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【技术文章】汽车阅读灯的光学设计

原文:《Optical design of automobile reading lamp》

作者:Zhixin.XIANG, Zhilin.SU

编译:王阳  张欣瑜

指导:林燕丹

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汽车阅读灯

阅读灯是汽车内部照明系统的一部分,通常安装在前车顶或后车顶上。车内光线不足时,汽车阅读灯可给乘客提供足以阅读的光照,同时不影响驾驶员的正常驾驶。
最初,阅读灯采用传统的第一代光源——灯泡,其结构简单,功能单一,款式单调。随着光源技术的发展,采用LED光源的阅读灯逐渐进入人们视野。LED光源有着光效高、易于控制等优越特点,越来越受到OEM厂商的青睐。本文将从介绍汽车阅读灯的分类和特点出发,重点分析汽车阅读灯的设计思想和光学模拟思路,便于读者更好地了解汽车阅读灯。
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图1  LED式车内阅读灯(该图片来自Bing Search)


分类和特点

阅读灯根据光源类型可分为灯泡阅读灯和LED阅读灯。两者的优劣对比如下表1.灯泡阅读灯是一种成熟的技术,价格低廉,广泛应用于许多车型。LED阅读灯可设计成各种形状美观、体积小巧的灯具,更符合当前汽车行业节能减排的大趋势,以前通常用于高档车。随着LED行业的发展,功率LED的性能有所提高,价格有所下降,LED阅读灯现已广泛应用于各种车型。
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表 1 灯泡和LED阅读灯优劣对比


根据用途,汽车阅读灯可分为前排阅读灯和后座阅读灯。为了在驾驶时不影响驾驶员的注意力,前排阅读灯通常集成在圆顶控制单元中,安装在前排座椅的顶部,仅在特定区域点亮。后座阅读灯专为后座乘客提供,在灯具布置和配光设计中,它通常安装在后车顶或后把手附近,且应考虑眩光效应,以免驾驶员和其他乘客感到眩晕。此灯可在门打开和关闭联动时使用。前后座椅阅读灯可相互配合,实现一般照明功能。为了确保高质量的照明体验,灯具通常需要高显色性,对应的显色指数CRI需大于80%,对于某些高级车型,CRI更是需要大于90%。


设计思想

阅读灯的光学设计基于非成像光学原理,使用二次光学系统重新分配光源的能量。以平头(Flat-head)LED为例,其在大多数情况下可视为朗光源,其发光强度符合余弦分布,大部分光源能量集中在120°锥角内。因此,当LED直接照亮目标表面时,目标表面的照度分布不均匀,这与照明需求相悖。因此,需设计一个二次光学系统来调整LED的能量分布。常见的二次光学系统如图2a所示的反射器和图2b所示的屈光透镜。
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图 2a

 图 2b

反射式阅读灯的光学结构由自由曲面反射镜和薄透镜组成。薄透镜主要起保护作用。如有必要,可在透镜上涂抹颗粒,以改善光分布和颜色的均匀性。这种结构相对简单,对光学零件的精度和零件间装配的精度要求较低,但光模式无法非常精确地控制。
屈光阅读灯的光学结构由屈光透镜和薄透镜组成,其屈光透镜主要由入射面和输出面组成。光源的能量分布是通过两个自由曲面的配合来实现的。薄透镜也起到保护作用。如有必要,也可在透镜上涂上颗粒。这种设计结构相对复杂,对光学零件的精度和零件间的装配精度要求较高,但光路可以非常精确地控制。本文将采用反射式的光学结构进行光学设计。


光学设计模拟

值得注意的是,由于尚无具体的约束标准,在开始设计和模拟新产品之前,工程师必须详细了解客户需求和OEM独有的技术规范。不同的评价体系将直接影响未来的模拟方法和实际测量方法。
以某一车型设计阅读灯为例,客户配光要求如图3所示:照明距离D=600mm;一个直径为280mm的圆的平均照度为65lx,另一个直径为500mm的同心圆的平均照度为55lx。如图4所示,LED发出的光以两种方式入射到目标表面:一部分直接照射到目标表面,另一部分被反射器反射后入射到目标表面。
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图3 客户配光要求  

 图4 LED发光情况

LED的发光强度具有朗伯分布,直接照射到目标表面的光在中心区域具有较高的辐照度,而目标表面边缘的辐照度相对较低。因此,反射器的反射光需补偿由直接辐照度引起的照度不均匀的情况。此处使用的LED光源是旋转对称光源。反射器用于控制光分布,以在目标平面上获得具有均匀照度的圆形光斑。因此,反射器也是旋转对称结构。通过设计母线,它是旋转对称的。可以创建反射器的3D模型,如图5所示。
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图5 反射器的3D模型


本文采用SPEOS用于光学设计和模拟。该过程包括以下步骤:
(1)系统建模:导入阅读灯的三维模型。
(2)创建光源:SPEOS提供多种光源,包括表面光源、点光源等。在这种情况下,我们导入一个0.5W LED光源文件,该模型包括光通量、光谱、光分布和其他信息,光通量定义为20lm。
(3)建立物体的光学特性:将模拟数字模型指定给光学特性,光学特性分为物体的体积特性和表面特性,包括物体的表面反射率、体透射率和吸收率。在这种情况下,反射器设置为PC镀铝材料,反射率为80%。
(4)建立模拟探测器:可以根据不同的模拟类型和要求建立不同的探测器,包括光强探测器、照度探测器、亮度探测器。在这种情况下,在距离阅读灯600mm处设置照度检测器,并通过光学模拟在已建立的照度检测器中生成照度分布。
(5)模拟结果分析及设计修正:光线跟踪模拟计算后,对探测器内照度分布结果进行定性或定量分析。可以定性地判断光分布区域,也可以定量地分析特定点的照度值或该区域的平均照度。


当结果不符合设计目标时,通过光线反向跟踪对问题的光学表面进行分析和调整,并重新进行仿真。经过多次模拟和表面形状修正后,目标区域的照度分布如图6所示。从表2可以看出,目标表面直径为280mm的圆圈内的平均照度为113lx,直径为500mm的圆圈内的平均照度为70lx,两者均满足客户要求,直径为200mm的圆的均匀性高,最小和最大比例为96%,已达到良好的均匀性。
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图6 目标区域的照度分布

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表2 客户要求满足情况


结论

本文介绍了一种利用反射镜的二次光学设计阅读灯的基本原理和设计过程。除了上述反射型和屈光型阅读灯外,还有一些相对较新的光学结构,如导光板、微透镜组等。此外,汽车阅读灯正朝两个方向发展。在外观上,触摸开关取代传统的机械开关,深色外透镜取代浅色透镜,使阅读灯更完美地融入车内环境,营造家居氛围。在功能上,像素化阅读灯将是未来重要的发展方向。通过精确控制像素块的亮度和颜色,可以灵活地改变光图案的大小、位置、亮度和色温,给人们更丰富的人机交互体验。

-END-


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