基于非球面透鏡激光車燈的設計與加工

牛生健

天津斯坦雷電氣科技有限公司 天津 300457

人類進入工業化進程以后要，汽車的發展也是與時俱進，前照燈也是經歷了許多次的更新換代，現如今，LED燈是現今社會最為常見的燈源。而本文所介紹的激光則作為一種新型的技術光源。而這項新的技術，在很多地方都已經超越了我們現在常用的LED燈。在二零一三年，一家外國公司拿出了一種汽車前照燈，而這就是我們今天所介紹的激光車燈。本文所設計的激光車燈具備多種用途，無論是搶修車、工程車，或者越野車處于夜間等許多需要照明的趙所都適用。本次通過分析研究知道了到激光驅動白光光源的光源特性，并提出了一種方案[1]。

1 激光光源模型

1.1 激光光源的組成

本次研究的激光車燈的設計思路如下文所示，450nm的激光二極管發出的光，經過透鏡會聚，入射到熒光片，激光經過熒光粉的吸收、散射、折射后出射。熒光片散射出的光芒需要經過會聚透鏡會聚后，入射到激光車燈的非球面透鏡后出射。所以，激光車燈包含了兩部分：激光產生白光系統和光學系統，其中，激光光源系統由激光器、會聚透鏡、熒光片組成。

圖1 激光車燈的組成

1.2 激光光源的測試與分析

因為要進行光學的仿真和設計，所以我們需要對激光光演的一些特征進行研究，建立光源模型。激光光源的特性包括：光通量、光功率、光源尺寸等，建立了光學檢測平臺，利用不一樣的光學探針檢測光源的光學特性參數。采用四芯半導體激光器，激發電流為0.8A，勵磁功率12。激光驅動白光源的光功率為2。95w，光通量計測得熒光粉后光通量為950lm。當功率為12時，使用照度計探頭。在16w的條件下，離熒光板100mm處的照度為21300lux。

由于熒光粉發光機理復雜，在光學仿真軟件中很難準確地建立仿真模型。本文采用機器視覺方法研究了熒光粉前后光源的形狀和尺寸，為后續的光學設計提供了理論依據[2]。搭建機器視覺檢測平臺，激勵功率小于0.1w，經過機器視覺檢測平臺，發現熒光粉前后光斑形狀不變，但熒光粉后光斑尺寸略大于入射光斑。光學系統設計可使光源近似于3mm×3mm的蘭伯特光源。

2 透鏡光學設計

激光車燈采用的結構，由兩片透鏡組成。第一片透鏡用于對熒光片出射光線的收光，其面型已知；第二片透鏡用于對光能量的整形，其面型未知。算和優化算法相結合的方法設計了未知光學透鏡。首先將光源近似為點光源，將未知透鏡的左表面近似為平面，用網格映射法求解透鏡的右表面，然后將光源設置為面光源，對透鏡的左右表面進行優化，就能夠獲得的透鏡形狀[3]。

2.1 網格映射法計算

透鏡初始面型將遠點O設置到光源的位置，將Z軸設置為透鏡的光軸，從而繪制成一個光學設計圖表。點光源為光源近似，點光源的半角范圍為零到九十度，進行離散化的對光源角度為γi（i=0，1，2，…，m）來呈現，這里γm=90°。光源角度為γi的入射光線為ri，經過已知透鏡后的矢量為vi，入射到未知透鏡表面的Pi點，Pi處的法矢量為Ni，最終入射到接收面的Ti，其中Ti=（L，yii），L是光源和接收面所處的間距。

2.2 透鏡面型優化

所設計的激光車燈要求為，25m處形成直徑范圍2-3m，光斑照度均勻，且照度≥100lux。上面得到的透鏡是基于點光源計算，在光學軟件中3mm×3mm的面光源，將透鏡左側設為非球面進行面型優化，即為最終的結果，能夠達到二十五米以外三米的直徑光源，符合設計要求。

3 結語

本文提出了一種非球面激光車燈的設計方法。光源采用激光二極管，利用熒光片將其轉換為白光，通過光學實驗獲得了熒光片前后光斑尺寸的近似關系，從而得到了光源的尺寸，指導了后續的光學設計。激光車燈采用非球面透鏡實現對光束的整形，非球面透鏡采用直接計算與優化算法相結合的方式設計，并通過光學仿真和光學實驗驗證了研究過程的正確性，為激光車燈提供了一種可行的研究方案。所設計的激光車燈對比于同類的車燈，功率要求較高，照射的距離遠，光亮程度也比較高。但是實際光學實驗中發現，激光車燈存在漏光現象，后期計劃采用鍍膜和增加反光罩的形式進一步提高遠距離的照度值。