２００８年９月
第１９卷第３期
ＺＨＡＯＭＩＮＧＣＯＮＧＣＨＥＮＧＸＵＥＢＡＯ
Ｓｅｐ．２００８
Ｖ０１．１９Ｎｏ．３
蒋金波杜雪李荣彬
（香港理Ｔ大学，工业及系统工程学系，先进光学制造中心）
擒要：随着汽车产业的高速发展和市场的激烈竞争．现代汽车照明系统对发光效率、安全性能、以及美观的要求也越来越高。汽车照明中的自由曲面反射镜及ＬＥＤ照明系统的设计和加工是至关重要的。有别于传统光学系统的设计。汽车照明系统的非成像光学的设计是个多学科、复杂的过程。设计结果的好
坏直接影响到照明系统的发光效率、能耗、以及汽车的安全性能。随着光学系统设计和超精密加工技术的进步，越来越多的光学元件采用了非球面以及自由曲面，汽车照明系统的效率以及性能得以极大的提高。本文阐述了汽车照明的非成像光学系统的设计和超精密加工技术。
关键词：汽车照明系统；ＬＥＤ二次光学器件；自由曲面；非球面；超精密加工技术
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｒｅｅｆｏｒｍＲｅｆｌｅｃｔｏｒｆｏｒ
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＬｉｇｈｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＪｉａｎｇＪｉｎｂｏＴｏＳａｎｄｙＷ．Ｂ．Ｌｅｅ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｏｄｅｒｎａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｒｅｑｕｉｒｅｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｓａｆｅｔｙ，ａｎｄｇｏｏｄａｅｓｔｈｅｔｉｃｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｆｒｅｅ
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Ｆｒｅｅｆｏｒｍｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；Ａｓｐｈｅｒｉｅｌｅｎｓ；Ｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
１背景
目前汽车照明技术的发展非常迅猛。各汽车制造商（还包括供应商及交通法规和标准的制定者）都渴望发展未来流行的照明技术。一个新的照明系统往往需要一个全新的设计理念，并依赖于机械电子部件、光学元件的超精密加工等技术才能成功地推向市场。
在汽车前照方面，和传统的抛物面反射镜加配光透镜的组合相比，采用自由曲面反射镜可以同时实现会聚和配光的功能，这样一来前照灯的灯罩就可以设
・中华人民共和国香港特别行政区政府创新科技署项目资助。项目号：ＧＨＳ／０７３／０４
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计成符合审美要求的不具任何配光功能的保形灯罩，车灯的形状和汽车流线形的形状融为了一体，整体变得非常美观。自由曲面的设计使得前照灯变得更加灵活性和紧凑。
另外，除了自由曲面反射镜，高亮度固态照明（ＬＥＤ）技术在汽车照明中也发挥了越来越重要的作
用。目前已有很多大型的汽车制造商将高亮度的ＬＥＤ应用到产品，例如用于尾部照明的倒车灯、驻车灯、刹车灯、信号灯、转向灯等。相对于电流输入后需要几秒响应时间才可以点亮的传统卤素灯，ＬＥＤ光源的响应时间几乎是零，这对于在后边驾驶的车辆而言更加安全。相对于卤素灯，使用ＬＥＤ光源的组合尾灯可以节省约２００Ｗ左右，只消耗卤素灯所需电能的５０％左右。同时小尺寸的ＬＥＤ光源也给汽车信号系统的设计和封装提供了更高的灵活性。
虽然非成像光学系统可以通过商用软件例如ＡＳＡＰ【¨、ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ【引、ＴｒａｃｅＰｒｏ【引、ＳＰＥＯＳ…、ｌａｍｉｄＳｈａｐｅ…、ＲｅｆｌｅｃｔｏｒＣＡＤ…、以及ＣＡＴＩＡｏ副和Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃ【７１等进行建模和光线追迹，并且设计的曲面可以通过多轴联动的超精密ＣＮＣ数控加工机床，如单点金刚石飞刀铣削、研磨等来加工。然而曲面的设计和加工在很大程度上还是取决于设计和加工人员的经验和技术。根据配光的需要成功地优化自由曲面往往需要更多的人工介入。同样，自由曲面数控程序的编程也是决定曲面加工成败与否的关键。
２ＬＥＤ在汽车照明系统中的应用
沁水阳光农廉网在过去的二十年里，发光二极管（ＬＥＤ）已经成功地打入了汽车照明系统中。虽然刚开始ＬＥＤ只是用于汽车内部的各种指示和表盘，随着８０年代末和９０年代初高亮度ＬＥＤ技术的涌现，这种格局已被打破，ＬＥＤ被广泛地用于汽车外部信号系统的照明已经成为可能。
尤其在９０年代初，更加成熟的ＩＩＩ．Ｖ族和Ⅱ．ＶＩ族如铟镓铝磷（ＩｎＧａＡＩＰ）高亮度ＬＥＤ技术使得ＬＥＤ在汽车信号系统中的市场迅速扩大。到２００４年底已有大约４０％左右的汽车和轻型卡车开始生产基于ＬＥＤ照明的刹车灯。市场的驱动力正是来源于ＬＥＤ的高性能（例如极短的响应时间）、高可靠性以及ＬＥＤ所提供的高度灵活的设计风格。高亮度ＬＥＤ价格的稳步下降最终将导致ＬＥＤ最终会取代传标准的白炽灯泡。
至今为止，ＬＥＤ主要应用在例如刹车灯、驻车灯、
圈ｌ典垂ＬＥＤ信号照明系统的结构
（－）反光杯阵列＋枕形透镜阵列；（ｂ）菲捏尔透镜阵列＋枕形透镜阵列，（ｃ）组合全
反射一折射透镜阵列＋枕形透镜阵列；（ｄ）两个垂直方向曲率半径不一致的枕形透镜
照明工程学报２００８年９月
转向灯、雾灯、倒车灯等汽车信号系统中。典型的ＬＥＤ信号照明系统的结构是由ＬＥＤ光源、准直系统和具有配光功能的灯罩组成。其中准直系统一般为抛物面反光杯、菲涅尔透镜或者是折射一全反射组合透镜阵列。准直系统收集ＬＥＤ光源发出的各个角度的光，将之变为平行光。具有配光功能的灯罩再将平行光变成符合标准（如欧洲的ＥＣＥ标准，美国的ＡＳＥ标准和中国的国家标准）的光型分布。灯罩上面通常有很多枕形透镜阵列。枕形透镜一般是在ＸＹ两个垂直方向曲率半径不一致的超环面，以产生两个垂直方向上不同的光的角度分布，信号照明系统的结构如图Ｉ所示。
对于不同发散角的ＬＥＤ光源，照明系统的结构选择是至关重要的。譬如对于发散角较小的ＬＥＤ光
圈２汽车后窗象状ＬＥＤ刹车灯设计
（１）ｒａｎＯｒｉｓｈｔ９０＊ＬＥＤ建模；（ｂ）条状ＬＥＤ刹车灯设计的建模和光线追述；
Ｃｏ）左侧为计算机模拟的光蛩圈，右饲为ＧＢ￥９２０－－－－９４国家标准
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源，那么准直系统就可以采用凸透镜或菲涅尔透镜阵列。然而对于大发散角例如朗伯分布（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）的ＬＥＤ光源，由于凸透镜或菲涅尔透镜的数值孔径并不是１８００，不能收集从ＬＥＤ发出的所有角度的光，这时采用凸透镜或菲涅尔透镜作准直系统会降低效率。图２为一个汽车后窗条形刹车灯的设计，这里采用发散角为－Ｉ－４５。的高亮度食人鱼ＬＥＤ，准直系统的菲涅尔透镜其数值孔径角也为±４５０，顶部的枕形透镜阵列用来产生符合国家标准ＧＢ５９２０－－９４的光形。图２ｃ的左侧为观察屏设置在２５米远处的计算机模拟的结果，右侧为ＧＢ５９２０－－－９４规定的不同位置的测试点，标有标准要求的最小发光强度。模拟结果在每一个测试点处的发光强度都通过要求所规定的值。
而对于朗伯分布的ＬＥＤ光源或大发散角的ＬＥＤ光源（例如远场角度分布为ＢａｔＷｉｎｇ即蝠翼状的ＬＥＤ）来讲，准直系统宜采用反光杯的形式或采用全反射～折射组合透镜的形式。全反射一折射组合透镜可以使聚光系统设计得效率非常高。图３为一个全反射一折射透镜的设计，共分为３个区域，其中间有一个非球面透镜，为折射区；外边有两个齿状的为折射～全反射区，折射一全反射部分将从ＬＥＤ射出的角度比较大的光线经过一次折射再通过外面的全反射面反射后准直出来。由于它充
分利用了折射和全反射，它可以将ＬＥＤ发出的所有角度的光线都能收集起来。如果不考虑菲涅尔损耗，理论上它可以做到１００％的效率，对于ＬＥＤ来讲，折射一全反射组合透镜是理想的二次光学元件。
图３高效率Ｒ＆ＴＩＲ（折射一全反射）ＬＥＶ二次光学元件
少先队章程在ＬＥＤ的汽车信号系统中，除了上述的常见的结构之外，有的系统直接将准直系统和配光系统组合起来，譬如ＬＥＤ透镜的下表面可以设计为菲涅尔透镜或全反射一折射组合透镜，而透镜的上表面为具有配光功能的枕形透镜。有的系统设计干脆将ＬＥＤ的反光杯设计成同时具有聚光和配光功能的自由曲面复合反射镜，这样外面的配光透镜就可以节省了。
３ＬＥＤ汽车前照灯
尽管至今高亮度ＬＥＤ取得的成就十分显著，但ＬＥＤ还没有真正渗透到汽车的前照市场。直到最近，ＬＥＤ在前照灯中的应用还是被认为有问题的，主要是由于白光ＬＥＤ的功率以及商业效率（性价比）还是偏低、以及输出功率的稳定性、散热、以及价格等诸多问题。但是随着ＬＥＤ高亮度白光技术不断高速地发展，尤其是在过去几年的时间内大芯片面积（１ｍｉｌｌ×ｌｍｍ以上）的高功率氮化镓（ＧａＮ）白光ＬＥＤ芯片的涌现，以及日臻完善的封装技术，汽车前照市场最终还是会接纳它。另外还有一个问题是急需解决的，那就是除了ＬＥＤ发光效率和输出功率的问题外，随着ＬＥＤ
功率的提高，散热的问题也变得越来越突出。由于前照灯的装配靠近汽车的引擎，周围环境的温度很高，所以ＬＥＤ灯散热的问题是必须解决的。还有就是如何设计和加工出符合法规光形的ＬＥＤ光学元件，那也需要相当先进的技术水平的。
木质素纤维汽车前照灯最主要的是安全性。目前国际上有许多不同的标准对汽车前照灯作了大篇幅的规定以确保夜间行驶的安全。主要的两个国际标准有欧洲及日本使用的Ｅ一法（ＥＣＥ），美国使用的联邦汽车安全标准（ＦＭＶＳＳ）。这两个标准都在２００３年做了相应的修改，并且增加了一些新的内容，如加入了自适应前照灯系统方面的规定等。汽车工程师协会照明标准委员会（ＳＡＥ）也制定了一些相应的有关ＬＥＤ前照系统的新标准（Ｊ２６５０．ＬＥＤ道路照明装置）并考虑等时机成熟的时候通过。
对于ＬＥＤ前照灯而言，一个关键的挑战是亮度（即坎德拉每平方米ｅｄ／ｉ）的分布，汽车前照的标准要求不仅仅投在路面上的光需要有多少流明（Ｉｕｌｌ砣ｎ）
的光通量，而且对不同角度的发光强度（坎德拉ｃａ）
照明工程学报２００８年９月
的分布也有严格的规定。标准的汽车头灯用的钨一卤素灯可以产生１０００流明的白光。这要求ＬＥＤ汽车头灯也必须产生足够的光通量满足１０００流明的数目，要满足这么高亮度的照明要求其难度是可想而知的。也就是说如果一个汽车头灯是由８个ＬＥＤ照明单元组成的，那么每个ＬＥＤ照明单元至少需要１２５流明的光通量才能满足总的光通量的要求。以目前的技术水平而言，单个’ＬＥＤ根本不可能有这么高的输出功率。
图４为一个ＬＥＤ前照系统的光学模型。由于单个高功率ＬＥＤ的输出功率还不够高，这里采用了８个ＬＥＤ光源，单个ＬＥＤ的光源为１５０流明。为了充
分利用ＬＥＯ发出的光，ＬＥＤ朝上放置，发光方向和系．统的光路成９００。反光杯为半个椭球面，椭球面有两个焦点，椭球面里边的焦点位于ＬＥＤ放置的位置，椭球面的另外一个焦点位于反光杯的出口处。这样ＬＥＤ发出的光聚焦在椭球光杯出口的位置形成一个很小的聚焦的光斑，此处可以放一个挡光片，将聚焦光斑中不需要的一部分挡住，没有被挡住的光斑形状通过前面的投影镜头投影出来。针对不同标准的光形可以制作不同形状的挡片。由于每个ＬＥＤ照明单元是采用投影方式的，挡片挡住的光斑的边界经投影出来后可以产生明显的明暗截止线，所以容易设计出符合ＥＣＥ或ＳＡ
川音绵阳艺术学院Ｅ等标准的光形。
图４投影型ＬＥＤ汽车前照灯
４自由曲面汽车前照灯反射镜
因为定制的自由曲面反射镜可以符合汽车前照严格的光形要求，相比于传统的抛物面加配光镜的结构，自由曲面反射镜更加高效、灵活和紧凑。所以自由曲面反射镜的前照系统的设计和加工技术在最近的几年内也得到了迅猛的发展。自由曲面反射镜可以直接提取灯泡中６０％以上的光通量并投射到路面，可以将反光面最大效率地利用起来。因为反射镜是自由曲面的，曲面的形状是根据配光的光形的要求来设计，所以反射镜本身直接实现了配光的功能，而不需要在前面再加一块配光透镜。好的自由曲面反射镜的设计可以有效地减小散射和不需要的反射损失，并避免给对面行驶的车辆造成眩目。
自由曲面前照灯反射镜对传统的金卤灯灯泡以及ＨＩＤ（高强度气体放电灯）灯泡，如飞利浦Ｄ２Ｒ灯泡都非常适用。图６为一个自由曲面前照近光灯的设计，设计中使用的光源为Ｈ．金卤灯，设计基于边界光线原理（Ｅｄｇｅ—ＲａｙＰｒｉｎｃｉｐｌｅ）¨１，为了便于配光，曲面划分为许多个小曲面片，每一曲面片都会产生各自的配
汇兑损益
光，所有曲面片产生的光形叠加后将产生一个符合国
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