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

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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°。

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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。

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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。

图8:标准流程图

光出射面通过水平剖面和垂直剖面定义[图9]。每个剖面的曲率都是一个可调函数。

图9:投影透镜远光灯示意图(虚线)

远光灯薄透镜模块是可调的，以满足所有性能，形状及定位需求。对所有参数进行优化后的配光如下图所示，平均照度为110lux,光通为1000lm。

对于NAS版本和IIHS评级，开发了近光灯上VOR最终版本。使用THL HB完成测试后，评分良好[图10]。

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矩阵灯具模块

薄透镜系列中的第三个模块是矩阵灯具模块。该装置与近光灯或远光灯的设计有很大的不同。矩阵灯具的目的是在配光范围内创建具有锋利边缘的方形光束图案。

通常，近光灯或远光灯的投影系统使用1或2个光学屈光镜，以降低散射的产生。对于近光灯和远光灯的薄透镜，虽已使用了3个的屈光镜，但是对于矩阵光束仍然是不够的。所以，在此基础上又增加了一个光学屈光镜。

在矩阵光束的概念中，一个投影透镜和一个照明透镜相结合，形成四个光学屈光镜，以减少光束的畸变。这个数学方法类似于Fermat原理下的远光灯。

四个子模块(µlens)结合确保光束的光学性能。但如下图所示（图11），该模块不适用于光通量比率和maxi比率超过40%的薄透镜矩阵解。

图11:不同模块数的模块性能函数

为了提高光束的均匀性，可以增加模块数量。在目前的薄透镜模块封装(100mm x 25mm)中，模块中使用了24颗LED，提供24种照明模式和21个通道。

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新的机会

如今趋势是前照灯高度的不断降低，而薄透镜系列则完全符合这一趋势。另一种趋势是遵循前照灯外部透镜形状变化的趋势，该系列模块可以代替这些外部透镜。

图13:高尔夫GTE 运动版……薄镜头模块正潮流！

薄透镜远光灯模块可以柔性安装，因此，该模块可以提供机械成本更低的版本。

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结论

高25mm，宽100mm的薄透镜模组系列产品十分畅销。其光学性能为：

l 近光灯模块:@ 55 Lux / 950 Lm。

l 远光灯模块:@ 110 Lux / 1000 Lm。

l 矩阵灯具模块:@ 110 Lux / 1000 Lm。

文章来自中国国际汽车照明论坛论文集