原创《自由曲面的远光透镜》
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陈国锋
（广州广日电气设备有限公司,广东 广州 511447）
摘 要：随着LED的发展,车灯行业已经逐步从传统的卤素灯过渡至LED车灯.文章利用自由曲面设计的远光透镜可以使光形满足不同法规的照明要求,相对于传统远光灯,能提高照明亮度,使视野更清晰,保证路面行车安全.
关键词：车灯行业；LED；自由曲面；远光透镜；照明要求 文献标识码：A
中图分类号：TN312 文章编号：1009-2374（2016）17-0068-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.032
近年来,LED芯片以及封装生产工艺发展迅速,LED的各项性能都有着显著的提高,被大量应用在各个领域,特别是在汽车照明的应用上,因为其体积小的特点,使得车灯的设计多样化.
当今汽车前照灯的配光方案有多种,如传统的反射式方案、投射式方案、自由曲面反射方案等,而纵观当今的汽车市场,大部分的高端汽车已采用LED近光灯作为照明,而远光一般还是采用传统灯泡和反射杯的组合方式,这限制了汽车前照灯的体积的小巧化.
本文中的设计将采用LED和透镜组合的方式作为远光灯,整灯体积只有30*30*15,光形能同时满足欧规的ECE R112和美规的FMVSS 108的法规标准,透镜利用自由曲面设计,对LED发出的光能实行分区域控制,达到光斑均匀的效果,满足法规的要求.
1 欧规和美规的远光标准
两者测试点及要求光强值如表1所示.
由表1可以看到,欧规的远光灯照射角度较窄,水平方向只要求边界&plun;5°达到一定的亮度,对应于欧洲的比较窄小道路,而美规的角度有&plun;12°左右,能提供更宽阔的视野,使行车更加安全.它们要求的中心亮度差不多,都是40000cd以上.表1中美规的光强要求值是按照最高的要求类型,所以可先按照满足美规的要求来设计,然后加强H-2.5L&2.5R附近区域,这样就能同时满足欧规要求.
2 LED光源选择
远光灯要求亮度较高,故选取osram black flat三芯片的LED：KW H3L531.TE,该灯珠为车灯专用LED,散热性能、稳定性均比一般LED要高.当LED使用电流为1A时,光通量能达到1000lm,能满足远光的照明需要.芯片发光面积小,光源发光角度约120°,适用于光学设计.LED光源色温选择5700K左右,与日光接近.
3 透镜设计
确定LED发光面到透镜内表面的距离,选择透镜直径36mm,对应不同的距离,LED能量利用率和中心光强会有不同,LED距离透镜越远,利用率呈下降趋势,中心光强呈增加趋势,故需要选择一合适的距离.由于LED发光角度为120°,95%的能量都集中在这个角度内,故可选择灯珠距离透镜底面10mm,这样LED在立体角120°内的能量都能利用.
透镜外表面采用自由曲面设计,分成8个区域,每一个区域照射到25m平面上的光斑均不相同,叠加后形成远光光斑,由于光斑是左右对称,故只需要设计4个区域的曲面即可.
需要建立光源与目标平面之间的能量的对应关系.根据边缘光线理论,从光源边缘发出的光线经过光学系统后,将照射到目标平面的边缘位置,而两边缘光线之间的光线则都照射到目标平面上.所以,可以将光源单元内的光能量Φ0对应照射在目标平面面积单元S0内.而远光的光形一般是长条形,可以将目标平面进行方形的划分,如图1所示.这样只要确保了Φ0的四条边角光线通过自由曲面透镜折射后,能够分别照射到S0的四个顶点上,那么LED总能量Φ就能对应地分布在目标平面内.
由于入射的边界光线位置分布和方向已知,对应出射到目标平面的光线位置和方向也知道,入射面为平面,根据折射定律可以求得出射点的位置,由多条光线的出射点可得出透镜的出射面曲面.当LED能量区域的划分趋于无限大时,出射点就足够多,从而构成透镜的出射曲面就越精确.
透镜的4个曲面区域控制光线,用透镜边缘区域的曲面控制光线出射到目标平面上形成长条形光斑,宽度为左右15°.经过透镜中心区域光线集中出射到目标平面中心,加强中心部分照明.透镜分区如图2.通过光学模拟软件模拟可得出如图3的光斑.模拟时设置透镜材料为PC,透过率0.9,LED光通量1000lm,目标平面距离发光面25m.中心强度达到40000cd以上.
模拟结果：中心光强45000cd左右,水平左右3°有32000～33000cd,水平左右6°有7700～8000cd,水平左右9°有3800～4000cd,水平左右12°有1100cd,能同时满足欧规和美规标准.
4 样品对比验证
把透镜3D模型发给供应商开模,组装灯板和透镜后进行测试.透镜材料为光学级PC,LED光通量调节至1000lm.光斑如图3,光形和模拟的十分接近.
测试数据如下：中心光强45459cd,水平左右3°分别是31516cd和31176cd,水平左右6°分别是8777cd和8501cd,水平左右9°分别是4668cd和4529cd,水平左右12°分别是1735cd和1786cd.
与模拟的结果比较,可以看出中心区域差异不大,H-V点都是45000cd左右.边缘的光强实际测试会比模拟的大一些（因为实际上组装焦点位置会有偏差,光线会发散,导致边缘测试值变高）,但是不会影响法规值.
从实际测试结果和模拟结果,可以看到采用自由曲面设计的透镜能够有效控制区域的光能分布,使光的能量分布达到预期的效果,而且实际和设计相差不大,故采用软件设计和模拟能够对实际开模提供指导和预判
作用.
参考文献
[1]郑志军．汽车前照灯近光灯系统的比较[J]．照明工程学报,2006,17（2）．
[2]王凯．大功率LED封装与应用的自由曲面光学研究[D]．华中科技大学,2011．
作者简介：陈国锋（1986-）,男,广东广州人,供职于广州广日电气设备有限公司,研究方向：车灯光学.
（责任编辑：王波）
探讨论文参考资料：
归纳上述，本文是一篇关于远光透镜探讨和自由曲面和透镜方面的探讨论文题目、论文提纲、探讨论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
