0 引言

　　汽車前照燈系統(tǒng)主要用于夜晚或惡劣環(huán)境下的道路照明， 對汽車的行駛安全至關(guān)重要。夜間行車時，前照燈不僅要照亮前方道路，為駕駛員提供一個明亮開闊的視野， 還要避免給迎面來車的駕駛員造成眩光。因此，種性能良好的前照燈系統(tǒng)對減少夜間交通事故的發(fā)生和促進(jìn)行車安全具有十分積極的作用。

　　與傳統(tǒng)的前照燈光源相比，發(fā)光二極管具有壽命長、體積小、響應(yīng)快、耗電量低、色溫更接近自然光、抗震能力強(qiáng)和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著半導(dǎo)體材料及封裝工藝的發(fā)展， 大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大， 從信號指示燈到現(xiàn)在的汽車前照燈，這反映了LED將會成為汽車照明領(lǐng)域的新型光源主流的發(fā)展趨勢。

　　LED芯片的發(fā)光模型為朗伯體，其發(fā)光特性與傳統(tǒng)光源不同， 另外根據(jù)國家汽車行業(yè)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對汽車前照燈的光斑也有特別的要求， 導(dǎo)致LED汽車前照燈的光學(xué)設(shè)計與以往的光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不同。文中從最新出臺的《汽車用LED 前照燈》(GB25991-2010)國家標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，在分析LED 前照燈設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，提出了LED汽車透鏡的設(shè)計方法，該設(shè)計方法是基于數(shù)值計算的。在透鏡的設(shè)計和計算過程中，先能量守恒定理，將LED芯片的發(fā)光立體角和照明面上的照明區(qū)域進(jìn)行劃分， 從而在照明面和透鏡的自由曲面間建立起了對應(yīng)關(guān)系， 再基于非成像光學(xué)理論， 通過數(shù)值計算求解出自由曲面光學(xué)透鏡的實(shí)體模型， 最后建立光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

　　1 設(shè)計原理

　　LED汽車前照燈主要包括近光燈和遠(yuǎn)光燈。國家標(biāo)準(zhǔn)要求近光燈不會使道路上其他車輛的駕駛者產(chǎn)生炫目的感覺，它要求有良好的明暗截止線，同時能提供良好的路面照明; 遠(yuǎn)光燈是指當(dāng)車輛前方無其他道路使用者時，所使用的遠(yuǎn)距離照明光束。近光燈主要用于城市街道或鄉(xiāng)間小道的照明， 遠(yuǎn)光燈主要用于野外或高速公路照明。

　　1.1 近光燈自由曲面透鏡設(shè)計

　　如圖1所示， 在近光燈透鏡的設(shè)計中， 將LED芯片出射的光分成三束， 一束光在面1發(fā)生折射后出射到目標(biāo)面; 另一束光在面2發(fā)生折射和在出射平面發(fā)生折射后出射到目標(biāo)面; 還有一束光在面3發(fā)生反射和在入、出射平面發(fā)生兩次折射后出射到接收屏。通過這三個自由曲面的作用，將LED芯片發(fā)出的光合理地分配到接收屏上， 從而達(dá)到國家汽車照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的光斑分布。

圖1 近光燈透鏡配光示意圖

　　1.1.1 光源立體角均勻劃分

　　相對于整個光學(xué)系統(tǒng)LED體積是很小的， 建立光學(xué)模型的時候可以把LED 設(shè)成點(diǎn)光源，該發(fā)光模型為半球型發(fā)光，近似為朗伯余弦體，光強(qiáng)分布可描述如下：

　　I(φ)=I0·cosφ (1)

　　光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)系如圖2所示， 其中以LED的位置為光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)的原點(diǎn)，LED中心光強(qiáng)的方向?yàn)閆 軸的正方向，φ是Z軸與LED發(fā)出的光線的夾角，θ為X軸與出射光投射在XOY面的夾角。因此， 對于任意的由θ1，θ2，φ1，φ2所決定的立體角內(nèi)能量，有：

圖2 LED 光源空間坐標(biāo)圖