0 引言

随着汽车数量的增多，交通安全越发引人关注，尤其是在夜间，重大伤亡交通事故频繁发生。据统计，国内夜间行驶量不到总量的1/3，却造成了70%以上的交通事故[1]。事故原因主要有：夜间的光线差、照明不良及会车时远光使用不当造成驾驶员眩目，其中远光使用不当占40%。因此，解决行车过程中远光引起的眩目，对提高夜间行车安全性，降低驾驶疲劳具有重要的意义[2-5]。

汽车远光防眩目方法可分为被动式防眩目法和主动式防眩目法。被动式防眩目法是在人眼处、前挡风玻璃处或其他光线传播过程的某处，对远光光线进行过滤或吸收处理以防止驾驶员眩目。主动式防眩目法实现远光初精细的照明区域控制，产生暗区避免炫目。本文作者介绍的反射矩阵式LED远光装置属于主动式防眩目法，通过9颗LED光源，按矩阵方式排列成LED阵列，在点亮时分别发射光束，这些光束经各自对应的光学反射镜反射，沿着各主照射方向在前方形成光亮区域，这些光亮区域可组合成预定的光分布(远光分布)。此模组有两种工作状态：当所有的LED都接通时，为普通远光照明状态，此时光分布满足法规GB -2010要求；而当关闭一个或几个LED时，可以在前方特定的区域(来车或前车区域)形成“暗区”，此时为自适应无眩目远光照明状态，满足ECE R123要求。

1 前照灯远光配光系统设计

1.1 整体设计

该配光系统由9颗LED光源及6块自由曲面反射镜构成，其中LED光源按矩阵阵列排放，且每块反射镜对应1～2颗LED。

图1为左、右前照灯配光系统及其功能的示意图。

图1 前照灯配光系统及其功能的示意图

其中L为反射镜；S为光源；H-H线表示水平方向；V-V线表示垂直方向。由图1可见，左、右两个前照灯配光系统各有9颗LED发出光束，经由各自对应的反射镜反射，可在前方呈现9个光亮区域，组合形成远光分布。

1.2 反射镜种类的选取

汽车前照灯的反射系统一般可分为两种：抛物面反射式和自由曲面反射式。由抛物面的性质可知，当光源置于抛物面反射镜的焦点附近时，光源发出的光线经由反射镜反射，会沿着与抛物面主轴近乎水平的方向出射，即抛物面可将空间立体角内全部的光能量汇聚，以平行光出射，如图2所示。为实现照明区域分布，抛物面反射镜还需要配合配光镜。

自由曲面式反射镜上可分为多个子面，且各子面间曲率不连续或焦点不同。如图3所示，自由曲面与抛物面的区别在于，自由曲面可同时达到光线的偏移和散射目的。此矩阵LED远光模组中各反射镜对应一颗或两颗LED，即有两个焦点，且其出射的角度和展宽均不同，因此反射镜采用自由曲面式设计。

自由曲面反射镜的设计步骤为：(1)光源模拟的选取，导入光源；(2)基面选取及基础面的划分，根据实际配光需求对基础面进行划分；(3)各子面的光型精细调整，使边缘截止线清晰、光型方正且分布均匀。(4)各子面间的光顺与衔接。(5)设计的反射面输出到三维造型软件。

图3 自由曲面反射镜截面图

图2 抛物面反射镜截面图

1.3 自由曲面反射镜设计原理

图4为自由曲面反射镜光线追迹原理图。其中点O为光源中心点，点P为光源发出的一束光线与自由曲面反射镜的一个交点。假设点O的坐标为(xO，yO，zO)，则其发出的光线的空间方程可表示为

式中：s为OP之间的距离；α、β、γ分别为点O发出的光线沿x轴、y轴、z轴的方向余弦。定义反射镜曲面在点P处的单位法向量为N(αN,βN,γN)时，则反射光线单位方向向量为

式中:iO为光线的入射角，则有：

当已知点P的坐标(xP，yP，zP)，又可求得经反射镜反射后的光线空间方程：

式中：s1为点P到屏幕上目标点Q的距离值。由式(1)—(4)可知，一旦反射镜面的位置及形状固定，点O至反射镜曲面任一点的单位方向向量、距离和其在反射镜曲面的单位法向量都已确定，由点O坐标可计算得到点P的坐标值，再确定前方测试屏幕的距离，即可获得点Q坐标值。

图4 自由曲面反射镜光线追迹原理图

1.4 反射镜校准设计

在LED光源贴片时，总会存在误差，即光源离焦量，离焦量对光线偏移的影响较严重，因此必须进行LED的容差分析，以二维抛物线为例进行分析，如图5所示。

图5 离焦量对光型偏移影响