一種改進的汽車前照燈配光鏡的設計研究

于 千，吳大鳴，孟慶云

（北京化工大學理學院凝聚態(tài)物理系，北京100029）

一種改進的汽車前照燈配光鏡的設計研究

于 千，吳大鳴，孟慶云＊

（北京化工大學理學院凝聚態(tài)物理系，北京100029）

通過LightTools光學軟件設計出了微結(jié)構(gòu)非均勻排布的圓形導光板，將其作為汽車前照燈的配光鏡使用時，不但有效地減少了出射光線的發(fā)散角，使能量分布更加集中，而且提高了光照度，增大了光能利用率，同時使光照度在中間區(qū)域內(nèi)分布更加均勻，從而減少了汽車夜間行駛時燈光對駕駛員的影響。

汽車前照燈；配光鏡；照度

0 前言

21世紀以來，汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，重視節(jié)省能源和環(huán)境保護，要求汽車行駛安全，是人們十分關注的問題，這就對汽車車燈照明的要求也越來越嚴格。為此，燈具行業(yè)必須不斷研究和發(fā)展燈具的設計和制造技術。塑料行業(yè)的發(fā)展，耐高熱、熱變形小、收縮率小的塑料材料的應用，為燈具行業(yè)改變燈具的結(jié)構(gòu)和配光設計提供了光學材料[1－2]。汽車燈具設計的難點是前照燈。汽車前照燈主要由光源、反射鏡及配光鏡三部分組成。汽車前照燈的燈具配光，是光源經(jīng)過旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡反射后，由透鏡上的散射棱鏡和折射棱鏡來完成[3]。

光散射材料是指能夠使光通過而又能有效地散射光的材料，能將點、線光源轉(zhuǎn)化成線、面光源。如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞，即尺度達到波長數(shù)量級的鄰近媒質(zhì)小塊之間在光學性質(zhì)上（如折射率）有較大差異，在光波作用下，它們將成為強度差別較大的次波源[4－5]，而且從它們到空間各點已有不可忽略的光程差，這些次波相干疊加的結(jié)果，光場中的強度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時，除了按幾何光學規(guī)律傳播的光線外，其他方向或多或少也有光線存在，這就是散射光，即產(chǎn)生了散射[6]。光散射材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有透明度高、質(zhì)輕不易變形、良好導旋光性等特點，不耐醇、酮、強堿，能溶于芳香烴、氧化烴，容易成型，尺寸穩(wěn)定，耐沖擊性及表面硬度均稍差，容易擦花，故對包裝要求較高[7－8]。

1 軟件模擬

本文利用光學軟件LightTools對導光板進行設計和光路模擬。LightTools是一個全新的具有光學精度的交互式三維實體建模軟件體系，它把光學和機械元件集合在統(tǒng)一的體系下處理，并配有“放置”光源、發(fā)射光線的非順序面光線追跡的強大功能，使它在系統(tǒng)初步設計、復雜系統(tǒng)設計規(guī)劃、光機一體設計、雜光分析、照明系統(tǒng)設計分析、課題論證或產(chǎn)品推廣等各環(huán)節(jié)中均可發(fā)揮重要的作用。

1.1 配光鏡的設計

1.1.1 配光鏡上有無微透鏡陣列的比較

利用光學軟件LightTools，可以設計出均勻介質(zhì)的導光板，從圖1和圖2可以看到，在導光板表面是否添加微結(jié)構(gòu)陣列對光線的傳播有著明顯的影響，圖1所示為無微結(jié)構(gòu)時的情況，此時光線會向各個方向傳播；當在導光板表面添加微結(jié)構(gòu)陣列后，可以看到光線會沿著軸向傳播。

圖1 導光板表面無微結(jié)構(gòu)Fig.1 The surface of light guide plate without microstructure

圖2 導光板表面有微結(jié)構(gòu)陣列Fig.2 The surface of light guide plate with microstructure

1.1.2 圓盤狀配光鏡的設計模擬

汽車前照燈配光鏡的樣式各異，本文以圓形配光鏡為例，設計一種新型表面微結(jié)構(gòu)排列方式，來達到更好的配光效果。以PMMA為基礎材料，設計圓盤半徑為20mm，微結(jié)構(gòu)以徑向方式排列，如圖3（a）所示，圖3（b）為局部放大效果圖。

設計出微結(jié)構(gòu)非均勻排布狀況的導光板之后，通過LightTools進行光線追跡模擬，軟件計算出此時照度的分布圖，如圖4所示。通過和微結(jié)構(gòu)均勻排布時的照度分布相比，本文設計出的微結(jié)構(gòu)徑向排布可以使光線出射的發(fā)散角得到減小，使能量分布更加集中，不但提高了照度，增大了光能利用率，而且同時使照度在中間區(qū)域內(nèi)分布更加均勻，從而減少了汽車夜間行駛時燈光對駕駛員的影響。

圖3 微結(jié)構(gòu)徑向排布導光板Fig.3 Radial array of microstructure along light guide plate

1.1.3 軟件模擬汽車前照燈

利用LightTools軟件設計上述導光板。首先設計光源，光源的設計為長、寬、高分別為0.2、1.0、1.0mm，發(fā)光角度為60°，光源的光通量設置為100lm。其次設計導光板。導光板距離光源距離設計為10mm，半徑為20mm，厚度為1mm，微透鏡結(jié)構(gòu)（凸起）選擇徑向排列，輪廓間距設為1mm，每輪廓中微透鏡結(jié)構(gòu)（凸起）的間距設為0.269mm。采用兩塊以上敘述的導光板，并排排布，圓心相距120mm，分別配以上述光源，進行光線追跡，如圖5所示，在模擬過程中，可以將兩個光源看作是汽車的兩個前照大燈，兩塊導光板看作是汽車前照燈的配光鏡，光線從兩個光源發(fā)出后，經(jīng)過導光板的傳導，照射到接受面上，由于導光板的存在，使得光線的匯聚效果更加明顯，更多地聚集在正前方，兩側(cè)的光線減少。通過軟件計算，得到此時出射光的照度分布圖，如圖6所示，可以看到，在中間區(qū)域光照度分布比較均勻（其中實線代表x軸向照度分布，虛線代表y軸照度分布），這樣就可以減少在夜間行駛時眩光對司機的影響，從而提高了行車的安全性。

圖4 微粒非均勻排布和均勻排布的照度分布圖Fig.4 Curves for illumination distribution with nonuniform and uniform array of microparticles

圖5 車燈模擬光線追跡效果圖Fig.5 Simulation for ray tracing of headlamp

圖6 車燈模擬照度分布圖Fig.6 Simulation for illumination distribution of headlamp

2 實驗模擬

通過軟件模擬出微結(jié)構(gòu)非均勻排布導光板之后，利用發(fā)光二極管按照軟件模擬微結(jié)構(gòu)的比例，焊接成一個有發(fā)光二極管組成的圓盤，在距離圓盤20cm處通過光功率計測量距圓盤中心x和y方向－45～45mm處光功率，得到實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光功率數(shù)據(jù)Tab.1 Luminous power

利用Matlab擬合出光功率分布曲線圖，如圖7所示，通過擬合出來的曲線分布可以看到和LightTools軟件模擬結(jié)果比較吻合，從而驗證了模擬結(jié)果的正確性。

3 結(jié)論

（1）通過LightTools光學軟件設計出的微結(jié)構(gòu)非均勻排布的圓形導光板，可以作為汽車前照燈的配光鏡使用；

圖7 Matlab擬合光功率曲線Fig.7 Fitting curves for luminous power by Matlab

（2）圓形導光板不但有效地減少了出射光線的發(fā)散角，使能量分布更加集中，而且提高了光照度，增大了光能利用率，同時使照度在中間區(qū)域內(nèi)分布更加均勻，從而減少了汽車夜間行駛時燈光對駕駛員的影響。

[1] Henning Hogrefe，Rainer Neumann.Aplication of Free Form Reflectors in Modern Headlamp Systems[Z].SAE 950593，1995.

[2] Yutaka Nakata.Dual Filament Replaceable Bulb Headlamp Using a Multi－reflector Optimized with a Neural Net－work[Z].SAE 950599，1995.

[3] 楊銀平.液晶顯示技術[J].化工新型材料，1996，（8）：33－35.

Yang Yinping.LCD Display Technology[J].New Chemical Materials，1996，（8）：33－35.

[4] Ishiharada M，Tanuma I，Naito K.Light Scattering Material：US，5744534[P].1998－04－28.

[5] 張 楠，唐振方，栗萬里，等.光散射聚合物導光板的材料參數(shù)設計[J].光散射學報，2007，19（1）：55－59.

Zhang Nan，Tang Zhenfang，LI Wanli，et al.Material Design of Highly Scattering Optical Transmission Polymer for Light Guide Plates[J].The Journal of Light Scattering，2007，19（1）：55－59.

[6] 楊本宏，邵 芳，張 霞.POSS/PMMA納米復合材料的制備及性能[J].塑料，2010，39（3）：30－33.

Yang Benhong，Shao Fang，Zhang Xia.Preparation and Properties of POSS/PMMA Nanocomposite[J].Plastics，39（3）：30－33.

[7] Wu Daming，Meng Qingyun，Liu Ying.In Situ Bubble Stretching Dispersion Mechanism for Additives in Polymers[J].Polymer Science Part B：Polymer Physics，2003，41：1051－1058.

[8] Meng Qingyun，Zheng Xiuting，Wu Daming.Analysis of Nanogranule Dispersion Using the ISBS Method[J].The European Physical Journal Applied Physics，2007，38：239－242.

Design of an Improved Automobile Headlamp Lens

YU Qian，WU Daming，MENG Qingyun＊
（Department of Condensed Matter Physics，Science College，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

A light guide plate with non－uniform arrangement was designed using an optical software LightTools.When the plate was in the automobile headlamp lens，it reduced the exit light divergence angle and increased the utilization rate of light energy，resulted in more uniform luminance distribution.This device could avoid the influence of external light on the driver in the night.

automobile headlamp；len；illumination

TQ320.79

B

1001－9278（2012）09－0065－04

2012－04－09

國家自然科學基金項目（51173015）

＊聯(lián)系人，mqybuct＠163.com