牛生健

天津斯坦雷電氣科技有限公司 天津 300457

人類進(jìn)入工業(yè)化進(jìn)程以后要，汽車的發(fā)展也是與時(shí)俱進(jìn)，前照燈也是經(jīng)歷了許多次的更新?lián)Q代，現(xiàn)如今，LED燈是現(xiàn)今社會(huì)最為常見的燈源。而本文所介紹的激光則作為一種新型的技術(shù)光源。而這項(xiàng)新的技術(shù)，在很多地方都已經(jīng)超越了我們現(xiàn)在常用的LED燈。在二零一三年，一家外國(guó)公司拿出了一種汽車前照燈，而這就是我們今天所介紹的激光車燈。本文所設(shè)計(jì)的激光車燈具備多種用途，無論是搶修車、工程車，或者越野車處于夜間等許多需要照明的趙所都適用。本次通過分析研究知道了到激光驅(qū)動(dòng)白光光源的光源特性，并提出了一種方案[1]。

1 激光光源模型

1.1 激光光源的組成

本次研究的激光車燈的設(shè)計(jì)思路如下文所示，450nm的激光二極管發(fā)出的光，經(jīng)過透鏡會(huì)聚，入射到熒光片，激光經(jīng)過熒光粉的吸收、散射、折射后出射。熒光片散射出的光芒需要經(jīng)過會(huì)聚透鏡會(huì)聚后，入射到激光車燈的非球面透鏡后出射。所以，激光車燈包含了兩部分：激光產(chǎn)生白光系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)，其中，激光光源系統(tǒng)由激光器、會(huì)聚透鏡、熒光片組成。

圖1 激光車燈的組成

1.2 激光光源的測(cè)試與分析

因?yàn)橐M(jìn)行光學(xué)的仿真和設(shè)計(jì)，所以我們需要對(duì)激光光演的一些特征進(jìn)行研究，建立光源模型。激光光源的特性包括：光通量、光功率、光源尺寸等，建立了光學(xué)檢測(cè)平臺(tái)，利用不一樣的光學(xué)探針檢測(cè)光源的光學(xué)特性參數(shù)。采用四芯半導(dǎo)體激光器，激發(fā)電流為0.8A，勵(lì)磁功率12。激光驅(qū)動(dòng)白光源的光功率為2。95w，光通量計(jì)測(cè)得熒光粉后光通量為950lm。當(dāng)功率為12時(shí)，使用照度計(jì)探頭。在16w的條件下，離熒光板100mm處的照度為21300lux。

由于熒光粉發(fā)光機(jī)理復(fù)雜，在光學(xué)仿真軟件中很難準(zhǔn)確地建立仿真模型。本文采用機(jī)器視覺方法研究了熒光粉前后光源的形狀和尺寸，為后續(xù)的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[2]。搭建機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)，激勵(lì)功率小于0.1w，經(jīng)過機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)熒光粉前后光斑形狀不變，但熒光粉后光斑尺寸略大于入射光斑。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可使光源近似于3mm×3mm的蘭伯特光源。

2 透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

激光車燈采用的結(jié)構(gòu)，由兩片透鏡組成。第一片透鏡用于對(duì)熒光片出射光線的收光，其面型已知；第二片透鏡用于對(duì)光能量的整形，其面型未知。算和優(yōu)化算法相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了未知光學(xué)透鏡。首先將光源近似為點(diǎn)光源，將未知透鏡的左表面近似為平面，用網(wǎng)格映射法求解透鏡的右表面，然后將光源設(shè)置為面光源，對(duì)透鏡的左右表面進(jìn)行優(yōu)化，就能夠獲得的透鏡形狀[3]。

2.1 網(wǎng)格映射法計(jì)算

透鏡初始面型將遠(yuǎn)點(diǎn)O設(shè)置到光源的位置，將Z軸設(shè)置為透鏡的光軸，從而繪制成一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)圖表。點(diǎn)光源為光源近似，點(diǎn)光源的半角范圍為零到九十度，進(jìn)行離散化的對(duì)光源角度為γi（i=0，1，2，…，m）來呈現(xiàn)，這里γm=90°。光源角度為γi的入射光線為ri，經(jīng)過已知透鏡后的矢量為vi，入射到未知透鏡表面的Pi點(diǎn)，Pi處的法矢量為Ni，最終入射到接收面的Ti，其中Ti=（L，yii），L是光源和接收面所處的間距。

2.2 透鏡面型優(yōu)化

所設(shè)計(jì)的激光車燈要求為，25m處形成直徑范圍2-3m，光斑照度均勻，且照度≥100lux。上面得到的透鏡是基于點(diǎn)光源計(jì)算，在光學(xué)軟件中3mm×3mm的面光源，將透鏡左側(cè)設(shè)為非球面進(jìn)行面型優(yōu)化，即為最終的結(jié)果，能夠達(dá)到二十五米以外三米的直徑光源，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文提出了一種非球面激光車燈的設(shè)計(jì)方法。光源采用激光二極管，利用熒光片將其轉(zhuǎn)換為白光，通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得了熒光片前后光斑尺寸的近似關(guān)系，從而得到了光源的尺寸，指導(dǎo)了后續(xù)的光學(xué)設(shè)計(jì)。激光車燈采用非球面透鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的整形，非球面透鏡采用直接計(jì)算與優(yōu)化算法相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，并通過光學(xué)仿真和光學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究過程的正確性，為激光車燈提供了一種可行的研究方案。所設(shè)計(jì)的激光車燈對(duì)比于同類的車燈，功率要求較高，照射的距離遠(yuǎn)，光亮程度也比較高。但是實(shí)際光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光車燈存在漏光現(xiàn)象，后期計(jì)劃采用鍍膜和增加反光罩的形式進(jìn)一步提高遠(yuǎn)距離的照度值。