透镜组光学设计的难点在哪？

在汽车远近光设计中，最常见的方案有两种，反射镜和透镜模组。1908年是第一款电气车灯诞生之年，采用的就是反射镜。随后经历了漫长的九十年，直到21世纪初，反射镜依然牢牢占据着主要江山。然而，这种局面最终被一个微小的电子元件给打破——LED。跟LED适配的透镜模组登上了历史舞台，并成为主角至今。

透镜组为何成为当今更受青睐的方案呢？有以下几点原因：

1，更美观。晶莹剔透的透镜像极了乌溜溜的眼珠，给整车造型添上了画龙点睛的一笔。透镜直径可大可小，造型可圆可方，从而给车辆前脸带来不同的表情感受。

2，更小巧。透镜组最窄尺寸已经可以做到12mm，未来还会更小。一个直径70mm的传统透镜可以替换为两个或者更多数量的小透镜。随着技术进步，透镜组在三个维度的尺寸都在减小，空间限制将不再成为主要问题，造型师和结构设计师也能大大松口气。

3，光学性能好。跟反射镜相比，透镜组通常光通量更高，光线分布更合理，在照射距离和照射宽度上表现优秀。

4，方便标准化。我们可以发现，每一款车灯都有自己独特的样子，如果采用反射镜方案，往往需要重新设计、重新生产。而透镜组则可以作为标准件直接塞进去，节省了设计费、模具费，减少了研发时间，降低了品控风险。

听过我《汽车照明光学设计基础课》（指路B站）的朋友们应该知道，我将透镜组细分为了三种类型。

直射式透镜。这种方案的优点是零件少、成本低、尺寸小。在电瓶车和摩托车上得到广泛应用。

反射镜式透镜。这种方案包容度最高，适用于多种光源，卤素灯泡、气体放电灯泡、以及led都可以。

聚光器式透镜。这种是LED的专属方案，优点是光学效率高，光学性能好，在汽车上应用很多。

透镜组从诞生之日起，就是车灯的核心零部件之一。许多老牌欧美灯厂依然将该设计限制在总部或欧美分部，中国区往往只开展本土化生产。随着国内优秀研发人员越来越多，中国灯厂的自研模组占据的市场份额逐渐增长。我们自制模组成本低、研发周期短、还能跟随整车厂意愿灵活调整。

在开始设计一款全新远近光透镜组之前，先要确认以下信息：透镜组三维尺寸最大允许范围、光源类别、零件材料清单、法规要求、光学性能指标、仿真参数要求、光学输出文件、光学报告模板等。

然后从以下几方面加以考虑。

1，光源

光源选择有三种：灯丝灯泡、气体放电灯泡、led。

灯丝灯泡常用的有H7、HB3。它们是车灯行业的常青树。经受住了氙气灯泡和LED的冲击，靠着便宜、实用、方便更换几大优点存活至今。

气体放电灯泡常见的有D3S，功率为35W，比H7低了20W，但光通量高了近3倍。照在路上又亮又远，视觉效果比卤素灯泡好太多了，曾经是所有车型高配的不二选择。辉煌了20年后，目前几乎被LED完全取代。

LED，不同于灯泡的地方在于，种类和型号极其多样。单颗LED芯片数量从1芯到5芯，单芯光通量可达300lm甚至更高。除了普通型号外，还有高亮款可选。led透镜组近光通常采用5-8芯，远光3-5芯。芯片数量越多，光学性能越好。另外，芯片发光面积也直接影响光线扩散角度。发光面积小的，准直性更好。

2，透镜

透镜设计看似简单，其实有很多讲究，需要考虑尺寸、焦距、材料、面型。

因为透镜尺寸决定了外观感受，因此通常由整车厂给出尺寸要求。传统的圆形直径约为70mm，矩形约为40mmx60mm，最新潮的窄透镜纵向尺寸只有15mm。透镜尺寸还会影响方案的选择，决定了透镜是否需要分区，与之适配的用反射镜还是聚光器。

焦距定义了挡光板到透镜的距离，目前常用的焦距在40mm左右。焦距较短时，接收到的光线能量更多，光线扩散角度更大，代价是最高光强会被降低。

用于车灯透镜的主流材料有玻璃、PMMA和PC三种。早期的透镜采用高硼硅玻璃较多，这种材料耐高温、便宜，但是光学透过率不算高。如果追求更高的光学性能，可用K51、K9系列代替。然而不管是哪种玻璃，重量重、不能采用自由曲面都是致命的缺点。PMMA和PC材质轻巧、形状自由，是LED透镜的首选。

关于面型，如果设计的是玻璃透镜，那么最好是平凸形，而且中心旋转对称。如果透镜材质是PMMA和PC，也可以是双凸形。双凸形透镜的中心厚度更薄，还可以有效避免太阳光全反射导致的亮点聚焦风险。

如果我们凑近了仔细端详透镜，往往还会看到表面有非常微小的结构，我们称之为“微光花纹”。这种结构用于模糊明暗截止线，使其不要过于锐利。太锐利的截止线照射在路面上会对司机造成干扰。截止线的锐度要求也将被写入新国标。

3，挡板设计

直射式透镜和远光透镜不需要设计挡板，只有近光透镜需要。挡板的目的是形成明暗截止线，通常放置在透镜焦平面。从光源发出的光线经过挡板上方，照射到透镜上，形成近光光斑。挡板下方的光线被遮挡，无法到达透镜，形成暗区。挡板沿光轴方向的投影就是明暗截止线形状。

当我们在上方俯视时，会发现挡板不是直线型，而是特殊的弯曲形状。这是因为单个厚透镜具有较大场曲，大角度光线焦点与轴向光线焦点不一致。为了得到水平截止线光束，必须将挡板设计成弧形。

当挡板只有挡光作用时，可以是涂黑的金属件。如果挡板还有附加反射作用，则需要镀铝，并要求较高反射率。

4，反射镜或聚光器

反射镜和聚光器的目的是收集光源光线，并加以调整。控制光线的分布和照射范围，将光线聚焦于特定区域。透镜组光学性能是否满足法律法规要求、是否均匀分布，都极大的取决于反射镜和聚光器的设计好坏。这部分设计是光学设计师需要反复调试，花费时间最多的地方。设计参数包含：反射镜或聚光器相对光源的位置、相对挡板的位置、尺寸、光线分布角度、反射率或折射率。