基于非球面透镜激光车灯的设计与加工

牛生健

天津斯坦雷电气科技有限公司 天津 300457

人类进入工业化进程以后要，汽车的发展也是与时俱进，前照灯也是经历了许多次的更新换代，现如今，LED灯是现今社会最为常见的灯源。而本文所介绍的激光则作为一种新型的技术光源。而这项新的技术，在很多地方都已经超越了我们现在常用的LED灯。在二零一三年，一家外国公司拿出了一种汽车前照灯，而这就是我们今天所介绍的激光车灯。本文所设计的激光车灯具备多种用途，无论是抢修车、工程车，或者越野车处于夜间等许多需要照明的赵所都适用。本次通过分析研究知道了到激光驱动白光光源的光源特性，并提出了一种方案[1]。

1 激光光源模型

1.1 激光光源的组成

本次研究的激光车灯的设计思路如下文所示，450nm的激光二极管发出的光，经过透镜会聚，入射到荧光片，激光经过荧光粉的吸收、散射、折射后出射。荧光片散射出的光芒需要经过会聚透镜会聚后，入射到激光车灯的非球面透镜后出射。所以，激光车灯包含了两部分：激光产生白光系统和光学系统，其中，激光光源系统由激光器、会聚透镜、荧光片组成。

图1 激光车灯的组成

1.2 激光光源的测试与分析

因为要进行光学的仿真和设计，所以我们需要对激光光演的一些特征进行研究，建立光源模型。激光光源的特性包括：光通量、光功率、光源尺寸等，建立了光学检测平台，利用不一样的光学探针检测光源的光学特性参数。采用四芯半导体激光器，激发电流为0.8A，励磁功率12。激光驱动白光源的光功率为2。95w，光通量计测得荧光粉后光通量为950lm。当功率为12时，使用照度计探头。在16w的条件下，离荧光板100mm处的照度为21300lux。

由于荧光粉发光机理复杂，在光学仿真软件中很难准确地建立仿真模型。本文采用机器视觉方法研究了荧光粉前后光源的形状和尺寸，为后续的光学设计提供了理论依据[2]。搭建机器视觉检测平台，激励功率小于0.1w，经过机器视觉检测平台，发现荧光粉前后光斑形状不变，但荧光粉后光斑尺寸略大于入射光斑。光学系统设计可使光源近似于3mm×3mm的兰伯特光源。

2 透镜光学设计

激光车灯采用的结构，由两片透镜组成。第一片透镜用于对荧光片出射光线的收光，其面型已知；第二片透镜用于对光能量的整形，其面型未知。算和优化算法相结合的方法设计了未知光学透镜。首先将光源近似为点光源，将未知透镜的左表面近似为平面，用网格映射法求解透镜的右表面，然后将光源设置为面光源，对透镜的左右表面进行优化，就能够获得的透镜形状[3]。

2.1 网格映射法计算

透镜初始面型将远点O设置到光源的位置，将Z轴设置为透镜的光轴，从而绘制成一个光学设计图表。点光源为光源近似，点光源的半角范围为零到九十度，进行离散化的对光源角度为γi（i=0，1，2，…，m）来呈现，这里γm=90°。光源角度为γi的入射光线为ri，经过已知透镜后的矢量为vi，入射到未知透镜表面的Pi点，Pi处的法矢量为Ni，最终入射到接收面的Ti，其中Ti=（L，yii），L是光源和接收面所处的间距。

2.2 透镜面型优化

所设计的激光车灯要求为，25m处形成直径范围2-3m，光斑照度均匀，且照度≥100lux。上面得到的透镜是基于点光源计算，在光学软件中3mm×3mm的面光源，将透镜左侧设为非球面进行面型优化，即为最终的结果，能够达到二十五米以外三米的直径光源，符合设计要求。

3 结语

本文提出了一种非球面激光车灯的设计方法。光源采用激光二极管，利用荧光片将其转换为白光，通过光学实验获得了荧光片前后光斑尺寸的近似关系，从而得到了光源的尺寸，指导了后续的光学设计。激光车灯采用非球面透镜实现对光束的整形，非球面透镜采用直接计算与优化算法相结合的方式设计，并通过光学仿真和光学实验验证了研究过程的正确性，为激光车灯提供了一种可行的研究方案。所设计的激光车灯对比于同类的车灯，功率要求较高，照射的距离远，光亮程度也比较高。但是实际光学实验中发现，激光车灯存在漏光现象，后期计划采用镀膜和增加反光罩的形式进一步提高远距离的照度值。