技术文章 | 薄透镜照明模块

原文标题：Thin Lens Lighting Modules

原文作者：Michel Hermitte , Yves Gromfeld, Maxime Laminette,

Valeo Lighting Systems

26 bd de l’industrie, 49000 Angers, France

编译：李奕帆井硕史晨阳

指导老师：林燕丹

介绍

LED为当今世界前照灯技术的快速发展提供更多可能。两年前，“powerful modules”[图1]在近光灯和远光灯上有了极大的突破：生产出了一种高度为40mm的矩形透镜。该模块目应用于Renault Megane, Talisman, Koleos, Espace 和Jaguar XJ等车型。

图1: Renault Espace (2015) / Jaguar XJ (2015)

之后不断推出新的系列，这种新型光学系统LED模块被称为“薄透镜”，其高度为25mm[图2]。

图2:配备有薄透镜的Land Rover Velar (2017)

该系列所有模块的宽度均为100mm，高度为25mm，在水平方向倾斜14°。

图3:薄透镜近光灯模块(LB) /远光灯模块(HB) /矩阵灯具模块(MX)

近光灯模块

在汽车照明中，LED正变得越来越重要，其目的实际上是在未来几年取代其他光源。为了用LED来征服黑暗，现有两种方案：一种是直接通过光源芯片成像，另一种是用投影仪系统。但考虑到稳定性，第二种解决方案更具优势。

另一方面，照明模块的零件数量是影响成本和稳定性的关键因素，因此该模块的目标是：一个透镜用于完成照明配光，另一个透镜用于投影。同时，需要考虑降低燃料消耗和二氧化碳排放。考虑到对封装的影响和照明系统重量的控制，这就意味着必须减少模块数量[图4]。

图4:powerfullled模块封装（灰色）与薄透镜LB VALEO模块封装（黑色）。

使用塑料透镜的投影仪的主要缺点是它对波长的敏感性以及在截止线以上会有颜色产生。灵敏度随透镜孔径的增大而增大，也与透镜高度和微封装有关。降低这种灵敏度最简单的方法是降低投影透镜的高度。

近光灯模块有两个并排放置区域：第一个区域用于目标检测和光线截止。第二个区域用于形成具有一定宽度和均匀性的光束，称之为“平面区域”，如图5所示。为了控制目标检测的几何误差和色差，将其置于球面形状的中心。平面区域是一个圆柱形透镜。

图5:封装中投影透镜的目标检测区域和平面区域

仅使用该透明光学透镜的优势是可以做到全反射，不会在反射过程中损失能量。该部分需要从LED光源采集光线，并且使光源的角度变为所需的截止角度，为第二个透镜提供所需光线。

最后一个约束条件是所有光源必须在同一个平面上。在此基础上，该设计方案在25mm的输出高度上可以实现最佳的目标检测，并最大限度地提高了平面区域的效率，以便在道路上投射最多的光线，即使这两个方面是对立的。

图6:射线路径(灰色)

如上所述，薄透镜的输出高度无法支持目前LED光源下光束的最大值。因此，必须成功地制作小图像，以便以另一种方式增加光束的功率。最后，对模块的光源定位、透镜的焦点和焦距、原材料和耐热性等各个元素进行了优化之后，薄透镜近光灯的最大照度为 55 Lux / 950 Lm。此外，由于前照灯无法运动，因此光束必须足够宽，根据模块的配光曲线无需增加额外的照明[图7]。

图7:氙气灯投影仪(左)与薄透镜(右)的对比 (安装高度0.7米;间距1.2米)

该技术已进化到满足不同的近光灯模式，因此我们需要根据驾驶需求更改模块的性能。近光灯模块集成了五个LED光源，创造了一个自适应照明功能。同时，设计注重同一性，在任何情况下都能保持舒适：其中三个LED专用于照明，两个LED用于目标检测。

综上所述，这种薄透镜模块至少可以满足4种驾驶模式：经典的乡村照明，城市道路照明，高速公路，恶劣天气模式。

远光灯模块

设计趋势为近光灯和远光灯外观统一性。本节将提供一个光学解决方案，以保证两个模块之间具有相似的外观。与近光灯模块一样，两个透镜的设计是为了增强稳定性、光束质量和视觉效果。这部分的设计方法与其他光学概念有很大的不同，因为没有采用标准流程图[图8]。一般从LED光源开始，形成一定配光。但是由于外观统一性的限制，我们必须从一个出射透镜的形状开始逆向设计，直到LED光源。