【技術前沿】車燈增透膜設計和虛擬評測

原文：《Lighting AR Coating Design and Virtual Evaluation》

作者：童星，周錚

編譯：趙晨堯，郭雨欣

指導：林燕丹

簡介：前照燈的路面光通量是照明質量的重要評價指標。在相同照明設計下，通過增加抗反涂層，可以提高前照燈外燈罩和透鏡的透過率，從而提高路照光通量。本文提出一種汽車前照燈寬光譜增透膜的設計及優化方法，并通過仿真評價增加涂層后前照燈的路照效果及外觀視覺效果。

-引言-

汽車前照燈對于駕駛者夜間駕駛尤為重要，評價一個汽車前照燈路面照明效果好壞的重要指標是路面光通量，所以設計者不斷的通過光學設計提高前照燈的光學系統效率，提高光源的亮度和光通量，提高散熱設計來提高路面的光通量。隨著汽車前照燈的智能化，汽車前照燈系統越來越復雜，電子零件越來越多。在不斷縮小的設計空間下，塞滿這么多電子期間，同時又要考慮散熱的要求。給提高汽車前照燈的路照光通量帶了巨大的挑戰。往往為了多增加幾十流明的光通量而選擇了成本更貴的散熱方案和光學方案。

通過在前照燈的光學器件增加增透膜的方法，提高光學零件的透過率，從而提高光學系統的路面光通量。但是傳統的汽車前照燈增透膜設計只考慮了單波長，并沒有針對汽車照明常用的光源進行寬帶增透膜設計，也沒有考慮人眼視覺函數對結果的影響。本文提出一種方法，利用計算機輔助軟件設計寬帶增透膜，并考慮光源光譜特性及人眼視覺特性，利用計算機輔助軟件進行了虛擬評測。

-膜系設計理論-

增透膜的設計原理是利用光的干涉原理，通過膜層上下界面的反射光相互抵消來減少反射。通過能量守恒我們可以得知，入射光的總強度=反射光的強度+膜層吸收的光強度+透射光的強度（由于膜層的吸收率極小，可忽略），由于反射光的強度降低，透射光的強度得到了提高，從而達到了增透的作用[1]。因此膜層上下界面反射光的光程差應滿足如下公式：

式中：n?為膜層的折射率；d?為膜層的厚度；λ?為中心波長。

同時，膜層的折射率n?應介于空氣和基材折射率之間，并滿足如下公式，所以

式中n?為入射介質的折射率；n?為所選膜料的折射率；n?為基材的折射率。

-設計方法-

本文使用Ansys Lumerical來設計單層膜的最佳厚度，并考慮目前廣泛使用的LED光源光譜，疊加人眼視覺函數的權重，以及多個入射角度的影響，獲得最佳的增透膜厚度。如下圖1及圖2所示。

圖1 典型的LED光譜分布

圖2 人眼明視覺和暗視覺視見函數

由于膜層的屬性涉及光的干涉理論，因為我們用波動光學軟件進行設計和優化。Ansys Lumerical Stack 求解器可以用來求解多膜層結構的反射率和透射率，同時考慮膜層之間的相長干涉和相消干涉的影響，并最終將膜層結構的反射和透射屬性計算輸出給 Ansys SPEOS 實現人眼視覺和光度學仿真。整個的分析流程如圖3所示。

圖3 分析流程

本文主要仿真分析以下三種優化目標方案下的結果：

? 方案一：考慮550 nm，垂直入射角度下的透過率最大

? 方案二：考慮 LED 寬光譜，以及0-90°入射角度下的透過率最大

? 方案三：考慮LED寬光譜，0-90°入射角以及人眼視見函數加權下的透過率最大

為此，首先需要仿真設計膜層材料與結構，如圖4所示：

圖4 Lumerical膜層材料與結構

其中選取市場某已知增透膜材料，厚度待優化，PC-Zhang 為PC 材料作為基材，兩種材料的折射率分布如圖5所示。

圖5a 增透膜材料折射率分布

圖5b PC材料折射率分布

使用 Lumerical STACK 求解該膜層結構的反射率和透過率，并使用Lumerical optimization優化鍍膜層厚度。其中我們依據三種優化方案，分別設置的優化目標如下：

方案一如圖6所示：

圖6方案一

方案二如圖7所示：

圖7方案二

方案三如圖8所示：

圖8方案三

軟件中的優化設定如圖9所示：

圖9 軟件優化設定

三種方案優化后膜層厚度分別如表1所示：

表1 不同方案的增透膜厚度

我們嘗試畫出三種膜層厚度在0°入射下的寬光譜反射率，可以發現0°入射下厚度 0.103348um 的結構確實滿足在 550nm 處反射率最低。如圖10所示。

圖10 增透膜厚度0.103348nm下的透過率

那么我們需要考慮的多角度以及人眼視見函數貢獻度后的結果如何？需要將結果輸出到 Ansys SPEOS 進行仿真分析。這里我們嘗試使用 SPEOS coated 文件格式輸出，如圖11示例：

圖11 Lumerical數據輸出給Speos

-虛擬驗證-

圖12是利用Ansys Speos的OPD（光學設計模塊）進行的近光橢球單元的設計。用來驗證此次分析增透膜的作用。

圖12 近光光學設計

表2是Speos光學仿真結果，我們可以看到，使用增透膜后，路面光通量從801流明提高到895.6流明，增加了11.8%。

表2 四種方案路面光通量及最大光強對比結果

利用軟件對光強結果進行分析，使用增透膜后，光強增加，保證了設計余量，同時，提高了光強最大值12.8%。如圖13所示。

沒有使用增透膜

使用增透膜

圖13等值線對比

在軟件中建立路面數據，并附上采集的路面材料屬性，我們建立了虛擬評測室。利用軟件的人眼視覺功能，我們能得到真實的夜試效果。從下圖的對比我們能明顯的看到，使用增透膜后，路面光通量得到了提高，從而提高了可視性。如圖14所示。

沒有增透膜的路照效果

增加增透膜的路照效果

圖14 路照虛擬評測

利用Speos的人眼視覺功能，我們可以獲得車燈的外觀虛擬樣件。從下面的外觀圖我們可以看到，使用增透膜后，減少了外配光鏡的反射作用。如圖15所示。

圖15 虛擬樣件外觀效果圖

-結論-

本文提出了一種計算機輔助設計和優化增透膜的方法，相較于傳統的單波長設計增透膜的方法，該方法設計和優化了適用于汽車前照燈的寬光譜增透膜，同時，考慮了廣泛應用于汽車照明的LED光源和人眼視覺函數，進一步優化了增透膜。最后通過計算機光學仿真軟件，對增透效果進行了定量的分析，對路照效果進行了虛擬評測，同時對車燈的虛擬樣件進行了評測。通過計算機輔助設計和優化提高了增透膜的設計能力。通過虛擬評測減少了物理樣件的制作，縮短了車燈開發周期，減少了開發成本。本論文只涉及汽車前燈外配光鏡內表面的增透膜，后續可進一步設計和優化內配光鏡外表面和內表面的增透膜，也可考慮加工工藝對增透膜厚度的影響，以及鍍膜梯度的影響。

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