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原文：《Optical design of automobile reading lamp》

作者：Zhixin.XIANG, Zhilin.SU

編譯：王陽(yáng) 張欣瑜

指導(dǎo)：林燕丹

汽車閱讀燈

閱讀燈是汽車內(nèi)部照明系統(tǒng)的一部分，通常安裝在前車頂或后車頂上。車內(nèi)光線不足時(shí)，汽車閱讀燈可給乘客提供足以閱讀的光照，同時(shí)不影響駕駛員的正常駕駛。

最初，閱讀燈采用傳統(tǒng)的第一代光源——燈泡，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，款式單調(diào)。隨著光源技術(shù)的發(fā)展，采用LED光源的閱讀燈逐漸進(jìn)入人們視野。LED光源有著光效高、易于控制等優(yōu)越特點(diǎn)，越來(lái)越受到OEM廠商的青睞。本文將從介紹汽車閱讀燈的分類和特點(diǎn)出發(fā)，重點(diǎn)分析汽車閱讀燈的設(shè)計(jì)思想和光學(xué)模擬思路，便于讀者更好地了解汽車閱讀燈。

圖1 LED式車內(nèi)閱讀燈（該圖片來(lái)自Bing Search）

分類和特點(diǎn)

閱讀燈根據(jù)光源類型可分為燈泡閱讀燈和LED閱讀燈。兩者的優(yōu)劣對(duì)比如下表1.燈泡閱讀燈是一種成熟的技術(shù)，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于許多車型。LED閱讀燈可設(shè)計(jì)成各種形狀美觀、體積小巧的燈具，更符合當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能減排的大趨勢(shì)，以前通常用于高檔車。隨著LED行業(yè)的發(fā)展，功率LED的性能有所提高，價(jià)格有所下降，LED閱讀燈現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種車型。

表 1 燈泡和LED閱讀燈優(yōu)劣對(duì)比

根據(jù)用途，汽車閱讀燈可分為前排閱讀燈和后座閱讀燈。為了在駕駛時(shí)不影響駕駛員的注意力，前排閱讀燈通常集成在圓頂控制單元中，安裝在前排座椅的頂部，僅在特定區(qū)域點(diǎn)亮。后座閱讀燈專為后座乘客提供，在燈具布置和配光設(shè)計(jì)中，它通常安裝在后車頂或后把手附近，且應(yīng)考慮眩光效應(yīng)，以免駕駛員和其他乘客感到眩暈。此燈可在門打開(kāi)和關(guān)閉聯(lián)動(dòng)時(shí)使用。前后座椅閱讀燈可相互配合，實(shí)現(xiàn)一般照明功能。為了確保高質(zhì)量的照明體驗(yàn)，燈具通常需要高顯色性，對(duì)應(yīng)的顯色指數(shù)CRI需大于80%，對(duì)于某些高級(jí)車型，CRI更是需要大于90%。

設(shè)計(jì)思想

閱讀燈的光學(xué)設(shè)計(jì)基于非成像光學(xué)原理，使用二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配光源的能量。以平頭(Flat-head)LED為例，其在大多數(shù)情況下可視為朗伯光源，其發(fā)光強(qiáng)度符合余弦分布，大部分光源能量集中在120°錐角內(nèi)。因此，當(dāng)LED直接照亮目標(biāo)表面時(shí)，目標(biāo)表面的照度分布不均勻，這與照明需求相悖。因此，需設(shè)計(jì)一個(gè)二次光學(xué)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整LED的能量分布。常見(jiàn)的二次光學(xué)系統(tǒng)如圖2a所示的反射器和圖2b所示的屈光透鏡。

圖 2a

圖 2b

反射式閱讀燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)由自由曲面反射鏡和薄透鏡組成。薄透鏡主要起保護(hù)作用。如有必要，可在透鏡上涂抹顆粒，以改善光分布和顏色的均勻性。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)光學(xué)零件的精度和零件間裝配的精度要求較低，但光模式無(wú)法非常精確地控制。

屈光閱讀燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)由屈光透鏡和薄透鏡組成，其屈光透鏡主要由入射面和輸出面組成。光源的能量分布是通過(guò)兩個(gè)自由曲面的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。薄透鏡也起到保護(hù)作用。如有必要，也可在透鏡上涂上顆粒。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)光學(xué)零件的精度和零件間的裝配精度要求較高，但光路可以非常精確地控制。本文將采用反射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。

光學(xué)設(shè)計(jì)模擬

值得注意的是，由于尚無(wú)具體的約束標(biāo)準(zhǔn)，在開(kāi)始設(shè)計(jì)和模擬新產(chǎn)品之前，工程師必須詳細(xì)了解客戶需求和OEM獨(dú)有的技術(shù)規(guī)范。不同的評(píng)價(jià)體系將直接影響未來(lái)的模擬方法和實(shí)際測(cè)量方法。

以某一車型設(shè)計(jì)閱讀燈為例，客戶配光要求如圖3所示：照明距離D=600mm；一個(gè)直徑為280mm的圓的平均照度為65lx，另一個(gè)直徑為500mm的同心圓的平均照度為55lx。如圖4所示，LED發(fā)出的光以兩種方式入射到目標(biāo)表面：一部分直接照射到目標(biāo)表面，另一部分被反射器反射后入射到目標(biāo)表面。

圖3 客戶配光要求

圖4 LED發(fā)光情況

LED的發(fā)光強(qiáng)度具有朗伯分布，直接照射到目標(biāo)表面的光在中心區(qū)域具有較高的輻照度，而目標(biāo)表面邊緣的輻照度相對(duì)較低。因此，反射器的反射光需補(bǔ)償由直接輻照度引起的照度不均勻的情況。此處使用的LED光源是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光源。反射器用于控制光分布，以在目標(biāo)平面上獲得具有均勻照度的圓形光斑。因此，反射器也是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)母線，它是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。可以創(chuàng)建反射器的3D模型，如圖5所示。

圖5 反射器的3D模型

本文采用SPEOS用于光學(xué)設(shè)計(jì)和模擬。該過(guò)程包括以下步驟：

（1）系統(tǒng)建模：導(dǎo)入閱讀燈的三維模型。

（2）創(chuàng)建光源：SPEOS提供多種光源，包括表面光源、點(diǎn)光源等。在這種情況下，我們導(dǎo)入一個(gè)0.5W LED光源文件，該模型包括光通量、光譜、光分布和其他信息，光通量定義為20lm。

（3）建立物體的光學(xué)特性：將模擬數(shù)字模型指定給光學(xué)特性，光學(xué)特性分為物體的體積特性和表面特性，包括物體的表面反射率、體透射率和吸收率。在這種情況下，反射器設(shè)置為PC鍍鋁材料，反射率為80%。

（4）建立模擬探測(cè)器：可以根據(jù)不同的模擬類型和要求建立不同的探測(cè)器，包括光強(qiáng)探測(cè)器、照度探測(cè)器、亮度探測(cè)器。在這種情況下，在距離閱讀燈600mm處設(shè)置照度檢測(cè)器，并通過(guò)光學(xué)模擬在已建立的照度檢測(cè)器中生成照度分布。

（5）模擬結(jié)果分析及設(shè)計(jì)修正：光線跟蹤模擬計(jì)算后，對(duì)探測(cè)器內(nèi)照度分布結(jié)果進(jìn)行定性或定量分析?？梢远ㄐ缘嘏袛喙夥植紖^(qū)域，也可以定量地分析特定點(diǎn)的照度值或該區(qū)域的平均照度。

當(dāng)結(jié)果不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，通過(guò)光線反向跟蹤對(duì)問(wèn)題的光學(xué)表面進(jìn)行分析和調(diào)整，并重新進(jìn)行仿真。經(jīng)過(guò)多次模擬和表面形狀修正后，目標(biāo)區(qū)域的照度分布如圖6所示。從表2可以看出，目標(biāo)表面直徑為280mm的圓圈內(nèi)的平均照度為113lx，直徑為500mm的圓圈內(nèi)的平均照度為70lx，兩者均滿足客戶要求，直徑為200mm的圓的均勻性高，最小和最大比例為96%，已達(dá)到良好的均勻性。

圖6 目標(biāo)區(qū)域的照度分布

表2 客戶要求滿足情況

結(jié)論

本文介紹了一種利用反射鏡的二次光學(xué)設(shè)計(jì)閱讀燈的基本原理和設(shè)計(jì)過(guò)程。除了上述反射型和屈光型閱讀燈外，還有一些相對(duì)較新的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)光板、微透鏡組等。此外，汽車閱讀燈正朝兩個(gè)方向發(fā)展。在外觀上，觸摸開(kāi)關(guān)取代傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，深色外透鏡取代淺色透鏡，使閱讀燈更完美地融入車內(nèi)環(huán)境，營(yíng)造家居氛圍。在功能上，像素化閱讀燈將是未來(lái)重要的發(fā)展方向。通過(guò)精確控制像素塊的亮度和顏色，可以靈活地改變光圖案的大小、位置、亮度和色溫，給人們更豐富的人機(jī)交互體驗(yàn)。

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