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圖片名稱

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菲涅爾透鏡在車燈上的應(yīng)用及現(xiàn)實(shí)意義

目前，中國車用燈光科技的發(fā)展已經(jīng)十分快速。同時(shí)由于在汽車領(lǐng)域的迅速發(fā)展和市場競爭的激烈，現(xiàn)代車輛照明系統(tǒng)對發(fā)光效果、安全特性和美觀性能的需求也愈來愈高。因此車輛燈具中自由曲面反射裝置和 LED 燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加工十分關(guān)鍵。這與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有所不同。汽車燈光控制系統(tǒng)的非成像光學(xué)設(shè)計(jì)也是一個學(xué)科、重復(fù)的設(shè)計(jì)步驟。和傳統(tǒng)拋物面鏡與配光透鏡的結(jié)合方式一樣，通過自由曲面和菲涅爾原理與鏡片的結(jié)合，能夠同時(shí)完成輻合和配光的功能，也因此后霧燈設(shè)計(jì)能夠有效節(jié)約使用的空間，降低安裝成本。因此，本文分析了菲涅爾透鏡在基于菲涅爾透鏡的 LED 汽車后霧燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，菲涅爾透鏡主要應(yīng)用于太陽投影光學(xué)領(lǐng)域，由于菲涅爾透鏡發(fā)出的光較為柔和，常用于染色燈中，在透鏡前面的支架上有一層可放置彩色塑料或金屬紗布或磨砂塑料，使光線漫射，許多裝有菲涅爾透鏡的裝置可使燈前后移動，以便聚焦、放大或縮小。本實(shí)用新型完全適用于投影透鏡、背投電視、幻燈機(jī)、準(zhǔn)直器中使用，不僅因?yàn)楣饩€通過普通透鏡更亮在太陽能光伏領(lǐng)域，菲涅爾透鏡是光伏系統(tǒng)中的焦點(diǎn)元件，它將大面積的光轉(zhuǎn)換成小面積的光，廉價(jià)的菲涅爾透鏡通常由此外，菲涅爾透鏡還廣泛應(yīng)用于汽車前照燈、汽車后照燈、倒車燈等。合肥攀達(dá)自動化技術(shù)有限公司是科技館展覽展示的生產(chǎn)企業(yè)，其主要特點(diǎn)是：將前照燈從平行的凹面鏡開始向下傾斜，使前照燈的反光鏡菲涅爾透鏡是一種應(yīng)用非常廣泛的光學(xué)元件，它能有效地校正各種光學(xué)干擾，如斜視等。

1 菲涅爾透鏡

1.1 概述

菲涅爾透鏡，又稱螺紋鏡片，是由法國的重農(nóng)主義奧古斯丁讓菲涅爾發(fā)展的鏡片工藝，它主要是用由聚烯烴材質(zhì)經(jīng)過加工后注塑而成的金屬片與玻璃構(gòu)成，其鏡片的一面要求表面光滑，且在鏡片的另一面有從小到大的同心圓，而優(yōu)質(zhì)的透鏡表面則要光滑，且畫面清晰，其材料上由于所使用的差異菲涅爾透鏡一般相當(dāng)于紅外線或者可見光凸透鏡，雖然視覺效果不錯，但成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及普通的熱聚鏡片，此實(shí)用新型應(yīng)用于將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于燈塔，可以構(gòu)造出焦距較短、功耗較低的大口徑光闌。菲涅爾透鏡比早期的透鏡薄，因此能傳輸更多的光，使燈塔即使在很長的距離內(nèi)也能看得見，菲涅爾透鏡是一種廣泛應(yīng)用的光學(xué)元件。廣泛應(yīng)用于光學(xué)工程、高分子材料工程、數(shù)控加工、金剛石車削技術(shù)、鍍鎳技術(shù)、注塑成型其他制造工藝。

1.2 菲涅爾透鏡的原理

菲涅爾透鏡是一個構(gòu)造精密的光學(xué)部件，從正面上看象鏢彈盤，由一個同心圓從一個圓圈到另一個圓圈所組成，另一個理解則是指透鏡表面的連續(xù)部分都在同一個平面上"坍塌"，從橫截面來看，面上是有許多溝槽的鋸齒形，而中間區(qū)域則是弧形橢圓形，雖然各個溝槽和其他凹槽的高度都不同，但將光線聚焦到某個固定的角度上，即聚焦透鏡，而各個溝槽也可作為透鏡。小的分離，可以調(diào)整光的水平光或聚焦。這些透鏡也能夠減少一些光球差。

1.3 菲涅爾透鏡的作用

菲涅爾透鏡采取了一個獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在探測器前面建立了一個交替的“盲區(qū)”和“高靈敏度區(qū)”，以提高探測靈敏度，當(dāng)有人經(jīng)過透鏡前面時(shí)，人體發(fā)出的紅外輻射連續(xù)交替地從“盲區(qū)”進(jìn)入“高敏感區(qū)”，這也就導(dǎo)致了人類所接收到的紅外信號可以同時(shí)地以強(qiáng)脈沖和弱脈沖的方式進(jìn)行傳遞，這也就導(dǎo)致了在物體表面上所形成的紅外線對人類影響的范圍不斷逐漸地?cái)U(kuò)大。菲涅爾鏡頭的主要特點(diǎn)有兩種：一種是通過聚焦方法，使熱釋電的近紅外信號直接表現(xiàn)在PIR 上；另一種則是把測溫方法范圍分成一個明區(qū)和暗區(qū)，將進(jìn)入測量范圍內(nèi)的運(yùn)動物質(zhì)所產(chǎn)生熱釋電信號，以溫度改變的形式反映到 PIR。

菲涅爾透鏡，簡單地說，當(dāng)透鏡的一面都有相等的齒，利用這種齒就能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的光譜(反射或折射)效果。最常見的例子就是 PIR。PIR 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在警報(bào)系統(tǒng)上?？梢钥吹皆诿恳粋€ PIR 上都有一個小塑料帽。這就是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡可以將入射光的峰值范圍限制在十微米以內(nèi)(人體的紅外峰值)，菲涅爾透鏡可以通過窄帶濾光片將光聚焦在物體上。硅光電探測器的光敏面為二次菲涅爾透鏡，不能用任何有機(jī)溶液(如酒精等)擦洗。

目前，數(shù)碼相機(jī)的聚焦顯示屏上通常都采用了玻璃晶體菲涅爾透鏡，其特性為亮度明亮、照度均衡，但一旦聚焦不正確，則對聚焦顯示屏中的物體圖像并不清晰，為了達(dá)到最精確的聚焦、將圖像分割塊和微邊緣環(huán)形器件，通常固定在聚焦顯示屏的中心， 如果在對焦不準(zhǔn)確后，將對焦點(diǎn)顯示器上的物體圖像分成二幅圖像，當(dāng)二幅圖像分成二塊后，則顯示為最準(zhǔn)確聚焦效果，但在標(biāo)準(zhǔn)的自動對焦單反(AF-SLR)的對焦顯示器上一般都不設(shè)有裂紋圖像器件，而是僅用一個較小的矩形盒刻有代表 AF 區(qū)的物體圖像，在部分對焦顯示器上還刻有局部或光斑。在早期的自動對焦和單反對焦的黑暗環(huán)境中，通常很難發(fā)現(xiàn)對焦幀，也很難確定相機(jī)的對焦，而新型的單反對焦顯示屏使對焦在更復(fù)雜的環(huán)境中，通過發(fā)射光線或聚焦于聲音提示下，很易于確認(rèn)對焦。因此各種類型的對焦顯示屏都具有不同的作用，圖像拍攝最好是在屏幕上分割聚焦，用垂直線或水平定焦屏適用于建筑攝影和文件更

新，中間無圖像裂紋，邊緣小，適用于小鏡頭和多臺照相機(jī)。單反對焦屏幕可以由用戶自己更換。也稱為螺紋鏡頭 。

2 菲涅爾透鏡在車燈的應(yīng)用

2.1 后霧燈的設(shè)計(jì)

和常規(guī)拋物面鏡與配光鏡頭的結(jié)合方式一樣，自由曲面的菲涅爾設(shè)計(jì)，以及與鏡頭的組合設(shè)計(jì)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輻合和配光的功能，使后霧燈可以更有效地節(jié)約使用空間，進(jìn)而降低了安裝成本。同時(shí)自由曲面設(shè)計(jì)也讓后霧燈看起來更為靈動小巧。到目前為止，LED 大多用于汽車的信號系統(tǒng)，包含了電子制動燈、停車燈、轉(zhuǎn)向燈，以及倒車燈。目前，LED 前照燈并沒有大量使用的，最主要原因還是散熱能力。但是，所使用的 LED 型前霧燈比前照燈具有更小的功耗，同時(shí)所需的 LED 數(shù)量相應(yīng)地也更少。但同時(shí)，隨著單個LED的發(fā)光效率的提高，其所產(chǎn)生的廢熱減少。而也影響了大量使用 LED 前照燈的工藝問題，在車用 LED 后霧燈上也能夠比較好的克服，所以，對于車用 LED 后霧燈的研發(fā)也有著很重要的使用意義。該方案的 LED 后霧燈，和普通鎢絲燈和鹵素?zé)舻某Ｒ?guī)要求，一起屬于了標(biāo)準(zhǔn) gb-11554 中，它同時(shí)還規(guī)定了后霧燈的照明源必須為紅光，而配光的最大難點(diǎn)就在于需要菱形區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度必須在規(guī)定區(qū)域之內(nèi)。而為達(dá)到更先進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)果，該方案中還引進(jìn)了德國歐司朗公司的高效低功耗紅色 LED 技術(shù)。其發(fā)光效率相當(dāng)好，且面積非常小。最大發(fā)光入射角 120°。而在 700mA 的壓力下，光通量的典型值約為 10ml。光能量分布如圖 2 所顯示。在菲涅爾透鏡的連續(xù)表面部分"塌陷"了一個平面。從截面上來看，表面由許多的鋸齒形溝槽所構(gòu)成，中央部分為橢圓弧。雖然每個溝槽和鄰近凹槽的視角不同，但將光聚焦于某個區(qū)域，形成了中心聚焦，即小透鏡的聚焦。而每個溝槽又可看成是一個單獨(dú)的小透鏡，可把光調(diào)節(jié)為平行光或聚光。在本文中，由 LED 所產(chǎn)生的光被轉(zhuǎn)化為平行光。

3 菲涅爾透鏡應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

菲涅爾透鏡是透鏡的一種分支。和其他透鏡比較，菲涅爾透鏡具備了穩(wěn)定性好、質(zhì)量低、組織緊密的特性。另外，由于它有著優(yōu)異的高聚光和圖像穩(wěn)定性，不亞于其他鏡頭。也因此，它已廣泛應(yīng)用到了軍工、航空、航天、電子行業(yè)，以及民用等領(lǐng)域。而采用了自由曲面和菲涅爾鏡片的 LED 光源，是新一代最具有競爭性的固體光源。它具備效率高、顏色單純、功耗低、使用壽命長、安全耐用、無光污染、控制靈活、反應(yīng)快、重量輕、抗沖擊強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)樵?LED器件中產(chǎn)生的光帶有朗伯分布特性，所以如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓夥植荚O(shè)計(jì)，就直接應(yīng)用到實(shí)際的汽車照明系統(tǒng)上，就缺乏滿足要求的技術(shù)條件。所以，就有必要對使用 LED 為光源的汽車照明系統(tǒng)進(jìn)行二次光學(xué)應(yīng)用研究。使用效果可以直接反映燈具系統(tǒng)的發(fā)光質(zhì)量、功耗，以及安全特性。近年來，人們利用壓縮模塑法加工線性玻璃菲涅爾鏡片，但精確度仍不足，需進(jìn)一步提高。因此根據(jù)完全反射機(jī)理設(shè)想了二類新型的太陽能聚光器。盡管它們還沒有在實(shí)踐中進(jìn)行實(shí)際使用，但它們都富有啟發(fā)性。一種是光纖集中器，主要由光纖透鏡以及與其相連的光纜所構(gòu)成。將陽光經(jīng)由光纖透鏡集中后，再經(jīng)由光纜傳送到所使用地點(diǎn)。另一個方法叫做熒光聚光器， 這實(shí)際上是由于添加了熒光顏料的零點(diǎn)五透明板材(通常是有機(jī)玻璃)，可以吸收與在比螢光的吸帶波段內(nèi)相同的部分射線，從而可以在比吸帶波長長的輻射帶波段內(nèi)產(chǎn)生了熒光。而且，由于在板料內(nèi)與周圍材料之間的相當(dāng)間距，所以產(chǎn)生的熒光可以通過板內(nèi)部的完全反射，而引導(dǎo)到了真實(shí)木板的邊沿處。冷凝率可以決定于平板長度與邊緣直徑之比，但最容

易達(dá)到 10—100 倍。通過這個平板，既可以獲得與太陽光在不同方向的入射光，又可以獲得散射光，但不必須跟蹤太陽光。

結(jié)語

采用了自由曲面和菲涅爾鏡片的 LED 燈具，主要使用于例如剎車燈、駐車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈，以及車輛的信號系統(tǒng)中。目前使用有自由曲面和菲涅爾透鏡的車用 LED 前照燈，之所以還不能大規(guī)模應(yīng)用的最主要問題就是在散熱方面，而正是由于車輛使用LED 前霧燈的所要求的光功率遠(yuǎn)比前照燈的要低，所以使用的 LED 種類也就相對較少，而同時(shí)隨著單只LED 的光效不斷增加，它所產(chǎn)生的廢熱也就降低了，而上述問題也影響到了車輛使用 LED 前照燈的技術(shù)方面，在車輛使用 LED 后霧燈方面也就能夠比較容易的實(shí)現(xiàn)，也因此對車輛使用 LED 后霧燈技術(shù)的發(fā)展也就存在了十分重要的使用價(jià)值。

Key words:

菲涅爾透鏡,后霧燈