0 引言

　　汽車前照燈系統主要用于夜晚或惡劣環境下的道路照明， 對汽車的行駛安全至關重要。夜間行車時，前照燈不僅要照亮前方道路，為駕駛員提供一個明亮開闊的視野， 還要避免給迎面來車的駕駛員造成眩光。因此，種性能良好的前照燈系統對減少夜間交通事故的發生和促進行車安全具有十分積極的作用。

　　與傳統的前照燈光源相比，發光二極管具有壽命長、體積小、響應快、耗電量低、色溫更接近自然光、抗震能力強和高效節能等優點。近年來，隨著半導體材料及封裝工藝的發展， 大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽車照明領域的應用也在逐漸擴大， 從信號指示燈到現在的汽車前照燈，這反映了LED將會成為汽車照明領域的新型光源主流的發展趨勢。

　　LED芯片的發光模型為朗伯體，其發光特性與傳統光源不同， 另外根據國家汽車行業相應標準，對汽車前照燈的光斑也有特別的要求， 導致LED汽車前照燈的光學設計與以往的光源光學系統設計不同。文中從最新出臺的《汽車用LED 前照燈》(GB25991-2010)國家標準出發，在分析LED 前照燈設計方法的基礎上，提出了LED汽車透鏡的設計方法，該設計方法是基于數值計算的。在透鏡的設計和計算過程中，先能量守恒定理，將LED芯片的發光立體角和照明面上的照明區域進行劃分， 從而在照明面和透鏡的自由曲面間建立起了對應關系， 再基于非成像光學理論， 通過數值計算求解出自由曲面光學透鏡的實體模型， 最后建立光學系統進行光學仿真并對仿真結果進行分析。

　　1 設計原理

　　LED汽車前照燈主要包括近光燈和遠光燈。國家標準要求近光燈不會使道路上其他車輛的駕駛者產生炫目的感覺，它要求有良好的明暗截止線，同時能提供良好的路面照明; 遠光燈是指當車輛前方無其他道路使用者時，所使用的遠距離照明光束。近光燈主要用于城市街道或鄉間小道的照明， 遠光燈主要用于野外或高速公路照明。

　　1.1 近光燈自由曲面透鏡設計

　　如圖1所示， 在近光燈透鏡的設計中， 將LED芯片出射的光分成三束， 一束光在面1發生折射后出射到目標面; 另一束光在面2發生折射和在出射平面發生折射后出射到目標面; 還有一束光在面3發生反射和在入、出射平面發生兩次折射后出射到接收屏。通過這三個自由曲面的作用，將LED芯片發出的光合理地分配到接收屏上， 從而達到國家汽車照明標準規定的光斑分布。

圖1 近光燈透鏡配光示意圖

　　1.1.1 光源立體角均勻劃分

　　相對于整個光學系統LED體積是很小的， 建立光學模型的時候可以把LED 設成點光源，該發光模型為半球型發光，近似為朗伯余弦體，光強分布可描述如下：

　　I(φ)=I0·cosφ (1)

　　光學系統坐標系如圖2所示， 其中以LED的位置為光學系統坐標的原點，LED中心光強的方向為Z 軸的正方向，φ是Z軸與LED發出的光線的夾角，θ為X軸與出射光投射在XOY面的夾角。因此， 對于任意的由θ1，θ2，φ1，φ2所決定的立體角內能量，有：

圖2 LED 光源空間坐標圖