一种改进的汽车前照灯配光镜的设计研究

于 千，吴大鸣，孟庆云

（北京化工大学理学院凝聚态物理系，北京100029）

一种改进的汽车前照灯配光镜的设计研究

于 千，吴大鸣，孟庆云＊

（北京化工大学理学院凝聚态物理系，北京100029）

通过LightTools光学软件设计出了微结构非均匀排布的圆形导光板，将其作为汽车前照灯的配光镜使用时，不但有效地减少了出射光线的发散角，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，同时使光照度在中间区域内分布更加均匀，从而减少了汽车夜间行驶时灯光对驾驶员的影响。

汽车前照灯；配光镜；照度

0 前言

21世纪以来，汽车工业发展迅猛，重视节省能源和环境保护，要求汽车行驶安全，是人们十分关注的问题，这就对汽车车灯照明的要求也越来越严格。为此，灯具行业必须不断研究和发展灯具的设计和制造技术。塑料行业的发展，耐高热、热变形小、收缩率小的塑料材料的应用，为灯具行业改变灯具的结构和配光设计提供了光学材料[1－2]。汽车灯具设计的难点是前照灯。汽车前照灯主要由光源、反射镜及配光镜三部分组成。汽车前照灯的灯具配光，是光源经过旋转抛物面反光镜反射后，由透镜上的散射棱镜和折射棱镜来完成[3]。

光散射材料是指能够使光通过而又能有效地散射光的材料，能将点、线光源转化成线、面光源。如果媒质的均匀性遭到破坏，即尺度达到波长数量级的邻近媒质小块之间在光学性质上（如折射率）有较大差异，在光波作用下，它们将成为强度差别较大的次波源[4－5]，而且从它们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干叠加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他方向或多或少也有光线存在，这就是散射光，即产生了散射[6]。光散射材料聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）具有透明度高、质轻不易变形、良好导旋光性等特点，不耐醇、酮、强碱，能溶于芳香烃、氧化烃，容易成型，尺寸稳定，耐冲击性及表面硬度均稍差，容易擦花，故对包装要求较高[7－8]。

1 软件模拟

本文利用光学软件LightTools对导光板进行设计和光路模拟。LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，它把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用。

1.1 配光镜的设计

1.1.1 配光镜上有无微透镜阵列的比较

利用光学软件LightTools，可以设计出均匀介质的导光板，从图1和图2可以看到，在导光板表面是否添加微结构阵列对光线的传播有着明显的影响，图1所示为无微结构时的情况，此时光线会向各个方向传播；当在导光板表面添加微结构阵列后，可以看到光线会沿着轴向传播。

图1 导光板表面无微结构Fig.1 The surface of light guide plate without microstructure

图2 导光板表面有微结构阵列Fig.2 The surface of light guide plate with microstructure

1.1.2 圆盘状配光镜的设计模拟

汽车前照灯配光镜的样式各异，本文以圆形配光镜为例，设计一种新型表面微结构排列方式，来达到更好的配光效果。以PMMA为基础材料，设计圆盘半径为20mm，微结构以径向方式排列，如图3（a）所示，图3（b）为局部放大效果图。

设计出微结构非均匀排布状况的导光板之后，通过LightTools进行光线追迹模拟，软件计算出此时照度的分布图，如图4所示。通过和微结构均匀排布时的照度分布相比，本文设计出的微结构径向排布可以使光线出射的发散角得到减小，使能量分布更加集中，不但提高了照度，增大了光能利用率，而且同时使照度在中间区域内分布更加均匀，从而减少了汽车夜间行驶时灯光对驾驶员的影响。

图3 微结构径向排布导光板Fig.3 Radial array of microstructure along light guide plate

1.1.3 软件模拟汽车前照灯

利用LightTools软件设计上述导光板。首先设计光源，光源的设计为长、宽、高分别为0.2、1.0、1.0mm，发光角度为60°，光源的光通量设置为100lm。其次设计导光板。导光板距离光源距离设计为10mm，半径为20mm，厚度为1mm，微透镜结构（凸起）选择径向排列，轮廓间距设为1mm，每轮廓中微透镜结构（凸起）的间距设为0.269mm。采用两块以上叙述的导光板，并排排布，圆心相距120mm，分别配以上述光源，进行光线追迹，如图5所示，在模拟过程中，可以将两个光源看作是汽车的两个前照大灯，两块导光板看作是汽车前照灯的配光镜，光线从两个光源发出后，经过导光板的传导，照射到接受面上，由于导光板的存在，使得光线的汇聚效果更加明显，更多地聚集在正前方，两侧的光线减少。通过软件计算，得到此时出射光的照度分布图，如图6所示，可以看到，在中间区域光照度分布比较均匀（其中实线代表x轴向照度分布，虚线代表y轴照度分布），这样就可以减少在夜间行驶时眩光对司机的影响，从而提高了行车的安全性。

图4 微粒非均匀排布和均匀排布的照度分布图Fig.4 Curves for illumination distribution with nonuniform and uniform array of microparticles

图5 车灯模拟光线追迹效果图Fig.5 Simulation for ray tracing of headlamp

图6 车灯模拟照度分布图Fig.6 Simulation for illumination distribution of headlamp

2 实验模拟

通过软件模拟出微结构非均匀排布导光板之后，利用发光二极管按照软件模拟微结构的比例，焊接成一个有发光二极管组成的圆盘，在距离圆盘20cm处通过光功率计测量距圆盘中心x和y方向－45～45mm处光功率，得到实验数据如表1所示。

表1 光功率数据Tab.1 Luminous power

利用Matlab拟合出光功率分布曲线图，如图7所示，通过拟合出来的曲线分布可以看到和LightTools软件模拟结果比较吻合，从而验证了模拟结果的正确性。

3 结论

（1）通过LightTools光学软件设计出的微结构非均匀排布的圆形导光板，可以作为汽车前照灯的配光镜使用；

图7 Matlab拟合光功率曲线Fig.7 Fitting curves for luminous power by Matlab

（2）圆形导光板不但有效地减少了出射光线的发散角，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，同时使照度在中间区域内分布更加均匀，从而减少了汽车夜间行驶时灯光对驾驶员的影响。

[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] 杨银平.液晶显示技术[J].化工新型材料，1996，（8）：33－35.

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

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[5] 张 楠，唐振方，栗万里，等.光散射聚合物导光板的材料参数设计[J].光散射学报，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] 杨本宏，邵 芳，张 霞.POSS/PMMA纳米复合材料的制备及性能[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.

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[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

国家自然科学基金项目（51173015）

＊联系人，mqybuct＠163.com