基于zemaX的汽車新型反光杯設(shè)計(jì)

許冰聰 蔣翰星 陳章迪 陳沛哲 雷哲圣 張學(xué)明

摘要：利用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一款適用于家用小型汽車前照遠(yuǎn)光燈的汽車反光杯。針對(duì)國(guó)標(biāo)GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》性能要求，對(duì)普通的汽車反光杯采取結(jié)構(gòu)改良等優(yōu)化措施，使其二次配光效果更好，中央光斑進(jìn)一步集中，視覺(jué)效果更加柔和。仿真結(jié)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(qiáng)度為4 5521x，出光角為-10°～+10°。各項(xiàng)主要性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)，在不增加工業(yè)生產(chǎn)成本的前提下，具有適應(yīng)未來(lái)批量3D打印生產(chǎn)模式的潛力。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計(jì);前照遠(yuǎn)光燈;微結(jié)構(gòu);棱狀面反光杯;組合反光杯

中圖分類號(hào)：TN202 文獻(xiàn)標(biāo)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(guò)反射裝置控制中央光斑光照距離、光照面積及光照強(qiáng)度，相對(duì)透鏡系統(tǒng)具有像差小和能量損失少等優(yōu)點(diǎn)。反光杯照明系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于車燈、探照燈和電影放映機(jī)等娛樂(lè)、商業(yè)和科研領(lǐng)域。在不同運(yùn)用場(chǎng)合，可通過(guò)改變反光杯的面型結(jié)構(gòu)以及光源種類，來(lái)滿足不同需求。因此，反光杯在光學(xué)系統(tǒng)中具有不可替代的地位。

近年來(lái)，市場(chǎng)上汽車車燈的主要構(gòu)型是普通拋物面型，而且缺乏微結(jié)構(gòu)。目前主要使用的光源類型為鹵素?zé)艉蚅ED燈珠，這些因素會(huì)導(dǎo)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(yán)重，能耗偏大等問(wèn)題。運(yùn)用自由曲面的二次配光方法，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的照明方式，具有較好的應(yīng)用前景。本文基于Zemax軟件，在拋物面型的基礎(chǔ)上引入微結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)光燈反光杯的設(shè)計(jì)方法。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型

常見(jiàn)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(jié)構(gòu)不同，分別具有不同的光學(xué)性質(zhì)。結(jié)合圓錐曲線幾何特點(diǎn)證明，當(dāng)光線從曲線的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出時(shí)，光線本身或者其延長(zhǎng)線將會(huì)聚于另—個(gè)焦點(diǎn)。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(huì)聚于另一個(gè)焦點(diǎn)，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(zhǔn)直性。雙曲面反光杯使光線的延長(zhǎng)線會(huì)聚于虛焦點(diǎn)處，具有發(fā)散效果。結(jié)合汽車車燈反光杯的光學(xué)要求，即光線從光源發(fā)出經(jīng)反光杯反射后，具有較遠(yuǎn)的作用距離且無(wú)明顯發(fā)散現(xiàn)象，要求光線有極佳的準(zhǔn)直性，故拋物面反光杯是最好的選。

1.2設(shè)計(jì)要求

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》對(duì)汽車前照遠(yuǎn)光燈的要求，10 m處最大光強(qiáng)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(chǎng)常見(jiàn)的A1型反光杯的測(cè)量結(jié)果，要求杯口直徑為100mm左右，深度小于80mm。表2為相關(guān)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)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(duì)光源的配光曲線進(jìn)行采樣，將曲線數(shù)據(jù)輸入Zemax的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編輯器中進(jìn)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(kāi)非序列照明模式SourceIESNA File可得到仿真結(jié)果;創(chuàng)建LED芯片朗伯型發(fā)光簡(jiǎn)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(biāo)光源參數(shù)進(jìn)行比較，選取光學(xué)特性最為接近的一種。設(shè)計(jì)時(shí)選取LUMILEDS公司的產(chǎn)品LUXEON Altlion進(jìn)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(qiáng)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(guó)標(biāo)中的數(shù)據(jù)指標(biāo)是在充電狀態(tài)下測(cè)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(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編輯器中，并在距光源500mm處設(shè)置矩形探測(cè)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(jìn)行整合，按照檢測(cè)指標(biāo)的種類設(shè)置不同類型的探測(cè)器。為了檢測(cè)系統(tǒng)出光角度以及發(fā)光強(qiáng)度，在系統(tǒng)z軸原點(diǎn)處設(shè)置極坐標(biāo)探測(cè)器Detector Polar;為了檢測(cè)中央光斑的空間分布以及光照強(qiáng)度，分別在系統(tǒng)z軸1，2，5，10 m處設(shè)置矩形探測(cè)器Detector Rectangle。主要關(guān)注極坐標(biāo)探測(cè)器Detector Polar以及10 m處設(shè)置的矩形探測(cè)器Detector Rectangle。

1.3.4系統(tǒng)誤差分析

系統(tǒng)主要誤差來(lái)源于光源的形狀。在理想反光杯系統(tǒng)中，光源以點(diǎn)光源的形式出現(xiàn)，但光源的幾何形狀會(huì)影響系統(tǒng)的諸多光學(xué)性能，最好不要將光源簡(jiǎn)單當(dāng)作點(diǎn)光源，所以要分析光源尺寸對(duì)系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。仿真時(shí)系統(tǒng)采用與以往燈珠型LED不同的矩形LED陣列，進(jìn)行了相應(yīng)的誤差分析。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型如下。

2系統(tǒng)優(yōu)化

2.1優(yōu)化過(guò)程

設(shè)置半徑Radius和最小開(kāi)口半徑Min Aper為變量，打開(kāi)Zemax默認(rèn)評(píng)價(jià)函數(shù)，設(shè)置NSDD操作數(shù)，將作用的面設(shè)置在距光源10 m遠(yuǎn)的矩形探測(cè)器處。將第一個(gè)NSDD操作數(shù)Surf設(shè)置為1，設(shè)置參數(shù)Det#的數(shù)值為7，也就是10 m處矩形探測(cè)器的編號(hào)，設(shè)置Pix#為一1以及Data為0優(yōu)化仿真時(shí)可以得到最大光通量。將第二個(gè)NSDD操作數(shù)Surf與Det#分別設(shè)置為1和7，設(shè)置Pix#為一5和Data為0仿真優(yōu)化時(shí)可以得到光通量的平均值。再使用相除函數(shù)DIVI，將兩個(gè)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(jìn)行光線追跡，采用OD優(yōu)化方法完成優(yōu)化過(guò)。

2.2優(yōu)化結(jié)果

圖4是極坐標(biāo)探測(cè)器的仿真數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)最大發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)在0°附近，且發(fā)光強(qiáng)度主要集中在-36°～+36°。從發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度分布均勻，但在-36°～+36°之間的區(qū)域發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線存在大量的毛刺，可見(jiàn)配光效果不佳，存在局部發(fā)光強(qiáng)度過(guò)大的現(xiàn)象，視覺(jué)觀感較差。

圖5是10 m處矩形探測(cè)器的仿真數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)最大光照強(qiáng)度可達(dá)到5 696 lx，符合國(guó)標(biāo)要求的最低標(biāo)準(zhǔn)1 000 1X。但是中央光斑半徑為200mm，不符合提出的設(shè)計(jì)要求，光照強(qiáng)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?jiàn)常規(guī)優(yōu)化手段對(duì)消除毛刺以及提升視覺(jué)效果的作用還不足以滿足設(shè)計(jì)要求，為解決上述問(wèn)題，采取棱狀反光杯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3微結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)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(kāi)TOB→Fuated→Files，調(diào)出所存放的TOB文件來(lái)完成仿真，并與普通反光杯的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)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(cè)器與棱狀反光杯進(jìn)行組合仿真，再次觀察極坐標(biāo)探測(cè)器Detector Polar以及10 m處矩形探測(cè)器的仿真結(jié)果，并與2.2節(jié)中的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7是棱狀反光杯系統(tǒng)極坐標(biāo)探測(cè)器的仿真數(shù)據(jù)，與圖4中的結(jié)果對(duì)比后得出，最大發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度角分布曲線更加平緩，可見(jiàn)明顯改善了二次配光效果，使光線更加柔和，提升了視覺(jué)舒適性。

圖8是棱狀反光杯系統(tǒng)10 m處矩形探測(cè)器的仿真數(shù)據(jù)，與圖5相比，光斑明暗過(guò)渡更柔和，光照強(qiáng)度空間分布曲線更平滑，且最大光照強(qiáng)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但中央光斑光照強(qiáng)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(guó)標(biāo)最低要求。仿真結(jié)果表明具有微結(jié)構(gòu)的棱狀反光杯使得配光效果更佳，提供更舒適的視覺(jué)效果，且中央光斑更集中緊湊。進(jìn)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(huì)分配到其他區(qū)域，使光照強(qiáng)度減弱。這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中是需要考慮權(quán)衡的。

2.4棱狀反光杯設(shè)計(jì)思路

棱狀反光杯具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)主要由杯體母線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)及旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)兩方面決定，母線節(jié)點(diǎn)數(shù)決定棱狀杯徑向結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)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(shè)置，以實(shí)現(xiàn)不同的配光效果。在TOB物體構(gòu)造上，因?yàn)槟妇€節(jié)點(diǎn)數(shù)完全是由原始的TOB數(shù)據(jù)文件決定的，這導(dǎo)致不能直接由Zemax軟件進(jìn)行優(yōu)化，相反，旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)可以設(shè)置成變量，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的操作數(shù)組合來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)減少或增加母線節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)一步仿真設(shè)計(jì)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(diǎn)數(shù)的增加可適當(dāng)提高中央光斑亮度，但會(huì)降低光照強(qiáng)度分布曲線平滑度，影響整個(gè)系統(tǒng)的配光效果。因此在進(jìn)行同類型反光杯設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮如何使局部和整體效果俱佳，從而決定微結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，這是十分重要的。

2.5組合反光杯設(shè)計(jì)思路

由圖1（c）所示拋物面光線分布特點(diǎn)可知，中央光斑的光線絕大部分來(lái)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(qiáng)度并同時(shí)兼顧二次配光效果，將微結(jié)構(gòu)反光杯和非球面光滑反光杯進(jìn)行拼接。微結(jié)構(gòu)可以利用優(yōu)良的鏡面反射性能來(lái)改變局部光通量的分布，非球面結(jié)構(gòu)則可以保證光線的準(zhǔn)直性。要使中央光斑的光照強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，中央部分的光線要具有較好的準(zhǔn)直性，因此靠近反光杯中軸線的部分應(yīng)該使用非球面光滑反光杯，而邊緣部分則引入微結(jié)構(gòu)對(duì)配光效果進(jìn)行優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)可以將兩種不同結(jié)構(gòu)反光杯的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，針對(duì)不同區(qū)域的不同光學(xué)性能要求采取不同解決方案，既能保證中央光斑的光照強(qiáng)度，也可以得到優(yōu)良的視覺(jué)效果。

根據(jù)光度學(xué)的相關(guān)知識(shí)，在光源、出光口徑和探測(cè)距離均保持不變的情況下，探測(cè)器所在平面上的總光通量是確定的。組合反光杯可以通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改變探測(cè)器平面局部的光通量分布情況，其中主要的設(shè)計(jì)核心是確定非球面光滑反光杯和棱狀微結(jié)構(gòu)反光杯的分界面位置。根據(jù)光度學(xué)距離平方反比定律，極坐標(biāo)探測(cè)器處發(fā)光強(qiáng)度L和矩形探測(cè)器處光照強(qiáng)度Wv的理論關(guān)系如下：

式中：d為光源到探測(cè)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(cè)器對(duì)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(gè)修正因子k經(jīng)由反復(fù)仿真以及基于類似非球面光滑反光杯的測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知修正因子的大小為k=12.34，最后可得極坐標(biāo)探測(cè)器發(fā)光強(qiáng)度和矩形探測(cè)器光照強(qiáng)度的理論關(guān)系為

Ev=0.1234Iv（8）

由圖5可見(jiàn)，光照強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(lái)源的大致位置，此位置即為反光杯上結(jié)構(gòu)分界面所在位置。200 mm處的光照強(qiáng)度約為5 500 lx，對(duì)應(yīng)到極坐標(biāo)探測(cè)器處的發(fā)光強(qiáng)度為687.7 cd，結(jié)合圖4確定該光線的出射角度約為60°。

結(jié)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(jié)構(gòu)引入，完成組合反光杯的仿真。此方法通過(guò)參數(shù)之間的線性關(guān)系將探測(cè)器平面上的點(diǎn)與反光杯曲面上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，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(jìn)行多次仿真即可得到最為理想的設(shè)計(jì)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(fù)雜。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前企業(yè)使用的精密數(shù)控機(jī)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(jié)合分段制作、結(jié)構(gòu)整合的生產(chǎn)模式，加工類似結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是完全可行的。在先期模具制造技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，可以批量生產(chǎn)，進(jìn)一步降低成本。這也是相較于自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一。

2.6組合反光杯仿真結(jié)果

Zemax軟件中幾何結(jié)構(gòu)的拼接通常有三種方式：利用TOB物體的構(gòu)造模式，通過(guò)人為規(guī)劃母線節(jié)點(diǎn)分布來(lái)構(gòu)造復(fù)雜幾何體;采用Zemax軟件自帶的布爾運(yùn)算功能，將數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單幾何體通過(guò)邏輯與、邏輯或以及加減等運(yùn)算組合成特殊幾何體;使用其他繪圖仿真軟件，將復(fù)雜幾何體保存為CAD文件，再將其導(dǎo)入Zemax軟件的CAD文件夾中，用CAD進(jìn)行物體構(gòu)造。由于布爾運(yùn)算僅支持三維幾何體，在設(shè)計(jì)中需要繪制十分復(fù)雜的三維物體模型，因此未采用該方法，而選用TOB物體進(jìn)行構(gòu)造。構(gòu)造示意圖如圖11所示。

圖12是極坐標(biāo)探測(cè)器展示的數(shù)據(jù)，與圖7對(duì)比可知，發(fā)光強(qiáng)度角分布曲線的平滑度未發(fā)生明顯變化，毛刺的高度進(jìn)一步減小，同時(shí)中央最大發(fā)光強(qiáng)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(cè)器數(shù)據(jù)，與圖8對(duì)比可知，中央光斑的半徑由100mm增大為150mm，光照強(qiáng)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(qiáng)度變?yōu)? 552 1x。由此可見(jiàn)，合理設(shè)計(jì)組合反光杯可以有效地結(jié)合棱狀反光杯和普通拋物面反光杯的優(yōu)點(diǎn)，在適當(dāng)犧牲配光效果前提下能提升光照強(qiáng)度以及發(fā)光強(qiáng)度。

3結(jié)論

設(shè)計(jì)了汽車前照遠(yuǎn)光燈反光杯，采取了不同于普通反光杯的仿真設(shè)計(jì)分析方法：選取全新光源類型并根據(jù)該光源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和發(fā)光特點(diǎn)進(jìn)行誤差分析，從根本上提升了系統(tǒng)的整體光學(xué)性能;采用微結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和棱狀反光杯的設(shè)計(jì)思路，在滿足國(guó)標(biāo)性能要求的前提下，使得光線更加柔和，最大光照強(qiáng)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(jìn)一步提升;探討了決定棱狀反光杯光學(xué)性能的主要因素，通過(guò)多次仿真模擬得出普遍性規(guī)律;設(shè)計(jì)組合反光杯，將棱狀反光杯以及普通反光杯的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)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(shù)的迅猛發(fā)展以及3D打印技術(shù)等一系列新型技術(shù)的成熟普及，將來(lái)可以克服制造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)反光杯的困難，所以設(shè)計(jì)制造微結(jié)構(gòu)反光杯具有廣闊應(yīng)用前景。