【技術(shù)文章】應(yīng)用于汽車的自由曲面微光學(xué)研究

原文：《PHABULOμS: freeform micro-optics for automotive applications》

作者：B. Willeke, D. Karthaus

編譯：繆雯卿 郭雨欣

指導(dǎo)：林燕丹

PHABULOμS集團(tuán)通過創(chuàng)建一條設(shè)計(jì)和制造自由曲面微光學(xué)解決方案的自我可持續(xù)試驗(yàn)線，將歐洲領(lǐng)憲的公司和研究與技術(shù)組織（RTO）統(tǒng)一起來。這些解決方案將集成到高附加值設(shè)備中，從用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的微型顯示器，到用于專業(yè)、汽車和交通照明的創(chuàng)新系統(tǒng)，再到用于奢侈品的光學(xué)效果。

---自由曲面微光學(xué)的工藝步驟---

1、評(píng)價(jià)汽車狀況

將光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域需要滿足很多要求。選擇合適的汽車前照燈光學(xué)材料時(shí)需要考慮前照燈內(nèi)部所有部件的溫度循環(huán)范圍為-40°至+120°、濕度變化、光源的高能輻射、燃料或氣體暴露等熱變化下的光學(xué)性能穩(wěn)定性。此外，有了合適的材料，必須收集前照燈光分布的所有要求。蕞容易的需求將在日間行車燈處找到，此時(shí)光必須分布到一個(gè)近似二維的高斯分布。更先進(jìn)的是遠(yuǎn)光分布也建立了高斯分布，但至少有三個(gè)不同的高斯參數(shù)。左右對(duì)稱高斯光束，近光鏈路為陡峭高斯光束，頭頂照明為不太陡峭的高斯光束。

2、光學(xué)設(shè)計(jì)

目前，前照燈中的自由曲面反射系統(tǒng)大多在數(shù)售出的車輛中實(shí)現(xiàn)了主光束或近光分布如圖1。此外，市場(chǎng)上還推出了幾毫米大小的所謂小面反射器陣列。自由曲面的微光學(xué)在智能手機(jī)、智能可穿戴設(shè)備、光學(xué)測(cè)量設(shè)備和其他幾個(gè)領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。

圖1 人工近光光束分布

3、寫入

要將光學(xué)設(shè)計(jì)從3D數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥赴嫒鐖D2。首先，需要選擇與3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)生盡可能少偏差的適當(dāng)母版工藝。這里的“寫入”意味著將一個(gè)近乎理想的微光學(xué)表面制造成一個(gè)玻璃或金屬基底，可以復(fù)制到一個(gè)工作工具中。由于通常沒有工藝產(chǎn)生理想結(jié)構(gòu)，因此需要評(píng)估預(yù)期偏差對(duì)光學(xué)性能的影響。研究將3D寫入母版可能的解決方案包括電子束光刻、超短激光脈沖、2-photone聚合、超精密金剛石車削或銑削。根據(jù)應(yīng)用、結(jié)構(gòu)尺寸和所需表面質(zhì)量的不同，有許多其他可能的工藝用于構(gòu)造微光學(xué)器件，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 自由曲面微光學(xué)測(cè)試母版

4、復(fù)制

有了一個(gè)主版本后，就存在一個(gè)問題：如何以同樣的精度、精度和粗糙度生產(chǎn)數(shù)千個(gè)這樣的光學(xué)元件？有幾種可行的方法，如注射成型、注射壓縮成型、熱壓壓印或UV固化，用于將母版多次復(fù)制到蕞終光學(xué)產(chǎn)品中。這里蕞具挑戰(zhàn)性的部分是找到一種將微光學(xué)精確復(fù)制到能夠承受汽車條件的材料中的工藝。

---光學(xué)概念---

光學(xué)有兩個(gè)領(lǐng)域，照明光學(xué)和成像光學(xué)。二者及其組合均應(yīng)用于汽車照明。這些原理有一個(gè)共同點(diǎn)，即改變光的強(qiáng)度分布相對(duì)于空間或角度分布。成像光學(xué)是指，光源或圖像平面的定義形狀主要以相同的縱橫比傳輸?shù)侥繕?biāo)平面，而照明光學(xué)是指光學(xué)以一種新的分布或圖像由原始光源圖像的不同比例的多個(gè)圖像疊加的方式傳輸圖像。例如，日間行車燈是照明光學(xué)。投影系統(tǒng)的透鏡是成像光學(xué)器件，在成像光學(xué)器件處，用于照明對(duì)比度較高的快門平面的拋物面或自由曲面反射器是照明光學(xué)器件。此外，可以根據(jù)微光學(xué)和自由曲面微光學(xué)的成像特性兩種原理進(jìn)行分類。

本文討論的自由曲面微光學(xué)元件由若干子元件組成，這些子元件將光折射并整形到一個(gè)確定的方向。有幾種光學(xué)設(shè)計(jì)方法可用于計(jì)算這些自由曲面的微光學(xué)。一個(gè)簡(jiǎn)單的原則是定義目標(biāo)分布，并根據(jù)光源，例如，光工具自由形式設(shè)計(jì)，計(jì)算產(chǎn)生的光學(xué)元件，然后根據(jù)菲涅耳原理減少光學(xué)結(jié)構(gòu)。

第二種方法是直接計(jì)算小面積并定義其對(duì)光分布的貢獻(xiàn)。因此，每個(gè)微光學(xué)元件都是完整光分布的一部分如圖3所示。

圖3 自由曲面微光學(xué)元件示例

第三種方法是，每個(gè)微光學(xué)元件都會(huì)自行創(chuàng)建孔分布，如圖4所示。根據(jù)目標(biāo)分布，計(jì)算擴(kuò)展光源的微光學(xué)元件的自由形狀（相對(duì)于每個(gè)子元件相對(duì)于光源的位置及其強(qiáng)度分布）。

圖4 自由曲面微光學(xué)元件示例

先進(jìn)技術(shù)還包括色散行為的色度校正以及擴(kuò)展光源和可能將自由形式擴(kuò)展到第二表面。另一種方法是使用人工智能計(jì)算光學(xué)元件。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練用于求解光子結(jié)構(gòu)，例如超材料或光學(xué)薄膜。這種制備方法也可用于計(jì)算和優(yōu)化自由曲面微光學(xué)，重點(diǎn)放在一個(gè)自由形式的微光學(xué)元件上，該元件將準(zhǔn)直和光整形結(jié)合在一個(gè)光學(xué)元件中。它由數(shù)千個(gè)形成蕞終光分布的單獨(dú)區(qū)域組成。元件的一側(cè)負(fù)責(zé)準(zhǔn)直光線，另一側(cè)負(fù)責(zé)將光線形成所需形狀，如圖4所示。

圖4 自由曲面微光學(xué)元件的設(shè)計(jì)實(shí)例

---汽車應(yīng)用---

微光學(xué)屬于汽車照明的范疇，因?yàn)樗梢噪[藏折射、反射或一般光形成區(qū)域的形狀。除了安全性和舒適性之外，造型是汽車照明創(chuàng)新的蕞主要驅(qū)動(dòng)力之一。人們通常不希望看到被照亮的光學(xué)元件的形狀。由于光學(xué)結(jié)構(gòu)本身小于人眼的視覺感知，自由形式的微光學(xué)傾向于允許新的造型領(lǐng)域。從2米或以上的典型觀測(cè)距離看不到結(jié)構(gòu)。微光學(xué)還允許超薄的光輸出和高效率，以滿足汽車照明的造型和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，自由形式的微光學(xué)減少了光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量，因此可以降低總成本和重量。

為了實(shí)現(xiàn)所有這些好處，需要解決汽車前照燈的一些實(shí)際挑戰(zhàn)。例如，主機(jī)生成主要限于幾毫米的特定區(qū)域。在這里，多個(gè)副本會(huì)產(chǎn)生相同的光分布，這是一個(gè)解決方案。此外，微光學(xué)表面粗糙度，尤其是結(jié)合兩個(gè)微結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，需要盡可能精確。其中，蕞主要的挑戰(zhàn)是復(fù)制材料必須是合格的。

---結(jié)論---

本文闡述了微光學(xué)生產(chǎn)的工藝流程，詳細(xì)概述了光學(xué)設(shè)計(jì)方法，并討論了微光學(xué)在汽車照明中的優(yōu)勢(shì)。自由曲面微光學(xué)具有降低成本和滿足造型要求的潛力，但在研究應(yīng)用于前照燈的自由曲面微光學(xué)道路上，必須先解決一些挑戰(zhàn)。