（等离子体物理专业论文）投影灯的光学设计.pdf

投影灯的光学设计 论文题目：投影灯的光学设计 出湮皇题盟工猩系笠离王佳塑理专业 2qq 鱼届研究生韭鑫指导教师塞贤盎副熬援 摘要 一般来说，有两种类型的汽车前照灯，一种是自由曲面反射器的 前大灯( f r e ef o r mr e f l e c t o r ) ，还有一种是投影式前照灯( p r o j e c t o r t y p eh e a d l a m p ) 。近几年，随着汽车工业的发展，投影式前照灯得到 了越来越广泛的使用，特别是用于中高档轿车上。由于投影式前照灯 与其他类型的车灯相比，尺寸要小很多。因此可以很方便的用在a f s ( a d a p t i v ef r o n t l i g h t i n gs y s t e m 自适应前照系统) 系统上。而且， 一般投影式前照灯采用h i d 做光源，同时提高了照明的质量以及舒 适度。 挡板 本文首先对灯具设计做了一个大概的描述。 其次，介绍了一些基本的光学部件，包括反射器，折射器，以及 接着，本文介绍了投影灯的光学设计，包括讨论反射面，非球面 透镜以及挡板的光学设计。最后还将给出模拟之后的效果。 最后，指出前照灯的发展方向，讨论l e d 前照灯光学设计，并且 给出当前国际l e d 前照灯的发展动态。 关键词：l e d 、投影灯，前照灯，非球面透镜，截止线 分类号：t m 9 2 3 4 5 堡墅坚堕娄兰壁盐塞呈：塑兰：i 丝丝墨： 投影灯的光学设计复旦尤学礴上学茁槽史 引言： 汽车是十分便捷的交通运输工具，而汽车工业也已经成为国民经济的重要 支柱产业。汽车照明和信号装置是汽车的重要安全部件。在有关汽车的1 0 5 项 e c e 法规中有3 6 项是直接与汽车照明和信号灯有关的。在众多的汽车照明和信 号装置中，汽车前照灯是保证汽车行驶安全的最为重要的部件，因此国际标准 对于汽车前照灯的各种参数都作了非常严格的规定。 汽车前照灯分为近光和远光，远光主要用于照亮标志牌，近光则用于照亮 路面同时避免眩光，会车时，一般使用近光，这样不会给对方来车驾驶员造成 不舒适的眩光。前照灯的光强空间，特别是近光分布需要满足十分精确的要 求。在我国，汽车前照灯的光分布标准是等同于相关的e c e 法规。近光前照灯 的光分布完全不对称。中间是一个高光强区域( h o ts d o t ) ，以尽可能照亮前 方的路面。光束在水平方向有所散开，以利于辨清路边的情况。同时光强图右 边有个1 5 度或者4 5 度的倾斜角，用于照亮右边的物体。在指向对方来车驾驶 员眼睛的方向上光强很小，不产生眩光。在前照灯产生的明、暗区之间有一条 十分鲜明的分界( 截止) 线。 汽车前照灯的发展经过第一代乙炔气前照灯到现在的自由曲面，投影 灯以及l e d 的概念型前照灯，差不多经历了1 2 0 多年演变。一般说来，汽车前 照灯是由三个主要部件构成的，即光源、反射器和配光镜。于空气动力学和造 型的考虑，汽车前部低而呈流线型，这样能安装汽车前照灯的高度越来越小。 但由于车速的提高，对汽车灯光学性能的要求反而更高。显然，采用上述传统 型的设计方案不能满足这些要求。为了适应这一发展的变化，先后出现了多种 新型的方案，如共焦、多焦前照灯、多椭球投影式前照灯和自由曲面反射器 ( f f r ) 前照灯。 本文在介绍了一般的灯具设计概论的基础上，阐述了汽车前照灯反射器设 计的特殊性并介绍了汽车前照灯反射器设计的光学和几何基础。由于投影式前 照灯与其它前照灯相比，具有尺寸小，配光简单等优点，可以比较容易的用在 a f s 系统上，同时由于投影灯采用h i d 高强度气体放电灯作为光源，大幅度提 高照明质量。本文着重讨论了投影灯的光源建模，光学设计，包括反射器，挡 板，以及透镜的设计。同时给出软件的模拟结果，对比e c e 法规。 投髟灯的光学设计复旦力笋酷学岔越卫 最后，本文还将讨论l e d 为光源的前照灯的光学设计。介绍复合式抛物反 射面( c p c ) 在l e d 灯具光学设计中的应用，作为今后汽车前照灯发展方向的一 个展望。 投嚣h 桷光学设、诗 复旦大学硕士学垃论文 3 第一章灯具设计概论 1 1 灯具的定义与分类 灯具的结构包括所使用的光源，包括改变光线在空间上分布的光学系统， 包括固定灯座，保护光源与支承光学系统的机械部件，包括使光源正常工作的 电气附件等；灯具的主要功用是改变光源的光输出分布，以满足各种视觉作业 任务的要求，使人的视觉感官获得最大程度的舒适。反射器属于改变光线分布 的光学系统，是灯具功用实现的最重要部分。 灯具的种类不计其数，可以从不同的角度，按照一定的标准将其分为几 类，这对于我们设计反射器具有很大的帮助。灯具的分类标准主要有以下几 类： a 按出射光线空间分布的不同进行分类； b 按安装位置不同进行分类； c 按反射器功用和使用场合的不同进行分类； d 按电气安全要求的不同进行分类； e 按反射器几何外型进行分类 a 国际照明委员会( c i e ) 将灯具按出射光线空间分布的不同情况分成直接 型，半直接形，扩散型( 包括直接一间接型) ，半间接型，间接型五大类。这种 分类方法是根据反射器出射光通在反射器平面的上方和下方的所占比例不同来 确定。按照这种分类方法，人们可以很清楚地了解出射光线在空间分布的范 围，在照明设计不同的要求中进行正确的设计和选择反射器。 b 在照明设计中，灯具会因为不同的视觉作业要求和照明范围而有不同的 选择。我们可以由此以及由此决定的排布位置这一标准可将反射器分为整体照 明反射器，局部整体照明反射器，局部照明反射器和作业背景照明反射器四大 类。 c 灯具的功用以及使用的场合不同造成了反射器的多样性。我们可以按这 一标准将反射器粗分为室内反射器和户外反射器，其中每一类又可细分为多 类。 d 灯具是一种电气设旌，因此对灯具按电气安全要求的不同进行分类有助 于正确设计和选择合理、安全的灯具。我们可以从防触电保护等级、外壳防护 等级、安全要求等级等进行分类。 投影灯韵光学设计复旦尤学驸学岔捃a - e 在反射器设计中，通常按照反射器的几何外形对灯具进行分类。可分为 旋转对称反射器和非旋转对称反射器。旋转对称反射器可再根据其母线形状细 分，如抛物面反射器、椭球反射器：非旋转对称反射器包括部分对称和完全不 对称两类，前者如双抛物面反射器，后者如自由曲面反射器。 1 2 灯具设计的考虑要素 灯具是个完整的照明单元，具有多种元素构成。反射器的设计是一个系 统化的过程，应该根据特定灯具所担负的功能和环境要求来全面，综合地考虑 以下设计要素。 1 2 1 光源的选择和灯位设计 可供灯具使用的光源有很多种类，并不是所有的光源都能满足灯具特定功 能的要求。设计时，从光源的尺寸、功率、显色指数、发光效率、寿命、光色 等各方面选择与灯具要求相匹配的光源。例如在色彩辨别要求较高的视觉作业 场合，我们就要选择显色性好的光源。在不易安装，替换的场所，我们就要选 择寿命长的光源。在营造热烈、喜庆的光环境场合，我们就要选择暖色调的光 源。在其他条件都符合的前提下，我们应该选择光效高的光源。 有许多种光源的发光受点灯方向的影响，向上、向下、横向、侧向都可能 影响光源的正常发光，甚至熄灭。例如，发光中心位置的变化、偏移都会改变 光学系统的预定光输出，从而影响灯具的照明功能。因此，选择合适的灯位是 反射器设计的一个要素。 1 ，2 2 光学系统的设计 灯具最基本，也是最重要的功能就是根据光源的光输出分布，通过合理的 光学系统，改变光通的空间分布，以达到特定照明场合的要求。因此，灯具光 学系统的设计是灯具设计的核心。一般采用的光学系统有反射型，透射型和反 射透射结合型三种。 反射器的设计要考虑反射材料的反射系数，反射分布形状，同时要考虑合 适的反射曲面的构成，反射器起始角和截止角的大小，光中心与反射器顶点的 距离，还要考虑光源尺度的影响。对于要求光效高，方向性好的灯具可采用镜 面反射材料。对于光线要求柔和的灯具可采用扩散反射材料。对于眩光控制要 求高的灯具可采用较大的截止角。对于光输出分布比较规则的灯具可选择合适 投影灯的光学设计妻蛋力学砑士学业越立 的特种几何曲面，如抛物面，椭球面等。对于光输出分布各向不均匀的灯具( 如 汽车前灯) ，就要采用复杂的曲面，甚至是自由曲面。 折射器的设计要考虑折射材料的折射系数，分光能力，同时也要考虑合适 的折射曲面的构成。一般折射方式有透镜折射，平板折射，棱镜折射和棱锥折 射，选择合适的折射方式和控制折射单元的几何参数是灯具折射器设计的关 键。 i 2 3 灯具材料的选择 选择合适的反射器材料也是反射器设计的重要因素。合适、合理的反射器 材料不仅是灯具功能实现的基础，而且还是灯具在寿命期内正常运行的基础。 金属是灯具中用得最多的材料。钢、铝、不锈钢、铜以及合金材料在支承 部件，反射器、电器部件等灯具元素中起着不同的作用，了解这些材料的性能 和部件要求的匹配程度同样非常重要。 塑料也是反射器中经常使用的材料。热塑性和热固性的不同种类的塑料用 于灯具中的不同部件，合理使用与否对于灯具的安全、寿命有很大的影响。 玻璃是灯具中经常采用的材料，它对于控制光线，保护光源，点缀灯具起 了很重要的作用。石英玻璃、钠玻璃、铝玻璃、硼酸盐玻璃等不同种类的玻璃 具有不同光学性能、机械性能和热性能，要进行合理选择 1 2 4 灯具结构的设计 灯具结构设计包括部件的结构设计和整体结构设计，一个好的灯具结构设 计能使灯具紧凑、牢固、安全，同时便于安装和拆御。灯具结构设计应考虑构 件的尺寸，组合方式，还应考虑构件的机械性能、抗热性能、防震性能等多种 因素。 1 2 5 电气性能、安全设计 反射器电气性能、安全设计是保证灯具顺利，可靠工作的重要环节，对于 不同电气安全等级防护要求的灯具，还要采取相应的设计，以达到规定的性 能。 投影灯的光学设计复直力学研i 4 学岔礁之 1 3 灯具设计的一般步骤 l ，根据灯具使用场合、照明要求，确定灯具的功能和各类防护要求等级 2 根据所确定的灯具的功能和防护要求选择合适的材料和光源； 3 根据所确定的灯具的功能和选择的光源材料，设计台适的光学系统； 4 根据所确定的光源和防护等级设计合适的电气系统； 5 根据所确定的光学系统和电气系统设计合适的灯具结构。 投影赶的托学设计复盟大学碗士学位避蔓 第二章基本的光学器件 2 1 基本的反射器 反射器是一个重新分配光源光通量的器件。光源发出的光经反射器反射 后，投射到要求的方向。为了提高效率，反射器由高反射率的材料做成。这些 材料有铝、镀铝的玻璃或塑料等。反射器的形式多种多样，反射的基本形式器 有以下几种。 1 球面反射器 球面反射器的母线是圆。若将光源置于球心s 1 ，则所有的反射光线都又通 过球，山( 见图2 1 ) ，如同仍由光源发出来的一样，从而提高了光源的利用率。 但在实际使用时，反射光线和热量聚集在灯泡上，会使其温度升高，寿命缩 短，因此，需要将光源的位置略微偏离球心。球面反射镜还具有这样的性质： s 2 是球面镜光轴上与球心和底的中点等距的点。当光源置于点s 2 时，近轴区 的反射光近似为平行光，虽然这平行光的质量要比抛物面反射镜产生的平行 光差，但球面反射器加工方便。 2 旋转抛物面反射器 该反射器的母线为抛物线 器，描写母线的方程为： y 2 = 4 办 ( 2 1 ) 式中，f 是抛物面的焦距 2 厂 舻志 ( 2 2 ) 绕其光轴旋转1 8 0 。，即构成旋转抛物面反射 在极坐标系统中，母线的方程为 式中，p 为焦点至母线上一点的矢径，v 是矢径与极轴之间夹角。 、 投影灯的光学设计寅互才砑士笋盘坩卫。 虬萨囊+ 4 侄= p 、 图2 1 球面反射器的光路图2 2 在抛物面反射器中光源尺寸的影响 若将一点光源置于完美的抛物面反射镜的焦点上，则所有的反射光线都将 平行于光轴探照灯和很多投光灯就是按照这一原理设计的光源在轴上偏离 焦点位置时，光束不再是平行光当光源位于焦点以内时，光束发散：而当光 源位于焦点以外时，光束先会聚而后再发散理想的点光源是不存在的，光源 总有一定的尺寸图2 2 表示了当球形光源的球心置于抛物面反射镜的焦点上 时反射光束发散的情况由图可以清楚地看到，最大发散度是发生在顶点m 0 的 位置上，最大发散角a0 为 r 口o = 2 a r c s i n ( ) ， 一( 2 3 ) 式中，r 为光源半径，f 为抛物面反射器焦距，在角n0 以外没有反射光。 3 椭球面反射器 该反射器的母线为椭圆椭圆方程的表达式为 薯弓= ， 一( 2 4 ) a 2 一b 2 = c 2 一( 2 5 ) 式中，a 和b 为椭圆的长短半轴，c 为焦点至坐标原点的距离椭圆有两个 焦点若个点光源放置在一个焦点f 上，则反射光线将通过另一个焦点 f ( 见图2 3 ) 有一个有趣的应用例子：将椭球反射器在a b 处切开，所有的 光线看上去都是从焦点f 出的如果在a b 处加上一个盖子，但中央留一个 投器甄啦号津谖诜复旦大学硕士学位论殳 孔，则使所有的光线仍然能够通过在某些情况下可以利用这一性质，通过一 个狭小的开口发射出发散的光来这样可以很容易地隐蔽光源 j 图2 3椭球反射器 4 双曲面反射器 该反射器的母线是双曲线描写双曲线的方程是 事一吾= - d 2 + b2 ：l 式中：a ，b ，c 的意义由图2 4 说明。 b j 一一 - o 二k x 。一最 ( b ) 一( 2 6 ) 一一( 2 7 ) 、 7 鬈二慈孑，1 ；= ： 声掣 邂 图2 4 双曲线反射器及其光路 ( a ) 反射器母线；( b ) 反射器光路 ( b ) 、 投影灯的光学设计童_ 旦a - 学研士学岔趁亚 h a ：f = 2 d 是双曲线的实轴，j b l b ：f = 2 6 是双曲线的虚轴ac 为焦距，即焦 点和顶点的距离如将光源置于双曲面反射器的一个焦点f ：上，光线经双曲面 反射后反射光的反向延长线都交会于另一焦点f 。( 见图2 4 ) ，反射器的出射光 线就好像全部是从焦点f 。发出的。 5 复合式反射器 利用以上基本形式加以变化组合，可构成符合性能要求的复合式反射 器作为例子，图2 5 给出由球面和抛物面组合而成的复合式反射器两个反 射面的焦距不同，但焦点共同与产生同样光输出的抛物面反射器相比，此复 合式反射器尺寸减小 图2 5由球面和抛物面组成的反射器 6 柱状抛物面反射器 以上的5 种反射器都是旋转对称的，适用于球形光源或发光体较短的光 源对于柱状的光源( 如管状荧光灯) ，必须采用柱状的反射器，柱状抛物面反 射器是其典型代表这样个反射面是这样获得的：将抛物线沿着与它的面相 垂直的方向移动。若将一个管状光源沿反射器的焦线安放，且该光源的直径比 反射器小得多，就能产生这样的一种光束：它在水平方向光束较宽；而在垂直 方向光束几乎平行，只略有发散对光束的形成下面略加说明 投影灯的光学设计复旦戈擎劝士学岔越立 j ，一 图2 6柱状抛物面反射器光路 在图2 6 中，s s 是通过抛物面顶点的线，f f 是焦线f 和m 处于同一 个垂直于焦线的平面内，由f 点发出的光到达点l i i ，沿m r 方向反射，躲平行予 通过点f 的抛物线的轴线x x ，从焦线其他位置上射出的到达点m 的光线，比 如f m ，反射后都将处在平面m r r ，内，而该平面平行于通过焦线f f ，和顶 线s s 的平面这样，就获得一个在水平方向扇形散开，在垂直方向近乎平行 的光柬。 7 通用反射器的设计考虑 在很多情况下，上述基本形式的反射器或由其组合而成的复合式反射器不 能满足控光的要求，这时我们必须根据光源的光强分布和要求的出射光强光分 布，设计反射器下面简要介绍通用反射器的主要设计思想 如图2 7 所示，光源位于反射器内的点0 。光源发出的光线一部分射向反 射器，被反射器反射；另一部分，从没有被反射器包围的空间中射出今考察 反射器上的一点p ，光线射向该点的角度为n ，反射方向( 与光轴的夹角) 为 b 。 、 投影灯的光学设计童蛋大学历士学盘茁卫 图2 7 通用反射器方程导出关系 由图可知： d r ：，d o r - t a n 掣 一( 2 8 ) 即 一d r ：t a n 竺生d 口 一( 2 9 ) ，2 积分得： 一n 号= t a n 字d a _ _ ( z 1 0 ) 在上面式子中，r 是点0 到点p 的距离，f 是反射器顶点和点0 间的距 离2 1 0 式是设计反射器的通用方程 很显然，入射光线和反射光线是一一对应的，也就是说a 和b 是一一对应 的但a 和b 之间的关系往往是很复杂的很难得到两者的函数表达式 口= ，) 或= 厂q ) 。有时即使得到了函数表达式，也难求积分另外，在 ，) 或厂0 ) 中还应考虑光源直接出射光的作用因此，直接采用2 1 0 式求解 是困难的比较实用的方法是将2 1 0 式化成求和的形式： h 二：y t a n 竺竺d 。一 2 一( 2 1 1 ) 在知道了n 和b 关系之后，由2 儿式可以确定反射器母线。 投影灯的光学设计二苣旦，+ 笋骊土学岔礁立 2 2 基本形式的折射器 利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件，用于改变原先光线前进 的方向，获得合理的光分布灯具中经常使用的折射器有棱纹板和透镜两大 类 现在灯具中的棱纹板多数由塑料或压克力制成，表面花纹图案由三角锥、 圆锥以及其他棱镜组成吸顶灯具通过棱纹板上各棱镜单元的折射作用，能有 效地降低灯具在接近水平视角范围的亮度，减少眩光而汽车前照灯的配光镜 上的各棱镜单元则精确地控制着出射光束的方向，以便形成符合法规要求的光 分布 作为折射光线用的透镜至少有一个曲面图2 8 两种常用的透镜其中图 ( a ) 一面是球面，面是平面，是平凸透镜当一束平行光入射到球面上时，由 于折射作用，光束会聚到焦点上图( b ) 一面是凹球面，一面是平面。是平凹透 镜当一束平行光入射到凹球面上时，光被散开，而所有散开的光反向延长时 都会聚于焦点也就是说好像所有的出射光都是从位于焦点上的光源发出的 _ =厂 仝过二 一 _ 二i 歹 _l 图2 8 透镜 a 凸透镜：b 凹透镜 投影灯的光学设汁复查尤学研士擎岔茁殳 。一，一 图2 9 菲涅耳透镜 ( a ) 平凸透镜：( b ) 平凹透镜 2 3 遮光器件 在第一章中讨论眩光问题时知道，灯具在偏离垂直方向4 5 。一8 5 。的范围 内出射的光要少，否则会造成眩光当然，最好是在此角度范围根本看不到灯 具中发光的灯泡为了衡量灯具隐蔽光源的性能，引进保护角的概念所谓保 护角是在过灯具开口面的水平线和刚能看到灯泡发光部的视线之间的夹角。( 见 图2 1 0 ) 对于磨砂灯泡或外壳有荧光粉涂层的灯泡，整个灯泡都是发光体； 但对透明外壳的灯泡，里面的钨丝或电弧管才是发光体当视仰角( 指水平线和 视线之间的夹角) 小于灯具保护角时，看不到直接发光体因此从防眩的角度 看，希望灯具的保护角大与灯具保护角相关连的是灯具的截光角顾名思 义，灯具在大于截光角的方向上没有光由图2 1 0 可以发现，保护角。和截光 角卢是互余的 投黟帆镪赴辈设诗复旦大学硕士学位论文 噤旁 历八 一固 图2 1 0 灯具的保护角 通过灯具自身的设计来增大保护角当然是可能的，但这样往往会使灯具的 反射器或灯罩变得相当深还有一种更好的解决方法是采用一些遮光器件，附 加到灯具上去，从而达到增大灯具保护角、减少眩光的目的图2 1 1 给出了三 种常用的遮光器这些遮光器的网格愈密、厚度愈大，则保护角愈大但相应 地光损失电增大因此，必须综合考虑一般荧光灯具的保护角取为3 0 。左 右 圄 图2 1 l 常用遮光器结构 投影灯的光学设计童旦力掌磁士学世趁卫 第三章汽车前照灯设计概论 3 1 汽车前照灯反射器的特殊性 汽车前照灯是应用于汽车照明的一种特殊的灯具，前照灯包括近光灯和远 光灯。近光灯是当车辆前方有其他道路使用者时，不致使对方眩目或有不舒适 感所使用的近距离照明灯具；远光灯是当车辆前方无其他道路使用者时所使用 的远距离照明灯具。汽车前照灯作为一种特殊的灯具，不但要满足灯具的一般 要求，还具有其特殊性，这是由于它所应用的照明场所的特殊要求所决定的。 本文着重探讨比远光灯更为复杂的近光前照灯反射器的设计，在此基础 上，设计远光前照灯反射器就相当容易了。 近光灯用于会车时的道路照明，对近光光束的要求有相互矛盾的两个方 面：一个是防止迎面来车驾驶员的眩目要求光束要低、要暗；另一个是保 证良好的道路照明要求光束要高、要亮。汽车前照灯既要照亮汽车前方的 路面和交通信号标志，又不能给对方来车驾驶员造成不舒适的眩光。这就要求 前照灯的光强空间分布满足十分精确的要求。在我国，汽车前照灯的光分布标 准( 强制型标准g b 4 5 9 9 9 4 汽车前照灯配光性能) 是等同于相关的e c e 法 规。近光前照灯的光分布完全不对称。中间是一个高光强区域，以尽可能照亮 前方的路面。光束在水平方向有所散开，以利于辨清路边的情况。在指向对方 来车驾驶员眼睛的方向上光强很小，不产生眩光。在前照灯产生的明、暗区之 间有一条十分鲜明的分界( 截止) 线。对于右行车辆来说，中垂线左侧是一条水 平线，右侧是一条与水平线成1 5 。的向上的斜线。 汽车前照灯设计是随着汽车技术的不断进步，人们要求的不断提高而不断发 展的，汽车技术的不断进步，例如汽车时速的不断提升，要求汽车前照灯制造商 提供强度更高，照得更远的前照灯，而随着造型技术的不断发展，人们审美要 求的不断提高，留给汽车前照灯的空间越来越小，而对其美学造型的要求却越 来越高。这些都给汽车前照灯的设计提出了越来越高的要求，并刺激着汽车前 照灯设计技术的不断发展。 汽车前照灯设计的难点在于光学设计，即采用什么样的配光系统来实现要 求的配光分布。对于汽车前照灯，反射器尺寸与光源j f f l ：k 较而言，不能像一般 反射器那样可以用远场光度学进行计算，必须重新考虑计算方法。汽车前照灯 设计的一对矛盾在于对光强的越来越高的要求，与对眩光的越来越强的控制之 间的矛盾，一方面，车速的不断提升要求前照灯的光强越来越高，另一方面，行车 安全的要求又要求控制汽车前照灯对迎面来车司机造成的眩光不能太高。 投萄甄啦 噼设请复最走学预t 学位诧文 总的来说，汽车前照灯不仅要满足灯具的一般功能，还必须符合以下两条 要求：汽车主动安全性能和汽车造型的要求。汽车主动安全是指汽车防止事故 发生的能力。汽车前照灯性能是其中一项重要指标。也就是说，在前照灯设计 中，要在要求前照灯照得更远更亮和严格的眩光控制之间取得平衡；汽车前照 灯是汽车造型的重要方面。各大车厂的各款新车都有其设计新颖、造型独特的 车灯为卖点。同时由于空气动力学的要求，现代汽车设计更趋向于低轮廓和流 线的外形，因此必然使得汽车前照灯变得更狭长和较多地从垂直面倾斜，而留 给前照灯的空间也越来越小，这些都对汽车前照灯的设计产生了结构上的限 制。 3 2 汽车前照灯的性能指标 近光灯用于会车时的道路照明，对近光光束的要求是相互矛盾的两个方 面：一个是防止迎面来车驾驶员的眩目要求光束要低、要暗；另一个是保 证良好的道路照明要求光束要高、要亮( 如前所述) 。前照灯测量屏幕如 图3 1 所示( 距离前照灯前方2 5 米，屏幕上的尺寸单位：啪) 。 h 一h 2 5 r 投影灯的光学设汁复旦寿笋砑壬学越越卫1 e c er 2 0 对发射非对称近光或远光或远近光，并装用h 4 灯泡的前照灯的配 光性能要求见表3 1 。 表3 - 1e c er 2 0 对前照灯配光性能的要求 测试屏幕上的点照度要求( 单位：l x ) b 5 0 lo 4 7 5 r1 2 7 5 l1 2 5 0 l1 5 近 5 0 r1 2 光 5 0 v6 光 束 2 5 l2 2 5 r2 i i i 区任何点 o 7 i v 区任何点 3 i 区任何点 2 e 5 0 r e m a x4 8 2 4 0 远 h v8 0 e m a x 光 h v 至1 1 2 5 l 2 4 光 h v 至1 1 2 5 r2 4 束 h v 至2 2 5 0 l6 h v 至2 2 5 0 r6 远光灯用于行车时的道路照明，对远光光束的要求是：具有足够大的发光 强度。对于近光灯与远光灯处于同一反射器中，即双丝灯泡提供远光、近光两 种工况的前照灯，还要求远光光束的中心( h v 点) 与近光中心( h v 点) 尽量 重合，远光h - v 点的照度与最大照度的比值应8 0 。 投影灯的光学设计麦童，七学掰士学越甜? 3 3 汽车前照灯的现状和发展趋势 随着汽车前照灯设计技术的发展，人们发展了不同的配光设计方法近几 年，前照灯的配光控制方法正从配光镜方式向反射器方式转变，因此，配光镜 由原来的花纹表面变为平面。在这里，介绍具有代表性的几种配光方法。 1 )抛物面反射器 对于以抛物线绕光轴旋转而形成的抛物面反射器，如果把光源放在焦点 上，照到反射器的光线经过反射，光线沿光轴平行方向发射。光学组件的配光 是灯泡、反射器和配光镜协同作用的结果。灯泡和反射器协同工作的结果形成 了光束，而要使光束转变为规定的配光形式，这项工作就要由配光镜来完成。 在抛物面反射器的配光研究中，主要的研究方法为单元映象法。对于汽车 前照灯来说，复杂的和最重要的是偏离焦点位置的灯丝建立的近光的配光计 算。 为了获得近光，在欧洲采用同轴线布置的纵向偏离焦点位置的直线状白炽 灯丝，在美国则采用与光轴垂直布置的横向偏离焦点位置的直线状白炽灯丝。 2 ) 复合反射面的反射器 反射器是由多个曲面共同形成的，各个反射面可以细分定义为抛物面，双 曲面，椭圆抛物面，双曲抛物面，抛物柱等等，任意组合这些曲面，形成理想 的配光图案。各种反射面具有和配光镜同样的扩散能力，因此，配光镜做成平 面，能防止由于配光镜倾斜而造成配光图案的弯曲变形。 3 ) 自由曲面的反射器 反射器的曲面被定义为：由法线矢量控制的m * n 次曲面，此曲面由c a d 系 统，用参数处理的方法生成，其开发效率非常高。这个曲面的技术特征是：灯 泡内无遮光罩，使用h l ，h 7 ，h b 4 灯泡等与h 4 灯泡同样会有截止线的光形。 以自由面反射器前照灯为代表的现代汽车前照灯在发光原理、结构形式以 及制造材料等方面发生了一系列重大的变化： a ) 光源经历了从双丝卤钨h 4 灯泡发展到单丝卤钨h b 3 、h b 4 和h 7 灯泡的 过程，双丝变成单丝是由于反射器的改变不再允许远光和近光由同一反射器发 出。近年来，在一些高级轿车上开始使用气体放电光源。 投影灯的光学驶计童旦力学黜擎越西卫 b ) 反射器由传统的金属制造的抛物面型发展到热固性塑料( b m c ) 制成的 自由面型( f r e ef o r m ) 反射器。 c ) 配光镜不需要用于扩散的花纹。透镜由原来具有复杂花纹的玻璃配光镜 改为塑料制成的光滑透镜。 图3 2 自由曲面反射器 4 ) 投影前照灯 此前照灯正如名字所表示的，其工作原理与投影幻灯机相同，由反射器， 灯泡，遮光罩，聚光配光镜构成的反射面是纵截面为椭圆，横截面椭圆以及其 他曲线形成的复合椭球面，它是这样的一个光学系统：它的第一焦点是灯泡灯 丝，第二焦点是遮光罩，并且把聚光配光镜的焦点做成与第二焦点一致，因 此，纵截面使光线沿光轴平行扩散，横截面使光线向左右方向扩散，这样能够 获得与以前光学系统同样的配光光形。 其特点是，由于设置在第二焦点的遮光罩消除一部分的反射光而获得的截 止线的投影非常清晰。 并且其优点是由于根据遮光罩的形状而决定截止线，所以，可以很容易的 设计任意的配光光形。 由于配光镜采用了复合椭球面，能更多而有效的利用光线，做成小型化而 高效率的灯具。 投影灯的光学设计麦互五学砑壬笋岔蘑卫 图3 3 投影前照灯 在汽车前照灯不断发展的同时，计算机辅助设计技术被引入到汽车前照灯 的开发设计中，发展了计算机辅助设计软件。计算机辅助设计的一般解决方法 是开发一个人机交互的设计系统，一般是将配光系统划分为几个相对独立的模 块，每一块都有定义其几何特性的参数集，通过对参数的调整可以控制每一块的 几何特性及配光特性，程序运行时，通过从源库取得初始解或者用其他方法计 算产生初始解得到初始的配光系统，然后预测这样的配光系统产生的配光光 形，根据这样的配光系统产生的配光光形与要求的配光光形的差异对配光系统 进行调整，然后重新进行计算预测调整，这样的人机交互的系统的设计结果对操 作者的设计经验有较大的依赖性。 由于投影式前照灯的种种优点，本文着重介绍利用计算机模拟软件，如何 对投影灯进行光学设计以及模拟其光强分布。 3 4 汽车前照灯反射器设计步骤 汽车前照灯的光学设计步骤如下： 1 根据要求确定反射器的尺寸( 长、宽和高即深度) ； 2 选择合适的光源，建立该光源的近场光度学模型；( 对于现在广泛使用的h 系列卤钨光源，应当作线光源考虑。因此把线光源分段，这样每一段可视为 点光源处理。) 3 采用光迹追踪法，计算出预设的反射器产生的配光分布； 4 将上述配光分布与要求的相比较，调整反射器表面的面元取向或分区情况， 重复步骤3 ，计算出新情况下配光； 投影灯的光学设计舅l 盟戈学砑士擎越垃卫+ 5 重复步骤4 ，直至反射器形成的配光符合标准要求； 6 可行性检验，检验反射器表面的连续情况，避免急剧的阶跃。检验物理可行 性，避免因光源热辐射造成反射器表面损坏； 7 生成c a m 数据，制造模具； 8 上线生产反射器。 投影n 觇托单设计复旦| 大学硕士学位论文 第四章投影灯的光学设计 4 1 简介： 近几年，随着汽车工业的发展，投影式前照灯得到了越来越广泛的使用， 特别是用于中高档轿车上。由于投影式前照灯与其他类型的车灯相比，尺寸要 小很多。因此可以很方便的用在a f s ( a d a p t i v ef r o n t l i g h t i n gs y s t e m 自适 应前照系统) 系统上。而且，般投影式前照灯采用h i d 做光源，同时提高了 照明的质量以及舒适度。 投影式前照灯由反射器，光源，挡板和非球面透镜组成，其结构如图4 1 所示。反射面为一个复合椭球面，光源灯丝位于系统的第一焦点处，挡板位于 第二焦点处，灯丝发出的光线经过反射器反射到达第二焦点处时，一部分被挡 板挡住，从而形成明显的截止线，并且截止线的形状由挡板形状决定。因此， 投影灯很容易实现配光形状，可以方便设计各种形状的配光，且形状小，利用 光束较多。 图4 1 投影灯结构 下面我们按照结构的逐介绍。 4 2 光源的建模 般来说，投影灯光源采用h i d ，但是由于h i d 建模比较复杂，所以我 们采用卤钨光源建模，由于投影灯本身混光的特点，所以实际上采用h i d 与卤 钨光源差别不大。 投影灯的光学设计复旦才学砑壬 啦越膏 我们采用的卤钨光源根据h 7 建模的，空间尺寸为长度4 1 咖，半径 0 6 5 咖的圆柱体。表面光分布为朗伯分布。i = i 。s i no ，总光通为1 1 0 0 1 m 。 模型以及相对光强分布如下图： 图4 2 光源模型 图4 3 光源光强相对分布 投锵虹钓光学谖诗复旦天学额士学位论文 4 3 透镜的建模 这里我们所用的透镜为非球面透镜，这是因为共轴光学系统一般来说成 像并不理想，由同一物点发出的光线经过系统以后，出射光线并不聚交于理想 像点，实际光线的交点和理想像点之间位冕的误差就是像差，像差越大，成像 质量越差。 光学设计无论是自动设计还是人工校正，基本上是按如下的过程来进行 的。首先给出一个系统的初始结构，按照要求的物乎面位置和光学特性( 光束口 径和视场) 在整个物平面上选取若干个物点，从每一物点出发计算几条光线，根 据这些光线的象差大小确定系统的成象质量。如果成象质量不能满足要求，则 修改结构参数，重新计算象差。这样不断重复直到满足要求为止。 图4 4 球面透镜产生像差 同一波长的光线通过透镜成像时，出射光线也并不聚交于理想象点。这样 的像差我们称为单色像差。首先我们来讨论轴上点的情形。如图所示，轴上无 限远的物点通过个平凸透镜成像，由物点发出的一束与光轴平行的光线，与 第一个平面垂直不发生折射，进入透镜内部仍为一平行光束。当遇到第二个球 面时要产生折射。我们根据公式计算几条不同入射高度的光线，就会发现它们 的折射光线和光轴的交点到球面顶点的距离引l ，b ：，随入射高度h 的增加 而减小。而且h 越大，l 减小得越迅速。如图中的曲线所示。 在这样的情况下，为了校正球差，就要采用非球面，具体到我们的设计， 是面为平面，另一砸为非球面，这样可以使照明系统孔径边缘的球差为零， 其他口径仍然有球差，但是数量就小了许多。 投融弧镪梵警谖试矍星大学硕士学褪论文 设x 表示非球面的旋转对称轴，y 表示入射光线在非球面上的高度，则轴 对称非球面的截面曲线一般可用下面形式的方程式来表达。 y 2 = “l x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + 一 一一( 4 1 ) 这种表达式在两种情况下比较方便：一是对于二次曲面，到第二项为止， 即严格地表达了曲面形状；二是对于相对口径很大的非球面，逼近得很快，即 高次项为数不多这种表达式的不便之处是，当含x 3 以上项时，给定y 值求解 x 用分析法很繁杂，一般要用逐次逼近法。式( 4 1 ) 中a 只与非球面顶点曲率半 径有关。 实际上在光学系统中，很多情况下使用二次曲面就够了，而且二次曲面在 检验上有他的方便之处，因此从工艺的角度出发希望尽量使用二次曲面。 如下图所示，左边是一个圆心在原点的圆，其方程为： z 2 + y 2 = r 2 一一( 4 2 ) 为： 图4 5 圆的平移 现在将圆沿x 轴移动距离r ，使得圆与坐标轴相切，如图所示。其方程 x 2 2 x r + y 2 = 0 ( 4 3 ) 非球面曲面的母线方程为： ( 1 一e 2 ) x 2 2 只+ y 2 = 0 一( 4 4 ) e 2 = 2 一b 2 ) a 2 ，a 为圆锥曲线的半长轴，b 为圆锥曲线的半短轴。 将上式对x 求导数得： 投影机甑光学设计复里丈学硕士学位埝文 2 ( 1 - e2 肌2 y 筹- 2 ，= o 公式中d y d x 为切线得斜率，用1 i j 表示，则 d y 矗v 以上公式变为： 2 ( 1 一e 2 1 z + m y 一，= 0 一( 4 5 ) 一( 4 6 ) 一一( 4 7 ) 由于边缘光线的位置已经是按给定的要求作出的，所以把球面改为非球面 时，投射点户：的位置和法线方向应保持不变，即y 和m 保持不变。所以对非 球面来说，y 和珈为两个已知的条件。 由公式4 7 解出( 1 - - e 2 ) x 得： ( i - e2 ) x = r - m y 或朴e 2 = 宰 带入公式4 4 ，消去e 2 得 x ( r m y 、+ y 2 2 r y = 0 得到：x = y 2 ( r + m n 一( 4 8 ) 一( 4 9 ) 一( 4 1 0 ) 在公式( 4 8 ) 和( 4 1 0 ) 中，m ，y 是已知的，r 、x ，e 三个来知数中只要确 定其中任意一个，利用公式即可求得其他两个，它们都能保证边缘光线的位置 不变；现在就是要找出能够校正球差的解。 我们利用上述公式，得到非球面透镜，如下图所示： 投影灯的光学设计 复旦，七学研士学篮垃z 图4 6 非球面透镜建模 下面我们来验证一下经过球差校正前后，光线的汇聚情况 图4 7 修正前透镜光路图 投影n 的光学设计复旦大学硬学位论文 2 9 图4 8 修正后透镜光路图 很明显，校正球差之后，光线的汇聚作用有了明显的改善。 4 4 挡板的建模： 相对而言，挡板的建模比较简单，由于投影灯顾名思义是跟投影幻灯机相 同，最后的光型主要是由挡板形成了。所以说挡板的设计要根据需求的光型 来。正如我们前面所说，根据e c e 的规定， 挡板是用来形成截止线的，由于e c e 光型是两种，因此挡板设计也分两 种，一种是为了形成截止线的1 5 度角。如图4 9 所示，图中a = 1 5 。 投影灯的光学设计 复目力学研士擎岔蘸立 图4 9 挡板建模( 1 5 度) 另一种是为了形成4 5 度向上的截至线，他的形状如图4 1 0 所示 图4 1 0 挡板建模( 4 5 度) 在实际得设计工程中，挡板为弯曲得曲面，只是我们模拟的时候，暂时 用平面来代替。 4 5 反射器的建模 反射器建模是其中比较复杂的环，刚刚提到，反射器并不是一个单纯 投黟虹的光学设计复旦大学硕士学往论文 的椭球面，而是复合椭球面。 球面，其方程如下： 事+ 吾+ 事叫口2 6 2 。c 2 其中：b = c , o z a 不 我们的设计方法是，首先建立一个旋转对称的椭 一一( 4 1 1 ) 然后将半个椭球面像切西瓜一样切成大小相同的若干块，如图4 1 l 所 图4 1 1 反射器切分示意图 我们是每3 0 度一分的，一共1 2 块，并编号。然后一块一块的分析他的光 型分布，再进行调整。举第一块作为例子，首先我们单独分析这一块的光型， 使用软件模拟，得到它经过反射以及棱镜折射后的光强分布如下图： 图4 1 2 第一块反射面的光强图 投影灯的光学设计盔_ 量力学砑士学岔蛤膏 3 2 由于e c e 典型的光强分布在水平方向上大概是一2 0 到+ 2 0 度，所以这一 块没有达到扩散的要求，应该做如下调整( 如图4 。1 3 ) ，将其绕y 轴旋转一个 小角度，其光强改变如图4 1 4 ，这样光型扩散的较开。 图4 1 3 调整后的第一块反射恧 图4 1 4 调整后的第一块反射面光强分布 这样逐块的调整之后，最后成型的反射面如图4 1 5 所示，它是轴对称 的，其中第一块与第七快分别绕y 轴旋转了一定角度，这两块主要是扩散照明 范围。而第二块到第六块不移动，这几块是主要的反射面，用于生成热区。第 八块与第十二块需要绕y 轴和x 轴都旋转一定的角度，这两块也是用来扩大照 亮范围的。而第九，十，十一块需要上提，即绕x 轴向上旋转一个小角度，他 们是辅反射面。 投影灯的光学设计舅望力：；昔癣壬毕岔趋卫+ 面 距。 图4 1 5 调整后的反射面 最后，我们得到的投影灯系统如下图所示，在二维图上标明了光源，反射 挡板以及透镜的相对位置，其在z 轴的坐标分别为在z l ，z 2 ，z 3 。 图4 1 6 光源，反射面，挡板以及透镜相对位置 其中：z l ：口一厨 z 2 = 口+ d 2 6 2 z 3 = n + 而+ 一( 4 1 2 ) 一( 4 1 3 ) 一( 4 1 4 ) a 和b 为椭圆反射器的半长轴和半短轴，f ，。为非球面透镜的焦 投影灯的光学设汁复虽a 笋饼士学醇蘑卫 4 6 模拟效果： 我们利用软件，模拟了我们设计的光学系统，最后得出光强的分布图如下 从图中可以看出明显的截止线以及1 5 度角，当然要达到e c e 的标准仍然需 要迸一步的调整。投影灯的技术难点在于他的截止线是靠挡板形成的，因此它 的截止线过于明显，导致一些点的照度值无法达到e c e 的标准，这些都是设计 中要考虑的。 图4 1 7 光强分布图 投影灯的光学设计复旦走学研士擎岔礁玄 第五章对反射器的改进 5 1 对反射面的第一次改进 上章我们初步设计了投影灯的各个光学结构。从最后的模拟光型来看，虽 然大体与标准差不多，但是具体还是有一定差距的，首先光型分布的不够散。 同时由于我们反射器设计每个面比较分离，所以也不适合开模，因此这种反射 器也不现实，所以我们对反射器做了进一步的修改，提出了另外一种方法。 因此我们需要对首先我们对之前的反射器做一下光学分析，其光路如图： 图5 1 反射器光路分析图( 水平) 投影灯的光学设计 宣旦力学缉i 1 擎岔赶业 图5 2 反射器光路分析图( 竖直) 我们从水平方向分析光路，可以得出调节左右两边两块反射面的目的是为 了光在水平方向上发散的更开。从垂直方向上分析，第二到六块反射面保持不 动，将第九，十，十一块反射面上抬，是为了让光线基本上都通过挡板，避免 出光损失。那么如果我们选取合适的椭圆曲线，作为反射面的轮廓线，再用曲 面将轮廓线连接起来，这样的反射面从理论上说，光型跟之前的差不多，但是 反射面会成为一个光滑的曲面，方便开模。 我们的设计思路如图5 3 所示。首先，我们确定光源以及挡板的位置，光 源放置在z = 1 5 唧处，挡板放在在z ：= 7 0 唧处。透镜则放在z a = 1 0 0 m 处。 投影灯的光学设计复童丈学须士学出落艾 图5 3 光源，挡板反射器位置示意图 图5 4 轮廓曲线示意 我们利用四根轮廓曲线来定义整个反射面，他们都为椭圆曲线，我们需要 定义他们的两个焦点。首先我们看最上面的根，由于要保证所有的光线穿过 投影婀啦竞学设计复盟大学瑚学位论文 挡板，根据光线的边缘原理，我们只要考察灯丝两端发出的光线即可。光源的 位置是在z = 1 5 m m 处。由于光源长度为5 m m ，所以相当于从1 2 5 到1 7 5 。于 是我们就分析1 2 5 和1 7 5 这两点。如图所示，只要我们把曲线的双焦点定在 1 7 5 和7 0 处，这样根据椭圆曲线的光反射规则，1 7 5 处发射的光线，必然经 过7 0 点，而1 2 5 处发射的光线，经过反射，与z 轴交点一定大于7 0 ，这样， 中间的光线介于两条边缘光线之间，全部都可以通过挡板。 同理，我们分析最下端的轮廓曲线，同样也是要保证所有光线穿过挡板， 所以我们选择的椭圆曲线，焦点为1 2 5 和7 0 ，这样从1 2 5 发出的光线经过7 0 这一点，而1 7 5 点发出的光线反射与轴的交点座标小于7 0 ，如图所示。这样 正好保证所有光源发出的光线正