对比小轿车而言，在大型客车上应用LED车灯更具优势，具体表现在:
(1)客车相比小轿车的安装空间大，且前部通常为垂直状态，相比前部为斜面流线型的小轿车有效利用空间更大，便于光学和结构设计;
(2)大部分小轿车为前置发动机车型，前照灯光源靠近发动机，导致散热设计困难，而现代大型客车的发动机在车尾端，可降低散热设计难度，对LED芯片耐热性的要求也可降低从而降低成本;
(3)小轿车大部分为私家车，大型客车通常为公共汽车，在使用频率上大型客车往往更高，LED长寿命和抗震性的特点更利于在大客车上体现;
(4)一般大型客车的价格远高于普通小轿车(非豪华轿车)，车灯在整车价格的占比相对较低，在替换LED前照灯后对车价的影响不大，更利于LED前照灯的推广。
综上所述，LED前照灯在大型客车上的应用具有非常显著的技术和成本优势。本文针对一款已有的客车前照灯原型，按GB25991—2010《汽车用LED前照灯》的技术要求，在外部框架尺寸不变的情况下利用LED光源进行了前照灯的远光和近光的光学系统设计，并对设计结果进行了仿真验证。
车灯设计标准
1.1光源标准光源作为前照灯系统的中心模块，整个光学系统都是根据其光场分布而设计的。大功率LED作为前照灯光源，应具有亮度高、显色指数适中的特点才能缓解驾驶疲劳。根据GB4785—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》中的规定，光源光色应为白色，总光通量不应小于1000lm，其色品坐标应在图1所示的边界范围内。
1.2测试屏配光标准汽车前照灯分为近光灯和远光灯，二者需要实现的照明效果不一样，分别有相应的设计标准。近光照明时，应不使对方司机产生炫目，同时保证己方道路有足够的光照度以实现正常照明，而远光照明主要目的是照亮前方更远的道路，两者不同的功能决定其在设计指标和方法上也大不相同。GB25991—2010《汽车用LED前照灯》对前照灯的指标进行了具体说明，其中关于近光和远光照明的检测是在离前照灯基准中心前25米处的配光屏上完成，近光和远光光型在配光屏上的具体要求如图2所示。
由图2(a)可知，测试屏上各点的照度值应该严格控制，需形成两条明显的明暗截止线，为非对称配光。为避免使来车司机产生炫目，截止线以上的照度应尽量小，截止线以下部分对应近处及本车道照明，应有较大的照度保证良好的照明效果。远光照明标准则相对简单，保证车道前方较远处有充足照明即可，图2(b)所示为远光标准中测试屏上的测点照度要求，最大照度区域在HV点附近，两侧照度递减。
光学系统设计
2.1光源选型
根据GB4785—2007标准选用OSＲAM专用车灯芯片系列的产品，其色度指标均符合要求，光强分布为近似朗伯体。根据上述前照灯光通量要求(总光通量≥1000lm)及能源充分利用的角度出发，选用1×3型大功率LED芯片LE-UWD1W3-01作为光源，单颗最大光通量可达630lm，2颗即可达到总光通量要求。色坐标:Cx=0.3349，Cy=0.3405，在色品图上为图1色度特性边界范围内的A点，满足系统设计指标。为简化设计，LED光源在后续仿真中设定为1mm×3mm大小的面发光体。
2.2整体结构
不同于传统的卤素或氙灯光源，大功率LED为面光源，光场为朗伯型分布，因此以LED为光源的汽车前照灯光学系统不能沿用传统灯泡的配光系统。目前，汽车前照灯主要有三种类型:反射式、投射式和自由曲面式。投射式前照灯是利用椭圆将光线反射和会聚于调制光型的挡板处，最后通过配光透镜达到照明要求，其中挡板会挡住部分光线，造成能源的浪费。而自由曲面式前照灯是将配光系统分割成很小的模块，每一个模块完成一部分光型的要求，难以用数学表达式描述，要求的加工精度高，难度大。而抛物面反射式前照灯作为传统的汽车前照灯结构，体积虽然较大，但对于前部为垂直状态且安装空间较大的大型客车不受影响，且其能源利用率高，现有加工技术成熟，简单，为本设计的首选类型。其工作原理为:光源发光，经抛物面式反射器反射形成平行光，所得平行光经配光透镜后形成所需光形，其基本结构如图3所示。
由汽车前照灯近光配光标准可得，其中近光灯测试屏上有水平截止线和斜向上15°截止线，而单个抛物面式系统难以同时形成两条截止线，因此在本设计中采用两个抛物面式系统分别形成两条截止线来达到配光要求，如图4所示为组合配光方案示意图。
2.3抛物面式反射器
光源发光入射至抛物面反射器形成平行光以便后续透镜配光。抛物面反射器设计包括焦距、长和高的确定，应满足:①不宜过小，由于芯片发出的光线大部分集中在±60°，过小会导致部分光线泄露;②不能过大，必须满足现有汽车预留的车灯空间要求。本文采用的旋转抛物面如图5(a)所示，其焦距为15mm，长和高均为60mm，设其法线方向为Z轴正向，焦距为f，其数学表达式为:
当点光源置于旋转抛物面的焦点时，光线经反射器反射平行于Z轴出射。而在本设计中使用的LED为1mm×3mm，光源非焦点部分的出射光不会平行Z轴出射。现对与焦点具有一定偏移量的出射光进行分析，如图5(a)所示，假设在Z轴方向的偏移量为d，根据反射定律，则出射光线与水平方向的夹角β满足:
其中，β朝上为正，朝下为负。LED的光强分布为近似朗伯体，在YZ平面内按α从－90°到90°分布，α顺时针为正。取偏移量d在－0.2f到0.2f内取值，则β随光线出射角α的变化如图5(b)所示。从图5中可以得到:当光源在抛物面焦点没有偏移时，为平行光出射;当光源偏移量为正时，反射角β也为正，即向上发光，反之向下发光。因此在近光灯设计中，应将光源放置在焦点的同一侧。由于LED所发光呈近似朗伯体分布，光能主要集中在±10°，故将光源一端放置在焦点处时，另一端正向远离焦点，则大部分光能水平出射，其他光线向上散射。那么在配光屏上的光照度从上往下逐渐变小，通过后续透镜散光即可形成明显的截止线。而远光灯没有截止线要求，因此可将光源放置焦点处以便得到均匀而满足配光要求的光型。2.4配光透镜从反射器得到的反射光线大部分是平行于抛物面法线方向出射，故需要使用透镜将平行光散开以满足配光标准。凹透镜、凸透镜和柱面透镜均有散光作用，但是前两种透镜的出射光散射角度很大，不利于形成明显的截止线。在本设计中，采用多个柱面透镜组合构成散光板进行配光。考虑到图6(a)中柱面透镜间会有较尖锐的棱角，存在加工难度问题，因此转换为图6(b)中的结构，而根据配光标准，配光屏上的照度是中间大两边小，可通过调整柱面透镜的尺寸使得出射光在散开的基础上加强中间部分的照度如图6(c)所示，其设计衍化图如图6所示。
前照灯系统总共需要四个散光板，均由柱面透镜组合构成。相邻柱面透镜相切排布，不同散光板的柱面透镜尺寸不一，曲率半径越小，散光度越大。且柱面透镜个数不应排布过少，会导致柱面透镜很厚;过多又造成散光度不高，经过多次设计调试最终确定柱面透镜个数为10。其中近光灯0°散光板和远光灯上部分散光板柱面透镜均为垂直排布阵列，目的是将光线水平散开，具体参数和结构如图7(a)和7(c)所示。近光灯15°散光板则是斜15°柱面透镜排布阵列，形成斜向上15°截止线，所有柱面透镜半径均为12mm，如图7(b)所示。远光灯下散光板功能是在散开光线的基础上加强中间区域的照明，因此中间部分仍然采用柱面透镜散光，而两边采用平板直接透射至配光屏中间区域以达到目标配光效果，具体结构及参数如图7(d)所示。
配光系统仿真与结构设计
3.1近光模组
如前文所述，使用两个抛物面式反射器组合构成完整的旋转抛物面进行配光，分别形成水平截止线和斜向上15°截止线。其结构如图8(a)所示，LED芯片分别放置焦点前后，则反射器出射光大部分平行散射，其余部分朝下入射至柱面透镜。其中LED芯片模型和光源文件由OSＲAM提供，反射器设置为全反射，透镜材料为PMMA，具体模型如图8(b)所示。配光屏设为10米的正方形，距离光源25米处，最后在测试屏上的配光效果如图9所示，得到各测点的照度值如表1所示。
从照度图上可得，测试屏上形成了两条明显的明暗截止线，且照度呈现出中间强两边弱的效果。通过对比各测点的照度和照度标准，完全符合GB25991—2010中的近光照明要求。且在仿真中单颗LED光源的光通量设置为600lm，低于实际LED芯片在额定功率下发出的光通量(630lm)，可减少LED芯片发热量，利于车灯散热。该方案的光源利用率达到66.5%，远大于一般卤素近光灯40%的效率，同时考虑到上述设计的近光灯方案中光源位置是十分理想的，在实际工程运用中难免会出现安装误差，对光源位置设定一定偏移量来探讨其对光分布的影响，结果表明光源位置误差在x、y、z三个方向分别控制在0.6mm、1mm和1.5mm以内时仍可符合要求。
3.2远光模组
远光模组的配光要求相对简单，只需使测试区域满足照度要求，而平行光经柱面透镜即可得到均匀照明区域。在设计时可以套用近光设计思路，上面的反射器可将光线散开用于整个照明区域，下面的反射器用于加强中间区域的照明。设计实体模型如图10所示，图11所示为测试屏上照度图效果。
由远光灯测试屏照度效果图看，其照度分布十分对称且均匀，呈现出中间强两边弱，且照度梯度变化比较平缓，即视场明暗变化不大，十分适合远光照明。远光仿真值和国标对照表如表2所示，各项指标均符合标准。最后对汽车前照灯进行结构和散热系统设计，采用热管加翅片的方式。将整个光学系统装配在现有大型客车前照灯外壳中，图12为所设计的LED车灯装配图，经装配本文设计的前照灯可以很好地安装在其内部，符合设计要求。
结论
本文介绍了采用传统抛物面反射式光学系统对一款大型客车前照灯进行LED光源替换设计的方案，给出了各部分光学系统结构的设计思路和实现方法，并对设计模型进行了计算验证分析，远近光照明的各项指标均满足国标要求。本方案具有设计简单、易于加工和安装的典型特点，可充分发挥LED车用照明的诸多优势，非常有利于在大型客车前照灯上进行推广应用。
