車燈反射腔真空鍍鋁反射率研究

楊 醒， 謝延青， 王文婷， 張 帆， 龔和明

（上汽大眾汽車有限公司， 上海 201805）

鍍鋁膜在工業生產中有著廣泛的應用， 常見的鍍鋁膜是通過真空鍍鋁工藝將高純度的鋁絲在高溫下蒸發成氣態，使鋁的蒸汽沉淀堆積到基底的塑料薄膜表面上， 從而形成具有金屬光澤的薄膜。 鋁膜具有極佳的金屬光澤， 在紫外波段至紅外波段具有很高的反射率， 光反射率最高可達97%， 同時鋁膜表面在大氣中可以與氧氣產生化學反應形成一層氧化鋁膜， 這層膜可以起到保護鍍鋁膜層的作用，從而使得鋁膜基底的物理特性較為穩定。 基于以上原因，鍍鋁膜廣泛地應用于汽車車燈反射面的設計與生產中。

1 鍍鋁膜的理論反射率與實際反射率分析

1.1 鍍鋁膜的理論反射率

影響鍍鋁膜反射率的因素有很多， 比如入射波長、 鋁膜厚度、 入射角度、 鋁膜的氧化程度等。 為了簡單起見，目前在車燈光學系統的模擬中對鍍鋁膜的反射率通常默認設置為85%。 但是在實際情況中， 由于反射腔腔深、 腔的開口大小、 氧化鋁膜的厚度、 鍍鋁膜的粗糙度、 介質的光學色散等因素的影響， 會導致鍍鋁膜的反射率有所差異，這時模擬設計階段設置的85%的反射率就不能真實地反映實際情況， 使得模擬結果與實際產品的測試結果存在較大的差異， 增加了產品的不良率， 從而延長了批產周期， 增加了不必要的成本， 所以找出鍍鋁反射腔真實的反射率對于提高模擬精度以及降低成本就顯得尤為重要。

對于車燈反射腔鍍鋁來說使用的是400～700nm可見光波段， 部分波段的光學常數見表1。

表1 鋁膜的光學常數

圖1 鋁的光學常數圖

比較常見的車燈反射腔鍍鋁方式如圖2所示。

圖2 車燈反射腔鍍鋁方式

由金屬膜的折射定律及菲涅耳反射定律求得鋁膜的反射率理論表示， 如公式 （1）、 公式 （2）、 公式 （3） 所示。

從上面理論公式可以看出， 影響反射率的因素有光波入射角度θ、 n、 k（不同波長下的n、 k不同）。

1.2 鍍鋁膜真實反射率建模

為了獲得反射腔實際的鍍鋁反射率， 我們設計了一套鍍鋁模具， 共有16個小反射腔， 每個反射腔的開口面積和腔深都不同， 且大小變化遵循一定的規律。 隨后將模具放入真空鍍鋁機， 按照車燈鍍鋁的工況進行鍍鋁， 結束后將模具拿出用專業儀器對每個反射腔的鍍鋁反射率進行測量，獲得16個反射腔的鍍鋁反射率數據， 將數據放入Matlab軟件中進行擬合， 從而得到反射率隨開口大小以及腔深深度的變化公式。 設L為反射腔開口長度， W為反射腔開口寬度， 且L≥W， S為反射腔開口面積， S=L×W， D為反射腔腔深， 如公式 （4） 所示。

1） 在條件①下， 實測及根據公式所得出的反射率較小， 反射腔的結構設計需謹慎。

2） 在條件②下， 反射率為公式所得出的值， 更貼合實際情況。

3） 在條件③下， 反射率一律設為85%， 目前所有已測數據顯示最好狀態達不到85%。

根據實際反射腔尺寸的實際情況， 我們設定了3組參數對該公式進行了驗證。 分別如下。

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種情況下的規律分別對應圖3～圖5。

從圖3～圖5可以看出， 當W、 D不變時， 反射率R隨著L的增大而增大； 當L、 D不變時， 反射率R隨著W的增大而增大； 當L、 W不變時， 反射率R隨著D的增大而減小。 這與反射腔實際變化規律相符合， 說明了公式的可行性。

圖3 腔深25mm

圖4 腔深50mm

圖5 腔深75mm

2 模型驗證與實例分析

在目前的車燈反射腔光學設計中， 反射腔的反射率統一設定為85%， 通過持續跟蹤公司的相關項目后發現， 實際產品的測試結果與模擬結果在光通量上存在較大的差異，有些項目模擬結果的光通量甚至比實測結果高出20%左右，這也從另一方面說明在目前的鍍鋁工藝條件下， 將模擬時的反射率統一設為85%是不合理的。 基于這種情況， 我們根據本文的公式修正了模擬時反射率的數值， 對部分項目重新進行了模擬， 并與實測結果進行了重新對比。

車燈反射腔的結構往往比較復雜， 絕大部分情況下并不是規則的立體結構， 為了便于理解和計算， 我們對其的模型做了簡化， 如圖6所示。

圖6 燈泡型反射腔示意圖

其中， L和W就為反射腔開口的長度和寬度， D為反射腔中心到開口的距離。

根據上述定義， 我們重新對幾個項目的反射腔燈具進行了模擬， 并選出了項目1的倒車燈、 項目2的后轉向燈2個功能作為案例， 詳細說明了公式的可行性。

2.1 項目1倒車燈

圖7為項目1倒車燈85%反射率模擬結果， 圖8為實測結果， 二者對比見表2。

表2 項目1倒車燈85%反射率模擬結果與實測結果對比

圖7 倒車燈85%反射率模擬結果

圖8 項目1倒車燈反射率實測結果

圖9為項目1倒車燈反射腔結構。反射腔長度L=71.23mm， 反射腔寬度W=22.98mm， 反射腔中心深度D=79.71mm。

圖9 項目1倒車燈反射腔結構

代入公式計算后得出反射率R=62.27%， 重新模擬結果如圖10所示。 項目1倒車燈新反射率模擬結果與實測結果對比見表3。

表3 項目1倒車燈新反射率模擬結果與實測結果對比

圖10 反射率為62.27%下的模擬結果

2.2 項目2后轉向燈

圖11為項目2倒車燈85%反射率模擬結果， 圖12為實測結果， 二者對比見表4。

表4 項目2后轉向燈85%反射率模擬結果與實測結果對比

圖11 項目2倒車燈85%反射率模擬結果

圖12 項目2倒車燈反射率實測結果

圖13為項目2倒車燈反射腔結構。 反射腔長度L=99.96mm，反射腔寬度W=25.88mm， 反射腔中心深度D=83.82mm。

圖13 項目2后轉向燈反射腔結構

代入公式計算后得出反射率R=64.97%， 重新模擬結果如圖14所示。 項目2后轉向燈新反射率模擬結果與實測結果對比見表5。

圖14 反射率為64.97%下的模擬結果

表5 項目2后轉向燈新反射率模擬結果與實測結果對比

表6是全部重新驗證的5個實例項目反射腔重新模擬后與實測結果的光通量誤差對比。

表6 重新模擬結果與實測結果光通量對比

從對比結果中可以看出， 利用公式修正過的反射率值模擬得到的結果， 與實測結果的光通量已經非常接近， 能很好地修正兩者間的誤差， 因此現階段將鍍鋁反射率統一設置為85%是不合適的。

3 結語

本文在前期項目經驗的基礎上， 結合理論與實際， 研究了車燈反射腔鍍鋁反射率， 通過建立鍍鋁模型并將模型按照車燈反射腔實際工況進行鍍鋁， 得到模型中每個反射腔鍍鋁反射率的數據， 隨后通過Matlab軟件擬合得到反射率隨開口大小以及腔深深度的變化公式， 最后由擬合公式重新計算了前期項目中某些功能反射腔的反射率， 用新反射率再次進行模擬驗證。

從本文論述的結果可以看出， 利用公式修正過的反射率值進行模擬得到的光通量結果， 與實測結果的光通量已經非常接近， 可修正原模擬方法導致的兩者間誤差， 能提高模擬精度， 降低了產品NG的概率和不必要的成本。