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基于zemaX的汽车新型反光杯设计许冰聪蒋翰星陈章迪陈沛哲雷哲圣张学明摘要：利用zemax光学设计软件设计了一款适用于家用小型汽车前照远光灯的汽车反光杯。针对国标GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》性能要求，对普通的汽车反光杯采取结构改良等优化措施，使其二次配光效果更好，中央光斑进一步集中，视觉效果更加柔和。仿真结果表明：系统有效作用距离为150m，10m处中央光斑平均光照强度为45521x，出光角为-10°～+10°。各项主要性能指标均达到国家最新标准，在不增加工业生产成本的前提下，具有适应未来批量3D打印生产模式的潜力。关键词：光学设计;前照远光灯;微结构;棱状面反光杯;组合反光杯中图分类号：TN202文献标志码：A引言反光杯照明系统是众多反射式照明系统中的一种，可利用有限光能，通过反射装置控制中央光斑光照距离、光照面积及光照强度，相对透镜系统具有像差小和能量损失少等优点。反光杯照明系统能广泛应用于車灯、探照灯和电影放映机等娱乐、商业和科研领域。在不同运用场合，可通过改变反光杯的面型结构以及光源种类，来满足不同需求。因此，反光杯在光学系统中具有不可替代的地位。近年来，市场上汽车车灯的主要构型是普通抛物面型，而且缺乏微结构。目前主要使用的光源类型为卤素灯和LED灯珠，这些因素会导致系统二次配光效果不佳，配光难度高，光线刺眼，光线能量损失严重，能耗偏大等问题。运用自由曲面的二次配光方法，设计自由度较高，可以有效控制光源的发光能量分布，这种配光方法结构相对简单，能够实现比较复杂的照明方式，具有较好的应用前景。本文基于Zemax软件，在抛物面型的基础上引入微结构，并以平面LED阵列取代原有的灯珠类光源，探索了汽车新型远光灯反光杯的设计方法。1系统结构1.1系统结构选型常见反光杯有抛物面、双曲面以及椭圆面三种不同面型，三者因结构不同，分别具有不同的光学性质。结合圆锥曲线几何特点证明，当光线从曲线的一个焦点发出时，光线本身或者其延长线将会聚于另—个焦点。它们的特性如图1所示。图1表明，椭圆面反光杯可以使光线会聚于另一个焦点，具有收敛光线的效果。抛物面反光杯能使光线平行出射，具有很好的准直性。双曲面反光杯使光线的延长线会聚于虚焦点处，具有发散效果。结合汽车车灯反光杯的光学要求，即光线从光源发出经反光杯反射后，具有较远的作用距离且无明显发散现象，要求光线有极佳的准直性，故抛物面反光杯是最好的选。1.2设计要求根据国标GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》对汽车前照远光灯的要求，10m处最大光强范围如表1所示。确定中央光斑范围为半径100mm的圆。根据市场常见的A1型反光杯的测量结果，要求杯口直径为100mm左右，深度小于80mm。表2为相关性能指标设计要求。1.3.2光源选择LED光源的Zemax软件仿真通常有四种方法：利用SourceRadial对光源的配光曲线进行采样，将曲线数据输入Zemax的结构数据编辑器中进行仿真;将LED生产商提供的IES光源文件存入[Zemax根目录＼Objects＼Sources＼IES-NA]文件夹内，打开非序列照明模式SourceIESNAFile可得到仿真结果;创建LED芯片朗伯型发光简易光源SourceRectangle以及与LED芯片尺寸相同的Rectangle散射片;利用Zemax软件自带的数百种光源模型与目标光源参数进行比较，选取光学特性最为接近的一种。设计时选取LUMILEDS公司的产品LUXEONAltlion进行了仿真优化。根据LUMILEDS公司提供的数据可知该产品的光强分布曲线如图2所示。产品尺寸为4.6mmx4.6mmx0.225mm。最小光通量为1000lm，正常工作状态下光通量为5000lm。国标中的数据指标是在充电状态下测得的，所以直接使用正常工作状态下的光通量。将数据输入Zemax结构数据编辑器中，并在距光源500mm处设置矩形探测器DetectorRectangle。1.3.3系统整合将Zemax软件仿真的光源和反光杯进行整合，按照检测指标的种类设置不同类型的探测器。为了检测系统出光角度以及发光强度，在系统z轴原点处设置极坐标探测器DetectorPolar;为了检测中央光斑的空间分布以及光照强度，分别在系统z轴1，2，5，10m处设置矩形探测器DetectorRectangle。主要关注极坐标探测器DetectorPolar以及10m处设置的矩形探测器DetectorRectangle。1.3.4系统误差分析系统主要误差来源于光源的形状。在理想反光杯系统中，光源以点光源的形式出现，但光源的几何形状会影响系统的诸多光学性能，最好不要将光源简单当作点光源，所以要分析光源尺寸对系统光学性能的影响。仿真时系统采用与以往灯珠型LED不同的矩形LED阵列，进行