【技术文章】一种新颖的符合美国DOT认证的LED汽车前照灯

IFAL · 2017-11-30

作者丨 Tao Luo, Daoyong Zhu, Gang Wang

单位丨 Foshan Institute of Sun Yat-sen University; Guangzhou Longhua Industry Design Co.LTD

编译丨庄乙潇

指导教授丨林燕丹

编辑丨 Gavin

引言

本文介绍了一种新颖的符合SAE美国国家标准（美国DOT认证）的LED汽车前照灯光学系统。本光学系统由三部分组成：近光灯部分、远光部分和背景照明部分。两个特殊设计的光管适用于近光灯和远光灯部分，具有独立准直的光学部件，可以投射特殊形状的截止照明，并满足DOT认证所定义的特殊光分布。背光源采用自由曲面光学设计，顶面具有微结构，用于背光，并且可以与近光灯或远光灯部分一起点亮。每个设备只能使用6个CREE XQE高强度LED(700lm)。本文介绍了光学系统的设计方法，并通过仿真验证了光学系统的性能满足美国DOT规范的要求。

高性能LED前照灯成为近年来研究的热点，光通量分布与精确控制的光学设计是研究关键因素。SAE美国国家标准（美国DOT认证）对配光要求更为严格，很少有设计符合DOT认证，精确的配光要求如下：

1）更多的测试点

DOT认证限定了下光束测光要求中的33个测试点，上光束测光要求中的20个测试点。

2）横向传播的要求。

DOT认证要求最小光强在（2D, 15L&15R）、（2.5D, 12L&12R）和（4D, 20L&20R）范围，比ECE标准更广。

3）截止线及形状

DOT认证要求近光灯最大光强在（1.5U, 1R至R）、（1 U, 1.5L至L）、（0.5U,1.5L至L）范围。

4）不对称的热点

DOT认证需要非对称的热点分布。

光学系统的各个部分设计要求和结构

光学系统由近光灯部分（LB），远光灯部分（HB）和背部光部分（BL）三部分组成。 BL一直点亮，当需要近光灯照明时，LB部分点亮；当需要远光灯照明时，HB部分点亮。

光学系统的结构如图1所示。BL部分由一个平面透镜组成，LB部分由光管和准直透镜组成，HB部分镜片同样由光管和准直透镜组成。透镜的材料是PMMA。所有的光学系统由一个7英寸灯壳罩住。

图1. 光学系统结构

1）背景照明部分

背景照明部分具有两个自由曲面和两个平面的平面透镜，如图2所示。

自由曲面可以准直vv方向的光线，平面将引导入射光线沿hh方向扩散，如图3所示。为了实现不对称分布，内表面提供了不对称的自由曲线来投射，接收器的左侧比右侧投射更多的光线。

图2. 背景照明的光分布

图3.

（a）：v-v方向背景照明的光分布

（b）：h-h方向背景照明的光分布

2）近光灯部分

近光部分由光管和准直透镜组成，如图4所示。光管具有与近光设计目标的截止线相同的形状。该光学元件只使用一个LED芯片，放置在v-v线的右侧，以增加右侧的发光强度。在光管顶部增加倒角线和突出的台阶，使照度分布平滑。准直透镜放置在光管上方，以准直来自光管的光线。准直透镜的直径是由DOT规定的热点的光度强度要求决定的。

图4. 近光灯光学结构

图5（a）：光管的3D结构（b）：光管的2D结构

3）远光灯部分

远光灯部分也由光管和准直透镜组成，如图6所示。这部分光学器件使用三个LED。

光管的顶部和底部表面具有同轴矩形形状，如图7所示。底面宽度略大于LED的宽度。倒角结构布置在顶面。顶面宽度约为倒角长度的40％，光管侧面的倾角小于20度。光管的高度设定为底面宽度的2-9倍，同时保证光斑的效率和均匀性。

准直透镜如图8所示。 HB部分准直透镜的直径约为60mm

图6. 远光灯光学结构

图7：光管的3D结构

图8：准直透镜3D结构

模拟结果

前照灯的模拟分别包含三部分光学部件， LED使用CREE XQE高亮度LED。每个LED的光通量假设为210lm @700mA。

1）BL+LB部件

BL部分和LB部分都在规定的低光束要求下都能照亮，如图10所示，25m接收器的近光灯点光源。

图9.（a）照明分布

（b）近光照明光学器件真实颜色分布的模拟结果。（接收器为20米×20米，距离为25米）

仿真显示，所有类型的调节（LB1M，LB1V，LB2M，LB2V，LB3M，LB3V，LB4M，LBSM，LB4V）都能满足要求。

2）BL+HB部件

BL部分和LB部分都在规定的低光束要求下都能照亮，如图10所示，25m接收器的近光灯点光源。

图10.（a）照明分布

（b）远光照明光学器件真实颜色分布的模拟结果。（接收器为20米×20米，距离为25米）

仿真显示，所有类型的调节（UB1,UB2, UB3, UB4, UBS, UB6）都能满足要求。

结论

本文介绍了一种符合美国国家标准（DOT认证）的新型LED汽车前照灯光学系统。光学系统由近光部分（LB），远光部分（HB）和背景照明部分（BL）三部分组成。两个特殊设计的光管适用于近光部分和远光部分；具有独立的准直光学部件，可以投射特殊形状的截止照明，并满足DOT认证所要求的特殊光分布。背光源采用自由曲面光学设计，顶面具有微结构，用于背光，并且可以与低光束部分或高光束部分一起点亮。每个设备只能使用6个CREE XQE高强度LED（700lm）。本文解释了了每个部分的结构及其设计思想，并进行了近光照明和远光照明的模拟。结果表明，本设计可以满足DOT规定的所有要求。

本文来自复旦大学电光源研究所林燕丹教授课题组