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摘要:发光二极管(LED)前照灯的光学效率低是阻碍LED在前照灯方面应用的最主要的难题之一，本文对一高效LED前照灯镜头设计方法作了介绍。一个近光灯镜头和一个远光灯镜头的设计就是据这一方法。蒙特卡洛射线追踪的仿真结果表明,LED前照灯与这两个镜头可以完全符合ECE监管而且没有任何其他镜头或反射器。此外，在理论上，这两个镜头的光学效率超过88%。49441
1.介绍
LED光源通常用于汽车应用程序，特点包括，可靠性好、节省空间和能源，强度好，不污染环境和寿命长[1]。在最近的几十年，led光源被用在仪表板灯光、室内照明和室外信号照明。
一项研究显示,在晚上的事故率大约是44%[2]。因此,汽车照明系统的照明质量对于安全高效的驾驶来说是至关重要的。LED灯在汽车行业已经广泛使用，现在品牌汽车在他们的新模型使用LED光源已经形成一个趋势。然而,led灯的很少应用于前照灯,主要是由于两个原因:比起传统的单一光源论文网，它的的流量和光学设备效率低下。如果是因为光学设备的效率很低,那么发光二极管需要规范化,这将极大的提高前照灯的电力消耗。由于电能只有一小部分转化为光能,前照灯将带来大量的热量。一般前照灯的安装靠近引擎,因此周围的温度将近80°[3]。如果照明灯生成大量的热量,无疑给冷却系统带来沉重的负荷。除此之外,如果使用更多的led灯,它的尺寸和价格也将增加。因此提高光学效率的光学装置是非常有必要的。一般来说,在投射探照灯中，增加一个挡板来在水平面和测量平面的斜截止线间获取一个小角度15°,由于部分led灯的光线被挡出，所以,这种类型的光学效率前照灯只是大约50%[3]。近年来,随着非成像光学系统的发展,一些LED前照灯光学设计方法参考非成像光学。奥利弗Dross等人基于SMS方法发明了一个优秀的LED前照灯的光学设备[4]。在他们的设计中,近光灯和远光灯的光学效率都超过75%,这已经是目前非常较高的值。此外,和微透镜阵列菲涅尔透镜尝试中使用短焦距光镜头设计[5]。 在这项研究中,我们引入一个新的设计方法,短焦距光镜头和远光镜头,可以完全符合ECE标准，没有任何其他镜头或反射器。通过数值模拟,两种镜头有光超过88%的效率。
2.问题陈述
一般前照灯包括近光灯、远光灯、防雾灯模式。近光灯要求在安全制动距离和不能使对面车道司机眩光在的要求下应该提供尽可能的亮度,在许多的法规中对近光灯都提出了要求。因此,近光灯的光学设计是设计中最困难的部分。图1显示的是ECE对近光灯提出的R112要求[6],它指定在特定的光照强度范围或部分区域以及定义了最小渐变的截止线。
为了避免眩光,对最低梯度的横向截止线是有规定的。在 ECE的R112规定中，通过扫描光照强度在不同垂直角度β(图2)获得G的最大值，将在v-v左边的通常定义为2.5°，公式（1）可计算G点。规定的最低G值是0.13。
通常加一个挡板来获得像这样的一个光束模式；然而挡板将大幅减少光学效率。在现阶段,低光效率给冷却系统带来了沉重的负担和发光二极管占了前照灯总成本的很大一部分。因此,提高前照灯的光效率是非常必要的。在本文中,我们提出一个设计LED的近光灯和远光灯的方案。
3.设计方法
在我们的设计中,灯头是分为两个部分:收集光线和折射光线(如图3中所示)。收集光线是收集LED辐射的光，折射光线是折射收集的光线达到标准要求的值。
3.1光线收集设计
收集光线是用来聚集来自LED灯的辐射。主要有两种方法瞄准光线：全内部单次反射和全内部多次反射镜头镜头(TIR-R镜头或菲涅尔透镜)。当光源可以被当作一个点光源时，TIR-R镜头工作效果很好，但如果光源有一点大小，光线就不能准确校准。然而，用菲涅耳透镜结构可以使扩展光源像达到一个1mm×1mm的LED芯片大小[7]。菲涅耳透镜包括两个部分：内部和外部表面，如图3中示。