光纤技术在汽车照明中的应用

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1、光纤技术在汽车照明中的应用周伟宋贤杰李一明周太明 （复旦大学电光源研究所）一、前言 随着国民经济的发展，汽车工业成为国家的支柱产业。当前汽车工业的飞速发展对汽车照明提出了 越来越高的要求。汽车照明质量的好坏，对行车安全是至关重要的，当今世界各国的法规都对汽车照明 有着严格的要求。灯具的设计不但要符合光型分布等安全性的要求，还有一些其它方面的要求，如外型 要与整个汽车的外型融为体，美观实用，符合空气动力学的要求，使驾驶员和乘客觉得舒适、方便。 因此目前车灯设计技术也随着汽车工业的发展日新月异。将光纤技术应用于汽车照明是美、德、法等国 专家近十年提出来的设想，现在已经在一些型号的汽车上得到了运用。

2、图1是由美国GE在十年前提出 的光引擎溉念示意图。“光引擎系统的设想在世界范围内给许多研究者带来了很大的影响。这个概念 最重要之处在于有一个与灯体无关的光源，使得研究人员把注意力集中到如何最有效地利用灯光上。光 纤技术的进步是这一独立装置的先决条件。传统的汽车灯具每组由一个光源、一个反射器和一个配光镜组成，通常辆汽车包含十几组灯具。而 新颖的光纤照明技术改变了传统汽车灯具的结构使人耳目一新，也使得生产出的汽车灯具产品具有新的 热力学和机械特性。二、使用光纤的汽车照明灯具的结构图2给出了使用光纤的汽车照明灯具的结构示意图。该系统主要由三部分 组成：a）耦台单元，包含光源和反射器.b）导光单元，如

3、光纤，c）输出单元，包含一个光学 组件。下面介绍各个部分的构成和作用。（1）耦合单元 为了符合照度的要求，必须使用高亮度的光源，并将光源所发出的可见光尽可能多地耦合到光纤中 去。耦合单元的设计包括光源的选用和反射器形状、尺寸的选取。目前常用的光源有两种，一种是卤钨汽车灯（如H7,H9等），另一种是高强度气体放电灯（如 金属卤化物灯）。卤钨灯的特点是费用较低，电路简单，发光体的尺寸容易确定，这对光学元件的设计 很有利。气体放电灯的特点是发光强度高，寿命长，发射光谱中红外线所占的比例很小，这样使用过程 中产生的热效应较小，从而光纤材料的选择余地较大。图!_由美国GE提出的光引華柢念反射器的形状多数

4、采用旋转对称的椭球面。将光源放在该曲面的一个焦点上，经曲面反射后光线会 聚于另一个焦点，光纤的入射端就置于这一点上.这样能使尽可能多的光线输入到光纤中，见图3。在 设计椭球面反射器时，必须考虑到两个方面。一方面，光纤接收光线的截面大小是有限的；另一方面， 光纤接收光线的入射角有一个最大值，由光纤的数值孔径决定，以满足传输过程中全反射的要求。由于 光源的发光体部分有一定的几何尺寸，而不是点光源，因此光源经反射器反射后在光纤入射面处成一个 有一定大小的像，像的大小决定于光源及反射器的放大率。为了尽可能充分地利用光能，必须使发光体 成的像略小于光纤的有效截面，这样光源经反射器反射后的光线就能全部进入

5、光纤。另外，反射器设计 时应使其对光源所张的立体角尽可能大，能接收尽可能多的光线。耦合单元面临的一个最基本的技术困 难是光纤入射端的热应力问题。光源的辐射有很大部分是红外线。光线经反射器聚焦在光纤的入射面上， 光纤吸收红外辐射，再加上光纤材料本身不可避免地含有杂质和具有不均匀性，光纤入射端温度可升高 至摄氏几百度，从而产生严重的热应力，使光纤损坏。光纤入射端的耐热温度，塑料光纤约是7 Ot, 玻璃光纤约是2 5 0 1。“尽管气体放电光源（如D2S灯）的红外辐射较少，依然会出现这个问题。 有两种方法可以解决这个问题。一个方法是在反射器和光纤入射端之间放置一块滤光片，这块滤光片能 吸收红外辐射，

6、而对可见光的吸收很小，这样能大大减小光纤入射端的热效应；或者将光源和光纤入射 端分别放在两个隔开的小腔体中，两个腔体中间用挡红外的滤光片分隔，这样不但阻挡了红外辐射，而 且防止因空气对流而传热。这种方法的不足之处是挡红外的滤光片会吸收大约1015%的可见光， 使整个系统的效率降低。另一个方法是反射器采用冷光镀膜，该膜层对红外辐射的反射率很低，透过率 较高，而对可见光的反射率很高，这种方法比前一种方法更好一些。选择适当的干涉薄膜系镀在玻璃基 底上做成的冷光反射器对可见光的反射率比镀铝的反射器更高。使用这种反射器可使光纤入射端的温度 保持在低于某一临界温度的水平。（2）导光单元导光单元的作用是将光

7、线从耦合单元输送到输出单元，并使传输过程中光的损耗尽可能小。现在常 用的导光单元是光导管和光纤。光导管内部是空心的，内表面能反射光。光线进入光导管后主要是在空 气中传输，在传输过程中，光线在光导管内的光学界面发生多次反射，最后从光导管另一端出射。光导 管有几种不同的类型，如金属涂层镜面反射光导管，透镜光导管，多涂层光导管，棱镜光导管等。当光 线传输的距离较短时，光导管可以比光纤传递更多的光.具有一定的优势。但光导管的传输效率随传输 距离增加而衰减的速度比光纤快得多，因此当传输距离较长时，光导管的应用受到限制。光纤传输光线的原理是全反射，如图4所示。一根光纤由芯体和包层组成，芯体的折射率大于包层

8、 的折射率。另外，光纤外面还有护套层保护。光线在光纤的芯体内传输，入射到芯体与包层的界面时， 如果入射角大于临界角，就会产生全反射，光线在该界面上不发生损耗。该临界角的大小由芯体和包层 的折射率决定。因此，为了满足全反射条件，保证光纤传输的效率，对光线耦合进光纤入射端的入射角 有一定的要求，该入射角不能超过光纤的数值孔径。光纤芯体的材料有玻璃（包括石英和多组分玻璃）和塑料两种，各有其特点。玻璃光纤能耐受较高 的温度，能耐受紫外线照射而保持性质稳定，可见光的透过率高且随波长变化小，但重量较大，加工处 理的要求高，价格贵。塑料光纤则相反，具有重量轻，加工方便，价廉的特点，但耐高温性能差，物理 化学

9、性质的稳定性差，对可见光的透过率随波长变化（图5）,。当传输距离较长时，光的颜色会发生 变化。在光纤材料的选择方面，石英是最好的，当光源用卤钨灯时，应该选用石英光纤，当光源用金属 卤化物灯时，也可以选用塑料光纤。波長图5各种光纤的透过率为了使光纤具有较强的耐弯曲和耐冲击性能，常将多根直径为1 0 1 0 0 0微米的玻璃光纤（塑 料光纤直径可大一些）组成直径为数毫米的光纤柬。利用光纤束可以将一个光源射的光线分配给几个输 出单元使用，即所谓的多分支光传导系统，这是将光纤技术应用于汽车照明的一大好处。这种多分支光 传导系统可以使几个灯具共用一个光源，也可咀利用各传输分支的不同位置来实现复杂的光型分

10、布。另 外，光纤束输出各个分支的截面也可以根据需要做成不同的形状。为了安装方便，使光纤束能与耦合单 元、输出单元可靠连接，光纤束的输入、输出各端口均用金属环扣紧定型。（3）输出单元光线最后是从输出单元出射的，输出单元的设计对使用光纤技术的汽车灯具产生的光型分布有着至 关重要的作用。影响最后光型分布的另一个因素是光纤出射端的几何形状。实际使用的输出单元为折射 型或反射型的光学组件。图 6给出了 3种不同的光学实例。a）使用一个自由曲面反射器作为输出单元，这种情况可以把光纤的输出端看做一个面光源，通过选 择不同的输出面形状和合适的反射器曲面来达到配光要求。b）是选用一个单纯的投影光学元件，如费聂耳

11、透镜作为输出单元，这种情况下光纤输出面的形状和 光强分布通过费聂耳透镜投影到道路上，可以应用于对光强要求较高的照明场合，如汽车的前照灯。C）是用一个侧面为两个平行平面的笛卡儿透镜作为输出单元，可以实现一些不同的功能，垂直方 向的光经笛卡儿透镜折射后比较集中，可以产生明显的截止线，而水平方向的光经两个平行侧面的一次 或多次反射后，可以达到较为均匀的分布，因此笛卡儿透镜尤其适用于雾灯。b)图6输出单元示意图:但）反射器菲涅耳透镇何苗卡儿透横三、使用光纤技术的汽车前照灯采用适当的耦合单元、光纤和输出单元，可以设计出一个灵活高性能的汽车前照灯系统，该系统可 以满足特定的设计要求、空间造型、光型分布和使

12、用特性使用光纤的前照灯系统，包括前照灯（大光灯）， 雾灯和转向灯。根据光型分布的不同要求，采用不同的输出单元，其中前照灯采用菲涅耳透镜，而雾灯 和转向灯则采用笛卡儿透镜。采用不同的输出单元及运用相关的照明设计技术，可实现多种不同的光型 分布，例如会聚光，垂直方向光的梯度分布，局部强光照明，明显的光强截止线，均匀分布等。四、光纤技术在汽车照明领域中的其它应用光纤技术除用于汽车的前照灯、尾灯外，还可应用于汽车的内部照明、高位刹车灯等方面。 光纤技术用于汽车内部环境照明，可照亮汽车内部环境，尤其是车门把手和安全带扣部位，这样做不但 舒适，也很安全。光纤照明系统除了使用以上所述端面发光的光纤外，还可使

13、用另一种侧面发光的光纤。 光线在侧面发光的光纤中传输时，在侧面分界处不再发生全反射，有一部分光线从光纤束的侧面透射出 来，并且使整段光纤的亮度非常均匀，照明系统就是利用这部分透射的光线。相对于端面发光的光纤， 侧面发光的光纤的光传输效率要低一些，但其发光面积较大，可视为线状光源，类似于霓虹灯的效果， 可以用在一些需要线光源照明并对亮度要求不是很高的场合。 光纤技术在显示汽车前部轮廓中的应用。 其中上面一张图是用侧面发光的光纤显示出前照灯外部的轮廓，下面一张图用光纤显示出前照灯内部的 结构轮廓。是光纤技术在显示汽车后部轮廓中的应用。该灯具被称为高位刹车灯，其长度为9 0厘米， 是侧面发光的光纤，

14、装在后挡风玻璃里面的上部，其形状与挡风玻璃的上缘完全吻合。踩下刹车时，高 位刹车灯与后下部两侧的刹车灯同时亮起，起到警示和装饰的作用。五、采用光纤技术的汽车灯具的效率光纤系统的效率，主要是指端面发光的光纤系统效率。采用光纤的汽车灯具的效率n定义为灯具发 射光线的光通量在光源发出的总光通量中所占的百分比。光纤系统各单元的效率如表所示。整个光纤照 明系统的总效率等于各单元效率的乘积。1光纤原明系统的效率- 单元1效率耦合单元0.40CL 55导光单元光纤）0.65 Q* 70输出单元0. 85整个系统-0.20-0. 35耦合单元：估算这部分的效率时，需要考虑反射器的反射率，光源辐射在空间的分布，

15、反射器的尺寸，光纤输 入端的尺寸等因素。采用合适形状和尺寸的反射器及选用合适截面尺寸的光纤，并调整好光源、反射器 和光纤输入端三者之间的距离，耦台单元的效率估计可以达到4 0 5 5 %,导光单元（光纤）：由于光纤表面对光的反射作用，在光纤的输入端和输出端光辐射能量会各损失5%左右，光纤束内 部各单根光纤之问的填充材料或空隙会使光线损失10 ij%,光线通过光纤后的衰减取决于光纤的 长度，对1米长的光纤，衰减大约为10%。所以光纤的传输效率估计为6 5 7 0 %。输出单元：同样由于输出单元两个表面上光的反射作用，光线能量会各损失5%，光线在输出单元光学组件内 传输时由于散射和吸收会损失5 1

16、0%。因此输出单元的效率大约为8 0一8 5%。所以，整个光纤 照明系统的效率，大约在2 0 3 5 %。通过对几种不同类型 的光纤照明系统的效率的测量结果与以上估算吻合得相当好。六、总结和展望综上所述，将光纤技术应用于汽车照明有以下特点1、多个灯具可共用一个光源2、光源可以放置在车内便于维护的位置上，使维护工作变得简单方便。3、为新颖灯具的设计提供了可能性。4、用于显示汽车轮廓，可以使夜间行车更安全，并具有装饰性。5、可以做成图案，起到信号作用。6、可以产生均匀的光强分布7、可以实现一些新的照明功能，如汽车内部环境的照明8、所有的输出光线可以具有完全相同的光色9、如果需要，也可以使不同灯具输出不同光色的光线，以满足特定的需