許冰聰 蔣翰星 陳章迪 陳沛哲 雷哲圣 張學明

摘要：利用zemax光學設計軟件設計了一款適用于家用小型汽車前照遠光燈的汽車反光杯。針對國標GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》性能要求，對普通的汽車反光杯采取結構改良等優(yōu)化措施，使其二次配光效果更好，中央光斑進一步集中，視覺效果更加柔和。仿真結果表明：系統(tǒng)有效作用距離為150m，10m處中央光斑平均光照強度為4 5521x，出光角為-10°～+10°。各項主要性能指標均達到國家最新標準，在不增加工業(yè)生產(chǎn)成本的前提下，具有適應未來批量3D打印生產(chǎn)模式的潛力。

關鍵詞：光學設計;前照遠光燈;微結構;棱狀面反光杯;組合反光杯

中圖分類號：TN202 文獻標志碼：A

引言

反光杯照明系統(tǒng)是眾多反射式照明系統(tǒng)中的一種，可利用有限光能，通過反射裝置控制中央光斑光照距離、光照面積及光照強度，相對透鏡系統(tǒng)具有像差小和能量損失少等優(yōu)點。反光杯照明系統(tǒng)能廣泛應用于車燈、探照燈和電影放映機等娛樂、商業(yè)和科研領域。在不同運用場合，可通過改變反光杯的面型結構以及光源種類，來滿足不同需求。因此，反光杯在光學系統(tǒng)中具有不可替代的地位。

近年來，市場上汽車車燈的主要構型是普通拋物面型，而且缺乏微結構。目前主要使用的光源類型為鹵素燈和LED燈珠，這些因素會導致系統(tǒng)二次配光效果不佳，配光難度高，光線刺眼，光線能量損失嚴重，能耗偏大等問題。運用自由曲面的二次配光方法，設計自由度較高，可以有效控制光源的發(fā)光能量分布，這種配光方法結構相對簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復雜的照明方式，具有較好的應用前景。本文基于Zemax軟件，在拋物面型的基礎上引入微結構，并以平面LED陣列取代原有的燈珠類光源，探索了汽車新型遠光燈反光杯的設計方法。

1系統(tǒng)結構

1.1系統(tǒng)結構選型

常見反光杯有拋物面、雙曲面以及橢圓面三種不同面型，三者因結構不同，分別具有不同的光學性質(zhì)。結合圓錐曲線幾何特點證明，當光線從曲線的一個焦點發(fā)出時，光線本身或者其延長線將會聚于另—個焦點。它們的特性如圖1所示。

圖1表明，橢圓面反光杯可以使光線會聚于另一個焦點，具有收斂光線的效果。拋物面反光杯能使光線平行出射，具有很好的準直性。雙曲面反光杯使光線的延長線會聚于虛焦點處，具有發(fā)散效果。結合汽車車燈反光杯的光學要求，即光線從光源發(fā)出經(jīng)反光杯反射后，具有較遠的作用距離且無明顯發(fā)散現(xiàn)象，要求光線有極佳的準直性，故拋物面反光杯是最好的選。

1.2設計要求

根據(jù)國標GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》對汽車前照遠光燈的要求，10 m處最大光強范圍如表1所示。

確定中央光斑范圍為半徑100mm的圓。根據(jù)市場常見的A1型反光杯的測量結果，要求杯口直徑為100mm左右，深度小于80mm。表2為相關性能指標設計要求。

1.3.2光源選擇

LED光源的Zemax軟件仿真通常有四種方法：利用Source Radial對光源的配光曲線進行采樣，將曲線數(shù)據(jù)輸入Zemax的結構數(shù)據(jù)編輯器中進行仿真;將LED生產(chǎn)商提供的IES光源文件存入[Zemax根目錄＼Objects＼Sources＼IES-NA]文件夾內(nèi)，打開非序列照明模式SourceIESNA File可得到仿真結果;創(chuàng)建LED芯片朗伯型發(fā)光簡易光源Source Rectangle以及與LED芯片尺寸相同的Rectangle散射片;利用Zemax軟件自帶的數(shù)百種光源模型與目標光源參數(shù)進行比較，選取光學特性最為接近的一種。設計時選取LUMILEDS公司的產(chǎn)品LUXEON Altlion進行了仿真優(yōu)化。根據(jù)LUMILEDS公司提供的數(shù)據(jù)可知該產(chǎn)品的光強分布曲線如圖2所示。

產(chǎn)品尺寸為4.6mmx4.6 mmx0.225mm。最小光通量為1 000 lm，正常工作狀態(tài)下光通量為5 000lm。國標中的數(shù)據(jù)指標是在充電狀態(tài)下測得的，所以直接使用正常工作狀態(tài)下的光通量。將數(shù)據(jù)輸入Zemax結構數(shù)據(jù)編輯器中，并在距光源500mm處設置矩形探測器Detector Rectangle。

1.3.3系統(tǒng)整合

將Zemax軟件仿真的光源和反光杯進行整合，按照檢測指標的種類設置不同類型的探測器。為了檢測系統(tǒng)出光角度以及發(fā)光強度，在系統(tǒng)z軸原點處設置極坐標探測器Detector Polar;為了檢測中央光斑的空間分布以及光照強度，分別在系統(tǒng)z軸1，2，5，10 m處設置矩形探測器Detector Rectangle。主要關注極坐標探測器Detector Polar以及10 m處設置的矩形探測器Detector Rectangle。

1.3.4系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)主要誤差來源于光源的形狀。在理想反光杯系統(tǒng)中，光源以點光源的形式出現(xiàn)，但光源的幾何形狀會影響系統(tǒng)的諸多光學性能，最好不要將光源簡單當作點光源，所以要分析光源尺寸對系統(tǒng)光學性能的影響。仿真時系統(tǒng)采用與以往燈珠型LED不同的矩形LED陣列，進行了相應的誤差分析。構建數(shù)學模型如下。

2系統(tǒng)優(yōu)化

2.1優(yōu)化過程

設置半徑Radius和最小開口半徑Min Aper為變量，打開Zemax默認評價函數(shù)，設置NSDD操作數(shù)，將作用的面設置在距光源10 m遠的矩形探測器處。將第一個NSDD操作數(shù)Surf設置為1，設置參數(shù)Det#的數(shù)值為7，也就是10 m處矩形探測器的編號，設置Pix#為一1以及Data為0優(yōu)化仿真時可以得到最大光通量。將第二個NSDD操作數(shù)Surf與Det#分別設置為1和7，設置Pix#為一5和Data為0仿真優(yōu)化時可以得到光通量的平均值。再使用相除函數(shù)DIVI，將兩個NSDD操作數(shù)相除，就可以控制出射光的光通量均勻度。再配合NSTR操作數(shù)進行光線追跡，采用OD優(yōu)化方法完成優(yōu)化過。

2.2優(yōu)化結果

圖4是極坐標探測器的仿真數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)最大發(fā)光強度出現(xiàn)在0°附近，且發(fā)光強度主要集中在-36°～+36°。從發(fā)光強度角分布曲線中可以看出，曲線在-36°之前和+36°之后斜率基本保持不變，發(fā)光強度分布均勻，但在-36°～+36°之間的區(qū)域發(fā)光強度角分布曲線存在大量的毛刺，可見配光效果不佳，存在局部發(fā)光強度過大的現(xiàn)象，視覺觀感較差。

圖5是10 m處矩形探測器的仿真數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)最大光照強度可達到5 696 lx，符合國標要求的最低標準1 000 1X。但是中央光斑半徑為200mm，不符合提出的設計要求，光照強度空間分布曲線在-200mm及200mm處的斜率變化十分明顯，不夠平滑，使得光線明暗變化比較突兀?？梢姵Ｒ?guī)優(yōu)化手段對消除毛刺以及提升視覺效果的作用還不足以滿足設計要求，為解決上述問題，采取棱狀反光杯微結構優(yōu)化設計思路進行設計。

2.3微結構優(yōu)化及結果

在反光杯截面的幾何曲線上選取一系列數(shù)據(jù)，以表格的形式記錄在TOB文件中，將該TOB文件存放于[zemax根目錄＼ObjectsWuated]文件夾中，在Zemax的非序列模式中打開TOB→Fuated→Files，調(diào)出所存放的TOB文件來完成仿真，并與普通反光杯的仿真結果進行對比分析，對比結果如圖6所示。

將1.3.2節(jié)中的仿真光源以及1.3.3節(jié)中各探測器與棱狀反光杯進行組合仿真，再次觀察極坐標探測器Detector Polar以及10 m處矩形探測器的仿真結果，并與2.2節(jié)中的優(yōu)化結果進行對比分析。

圖7是棱狀反光杯系統(tǒng)極坐標探測器的仿真數(shù)據(jù)，與圖4中的結果對比后得出，最大發(fā)光強度依舊在0°附近，但是毛刺僅出現(xiàn)在-18°～+18°區(qū)域內(nèi)，且毛刺數(shù)量明顯減少，毛刺幅度有所降低，發(fā)光強度角分布曲線更加平緩，可見明顯改善了二次配光效果，使光線更加柔和，提升了視覺舒適性。

圖8是棱狀反光杯系統(tǒng)10 m處矩形探測器的仿真數(shù)據(jù)，與圖5相比，光斑明暗過渡更柔和，光照強度空間分布曲線更平滑，且最大光照強度空間分布區(qū)域半徑由200mm左右縮減到100 mm左右，基本能滿足設計指標要求，但中央光斑光照強度由5 696 lx降至4 401 lx，在系統(tǒng)正常工作前提下依舊可以滿足國標最低要求。仿真結果表明具有微結構的棱狀反光杯使得配光效果更佳，提供更舒適的視覺效果，且中央光斑更集中緊湊。進一步分析發(fā)現(xiàn)一定距離范圍內(nèi)光線總能量有限，配光更均勻后，中央光斑部分能量會分配到其他區(qū)域，使光照強度減弱。這一點在設計中是需要考慮權衡的。

2.4棱狀反光杯設計思路

棱狀反光杯具體結構細節(jié)主要由杯體母線上的節(jié)點數(shù)及旋轉(zhuǎn)節(jié)點數(shù)兩方面決定，母線節(jié)點數(shù)決定棱狀杯徑向結構細節(jié)，旋轉(zhuǎn)節(jié)點數(shù)決定棱狀杯旋轉(zhuǎn)角度間隔。兩者在Zemax軟件中均可自由設置，以實現(xiàn)不同的配光效果。在TOB物體構造上，因為母線節(jié)點數(shù)完全是由原始的TOB數(shù)據(jù)文件決定的，這導致不能直接由Zemax軟件進行優(yōu)化，相反，旋轉(zhuǎn)節(jié)點數(shù)可以設置成變量，通過設置相應的操作數(shù)組合來進行結構優(yōu)化。通過減少或增加母線節(jié)點數(shù)進一步仿真設計其他類型的棱狀反光杯。配光效果如圖9和圖10所示。

分析發(fā)現(xiàn)節(jié)點數(shù)的增加可適當提高中央光斑亮度，但會降低光照強度分布曲線平滑度，影響整個系統(tǒng)的配光效果。因此在進行同類型反光杯設計時，應考慮如何使局部和整體效果俱佳，從而決定微結構的具體細節(jié)，這是十分重要的。

2.5組合反光杯設計思路

由圖1（c）所示拋物面光線分布特點可知，中央光斑的光線絕大部分來源于反光杯內(nèi)部小口徑處的鏡面反射，而配光誤差主要是由外部大口徑處的鏡面反射造成的。為了保證反光杯中央光斑的光照強度并同時兼顧二次配光效果，將微結構反光杯和非球面光滑反光杯進行拼接。微結構可以利用優(yōu)良的鏡面反射性能來改變局部光通量的分布，非球面結構則可以保證光線的準直性。要使中央光斑的光照強度達到國家標準，中央部分的光線要具有較好的準直性，因此靠近反光杯中軸線的部分應該使用非球面光滑反光杯，而邊緣部分則引入微結構對配光效果進行優(yōu)化。這種設計可以將兩種不同結構反光杯的優(yōu)勢相結合，針對不同區(qū)域的不同光學性能要求采取不同解決方案，既能保證中央光斑的光照強度，也可以得到優(yōu)良的視覺效果。

根據(jù)光度學的相關知識，在光源、出光口徑和探測距離均保持不變的情況下，探測器所在平面上的總光通量是確定的。組合反光杯可以通過不同的結構設計來改變探測器平面局部的光通量分布情況，其中主要的設計核心是確定非球面光滑反光杯和棱狀微結構反光杯的分界面位置。根據(jù)光度學距離平方反比定律，極坐標探測器處發(fā)光強度L和矩形探測器處光照強度Wv的理論關系如下：

式中：d為光源到探測器的距離，d=10m;由之前的誤差分析可知出光角a，即矩形探測器對面陣光源的中心的張角極小，故余弦值可以直接取1;考慮到光線的疊加以及相互影響，可在該式之前引入一個修正因子k經(jīng)由反復仿真以及基于類似非球面光滑反光杯的測試實驗可知修正因子的大小為k=12.34，最后可得極坐標探測器發(fā)光強度和矩形探測器光照強度的理論關系為

Ev=0.1234Iv（8）

由圖5可見，光照強度隨空間位置的變化率在200mm處發(fā)生較大突變，因此主要修正此處的結構以改善配光效果使得該處配光曲線更加平緩，故需要確定該處光線來源的大致位置，此位置即為反光杯上結構分界面所在位置。200 mm處的光照強度約為5 500 lx，對應到極坐標探測器處的發(fā)光強度為687.7 cd，結合圖4確定該光線的出射角度約為60°。

結合圖10，已知光線出射角度θ以及反光杯母線方程，可以求出分界面處的反光杯半徑RF=18.19mm。之后再用TOB旋轉(zhuǎn)的方法將微結構引入，完成組合反光杯的仿真。此方法通過參數(shù)之間的線性關系將探測器平面上的點與反光杯曲面上的點一一對應起來，可以粗略估算出組合反光杯最佳分界線的位置，之后在附近區(qū)域進行多次仿真即可得到最為理想的設計方案。

相較于非球面反光杯以及棱狀反光杯，組合反光杯生產(chǎn)工藝更加復雜。根據(jù)市場調(diào)查，目前企業(yè)使用的精密數(shù)控機床以及車床均具備一次性加工非球面甚至是鱗甲面的能力，再結合分段制作、結構整合的生產(chǎn)模式，加工類似結構在技術上是完全可行的。在先期模具制造技術成熟的基礎上，可以批量生產(chǎn)，進一步降低成本。這也是相較于自由曲面光學系統(tǒng)的優(yōu)勢之一。

2.6組合反光杯仿真結果

Zemax軟件中幾何結構的拼接通常有三種方式：利用TOB物體的構造模式，通過人為規(guī)劃母線節(jié)點分布來構造復雜幾何體;采用Zemax軟件自帶的布爾運算功能，將數(shù)個簡單幾何體通過邏輯與、邏輯或以及加減等運算組合成特殊幾何體;使用其他繪圖仿真軟件，將復雜幾何體保存為CAD文件，再將其導入Zemax軟件的CAD文件夾中，用CAD進行物體構造。由于布爾運算僅支持三維幾何體，在設計中需要繪制十分復雜的三維物體模型，因此未采用該方法，而選用TOB物體進行構造。構造示意圖如圖11所示。

圖12是極坐標探測器展示的數(shù)據(jù)，與圖7對比可知，發(fā)光強度角分布曲線的平滑度未發(fā)生明顯變化，毛刺的高度進一步減小，同時中央最大發(fā)光強度上升為2 474 cd，改善了中央光斑亮度，也兼顧了配光效果。

圖13所示為10 m處矩形探測器數(shù)據(jù)，與圖8對比可知，中央光斑的半徑由100mm增大為150mm，光照強度空間分布曲線斜率有些許增大，但是中央光斑最大光照強度變?yōu)? 552 1x。由此可見，合理設計組合反光杯可以有效地結合棱狀反光杯和普通拋物面反光杯的優(yōu)點，在適當犧牲配光效果前提下能提升光照強度以及發(fā)光強度。

3結論

設計了汽車前照遠光燈反光杯，采取了不同于普通反光杯的仿真設計分析方法：選取全新光源類型并根據(jù)該光源結構特點和發(fā)光特點進行誤差分析，從根本上提升了系統(tǒng)的整體光學性能;采用微結構優(yōu)化方法和棱狀反光杯的設計思路，在滿足國標性能要求的前提下，使得光線更加柔和，最大光照強度分布區(qū)域半徑縮減至100mm左右;優(yōu)化二次配光效果使得系統(tǒng)可視性進一步提升;探討了決定棱狀反光杯光學性能的主要因素，通過多次仿真模擬得出普遍性規(guī)律;設計組合反光杯，將棱狀反光杯以及普通反光杯的優(yōu)點相結合，得到最優(yōu)配光效果。目前棱狀反光杯在傳統(tǒng)制造模式下有一定難度。隨著工業(yè)制造技術的迅猛發(fā)展以及3D打印技術等一系列新型技術的成熟普及，將來可以克服制造復雜微結構反光杯的困難，所以設計制造微結構反光杯具有廣闊應用前景。