（机械电子工程专业论文）多曲面反射体前照灯配光设计及误差分析.pdf

摘要 本文系统介绍了与汽车前照灯配光相关的光度学理论，及前照灯系统和标 准。在阐述和比较传统前照灯配光原理的基础上，详细探讨了多曲面反射体汽车 前照灯的配光原理。多曲面反射体前照灯与传统车灯的最根本的区别在于其配光 是由多曲面反射体完成，该反射体不再是简单的二次曲面，而是由多块曲面组成， 曲面的面形可以是任意的，而配光镜代之以光滑透明的透镜。采用这种反射和配 光一体的分析方法设计的前照灯具有体积小重量轻，表面晶莹剔透，光能利用率 高，空气动力学性能好等众多优点。 本文提出了一套多曲面反射体配光设计的技术路线，详细分析了多曲面反射 体在建模过程中基形的建立和反射体上功能区域的划分，探讨了照度的计算方法 及光形的显示问题，实现了对实际道路照明情况的模拟，根据国家的配光标准， 通过配光方案完成对多曲面反射体的设计。本文研究了影响多曲面反射体汽车前 照灯配光性能的各种误差，给出了一些改进方案。在分析制造误差的过程中，建 立了反射体的均匀加厚模型和水平放置模型。基于以上思想和方法，本论文在 v c + + 6 o 环境下编制了多曲面反射体c a d ( m r c a d ) 原型系统。该软件的开 发对多曲面反射体汽车前照灯的配光设计进行了有益的探索，为进一步的研究奠 定了基础。 关键字：多曲面反射体配光车灯设计 浙江工业大学硕士学位论文 a b s l l t a c t a b s t r a c t t h ep h o t o m e t i 了l m k e dw “hi 酿h td i s t r i b u t i o no fa u t o m o t j v eh e a d l a m p ，a n d h e a d l a m ps y s t e m s a n ds t a n d a r d sa r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r b a s e do n a d v a n c i n 叠a n dc o m p a r i n gt h ep r m c i p l e o fl i 曲td i s t i 噎b u o no ft l a d i 伽n a l h 姚d l a m p t h ep r i n c 岫i eo f h td i s t r i b u 6 帆o f m u m 巾矗t c hr e n e c t o ra u t 哪。晰e h e a d l 柚pn 讧ra l i ) i sd i s c u s s e da b o u t t h ei n h e r e n td i s t i n c d o nb e t w e e nm r a h a n dt h et r a d i t i o a lo ei st h a tm el b m e rd i s 们b u t e sn 曲tb | yai 、e f i e c t o rt h a t c o n s i s t so fm a n ys u r f h c e sa n dt h e i rs h a p e sa r el _ a d o m ，n o tas i m p i ec o n i o o i d i t s l i g h t d i s t r i b u 矗o nl e ni si p l a e e dw i t has m o o t ht l 翟n s p 叠”髓i to r d i a 1 7o n e t h e d 船i z n e dm 吸a ha d o p t e dt h i sl i 霉血td i s 打i b u d o na n dr e n e c t 沁ni naw h o i eh 淞 m 且n ya d v a n t a g 瞄，s u d h a ss m a i l v o l u m e ，l i g h t ，d e a rs u r f h c e h i g hp o w e r u t i i i z a t i o na n dh 堙hp e r f b m a n c eo f 量e l o l i y n a m i c s a t e c h n o i o g yr o u t ef o rt h eh g h t - m s t r i b u t i o nd 鹳堙no fm u m - p a t c hr e f l t o r i sa d v a n dj n 也ep a p e lt h e 髂t a b 也i h m e n to fb a s i c 墨h 8 p ei 咀dp 矗l - t i t i 蛆n f f u n c 右o n 代西o n si sa n 曩l y 黯dd i i r i n 卫t h ee s t a b u s h m 蛐to fr e f l t o rm o d d t h e c a i c u l a t i n gm e t h o do f 订l u 脚i l 训o na n ds h o wo fl 堙h ts h a p ei sd j s c u s s e d ，a n d a 咖a ll i g h t i n gc o d i t i o nb i 珊i 切e d a c c o i i d i g t oc o u n h l ys 衄n d a r d ，t h ed 姻i g no f n n t o ri sc o m p i 曲mt h m 曲吐g h td i s 咖6 0 np r o j e 随柚ik i n d so fe 肿璐 i n u e c i n gh 互h tm s t r i b u 6 0 np 盯f o m a n o fm i u ha nr 鼯e 叠n h e da n ds o m e m o d i l i e dp m j e c t s 叠n g i v e n i m e p a p e l t h e e q u a lt h i c k n 伪s 啪d d 矗n d t h el e v d p l a c 唧e n tm o d e l0 f 件灿k t o r 曩n 姆t a b h e d i nt h ea m b s i s 帅ni m 8 丑u f a 砖u r i n 玉b 8 s e do n 也ea b d 也o u 曲t s 粕dm e t h o d s i 珏曲ev c h 6 。o e 州i r o n m e t ，am u i t i p a t c hr e f i e c t o rc a dp r o t o t y p es y 3 t e mi sd d v d o p e d t h e d e v e l o p m e n to ft h es o n w a i td o e sb e n e n c i a ls t u d yt ot h eh g h td b 锄t i o nd e s i g n o f m 丑蛐a n de s h b l 虹h e st h ef b i u 瞳d 州o nt of h n h e rr e s e a r - c h k e y w o r d ： c a r l 蛐pd 档i 驴；l i 咖t 曲埘b u t i 0 ；m u l 6 - p 甜c h 咖t o r i i 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 随着汽车工业的发展，各种款式的轿车不断推陈出新，对汽车灯具设计的 要求也越来越高，不仅要求开发的灯具效率更高，质量更好，而且要求缩短新灯 具开发的周期，尤其是前照灯系统。而且现代汽车发展的主要趋势是高速化、高 性能化两个方向。出于空气动力学和造型学的考虑，汽车前部低且呈流线型，这 样能使安装汽车前照灯的高度越来越低。但由于车速的提高，对汽车前照灯光学 性能的要求也更高。配光技术就显得尤为重要。前照灯的配光任务由反射体和透 镜两部分共同完成，目前有两种不同的形式： 第一种形式：传统的是透镜承担主要的配光任务，而反射体只是比较普通的 旋转抛物面、抛物柱面、椭球面等，只起反光作用，此时的透镜通常称为配光镜， 称之为折射配光。 第二种形式：由反射体实现配光要求，而透镜只起保护作用，称之为反射配 光。 无论是折射配光还是反射配光，承担配光任务的光学元件都具有相当复杂的 面形，由很多块不同面形和倾斜角度的透镜面或反射面构成，以达到标准规定的 配光要求。 折射配光的特点：传统的单一抛物面反射体加配光镜的前照灯， 灯具的整 体很大( 不然无法配光) ，车灯外形随汽车造型变化时，将严重地破坏标准要求 的配光分布，因而制约了机动车的外型设计，尤其是轿车。折射配光的配光镜 起主要的配光作用表面有功能性花纹，因此光能的利用率不高；当配光镜倾 斜时，其透光率将会减小，故倾斜角不能超过3 0 。 反射配光的特点：前面的透镜只起保护作用，因此其外形可灵活设计。这种 新型车灯便于根据外形设计反射体，提高光能利用率，减少体积减轻重量，给轿 车整体造型以更大的灵活性。 因此相比之下，后者具有明显的优势。 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 多曲面反射体汽车前照灯采用反射配光，将反射与配光功能一体化，即把配 光功能部分或全部交由反射体来完成，解决了配光镜在设计和制造中一系列难以 解决的问题，使配光镜的倾斜角高达6 0 。，反射体的垂直高度降到6 0 蛐以下。 反射体采用注塑成形，工艺不复杂。而且，传统的配光镜由光滑透明的薄透镜代 替后，这样既可以减少配光镜光能的损失，又能产生清晰感，光亮度也有所提高。 其外形也更加符合空气动力学的要求。 因此，研究多曲面反射体汽车前照灯的配光技术，开发高效的多曲面反射体 前照灯，是目前轿车高级前照灯发展的一个必然趋势。 1 2 传统汽车前照灯的配光原理 传统的汽车前照灯主要由光源、反射体和配光镜三部分组成口q ( 如图1 一l 所示) 。 图1 1 传统汽车前照灯的结构 l 一光源，2 一反射体，3 一配光镜 传统汽车前照灯的配光采用折射配光。配光镜的光学设计主要是采用经验和 大量的实验：在设计配光镜时，首先把经反射镜发射的光线近似为平行光，然后根 据经验确定由反射镜某一区段建立的光斑应转位或拉长到何一角度，计算为此目 的而采用的棱镜的顶角或相应透镜的曲率半径。对于棱镜有经验公式( 1 ) ： 占+ 口 s l n _ 珂：上( 1 ) s i n 旦 2 其中n 为棱镜玻璃的折射率，e 为光线所需偏转的角度，o 为所求棱镜的顶 苎垡生曼些茎型兰竺兰兰 蔓= 童堡垒 角。为了进行用于扩大有反射体相应区段所建立的光斑的平面圆柱透镜的尺寸计 算，可以采用以下经验公式( 2 ) ： 月：些筹业 ( 2 ) 2 s i n 口 其中： r 透镜圆柱面的半径 b 透镜的宽度 e 要求光束应扩大到何种程度的角 n 透镜即配光玻璃的折射率 由于汽车前照灯的灯丝位于抛物面焦点前方远离焦点的位置，所以光线经反 射体反射后出射的光线并非平行光，而是稍微向下的汇聚光线( 如图1 2 所示) 。 因此采用这种方法设计的配光镜都需要经过不断的修改和大量的实验才能使配 光达到要求，这需要花费大量的人力、物力，耗费大量的材料，增加设计的成本。 会交时灯丝( 近光) l 、 一 弋一 一鼻、1 丝( 远光) 图1 2 传统双灯丝汽车前照灯反射体系统 1 3 多曲面汽车前照灯的配光原理 多曲面反射体，又称分片曲面反射体、自由曲面反射体，其含义是反射体由 若干曲面片组成，曲面片的面形可以任意。由于每一片的曲面形状和位置可以调 整，因此配光过程中，光源发出的光经曲面片反射后在配光屏幕上得到映像的光 强和位置可以根据光学数值计算得到，从而得到需要的反射体配光面形。这种反 射与配光一体的分析方法基础是光学数值分析模型的应用。国内的论文一般采用 分片抛物面进行多曲面反射体的光学计算分析，方便简单但面形受到限制，造 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 型不尽理想。随着计算机辅助设计和加工成形工艺水平的提高，多曲面反射体的 实现成为可能。 本论文采用结构分析中有限元分析的原理与思路【3 删，将曲面片划分为一定 数目的反射有限单元，对每个反射单元运用透视变换理论，迭加后即得曲面片的 反射面形分布。这种模型称为光学数值分析模型。该模型的优点是适台多曲面、 精度理想、程序容易实现。 多曲面反射体的配光方法的基本原理是：反射体由复杂的反射面构成，而这 种复杂的反射面由许多小面元组成的，这些小面元之间有平滑的过渡面来衔接。 灯丝发出的光经过各个小面元反射，反射光线经过透镜后在屏幕上迭加形成前照 灯光形。该光形是灯丝发出的光经过反射体反射而产生的灯丝影像的总和。 1 4 国内外多曲面反射体汽车前照灯的发展现状 鉴于多曲面反射体前照灯的优越性能，日本在数年前已着手多曲面汽车前照 灯的设计，并开发出相应的产品。美国对于多曲面汽车前照灯的研制起步较晚， 但由于其拥有强大的光学技术力量，很快赶上并超过了日本f 5 q 孵。 随着c a d ，c a m 技术的成熟，美国、日本和欧洲的专业车灯公司己先后研制 出专用的车灯配光软件，能够根据车体外型和照明要求分析设计出多曲面反射 体的最佳曲面形状，然后采用机械c a d ，c a m 软件设计模具，完成模具曲面加 工，这样就大大提高了多曲面反射体的开发效率。 相比之下，我国有大小车灯生产企业二百多家，其中一些大中型企业也具备 自由曲面模具的加工能力，但缺乏多曲面反射体车灯的设计能力及相关的制造技 术，少数几个合资企业只能根据国外的设计资料生产多曲面反射体车灯。发达国 家的车灯行业对其配光设计方法严格保密，专用软件不让转让或费用昂贵( 达数 百万美金) ，构成事实上的技术封锁。为此，复旦大学、中国机床总公司、上海 理工大学等单位曾对多曲面反射体汽车前照灯的计算机辅助设计进行了一些初 步的探讨【“2 。这些研究均与实用尚有较大的距离。目前国内的车灯企业在开发 多曲面反射体前照灯时，通常的做法是对国外产品进行测绘和反设计，这从知识 产权角度来看对我国汽车行业开发自主车型十分不利。 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本论文的研究目的和意义 多曲面汽车前照灯是目前国际上最为流行的一种汽车车灯。这种车灯与传统 车灯的最根本的区别在于其配光是由多曲面反射体完成，该反射体不再是简单的 二次曲面，而是由多块曲面组成，而配光镜代之以光滑透明的透镜。它具有体积 小重量轻，表面晶莹剔透，光能利月率商，空气动力学性能好设计灵活等众多 优点。日、美等国旱在数年前己着手对这种车灯的研究，并开发出相应的产品。 而我国的汽车工业起步晚，技术比较落后，对多曲面反射体前照灯的研究尚处于 初步探索阶段，虽在多曲面反射体配光的理论计算研究中取得了一定的进展，但 还远未达到实用阶段。因此本课题的开发研究对多曲面汽车前照灯的国产化具有 重要意义。 1 6 本论文所傲的工作 根据论文各段工作的特点及内容，本论文的主要工作可分为七个部分： 第一部分工作是：理解并掌握光度学的基本概念。 具体工作： 理解并掌握辐射通量、光通量、立体角、发光强度、照度、亮度等概念。 第二部分工作是：理解汽车前照灯系统的结构及其标准。 具体工作： 理解欧、美两大汽车前照灯系统的组成及其各部分的功能。 理解汽车前照灯系统的结构标准。 理解我国的配光标准。 第三部分工作是：建立反射体模型。 - 具体工作： 研究反射体的基形。 研究反射体上功能区域的划分。 第四部分工作是：照度计算。 具体工作： 掌握光通转移法 掌握多边形域的填充 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 掌握逐点计算法 第六部分工作是：光形显示。 具体工作： 研究着色方式 研究等照度曲线的绘制原理 第七部分工作是：多曲面反射体配光方案 具体工作： 研究调整区域的方法 研究区域微调的方法 第八部分工作是：误差分析。 具体工作： 设计误差分析 制造误差分析 第八部分工作是：m r c a d 原型系统的实现。 具体工作： 在上述六部分工作的基础上，用v c + + 的m f c 类库和0 p e n c 也图形库 编写多曲面反射体计算机辅助设计( m r c a d ) 原型系统。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 第二章多曲面反射体配光设计的基本概念及理论 本章将详细介绍与多吐面反射体配光设计相关的光度学的基本概念，及两大 汽车前照灯系统及结构和配光标准，为后续章节的研究奠定了基础。 2 1 光度学的基本概念 可见光在电磁辐射中只占很窄的波段。光度学是讨论可见辐射的传播和测 量。光度学所用的单位是以人眼的响应为基础的。本节将介绍光度学中一些常用 量和相应的单位 1 5 1 。 。 1 辐射通量 单位时间内通过任何面积的电磁辐射能量称为辐射通量或辐射功率。其符号 为中。，单位为w ( 瓦) 。它是为描述不同辐射体的辐射能量情况而引入的物理 量。任何物体的辐射都是各种波长的波的组合，而每种波长的辐射通量又可能不 同，因而辐射物体总的辐射能量是各种波长的辐射通量的总和( 如图2 1 所示) 。 掣 j 一趴| | 丑丑+ d 丘 如 三 图2 1光谱辐射通量与波长的关系示意图 设吼为波长附近间隔的光辐射通量，则定义： 舻鲁 为波长兄处的光谱辐射通量，则从波长 到如范围内的辐射通量 纯可表示为： 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 纯2j l m 全部波长范围内总的辐射能量为 = p 碱 2 光通量 由于视觉函数的作用，不同波长的辐射对人眼的刺激强弱是不同，辐射能量 中能被人眼所感受的那部分称为光能量，辐射能量中由v n ) 折算到能引起人眼光 刺激的部分辐射通量称为光通量，以p 表示。光通量的单位为流明( 1 1 1 1 ) 。 在很小的波长范围内，光通量为 = 吼v 0 弦。 对全部波长范围有： 妒= r 0 k 3 立体角 将任意一个封闭锥面所包含的空间部分称为锥面顶点处的立体角，以u 表 示。 以立体角顶点为球心，作一半径为r 的球面，用此立体角的边界在此球面上 所截的面积d s 除以半径的平方来表示该立体角的大小( 如图2 2 所示) 。 y 图2 2 立体角的定义 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 单位是球面度( s r ) 。 以坐标原点为顶点，r 为半径作一球面，球面上一块小面积对o 点张成立体 角为d 。( 如图2 - 3 所示) 。 如：亨= 芝墼“n 啉 图2 3 立体角d 示意图 当覆盖面积为整个球面时，立体角为4 。 4 发光强厦 设有一点光源p ，在某一方向对任一面元所张的立体角为“，单位为呱球 面度) ( 如图2 叫所示) 。如通过这面元的光通量为d 妒，则点光源在这方向的发 光强度为 ，：立 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多曲面反射件设计的基本概念及理论 气 _ 卜一 d 口 图2 4 发光强度的定义 单位埃德拉( c d ) 是国际单位制( s i ) 中七个基本单位量之一，定义为对应 于空气中5 5 5 慨波长的单色光辐射，在给定方向上的辐射强度为l 6 妒西一1 ) 时，该光源在该方向上的发光强度为l c d 。 5 照度 当光通量到达一表面时，这表面即被照明。如果在面上取任一面元九，而到 达这面元的光通量为d ，财以与比之t b 称为这面元的照度，即 e ：生 幽 照度的单位为勒克斯( 1 x ) 。 与照度有关的两个定律： a 、平方反比定律： 由点光源形成的照度与该光源在一定方向上的发光强度成正比而与该点 到点光源的距离平方成反比。 b 余弦定律： 物体表面上的照度与光线入射角的余弦函数成正比。 以上二定律的数学表达式： 五：三c o s 占 ， 其中： i 发光强度 r 点光源到被照平面的距离 口被照面元法线与入射光线的夹角 浙江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 6 亮度 亮度是光源在垂直辐射传输方向上单位光源表面积，在单位立体角内发出的 辐射通量。亮度的单位为坎德拉米2 ( c d m 2 ) ，如图2 5 所示。 一2 2 1 欧、美两大前照灯系统 由于人们在防眩目这一课题中尝试了各种不同的方法，逐渐形成了欧洲系统 前照灯和美国系统前照灯两大系鲥。 欧、美这两种前照灯系统，灯泡的差异在于灯丝的形状和位置：而配光镜的 差异则在于折光单元的图案和计算的不同。 1 ，欧洲前照灯系统 欧洲系统前照灯中，其灯丝的结构如( 图2 6 ) 所示： 浙江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射件设计的基本概念及理论 图2 6 欧洲系统前照灯灯丝结构 l 一主灯丝，2 一近光灯丝，3 一遮光罩 远光主灯丝1 放置于反射体光轴上面的焦点上。因此，主灯丝产生的光通量 被抛物面反射体反射成与反射体光轴平行的微弱散射光束( 如图2 7 所示) 。近 光灯丝2 放置于主灯丝前方，略高于反射体光轴井与之平行，灯丝的下方设有一 个遮光罩3 ，防止近光灯丝的光线落在反射体的下半部分形成上倾的光束。因此 近光灯丝的光线只落在反射体的上半部分，再被其反射成下倾光束而不射入迎面 汽车驾驶员的眼睛里( 如图2 8 所示) 。欧洲类型双丝灯泡的最为显著的特点 是：近光时，在垂直配光屏上，明区和暗区之间造成了明显的水平和从左侧倾斜 1 5 。的明暗截止线。近光光束的明暗截止线只在屏幕的右半部分里1 5 。角向上 延伸，从而保证了对路面左侧建立更好的照明。 图2 7 远光灯丝光线的传播 图2 8 近光灯丝光线的传播 浙江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 2 美国前照灯系统 美国前照灯系统中，其灯泡的形状如( 图2 9 ) 所示 l 一远光灯丝，2 一近光灯丝 图2 9 美国系统前照灯灯丝结构 l 么止 厶f钍 嘏e i 、 渤 毹 一 ， i 、i 、 n 图2 一1 0 b 图2 一1 1 远光灯丝光线的传播近光灯丝光线的传播 远光灯丝1 和近光灯丝2 的形状和尺寸都是一样的，而且相对灯丝轴线的布 置采取对称并排布置，灯泡底座相对于反射体的轴线略微偏移，使得灯泡在装入 前照灯以后，下灯丝可以置于反射体的光轴上的焦点上，用于远光照明( 如图2 1 0 所示) 。供近光用的上灯丝位于主灯丝的上方且在焦点以上，近光灯丝的光 线在反射体上的入射角与远光灯丝的光线的入射角相比是变换的。这样，大部分 光线，即近光光束的核心部分是向下倾斜射出的，但光束本身已扩散削弱( 如图2 一1 1 所示1 。美国近光系统中就没有明显的明暗截止线，屏幕左半部的发光强度 要 浙江n 丁业火学硕士学位论文第二章 多曲面反射体设计的基本概念及理论 降低很多，暗区至亮区采用渐变的方式。 这两种系统，虽然用途和作用都相同，但其解决问题的侧重点不同。欧洲近 光系统追求的目标是最大限度地降低射入迎面车辆驾驶员眼睛里的眩目的发光 程度。而美国近光系统首先要解决的任务是如何更好、更远地照亮道路。明暗截 止线明显的欧洲前照灯系统只有在造成汽车车身的振动很小的平整道路上行驶 时才能发挥良好效果。在坎坷不平的公路上，汽车的颠簸将导致前照灯在路面上 的光斑产生不停顿的跳跃，即使迎面无车辆驶来，驾驶员的眼睛也会出现一定的 视觉疲劳。而无明显明暗截止线的美国前照灯系统对于不平道路的敏感性却低很 多。结合我国的道路状况，我国前照灯系统使用的是欧洲前照灯系统e c e 系统 前照灯。 2 2 2 汽车前照灯的结构标准 汽车前照灯分为两灯制( 左右各一) 和四灯制( 左右各二) 两大类型。两灯制使 用的是双光束灯，即近光灯丝和远光灯丝放在同一灯泡内。四灯制使用的是单光 束灯，灯泡中只有一种灯丝。由此可见，当调整前照灯在车辆上的安装位置以满 足光束投射位置的要求时，两灯制的前照灯只能按一种光束进行调整，另一种光 束则随之而定。两种光束不能分别独立调整，按近光进行调整。只有四灯制的前 照灯才能分别对近光和远光进行调整。目前，绝大多数车辆，尤其是小型的普通 轿车均采用两灯制。鉴于同一灯泡内两灯丝间的相对位置精度过于严格，当前的 灯泡制造工艺很难保证这一要求。因此，也就难以保证经近光调整后远光的照射 位置的合格率，这也就是为什么出现四灯制的重要原因。然而，在实际的四灯制 中，很少采用单光束近光灯，通常由两个双光束灯和两个单光束远光灯所组成， 这样做主要是为了扩大远光的照亮区域。但为了消除双光束灯的远光照射位置偏 差可能过大的影响，有意降低了此种双光束灯中远光的发光强度，即采用较小的 灯丝功率。 2 2 3 我国的配光标准 我国的路况与欧洲相似，因而基本上采用e c e 标准( 欧洲配光标准) ，并在 此基础上结合我国的国情，制定了自己的配光标准： 汽车前照灯配光性能 g b 4 5 9 9 8 4 汽车雾灯配光性能 g b 4 6 6 0 一8 4 断江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 汽车及挂车转向信号灯配光性能 g b 4 1 3 l 8 5 前照灯配光标准中所用的名词和术语 1 ) 配光 根据车辆行驶要求所设计的光分布。 2 ) 近光 交会车或尾随其它车辆时使用的近距离照明光束。 3 ) 远光 前方无来车或不尾随其它车辆时使用的远距离照明光束。 4 ) 配光屏幕 测定灯具配光性能所需的屏幕。 5 ) 明暗截止线 灯光投影到配光屏幕上，眼睛感觉到明暗陡变的分界线。 6 ) 基准中心 指反射体表面中心。 7 ) h v 点 过基准中心水平线到灯前配光屏幕的垂足。 8 ) h _ h 线 在配光屏幕上过h v 点的水平线。 9 ) y 一矿。线 在配光屏幕上过h 点的垂直线。 前照灯的配光性能应使其远近光均有良好的照明，且近光不眩目。其铡定方 式在前照灯基准中心前2 5 m 处，过h v 点的垂直配光屏幕上测定。 图2 1 2 是标准g b 4 5 9 9 。9 4 中右行车在暗室内测试灯具的配光屏幕图，其 在道路路面上的意义如图2 1 3 。 浙江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 1 5 0 0 瀚蓬淤蕊 ， 盘涔 囊 h ，、雾、髟斗， 一，爨 一一 宾 一蛰 ；每零z澈 譬 ! 二二孽搿聊采拇。州。 薯 i f f g 图2 1 2g b 4 5 9 9 9 4 前照灯配光屏幕图 g 图2 1 3 道路透视图 在图2 1 2 中，垂直线v 。v 相当于右侧车道的轴线，而直线h g 和h g 以透视法表示右侧车道的边线。直线h f 表示左侧迎面车道外边线，直线7 代表左侧车道的中线。因此直线h g7 也表示整个路面的轴线。h h v h 3 为 屏幕上的明暗截止线，上部为暗区，下部为亮区。( 注意：该图并不表示前照灯 装到车上后调整好的照射位置，在该标准中把照射位置的调整称之为“照准”) 。 它所反映的只是近光的光形和照度的测定点。测量时一基准中心距屏幕2 5 m ，将 灯具的基准中心与屏幕上的h v 点调至同一高度，并使通过前照灯焦点的基准轴 浙江工业大学硕士学位论文第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 线与屏幕基本垂直然后微微向上转动前照灯，使其产生的明暗截止线与屏幕上 的明暗截止线重合，便可进行近光配光( 照度分布) 测量。标准将近光照射的屏幕 划分为i 、i i 、i 、四个区域，每个区域都有规定的照度要求。另外，还规定 了若干特定测试点的照度。这些坐标点被冠以b 5 0 l 、7 5 r 、7 5 l 、5 0 r 、5 0 l 、5 0 v 、 2 5 r 、2 5 l 等名称。其中，b ( b l i n d ) 表示相对行驶车辆司机的眩目点“l e 呦表示 在灯具中心的左侧，r 鳓表示在右侧，数字表示在以灯具为点光源的透视图 中距离的米数，意思是屏幕测试点的照度与透视图中该距离处的照度等效。只要 屏幕上的照度限值符合表1 的规定，则认为灯具的近光配光合格。测试远光时， 必须令基准轴线严格垂直于屏幕，使光形完全对称于h v 点。即“以光束最亮区 域对准h v 点”。远光配光的照度测定点只需在以h v 为中心的水平线h h 上 对称取两组点进行测量，满足表2 中的极限照度值，便认为灯具的远光配光合格 【4 】。 各主要检查点和各区的含义： b 5 0 l ：代表约5 0 来距离处迎面汽车驾驶员的眼睛位置。 5 0 l 和7 5 l ：表征约5 0 及7 5 米距离处的车道左边照度。 5 0 r 和7 5 r 表征约5 0 及7 5 米距离处的车道右边照度。 2 5 l 和2 5 r ：表征距离汽车前面约2 5 米处路边的照度。 区：明暗截止线以上的区域是产生目的危险区域，所以对于此区域屏幕的 最高允许照度规定很低。 区：路面照明区，对此区域规定了测试屏幕的最低允许照度。 i 区：路面附近的区段( 距离汽车前面1 0 2 5 米的区段) ，此区域规定了最 高允许照度，以便避免附近路段的亮度过大而与较远路段产生过大的 亮度对比。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多曲面反射体设计的基本概念及理论 表1近光配光的照度极限值 单位：勒克斯( 1 x ) 测试点或测白炽前照灯卤钨前照灯 试区域 最大值最小值最大值最小值 b 5 0 lo 3o 3 ，0 44 7 5 r61 2 7 5 l1 2 5 0 r61 2 5 0 l1 5 5 0 v6 2 5r1 s2 2 5l1 s2 区任何点 o 7o 7 区任何点 23 i 区任何点 2 0 2 乓+ 单光束为0 3 ，双光束为o 4 。 + e 为5 0 r 实测照度。 表2远光配光的照度极限值 单位：勒克斯( 1 x ) 测试点或测试区域自炽前照灯卤钨前照灯 最大值最小值最大值最小值 最大照度e m a ) 【3 22 4 04 8 h v 点o 9 e m 强o 8 e m a x h v 点至1 1 2 5 l 和r1 62 4 h v 点至2 2 5 0 l 和r 46 测量距离为2 5 l n 时：l 勒克斯( k ) = 6 2 5 坎德拉( c d ) 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面反射体前照灯配光设计 第三章多曲面反射体前照灯配光设计 本章将详细介绍多曲面反射体前照灯配光设计的技术路线：通过对灯泡和反 射体建模，计算光形和照度，从而显示出光形，最后通过配光方案对多曲面反射 体区域进行调整，直至配光分布达到国家标准。 配光设计的基础是对前照灯系统进行建模。模型化了的汽车前照灯系统如图 3 l 所示。它是由光源1 ，反射体2 ，配光屏3 构成的。 图3 1 前照灯照明系统 3 1 灯泡模型的建立 要设计一个汽车前照灯，首先必须模拟光源的空间配光分布，即必须先建立 光源模型。有了正确的光源模型，才能根据e c e 标准对近光配光的要求设计反 射体。h 4 卤钨灯是符合欧洲系统的汽车前照灯配光标准，为现代汽车普遍采用 的双丝灯泡。其结构如图3 2 所示。 旦坚三! ! ! 堂堡主兰堡堡苎 苎三里童些亘垦墅笪垫璺堑墅垄堡苎 图3 2h 4 卤钨灯的结构 远光主灯丝置于反射体上面的焦点上。近光灯丝置于焦点的前面，略高于光 轴并于之平行。近光灯丝下方是遮光罩使得近光灯丝的光线只落在反射体的上半 部分反射成下倾光束。 灯丝的划分方法有三种方法f 1 3 ： 1 线形分割 2 柱形分割 3 螺旋模型 3 2 反射体基形的建立 反射体是一个重新分配光通量的器件，它将光源辐射的光通会聚于有限的立 体角内，从而建立起很高的发光强度。由于汽车前照灯的光形分布不均匀，因此 其反射体并不是一个规则的反射面。有的汽车前照灯采用修正过的抛物面发射体， 然后通过配光镜来实现空间配光的要求：有的汽车前照灯干脆不用配光镜，而直 接采用不连续的曲面来达到要求。本文采用光学数值分析模型。该模型的优点是 适合多曲面、精度理想、程序容易实现。 多曲面反射体的建模过程，分三个步骤： 3 2 1 构造基形 本文考虑抛物面反射体，一方面由于其结构简单，便于计算：另一方面是由于 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面反射体前照灯配光设计 根据抛物面反射体计算的结果在一定程度上也能反映汽车前照灯的配光分布。 有三种抛物面： 1 )旋转抛物面+ ：2 z 其中p ：窖； pq 2 )椭圆抛物面+ ：2 z pq 3 )双曲抛物面+ ：2 z pq 根据实际情况产生反射体基形。 其中p 0 ，口 o ，p g ； 其中p o ，g o ，； 3 2 。2 划分区域 在反射体上划分功能区域，这一步对反射体的设计至关重要。区域是反射体 调整的单位，无论是直接调整反射体还是根据光形分布调整反射体，均作用在反 射体的区域上。该方法设计灵活，可以按需配置区域，从而设计出需要的多曲面 反射体。 多曲面反射体的设计方法灵活，便捷。多曲面反射体由一个复杂的曲面构 成，而这个复杂曲面由若干个区域组成。这些区域与2 5 m 远处配光屏上的光斑 相对应，可以通过调整区域的位置得到不同的光斑，或通过调整光斑得到已变换 位置的区域，直至符合要求。研究多曲面反射体功能区域的划分对于更快更好的 设计出符合要求的多曲面反射体意义重大。 无论是折射配光还是反射配光，汽车前照灯所要达到的国家的配光标准是相 同的。因此，本节在b j c 汽车前照灯配光镜配光功能的分析基础上，在对国产 b j c 汽车前照灯与日本小糸公司生产的多曲面汽车前照灯作结构与功能上的比 较后，对多曲面反射体的功能区域作了初步的划分。 1 b j c 汽车前照灯配光镜配光功能的分析 b j c 车灯是目前国内广为应用的汽车前照灯。结构简单，配光性能较好。 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面反射体前照灯配光设计 y 。 厂 _ 、 l23456 f 7ilufl1 步 r x 15 王617 图3 3 c 汽车前照灯配光镜的结构简图 在图3 3 中，l 、2 、5 、6 块有相同的功能，使光线水平扩散士4 。，主要照 亮正前方的区域。3 、4 块使光线水平扩散1 5 。，照亮整个路面。7 、8 块使光 线水平扩散2 。对5 0 r 和7 5 r 处均有贡献。9 、1 0 、l l 块使光线水平扩散 1 2 5 。，主要用来加强7 5 r 处，1 2 、1 3 、1 4 块主要用来形成配光屏上水平向上 1 5 。的明暗截止线，并且要求有一定的照度。1 5 、1 6 、1 7 块用来对远光配光， 由于灯泡内部遮光罩的作用，此处对近光无影响。把具有相同功能的几个块作为 一个分区，因此，b j c 汽车前照灯配光镜共有六个分区。 图3 4 为日本小糸公司生产的多曲面反射体在x o y 面上的投影图。比较 图3 3 和图3 4 可看出该车灯反射体与b j c 汽车前照灯配光镜在结构划分上 有共同之处。通过对小糸汽车前照灯的配光测试，发现两种汽车前照灯在配光部 件上功能区域的划分也相似。 。、 ，r 1 土刎i j 1 。 、 、7 图3 4日本小糸公司的多曲面反射体结构简图 2 多曲面反射体功能区域的划分 日本小糸公司的汽车前照灯分区( 如图3 4 所示) 比较复杂，块面较多， 望婆三些茎兰受圭兰垒塑兰一 嵌样的分区不仅给设计带来了不要： 第三堡垩坚耍垦整竺萱墨坚掣 而竺黧鬈嚣箬嚣 镕p 。盯结构。但块_ 鼬世1 、誊”。 图3 5 多曲面反射体功能区域的如分 3 耘哆甲栅撕觚艄 蚕一茹 蒹 荆潍瓣 揪瓣镯 删刚格 横懒 懒麟、 弹凇艘 、耵罄强 瓣 浙江工业大学硕士学位论文 第三章多曲面反射体前照灯配光设计 有两种计算点照度的方法：平方反比定律和光通转移法。本文采用光通转移 法。光通转移法的原理是基于照射到一块反射面上的光通量乘以反射系数后，将 完全照射到所对应的配光屏幕上【1 9 】( 如图3 6 所示) 。 e 图3 6 光通转移法原理示意图 照射到配光屏上的光通量为： 。小。爿里半c o s = i 如p 其中： 芦入射线与面元法线的夹角 口入射线与光轴的夹角口的变化量 扩抛物线旋转角度护的变化量 照射到配光屏上产生的照度为： e = 罢：p 半c 即 d ) 其中： 口反射体的反射系数 s 配光屏幕上对应的面积 光通转移法是目前灯具配光设计中较为常用的算法。光通转移法求解运用于 四边形网格，若将反射体区域划分为三角形的网格，要运用该法，可通过补一个 浙江工业大学硕士学位论文第三章多曲面反射体前照灯配光设计 同样大小的三角形网格与原三角形网格结合构成一个平行四边形单元，由于三角 形网格足够小，光通转移法仍然适用。 3 4 2 显示屏上象素的照度计算 对于某个点光源，光通转移法求得了多曲面反射体上各区域内各个网格在 2 5 m 远的配光屏上对应光斑的照度值，即光斑内所有点的照度值是相同的。而要 在显示屏上进行显示，必须对光斑内的点进行离散处理，即计算显示屏上象素的 照度。选取显示屏上的一块区域模拟2 5 m 远的配光屏。通过光形计算已得到某 一网格对应的光斑的位置，从而得到了显示屏上网格顶点的位置。计算显示屏上 象素的照度就是要将该光斑的照度值赋给光斑内所有的象素。本文采用多边形域 的填充算法。 一般多边形的填充过程，对于一条扫描线，可以分为四个步骤： ( 1 ) 求交：、计算扫描线与多边形各边的交点； ( 2 ) 排序：把所有交点按照递增顺序进行排序； ( 3 ) 交点配对：第一个与第二个，第三个与第四个等等。每对交点就代表 扫描线与多边形的一个相交区间； ( 4 ) 区间填色：把这些相交区间内的象素置成多边形颜色，把相交区间外 的象素置成背景色。 不考虑第四步，而是将光斑的照度值赋给配对交点间的所有象素。 3 4 3 显示屏上网格的照度计算 对各个区域的光照结果( 即在计算机屏幕上的显示结果) 需要进行分层，便 于对区域进行调整。屏幕被划分为若干网格，与一个二维数组对应，用于存放各 个网格的照度值。各个区域根据编号分别对应若干个二维数组，二维数组的个数 与灯丝划分为点光源的个数相同，即一个二维数组对应一个区域对于一个点光源 在屏幕上得到的照度值。 经过上述光形和照度计算，得到了各个区域对于各个点光源的光形和照度 值。而光形的显示不是简单的迭加得到的。 本文的思路是将屏幕划分为若干个网格，一个网格对应某一照度值而由 于光斑的叠加导致一个网格内各象素的照度值可能不同，这样就需要对其进行处 理使网格能根据其照度值的大小显示某一颜色，本文采用逐点计算法。 浙江工业大学硕士学位论文 弟三章多曲面反射体前照灯配光设计 依次对屏幕网格按行或按列进行扫描，每个网格利用逐点法进行计算。本文 以将屏幕划分若干个3 3 个象素为例，介绍逐点法。将9 个象素作为计算点， 计算点的配置是按加权均衡方式进行的f 2 0 j ( 如图3 7 所示) 。则网格的平均照 度为 瓦2 壶( 巨+ 4 b + 1 6 ) 式中： 岛网格内的平均照度 e 隅点的照度 e 。中心点的照度 e 。重心点的照度 p 一中一1 - i ii 长一书一：； l i l - 缸一二l 一0 ， 图3 7 网格计算点的布置和权重 3 4 4 显示屏上任意点j 均照度计算 屏幕上配光光形的显示以网格为单位，即网格内的点的照度值相同。国家标 准中规定了对若干个测试点及测试区上的任意点的照度要求。对屏幕上任意点的 照度计算方法可采用加权平均法，更精确的计算该点的照度值。首先求出这任意 点所在的网格的位置，再以该点到网格的四个顶点的距离为权值，距离愈近权值 愈大，然后进行加权平均得到该点的照度值。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章多曲面反射体前照灯配光设计 3 5 光形显示 3 5 ，1 着色方式 简单的光形显示只能定性的观察到配光的光形而不能反映屏幕上照度的变 化。着色便于观察照度的交化。配光光形可根据屏幕上各点的照度值得到对应的 颜色灰度即可。在v c 中有一个r g b 颜色函数： r g b ( r e d ，g r e e n ，b l u e ) r g b 函数可返回代表颜色值的长整数，它是执行时用于着色的方法之一， 用混合三原色( r e d ，g r e e n ，b l u e ) 形成颜色。每个原色值在o - 2 5 5 之间，规定了 红、绿、兰的相对强度，原色值越小，表示该色参与密度越小，它们合在一起形 成要显示的颜色。当三原色值一样，r g b ( m ，m ，m ) 在黑、白之间变化灰度。对 于灯光我们取a l 删，亮度值最大b m a x 对应a l ，亮度值最小b m m 对应a 2 ， 则与每一个网格的b x 对应的m 为： - m = a 2 + ( b x b m i l l ) ( a 1 a 2 ) ( b m a x b m m ) 因此每一矩形方格都得到对应的灰度r g b ( m ，m ，m ) ，屏幕上所有网格组合起 来就模拟了实际的配光光形。 3 s 2 等照度曲线的绘制原理 绘制等照度曲线有利于对配光光形的观察，直观的反映了屏幕上照度的变 化。屏幕上各网格的照度计算得到后，可按每行或每列扫描，找到某一特定照度 值v a 所在位置点，许多个这样的点就组成一条等照度曲线。在计算各网格的照 度值时，已求得最大照度值v m a x ，对于最小照度值v m i i l 。可以取o 1 o 5 之 间，其具体值根据v m a x 而定。在v m i n 与v m a x 之间分成1 0 分，根据这些照 度值画出1 l 条等照度曲线。对于一定的照度值v a ，给出一定的范围，如 0 o l v m i n 。这样，在不影响精度的情况下，得到了连续的等照度曲线。 3 6 多曲面反射体配光方案 配光方案的目标是对多曲面反射体区域进行调整，最终得到符合国家标准要 求的多曲面反射体。 1 。调整区域 区域的调整可以通过对区域直接调整或间接调瞧进行。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章多曲面反射体前照灯配光设计 1 ) 直接调整区域 观察反射体的总体光照结果，找到需要调整的区域调整的方式有以 下三种： 调整区域的位置，对其进行旋转使其中心对准或偏离目标位置，使 目标光斑变亮或变暗。 调