车灯反射腔真空镀铝反射率研究

杨 醒， 谢延青， 王文婷， 张 帆， 龚和明

（上汽大众汽车有限公司， 上海 201805）

镀铝膜在工业生产中有着广泛的应用， 常见的镀铝膜是通过真空镀铝工艺将高纯度的铝丝在高温下蒸发成气态，使铝的蒸汽沉淀堆积到基底的塑料薄膜表面上， 从而形成具有金属光泽的薄膜。 铝膜具有极佳的金属光泽， 在紫外波段至红外波段具有很高的反射率， 光反射率最高可达97%， 同时铝膜表面在大气中可以与氧气产生化学反应形成一层氧化铝膜， 这层膜可以起到保护镀铝膜层的作用，从而使得铝膜基底的物理特性较为稳定。 基于以上原因，镀铝膜广泛地应用于汽车车灯反射面的设计与生产中。

1 镀铝膜的理论反射率与实际反射率分析

1.1 镀铝膜的理论反射率

影响镀铝膜反射率的因素有很多， 比如入射波长、 铝膜厚度、 入射角度、 铝膜的氧化程度等。 为了简单起见，目前在车灯光学系统的模拟中对镀铝膜的反射率通常默认设置为85%。 但是在实际情况中， 由于反射腔腔深、 腔的开口大小、 氧化铝膜的厚度、 镀铝膜的粗糙度、 介质的光学色散等因素的影响， 会导致镀铝膜的反射率有所差异，这时模拟设计阶段设置的85%的反射率就不能真实地反映实际情况， 使得模拟结果与实际产品的测试结果存在较大的差异， 增加了产品的不良率， 从而延长了批产周期， 增加了不必要的成本， 所以找出镀铝反射腔真实的反射率对于提高模拟精度以及降低成本就显得尤为重要。

对于车灯反射腔镀铝来说使用的是400～700nm可见光波段， 部分波段的光学常数见表1。

表1 铝膜的光学常数

图1 铝的光学常数图

比较常见的车灯反射腔镀铝方式如图2所示。

图2 车灯反射腔镀铝方式

由金属膜的折射定律及菲涅耳反射定律求得铝膜的反射率理论表示， 如公式 （1）、 公式 （2）、 公式 （3） 所示。

从上面理论公式可以看出， 影响反射率的因素有光波入射角度θ、 n、 k（不同波长下的n、 k不同）。

1.2 镀铝膜真实反射率建模

为了获得反射腔实际的镀铝反射率， 我们设计了一套镀铝模具， 共有16个小反射腔， 每个反射腔的开口面积和腔深都不同， 且大小变化遵循一定的规律。 随后将模具放入真空镀铝机， 按照车灯镀铝的工况进行镀铝， 结束后将模具拿出用专业仪器对每个反射腔的镀铝反射率进行测量，获得16个反射腔的镀铝反射率数据， 将数据放入Matlab软件中进行拟合， 从而得到反射率随开口大小以及腔深深度的变化公式。 设L为反射腔开口长度， W为反射腔开口宽度， 且L≥W， S为反射腔开口面积， S=L×W， D为反射腔腔深， 如公式 （4） 所示。

1） 在条件①下， 实测及根据公式所得出的反射率较小， 反射腔的结构设计需谨慎。

2） 在条件②下， 反射率为公式所得出的值， 更贴合实际情况。

3） 在条件③下， 反射率一律设为85%， 目前所有已测数据显示最好状态达不到85%。

根据实际反射腔尺寸的实际情况， 我们设定了3组参数对该公式进行了验证。 分别如下。

1） 腔 深D=25mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

2） 腔 深D=50mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

3） 腔 深D=75mm， 25mm ≤L ≤100mm， 25mm ≤W ≤100mm。

公式在上述3种情况下的规律分别对应图3～图5。

从图3～图5可以看出， 当W、 D不变时， 反射率R随着L的增大而增大； 当L、 D不变时， 反射率R随着W的增大而增大； 当L、 W不变时， 反射率R随着D的增大而减小。 这与反射腔实际变化规律相符合， 说明了公式的可行性。

图3 腔深25mm

图4 腔深50mm

图5 腔深75mm

2 模型验证与实例分析

在目前的车灯反射腔光学设计中， 反射腔的反射率统一设定为85%， 通过持续跟踪公司的相关项目后发现， 实际产品的测试结果与模拟结果在光通量上存在较大的差异，有些项目模拟结果的光通量甚至比实测结果高出20%左右，这也从另一方面说明在目前的镀铝工艺条件下， 将模拟时的反射率统一设为85%是不合理的。 基于这种情况， 我们根据本文的公式修正了模拟时反射率的数值， 对部分项目重新进行了模拟， 并与实测结果进行了重新对比。

车灯反射腔的结构往往比较复杂， 绝大部分情况下并不是规则的立体结构， 为了便于理解和计算， 我们对其的模型做了简化， 如图6所示。

图6 灯泡型反射腔示意图

其中， L和W就为反射腔开口的长度和宽度， D为反射腔中心到开口的距离。

根据上述定义， 我们重新对几个项目的反射腔灯具进行了模拟， 并选出了项目1的倒车灯、 项目2的后转向灯2个功能作为案例， 详细说明了公式的可行性。

2.1 项目1倒车灯

图7为项目1倒车灯85%反射率模拟结果， 图8为实测结果， 二者对比见表2。

表2 项目1倒车灯85%反射率模拟结果与实测结果对比

图7 倒车灯85%反射率模拟结果

图8 项目1倒车灯反射率实测结果

图9为项目1倒车灯反射腔结构。反射腔长度L=71.23mm， 反射腔宽度W=22.98mm， 反射腔中心深度D=79.71mm。

图9 项目1倒车灯反射腔结构

代入公式计算后得出反射率R=62.27%， 重新模拟结果如图10所示。 项目1倒车灯新反射率模拟结果与实测结果对比见表3。

表3 项目1倒车灯新反射率模拟结果与实测结果对比

图10 反射率为62.27%下的模拟结果

2.2 项目2后转向灯

图11为项目2倒车灯85%反射率模拟结果， 图12为实测结果， 二者对比见表4。

表4 项目2后转向灯85%反射率模拟结果与实测结果对比

图11 项目2倒车灯85%反射率模拟结果

图12 项目2倒车灯反射率实测结果

图13为项目2倒车灯反射腔结构。 反射腔长度L=99.96mm，反射腔宽度W=25.88mm， 反射腔中心深度D=83.82mm。

图13 项目2后转向灯反射腔结构

代入公式计算后得出反射率R=64.97%， 重新模拟结果如图14所示。 项目2后转向灯新反射率模拟结果与实测结果对比见表5。

图14 反射率为64.97%下的模拟结果

表5 项目2后转向灯新反射率模拟结果与实测结果对比

表6是全部重新验证的5个实例项目反射腔重新模拟后与实测结果的光通量误差对比。

表6 重新模拟结果与实测结果光通量对比

从对比结果中可以看出， 利用公式修正过的反射率值模拟得到的结果， 与实测结果的光通量已经非常接近， 能很好地修正两者间的误差， 因此现阶段将镀铝反射率统一设置为85%是不合适的。

3 结语

本文在前期项目经验的基础上， 结合理论与实际， 研究了车灯反射腔镀铝反射率， 通过建立镀铝模型并将模型按照车灯反射腔实际工况进行镀铝， 得到模型中每个反射腔镀铝反射率的数据， 随后通过Matlab软件拟合得到反射率随开口大小以及腔深深度的变化公式， 最后由拟合公式重新计算了前期项目中某些功能反射腔的反射率， 用新反射率再次进行模拟验证。

从本文论述的结果可以看出， 利用公式修正过的反射率值进行模拟得到的光通量结果， 与实测结果的光通量已经非常接近， 可修正原模拟方法导致的两者间误差， 能提高模拟精度， 降低了产品NG的概率和不必要的成本。