一种自适应远近光一体led多模组前照灯的制作方法

一种自适应远近光一体led多模组前照灯的制作方法
【专利摘要】一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，包括远近光随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控制系统；所述远近光随动自适应光型控制系统包括LED光源模组阵列，所述LED光源模组阵列包括若干LED光源模组，其中包括两个以上相互平行设置且光轴与车身中心平行的LED光源模组形成直行光源，包括一个以上设置在直行光源外侧且光轴与车身中心呈锐角夹角的LED光源模组形成转向光源，转向光源中的LED光源模组的光轴与车身中心之间的夹角从内往外依次增大。通过设置多个独立的LED光源模组作为前照灯，车辆在直行或转弯时，通过控制不同的LED光源模组点亮，从而达到实现直行时的远近光光斑和转弯时的光型随动，以获得更好的光照角度。
【专利说明】
一种自适应远近光一体LED多模组前照灯
技术领域
[0001] 本发明涉及LED领域，尤其是一种自适应远近光一体LED多模组前照灯。
【背景技术】
[0002] 汽车前照灯是汽车照明系统中的重要组成部分，为汽车行驶提供主动的安全防 护。大功率白光LED(Light Emitting Diode)以其体积小、光效高、响应快、节能环保和结构 稳定等优势，正逐步发展为汽车前照灯的新一代绿色光源，采用LED光源替换传统光源，是 汽车前照灯技术发展的必然趋势。
[0003] 传统前照灯受传统光源360度发光的影响，光线的利用率较低且容易产生眩光，为 提高照明光通量往往还需增加补光单元才能达到较好的道路照明效果，出现光效低、体积 大和眩光严重等情况，然而，采用LED可以提高光源的光线利用率并减少眩光，还可以大大 缩小前照灯的体积提升美观性。从近年来LED前照灯产品化的情况来看，大部分LED前照灯 都通过单独设计远光灯和近光灯，或者采用多个光学单元相互补光的方式实现前照灯系统 的设计。因此，本设计提出一种前照灯一体式的光学设计方案，将远光和近光功能集成到同 一个光学系统中，实现LED远近光一体前照灯的设计。
[0004] -体化前照灯设计较好地解决了集成化问题，但是在道路照明智能化方面还有不 足，面对不同道路环境的适应能力不足。随着汽车智能化技术的发展，汽车照明系统智能化 将是未来的发展方向。由于LED具有响应速度快和易于控制等特点，相比传统光源更容易实 现智能化控制。虽然在传统光源前照灯系统中也有基于自适应系统AFS(Adaptive Front-lighting System)的前照灯，但是其主要通过随向转动技术在行驶过程中调整灯头上下、 左右的照射方向，或者通过不同截光装置产生的不同光型，以上两种方式主要通过机械方 式实现自适应照明，在功能方面有较多不足之处，智能化程度不高。为此，本设计提出一种 基于LED光源模组阵列的自适应光型控制系统、自动补偿光和色温控制系统，提高前照灯的 智能化程度，实现不同道路环境的照射要求。整个系统实现模组化设计，结构简单，控制方 便。

【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，提 高灯具的集成化和智能化，结构简单，体积小，制造成本低。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种自适应远近光一体LED多模组前 照灯，包括远近光随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控制系统；
[0007] 所述远近光随动自适应光型控制系统包括LED光源模组阵列，所述LED光源模组阵 列包括若干LED光源模组，其中包括两个以上相互平行设置且光轴与车身中心平行的LED光 源模组形成直行光源，包括一个以上设置在直行光源外侧且光轴与车身中心呈锐角夹角的 LED光源模组形成转向光源，转向光源中的LED光源模组的光轴与车身中心之间的夹角从内 往外依次增大;直行光源比转向光源靠近车身中心；当车辆正常行驶时，直行光源点亮；当 车辆夜间会车时，关闭直行光源中的一个或多个LED光源模组以减弱直行光源光照强度;当 车辆夜间转弯时，点亮转向光源中的一个或多个LED光源模组;所述LED光源模组包括第一 LED光源、与第一 LED光源配合的第一曲面反射器、第二LED光源、与第二LED光源配合的第二 曲面反射器和凸透镜，单独点亮第一LED光源时，LED光源模组打出近光光型，当第一LED光 源和第二LED光源同时点亮时，LED光源模组打出远光光型；
[0008] 所述补偿光系统包括若干位于远近光随动自适应光型控制系统上方的上偏光辅 助补光单元和若干位于远近光随动自适应光型控制系统下方的下偏光辅助补光单元;所述 上偏光辅助补光单元包括上偏光LED光源和上偏光反光面，上偏光LED光源位于上偏光反光 面的底部，上偏光LED光源发出的光线经过上偏光反光面的反射，使得出光角度的分布区域 与地平面的成6~10°，来自动补偿车辆在减速、重载或爬坡时的光照区域;所述下偏光辅助 补光单元包括下偏光LED光源和下偏光反光面，下偏光LED光源位于下偏光反光面的顶部， 下偏光LED光源发出的光线经过下偏光反光面的反射，使得出光角度的分布区域与地平面 的成6~10°，来自动补偿车辆在减速和下坡时的光照区域。
[0009] 本发明通过设置多个独立的LED光源模组作为前照灯，车辆在直行或转弯时，通过 控制不同的LED光源模组点亮，从而达到实现直行时的远近光光斑和转弯时的光型随动，以 获得更好的光照角度。偏光补偿系统专门针对车辆在加速或减速，重载，爬坡和城市道路的 行驶。
[0010] 作为改进，所述第一 LED光源和第二LED光源均包括LED芯片、线路板和散热器，所 述线路板安装在散热器上，所述线路板的中间镂空，所述散热器上对应线路板镂空处形成 安装平面，所述LED芯片固定在所述安装平面上;所述线路板表面设有焊盘，所述LED芯片通 过金线与焊盘连接;线路板的镂空处与安装平面形成凹槽，所述凹槽内填充有荧光硅胶。
[0011] 作为改进，第一 LED光源和第二LED光源的制造方法包括以下步骤：
[0012] (1)在散热器的顶部预加工出一个安装平面；
[0013] (2)将线路板中间镂空并贴合在散热器上，镂空处与预加工出的安装平面对应；
[0014] (3)在线路板的表面设置焊盘，焊盘采用表面沉金处理；
[0015] (4)将若干LED芯片按串并方式置于线路板中间镂空区域处的散热器安装平面上， 粘接LED芯片的粘接剂使用导热系数25W/m*k的银胶；
[0016] (5)将LED芯片串并线路的正负极与线路板上的焊盘连接；
[0017] (6)将高反射有机胶沿线路板注胶孔灌入镂空处，使LED芯片周围至线路板镂空周 围区域全面覆盖，灌胶量不超出LED芯片表面，加热使胶体固化；
[0018] (7)将荧光粉硅胶的混合物灌封LED芯片和金线；
[0019] (8)加温固化LED封装胶。
[0020] 本发明LED芯片直接与车灯散热器连接进行散热，减少热阻极大的降低的LED芯片 的结温，LED的体积可以做得更小，能够实现本发明放置多个LED光源模组的目的。高反射有 机硅材质有效减少不必要的光损失，大幅度提高指向性范围内的光能量。
[0021] 作为改进，所述第一曲面反射器的设计方法包括以下步骤：
[0022] (1)划分LED光源立体角：将LED设为坐标原点，α为出射光线与X轴组成的平面与 Χ0Ζ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角;对光源的立体角进行均匀离散化，把α等分成i 份，对于每一个α，都将β等分成j份，得到a (i)和β( i，j)的数组；
[0023] (2)划分接收面网格:根据配光要求，对应于光源立体角的划分，接收面的直角坐 标也相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j份，在接收面直角坐标系中 得到与光源立体角中a(i)和i3(i，j)数组一一对应的x(i)和y(i，j)数组；
[0024] (3)计算自由曲面上离散点的坐标:设给定的光源的光通量为Q，因为使用的LED光 源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，朗伯光源的中心光强为1〇，由与光源中心 轴夹角为αι与光源中心轴夹角为α 2的入射光线之间的能量可以表示为：
[0025]
(1)
[0026]每一小份立体角内的光通量为：
[0027]
(2)
[0028] 由于每一小份立体角内的取值是已知的，那么根据公式（1)，（2)计算出中心光强 1〇和每一小份立体角内的能量值大小；
[0029]在目标照明区域水平线下的部分，每一份α角所对应的是一个长为y(i，j+l)-y(i， j)，宽为x(i+l)-x(i)的矩形区域，每个矩形区域的总能量为：
[0030] Etotali = Ec · [x(i+l)_x(i)] · [y(i，j+l)_y(i，j)] (3)
[0031] 式中，E。表示照度值，由于区域i、n、m、iv区域的照度值各不相同，故预设照度E， 照度控制因子γ，对于不同区域有：
[0032] EC = E · γ (k) k=l,2,3,4 (4)
[0033] 其中0彡γ (k)彡l，k的取值与Ι、Π 、m、iv区域--对应，且γ (k)值各不相同，需 根据模拟结果在计算中不断调整以达到标准的要求;在目标照明区域水平线上的部分，划 分时存在三角形区域，其高为y(i ,.i+l)-y(i ,.i)，底边为x(i+l)-x(i)，该区域的总能量为：
[0034]
(5)
[0035]在不考虑能量的损耗的情况下，LED光源发出的能量等于接收面上接收到的能量， 由能量守恒定律可得：
[0036] Energy = Etotali+Etotal2 (6)
[0037] 假设光线在与反射器作用时发生全反射，由折反射定律可得到自由曲面上点的法 向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上下一点的 坐标。折反射定律的矢量形式可表示为：
[0038]
(?)
[0039] 其中η为折射率，这里η取值为1，瓦、g、j为入射光线单位向量、出射光线单 位向量、单位法向量；
[0040] 在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，由这个初始点算出一条边界曲 线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点计算出整个自由曲面。
[0041] 本发明独立的远近光一体的汽车前照灯发光单元，采用两个独立的LED光源与对 应的反光曲面配合，形成远近光型，无需附加机械结构来调整遮光板，只需通过俩个混成扫 略的反光曲面以及两个光源的迭代就可形成ECE法规要求的汽车前照灯的远近光光型，精 准的散热结构和新颖的反光曲面的组装结构简单可靠紧凑，LED的光效得到了最大限度的 利用，高效节能，可适用于各种不同车型的大前灯的LED矩阵光源设计。
[0042] 作为改进，所述第二曲面反射器的设计方法包括以下步骤：
[0043] (1)划分接收面网格:远光照度要求，中心处应具有较高亮度，并向周围逐渐减弱， 将接收面的直角坐标也相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j份，在接 收面直角坐标系中得到与光源立体角中a(i)和iKi，j)数组一一对应的X(i)和y(i，j)数组；
[0044] (2)照度控制因子设置：由于远光要求中心照度高，并向周围逐渐减弱，所以所划 分网格环线设置照度控制因子，对于不同环线有：
[0045] EC = E · y (k) k=l,2,3,4；
[0046] (3)计算自由曲面上离散点的坐标:设给定的光源的光通量为Q，因为使用的LED光 源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，朗伯光源的中心光强为1〇，由与光源中心 轴夹角为αι与光源中心轴夹角为α 2的入射光线之间的能量可以表示为：
[0047]
(1)
[0048]每一小份立体角内的光通量为：
[0049]
(2)
[0050] 由于每一小份立体角内的取值是已知的，那么根据公式（1)，（2)计算出中心光强 1〇和每一小份立体角内的能量值大小；
[0051] 在目标照明区域水平线下的部分，每一份α角所对应的是一个长为y(i，j+l)_y(i， j)，宽为x(i+l)_x(i)的矩形区域，每个矩形区域的总能量为：
[0052] Etotali = Ec · [x(i+l)_x(i)] · [y(i，j+l)_y(i，j)] (3)
[0053] 式中4。表示照度值，由于区域1、11、111、1￥区域的照度值各不同，其中0彡丫（1〇彡 l，k的取值与I、n、m、IV区域一一对应，且y(k)值各不相同，需根据模拟结果在计算中不 断调整以达到标准的要求；
[0054]在目标照明区域水平线上的部分，划分时存在三角形区域，其高为y(i，j+l)_y(i， j)，底边为x(i+l)-x(i)，该区域的总能量为：
[0055]
(5)
[0056]在不考虑能量的损耗的情况下，LED光源发出的能量等于接收面上接收到的能量， 由能量守恒定律可得：
[0057] Energy = Etotali+Etotal2 (6)
[0058] 假设光线在与反射器作用时发生全反射，由折反射定律可得到自由曲面上点的法 向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上下一点的 坐标。折反射定律的矢量形式可表示为：
[0059]
(7)
[0060] 其中η为折射率，这里η取值为1，石、灵为入射光线单位向量、出射光线单 位向量、单位法向量；
[0061] 在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，由这个初始点算出一条边界曲 线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点计算出整个自由曲面。
[0062]作为改进，得出的自由曲面的模型建立方法:通过前面所述设计方法，迭代计算出 自由曲面反射器的离散坐标点，将些离散点保存为文本文件并导入三维制图软件 SolidWorks中，拟合成为平滑的曲面，得到反射器的实体模型，并将其导入光学仿真软 Lucidshape中，设置好透镜的材料属性、光源的属性以及接收面的属性，对所得的模型进行 光线追迹。
[0063]作为改进，所述LED光源模组阵列一共设有七个LED光源模组，其中三个LED光源模 组为直行光源，四个LED光源模组为转向光源。
[0064]作为改进，所述转向光源的四个LED光源模组中，从内往外依次与车身中心线的夹 角为 13~17°、17~21°、28~32° 和40~44°。
[0065]作为改进，色温控制系统包括若干前雾灯LED光源，所述前雾灯LED光源包括色温 为2700K的LED、色温为7000K的LED和雾灯反光杯。
[0066] 作为改进，前照灯还包括闭环自适应随动控制系统，其包括车身感应器组、车身总 控mj和前照灯AFS分系统AU，车身感应器组与车身总控mj连接，车身总控mj通过前照灯 AFS分系统AU控制远近光随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控制系统;所述车身 感应器组包括车身速度感应器、车身倾角/转角感应器、车身重载感应器、车身路况震动感 应器、方向盘转角感应器、下雨量感应器、雾霾/下雪感应器和闹市环境感应器。
[0067] 本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
[0068] 本发明通过设置多个独立的LED光源模组作为前照灯，车辆在直行或转弯时，通过 控制不同的LED光源模组点亮，从而达到实现直行时的远近光光斑和转弯时的光型随动，以 获得更好的光照角度。偏光补偿系统专门针对车辆在加速或减速，重载，爬坡和城市道路的 行驶。本发明独立的远近光一体的汽车前照灯发光单元，采用两个独立的LED光源与对应的 反光曲面配合，形成远近光型，无需附加机械结构来调整遮光板，只需通过俩个混成扫略的 反光曲面以及两个光源的迭代就可形成ECE法规要求的汽车前照灯的远近光光型，精准的 散热结构和新颖的反光曲面的组装结构简单可靠紧凑，LED的光效得到了最大限度的利用， 高效节能，可适用于各种不同车型的大前灯的LED矩阵光源设计。
【附图说明】
[0069]图1为前照灯结构示意图。
[0070]图2为LED光源模组立体图。
[0071]图3为LED光源模组剖视图。
[0072]图4为汽车正常行驶时LED光源模组阵列点亮的示意图。
[0073]图5为车速80~120千米/小时转弯时LED光源模组阵列点亮的示意图。
[0074]图6为车速40~60千米/小时转弯时LED光源模组阵列点亮的示意图。
[0075]图7为车速30千米/小时转弯时LED光源模组阵列点亮的示意图。
[0076]图8为图6为车速20千米/小时转弯时LED光源模组阵列点亮的示意图。
[0077] 图9为上下偏光补光单元配合LED光源模组的示意图。
[0078] 图10为闭环自适应随动控制系统结构框图。
[0079] 图11为LED光源空间坐标图。
[0080] 图12为近光接收面网格划分。
[0081 ]图13为远光接收面网格划分。
【具体实施方式】
[0082]下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
[0083] -种自适应远近光一体LED多模组前照灯，包括远近光随动自适应光型控制系统、 补偿光系统和色温控制系统。
[0084] 如图1所示，所述远近光随动自适应光型控制系统包括LED光源模组阵列1，所述 LED光源模组阵列1包括七个LED光源模组，其中靠近车身中心的三个LED光源模组相互平行 设置且光轴与车身中心平行组形成直行光源11;其余设置在直行光源11外侧的四个LED光 源模组组成转向光源12，转向光源12中的LED光源模组的光轴与车身中心之间的夹角从内 往外依次增大，所述转向光源12的四个LED光源模组中，从内往外依次与车身中心线的夹角 为13~17°、17~21°、28~32°和40~44°。本发明汽车前照灯共由7个前面专利所描述独创 的远近光一体式模组组成LED光源阵列。光源阵列中的每个独立远近管模块可以单独控制 驱动(可以同时或点亮其中的几个发光单元通过光线的叠加来满足不同车况下的可视区域 的照明强度和宽度的要求）。
[0085] 如图1、9所示，所述补偿光系统包括若干位于远近光随动自适应光型控制系统上 方的上偏光辅助补光单元2和若干位于远近光随动自适应光型控制系统下方的下偏光辅助 补光单元3;所述上偏光辅助补光单元2包括上偏光LED光源和上偏光反光面，上偏光LED光 源位于上偏光反光面的底部，上偏光LED光源发出的光线经过上偏光反光面的反射，使得出 光角度的分布区域与地平面的成6~10°，来自动补偿车辆在减速、重载或爬坡时的光照区 域;所述下偏光辅助补光单元3包括下偏光LED光源和下偏光反光面，下偏光LED光源位于下 偏光反光面的顶部，下偏光LED光源发出的光线经过下偏光反光面的反射，使得出光角度的 分布区域与地平面的成6~10°，来自动补偿车辆在减速和下坡时的光照区域。
[0086] 如图1所示，色温控制系统包括若干前雾灯LED光源4，所述前雾灯LED光源4包括色 温为2700K的LED、色温为7000K的LED和雾灯反光杯。当汽车在地球上不同经炜度，以及不同 程度的雾霾和雨雪天气行驶时，通过车身光强和色温感应器，雾霾沙尘感应器，以及雨雪量 感应器的输入数值给MCU，由MCU的综合算法输出指令给雾灯的LED光源的智能点亮驱动系 统，通过雾灯的智能光源驱动模块的PWM调光算法输出来调节两种不同色温的黄色LED光源 以混光输出汽车所在的行驶环境中的最佳警示雾灯的色温和亮度，从而大大的提高汽车在 复杂环境中行驶时的安全性和警示作用，给相邻汽车已更加鲜明的行车位置指示信号。 [0087] 如图2、3所示，所述LED光源模组包括第一LED光源112、与第一LED光源112配合的 第一曲面反射器114、第二LED光源111、与第二LED光源111配合的第二曲面反射器113和凸 透镜115;第一曲面反射器114位于第二曲面反射器113的前方，单独点亮第一 LED光源112 时，LED光源模组打出近光光型，当第一LED光源112和第二LED光源111同时点亮时，LED光源 模组打出远光光型。
[0088] 所述第一 LED光源112和第二LED光源111均包括LED芯片、线路板和散热器，所述线 路板安装在散热器上，所述线路板的中间镂空，所述散热器上对应线路板镂空处形成安装 平面，所述LED芯片固定在所述安装平面上;所述线路板表面设有焊盘，所述LED芯片通过金 线与焊盘连接;线路板的镂空处与安装平面形成凹槽，所述凹槽内填充有荧光硅胶。
[0089] 第一 LED光源112和第二LED光源111的制造方法包括以下步骤：
[0090] (1)在散热器的顶部预加工出一个安装平面；
[0091] (2)将线路板中间镂空并贴合在散热器上，镂空处与预加工出的安装平面对应；
[0092] (3)在线路板的表面设置焊盘，焊盘采用表面沉金处理；
[0093] (4)将若干LED芯片按串并方式置于线路板中间镂空区域处的散热器安装平面上， 粘接LED芯片的粘接剂使用导热系数25W/m*k的银胶；
[0094] (5)将LED芯片串并线路的正负极与线路板上的焊盘连接；
[0095] (6)将高反射有机胶沿线路板注胶孔灌入镂空处，使LED芯片周围至线路板镂空周 围区域全面覆盖，灌胶量不超出LED芯片表面，加热使胶体固化；
[0096] (7)将荧光粉硅胶的混合物灌封LED芯片和金线；
[0097] (8)加温固化LED封装胶。
[0098] 本发明LED芯片直接与车灯散热器连接进行散热，减少热阻极大的降低的LED芯片 的结温，LED的体积可以做得更小，能够实现本发明放置多个LED光源模组的目的。高反射有 机硅材质有效减少不必要的光损失，大幅度提高指向性范围内的光能量。
[0099] 本发明独立的远近光一体的汽车前照灯发光单元，采用两个独立的LED光源与对 应的反光曲面配合，形成远近光型，无需附加机械结构来调整遮光板，只需通过俩个混成扫 略的反光曲面以及两个光源的迭代就可形成ECE法规要求的汽车前照灯的远近光光型，精 准的散热结构和新颖的反光曲面的组装结构简单可靠紧凑，LED的光效得到了最大限度的 利用，高效节能，可适用于各种不同车型的大前灯的LED矩阵光源设计。
[0100] 所述第一曲面反射器114的设计方法包括以下步骤：
[0101 ] (1)划分LED光源立体角：将LED设为坐标原点，如图11所示，α为出射光线与X轴组 成的平面与Χ0Ζ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角;对光源的立体角进行均匀离散化， 把α等分成i份，对于每一个α，都将β等分成j份，得到a(i)和iKi，j)的数组；
[0102] (2)划分接收面网格:如图12所示，根据配光要求，对应于光源立体角的划分，接收 面的直角坐标也相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j份，在接收面直 角坐标系中得到与光源立体角中a(i)和iKi，j)数组一一对应的x(i)和y(i，j)数组；
[0103] (3)计算自由曲面上离散点的坐标:设给定的光源的光通量为Q，因为使用的LED光 源为朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，朗伯光源的中心光强为1〇，由与光源中心 轴夹角为αι与光源中心轴夹角为α 2的入射光线之间的能量可以表示为：
[0104] _ , "
(1)
[0105] 每一小份立体角内的光通量为：
[0106]
⑷
[0107] 由于每一小份立体角内的取值是已知的，那么根据公式（1)，（2)计算出中心光强 1〇和每一小份立体角内的能量值大小；
[0108] 在目标照明区域水平线下的部分，每一份α角所对应的是一个长为y(i，j+l)-y(i， j)，宽为x(i+l)_x(i)的矩形区域，每个矩形区域的总能量为：
[0109] Etotali = Ec · [x(i+l)_x(i)] · [y(i，j+l)_y(i，j)] (3)
[0110] 式中，E。表示照度值，由于区域i、n、m、iv区域的照度值各不相同，故预设照度E， 照度控制因子γ，对于不同区域有：
[0111] EC=E · γ (k) k=l,2,3,4 (4)
[0112] 其中0彡γ (k)彡l，k的取值与Ι、Π 、m、iv区域--对应，且γ (k)值各不相同，需 根据模拟结果在计算中不断调整以达到标准的要求;在目标照明区域水平线上的部分，划 分时存在三角形区域，其高为y(i，j+l)-y(i，j)，底边为x(i+l)-x(i)，该区域的总能量为：
[0113]
(5)
[0114] 在不考虑能量的损耗的情况下，LED光源发出的能量等于接收面上接收到的能量， 由能量守恒定律可得：
[0115] Energy = Etotali+Etotal2 (6)
[0116] 假设光线在与反射器作用时发生全反射，由折反射定律可得到自由曲面上点的法 向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上下一点的 坐标。折反射定律的矢量形式可表示为：
[0117]
(7)
[0118] 其中η为折射率，这里η取值为1，H、#为入射光线单位向量、出射光线单 位向量、单位法向量；
[0119] 在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，由这个初始点算出一条边界曲 线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点计算出整个自由曲面。
[0120] 第二曲面反射器113的设计方法包括以下步骤：
[0121]远光部分设计方法整体与近光相同，但由于不同的照度要求，其接收面网格划分 与照度控制因子设计如下：
[0122] 1、划分接收面网格
[0123] 远光照度要求，中心处应具有较高亮度，并向周围逐渐减弱，按图13所示方式划 分，同样将接收面的直角坐标也相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j 份，在接收面直角坐标系中得到与光源立体角中a(i)和i3(i，j)数组一一对应的x(i)和y(i， j)数组；
[0124] 2、照度控制因子设置
[0125] 由于远光要求中心照度高，并向周围逐渐减弱，所以所划分网格环线设置照度控 制因子，对于不同环线有：
[0126] EC = E · y (k) k=l,2,3,4
[0127] 按照近光自由曲面设计中离散点的求解方法以及计算步骤，可得出远光自由曲面 反射器上每一个点的坐标。将计算得出的反射器曲面进行建模仿真，并对仿真结果进行分 析，可适当修改照度控制因子的参数设置进行优化修改，并最终得出理想模型。
[0128] 自由曲面模型的建立与仿真分析
[0129] 通过前面所述设计方法，迭代计算出自由曲面反射器的离散坐标点，将些离散点 保存为文本文件并导入三维制图软件SolidWorks中，拟合成为平滑的曲面，得到反射器的 实体模型，并将其导入光学仿真软Lucidshape中，设置好透镜的材料属性、光源的属性以及 接收面的属性，对所得的模型进行光线追迹。在仿真中我们选用OSRAM U1A5的LED芯片作为 光源，反射器设置为完全反射面，透镜所用材料选用PC，其折射率约为1.586。用近光与远光 的照度分布图，可以看出LED的出射光经反射器及透镜后分布在预定的光分布范围内，满足 相关法规的要求。LED光学系统的光能利用率(理想情况下，定义光能利用率为目标面上接 收到的光线数与LED光源发出的总光线数之比）近光在70 %以上，远光在85 %以上。
[0130] 如图10所示，前照灯中的远近光随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控 制系统均通过闭环自适应随动控制系统进行控制和协调，其包括车身感应器组、车身总控 MCU和前照灯AFS分系统AU，车身感应器组与车身总控Μ⑶连接，车身总控MCU通过前照灯AFS 分系统AU控制远近光随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控制系统;所述车身感 应器组包括车身速度感应器、车身倾角/转角感应器、车身重载感应器、车身路况震动感应 器、方向盘转角感应器、下雨量感应器、雾霾/下雪感应器和闹市环境感应器。自适应随机控 制系统通过车身MCU指令和对应的驱动控制系统来点亮左右两边的两个大前灯的LED光源 模组阵列1中的单独模块，从而使得本专利所发明的LED前照灯可在不同的行驶车况下发出 最符合安全驾驶的舒适亮度的路况光照，可以大大提高司机驾驶的安全度和舒适度。优化 组合点亮不同的LED光源模组阵列1群可以满足和优化以下安全驾驶功能：
[0131] 1、正常行驶
[0132] 如图4所示，正常行驶时左边的大前灯和右边的大前灯分别只需要点亮各自的光 源阵列中的靠近车体中间的三个独立LED光源模组点亮以满足法规要求的大前灯远近光的 亮度，照度和光照区域的法规《GB 25991-2010汽车用LED前照灯》以及《GB 4599-2007汽车 用灯丝灯泡前照灯》的要求。
[0133] 此中间的三组独立的LED远近光一体模组平行安装，光强和照度以及照亮区域互 相加强，以满足法规要求。
[0134] 2、夜间会车
[0135] 夜间两车相会时，车身光强感应器感应到对面汽车射过来的光的光强数据传输到 车身总控MCU，车身总控Μ⑶的控制指令来驱动车灯控制单元模块EU来关闭左侧前照灯的1 个或多个单独的平行安装的直行光源11的LED光源模组，以减弱左侧的矩阵光源的总体发 光强度，右侧的矩阵光源亮度不变，从而防止远光的强光影响对面的司机的安全驾驶。通过 实验对比可以知道:在没有使用可单独控制的LED光源矩阵时，对面行驶过来的车被完全置 于强光之下，严重影响对面司机的夜间驾车安全。而本发明可单独优化控制每个LED光源模 组，在车身传感器和车身电子控制系统综合调控下，可根据晚间会车时对面的车辆行驶路 况来自动关闭本车的左边前照灯的单个或多个独立LED光源模组，把自己车身左前大灯的 出光宽度变窄a2〈al，以便对面车辆的安全行驶;当辆车交汇过后，左边的前照灯的多点LED 光源阵列又瞬间自动恢到正常的光照强度和宽度范围a2。
[0136] 3、夜间转弯行车
[0137] 根据JTG B01-2014公路工程技术标准要求：
[0138]
[0139] 3.1车速80~120千米/小时，大半径转弯路况下的可视区域补光
[0140] 根据JTG B01-2014的要求，在车速为120千米/时，最小转弯半径为570米，最小停 车视距为210米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向11° ;在车速为100千米/小时，最 小转弯半径为360米，最小停车视距为160米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向13°; 在车速为80千米/小时，最小转弯半径为220米，最小停车视距为110米，此时在安全可靠的 停车视距内，车身转向14°。车身传感方向盘转向感应器，车身横摆感应器，和车身速度感应 的数据传、传输给车身总控MOT，如图5所示，通过前照灯LED光源模组的驱动控制系统增加 点亮转向光源12中的第一个LED光源模组，分别增加车身左右两边的照亮区域15°，以增加 司机夜间转弯行车的可视区域。
[0141] 3.2车速40~60千米/小时，小半径转弯路况下的可视区域补光
[0142] 根据JTG B01-2014,要求在车速为60千米/小时，最小转弯半径为115米，最小停车 视距为75米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向了 19° ;在车速为40千米/小时，最小 转弯半径为60米，最小停车视距为40米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向了 19°。如 图6所示，通过前照灯LED光源模组的驱动控制系统增加点亮转向光源12中的第一和第二个 LED光源模组，补偿转向时的可视区域19°，增加司机在60到40千米车速时小半径转弯时，左 右两边的可视区域各增加19°。
[0143] 3.3车速30千米/小时，30米小半径转弯路况下的可视区域补光
[0144] 根据JTG B01-2014，要求在车速为30千米/小时，最小转弯半径为30米，最小停车 视距为30米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向了30°。如图7所示，此时车身前照灯 随动控制系统分别增加点亮转向光源12中的第一至第三个LED光源模组，补偿转向时的可 视区域30°，增加司机在30千米车速时小半径转弯时，左右两边的可视区域各增加30°。
[0145] 3.4车速20千米/小时，15米小半径转弯路况下的可视区域补光
[0146] 根据JTG B01-2014，要求在车速为20千米/小时，最小转弯半径为30米，最小停车 视距为15米，此时在安全可靠的停车视距内，车身转向了42°。如图8所示，此时车身前照灯 随动控制系统分别增加点亮转向光源12中的所有L E D光源模组，补偿转向时的可视区域 42°，增加司机在20千米车速时极小半径转弯时，左右两边的可视区域各增加42°。
[0147] 当左转弯时，车身总控MCU的随动自适应控制系统自动获取车身的速度传感器，方 向盘转角感应器以及车身横摆角速度转角感应器的综合数据，并以这些数据计算出汽车的 转弯半径以及所需要的车侧面的照度区域宽度值，并输出对应的驱动指令给LED车灯的驱 动模块，按最佳适配性来依次打开转向光源12附加的4个独立LED光源模组以扩宽司机在左 转弯时左边可见区域和光照强度。
[0148] 4、雨雪天气或雾霾天气的亮度自适应，
[0149] 雨雪天气或雾霾天气时，车身的光照强度应器的信号通过控制器传给车身总控 Μ⑶，身总控Μ⑶的控制程序控制LED光源模组阵列1的驱动电路的输出电流，从而通过增加 每个LED光源模组的驱动功率来加强前照灯的亮度和照度，以提高汽车在恶劣的雨雪和雾 霾天气下行驶时的可见性和可视区域。
[0150] 5、加速或减速，重载，爬坡和城市道路行驶的自适应系统
[0151] 汽车加速，减速，重载，爬坡和城市道路行驶中的自适应系统的各个感应器的数值 经过MCU控制系统的综合比较算法最终分别输出驱动信号给个执行单元，由远近光LED光源 的智能点亮驱动系统和整灯的多个独立远近光源，以及上下两组偏射的辅助补光光源来改 善整个大前灯的横向光形宽度，以及车灯整体向下或向上照射距离和高度，以达到最佳安 全驾驶照明的舒适要求。车身加速或减速时，车身速度感应器的数据传输给车身总控MCU， 由车身总控系统来选择点亮大前灯的上下偏振辅助光源模块会增加大前灯的照亮区域向 上或向下扩展，以提高司机行车时可视区域的最佳匹配。通过光学镜面的反射原理，LED光 源发出的光线经过反光杯的镜面的反射，使得出光角度的分布区域与地平面的成6~10独 的角度，来自动补偿汽车在减速，重载或爬坡时的光照区域。通过光学镜面的反射原理，LED 光源发出的光线经过反光杯的镜面的反射，使得出光角度的分布区域与地平面的成6~10 独的角度，来自动补偿汽车在价速，下坡时的光照区域。
[0152] 6、城市道路，乡村道路和高速公路上的自适应随动大前灯照明：
[0153] 当汽车行驶在不同的公路环境中时，根据车身环境传感器的比较数据，由车身总 控Μ⑶的综合控制模块来分别优化组合驱动左右前照灯的14个独立LED光源模组以及左右 两个前照灯的上下偏振补光单元，以输出最佳的自适应的随动可视驾驶区域，提高行车的 安全性和舒服性。
【主权项】
1. 一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:包括远近光随动自适应光型 控制系统、补偿光系统和色温控制系统； 所述远近光随动自适应光型控制系统包括LED光源模组阵列，所述LED光源模组阵列包 括若干LED光源模组，其中包括两个以上相互平行设置且光轴与车身中心平行的LED光源模 组形成直行光源，包括一个以上设置在直行光源外侧且光轴与车身中心呈锐角夹角的LED 光源模组形成转向光源，转向光源中的LED光源模组的光轴与车身中心之间的夹角从内往 外依次增大;直行光源比转向光源靠近车身中心；当车辆正常行驶时，直行光源点亮；当车 辆夜间会车时，关闭直行光源中的一个或多个LED光源模组以减弱直行光源光照强度；当车 辆夜间转弯时，点亮转向光源中的一个或多个LED光源模组;所述LED光源模组包括第一 LED 光源、与第一 LED光源配合的第一曲面反射器、第二LED光源、与第二LED光源配合的第二曲 面反射器和凸透镜，单独点亮第一LED光源时，LED光源模组打出近光光型，当第一LED光源 和第二LED光源同时点亮时，LED光源模组打出远光光型； 所述补偿光系统包括若干位于远近光随动自适应光型控制系统上方的上偏光辅助补 光单元和若干位于远近光随动自适应光型控制系统下方的下偏光辅助补光单元;所述上偏 光辅助补光单元包括上偏光LED光源和上偏光反光面，上偏光LED光源位于上偏光反光面的 底部，上偏光LED光源发出的光线经过上偏光反光面的反射，使得出光角度的分布区域与地 平面的成6~10°，来自动补偿车辆在减速、重载或爬坡时的光照区域;所述下偏光辅助补光 单元包括下偏光LED光源和下偏光反光面，下偏光LED光源位于下偏光反光面的顶部，下偏 光LED光源发出的光线经过下偏光反光面的反射，使得出光角度的分布区域与地平面的成6 ~10°，来自动补偿车辆在减速和下坡时的光照区域。2. 根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:所述 第一 LED光源和第二LED光源均包括LED芯片、线路板和散热器，所述线路板安装在散热器 上，所述线路板的中间镂空，所述散热器上对应线路板镂空处形成安装平面，所述LED芯片 固定在所述安装平面上;所述线路板表面设有焊盘，所述LED芯片通过金线与焊盘连接;线 路板的镂空处与安装平面形成凹槽，所述凹槽内填充有荧光硅胶。3. 根据权利要求2所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:第一 LED光源和第二LED光源的制造方法包括以下步骤： (1) 在散热器的顶部预加工出一个安装平面； (2) 将线路板中间镂空并贴合在散热器上，镂空处与预加工出的安装平面对应； (3) 在线路板的表面设置焊盘，焊盘采用表面沉金处理； (4) 将若干LED芯片按串并方式置于线路板中间镂空区域处的散热器安装平面上，粘接 LED芯片的粘接剂使用导热系数25W/m*k的银胶； (5) 将LED芯片串并线路的正负极与线路板上的焊盘连接； (6) 将高反射有机胶沿线路板注胶孔灌入镂空处，使LED芯片周围至线路板镂空周围区 域全面覆盖，灌胶量不超出LED芯片表面，加热使胶体固化； (7) 将荧光粉硅胶的混合物灌封LED芯片和金线； (8) 加温固化LED封装胶。4. 根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:所述 第一曲面反射器的设计方法包括以下步骤： (1) 划分LED光源立体角：将LED设为坐标原点，α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平 面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角;对光源的立体角进行均匀离散化，把α等分成i份，对 于每一个α，都将β等分成j份，得到a (i)和β( i，j)的数组； (2) 划分接收面网格:根据配光要求，对应于光源立体角的划分，接收面的直角坐标也 相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j份，在接收面直角坐标系中得到 与光源立体角中a(i)和β( i，j)数组一一对应的x( i)和y (i，j)数组； (3) 计算自由曲面上离散点的坐标:设给定的光源的光通量为Q，因为使用的LED光源为 朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，朗伯光源的中心光强为Io，由与光源中心轴夹 角为αι与光源中心轴夹角为α 2的入射光线之间的能量可以表示为：(1) 每一小份立体角内的光通量为：由于每一小份立体角内的取值是已知的，那么根据公式（1)，（2)计算出中心光强Io和每 一小份立体角内的能量值大小； 在目标照明区域水平线下的部分，每一份α角所对应的是一个长为 y(i，j+i)-y(i，j)，宽为x(i+i)-x(i)的矩形区域，每个矩形区域的总能量为： Etotali = Ec · [x(i+l)-x(i)] · [y(i，j+l)-y(i J)] (3) 式中，E。表示照度值，由于区域I、Π 、m、iv区域的照度值各不相同，故预设照度E，照度 控制因子γ，对于不同区域有： Ec = E · γ (k) k=l，2,3,4 (4) 其中OS γ (k)<l，k的取值与1、11、111、1￥区域一一对应，且γ (k)值各不相同，需根据 模拟结果在计算中不断调整以达到标准的要求； 在目标照明区域水平线上的部分，划分时存在三角形区域，其高为y(i，j+l)-y(i，j)， 底边为x(i+l)-x(i)，该区域的总能量为：(5) 在不考虑能量的损耗的情况下，LED光源发出的能量等于接收面上接收到的能量，由能 量守恒定律可得： Energy = Etotali+Etotal2 (6) 假设光线在与反射器作用时发生全反射，由折反射定律可得到自由曲面上点的法向 量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上下一点的坐 标。折反射定律的矢量形式可表示为：其中η为折射率，这里η取值为1，&、&、穿为入射光线单位向量、出射光线单位向 量、单位法向量； 在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，由这个初始点算出一条边界曲线，再 由边界曲线的上的每一个点为初始点计算出整个自由曲面。5.根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:所述 第二曲面反射器的设计方法包括以下步骤： (1) 划分接收面网格:远光照度要求，中心处应具有较高亮度，并向周围逐渐减弱，将接 收面的直角坐标也相应的在X方向上分成i份，对于每一份X，都将y方向分成j份，在接收面 直角坐标系中得到与光源立体角中a(i)和iKi，j)数组一一对应的x(i)和y(i，j)数组； (2) 照度控制因子设置：由于远光要求中心照度高，并向周围逐渐减弱，所以所划分网 格环线设置照度控制因子，对于不同环线有： Ec=E* γ (k) k=l,2,3,4； (3) 计算自由曲面上离散点的坐标:设给定的光源的光通量为Q，因为使用的LED光源为 朗伯源，其光强分布为中心光强的余弦分布，朗伯光源的中心光强为Io，由与光源中心轴夹 角为αι与光源中心轴夹角为α 2的入射光线之间的能量可以表示为：(1) 每一小份立体角内的光通量为：(2) 由于每一小份立体角内的取值是已知的，那么根据公式（1)，（2)计算出中心光强Io和每 一小份立体角内的能量值大小； 在目标照明区域水平线下的部分，每一份α角所对应的是一个长为y(i，j+l)_y(i，j)， 宽为x(i+l)-x(i)的矩形区域，每个矩形区域的总能量为： Etotali = Ec · [x(i+l)_x(i)] · [y(i，j+l)_y(i J)] (3) 式中，E。表示照度值，由于区域1、11、111、1￥区域的照度值各不相同，其中0<7(1〇<1，1^ 的取值与i、n、m、iv区域一一对应，且y(k)值各不相同，需根据模拟结果在计算中不断调 整以达到标准的要求； 在目标照明区域水平线上的部分，划分时存在三角形区域，其高为y(i，j+l)-y(i，j)， 底边为x(i+l)-x(i)，该区域的总能量为：(5) 在不考虑能量的损耗的情况下，LED光源发出的能量等于接收面上接收到的能量，由能 量守恒定律可得： Energy = Etotali+Etotal2 (6) 假设光线在与反射器作用时发生全反射，由折反射定律可得到自由曲面上点的法向 量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上下一点的坐 标。折反射定律的矢量形式可表示为：(7) 其中η为折射率，这里η取值为1，&、$、茇为入射光线单位向量、出射光线单位向 量、单位法向量； 在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，由这个初始点算出一条边界曲线，再 由边界曲线的上的每一个点为初始点计算出整个自由曲面。6. 根据权利要求4或5所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:得 出的自由曲面的模型建立方法:通过前面所述设计方法，迭代计算出自由曲面反射器的离 散坐标点，将些离散点保存为文本文件并导入三维制图软件SolidWorks中，拟合成为平滑 的曲面，得到反射器的实体模型，并将其导入光学仿真软Lucidshape中，设置好透镜的材料 属性、光源的属性以及接收面的属性，对所得的模型进行光线追迹。7. 根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:所述 LED光源模组阵列一共设有七个LED光源模组，其中三个LED光源模组为直行光源，四个LED 光源模组为转向光源。8. 根据权利要求7所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:所述 转向光源的四个LED光源模组中，从内往外依次与车身中心线的夹角为13~17°、17~21°、 28~32° 和40~44°。9. 根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于：色温 控制系统包括若干前雾灯LED光源，所述前雾灯LED光源包括色温为2700K的LED、色温为 7000K的LED和雾灯反光杯。10. 根据权利要求1所述的一种自适应远近光一体LED多模组前照灯，其特征在于:前照 灯还包括闭环自适应随动控制系统，其包括车身感应器组、车身总控MCU和前照灯AFS分系 统AU，车身感应器组与车身总控MCU连接，车身总控M⑶通过前照灯AFS分系统AU控制远近光 随动自适应光型控制系统、补偿光系统和色温控制系统;所述车身感应器组包括车身速度 感应器、车身倾角/转角感应器、车身重载感应器、车身路况震动感应器、方向盘转角感应 器、下雨量感应器、雾霾/下雪感应器和闹市环境感应器。
【文档编号】F21W101/10GK105889840SQ201610404939
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】陈焕杰, 徐德浓, 石智伟, 秦德斌
【申请人】广东雷腾智能光电有限公司