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投射式LED汽车前照灯的光学设计


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第 1 第 1期  9卷 20 0 8年 3月 

中 国 计 量

学 院 学 报 

Vo . 9 NO 1 11  . 
M a.2 0  r 08

J u n l fChn   i a g Un v r i

  o r a    i a Jl n   ie st o i y

【 章编 号1 1 0 —5 0 2 0 ) 10 7 —5 文   0 41 4 (0 8 0 -0 30 

投 射 式 L D 汽 车 前 照 灯 的 光 学 设 计  E
余 桂 英 , 晓 丽 ,   帅 , 颖 君  陈 姚 郑
( 国计 量学 院 计 量测 试 工程 学 院 ,浙 江 杭 州 3 0 1 ) 中 1 0 8 
【 摘  要】 依 据 GB 4 8—9 8选 择 偏 蓝 成 分 较 少 的 暖 白 色 I D 光 源 , 用 多椭 球 反 射 杯 、 光 板 和 非 球 面   7 51 9   E 采 挡

透 镜 的 投 射 式 系 统 , 计 出一 套 L D 汽 车 前 照 灯 . 中每 个 L D 光 源 都 有 各 自独 立 的光 学 系 统 , 计 了 消 球  设 E 其 E 设
差 的 非 球 面 透 镜 和平 面 挡 光 板 , 拟 分 析 了多 椭 球 反 射 杯 垂 直 截 面 椭 圆 和 水 平 截 面 椭 圆 的 最 佳 焦 距 . 用 3 模 采   个 单 个 L D光 学 系 统 构 成 近 光 系 统 , 近 光 的基 础 上 增 加 4个 单 个 L D 光 学 系 统 构 成 远 光 系 统 , 近 光 系  E 在 E 其 统 明 暗 截 止 线 很 清 晰且 近 光 和 远 光 系 统 配 光 性 能 的 模 拟 结 果 都满 足 G   5 99 B 4 9—4要 求 .  

【 键 词 】 光 学 设 计 ; 光 二 极 管 ; 车 前 照灯 ; 射 式 系 统 ; 光 性 能  关 发 汽 投 配
【 图分 类 号1 U4 3 6  1 中   6.5   【 献标识码】 A 文    

An o i a   sg   fLED  u o o i e h a l m ps   ptc lde i n o   a t m tv   e d a  

b sd o   rj co  y tms a e   n p o  t rs se   e
YU  i i g,CHEN  a —i Gu— n y Xio l,YAO  h a ,Z S u i HENG  n —u   Yi gj n
( l g   fM e r lg   n   e s r me   Col eo  too y a d M a u e ntEngn e ig,Chi  iin   nv r iy,Ha g h u 3 0 1 e ie rn naJl g U ie st a n z o   1 0 8,Chn ) ia 

Absr c :A n a om o i   a a p o  ta t   ut tnehe dlm   fLED  s d o   ba e   n GB4 5 1 8 wa   sgne   ih po y e l o d r fa t r   78 ~ 99   s de i d w t   l- li i  e lc o s, ps s i dsan a p rc lnsc osng a war   h t  hel   d  s he i e   ho i     m w ie LED  ou c  ha  o ans alt l    uec or Ea h LED  ad s r e t tc nt i    iteofbl   ol . c  h   is optc ls s e r s ci e y T hebe tf u   ft   ol— li oi  e l corSve tc la d h ion a  e ton e — t  i a  y t m  e pe tv l .   s oc s o  he p y elps d r fe t ’  ria  n   orz t ls c i   l  lps sw a   i ult d. A  ghe   a  a p o  ou   i e   s sm a e hi rbe m l m   ff r LED  y t m s w a  o t u t d i  he s t m  fl w e   a s s e   s c ns r c e  n t   ys e o  o rbe m  lm ps T heph o e rc r s ta c d   t   a .   ot m t i e ul  c or s wih GB45 —   99 94 whe  he l n t  owe   nd hi ra   ghe  e r  a psw e e sm ult d. rla lm   r  i n ae  

K yw r s o t a d s n L D; uo t eh a l ;p oet rs se p o o t c h r c r t s e  o d : p i l e i ; E a tmoi   e da c  g v mp r jc  y tm; h tmer   aa t i i   o ic e sc

近 年 来 L D 芯 片 以及 封 装 生 产 工艺 发 展 迅  E 速 ,E 的 光 学 、 L D 电学 、 学 等 性 能不 断 提 高 , 热 其  寿命 长 、 响应 快 、 尺寸 小 、 能 、 冲击 等优 势更 加  节 抗 突 显Ⅲ , 已逐 渐 被 应 用 到 汽 车 灯 上 , 车 内照  并 如 明、 高位 刹 车 灯 、 号 灯 、 向灯 等  . 界 各 大  信 转 世

L D生 产 厂 家 也相 继 推 出发 光 效 率 达 8  m/ E 0l W  的大 功率 白光 L D,0   E 7 0mA 时单 个 L D光 通 量  E 可达 1 0 1 0l 汽 车 灯具 的 L D化 成 为 全球  1 ~ 5 m, E

汽车 灯 具发 展 的必然 趋 势. 由于单个 L D亮 度  但 E 不够 强 及不 同 于传 统 车 灯 光 源 的辐 射模 型 、 照  前

【 收稿 日期 】 2 0 —1O    0 71一6

【 金项 目】 浙 江 省 自然 科 学 基 金 资 助 项 目( , 0 4   基 No Y1 4 3 ) 6
【 者 简 介】 余 桂 英 ( 9 5~ )女 , 建 邵 武 人 , 教 授 . 要 研 究 方 向为 L D 的 应 用 及 精 密 测 量  作 16 , 福 副 主 E

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中 国  





学  院



报 

第 1 9卷 

灯较 高 的标 准法规 要求 、 光设计 的复 杂性等 ,   配 目

前还 只有参 展样灯 展 出以及 部分高 档概 念车 上使 
用 了 I D前 照灯 .   E  

当今 前照灯 配 光 设计 的方 案 有 多种 , 如传 统  反射 式方 案 、 射式 方 案 和 自 由曲 面反 射杯 方 案  投



 

黧  霞 

等_. 统 反射式 方 案 较难 产 生 鲜 明 的 明 暗截 止  传 线; ’ 由于 L D发 光单 元较小 , E 反射 杯相 应也较 小 ,  
自由 曲面 反射杯 方案 中在较 小 的面上 做复杂 的 曲   面设计 会 给加工 带 来 很 大 的难 度 , 利 于发 挥 自 不  



9 7 6 4 3 1  0 1  3O 5 O 5 O O一 5- 0- 5— 0—      5 5  4  6  7  9  

角度, 。  

由曲面反 射杯 的优 势 ; 射 式方 案 中虽 然 能量 的  投
利用 率降 低 , 但是 能产 生鲜 明 的明暗截 止线 , 且反  射杯 的设计 和加 工相 对容 易 . 因此本 文 针 对 L D E  

图 1 L ML P   X — ww 10 6 —0 0相 对 光 强 分 布 图 
Fi ur 1 LXM I~ g e    PW W 1 0 0 e a ie nt n iy di  ~ 06  r l tv  i e st   s

t i u in rb t   o

汽 车前照 灯广 阔 的应 用 市 场 , 用 投 射 式 系统 设  采
计 m一套 I D汽车前 照灯 , 近光和 远光配 光性    E 其 能 的模 拟结 果都满 足了 国家 标准 的要求 .  

1  

咖 

1 L D 光 源 的 选 择    E
前 照灯 是 保 障 汽 车 安 全 运 行 的重 要 部 件 之 


∞ ∞ 鲫 ∞ 如 如 如 加  0   

霞 



要 有较 高 的能 见度和舒 适度 ] 国内外关 于前  .
波长/m  n 图 2 LXML— W WI0 6   P 一0 0光 谱 分 布 图 
Fi r     LXM L  gu e2 PW W 1 0 0 s e tum  i ti in — 06   p c r d s rbuto  

照灯 均有 着严 格 的标 准 , 是 还 没有 关 于 半 导体  但 照 明 的标准  ] 因此 文 中设 计 的 L D前 照 灯 以  , E 传 统钨丝 灯及 卤素灯 的 常规要求 作为 标准 .   《   7 51 9 GB4 8 —9 8汽 车及 挂车外 部 照 明和 信号  装 置的安 装规定 》 规定 汽 车 前 照灯 的光 源 为 白 中   色, 依据 色度 色温度 转换经 验公 式[ { {  
T,一 66 A 一 77 A 。 36 0   9 9 + 6 A 一 70 7 + 56 2 4A 5 
A 一 
V一 u . i6 /    

《 B 4 9 —4汽 车前 照 灯 配 光 性 能 》 G   5 99 中关 于 
白炽 灯 的 要 求 , 光 最 小 为 4 0l 远 光 最 小 为  近 0 m, 6 0I 单 个 I D 不 能 满 足 前 照 灯 光 源 光 通 量 的  0 m,   E

要求 , 采 用 多 个 L D 光 源 , 近 光 需 要 4个  需 E 则
㈩  

L D 光源 , 光需要 6 L D光源 . E 远 个 E  

计算得 前 照J‘ 需 的 白色 光源 的色坐 标和 色温 范  上所 丁
罔 为 
03 3 . 6 ≤ ≤ 0 5 .  0 3 2 y O 4  .8  ̄ ≤ .4 23 8   6 K≤ T( 4 5 2      3 K ≤ () 2 

1 投 射 式 方 案 
投射 式方案 由椭球 反 射 杯 , 光 板 和透 镜 组  挡

成. 由于 L D不 同于传 统 光 源 的辐 射模 型 , 半  E 是
球发 光 , 以投射 式 方 案 中椭 球 反 射 杯 只需 采 用  所 半个就 能有 效收 集光 源光 线 如 图 3 多个 L D光  . E 源设计 前 照灯 , 可采用 所有 L D光源共 用一 个光  E
学 系 统 或 者 每 个 L D 光 源 都 有 自 己 的 光 学 系 统  E

满 足 以 上 光 色 要 求 的 L D 光 源 为 自 然 白 色  E

光源 和暖 白色 光源 , 光色 中偏蓝 的成 分多 时 , 会产 
生 较 大 的 不 舒 适 眩 光 J 因 此 采 用 偏 蓝 成 分 较 少  ,

的 暖 白色 光源 . 众多 公司 的 I D光源 都满 足这 一    E
要求 , 中 I mi d 公 司 的 R b l 其   l s u e e e 系列 产 品发 光  效率 高且 非常小 巧 , 光面 直 径仅 为 2 5mm, 发 .  本  设计 采用 I mi d 公 司的 L MIP   l s u e X , ww 1 00暖  — 6 0 白色产品 , 7 0mA 工 作 电流 下 , 在 0  光通 量典 型 值  为 1Ol 其 光强分布及 光谱 分布如 图 1和图 2 1  m, .  

的方 案 , 前者 有 较严 重 的离 焦 现 象 , I D 光  但 且 . E
源 间小 间距 不利 于散 热 , 因此采用 每个 L D光 源  E 都有 自己的光学 系统 的方案 .  
1 1 透 镜 设 计  . 

为 了控制 系统 的 深 度 和 口径 , 用 小 口径 短  采

焦距 的透 镜 , 统 的 球 面 透 镜 球 差 较 大  , 此  传 因

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第 1 期 

余 桂 英 , : 射 式 L D汽 车前 照灯 的光 学设 计  等 投 E

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椭球 

\  \
… .  

=—   = ~ =  
— —

\  
~   . 
一  

光源 . 在椭 球第 一 焦 点 经 椭 球 反 射杯 反射 后 会  其
聚于 第二 焦点 有 离焦 现象 , 图 3 挡 光 板 位 于透  如 , 镜焦 点处 , 掉 向上 的光 线. 6 挡光 板左 侧有  挡 图 使


个 1。 5 的斜 角 , 成 观 测 屏 幕 上 h—h线 右 侧  形

// ‘ 、  
图 3 投 射 式 系统 原 理 图  
Fi e 3 Pol elps d s s e   rncpl  gur     y— li oi  y t m p i i e

1。 5 的明暗 截止 线.  

采用 非球 面透 镜. 凸 的非 球 面透 镜 , 平 只需 考虑 一  面 的非球 面特 性 即便 于设 计 和加 工.   设 定 透镜 口径 为 4  0mm, 焦点 到透 镜 第 一 平  面 的距离 为 2  0mm, 采用 malb计 算 求解 得 透镜  t a
厚 度 为 1 . 6mm , 图 4 . 4 8  如 E    
图 6 挡 光 板 形 状 
Fi r     The s peofs i l  gu e 6   ha     h ed


图 4 非 球 面 透 镜 截 面 图 

 

1 3 多椭球 反 射杯 设计  .

汽 车行 使 时 , 驶员 需要 一个 水平 方 向较 宽 、 驾  
垂 直方 向较 窄 的光 线 , 采用 标准 椭 球 , 会产 生  若 则 旋 转对 称 的光 形 , 能满 足 国标 配光 要求 . 不 因此 将  椭 球反 射杯 的垂直 截面 和水 平截 面设 计 为有不 同  第 一 焦点 和相 同 第 二 焦 点 的椭 圆 , 由垂 直 椭 圆截  面第 一焦 点渐 变 到 水平 椭 圆截 面 的第 一 焦 点 , 构  成 多椭 球 反射 杯[   】  .

Fi ur    A s he i e   e to   g e4 p rc lns s c in

图 5中 ,  为垂 轴 方 向第 一 焦 点 ;  为 水 平  厂 f
方 向第 一 焦 点 ; 3为 公 共 第 二 焦 点 . 直 截 面 椭  f 垂 圆和 水平 截面 椭 圆方程 分别 为 

,   ±盘 、 —一  

:  
4  

』一  

厂厂 ’ (  f )   。   厂 + 。 

,一 2  、 — f±  

焘-( f — { 4f 1 1 …   :  a   ( {[2 )   +2 一 3   )
图 5 多椭 球 水 平 截 面 和 垂 轴 截 面 图   
Fi r     H orz a  n   eria  e to   fpol— li oi  gu e 5 iot la d v tc ls c in o   y elps d

4  

垂直椭圆截面第一焦距 到水平椭 圆截面第一焦 

距采 用在 0和 9。 。 0时变化缓慢的三角函数变化.  
1 2 挡 光 板 设 计  .

L D发 光 面 中 心位 于 垂 直 椭 圆 截面 第 一 焦  E

G   5 99 B 4 9 —4要 求在 配 光屏 幕 上 , 近光 应 产 生  明显 的明暗 截 止 线 , 水 平 部 分 在  一  线 的 左  其
侧 , 侧 为 与 水 平 线 向 上 1 。 斜 线 , 向上 成  右 5的 或 4 。 线 至水平 线垂 直距 2  m 转 向水 平 的折 线. 5斜 5c  

点, 相对 于水 平 椭 圆截面 则有 一定 的离 焦 , 仅加  不 宽 了光 线 的宽度 , 同时也 提 高 了光 能量 的利 用率 .   考 虑整灯 体 积 , 球 反 射 杯 第 二 焦点 长度 设  椭
为 4  0mm. 用 TrcP o软 件 模 拟 , 同第 一 焦  采 ae r 不

这 里采用 右侧 为与 水 平 线 向上 1 。 5 的斜 线 作 为 标  准. E L D光 源 的发 光 面 虽 然很 小 , 不 能 视 为 点  但

距 与测试 屏 幕上 光通 量 的关 系见表 1 .  

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中 国  











报 

第 l 卷  9

表 1 不 同 第 一 焦 距 与 测试 屏 幕 光 通 量 关 系   
T a l    Frs  o us V . fu   fob e v in be1 itf c   S l x o  s r ato  

2 结  果   
2 1 近光 模拟 结果  . 依 据 GB 4 9—4 近 光 需 要 4个 单 个 L D   5 99 , E   光 学 系统 , 2显示 3 单个 L D光学 系统模 拟  表 个 E

结 果也 能满 足配光 要求 , 光 采用 3个 单 个 L D 近 E 
当第一 焦距 为 6mm 时 , 试 屏 上 光通 量 最    测 大, 即能量 利用 率最 高 , 因此 垂直 方 向椭 圆第 一焦 
距 采 用 6mm.    
仿 真 结 果 表 明 , 焦 距 离 越 大 , 观 测 屏 幕 上  离 则

光 学 系统 , 试屏幕 配 光模 拟结 果 如 图 8 明暗 截  测 , 止 线非 常清 晰.  
2 2 远 光 模 拟 结 果  .

在 近光 的基础 上 增 加 单个 L D光 学 系 统 构  E 成 远光 , 时要将 近光 中的挡 光板移 掉. 同 由表 3中 

光形 越 宽. 7 当离 焦 为 1 2mm 时 , 能 量 利  图 , .  光

用率 最高. 因此 最终 确 定 方 案 为垂 直 椭 圆截 面 第 


看 到 , 个 单个 L D光学 系 统刚好 能满 足 国家 标  6 E
准 的配 光要 求 , 虑 节 能 以及 实 际 系统 可 能 还 有  考 其 他 的光损耗 , 选择 采用 7 个单 个 L D光 学系 统  E
组 成 远 光 , 在 近 光 的基 础 上 增 加 4个 单 个 L D 即 E  

焦距 和第 二焦 距 为 ( , 0 , 平 椭 圆截 面第 一  6 4 )水

焦距 和第二 焦距 为( . ,0 . 7 24 )  

光 学 系统 , 试屏 幕配光 模拟 结果 如图 9 测 .   2 3 整体 方案模 型  .
如 图 l , 前 照 灯 的三 维 模 型 图 , 部 的 3 0为 上  

个 构成 近光 , 整体 的 7个 构成远 光 , 近光 中的挡 光 
板 下 部 安 装 转 动 装 置 , 用 作 远 光 时 , 挡 光 板 旋  在 将

转 到水平 面 , 提高 能量利 用率 .  

3 结  语   
本 文 中投射式 方案设 计 的 L D汽 车前照 灯 , E  
图 7 水 平 方 向 离焦 距 离 与观 测 屏 上 光 通 量 关 系 
Fi e   gur 7 H orz t l s a c  a y r ion a dit n e wa  fom f u   oc s a d fu   fo e va in n   l x o   bs r to  

近光和远 光测试 屏 幕上 的照度 模拟结 果都 已经 满 
足 GB 4 9 —4要 求 , 灯 体 积 可 以控 制 在 2 0   5 99 整 0 
mm × 10mm × 1 0mm 内 . 着 I D 光 源 性 能  0  0  随   E

I um I t   i    5 I i l l M l 2 I 6饨  I f   M  、 I  1 l A    1 35 _、 l R Cd l lll   5( I  3 3 I et  72 7 l   】 R M S   8q T a 't   62 8l ll 61  ncde tRav    17 3.o{ I ll l    n  9q 4 l i n   F x s

图 8 近 光 测试 屏 幕 照 度 图 
Fi r     T h  lu i nc     h  o b a gu e 8 e il m na eoft e l w  e m 

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第 1期 

余 桂英 , : 射式 L D汽 车前 照灯 的光 学设 计  等 投 E

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表 3 远 光 测 试 屏 幕 模 拟 结 果 与 要 求 限值 
T a e 3 Si ultv   e ulsan  i ia i e v us s o   he h g   a o e v to   bl    m a i e r s t   d lm t tv   al e  ft   i h be m  bs r a in

I ] 海 拉 贸易 ( 海 ) 限公 司.L D在 汽 车 前 照 灯 中 的应 用 E] - 3 上 有 E J.   汽 车 与配 件 ,0 6 7 :62 . 2 0 ( )2 —7   I ] 郑 志 军 . 车 前 照 灯 近 光 灯 系 统 的 比较 I] 照 明 工 程 学 报 , - 4 汽 - . J  
2 0 1 ( :44 . 0 6, 7 2) 4 — 7 

[ ] B   OUGH JD,D RI S    5  UII      E   OF KE J V. Ve ie fr r  hc  owad l l hig:o t z g fr vs it  n cmfr[   N w i t g n pi i  o  ibly a d o o t R] min i i e 
Yo k:Ii h i g Re e r h Ce e ,2 04  r  g tn   s a c   nt r 0 .

E] 江 6

姗 . 明 L D 技 术 标 准 简 述 I] 中 国 照 明 电 器 ,0 7 照 E - . J 2 0 

( ): 3 2 . 2 2 — 5 

E ] NE 7 UMANN R,S   AYE     , RSEM KUB A  EN V,e a t1   .Hih g 
e fce t L f ii n   ED  e d a h a l mp de i   t l g v r u  i h   e f m —   sgn s y i   e s s l tp ror   n g

图 1 前 照 灯 三维 模 型  0
Fi ur   0 T hr e di e i na  od lo   a a p g e1  e — m nso lm e  fhe dlm  

ac E / ] 2 0 —11 ) 2 0 —03 3 h t:/ n e[ B OL .( 0 70—0 [ 0 71 —o   t / www. p  
s e og tc nc 1p p r/ O 70 - 8 4 0 70 — 0 2 0 — a . r / eh i / a es 2 O — 10 7 ,2 0 — 11 / 0 7  a
1 — 0  03 .

的进一 步 提高 , 采用 较 少 的 L D就可 以满足 标 准  E

E ] 郝 允 祥 , 遐 举 , 保 洲 . 度 学 I .北 京 : 京 师 范 大 学  8 陈 张 光 - M] 北
出 版 社 ,9 8 1 716 1 8 :1-2 .  

的要求 , 能实 现 L D前 照灯 的小 巧 多 样 性 , 便 E 真 
正的发 挥 L D光源 绿 色环保 节 能 的优点 . E  
【 参  考  文  献 】  
[] 徐 时 清 , 尚 忠 , 宝 玲 , . 体 照 明 光 源 —— 白光 L D 1  金 王 等 固 E 
的研 究 进 展 E ] 中 国计 量 学 院学 报 ,0 6 1 ( ) 1 81 1 J. 2 0 ,7 3 :8—9 .  
  R V. E] S 2  TEEIE  H ih g  brg t e s   i h n s  IEDS: LED  u o a t mo i e tv  

I ] SVAK M ,s -   I 9   CH0E TTL   E B,T AKAKO  M.Bu o tn  lecne t o  E  eda s n  icmfr gaeJ .A c e t n e— f D ha lmp  ddso ot lr[ ] ci n  vs  L a   - d I
t a i n Qu r e l ,2 0 7 ( 2 2   6. i to   a t r y 0 6, 6 1 ): 2 2   g

[ O  肖文 德 , 新 堂 , 1] 黄 刘

武 . 球 面 透 镜 成像 研 究 及 计 算 机 设  非

计[] 山西大学学报( J. 自然科学版) 2 0 ,3 1 :04 . ,0 0 2 ( ) 4—2  
[1 翁 剑枫 , 1] 杨 赢 . 于 MATL 基 AB语 言 设 计 的 电 生 理 信 号 

分 析 系统 [] 中 国 计 量 学 院 学 报 ,0 6 6 :16 . J. 2 0 ( ) 6-6  

h almp  v lsrt  r e E /  .( 0 51- 1  eda s mo ec e omak t[ B OI o ] 2 0— 10 ) [ 0 70—0 . t / www.aefc s r . o at ls  2 0 —61 ] ht / p: 1sr uwol cm/ ri e/ o d c
a tce ip a . t ? i r il d s l y h ml d= 2 1 5   4   8. 1

[ 2 魏学颜 , 1] 杨受根 , 黄佐 贤, 现 代汽 车灯具 E . 等. M] 北京 : 长 
虹 出 版公 司 ,0 3 6 — 9 2 0 : 79 .  


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