新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

采用小功率LED的汽车前照灯光学设计

为克服普通灯泡汽车前照灯耗能高、寿命短和现有LED(发光二级管,Light-Emitting Diodes)前照灯成本高的缺点,提出了一套采用小功率LED的汽车前照灯光学设计方案。采用48颗小功率LED,使得每颗LED照亮配光屏上的一块矩形区域。对单颗LED设计自由曲面透镜,光线经透镜出射形成一个矩形光斑。点亮不同的LED以及调整车灯的照射方向可以满足照明要求。模拟结果符合国家标准要求。采用小功率LED比普通灯泡寿命长,比大功率LED前照灯成本低,可靠性强,并且还能部分实现自适应前照灯的功能。     

基于ADB汽车前照灯的光学设计

为了避免由于远光灯使用不当而产生的一系列交通事故，且带给驾驶员更好的驾驶体验，设计了具有可以主动调整远光光束分布的自适应远光系统—ADB(adaptive driving beam)。基于非成像光学理论，采用照度优化设计法，通过计算来合理划分区域，控制相应LED的亮灭，以此达到不同远光光型的实现。通过蒙特卡洛模拟法追迹光线，测试结果表明:配光结果满足现行仅有的对自适应远光(ADB)配光规定，且当全部LED工作时，照度最大值为111 lx，模组光学系统效率为35.7%。     

多椭球投射式LED前照灯光学设计

LED光源具有寿命长、点亮速度快、节能等优点,非常适合作为新一代的汽车前照灯的主要光源。研究了使用LED光源和多椭球反射镜的投射式前照灯的设计方法,建立了光学系统模型。阐述了反射镜、挡板、透镜的设计思想。采用Cree xre-7090 LED作为光源,并在此基础上采用ASAP进行了计算机模拟。结果表明,可产生宽广但不高的光型,明暗截止线清晰。     

高光效LED前照灯透镜设计方法

汽车前照灯关系到车辆的行车安全以及夜间驾驶的舒适性,统计表明,大约44％的交通事故发生在夜晚,因此前照灯是汽车上极为重要的一项设备。多个国家及组织均针对汽车前照灯提出了严格的标准法规,例如ECE、SAE等标准,导致前照灯的光学设计相对于其他灯具具有相当大的难度。目前使用的前照灯光学设计方法主要适用于传统的卤素及高强度气体放电灯（HID）,但是传统光源存在能耗较高以及寿命短等缺点。LED不仅节能,寿命长,还具有相当快的响应速度,是汽车前照灯的理想光源。由于当前LED的亮度相对传统光源仍然很低,要使LED前照灯满足标准的要求,光学设计具有很高的难度。     

独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计

为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB 25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40~50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5%以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40～50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5％以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

一种LED汽车前照近光灯配光设计方案

从汽车前照近光灯GB4599-94标准出发,提出了一种LED近光灯的设计方案.该方案采用侧发光型LED为光源,以抛物面作为反射器设计的基础面,根据GB4599-94对近光灯的配光要求在ReflectorCAD中划分基础面,并合理调整各子面的面型数据,使光源经各子面反射后在配光屏上的光照分布满足配光要求.结果表明:采用400 lm侧发光LED和恰当的光学照明系统能完全满足GB4599-94标准对汽车前照近光灯光照分布的要求.限于400lm侧发光LED尚未商品化,采用40.5 lm侧发光LED,通过10组LED-反射器模块叠加逼近此配光方案.     

3片独立自由曲面式LED汽车近光灯光学设计

为了使车辆驾驶员在夜间能够得到充足的照明,并且避免对面会车司机眩目,设计了具有明暗截止线的近光系统。根据GB25991 2010汽车用LED前照灯配光标准,尝试使用大功率白光LED和结构简单、光学利用率高的自由曲面反射镜（FFR)来实现前照近光灯的设计。以非成像光学为理论基础,建立了LED光源出射光角度和照明面上坐标的对应关系,结合折反射定律计算自由曲面上点的坐标。合理划分基础面,并优化调整各子面的面型数据,实现配光要求。采用3颗LED共同实现近光功能,每颗LED均有各自独立的光学系统。测试结果表明:设计的光学系统效率达到54%,且近光截止线清晰,满足标准对各测试点照度的要求。     

基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

挡光板是近代投射式汽车前照灯用于调节近光灯配光性能的重要部件。采用聚焦法调整挡光板拐点的位置可以有效地抑制投射式前照灯近光照射时光型截止线上的色差和梯度问题,具有提高驾驶员视觉舒适度和行车安全指标的功能。采用一种基于有延展反射面的挡光板的多曲面LED前照灯的光学设计,使用NX10.0建立结构模型,LucidShape软件进行仿真,配光屏幕最大照度值为51.9 lx。研究基于有延展反射面的挡光板的光学设计与常规挡光板的光学设计的配光差异,以及两者在吉利汽车2017年提出的近光路照标准下两者数据对比情况。结果表明:具有延展反射面的挡光板可以有效提高配光Ⅲ区各点的基础数值,进一步提高行车时道路前方40 m～50 m处的视觉亮度,利于辨清道路前方及行人情况。     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

LED天幕灯的光学设计

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明,天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论,首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型,然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计,使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理,建立直射和反射的有效叠加和补偿,依此设计得到反射面面型,实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真,结果表明,满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明,其照明均匀度可达到85%以上,能量利用率可达到80%以上。     

Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight

Secondary optics is a critical component determining the output efficiency and light distribution of the LED streetlight. A good roadway illumination requires the LED streetlight have a rectangular light pattern just cover the roadway and without excess spill light creeping into yards and shining into windows of neighbor residents. The adoption of the unsymmetrical freeform optics with different light distributions along X and Y directions is necessary. The whole LED streetlight can be constructed if only mounts these LED modules on the planar PCB plate. The mechanism, thermal management, and the power control electronics of the LED streetlight become very simple. In this paper, an optical design approach of a freeform TIR (total internal reflection) lens for the LED streetlight is investigated. With these freeform lenses, high output efficiency, even light distribution, and batwing far field beam angle distribution can be achieved.     

大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。