车灯增透膜设计和虚拟评测

原文：《Lighting AR Coating Design and Virtual Evaluation》

作者：童星，周铮

编译：赵晨尧，郭雨欣

指导：林燕丹

简介：前照灯的路面光通量是照明质量的重要评价指标。在相同照明设计下，通过增加抗反涂层，可以提高前照灯外灯罩和透镜的透过率，从而提高路照光通量。本文提出一种汽车前照灯宽光谱增透膜的设计及优化方法，并通过仿真评价增加涂层后前照灯的路照效果及外观视觉效果。

-引言-

汽车前照灯对于驾驶者夜间驾驶尤为重要，评价一个汽车前照灯路面照明效果好坏的重要指标是路面光通量，所以设计者不断的通过光学设计提高前照灯的光学系统效率，提高光源的亮度和光通量，提高散热设计来提高路面的光通量。随着汽车前照灯的智能化，汽车前照灯系统越来越复杂，电子零件越来越多。在不断缩小的设计空间下，塞满这么多电子期间，同时又要考虑散热的要求。给提高汽车前照灯的路照光通量带了巨大的挑战。往往为了多增加几十流明的光通量而选择了成本更贵的散热方案和光学方案。

通过在前照灯的光学器件增加增透膜的方法，提高光学零件的透过率，从而提高光学系统的路面光通量。但是传统的汽车前照灯增透膜设计只考虑了单波长，并没有针对汽车照明常用的光源进行宽带增透膜设计，也没有考虑人眼视觉函数对结果的影响。本文提出一种方法，利用计算机辅助软件设计宽带增透膜，并考虑光源光谱特性及人眼视觉特性，利用计算机辅助软件进行了虚拟评测。

-膜系设计理论-

增透膜的设计原理是利用光的干涉原理，通过膜层上下界面的反射光相互抵消来减少反射。通过能量守恒我们可以得知，入射光的总强度=反射光的强度+膜层吸收的光强度+透射光的强度（由于膜层的吸收率极小，可忽略），由于反射光的强度降低，透射光的强度得到了提高，从而达到了增透的作用[1]。因此膜层上下界面反射光的光程差应满足如下公式：

式中：n₁为膜层的折射率；d₁为膜层的厚度；λ₀为中心波长。

同时，膜层的折射率n₁应介于空气和基材折射率之间，并满足如下公式，所以

式中n₀为入射介质的折射率；n₁为所选膜料的折射率；n₂为基材的折射率。

-设计方法-

本文使用Ansys Lumerical来设计单层膜的最佳厚度，并考虑目前广泛使用的LED光源光谱，叠加人眼视觉函数的权重，以及多个入射角度的影响，获得最佳的增透膜厚度。如下图1及图2所示。

图1 典型的LED光谱分布

图2 人眼明视觉和暗视觉视见函数

由于膜层的属性涉及光的干涉理论，因为我们用波动光学软件进行设计和优化。Ansys Lumerical Stack 求解器可以用来求解多膜层结构的反射率和透射率，同时考虑膜层之间的相长干涉和相消干涉的影响，并最终将膜层结构的反射和透射属性计算输出给 Ansys SPEOS 实现人眼视觉和光度学仿真。整个的分析流程如图3所示。

图3 分析流程

本文主要仿真分析以下三种优化目标方案下的结果：

• 方案一：考虑550 nm，垂直入射角度下的透过率最大

• 方案二：考虑 LED 宽光谱，以及0-90°入射角度下的透过率最大

• 方案三：考虑LED宽光谱，0-90°入射角以及人眼视见函数加权下的透过率最大

为此，首先需要仿真设计膜层材料与结构，如图4所示：

图4 Lumerical膜层材料与结构

其中选取市场某已知增透膜材料，厚度待优化，PC-Zhang 为PC 材料作为基材，两种材料的折射率分布如图5所示。

图5a 增透膜材料折射率分布

图5b PC材料折射率分布

使用 Lumerical STACK 求解该膜层结构的反射率和透过率，并使用Lumerical optimization优化镀膜层厚度。其中我们依据三种优化方案，分别设置的优化目标如下：

方案一如图6所示：

图6方案一

方案二如图7所示：

图7方案二

方案三如图8所示：

图8方案三

软件中的优化设定如图9所示：

图9 软件优化设定

三种方案优化后膜层厚度分别如表1所示：

表1 不同方案的增透膜厚度

我们尝试画出三种膜层厚度在0°入射下的宽光谱反射率，可以发现0°入射下厚度 0.103348um 的结构确实满足在 550nm 处反射率最低。如图10所示。

图10 增透膜厚度0.103348nm下的透过率

那么我们需要考虑的多角度以及人眼视见函数贡献度后的结果如何？需要将结果输出到 Ansys SPEOS 进行仿真分析。这里我们尝试使用 SPEOS coated 文件格式输出，如图11示例：

图11 Lumerical数据输出给Speos

-虚拟验证-

图12是利用Ansys Speos的OPD（光学设计模块）进行的近光椭球单元的设计。用来验证此次分析增透膜的作用。

图12 近光光学设计

表2是Speos光学仿真结果，我们可以看到，使用增透膜后，路面光通量从801流明提高到895.6流明，增加了11.8%。

表2 四种方案路面光通量及最大光强对比结果

利用软件对光强结果进行分析，使用增透膜后，光强增加，保证了设计余量，同时，提高了光强最大值12.8%。如图13所示。

没有使用增透膜

使用增透膜

图13等值线对比

在软件中建立路面数据，并附上采集的路面材料属性，我们建立了虚拟评测室。利用软件的人眼视觉功能，我们能得到真实的夜试效果。从下图的对比我们能明显的看到，使用增透膜后，路面光通量得到了提高，从而提高了可视性。如图14所示。

没有增透膜的路照效果

增加增透膜的路照效果

图14 路照虚拟评测

利用Speos的人眼视觉功能，我们可以获得车灯的外观虚拟样件。从下面的外观图我们可以看到，使用增透膜后，减少了外配光镜的反射作用。如图15所示。

图15 虚拟样件外观效果图

-结论-

本文提出了一种计算机辅助设计和优化增透膜的方法，相较于传统的单波长设计增透膜的方法，该方法设计和优化了适用于汽车前照灯的宽光谱增透膜，同时，考虑了广泛应用于汽车照明的LED光源和人眼视觉函数，进一步优化了增透膜。最后通过计算机光学仿真软件，对增透效果进行了定量的分析，对路照效果进行了虚拟评测，同时对车灯的虚拟样件进行了评测。通过计算机辅助设计和优化提高了增透膜的设计能力。通过虚拟评测减少了物理样件的制作，缩短了车灯开发周期，减少了开发成本。本论文只涉及汽车前灯外配光镜内表面的增透膜，后续可进一步设计和优化内配光镜外表面和内表面的增透膜，也可考虑加工工艺对增透膜厚度的影响，以及镀膜梯度的影响。