摘要：為進一步優化傳統反光杯在勻光、防眩光等方面的問題，基于ZEMAX仿真軟件設計出了一種勻光性能優越的鱗甲反光杯。仿真結果表明，在杯前25 m處的配光屏幕上，最大光照強度為234 lx，中心HV點的光照強度大于0.80 Emax，各指標均符合國標GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》的要求。將鱗甲反光杯與微透鏡陣列相結合，使配光屏幕上的最大光照強度減小至59.51 lx，在各項指標仍符合國家標準的情況下，該系統的光斑能量更加均勻，且中心區域的光強進一步降低，光斑邊緣過渡更加柔和，防止汽車遠光燈產生眩光的效果更好，可以大量應用于汽車前照遠光燈。 ?

反光杯是用點光源燈泡作為光源，用于遠距離聚光照明的、常見的反射式杯型照明系統。它具有準直性良好、光能利用率高的優點。通過改變反光杯的面型以及光源類型，可以將反光杯應用于許多不同的場景，以滿足不同的需求，如汽車車燈、家用照明、科學研究等領域。

現階段，LED反光杯已逐漸應用于汽車前照燈系統，但反光杯的杯面是傳統的弧面型。傳統的弧面反光杯有許多不足之處：勻光效果不夠好；防眩光效果達不到國家標準；在杯體結構確定的情況下難以改變光束角等問題。將反光杯的杯面設計為鱗甲疊加，可以有效提升光照的均勻度，防止行車過程中出現眩光的問題。此外，將鱗甲反光杯和微透鏡陣列相結合可以進一步提高反光杯的勻光性能，對擴展反光杯的應用場景具有積極作用。由于Zemax仿真軟件可以模擬并建立光學系統模型，分析光學系統成像，且其中的宏語言編程功能提供了更為便捷、靈活的模型建立方式，可以解決許多在編輯器上無法實現的控制，因而本文將通過ZEMAX軟件及其宏語言編程建立鱗甲反光杯和微透鏡陣列相結合的系統模型，并對仿真結果進行分析和優化。

1 鱗甲反光杯設計原理

1.1 拋物線公式 鱗甲反光杯基于拋物面構成，其橫截面為一拋物線，拋物線方程為 y2=2pz?（1）

式中， p=2f ，f為拋物線的焦距。利用式（1）可得，在距離坐標原點z處，拋物面橫截面的半徑為

......

2 設計方法

2.1 設計要求 依照2012年1月1日實施的GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》，汽車的前照燈遠光應具有良好的照明效果，其配光性能應在距離前照燈中心前25 m、與中心基準線垂直的平面配光屏幕上進行測量，各測試點、區的位置如圖3所示。

圖3.配光屏幕

遠光在配光屏幕上的照度限制如表1所示。根據國標所列配光要求，以及常見的A1型汽車反光杯的大小尺寸，可得到反光杯的設計要求，如表2所示。

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2.2 編程方法

Zemax軟件具有ZPL宏編程擴展功能，能夠更加靈活地解決用戶的需求。因此，為了實現任意圈數、任意鱗甲數反光杯的建模，使用Zemax編程語言[7]進行建模。首先使用FOR-NEXT循環語句以單個鱗甲為基本單位生成一圈鱗甲，再次使用FOR-NEXT循環語句進行嵌套，徑向將一圈鱗甲擴展為完整的鱗甲反光杯。這樣，若需要改變鱗甲反光杯的拋物線方程或者鱗甲數，則只需修改代碼中p（拋物線的焦準距）、n（每圈的鱗甲數）、q（鱗甲圈數）參數的值即可。

根據汽車反光杯的尺寸要求，確定杯口半徑為50 mm，深度為75 mm。將y= 50 mm，z= 75 mm代入拋物線方程，得到焦準距p= 16.667 mm，滿足條件的鱗甲的圈數為10圈。由式（11）計算可得，每圈的鱗甲數設定為24。這樣就確定了程序中所需的所有參數值。將編寫好的程序放入Zemax軟件根目錄下的Macros文件夾，通過Zemax軟件的宏即可運行程序，得到設計好的鱗甲反光杯模型。 2.3 光源選擇 為更加契合實際，仿真所需要的LED光源組件的信息直接從汽車燈珠供應商的官網下載。選用了一款OSRAM的產品GH_CSBRM4_24，OSLON SQUARE–Hyperred，其尺寸大小為3 mm×3 mm×1.86 mm。將下載好的文件放入相應的根目錄，即可在Zemax軟件中加載，得到燈珠的模型，如圖4所示。將其光通量設置為3 000 lm，鍵入 Zemax 非序列元件編輯器中。

圖4.LED的3D模型

圖5.普通反光杯的3D模型

式中：x為反光杯最大開口處橫坐標；p為反光杯焦距。 代入數據，得到光源幾何尺寸引起的出射光誤差偏角θ= 0.00109°，該誤差偏角遠小于預定的出光角度，可近似認為出射光仍為平行出射。

5 結論

本文通過ZEMAX宏編程設計了一款應用于汽車前照燈的鱗甲反光杯系統，采用燈珠制造商提供的LED光源組件，提高了出射光線光強分布的均勻性；在杯口設置了一組微透鏡陣列，在符合國家相關標準的前提下，使配光屏幕上的光強分布均勻程度進一步得到提高，光斑邊緣過渡更加柔和，提高了防眩光能力，有利于安全行車；將微透鏡陣列子透鏡半徑對光強分布的影響進行了仿真，得到了最佳的半徑配比。本文設計的鱗甲反光杯系統所用材料較少，在實際生產生活中有廣闊的應用前景。

編輯：黃飛

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