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(dǎo)：林燕丹

簡介：前照燈的路面光通量是照明質(zhì)量的重要評價指標(biāo)。在相同照明設(shè)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(shè)計及優(yōu)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(biāo)是路面光通量，所以設(shè)計者不斷的通過光學(xué)設(shè)計提高前照燈的光學(xué)系統(tǒng)效率，提高光源的亮度和光通量，提高散熱設(shè)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(tǒng)越來越復(fù)雜，電子零件越來越多。在不斷縮小的設(shè)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(zhàn)。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(xué)方案。

通過在前照燈的光學(xué)器件增加增透膜的方法，提高光學(xué)零件的透過率，從而提高光學(xué)系統(tǒng)的路面光通量。但是傳統(tǒng)的汽車前照燈增透膜設(shè)計只考慮了單波長，并沒有針對汽車照明常用的光源進(jìn)行寬帶增透膜設(shè)計，也沒有考慮人眼視覺函數(shù)對結(jié)果的影響。本文提出一種方法，利用計算機輔助軟件設(shè)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(jìn)行了虛擬評測。

-膜系設(shè)計理論-

增透膜的設(shè)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(dá)到了增透的作用[1]。因此膜層上下界面反射光的光程差應(yīng)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(yīng)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(zhì)的折射率；n?為所選膜料的折射率；n?為基材的折射率。

-設(shè)計方法-

本文使用Ansys Lumerical來設(shè)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(shù)的權(quán)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(shù)

由于膜層的屬性涉及光的干涉理論，因為我們用波動光學(xué)軟件進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。Ansys Lumerical Stack 求解器可以用來求解多膜層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的反射和透射屬性計算輸出給 Ansys SPEOS 實現(xiàn)人眼視覺和光度學(xué)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(yōu)化目標(biāo)方案下的結(jié)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(shù)加權(quán)下的透過率最大

為此，首先需要仿真設(shè)計膜層材料與結(jié)構(gòu)，如圖4所示：

圖4 Lumerical膜層材料與結(jié)構(gòu)

其中選取市場某已知增透膜材料，厚度待優(yōu)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(jié)構(gòu)的反射率和透過率，并使用Lumerical optimization優(yōu)化鍍膜層厚度。其中我們依據(jù)三種優(yōu)化方案，分別設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)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(yōu)化設(shè)定如圖9所示：

圖9 軟件優(yōu)化設(shè)定

三種方案優(yōu)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(fā)現(xiàn)0°入射下厚度 0.103348um 的結(jié)構(gòu)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(shù)貢獻(xiàn)度后的結(jié)果如何？需要將結(jié)果輸出到 Ansys SPEOS 進(jìn)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(shù)據(jù)輸出給Speos

-虛擬驗證-

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

圖12 近光光學(xué)設(shè)計

表2是Speos光學(xué)仿真結(jié)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(jié)果

利用軟件對光強結(jié)果進(jìn)行分析，使用增透膜后，光強增加，保證了設(shè)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(shù)據(jù)，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(jié)論-

本文提出了一種計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化增透膜的方法，相較于傳統(tǒng)的單波長設(shè)計增透膜的方法，該方法設(shè)計和優(yōu)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(yīng)用于汽車照明的LED光源和人眼視覺函數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了增透膜。最后通過計算機光學(xué)仿真軟件，對增透效果進(jìn)行了定量的分析，對路照效果進(jìn)行了虛擬評測，同時對車燈的虛擬樣件進(jìn)行了評測。通過計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化提高了增透膜的設(shè)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(fā)周期，減少了開發(fā)成本。本論文只涉及汽車前燈外配光鏡內(nèi)表面的增透膜，后續(xù)可進(jìn)一步設(shè)計和優(yōu)化內(nèi)配光鏡外表面和內(nèi)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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