技术文章 | 汽车照明模式的转换

原文标题：From high Reflection through Anti-Reflex to high Transmission: The Paradigm Shift in Automotive Lighting

作者:Gerd Ickes1, Dr. Harro Hagedorn1, Dr. Steffen Runkel1, Dr. Torsten Schmauder1,

1Bühler Leybold Optics, 63755 Alzenau, Siemensstrasse 88, Germany

编译：李奕帆井硕

指导老师：林燕丹

一、简介

近100年来，反射器件在汽车照明中发挥了重要作用。汽车前照灯通过反射表面将光线反射到路面。目前很多LED大灯、矩阵式大灯和激光大灯不再使用反射器件，而是在光的传播路径上使用透镜和光学元件。如今灯具制造商所面临的主要问题是：光传播过程中的能量损耗、透镜光晕等。

二、模式转换

对于很多最新一代先进照明解决方案来说，反射率不再重要，例如：矩阵式大灯，DLP大灯和激光大灯等。他们主要是通过透镜和光学元件对光传播起作用。这是一种模式转换，还是一种颠覆性的创新?我们通过以下例子进行说明。

奔驰的多光束LED大灯和欧司朗的Smartrix矩阵照明模块，如下图所示。

图1：奔驰多光束LED大灯和欧司朗Smartrix矩阵照明模块

这些方案潜在的挑战是什么?

1)光线传输损耗；

2)光晕；

3)灯光边缘颜色不一致。

这些挑战的根源是什么?

•当光从空气传播到玻璃或塑料等光介质中，一定数量的入射光会被反射，因此光在传播过程中会有损耗。同理，光从玻璃或塑料等光介质传播到空气中时亦是如此。反射光的数量取决于光的特性以及透镜的材料特性。如果车大灯的设计方案中要求在光的路径上设置多个透镜，那么光的整体损耗就会相应增加。

•光线在入射角很小的情况下照射到透镜表面，然后经多个透镜表面的多次反射而产生光晕。

•造成灯光边缘颜色不一致的原因主要是光线在入射角很小的情况下照射到透镜表面，以及透镜曲率变化较大。

解决方案

减少上述效应最有效的两种解决方案是使用AR抗反射涂层和蛾眼抗反射超表面结构，这两种技术都是基于真空的工艺，具体内容如下。

1)抗反射

我们大多数人都将抗反射涂层与眼镜或高端相机镜头上的介电涂层联系在一起，这两种用法都是正确的。抗反射涂层通常由多层材料组成，如硅和金属氧化物等，通过电子束蒸发器对这些材料进行蒸发涂覆（见图7)。

当我们设计一个多层的抗反射层时需要考虑的主要因素如下：每一层涂层的物理厚度、光学厚度、涂层的折射率、入射光的波长和透镜的折射率。这样的涂层使得大部分入射光首先通过涂层，然后再通过透镜的两个界面。典型结果如下图所示。

图2：不同入射角下抗反射涂层的反射率

对于包含5个透镜的光学系统，透镜无涂层时的光输出损耗为33.5%，采用如上所述的抗反射层后可以将的整体光输出损耗降到5.2%。

2)蛾眼结构

蛾眼具有显著的抗反射能力，这对其在夜间活动时的视力至关重要。蛾眼效应是基于对该现象的观察得来的。蛾眼效应是当材料表面次微米结构尺度小于光波长时，将使得光波无法辨认出该微结构，于是在材料表面的折射率沿深度方向呈连续变化，可减小折射率急剧变化所造成的反射现象。该结构表面的抗反射性能与入射角的关系不大，在不同的入射角下均能起到很好的作用。典型结果如下图所示。