透鏡結(jié)構(gòu)的電動自行車照明裝置的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)單元研制

曾彥凱，張佳茜，盧 鼎，華思昊

（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

電動自行車因其低碳、經(jīng)濟、節(jié)能和便捷而深受歡迎。發(fā)展至今，中國已成為全球最大電動自行車生產(chǎn)和消費國，年產(chǎn)量和消費量占世界總產(chǎn)量和消費量的比重均超過90%。據(jù)統(tǒng)計，截至2018 年末我國電動自行車社會保有量已超過2.5 億輛。隨著電動自行車的廣泛使用，電動自行車所產(chǎn)生的人車矛盾進一步加劇，道路交通安全問題越來越嚴(yán)重，因電動自行車的質(zhì)量問題所引發(fā)的各類事故也屢見不鮮[1]。

照明裝置作為電動自行車的眼睛，同時也作為電動自行車整車的關(guān)鍵零部件之一，其GB/T 31887.1-2019“自行車照明和回復(fù)反射裝置第1 部分：照明和光信號裝置”于2020 年5 月1 日正式實施。意味著今后電動自行車強制性認證對該項目有了新的要求，而新標(biāo)準(zhǔn)相較于老標(biāo)的技術(shù)要求有著更為嚴(yán)格的要求。對光學(xué)設(shè)計的難度和生產(chǎn)上的精度要求較高，因此如何針對在保持產(chǎn)品一致性的同時降低生產(chǎn)及維護成本顯得尤為重要。新標(biāo)準(zhǔn)的出臺和實施，從技術(shù)層面上為行業(yè)設(shè)立門檻，倒逼全行業(yè)向高端化調(diào)整，進一步推動了整個行業(yè)集中度的提升。

在研究照明裝置配光性能的影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)單元，該類型光學(xué)單元可滿足標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，且其通用性強、一致性好，適用于透鏡類照明裝置的量產(chǎn)。

1 試樣制備及測試方法

通過配光軟件按標(biāo)準(zhǔn)要求進行配光設(shè)計。因坐標(biāo)點和坐標(biāo)區(qū)域均有不同要求，需按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31887.1-2019 規(guī)定進行前期配光設(shè)計，具體標(biāo)準(zhǔn)要求見表1，近光對光圖譜詳見圖1。

圖1 近光燈測量和對光圖譜

表1 GB/T 31887.1-2019 對近光和遠光功能的配光性能要求

依據(jù)配光軟件設(shè)計數(shù)據(jù)及透鏡類型制作試模件（透鏡型，亞克力材質(zhì)），對試模件進行配光性能檢測并獲得測試數(shù)據(jù)，分析比對各配光點、配光區(qū)域的測試值，優(yōu)化配光軟件中的設(shè)計數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)重新調(diào)整試模透鏡，最終使其配光性能滿足規(guī)定要求。依據(jù)GB/T 31887.1-2019 的配光要求，通過配光軟件設(shè)計前期配光數(shù)據(jù)，近光和遠光功能的配光圖譜具體分布詳見圖2。

圖2 近光和遠光功能的配光圖譜

2 結(jié)果與討論

2.1 初次配光數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果與分析

由圖3 可知，HH 線以上區(qū)域最大照度設(shè)計值為0.5 lx，A 點照度設(shè)計值為40 lx，其余點位和區(qū)域按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行相應(yīng)設(shè)計。根據(jù)配光軟件設(shè)計數(shù)據(jù)進行制作試模A（圖3），對其進行相應(yīng)的配光性能檢測。測試結(jié)果見表2。

表2 試模A 的近光和遠光功能配光性能檢測數(shù)據(jù)

圖3 照明裝置試模A

分析試模A 的檢測結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)大部分的配光點和配光區(qū)域的照度值符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，但還有若干配光點和配光區(qū)域的照度值不能達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，主要問題點在于：

（1）從近光功能的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)：在4°D 以下和4°L 以及4°R 之間的區(qū)域（以下稱為區(qū)域B）的測試值為42.16 lx，該值超過EA 值（41.48 lx），不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定?？赡苁且驗椋航鈾z測區(qū)域中3°和4°線之間和在垂直線左右4°之間的區(qū)域（以下稱為區(qū)域A）范圍較小，在實際生產(chǎn)中將光源的光照集中于區(qū)域A存在較大的難度，透鏡的材料、光源的類型及透鏡的生產(chǎn)過程都會影響照明裝置的配光性能。若控制不好光源的折射效果容易導(dǎo)致區(qū)域B 中與區(qū)域A 的過渡邊緣的照度大于A 點照度值，導(dǎo)致試模A 不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求；

（2）從遠光功能的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)：A1 和A2 點照度值分別為38.22 lx 和33.90 lx，未達到HV 點的照度值一半以上（EHV＝86.62 lx）?？赡苁且驗椋篈1、A2 兩點與HV 點間隔較寬，分別為4°L 和4°R，左右相距的球面角達到8°，增大了前期配光的難度，提高了對照明裝置的配光要求。這就需要將遠光光源所發(fā)出的光通過透鏡的折射擴大光斑寬度，同時還需保證光斑照度的均勻性，從而保證4°L 和4°R 的照度值不小于EHV；

（3）近光光型與遠光光型的HV 點未一致重合。標(biāo)準(zhǔn)要求在近光功能測試結(jié)束后，不需移動位置進行遠光測試，其測試結(jié)果仍需符合遠光要求，而試模A 在測試時還需要調(diào)整測試位置以保證EHV點接近原配光設(shè)計值。該要求是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求中最難實現(xiàn)的，需要近光光斑和遠光光斑相互結(jié)合，嚴(yán)格控制好兩者的HV 點位置一致。

基于上述三點不合格點及區(qū)域，對測試數(shù)據(jù)進行重新分析和配光性能優(yōu)化，對試模A 的透鏡結(jié)構(gòu)進行修改[2-5]，主要方法為：

（1）優(yōu)化透鏡結(jié)構(gòu)和發(fā)光光源，修改對光源發(fā)出的光的折射角度，將最亮光區(qū)域設(shè)置在區(qū)域A 中，同時，區(qū)域A 和區(qū)域B 之間的過渡區(qū)域應(yīng)有較大落差，以避免區(qū)域B 的照度值大于EA值；

（2）修改透鏡結(jié)構(gòu)，加大遠光光源的折射角度，擴寬遠光光斑的寬度，以達到遠光光斑的寬度至少達到4°L 和4°R；同時提高光斑亮度的均勻性，遠光光斑應(yīng)無明顯銳減區(qū)域、無明顯的暗明分界；

（3）根據(jù)測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)遠光HV 點在近光HV點之上，故調(diào)整透鏡結(jié)構(gòu)，降低投射角度，縮小遠近光斑之間的距離，使兩者達到基本重合；

（4）對比各個配光點和配光區(qū)域的前期設(shè)計值與實際測量值的差異，在修改時注意合理放寬容錯范圍，降低因生產(chǎn)工藝等因素對測試結(jié)果的影響。

2.2 優(yōu)化配光數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果與分析

依據(jù)上述4 點修改方法對透鏡及光源進行重新修改，并優(yōu)化配光參數(shù)及配光圖譜，具體配光點設(shè)計數(shù)據(jù)和配光圖詳見表3 和圖4。

表3 修改后的配光參數(shù)數(shù)據(jù)

圖4 修改后的近光和遠光功能的配光圖譜

依據(jù)上述優(yōu)化后的配光設(shè)計數(shù)據(jù)進行制作試模B。對試模B 進行配光性能檢測，具體測試結(jié)果見表4。依據(jù)測試數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)修改后的試模B 的配光性能可以完全滿足規(guī)定要求。以該光學(xué)單元為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)單元，對其進行開模量產(chǎn)并作為光源應(yīng)用于不同型號的照明裝置。

表4 修改后試模B 的近光及遠光功能檢測數(shù)據(jù)

2.3 量產(chǎn)產(chǎn)品的結(jié)果與分析

以試模B 的光學(xué)單元作為標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)單元，將其應(yīng)用于不同型號的照明裝置。進行批量生產(chǎn)后，制作出不同型號的電動自行車照明裝置，記為樣品1、樣品2及樣品3，見圖5。分別測試3 個樣品的配光性能數(shù)據(jù)，詳見表5。

圖5 照明裝置樣品1、樣品2 和樣品3

通過表5 的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用該類結(jié)構(gòu)的光學(xué)單元作為光源的照明裝置，經(jīng)批量生產(chǎn)后可得不同型號的樣品1、2 和3 的配光性能數(shù)據(jù)較為接近，符合批量生產(chǎn)的一致性要求，該透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)單元可用于不同類型的照明裝置，即可提高透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)單元通用性。

表5 樣品1、2、3 的近光及遠光功能檢測數(shù)據(jù)

未進行前期配光設(shè)計的照明裝置產(chǎn)品其配光性能很少能符合新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求；對比已進行配光設(shè)計的照明裝置產(chǎn)品，其配光性能雖然可以符合新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，但其產(chǎn)品生產(chǎn)一致性并不能很好地保證，后期裝配工藝等因素也會影響實際量產(chǎn)產(chǎn)品的配光性能。本試驗所制的試模B（透鏡型結(jié)構(gòu)）可為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)提供標(biāo)準(zhǔn)通用光學(xué)單元，能夠降低生產(chǎn)過程中由于外界影響產(chǎn)品的配光性能，同時還可節(jié)省相關(guān)企業(yè)的研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期；加快電動自行車產(chǎn)品的研發(fā)周期，為促進行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級可起到積極作用。

3 結(jié)語

本實驗通過前期配光，研制出一套完整的透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)單元，該光學(xué)單元可符合標(biāo)準(zhǔn)GB 31887.1-2019 的近光及遠光的配光性能規(guī)定要求。同時，該光學(xué)單元可應(yīng)用于批量生產(chǎn)不同車型、不同型號的電動自行車前燈，具有通用性強及光學(xué)一致性高的優(yōu)點。該透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)單元的研制可節(jié)省光學(xué)單元的研發(fā)成本，同時還能加快整車企業(yè)的新車型、新型號的更新迭代，有效地促進電動自行車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。