基于ZEMAX的汽车前照灯的鳞甲反光杯系统设计

摘要：为进一步优化传统反光杯在匀光、防眩光等方面的问题，基于ZEMAX仿真软件设计出了一种匀光性能优越的鳞甲反光杯。仿真结果表明，在杯前25 m处的配光屏幕上，最大光照强度为234 lx，中心HV点的光照强度大于0.80 Emax，各指标均符合国标GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》的要求。将鳞甲反光杯与微透镜阵列相结合，使配光屏幕上的最大光照强度减小至59.51 lx，在各项指标仍符合国家标准的情况下，该系统的光斑能量更加均匀，且中心区域的光强进一步降低，光斑边缘过渡更加柔和，防止汽车远光灯产生眩光的效果更好，可以大量应用于汽车前照远光灯。  

反光杯是用点光源灯泡作为光源，用于远距离聚光照明的、常见的反射式杯型照明系统。它具有准直性良好、光能利用率高的优点。通过改变反光杯的面型以及光源类型，可以将反光杯应用于许多不同的场景，以满足不同的需求，如汽车车灯、家用照明、科学研究等领域。

现阶段，LED反光杯已逐渐应用于汽车前照灯系统，但反光杯的杯面是传统的弧面型。传统的弧面反光杯有许多不足之处：匀光效果不够好；防眩光效果达不到国家标准；在杯体结构确定的情况下难以改变光束角等问题。将反光杯的杯面设计为鳞甲叠加，可以有效提升光照的均匀度，防止行车过程中出现眩光的问题。此外，将鳞甲反光杯和微透镜阵列相结合可以进一步提高反光杯的匀光性能，对扩展反光杯的应用场景具有积极作用。由于Zemax仿真软件可以模拟并建立光学系统模型，分析光学系统成像，且其中的宏语言编程功能提供了更为便捷、灵活的模型建立方式，可以解决许多在编辑器上无法实现的控制，因而本文将通过ZEMAX软件及其宏语言编程建立鳞甲反光杯和微透镜阵列相结合的系统模型，并对仿真结果进行分析和优化。

1 鳞甲反光杯设计原理

1.1 抛物线公式 鳞甲反光杯基于抛物面构成，其横截面为一抛物线，抛物线方程为 y2=2pz （1）

式中， p=2f ，f为抛物线的焦距。利用式（1）可得，在距离坐标原点z处，抛物面横截面的半径为

......

2 设计方法

2.1 设计要求 依照2012年1月1日实施的GB 25991—2010《汽车用LED前照灯》，汽车的前照灯远光应具有良好的照明效果，其配光性能应在距离前照灯中心前25 m、与中心基准线垂直的平面配光屏幕上进行测量，各测试点、区的位置如图3所示。

图3.配光屏幕

远光在配光屏幕上的照度限制如表1所示。根据国标所列配光要求，以及常见的A1型汽车反光杯的大小尺寸，可得到反光杯的设计要求，如表2所示。

2.2 编程方法

Zemax软件具有ZPL宏编程扩展功能，能够更加灵活地解决用户的需求。因此，为了实现任意圈数、任意鳞甲数反光杯的建模，使用Zemax编程语言[7]进行建模。首先使用FOR-NEXT循环语句以单个鳞甲为基本单位生成一圈鳞甲，再次使用FOR-NEXT循环语句进行嵌套，径向将一圈鳞甲扩展为完整的鳞甲反光杯。这样，若需要改变鳞甲反光杯的抛物线方程或者鳞甲数，则只需修改代码中p（抛物线的焦准距）、n（每圈的鳞甲数）、q（鳞甲圈数）参数的值即可。

根据汽车反光杯的尺寸要求，确定杯口半径为50 mm，深度为75 mm。将y= 50 mm，z= 75 mm代入抛物线方程，得到焦准距p= 16.667 mm，满足条件的鳞甲的圈数为10圈。由式（11）计算可得，每圈的鳞甲数设定为24。这样就确定了程序中所需的所有参数值。将编写好的程序放入Zemax软件根目录下的Macros文件夹，通过Zemax软件的宏即可运行程序，得到设计好的鳞甲反光杯模型。 2.3 光源选择 为更加契合实际，仿真所需要的LED光源组件的信息直接从汽车灯珠供应商的官网下载。选用了一款OSRAM的产品GH_CSBRM4_24，OSLON SQUARE–Hyperred，其尺寸大小为3 mm×3 mm×1.86 mm。将下载好的文件放入相应的根目录，即可在Zemax软件中加载，得到灯珠的模型，如图4所示。将其光通量设置为3 000 lm，键入 Zemax 非序列元件编辑器中。

图4.LED的3D模型

图5.普通反光杯的3D模型

式中：x为反光杯最大开口处横坐标；p为反光杯焦距。 代入数据，得到光源几何尺寸引起的出射光误差偏角θ= 0.00109°，该误差偏角远小于预定的出光角度，可近似认为出射光仍为平行出射。

5 结论

本文通过ZEMAX宏编程设计了一款应用于汽车前照灯的鳞甲反光杯系统，采用灯珠制造商提供的LED光源组件，提高了出射光线光强分布的均匀性；在杯口设置了一组微透镜阵列，在符合国家相关标准的前提下，使配光屏幕上的光强分布均匀程度进一步得到提高，光斑边缘过渡更加柔和，提高了防眩光能力，有利于安全行车；将微透镜阵列子透镜半径对光强分布的影响进行了仿真，得到了最佳的半径配比。本文设计的鳞甲反光杯系统所用材料较少，在实际生产生活中有广阔的应用前景。