摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)反光杯在勻光、防眩光等方面的問題，基于ZEMAX仿真軟件設(shè)計(jì)出了一種勻光性能優(yōu)越的鱗甲反光杯。仿真結(jié)果表明，在杯前25 m處的配光屏幕上，最大光照強(qiáng)度為234 lx，中心HV點(diǎn)的光照強(qiáng)度大于0.80 Emax，各指標(biāo)均符合國(guó)標(biāo)GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》的要求。將鱗甲反光杯與微透鏡陣列相結(jié)合，使配光屏幕上的最大光照強(qiáng)度減小至59.51 lx，在各項(xiàng)指標(biāo)仍符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，該系統(tǒng)的光斑能量更加均勻，且中心區(qū)域的光強(qiáng)進(jìn)一步降低，光斑邊緣過渡更加柔和，防止汽車遠(yuǎn)光燈產(chǎn)生眩光的效果更好，可以大量應(yīng)用于汽車前照遠(yuǎn)光燈。 ?

反光杯是用點(diǎn)光源燈泡作為光源，用于遠(yuǎn)距離聚光照明的、常見的反射式杯型照明系統(tǒng)。它具有準(zhǔn)直性良好、光能利用率高的優(yōu)點(diǎn)。通過改變反光杯的面型以及光源類型，可以將反光杯應(yīng)用于許多不同的場(chǎng)景，以滿足不同的需求，如汽車車燈、家用照明、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，LED反光杯已逐漸應(yīng)用于汽車前照燈系統(tǒng)，但反光杯的杯面是傳統(tǒng)的弧面型。傳統(tǒng)的弧面反光杯有許多不足之處：勻光效果不夠好；防眩光效果達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；在杯體結(jié)構(gòu)確定的情況下難以改變光束角等問題。將反光杯的杯面設(shè)計(jì)為鱗甲疊加，可以有效提升光照的均勻度，防止行車過程中出現(xiàn)眩光的問題。此外，將鱗甲反光杯和微透鏡陣列相結(jié)合可以進(jìn)一步提高反光杯的勻光性能，對(duì)擴(kuò)展反光杯的應(yīng)用場(chǎng)景具有積極作用。由于Zemax仿真軟件可以模擬并建立光學(xué)系統(tǒng)模型，分析光學(xué)系統(tǒng)成像，且其中的宏語言編程功能提供了更為便捷、靈活的模型建立方式，可以解決許多在編輯器上無法實(shí)現(xiàn)的控制，因而本文將通過ZEMAX軟件及其宏語言編程建立鱗甲反光杯和微透鏡陣列相結(jié)合的系統(tǒng)模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 鱗甲反光杯設(shè)計(jì)原理

1.1 拋物線公式 鱗甲反光杯基于拋物面構(gòu)成，其橫截面為一拋物線，拋物線方程為 y2=2pz?（1）

式中， p=2f ，f為拋物線的焦距。利用式（1）可得，在距離坐標(biāo)原點(diǎn)z處，拋物面橫截面的半徑為

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2 設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)要求 依照2012年1月1日實(shí)施的GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》，汽車的前照燈遠(yuǎn)光應(yīng)具有良好的照明效果，其配光性能應(yīng)在距離前照燈中心前25 m、與中心基準(zhǔn)線垂直的平面配光屏幕上進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)試點(diǎn)、區(qū)的位置如圖3所示。

圖3.配光屏幕

遠(yuǎn)光在配光屏幕上的照度限制如表1所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)所列配光要求，以及常見的A1型汽車反光杯的大小尺寸，可得到反光杯的設(shè)計(jì)要求，如表2所示。

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2.2 編程方法

Zemax軟件具有ZPL宏編程擴(kuò)展功能，能夠更加靈活地解決用戶的需求。因此，為了實(shí)現(xiàn)任意圈數(shù)、任意鱗甲數(shù)反光杯的建模，使用Zemax編程語言[7]進(jìn)行建模。首先使用FOR-NEXT循環(huán)語句以單個(gè)鱗甲為基本單位生成一圈鱗甲，再次使用FOR-NEXT循環(huán)語句進(jìn)行嵌套，徑向?qū)⒁蝗[甲擴(kuò)展為完整的鱗甲反光杯。這樣，若需要改變鱗甲反光杯的拋物線方程或者鱗甲數(shù)，則只需修改代碼中p（拋物線的焦準(zhǔn)距）、n（每圈的鱗甲數(shù)）、q（鱗甲圈數(shù)）參數(shù)的值即可。

根據(jù)汽車反光杯的尺寸要求，確定杯口半徑為50 mm，深度為75 mm。將y= 50 mm，z= 75 mm代入拋物線方程，得到焦準(zhǔn)距p= 16.667 mm，滿足條件的鱗甲的圈數(shù)為10圈。由式（11）計(jì)算可得，每圈的鱗甲數(shù)設(shè)定為24。這樣就確定了程序中所需的所有參數(shù)值。將編寫好的程序放入Zemax軟件根目錄下的Macros文件夾，通過Zemax軟件的宏即可運(yùn)行程序，得到設(shè)計(jì)好的鱗甲反光杯模型。 2.3 光源選擇 為更加契合實(shí)際，仿真所需要的LED光源組件的信息直接從汽車燈珠供應(yīng)商的官網(wǎng)下載。選用了一款OSRAM的產(chǎn)品GH_CSBRM4_24，OSLON SQUARE–Hyperred，其尺寸大小為3 mm×3 mm×1.86 mm。將下載好的文件放入相應(yīng)的根目錄，即可在Zemax軟件中加載，得到燈珠的模型，如圖4所示。將其光通量設(shè)置為3 000 lm，鍵入 Zemax 非序列元件編輯器中。

圖4.LED的3D模型

圖5.普通反光杯的3D模型

式中：x為反光杯最大開口處橫坐標(biāo)；p為反光杯焦距。 代入數(shù)據(jù)，得到光源幾何尺寸引起的出射光誤差偏角θ= 0.00109°，該誤差偏角遠(yuǎn)小于預(yù)定的出光角度，可近似認(rèn)為出射光仍為平行出射。

5 結(jié)論

本文通過ZEMAX宏編程設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于汽車前照燈的鱗甲反光杯系統(tǒng)，采用燈珠制造商提供的LED光源組件，提高了出射光線光強(qiáng)分布的均勻性；在杯口設(shè)置了一組微透鏡陣列，在符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使配光屏幕上的光強(qiáng)分布均勻程度進(jìn)一步得到提高，光斑邊緣過渡更加柔和，提高了防眩光能力，有利于安全行車；將微透鏡陣列子透鏡半徑對(duì)光強(qiáng)分布的影響進(jìn)行了仿真，得到了最佳的半徑配比。本文設(shè)計(jì)的鱗甲反光杯系統(tǒng)所用材料較少，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有廣闊的應(yīng)用前景。

編輯：黃飛

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