度的提高，必须提升汽车的照明条件，汽车灯生产厂将高科技应用于车灯的设计制造，缩短开发周期，降低生产成本。目前我国轿车车灯以仿制为主，1988年底投产的某汽车公司轿车车灯由国外设计提供模具，国外对汽车车灯计算机设计已有多年研究，目前世界上仅少数车灯制造大厂有设计软件，国内车灯制造行业尚无完善的自主设计手段。

1  汽车前照灯的研究

1.1 前照灯的光源

随着时代的快发展，汽车前照灯光源不断更新，光源的效率与寿命不断提升。早期汽车前照灯用煤油作光源，不能满足路面照明要求。乙炔灯通过点燃乙炔气体实现照明，乙炔灯亮度较煤油灯高，但经济性差[1]。白炽灯以其亮度高的优点速度应用到照明的各领域，白炽灯是由电流通过钨丝产生热量，灯泡达到白炽状态发出亮光。产生热量同时燃烧了钨丝，其寿命较短。

卤钨灯是填充气体内含部分卤族元素的充气白炽灯，延长了卤钨灯的寿命，氙气灯发光原理为镇流器将电极两端电压瞬间提升到2万V，击穿氙气产生亮度极大的光芒，氙气灯耗材及寿命超越白炽灯，LED灯具有寿命长，启动快等系列优点，飞利浦，日亚等公司都加大LED技术的研发力度，LED被人们逐渐应用到汽车照明领域。现在已有汽车公司将LED应用于汽车前照灯上，LED仍存在单颗光能量不足的难题，LED的配光，眩光与可见度特性都超过鹵钨灯，LED色度不能满足现有汽车前照灯的标准，LED可提供足够的可见度。LED会比HID产生更多的不舒适的眩光。

1.2 汽车前照灯的分类

汽车前照灯可分为投射式与反射式。反射式前照灯可分为抛物型与自由曲面型，抛物型不符合车身的流线设计，自由曲面型可很好的克服其问题。投射式前照灯由光源，遮光板，反射器与光学透镜组成，光学透镜采用非球面透镜，光源放在椭圆的第一焦点，透镜的焦点与椭圆的第二焦点重合。投射式前照灯截止线由遮光板决定，遮光板遮住一些光线，使得投射式前照灯光利用率有所下降。

自由曲面前照灯由光源，反射器与配光镜组成，其最大特点是配光任务由自由曲面反射器完成。配广汽仅作为前照灯的外部密封。现代汽车设计可节省油耗量，车灯的设计空间逐渐减小，自由曲面前照灯配光镜无需承担配光任务，更符合车型的设计。曲面前照灯无遮光罩，为道路提供了更安全的照明。其缺点是难以形成清晰的明暗截止面。

1.3 前照灯设计

用LED作为光源的前照灯是目前设计的热点，必须采用多颗LED光源方可达到配光要求，下图为小功率LED前照灯，可同时实现远近光，远光灯时开启15个0.5W的LED，近光时开启14个0.5W的LED，前照灯的仿真结果满足了国家标准。具有光能利用率高等优点（见图1）。

2  系统的数学模型

带配光镜的车灯系统由光源，反射镜与配光镜组成，汽车近光灯的配光主要有ECE与SAE两种标准，国内主要采用ECE标准，带配光镜的前照灯系统光源多采用H4的双灯丝灯泡，国内前照灯反射镜面型多为抛物面[2]。

灯丝位置的几何形状可建立其数学面型，如将长螺旋状灯丝视为柱状光源，每个小单元做点光源处理，m=INT（L/2R），划分后每个小单元长度与直径近似，取其中心点为发光点，第n块小单元的中心坐标为Xon=L×n/m-L/2m-L/2，误差可控在允许接受范围内，其第n块小单元的中心坐标为：

Xon=（L×n/m-L/2m-L/2）×cosθ，Zwm=（L×n/m-L/2m-L/2）×sinθ，其原点在远光灯丝中心。

P1是远光灯丝的中心到安装面的距离。P2是到涂覆层的距离，d1是灯泡直径。在近光灯丝下有从斜侧方切a1角的配光屏，可形成水平与向上斜15°的阴暗截止线，角度分布在180°+a1至360°范围内的光线被遮住。当π+a1

反射镜通常采用单一曲面反射镜，目前国内车灯反射面大多为单一曲面。图3光源发出空间光线方程为：X=X0+axt，Y=Y0+βxt，Z=Z0+γxt，t为原点到光线与抛物面焦点距离，以顶点为原点抛物面的方程为：y2+z2=4fx， cosio=ααN+ββN+γγN，求得其反射面交点及法矢量（见图3）。

配光镜的设计直接影响光斑的形状，为使经反射器光线扩散，配光镜花纹为光学元件，经适当的分区达到符合ECE标注的配光效果。用于配光镜设计的透镜种类有6种，都满足一定光线偏转要求。

圆柱面透镜为垂直放置，楔形块的作用是使光线偏移，楔形块具有两个方向的倾斜角度使光线偏移，水平方向不等厚的圆柱面透镜，为圆柱面透镜与楔形块叠加。

有3种透镜由圆柱面透镜与楔形透镜两种基本类型组成，只需计算两种光学元件的参数，即可确定配光镜花纹的初始结构。圆柱面透镜需计算柱面半径R，根据要求扩散角度δ0通过近似光路计算公司计算初始R与a，计算出角度δ，用迭代的方法逐步逼近要求的值。

各区的透镜类型基本符合6种类型。通过观察屏幕上的点列图分布，可知都经对平行光的实际偏转与要求差值很小。确定用迭代法逼近求出初始结构参数误差可满足实际计算需求。可根据光线空间计算方法，得到特定小单元后的折射光线。

3  设计计算实例

利用软件设计桑塔纳前照灯近光照明，桑塔纳前照灯近光照明灯泡功率为50W，反射镜顶点到远光灯丝中心距离为23mm，配光镜顶点在y轴偏转角为11.8°，测试屏与车灯系统距离为25m。

运用软件计算前，将灯泡的参数输入程序，可通过数据库直调入部件参数，程序建立包括常用部件的车灯系统简单数据库。根据光源模拟结果产生3万条随机光线，得出每条光线的空间方程，求出其折射光线，其与测试屏相交。屏幕网格间距为5°。

绘制完点列图后，进行测试屏的能量计算，此例中指定等值线为18lx，16lx，14lx……共9段，将屏幕上各点照度值转换为对应的颜色灰度。计算得到最大照度为19·168lx，计算误差为3.2%。

4  结语

LED汽车前照灯与AFS是未来车灯的发展趋势，目前我国车灯技术水平与国外相比仍存在一定差距。自主创新能力有待提升。我国车灯检测技术需不断改进。该文设计软件实现了设计与校验功能，有望为汽车灯具行业车灯设计提供有效帮助。

参考文献

[1] 朱维涛.汽车前照灯系统光学设计方法研究[J].仪器仪表学报，2005（9）：971-975.

[2] 贺姝慜. LED汽车前照灯的光学设计[D].深圳大学，2016.