光纤在汽车照明系统上的应用研究[1]

　　0 引言

　　随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，汽 车已逐步成为人们日常生活中不可缺少的一种代步工 具。而汽车照明则作为汽车安全性能中不可或缺的一 部分也渐渐从简单的夜间照明发展成为要求造型美观、 安全可靠、智能舒适、节能环保的必需品。与此同时， 光纤作为新世纪光学传导的一种全新载体，以其不导 电、重量轻、容量大、耐高温和电磁辐射、柔性好、 使用方便等优点被广泛应用于通信、照明及各种传感 领域。本文仅以个人学习和实践中的有限知识重点介 绍光纤在汽车照明系统上的种种应用，探讨汽车照明 技术发展的新方向和新领域。

　　1光纤的基本原理及组成

　　因为光在不同物质中的传播速度是不同的，所以 光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界 面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入 射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过 某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来， 这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射 角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相 同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤正 是基于纤芯折射率大于包层折射率从而形成全反射的 原理形成的光传导载体。

　　光纤一般由纤芯、包层、涂敷层三个部分组成(如图1所示)。其材料大体上可分为无机材料和有机材料 两大类Ⅲ。前者透光性能优异，光信号在其中的衰减 信号较小，适用于远距离的光信息传输，一般可达 100～200 km，不过却存在加工成本高、质量控制要求 严格、脆性高、易折断的缺点;而以丙稀基为原料的 有机塑料光纤系列，其特性正好与其相反，它柔软易于连接，成本低且便于加工，但由于透光性能不好，传输距离仅限于50 m以内，因此一般只能用于装饰和 仪器仪表。考虑到汽车照明的实际用途和成本，我们一般选用芯径为98～1 000μm的塑料光纤(POF)用于汽车照明领域。

　　图1 光纤结构

　　2 光纤在汽车照明系统上的应用

　　现代汽车照明系统大致可分为两大类：照明装置 和信号装置。照明装置又分为车外照明装置和车内照 明装置。车外照明装置主要是为了保障车辆行驶安全， 提高运输效率而设置的。不同种类的汽车照明装置在 每一个国家的法规中对其照明灯的数量、安装位置尺 寸、光色、功率及配光性能等都有严格的规定，这些 法规中的要求是汽车制造厂和汽车灯具厂都必须遵守 的。例如前照灯、前雾灯、倒车灯和牌照灯;车内照 明装置则是为了方便司机和乘客而设置的，在汽车灯 具的法规中对这些灯具没有具体的严格要求。例如车 内灯、仪表灯和行李灯等。同样，信号装置也分为车 内信号装置和车外信号装置。车外信号装置是为了保 证车辆在行驶中的安全，用来提醒其他车辆司机及行 人注意而设置的。例如转向信号灯、制动灯、位置灯 和后雾灯等;车内信号装置是为司机设置的，司机通 过这些信号装置掌握汽车行驶状态，了解车辆各大系 统的工作情况。例如远近光指示灯、转向指示灯、燃 油消耗报警灯等(如图2所示)。每个国家对信号装置 的颜色、图形符号、发光强度及工作状态等都有严格 的规定。这些法规要求也是汽车制造厂和汽车灯具及仪表厂都必须遵守的。

　　图2 汽车照明系统

　　而光纤作为新型的导光单元完美地将光源与汽车照明系统联系起来，其优势有以下几点： (1)光电分离。在传统的汽车照明系统中，都是 由光源将电能转换成光能直接得到的，光与电是分不 开的。但电有一定的危险性，所以很多场合都希望光 与电分开，排除各种隐患，确保照明的安全性。而光 纤照明正好可以实现这一点，使光源与照明装置成功 分离，如此一来不仅便于汽车电器产品的模块化研究， 同时也易于产品的更换和维修;

　　(2)光线柔性传播。从理论上讲，光线是直线传播的。然而因实际应用的多元性，总希望能方便地改变光的传播方向。光纤照明正是满足了这一要求，将光源输出的光束按照其传导路径送达指定位置，并可以根据外观需要进行自由造型;

　　(3)单个光源可具备多个发光特性相同的发光点， 同时也可以将多个光源汇聚到一点以增加光强;

　　(4)系统发热低于一般照明系统，从而可降低整车的电能消耗;

　　(5)绿色环保，安全可靠，可重复使用。

　　2.1　工作方式及结构

　　光纤汽车照明系统大体可分为三个部分：发光器、 导光单元和输出单元(如图3所示)。发光器由光源、 反光镜、色盘(选配)组成脚。光源位于椭球反射面 的第一焦点处，发出的光经反光镜反射后汇聚在第二 焦点。光纤的入射端就置于这一点，这样就能使尽可 能多的光线输入到光纤中。由于光源的发光体部分有 一定的几何尺寸，而不是完全的点光源，因此光源经反光镜反射后在光纤入射面处成有一定大小的像，像的大小取决于光源、反光镜和光纤入射面之间的距离。为尽可能充分地利用光线，必须选择好三者之间的位置，使发光体成的像小于光纤的有效面积，这样光源 经反光镜反射后的光线就能全部进入光纤。另外，设计反光镜时，应使其对光源所成的立体角尽可能地大， 能接收尽可能多的光线，同时保证反射光线耦合到光 纤中的入射角小于光纤的数值孔径。目前，耦合单元 面临的一个最基本的技术难题是光纤人射端的热应力 熙 问题。光源的辐射很大部分是红外线，光线经反光镜 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， 光线入射端温度可升高达摄氏几百度，从而产生严重的热应力，使光纤损坏。为了避免这一问题，一种方法是在反光镜和光纤入射端之间放置一块滤光片，它能吸收红外辐射，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。这种方法的不足之处是遮 挡红外线的滤光片会吸收大约10%～15%的可见光，使这个系统的效率降低。另一种方法是反光镜采用冷光涂层，该涂层对红外辐射的反射率较低，对可见光的反射率较高，这种方法比前一种方法要更好一些。选择适当的干涉薄膜镀在基底上做成的冷光反光镜对可见光的反射率比镀铝的反光镜更高。使用这种反光 器可使光纤人射端的温度保持在低于某一临界温度的水平。

　　图3　光纤照明系统组成结构

　　考虑到光纤接收光线的截面大小有限和光纤接收光线的入射角有一个最大角，即光纤的数值孔径，以满足传输过程中全反射的要求，我们通常将多根直径 为98～1 000 m塑料光纤组成直径为几毫米的光纤束，再成束配给几个固定的输出单元使用。这样一来，不仅提高了光线的利用率和导光单元的耐弯曲和抗冲击性能，同时又利用各导光束的不同位置实现了复杂 的光形分布。另外，光纤束输出臂的截面也可以根据 需要做成不同的形状以满足不同的造型要求。为了安装方便，使光纤束能与发光器、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(如图4所示)。其中4.a为螺纹结构，即连接环扣安装在对接装置外径，通过其螺纹紧固;4.b为外螺纹结构，即连接环扣安装在对接装置内径，通过其外螺纹紧固。两者区别在于前者方便对接，后者更节省操作空间。

　　图4 端口连接结构