0 引言

　　汽车前照灯系统主要用于夜晚或恶劣环境下的道路照明， 对汽车的行驶安全至关重要。夜间行车时，前照灯不仅要照亮前方道路，为驾驶员提供一个明亮开阔的视野， 还要避免给迎面来车的驾驶员造成眩光。因此，种性能良好的前照灯系统对减少夜间交通事故的发生和促进行车安全具有十分积极的作用。

　　与传统的前照灯光源相比，发光二极管具有寿命长、体积小、响应快、耗电量低、色温更接近自然光、抗震能力强和高效节能等优点。近年来，随着半导体材料及封装工艺的发展， 大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽车照明领域的应用也在逐渐扩大， 从信号指示灯到现在的汽车前照灯，这反映了LED将会成为汽车照明领域的新型光源主流的发展趋势。

　　LED芯片的发光模型为朗伯体，其发光特性与传统光源不同， 另外根据国家汽车行业相应标准，对汽车前照灯的光斑也有特别的要求， 导致LED汽车前照灯的光学设计与以往的光源光学系统设计不同。文中从最新出台的《汽车用LED 前照灯》(GB25991-2010)国家标准出发，在分析LED 前照灯设计方法的基础上，提出了LED汽车透镜的设计方法，该设计方法是基于数值计算的。在透镜的设计和计算过程中，先能量守恒定理，将LED芯片的发光立体角和照明面上的照明区域进行划分， 从而在照明面和透镜的自由曲面间建立起了对应关系， 再基于非成像光学理论， 通过数值计算求解出自由曲面光学透镜的实体模型， 最后建立光学系统进行光学仿真并对仿真结果进行分析。

　　1 设计原理

　　LED汽车前照灯主要包括近光灯和远光灯。国家标准要求近光灯不会使道路上其他车辆的驾驶者产生炫目的感觉，它要求有良好的明暗截止线，同时能提供良好的路面照明; 远光灯是指当车辆前方无其他道路使用者时，所使用的远距离照明光束。近光灯主要用于城市街道或乡间小道的照明， 远光灯主要用于野外或高速公路照明。

　　1.1 近光灯自由曲面透镜设计

　　如图1所示， 在近光灯透镜的设计中， 将LED芯片出射的光分成三束， 一束光在面1发生折射后出射到目标面; 另一束光在面2发生折射和在出射平面发生折射后出射到目标面; 还有一束光在面3发生反射和在入、出射平面发生两次折射后出射到接收屏。通过这三个自由曲面的作用，将LED芯片发出的光合理地分配到接收屏上， 从而达到国家汽车照明标准规定的光斑分布。

图1 近光灯透镜配光示意图

　　1.1.1 光源立体角均匀划分

　　相对于整个光学系统LED体积是很小的， 建立光学模型的时候可以把LED 设成点光源，该发光模型为半球型发光，近似为朗伯余弦体，光强分布可描述如下：

　　I(φ)=I0·cosφ (1)

　　光学系统坐标系如图2所示， 其中以LED的位置为光学系统坐标的原点，LED中心光强的方向为Z 轴的正方向，φ是Z轴与LED发出的光线的夹角，θ为X轴与出射光投射在XOY面的夹角。因此， 对于任意的由θ1，θ2，φ1，φ2所决定的立体角内能量，有：

图2 LED 光源空间坐标图