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[摘 要]根据激光光源的特点，设计了一种基于蓝色半导体激光器的汽车远光灯系统。采用以 Monge-Ampere方程为基础的自由曲面透镜设计，解决了激光光源能量密度高、发光面积小的问题，本文主要针对激光光源汽车远光灯自由曲面透镜原理进行分析。
[关键词]激光器；汽车远光灯；自由曲面；照度
中图分类号：V254.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0148-01
Laser light sourceautomobile high beam lampreeform lensdesign
Zhang Guoqing
（R&D Centerof Great Motor Company，Automotive Engineering Technical Centerof HeBei， baoding 071000）
[Abstract]Pick to： based on the characteristics of laser light source， design a kind of automobile high beam system based on blue laser diode.Use Monge-Ampere equation based free-form surface lens design， solve the laser light source of high energy density and light emitting area is small；Based on the theory of nonimaging optics， lens surface and target surface mapping relation is established，This paper focuses on the laser light automobile high beam free-form surface lens principle is analyzed.
[Key words] laser，Automobile high beam；Free surface；Intensity of illumination.
引言
汽車前照灯系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明，对汽车的行驶安全至关重要。夜间行车时，前照灯不仅要照亮前方道路，为驾驶员提供一个明亮开阔的视野，还要避免给迎面来车的驾驶员造成眩光。因此，一种性能良好的前照灯系统对减少夜间交通事故的发生和促进行车安全具有十分积极的作用。汽车前照灯是汽车的重要组成部件。汽车前照灯的发展历经乙炔前照灯、白炽前照灯、卤素前照灯、氙气前照灯和LED前照灯几个阶段。前LED照灯与前面几代前照灯相比优势明显，但LED前照灯体积大，且光学系统和散热系统复杂。为此以半导体激光器为光源的汽车前照灯受到了国内外的广泛关注
一、设计原理
LED汽车前照灯主要包括近光灯和远光灯。国家标准要求近光灯不会使道路上其他车辆的驾驶者产生炫目的感觉，它要求有良好的明暗截止线，同时能提供良好的路面照明；远光灯是指当车辆前方无其他道路使用者时，所使用的远距离照明光束。近光灯主要用于城市街道或乡间小道的照明，远光灯主要用于野外或高速公路照明。
（一）近光灯自由曲面透镜设计
在近光灯透镜的设计中，将LED芯片出射的光分成三束，一束光在面1发生折射后出射到目标面；另一束光在面2发生折射和在出射平面发生折射后出射到目标面；还有一束光在面3发生反射和在入、出射平面发生两次折射后出射到接收屏。通过这三个自由曲面的作用，将LED芯片发出的光合理地分配到接收屏上，从而达到国家汽车照明标准规定的光斑分布。
（二）光源立体角均匀划分
相对于整个光学系统LED体积是很小的，建立光学模型的时候可以把LED设成点光源，该发光模型为半球型发光，近似为朗伯余弦体，光强分布可描述如下：
I（φ）=I0·cosφ
光学系统坐标系其中以LED的位置为光学系统坐标的原点，LED中心光强的方向为Z轴的正方向，φ是Z轴与LED发出的光线的夹角，θ为X轴与出射光投射在XOY面的夹角。因此，对于任意的由θ1，θ2，φ1，φ2所决定的立体角内能量，有：考虑到具体设计，θ的取值范围为0～π，φ的取值范围为0～π/2。然后对LED发光立体角进行划分，在φ方向按角度λ等分成i份，对于每一个φ，都在θ方向按角度λ等分成j份，形成一系列环带区域，这样就得到了φ（i）和θ（i，j）的数组。
二、模型构建及其仿真
对曲线进行拟合放样获得曲面，旋转至获得实体。用光学仿真软件对近光灯LED透镜模组进行光线追迹。在距离前照灯前25m的垂直平面接收屏上进行光线仿真的追迹，然后利用追迹的结果，调试公式中的照度值和照度控制因子，形成理想的照度分布结果。
在配光屏上划分网格，统计到达每一单元中的光线数，将网格内所有光线所携带的光通量相加除以网格单元面积作为该网格的照度值。各测试点、区域的照度值，利用蒙特卡罗方法对近光灯光学系统进行光线追迹，所使用的LED芯片光通量为300lm。
照度分布图可以得到：光能主要分布在设定的照明区域内，该区域内接收到的有效光通量为273.25lm，系统的光效大于90%，目标面上有形成截止线，各测试点、区域的照度值在国标范围内，适应国家标准GB25991-2010对近光灯的配光要求。
通过光线追迹，根据接收屏上的仿真结果，反复调整公式照度值和照度控制因子多次调整后远光灯在接收屏上得到的仿真测量结果。对远光灯进行光线追迹时使用的LED总光通量设为800lm，从照度分布图可以得到：LED辐射出的光基本上被出射到半径为4m的圆形照明区域中，该区域内接收到的有效光通量为737.69lm，系统的光效大于90%，配光屏上各测试点和各测试区域的照度可知各测试点、区域的照度值在国标范围内，适应国家标准GB25991-2010对远光灯的配光要求。
结论
文中根据国家标准GB25991-2010的配光要求，以数值计算为基础，采用程序化设计构建自由曲面，设计出了LED汽车前照灯远、近光灯透镜，并对其进行了光线追迹仿真，仿真结果完全满足国标的配光要求。
参考文献
[1] 王洪，王丽君，叶菲菲，黄华茂，罗婉霞.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，2012，09：2463-2467.
[2] 朱江.基于激光光源的汽车前照灯研究[D].天津工业大学，2016.
[关键词]激光器；汽车远光灯；自由曲面；照度
中图分类号：V254.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0148-01
Laser light sourceautomobile high beam lampreeform lensdesign
Zhang Guoqing
（R&D Centerof Great Motor Company，Automotive Engineering Technical Centerof HeBei， baoding 071000）
[Abstract]Pick to： based on the characteristics of laser light source， design a kind of automobile high beam system based on blue laser diode.Use Monge-Ampere equation based free-form surface lens design， solve the laser light source of high energy density and light emitting area is small；Based on the theory of nonimaging optics， lens surface and target surface mapping relation is established，This paper focuses on the laser light automobile high beam free-form surface lens principle is analyzed.
[Key words] laser，Automobile high beam；Free surface；Intensity of illumination.
引言
汽車前照灯系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明，对汽车的行驶安全至关重要。夜间行车时，前照灯不仅要照亮前方道路，为驾驶员提供一个明亮开阔的视野，还要避免给迎面来车的驾驶员造成眩光。因此，一种性能良好的前照灯系统对减少夜间交通事故的发生和促进行车安全具有十分积极的作用。汽车前照灯是汽车的重要组成部件。汽车前照灯的发展历经乙炔前照灯、白炽前照灯、卤素前照灯、氙气前照灯和LED前照灯几个阶段。前LED照灯与前面几代前照灯相比优势明显，但LED前照灯体积大，且光学系统和散热系统复杂。为此以半导体激光器为光源的汽车前照灯受到了国内外的广泛关注
一、设计原理
LED汽车前照灯主要包括近光灯和远光灯。国家标准要求近光灯不会使道路上其他车辆的驾驶者产生炫目的感觉，它要求有良好的明暗截止线，同时能提供良好的路面照明；远光灯是指当车辆前方无其他道路使用者时，所使用的远距离照明光束。近光灯主要用于城市街道或乡间小道的照明，远光灯主要用于野外或高速公路照明。
（一）近光灯自由曲面透镜设计
在近光灯透镜的设计中，将LED芯片出射的光分成三束，一束光在面1发生折射后出射到目标面；另一束光在面2发生折射和在出射平面发生折射后出射到目标面；还有一束光在面3发生反射和在入、出射平面发生两次折射后出射到接收屏。通过这三个自由曲面的作用，将LED芯片发出的光合理地分配到接收屏上，从而达到国家汽车照明标准规定的光斑分布。
（二）光源立体角均匀划分
相对于整个光学系统LED体积是很小的，建立光学模型的时候可以把LED设成点光源，该发光模型为半球型发光，近似为朗伯余弦体，光强分布可描述如下：
I（φ）=I0·cosφ
光学系统坐标系其中以LED的位置为光学系统坐标的原点，LED中心光强的方向为Z轴的正方向，φ是Z轴与LED发出的光线的夹角，θ为X轴与出射光投射在XOY面的夹角。因此，对于任意的由θ1，θ2，φ1，φ2所决定的立体角内能量，有：考虑到具体设计，θ的取值范围为0～π，φ的取值范围为0～π/2。然后对LED发光立体角进行划分，在φ方向按角度λ等分成i份，对于每一个φ，都在θ方向按角度λ等分成j份，形成一系列环带区域，这样就得到了φ（i）和θ（i，j）的数组。
二、模型构建及其仿真
对曲线进行拟合放样获得曲面，旋转至获得实体。用光学仿真软件对近光灯LED透镜模组进行光线追迹。在距离前照灯前25m的垂直平面接收屏上进行光线仿真的追迹，然后利用追迹的结果，调试公式中的照度值和照度控制因子，形成理想的照度分布结果。
在配光屏上划分网格，统计到达每一单元中的光线数，将网格内所有光线所携带的光通量相加除以网格单元面积作为该网格的照度值。各测试点、区域的照度值，利用蒙特卡罗方法对近光灯光学系统进行光线追迹，所使用的LED芯片光通量为300lm。
照度分布图可以得到：光能主要分布在设定的照明区域内，该区域内接收到的有效光通量为273.25lm，系统的光效大于90%，目标面上有形成截止线，各测试点、区域的照度值在国标范围内，适应国家标准GB25991-2010对近光灯的配光要求。
通过光线追迹，根据接收屏上的仿真结果，反复调整公式照度值和照度控制因子多次调整后远光灯在接收屏上得到的仿真测量结果。对远光灯进行光线追迹时使用的LED总光通量设为800lm，从照度分布图可以得到：LED辐射出的光基本上被出射到半径为4m的圆形照明区域中，该区域内接收到的有效光通量为737.69lm，系统的光效大于90%，配光屏上各测试点和各测试区域的照度可知各测试点、区域的照度值在国标范围内，适应国家标准GB25991-2010对远光灯的配光要求。
结论
文中根据国家标准GB25991-2010的配光要求，以数值计算为基础，采用程序化设计构建自由曲面，设计出了LED汽车前照灯远、近光灯透镜，并对其进行了光线追迹仿真，仿真结果完全满足国标的配光要求。
参考文献
[1] 王洪，王丽君，叶菲菲，黄华茂，罗婉霞.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，2012，09：2463-2467.
[2] 朱江.基于激光光源的汽车前照灯研究[D].天津工业大学，2016.