引言

汽车前雾灯作为汽车照明功能灯具，主要用于改善在雾、雪、雨或尘埃等能见度低的恶劣气象条件下道路的照明。前雾灯不仅可以警示行人，也可以起到照明作用，对于提高汽车主动安全性具有至关重要的作用，因此汽车前雾灯设计是汽车灯具设计重要研发领域。传统前雾灯一般采用H1灯泡或者H3灯泡作为光源，由于光源辐射高，效率低，造成了大量的能量消耗和环境污染，已不能满足汽车对照明系统节能环保的要求。LED具有体积小、高功率等优点，使车灯的造型更加自由多变，因此，目前在汽车照明系统中，不管是内部照明还是外部照明，LED均有大量的使用。近年来，随着LED发光效率的提高，汽车照明对于器件可靠性要求的提高及LED封装技术的成熟，大功率芯片和多芯片的出现使得汽车照明的高功率要求得到很好的满足。因此，LED将会逐渐取代传统卤素灯泡成为汽车照明使用的新一代光源。汽车前雾灯的光通量及配光性能好坏直接影响到车辆和行人的安全，光源的光通量表征光源的发光能力，是光源能效评价的重要指标，对于产品质量控制非常重要。汽车前雾灯的安装位置相对较低，法规要求的亮度很高，出射的光线能够很好地弥补近光灯和远光灯在车前无法照明的暗区，同时，越来越多的前雾灯承担着转向的辅助功能，即在转弯时，前雾灯打开，照亮视野的盲区。总而言之，前雾灯在雾天等恶劣天气下不仅可以提高驾驶员的行车安全，避免交通事故的发生，还可以警示行人，起到照明作用^[1-3]。

汽车灯具的配光设计是影响汽车照明质量和效果的关键因素。目前，国内外的汽车前雾灯大多采用卤素灯泡作为光源。为满足节能、环保及智能化的汽车产业发展方向，我国在“十一五”期间对LED汽车灯进行了重点部署和研发，常州星宇车灯有限公司及吉林东光瑞宝车灯有限公司分别承担并完成了相应的课题研究^[4]。目前，LED汽车灯被越来越多的车型采用，国内生产的部分或全部采用LED光源的汽车灯具已达到60%以上，LED汽车前照灯的年产量达20万套以上。为满足LED灯的需求趋势，飞利浦、德国Osram以及日本、韩国等知名公司纷纷推出了模块化的LED组件，已逐步开始运用到国内生产的单一模块的前灯、分布式近光灯及雾灯产品上。

因此，本文基于LED光源特点，设计了一种以LED作为光源的反射式前雾灯光学系统。该光学系统包括光源、自由曲面、装饰框及灯壳。基于非成像光学，结合Snell定律，建立LED光源经自由曲面反射后的出射光线角度与照明屏幕上坐标的对应关系。设计自由曲面并合理划分其区域，调整各个基础面的扩散角度，采用蒙特卡洛光线追迹方法进行仿真模拟，模拟结果及实物光域扫描结果均表明，配光结果完全满足法规要求。

1   LED前雾灯设计模型

1.1   前雾灯配光标准

车灯的配光标准主要使用数字量化来表示车灯的照明效果，并依据法规标准进行分析。汽车前雾灯国内外主要标准体系有：我国的GB标准、欧盟ECE法规、美国的SAE标准及澳大利亚的ADR设计规则等，我国根据实际道路情况主要参考ECE配光标准^[3]。

ECE R19/04法规中对B级前雾灯和F3级前雾灯的规定是：B级前雾灯光源为灯丝灯泡，F3级前雾灯光源为灯丝灯泡、气体放电光源和LED光源。我国目前采用的标准是2016年发布的《机动车用前雾灯配光性能》(GB4660-2016)。前雾灯标准规定，前雾灯的配光光束应在照准屏幕上V-V线左右两侧，超过5°的宽度范围内产生一对称且大致水平的明暗截止线，以进行目视垂直调整，其配光性能在距离前雾灯基准中心前25 m处，配光屏幕上照度测量的有效区域，应包含在边长为65 mm的正方形内^[5]。

F3级前雾灯的配光图如图 1所示。其测量范围包含点1-10、线1- 7、线8 L、线8 R、线9 L、线9 R和区域D。F3级前雾灯较B级标准，测量范围由区域细化到点、线，要求更广也更加细致。

图  1  F3级前雾灯配光屏幕

Figure  1.  Light distribution screen of automotive F3-class front fog lamp

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2   模拟结果和实物配光

2.1   设计过程

2.1.1   划分子块，分段设计

根据灯丝映像法，灯丝成像在配光屏幕上相互叠加的原理，单一的反射面无法满足配光要求，需按照设计分成若干基础面，如图 2所示。本设计采用了3颗LED，根据需要将反射面分为12块子块。为了使3个反射面点亮效果一致，每颗LED反射面对应分块的扩散角度基本保持一致。其中Ⅰ区距离LED中心位置较远，光线利用率较低，负责打在屏幕左侧区域，保证L9、L8左端有足够光强。对应的Ⅳ区负责打在右侧区域。Ⅱ区和Ⅲ区距离LED位置较近且面积较大，负责左右扩散，使光型变宽。在设计中，为了避免周围结构遮挡损失光线，采用上下及左右交叉打光以提高光学系统的利用率^[5]。同时，每个子块都需向下压低光线，以形成-1°上的清晰的明暗截止线。

图  2  区域功能划分

Figure  2.  Regional function division

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2.1.2   交互式光线分析，修改参数

将以上基础面、子块参数及光源参数输入到LucidShape中，通过光线追迹可以得到25 m远的配光屏幕上照度分布图。通过修改各个面的扩散角度等参数，并采用蒙特卡洛计算方法进行光线追迹，不断优化，直至前雾灯照度在配光屏幕上的分布满足标准要求。

2.2   自由曲面设计基础

自由曲面是根据入射光矢量和出射光矢量的关系变化式求得入射点的曲率，然后根据所有已知曲率和边界条件来求得所需的曲面。利用能量守恒思想，以及光源和照明面对应点的映射进行光学设计，通过对网格的细化得到更加精细的结果^[6-7]。

以LED光源中心作为坐标原点建立坐标系，Z轴为LED出光方向。其反射定律的矢量形式可以表示为

式中：In、Out、N均为坐标形式的向量；In表示为入射光线单位向量；Out表示出射光线单位向量；N表示单位法向量。

在对自由曲面反射面进行设计时，假设从LED出射的光线与Y轴之间的夹角为φ，且与自由曲面相交于B点，经过自由曲面反射后与屏幕相交于C点，H=25 m表示屏幕与光源之间的距离，如图 3所示。那么入射光线单位向量In和出射光线单位向量可以表示为^[8-9]

图  3  自由曲面与入、出射光线的几何关系

Figure  3.  Geometric relation between free form surfaces and entering and exiting rays

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式中Z′(i)表示屏幕上照明区域的横坐标。结合Snell定律可以求出点B的单位法向量N(a, b)^[10]:

式中：$\mathit{\Delta = }\sqrt 2 \sqrt {1 - \mathit{\boldsymbol{Out}} \cdot \mathit{\boldsymbol{In}}} $。

在求解过程中，计算出入射光线与反射面初始点B₀的法向量N₀，就可以确定该点的切平面S₀，该切平面与下一条入射光线In₁相交，得到相交点B₁。以此类推，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得到下一点，通过计算机迭代可以得到反射面上所有离散点^[7]。

2.3   设计结果模拟

LED光源的选择是LED汽车车灯光学设计的关键，应该从结温、热阻、色温、电压、电流等多个方面进行权衡^[10]。选择结温较高且散热较容易的LED芯片，并要求LED芯片效率高、功率大、可靠性高、热阻小，色温在3 000 K~6 000 K，光学、光电参数需稳定且保持一致，光强衰减不超过20%^[11]。

本设计选取OSRAM OSLON Black Flat系列，型号为LUW H9QP-6M8M-1，亮度Bin选用160 lm，该LED光源光色为白色，工作温度范围为-40℃~125℃，最大结温为150℃，发光角度为120°，色坐标符合GB标准。该类型号LED利用先进的封装技术，将芯片直接放置于封装中，使得光型中能够生成清晰的明暗边界，从而在路面形成均匀分布的光斑，实现良好的对比度。

最终得到模拟结果如图 4所示。发光强度最大值为4 070 cd，该前雾灯光学系统效率为38%，具有清晰的明暗截止线，由光型分布情况可知前雾灯的光型分布满足GB4660-2016标准要求。利用LucidShape LID自动检测组件检测各个测试点满足标准要求。

图  4  模拟发光强度光型图

Figure  4.  Diagram of light intensity simulation

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众所周知，前雾灯设计原则是能够确保照明充分且不炫目，ECE R19(ECE R19配光标准和GB4660-2016标准基本一致)配光标准对相关测试点都有着严格的要求和定义。根据GB4660-2016规定，L8、L9左端和右端只需至少一个点满足对应的发光强度即可，由于前雾灯为双侧对称灯具，我们只需使左灯保证L8、L9左端有足够的光强，右灯右侧有足够光强。如表 1所示，除了L8、L9右侧测试点不满足外，其他各点都满足标准要求。

表  1  各测试点发光强度

Table  1.  Light intensity of each test point

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2.4   实物加工及配光测试

对于汽车照明的光学组件，大多数是非轴对称的片状自由曲面。组件上有些部分的角度比较尖锐，用传统的车-抛光的加工方法很难确保面型的高精度以及很好的表面粗糙度。为了加工各种不同形状、非轴对称的自由曲面，可以采用多轴联动的单点金刚石加工技术进行加工^[12]。自由曲面汽车照明光学组件设计的结果可以转换为IGES的文件格式，并进行虚拟加工仿真，确保无差错后，再输入机床程序进行复杂的自由曲面加工。根据以上设计及单点金刚石加工技术对前雾灯自由曲面进行加工，将加工完的自由曲面进行镀铝处理，以提高光学反射效率及装饰作用，如图 5所示。

图  5  汽车前雾灯

Figure  5.  Automotive front fog lamp

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光学组件加工完成后，通常采用三坐标机进行坐标测量。三坐标测量机主要由测头探针、运动控制系统、数据采集系统和分析软件组成。将光学组件放置在三坐标机上可以测量的空间范围内，用测头采集信号。测头是一种传感器，当测头上的测针沿着样件表面逐点运动时，通过反作用力使测针发生变形，通过传感器将变形信息传到与之相连的计算机上并记录，显示空间的三维坐标，再通过一系列的数学运算，求得所需结果。其中得到大量密集、散乱的测量点称之为“云点”。

利用汽车灯具配光机对实际加工的前雾灯进行光域扫描，测量装置为LMT GO-H-1660，如图 6所示。

图  6  旋转测试法对各测试点测量装量

Figure  6.  Measurement of each test point by rotation testing method

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通过光域扫描之后得到实物整体光型及各个测试点发光强度，如图 7和表 2所示。

图  7  实际发光强度光型图

Figure  7.  Diagram of actual light intensity

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表  2  配光标准判断

Table  2.  Judgement of light distribution standard

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本测试装置经中国测试技术研究院在光轨上调试检测，测光探头的相对误差均小于(或等于)±1.5%，达到标准级。通过实物测试结果及标准可以看出，点P₁-P₉、线L₁-L₉及区域Zone D实际测量值在考虑仪器的相对误差后，还是具有很大的裕度，各点、线及区域测试值可以满足标准要求。前雾灯光学系统最大发光强度I_max为4 380 cd, 光通量为266 lm, 具有清晰的明暗截止线。该设计可以满足标准可视角要求，无需在灯壳上设计花纹。为了使造型更加美观，在侧壁上增加横条花纹，同时也拉宽了上下光型宽度。通常情况下，实际得到的光效率为模拟值的20%，该前雾灯实际测试结果达到模拟值的52.7%，且结构简单，成本较低。

3   结论

基于非成像光学理论及Snell定律，设计了一种独立自由曲面反射式前雾灯光学系统。并对汽车前雾灯的光通量以及配光性能进行研究，通过软件仿真分析和实验验证，所设计的汽车LED前雾灯满足GB4660-2016要求。