于 千，吳大鳴，孟慶云

（北京化工大學(xué)理學(xué)院凝聚態(tài)物理系，北京100029）

一種改進(jìn)的汽車(chē)前照燈配光鏡的設(shè)計(jì)研究

于 千，吳大鳴，孟慶云＊

（北京化工大學(xué)理學(xué)院凝聚態(tài)物理系，北京100029）

通過(guò)LightTools光學(xué)軟件設(shè)計(jì)出了微結(jié)構(gòu)非均勻排布的圓形導(dǎo)光板，將其作為汽車(chē)前照燈的配光鏡使用時(shí)，不但有效地減少了出射光線(xiàn)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(shí)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(chē)夜間行駛時(shí)燈光對(duì)駕駛員的影響。

汽車(chē)前照燈；配光鏡；照度

0 前言

21世紀(jì)以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅猛，重視節(jié)省能源和環(huán)境保護(hù)，要求汽車(chē)行駛安全，是人們十分關(guān)注的問(wèn)題，這就對(duì)汽車(chē)車(chē)燈照明的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為此，燈具行業(yè)必須不斷研究和發(fā)展燈具的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。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(yīng)用，為燈具行業(yè)改變燈具的結(jié)構(gòu)和配光設(shè)計(jì)提供了光學(xué)材料[1－2]。汽車(chē)燈具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是前照燈。汽車(chē)前照燈主要由光源、反射鏡及配光鏡三部分組成。汽車(chē)前照燈的燈具配光，是光源經(jīng)過(guò)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(lái)完成[3]。

光散射材料是指能夠使光通過(guò)而又能有效地散射光的材料，能將點(diǎn)、線(xiàn)光源轉(zhuǎn)化成線(xiàn)、面光源。如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞，即尺度達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的鄰近媒質(zhì)小塊之間在光學(xué)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(qiáng)度差別較大的次波源[4－5]，而且從它們到空間各點(diǎn)已有不可忽略的光程差，這些次波相干疊加的結(jié)果，光場(chǎng)中的強(qiáng)度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時(shí)，除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線(xiàn)外，其他方向或多或少也有光線(xiàn)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(dǎo)旋光性等特點(diǎn)，不耐醇、酮、強(qiáng)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(duì)包裝要求較高[7－8]。

1 軟件模擬

本文利用光學(xué)軟件LightTools對(duì)導(dǎo)光板進(jìn)行設(shè)計(jì)和光路模擬。LightTools是一個(gè)全新的具有光學(xué)精度的交互式三維實(shí)體建模軟件體系，它把光學(xué)和機(jī)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(xiàn)的非順序面光線(xiàn)追跡的強(qiáng)大功能，使它在系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃、光機(jī)一體設(shè)計(jì)、雜光分析、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1.1.1 配光鏡上有無(wú)微透鏡陣列的比較

利用光學(xué)軟件LightTools，可以設(shè)計(jì)出均勻介質(zhì)的導(dǎo)光板，從圖1和圖2可以看到，在導(dǎo)光板表面是否添加微結(jié)構(gòu)陣列對(duì)光線(xiàn)的傳播有著明顯的影響，圖1所示為無(wú)微結(jié)構(gòu)時(shí)的情況，此時(shí)光線(xiàn)會(huì)向各個(gè)方向傳播；當(dāng)在導(dǎo)光板表面添加微結(jié)構(gòu)陣列后，可以看到光線(xiàn)會(huì)沿著軸向傳播。

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

圖2 導(dǎo)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(pán)狀配光鏡的設(shè)計(jì)模擬

汽車(chē)前照燈配光鏡的樣式各異，本文以圓形配光鏡為例，設(shè)計(jì)一種新型表面微結(jié)構(gòu)排列方式，來(lái)達(dá)到更好的配光效果。以PMMA為基礎(chǔ)材料，設(shè)計(jì)圓盤(pán)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(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)非均勻排布狀況的導(dǎo)光板之后，通過(guò)LightTools進(jìn)行光線(xiàn)追跡模擬，軟件計(jì)算出此時(shí)照度的分布圖，如圖4所示。通過(guò)和微結(jié)構(gòu)均勻排布時(shí)的照度分布相比，本文設(shè)計(jì)出的微結(jié)構(gòu)徑向排布可以使光線(xiàn)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(shí)使照度在中間區(qū)域內(nèi)分布更加均勻，從而減少了汽車(chē)夜間行駛時(shí)燈光對(duì)駕駛員的影響。

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

1.1.3 軟件模擬汽車(chē)前照燈

利用LightTools軟件設(shè)計(jì)上述導(dǎo)光板。首先設(shè)計(jì)光源，光源的設(shè)計(jì)為長(zhǎng)、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(shè)置為100lm。其次設(shè)計(jì)導(dǎo)光板。導(dǎo)光板距離光源距離設(shè)計(jì)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(shè)為1mm，每輪廓中微透鏡結(jié)構(gòu)（凸起）的間距設(shè)為0.269mm。采用兩塊以上敘述的導(dǎo)光板，并排排布，圓心相距120mm，分別配以上述光源，進(jìn)行光線(xiàn)追跡，如圖5所示，在模擬過(guò)程中，可以將兩個(gè)光源看作是汽車(chē)的兩個(gè)前照大燈，兩塊導(dǎo)光板看作是汽車(chē)前照燈的配光鏡，光線(xiàn)從兩個(gè)光源發(fā)出后，經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板的傳導(dǎo)，照射到接受面上，由于導(dǎo)光板的存在，使得光線(xiàn)的匯聚效果更加明顯，更多地聚集在正前方，兩側(cè)的光線(xiàn)減少。通過(guò)軟件計(jì)算，得到此時(shí)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(shí)線(xiàn)代表x軸向照度分布，虛線(xiàn)代表y軸照度分布），這樣就可以減少在夜間行駛時(shí)眩光對(duì)司機(jī)的影響，從而提高了行車(chē)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(chē)燈模擬光線(xiàn)追跡效果圖Fig.5 Simulation for ray tracing of headlamp

圖6 車(chē)燈模擬照度分布圖Fig.6 Simulation for illumination distribution of headlamp

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

通過(guò)軟件模擬出微結(jié)構(gòu)非均勻排布導(dǎo)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(gè)有發(fā)光二極管組成的圓盤(pán)，在距離圓盤(pán)20cm處通過(guò)光功率計(jì)測(cè)量距圓盤(pán)中心x和y方向－45～45mm處光功率，得到實(shí)驗(yàn)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(xiàn)圖，如圖7所示，通過(guò)擬合出來(lái)的曲線(xiàn)分布可以看到和LightTools軟件模擬結(jié)果比較吻合，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)LightTools光學(xué)軟件設(shè)計(jì)出的微結(jié)構(gòu)非均勻排布的圓形導(dǎo)光板，可以作為汽車(chē)前照燈的配光鏡使用；

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

（2）圓形導(dǎo)光板不但有效地減少了出射光線(xiàn)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(shí)使照度在中間區(qū)域內(nèi)分布更加均勻，從而減少了汽車(chē)夜間行駛時(shí)燈光對(duì)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(shù)[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(wàn)里，等.光散射聚合物導(dǎo)光板的材料參數(shù)設(shè)計(jì)[J].光散射學(xué)報(bào)，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(fù)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51173015）

＊聯(lián)系人，mqybuct＠163.com