基于TIR 结构的汽车远光光学设计及其分析

梁宝雯

（广州广日电气设备有限公司，广东 广州 511000）

引言

当前汽车照明都具有多样化、高亮度、低能耗等特点。远光是汽车照明中最亮的功能照明，在昏暗无路灯环境以及高速公路等情况下，充当主要的照明功能，其性能好坏会直接影响驾驶安全。过去的远光灯多数采用卤素灯加反光杯方式或远近光一体的直投式，因此远光的造型会被限制为圆形或方形。如今，大众对车灯的要求不再仅仅停留在照明功能，而是要求车灯既有实用的照明功能，也要满足造型设计美感。现提出一种TIR 结构的远光设计，采用LED光源，这种采用远光照明方式因为每颗TIR 的体积较小，而由多颗TIR 组合起来的远光不仅可以保证远光的照度的同时，还可以根据客户设计切割出不同的造型，并且由于采用多颗单芯片LED 分散排布，灯珠的散热可以得到保证，使得车灯可靠性也可以进一步提高。

1 基本原理

TIR（Total Internal Reflector）结构，又称为collimator 结构，根据奈斯尔定理n密sinθ密=n疏sinθ疏。式中：n密为光密介质的折射率；θ密为光密介质入射角；n疏为光疏介质的折射率；θ疏为光疏介质入射角。光从光密介质传播至光疏介质时，如果入射的角度大于临界值，则光会发生全反射[1]，入射角度小于临界值时，光会发生折射。目前市面上的车用LED 多数发光角是120°。TIR 结构不仅通过全反射原理，将LED 发光角较大的光线利用起来，TIR 还能将LED 光源中心角度进行有效控制，可以说LED 所有角度的光线都利用，也就是将反光杯结构无法利用到的LED 光全部利用，因此TIR 结构较一般反光杯光效高。见图1。

图1 TIR 发光原理图

2 法规分析

远光的主要功能是在环境较差或者高速公路上，汽车行驶速度较快时用于照明汽车前方路况，因此远光必须在较集中的角度范围内有较高的照度。根据国家法规GB 25991—2010《汽车用LED 前照灯》规定配光性能应在距离前照灯基准中心前25 m的垂直平面配光平面上测量，测试点分布是最大值照度值，屏幕中心HV照度，HV到水平方向左右1.125 m 的照度值，以及HV到水平方左右2.25 m 的照度值，远光的照度要求如表1 所示。

表1 远光的配光照度要求[2]

3 设计方案

本方案采用LED 光源，光学件由后部的TIR 结构以及前面的网格花纹组成。LED 光源使用的是欧司朗的LUW CEUP.HD 芯片，该LED 为车规使用级的，驱动电流为1 A 时，光通量为290 lm，发光角为120°。TIR 结构的作用是收集LED 发出来的所有光线，并使光线基本按照行车方向直射出去，而网格花纹则是将TIR 收集到的光线调整角度，以此达到满足国家法规的要求，以此设计一款满足造型需求的远光灯。本设计采用的光学材料为塑料PC（Polycarbonate），折射率为1.586，该材料是汽车车灯中使用非常成熟的光学材料，具有较高的耐热性能，相对玻璃材质来说，塑料PC 质量小、韧性强、异形造型加工难度较低。

3.1 设计结构

图2 为远光结构正视图，如图所示该造型是长条形且有一定弧度，根据造型本设计采用7 颗LED对应7 个TIR 结构，并在结构的前表面上增加网格花纹，图3 为远光结构后侧视图。单颗LED 的光通量290 lm，一共使用2 030 lm 光通量，每颗LED 的驱动电流为1 A，驱动电压约3 V，即每颗灯珠的功率为3 W，共需21 W 功率，普通的卤素灯泡光源功率为48 W 以上，相较而言，LED 光源的远光功率仅为卤素灯泡的一半，降低了整车的能耗，减少了新能源汽车的耗电压力。

图2 远光结构正视图

图3 远光结构后侧视图

3.2 设计结果

设计结果如图4 所示，图4 为远光在25 m 屏的光斑图，设计时考虑了汽车车灯外面罩的透过率，根据工程经验按80%计算。由图可知光斑左右宽度大于10°，上下角度达到5°，光效为51%，最大值为101 lx，法规要求最大值为48 lx 以上，由表2 可知，HV 点至1125L 和R 以及HV点至2 250L 和R 的位置最小值都大于80lx，法规要求分别为24 lx 和6 lx以上，其中H1 和H4 点对应法规的是1 125L 和1 125R 的点，H2 和H3 点对应法规的是2 250L 和2 250R 的点，该设计亮度满足法规要求且余量均在100%以上。图5 为该设计的路照效果图，如图5 所示远光的路照均匀，无明显亮斑，司机在驾驶位能看清前方车道，图6 为该远光的鸟瞰图，光斑照射范围达250 m 以上（以1 lx 照度为界），且在灯前18 m 的位置，光斑的照度最大，为141 lx。

图5 路照效果图

图6 光斑鸟瞰图

表2 远光设计模拟值

图4 远光25 m 屏光斑图

4 结论

该设计采用了TIR 结构加网格花纹的方案使得LED 光源发出的光能得到有效的利用，光效较高，能达到50%以上，路照效果均匀，照程远且造型多变，不再受限于以往的圆形或方形等比较固定的形状。另外由于LED 颗数的灵活运用，采用是单芯片LED，每颗LED 间隔一段距离，有利于LED 的散热，提高了灯珠的可靠性，从而提高整个远光系统的可靠性。能耗方面，LED 光源所需功率低，更加符合新能源汽车的需求。