[ 車燈核心技術報告 ]薄透鏡大燈
當我們分析現今各大車展或技術論壇關於下一代車燈的設計潮流時，有一個無法回避的趨勢，即是車燈的扁平化。特別是一些新能源車型上，由於取消了前格柵，兩只」眯眼」越來越窄，格外奪目。
Section 1
薄透鏡車燈的技術現狀
從市場趨勢分析可以看出，扁平化是汽車造型設計的主要趨勢之一。之前僅僅是日行燈或位置燈採用這種設計，現在連遠近光也採用這個設計趨勢。遠近光透鏡模組不再是傳統的半圓球型，外觀也越來越薄，越來越纖細，而且每個大燈內的模組數量也有增加的趨勢。
為了應對這一趨勢，勢必對現今的遠近光模組的設計和生產提出許多挑戰，因為模組的尺寸和光學效率是息息相關的。透鏡模組高度越小，光學效率勢必越低。而車燈是汽車行車安全和舒適非常重要的零部件，其光學性能無法妥協，相反IIHS和CNCAP的相繼引入逐步提高了車燈照明安全的重要性。同時現在大燈往往被要求遠近光集成更多的功能（如ADB, 道路投影等），近光不再是一個靜態的光型，而遠光也增加了防眩目功能，用來應對各種複雜的天氣、道路情況和交通狀況。
在光學性能維持不變甚至上升的前提下，光學效率的降低則意味著功率的上升和CO2的排放增加。現在全球都在致力於減少碳排放，很多國家和企業都制定了雄心勃勃的碳中和遠景目標，比如中國承諾在2060年前實現碳中和。因此在減少碳排放的壓力下，薄透鏡遠近光模組迫切需要更高效的光學方案。
我們隨機拆開現有市場上的一個常見遠近光透鏡模組（如下圖），通常從功能上可以分成兩個組件，一個固定的led光源底座和一個活動的透鏡組件。光源底座為一排並列的led光源安裝在鋁制散熱器上，活動的透鏡組件一般又可以再拆分為2個光學零件，即一個光學外透鏡和一個全反射的光學聚光內透鏡或者鍍鋁的反光鏡，採用全反射內透鏡或反光鏡完全取決於燈廠的技術方案和性能要求，整體上差別不大。整個模組的光學性能的關鍵是如何使這兩個組件更好的匹配起來，形成所需要的遠近光光型，並保證整個模組的光學效率。
（双功能模組的爆炸圖，上圖為近光光路圖，下圖為遠光的光路圖。）
上圖的光學模組採用了一個70mm x 50mm的外透鏡，從光路原理上可以看出，單純的增大或縮小外透鏡的尺寸基本上不會改變光路分布，但是由於外透鏡尺寸變化，模組的光通量和光強的值會同比例的改變。為了彌補光通量和光強的變化，一般可以通過改變led的數量和改變單顆led的光輸出這2個技術手段，通常這2個技術手段對大部分的透鏡尺寸都有效，但是當透鏡尺寸縮小到某個臨界點時，以上2個手段就失去了作用，因為這時不僅光通量和光強會變小，而且整個遠近光的光路被壓縮而導致失去部分功能。比如，當70mm x 50mm的雙光模組在縮小到60mm x 40mm 仍然有效，但是在60mm x 30mm 時，這時雙光模組僅能實現一個近光功能，因為大部分的遠光光路都喪失了。當透鏡尺寸過小，這時現有的光學方案已經不再可行。特別是對於一些高端的模組，比如矩陣模組、像素模組，往往需要更大的透鏡Z向尺寸，薄透鏡大燈更加具有挑戰性
下圖則顯示了遠近光模組尺寸的一個演化過程，開始都是和鹵素模組/氙燈模組一樣的圓形Led透鏡模組，後來在高度方向上越變越小，現在市面上的薄透鏡模組的最小高度通常為30mm –40mm，隨著技術優化可以近一步的縮小到20mm。如果要進一步優化到15mm甚至10mm 則需要更創新的方案。
Section 2
薄透鏡車燈的技術突破
上面已經介紹了薄透鏡車燈的挑戰主要是主照明功能光學效率的降低。為了提高光學效率，僅僅通過增加LED的光通量是不夠的，因為這受到了led技術本身的散熱、功耗和成本的限制。因此還需要從其它方向加以改進。
第一個方案為增加防反射塗層。防反射塗層可以有效的提高透鏡模組的光學效率。通常情況下，每次不同材料間的光穿透都會因為光反射損失光能量的4%左右。如果透鏡模組有2個透明光學零件，則不同材料間的光穿透有4次。因此，理論上通過塗防反射塗層可以獲得約16%的效率提升。雖然防反射塗層的工藝已經成熟，但是在前照燈透鏡模組中的應用仍有很多挑戰，因為led光源的高溫會損害塗層並且熔化透明光學件的微結構。扁平透鏡模組和橢圓透鏡模組內的透明光學件的形狀大相徑庭，因此塗層的工藝處理非常複雜。但是一旦模組供應商突破了工藝上的難點，能夠找到一個好的塗層解決方案，那麼這個方案也可以應用在其它的透鏡模塊上。
第二個方案為增加 LED的光強。使用尺寸更小的led芯片，這樣其他光學零件的尺寸也可以相應地縮小，例如激光光源可以用在高亮度的輔助遠光上。雖然現在每一代LED芯片的亮度越來越高，但是這一趨勢總是有天花板的，因為光學內透鏡的材料大多是塑料的，塑料材料的耐溫等級是有限制的。因此在某些特定的透鏡模組里，使用玻璃透鏡或者鍍鋁反光鏡來解決這一耐溫問題。甚至一些更先進的透鏡模組，比如矩陣或像素模組，使用了硅膠透鏡。硅膠可以被加工成複雜精細的形狀，同時能承受更高的溫度。
對於大多數的led透鏡模組而言，比如雙功能模組或單行矩陣模組，通過使用上面的解決方案，基本上可以將led透鏡模組的高度降低到20mm左右。如果還需要做得更薄，比如超薄透鏡模組，則需要考慮下面的一些解決方案。
第三個方案為使用一體化內透鏡。比如下圖顯示的是一體化透鏡模組的一個例子。它的2個透鏡模組的高度是27mm，光學效率可以>50%，性能已經非常不錯。雖然當初是一個定制的模組光學方案，但是隨著市場的需求擴大，這個方案已經被大量的應用於超薄透鏡模塊的設計上。
（一體化光學方案的一對模組；左邊是截止線近光模組，右邊是廣角近光模組）
這套模組內的核心主光學零件是一個一體化的光學內透鏡，它能同時完成三個任務。首先將LED光源的光通過全反射收集並引導到截止線平面上，截止線平面位於一體化光學內透鏡的焦點處。其次在截止線平面上，光被修整成截止線光型。最後再將截止線光型從出光側投影到路面上。
這套透鏡模塊有著較高的光學效率。因為全反射收集的光幾乎沒有損失。其次，整套光學系統只有一個透明光學零件，沒有不同材料間的光穿透，因此沒有菲涅耳光學損失。
一體化光學模組的主要挑戰是一體化光學透明內透鏡的複雜形狀，使得注塑工藝非常具有難度。不過一旦模組供應商解決了一體化內透鏡的注塑問題，由於所有光學都在同一個塑料透鏡內，因此整個模組的裝配就非常的簡單和可靠。通過試制的光學樣件的測試可以證明，使用這項技術可以將透鏡高度降低到15毫米左右，同時保證>40%的光學效率。
第四個方案為使用MLA。微透鏡陣列（MLA）是現今汽車領域廣為人知的一項技術。這項技術已經在一些特殊的場景下量產，比如照亮路面的車門地毯燈。到目前為止，MLA的性能還不足以滿足遠近光照明的需求，但是已經非常接近了。首先，通過全反射光學內透鏡將並排的LED光收集，然後將光照在由兩個MLA透鏡夾成的三明治上，三明治的夾層是一個截止線平面層。靠近led光源的MLA透鏡將光聚焦在截止線平面上，截止線平面上有許多幾百微米大小的截止線微切口。然後，第二層MLA透鏡再將截止線光型投影到路面上。
MLA技術可以實現高度<10mm的模組。而且模組的深度很低，從led光源到模組透鏡外表面的距離<20mm。而現在主流的近光模組在深度方向上通常>100mm。因此MLA模組的體積具有碾壓優勢。同時由於每個微MLA透鏡形成的是完整光型，因此該模組的造型設計可以非常靈活。如果MLA透鏡足夠大，理論上可以將該透鏡切割成任何形狀，從而得到需要的各種異形模組
MLA技術的最大瓶頸是產生遠近光光型的MLA夾層。因為要求的熱應力和機械應力非常高。一旦這個瓶頸得到解決，這項技術將在性能和尺寸方面開創一個新的時代。
Section 3
薄透鏡車燈的總結和展望
以上我們總結了當前薄透鏡模組的各種技術特點和改進方案，使用前2種方案基本上可以使模組高度降到20mm左右，而使用後面的這兩個方案有望使透鏡尺寸減小到15mm和10mm，這基本上可以滿足大多數車廠客戶的前大燈造型設計。而實際應用中，具體使用哪一種方案是最佳方案，則取決於車廠的需求和燈廠的技術能力。對於特殊的高亮度模組和矩陣模組，則有可能需要結合以上所有的光學改進方案。
不得不說，外觀設計越來越成為當下汽車消費的首要考慮因素，「眯眯眼」的車燈越來越多，不知會不會成為你下次購車首選的風格呢？
留言列表
