車燈反射腔真空鍍鋁反射率研究

楊 醒， 謝延青， 王文婷， 張 帆， 龔和明

（上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805）

鍍鋁膜在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用， 常見(jiàn)的鍍鋁膜是通過(guò)真空鍍鋁工藝將高純度的鋁絲在高溫下蒸發(fā)成氣態(tài)，使鋁的蒸汽沉淀堆積到基底的塑料薄膜表面上， 從而形成具有金屬光澤的薄膜。 鋁膜具有極佳的金屬光澤， 在紫外波段至紅外波段具有很高的反射率， 光反射率最高可達(dá)97%， 同時(shí)鋁膜表面在大氣中可以與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成一層氧化鋁膜， 這層膜可以起到保護(hù)鍍鋁膜層的作用，從而使得鋁膜基底的物理特性較為穩(wěn)定。 基于以上原因，鍍鋁膜廣泛地應(yīng)用于汽車車燈反射面的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中。

1 鍍鋁膜的理論反射率與實(shí)際反射率分析

1.1 鍍鋁膜的理論反射率

影響鍍鋁膜反射率的因素有很多， 比如入射波長(zhǎng)、 鋁膜厚度、 入射角度、 鋁膜的氧化程度等。 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，目前在車燈光學(xué)系統(tǒng)的模擬中對(duì)鍍鋁膜的反射率通常默認(rèn)設(shè)置為85%。 但是在實(shí)際情況中， 由于反射腔腔深、 腔的開(kāi)口大小、 氧化鋁膜的厚度、 鍍鋁膜的粗糙度、 介質(zhì)的光學(xué)色散等因素的影響， 會(huì)導(dǎo)致鍍鋁膜的反射率有所差異，這時(shí)模擬設(shè)計(jì)階段設(shè)置的85%的反射率就不能真實(shí)地反映實(shí)際情況， 使得模擬結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果存在較大的差異， 增加了產(chǎn)品的不良率， 從而延長(zhǎng)了批產(chǎn)周期， 增加了不必要的成本， 所以找出鍍鋁反射腔真實(shí)的反射率對(duì)于提高模擬精度以及降低成本就顯得尤為重要。

對(duì)于車燈反射腔鍍鋁來(lái)說(shuō)使用的是400～700nm可見(jiàn)光波段， 部分波段的光學(xué)常數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋁膜的光學(xué)常數(shù)

圖1 鋁的光學(xué)常數(shù)圖

比較常見(jiàn)的車燈反射腔鍍鋁方式如圖2所示。

圖2 車燈反射腔鍍鋁方式

由金屬膜的折射定律及菲涅耳反射定律求得鋁膜的反射率理論表示， 如公式 （1）、 公式 （2）、 公式 （3） 所示。

從上面理論公式可以看出， 影響反射率的因素有光波入射角度θ、 n、 k（不同波長(zhǎng)下的n、 k不同）。

1.2 鍍鋁膜真實(shí)反射率建模

為了獲得反射腔實(shí)際的鍍鋁反射率， 我們?cè)O(shè)計(jì)了一套鍍鋁模具， 共有16個(gè)小反射腔， 每個(gè)反射腔的開(kāi)口面積和腔深都不同， 且大小變化遵循一定的規(guī)律。 隨后將模具放入真空鍍鋁機(jī)， 按照車燈鍍鋁的工況進(jìn)行鍍鋁， 結(jié)束后將模具拿出用專業(yè)儀器對(duì)每個(gè)反射腔的鍍鋁反射率進(jìn)行測(cè)量，獲得16個(gè)反射腔的鍍鋁反射率數(shù)據(jù)， 將數(shù)據(jù)放入Matlab軟件中進(jìn)行擬合， 從而得到反射率隨開(kāi)口大小以及腔深深度的變化公式。 設(shè)L為反射腔開(kāi)口長(zhǎng)度， W為反射腔開(kāi)口寬度， 且L≥W， S為反射腔開(kāi)口面積， S=L×W， D為反射腔腔深， 如公式 （4） 所示。

1） 在條件①下， 實(shí)測(cè)及根據(jù)公式所得出的反射率較小， 反射腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需謹(jǐn)慎。

2） 在條件②下， 反射率為公式所得出的值， 更貼合實(shí)際情況。

3） 在條件③下， 反射率一律設(shè)為85%， 目前所有已測(cè)數(shù)據(jù)顯示最好狀態(tài)達(dá)不到85%。

根據(jù)實(shí)際反射腔尺寸的實(shí)際情況， 我們?cè)O(shè)定了3組參數(shù)對(duì)該公式進(jìn)行了驗(yàn)證。 分別如下。

1） 腔 深D=25mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

2） 腔 深D=50mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

3） 腔 深D=75mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

公式在上述3種情況下的規(guī)律分別對(duì)應(yīng)圖3～圖5。

從圖3～圖5可以看出， 當(dāng)W、 D不變時(shí)， 反射率R隨著L的增大而增大； 當(dāng)L、 D不變時(shí)， 反射率R隨著W的增大而增大； 當(dāng)L、 W不變時(shí)， 反射率R隨著D的增大而減小。 這與反射腔實(shí)際變化規(guī)律相符合， 說(shuō)明了公式的可行性。

圖3 腔深25mm

圖4 腔深50mm

圖5 腔深75mm

2 模型驗(yàn)證與實(shí)例分析

在目前的車燈反射腔光學(xué)設(shè)計(jì)中， 反射腔的反射率統(tǒng)一設(shè)定為85%， 通過(guò)持續(xù)跟蹤公司的相關(guān)項(xiàng)目后發(fā)現(xiàn)， 實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果在光通量上存在較大的差異，有些項(xiàng)目模擬結(jié)果的光通量甚至比實(shí)測(cè)結(jié)果高出20%左右，這也從另一方面說(shuō)明在目前的鍍鋁工藝條件下， 將模擬時(shí)的反射率統(tǒng)一設(shè)為85%是不合理的。 基于這種情況， 我們根據(jù)本文的公式修正了模擬時(shí)反射率的數(shù)值， 對(duì)部分項(xiàng)目重新進(jìn)行了模擬， 并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了重新對(duì)比。

車燈反射腔的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜， 絕大部分情況下并不是規(guī)則的立體結(jié)構(gòu)， 為了便于理解和計(jì)算， 我們對(duì)其的模型做了簡(jiǎn)化， 如圖6所示。

圖6 燈泡型反射腔示意圖

其中， L和W就為反射腔開(kāi)口的長(zhǎng)度和寬度， D為反射腔中心到開(kāi)口的距離。

根據(jù)上述定義， 我們重新對(duì)幾個(gè)項(xiàng)目的反射腔燈具進(jìn)行了模擬， 并選出了項(xiàng)目1的倒車燈、 項(xiàng)目2的后轉(zhuǎn)向燈2個(gè)功能作為案例， 詳細(xì)說(shuō)明了公式的可行性。

2.1 項(xiàng)目1倒車燈

圖7為項(xiàng)目1倒車燈85%反射率模擬結(jié)果， 圖8為實(shí)測(cè)結(jié)果， 二者對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目1倒車燈85%反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖7 倒車燈85%反射率模擬結(jié)果

圖8 項(xiàng)目1倒車燈反射率實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9為項(xiàng)目1倒車燈反射腔結(jié)構(gòu)。反射腔長(zhǎng)度L=71.23mm， 反射腔寬度W=22.98mm， 反射腔中心深度D=79.71mm。

圖9 項(xiàng)目1倒車燈反射腔結(jié)構(gòu)

代入公式計(jì)算后得出反射率R=62.27%， 重新模擬結(jié)果如圖10所示。 項(xiàng)目1倒車燈新反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 項(xiàng)目1倒車燈新反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 反射率為62.27%下的模擬結(jié)果

2.2 項(xiàng)目2后轉(zhuǎn)向燈

圖11為項(xiàng)目2倒車燈85%反射率模擬結(jié)果， 圖12為實(shí)測(cè)結(jié)果， 二者對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 項(xiàng)目2后轉(zhuǎn)向燈85%反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖11 項(xiàng)目2倒車燈85%反射率模擬結(jié)果

圖12 項(xiàng)目2倒車燈反射率實(shí)測(cè)結(jié)果

圖13為項(xiàng)目2倒車燈反射腔結(jié)構(gòu)。 反射腔長(zhǎng)度L=99.96mm，反射腔寬度W=25.88mm， 反射腔中心深度D=83.82mm。

圖13 項(xiàng)目2后轉(zhuǎn)向燈反射腔結(jié)構(gòu)

代入公式計(jì)算后得出反射率R=64.97%， 重新模擬結(jié)果如圖14所示。 項(xiàng)目2后轉(zhuǎn)向燈新反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

圖14 反射率為64.97%下的模擬結(jié)果

表5 項(xiàng)目2后轉(zhuǎn)向燈新反射率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

表6是全部重新驗(yàn)證的5個(gè)實(shí)例項(xiàng)目反射腔重新模擬后與實(shí)測(cè)結(jié)果的光通量誤差對(duì)比。

表6 重新模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果光通量對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果中可以看出， 利用公式修正過(guò)的反射率值模擬得到的結(jié)果， 與實(shí)測(cè)結(jié)果的光通量已經(jīng)非常接近， 能很好地修正兩者間的誤差， 因此現(xiàn)階段將鍍鋁反射率統(tǒng)一設(shè)置為85%是不合適的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在前期項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合理論與實(shí)際， 研究了車燈反射腔鍍鋁反射率， 通過(guò)建立鍍鋁模型并將模型按照車燈反射腔實(shí)際工況進(jìn)行鍍鋁， 得到模型中每個(gè)反射腔鍍鋁反射率的數(shù)據(jù)， 隨后通過(guò)Matlab軟件擬合得到反射率隨開(kāi)口大小以及腔深深度的變化公式， 最后由擬合公式重新計(jì)算了前期項(xiàng)目中某些功能反射腔的反射率， 用新反射率再次進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

從本文論述的結(jié)果可以看出， 利用公式修正過(guò)的反射率值進(jìn)行模擬得到的光通量結(jié)果， 與實(shí)測(cè)結(jié)果的光通量已經(jīng)非常接近， 可修正原模擬方法導(dǎo)致的兩者間誤差， 能提高模擬精度， 降低了產(chǎn)品NG的概率和不必要的成本。