技术文章 | 超薄前照灯用RIR光学系统
IFAL · 2018-09-26
原文标题：Development of the RIR Optical System for Ultra-thin Headlights
原文作者：Masashige Suwa, Ritsuya Oshima, Muneharu Kuwata, Kuniko Kojima
Advanced Technology R&D Center, Mitsubishi Electric Corporation
1
介绍
减少前照灯的重量和能耗可以降低汽车的能耗，同时减少二氧化碳排放和燃料消耗，进而实现降低环境污染的目标。因此，使用LED(发光二极管)作为前照灯的光源是目前发展的趋势。然而，LED是表面发光的光源，不能被认为是点光源。此外，由于LED发光面的强度分布是统一的，很难得到前大灯所需的复杂光线分布。因此，我们需要研究一种不同于传统光源，且适合于LED的光学系统。近些年，车展上许多概念车都使用了超薄车灯。很明显，市场对于超薄前照灯的需求会越来越大。然而，目前的前照灯光学系统还不能完全达到这些要求。主要原因是在前照灯尺寸(前照灯开口的高度）和前照灯光学系统的光利用率之间存在一种平衡关系。为此，三菱电机公司设计并开发了一种新型光学前照灯系统—RIR光学系统，既能实现超薄设计，又能实现高的光利用率。本文将介绍利用RIR光学系统研制超薄前照灯的过程。
2
RIR光学系统
图1为新开发的RIR光学系统的结构示意图。该系统由LED、聚光透镜和RIR透镜组成。
图1：RIR光学系统结构示意图
图2为RIR光学系统的光学原理示意图。LED发出的光线经聚光透镜进行聚集，然后经RIR透镜入射面的折射，形成所需的光线分布。部分入射光线通过入射面，沿光线1所示的路径，从出射面投射出来。部分光线经RIR透镜的全反射面反射，沿光线2所示的路径，从出射面投射出来。由于光线1和光线2的路径在截止线附近叠加，所以截止线附近的区域被照亮。该RIR透镜截止线与焦平面位置重合，可以在焦平面上形成所需的光线分布。
图2：RIR光学系统原理示意图
3
光学系统的性能
图3为传统投影式前照灯的光学系统模型。在传统投影式前照灯中，反射器将LED的光线集中在挡板附近。挡板阻挡光线形成有截止线的光线分布。最后，透镜投射在焦平面上形成了所需的光分布。
图3：投影仪前照灯(传统光学系统)
传统投影式前照灯一般由反射器、挡板和透镜三个光学元件组成。RIR光学系统由聚光透镜和RIR透镜两个光学元件组成。与传统的投影式前照灯相比，RIR光学系统的零件数量较少，光学边界面积较小，从而提高了光利用效率。传统投影式前照灯中使用反射器，原则上无法捕捉如光线3和光线4所示区域的光线。此外，反射器的反射率为90%甚至更低，会降低光利用率。而RIR光学系统没有采用全反射的形式，理论上反射率几乎为100%，因此，具有较高的光利用效率。
图4：投影式前照灯与RIR光学系统光利用率对比图
图4为传统投影式前照灯和RIR光学系统在不同透镜高度情况下的光利用率对比图。使用相同的LED作为光源，前照灯设计为相同的配光模式进行比较。从图4可以看出与传统投影式前照灯相比，RIR光学系统的光利用率较高。当透镜高度为20mm时，RIR光学系统的光利用率约为传统投影式前照灯的1.8倍。这意味着该系统在实现超薄结构的同时，还可以保持较高光利用率。RIR光学系统还具有较高的位置精度，大约为投影式前照灯精度的20倍。
4
大灯模型
我们使用RIR光学系统开发了一个大灯模型，透镜高度为20mm，如图5所示。左边的三个模块为近光灯模块，中间三个模块为远光灯模块，右边三个模块为ADB (Adaptive Driving beam)模块。
近光灯模块由spot和wide两种模块组成，如图5所示。spot模块围绕光线分布中心照明，形成光线分布的截止线和高强度区域。在水平方向上形成了宽阔的光分布，有助于照亮路肩。
图5：超薄前照灯模型
根据UNECE-R123标准对大灯模块进行测评，结果如表1所示。从表中可以看出，该大灯模块具有足够的亮度。
表1 ECE R123标准--近光灯（C级）
图6为近光灯模块在路面的光分布图。126米处地面照度可以达到3lux，可以实现较高能见度。光分布在水平方向上的角度为±40度，在保证较高能见度情况下，还可以照亮道路的两侧。
图6：近光灯模块路面光分布图
表2为近光灯模块的光学特性。每个模块的光通量为600lm。近光灯模块的最大光强为30400cd，功耗为19w。该模块拥有结构紧凑且耗电量少的特点。
表2 近光灯模块光学特性
5
结论
我们设计了一个新的前照灯光学系统，即RIR光学系统。并开发了一个超薄前照灯模型。超薄大灯模型有一个高度为20mm的超薄透镜，且功率只有19 W，同时可实现近光灯光照需求。RIR光学系统不仅适用于近光灯，还可应用于各种汽车照明产品，比如远光灯、雾灯和ADB，可以灵活地满足所有汽车制造商的设计要求。
文章来自2018年第六届中国国际汽车照明论坛论文集
