透鏡結構的電動自行車照明裝置的標準光學單元研制

曾彥凱，張佳茜，盧 鼎，華思昊

（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

電動自行車因其低碳、經濟、節能和便捷而深受歡迎。發展至今，中國已成為全球最大電動自行車生產和消費國，年產量和消費量占世界總產量和消費量的比重均超過90%。據統計，截至2018 年末我國電動自行車社會保有量已超過2.5 億輛。隨著電動自行車的廣泛使用，電動自行車所產生的人車矛盾進一步加劇，道路交通安全問題越來越嚴重，因電動自行車的質量問題所引發的各類事故也屢見不鮮[1]。

照明裝置作為電動自行車的眼睛，同時也作為電動自行車整車的關鍵零部件之一，其GB/T 31887.1-2019“自行車照明和回復反射裝置第1 部分：照明和光信號裝置”于2020 年5 月1 日正式實施。意味著今后電動自行車強制性認證對該項目有了新的要求，而新標準相較于老標的技術要求有著更為嚴格的要求。對光學設計的難度和生產上的精度要求較高，因此如何針對在保持產品一致性的同時降低生產及維護成本顯得尤為重要。新標準的出臺和實施，從技術層面上為行業設立門檻，倒逼全行業向高端化調整，進一步推動了整個行業集中度的提升。

在研究照明裝置配光性能的影響因素的基礎上，設計一種標準光學單元，該類型光學單元可滿足標準的規定要求，且其通用性強、一致性好，適用于透鏡類照明裝置的量產。

1 試樣制備及測試方法

通過配光軟件按標準要求進行配光設計。因坐標點和坐標區域均有不同要求，需按照標準GB/T 31887.1-2019 規定進行前期配光設計，具體標準要求見表1，近光對光圖譜詳見圖1。

圖1 近光燈測量和對光圖譜

表1 GB/T 31887.1-2019 對近光和遠光功能的配光性能要求

依據配光軟件設計數據及透鏡類型制作試模件（透鏡型，亞克力材質），對試模件進行配光性能檢測并獲得測試數據，分析比對各配光點、配光區域的測試值，優化配光軟件中的設計數據，并以此為依據重新調整試模透鏡，最終使其配光性能滿足規定要求。依據GB/T 31887.1-2019 的配光要求，通過配光軟件設計前期配光數據，近光和遠光功能的配光圖譜具體分布詳見圖2。

圖2 近光和遠光功能的配光圖譜

2 結果與討論

2.1 初次配光數據及檢測結果與分析

由圖3 可知，HH 線以上區域最大照度設計值為0.5 lx，A 點照度設計值為40 lx，其余點位和區域按照標準規定進行相應設計。根據配光軟件設計數據進行制作試模A（圖3），對其進行相應的配光性能檢測。測試結果見表2。

表2 試模A 的近光和遠光功能配光性能檢測數據

圖3 照明裝置試模A

分析試模A 的檢測結果，可發現大部分的配光點和配光區域的照度值符合標準規定要求，但還有若干配光點和配光區域的照度值不能達到標準規定要求，主要問題點在于：

（1）從近光功能的數據中發現：在4°D 以下和4°L 以及4°R 之間的區域（以下稱為區域B）的測試值為42.16 lx，該值超過EA 值（41.48 lx），不符合標準規定。可能是因為：近光檢測區域中3°和4°線之間和在垂直線左右4°之間的區域（以下稱為區域A）范圍較小，在實際生產中將光源的光照集中于區域A存在較大的難度，透鏡的材料、光源的類型及透鏡的生產過程都會影響照明裝置的配光性能。若控制不好光源的折射效果容易導致區域B 中與區域A 的過渡邊緣的照度大于A 點照度值，導致試模A 不符合標準規定要求；

（2）從遠光功能的數據中發現：A1 和A2 點照度值分別為38.22 lx 和33.90 lx，未達到HV 點的照度值一半以上（EHV＝86.62 lx）。可能是因為：A1、A2 兩點與HV 點間隔較寬，分別為4°L 和4°R，左右相距的球面角達到8°，增大了前期配光的難度，提高了對照明裝置的配光要求。這就需要將遠光光源所發出的光通過透鏡的折射擴大光斑寬度，同時還需保證光斑照度的均勻性，從而保證4°L 和4°R 的照度值不小于EHV；

（3）近光光型與遠光光型的HV 點未一致重合。標準要求在近光功能測試結束后，不需移動位置進行遠光測試，其測試結果仍需符合遠光要求，而試模A 在測試時還需要調整測試位置以保證EHV點接近原配光設計值。該要求是標準規定的技術要求中最難實現的，需要近光光斑和遠光光斑相互結合，嚴格控制好兩者的HV 點位置一致。

基于上述三點不合格點及區域，對測試數據進行重新分析和配光性能優化，對試模A 的透鏡結構進行修改[2-5]，主要方法為：

（1）優化透鏡結構和發光光源，修改對光源發出的光的折射角度，將最亮光區域設置在區域A 中，同時，區域A 和區域B 之間的過渡區域應有較大落差，以避免區域B 的照度值大于EA值；

（2）修改透鏡結構，加大遠光光源的折射角度，擴寬遠光光斑的寬度，以達到遠光光斑的寬度至少達到4°L 和4°R；同時提高光斑亮度的均勻性，遠光光斑應無明顯銳減區域、無明顯的暗明分界；

（3）根據測試結果可發現遠光HV 點在近光HV點之上，故調整透鏡結構，降低投射角度，縮小遠近光斑之間的距離，使兩者達到基本重合；

（4）對比各個配光點和配光區域的前期設計值與實際測量值的差異，在修改時注意合理放寬容錯范圍，降低因生產工藝等因素對測試結果的影響。

2.2 優化配光數據及檢測結果與分析

依據上述4 點修改方法對透鏡及光源進行重新修改，并優化配光參數及配光圖譜，具體配光點設計數據和配光圖詳見表3 和圖4。

表3 修改后的配光參數數據

圖4 修改后的近光和遠光功能的配光圖譜

依據上述優化后的配光設計數據進行制作試模B。對試模B 進行配光性能檢測，具體測試結果見表4。依據測試數據可發現修改后的試模B 的配光性能可以完全滿足規定要求。以該光學單元為標準光學單元，對其進行開模量產并作為光源應用于不同型號的照明裝置。

表4 修改后試模B 的近光及遠光功能檢測數據

2.3 量產產品的結果與分析

以試模B 的光學單元作為標準光學單元，將其應用于不同型號的照明裝置。進行批量生產后，制作出不同型號的電動自行車照明裝置，記為樣品1、樣品2及樣品3，見圖5。分別測試3 個樣品的配光性能數據，詳見表5。

圖5 照明裝置樣品1、樣品2 和樣品3

通過表5 的測試數據可以發現，采用該類結構的光學單元作為光源的照明裝置，經批量生產后可得不同型號的樣品1、2 和3 的配光性能數據較為接近，符合批量生產的一致性要求，該透鏡結構的光學單元可用于不同類型的照明裝置，即可提高透鏡結構的光學單元通用性。

表5 樣品1、2、3 的近光及遠光功能檢測數據

未進行前期配光設計的照明裝置產品其配光性能很少能符合新標準規定的技術要求；對比已進行配光設計的照明裝置產品，其配光性能雖然可以符合新標準規定的技術要求，但其產品生產一致性并不能很好地保證，后期裝配工藝等因素也會影響實際量產產品的配光性能。本試驗所制的試模B（透鏡型結構）可為相關生產企業提供標準通用光學單元，能夠降低生產過程中由于外界影響產品的配光性能，同時還可節省相關企業的研發成本，縮短研發周期；加快電動自行車產品的研發周期，為促進行業的產業升級可起到積極作用。

3 結語

本實驗通過前期配光，研制出一套完整的透鏡結構的光學單元，該光學單元可符合標準GB 31887.1-2019 的近光及遠光的配光性能規定要求。同時，該光學單元可應用于批量生產不同車型、不同型號的電動自行車前燈，具有通用性強及光學一致性高的優點。該透鏡結構的光學單元的研制可節省光學單元的研發成本，同時還能加快整車企業的新車型、新型號的更新迭代，有效地促進電動自行車行業的產業升級。