（机械电子工程专业论文）自由曲面反射体前照灯配光技术的研究.pdf

浙江r 业大学硕卜学位论文 y5 8 7 4 1 7 自由曲面反射体前照灯配光技术的研究 摘要 自由曲面车灯目前是汽车前照灯的发展趋势，目前已经在少量高档车采用了 此种前照灯，现代汽车出于空气动力学和造型的考虑，汽车呈流线型，这样能安 装汽车前照灯的高度越来越低，而自由曲面前照灯正是适应这一发展变化。但是 国内的汽车车灯研究所，车灯厂还不具备该车灯的独立设计能力。本文正是以此 为目的，详细探讨了自由曲面车灯的设计和配光原理。 本文提出了一套自由曲面反射体配光设计的技术路线，对汽车前照灯各部分 组成的种类特点做了详细介绍，并就前照灯反射体设计的特殊性做了阐述并介绍 r 自由衄面汽车反射体光学和几何基础，建立了光源数学模型，探讨了照度的计 算方法及光形的显示问题。接着，本文详细探讨了几种常用的自由曲面数学模型， 包括b 6 z i e r 曲面和b 样条曲面，本文结合b 样条曲面的优势、建立b 样条曲面反射 体模型，详细阐述了b 样条曲面在汽车前照灯反射体设计中的具体应用。根据国 家的配光标准，通过配光方案完成对自由曲面反射体的设计。论文在v b6 0 环境 下设计了自由曲面反射体辅助配光设计和分析的原型系统。另由于多曲面反射体 目前在市场较为普及，本文也为了适应车灯厂家需要，在通用光学分析平台 l i g h t t o o l s j 2 ：开发，实现了多曲面反射体模型的快速生成。自由曲面是车灯发展 的趋势，而多曲面车灯是目前最为流行的前照灯，因此本文的研究内容对现在和 未来而言，都具有定的意义。但在本文中，主要以研究自由曲面车灯为主。 汽车前照灯的设计方法非常复杂，本论文介绍的设计方法和思想只是进行了 有益的探索，为进一步研究奠定的基础。在文章的最后，提出进一步改进的若干 思想。 关键字：自由曲面反射体b 样条曲面、配光、车灯设计 浙匝工业大学硕i 学位论立 l i g h t d i s t r i b u t i o n t e c h n o l o g y b a s e do i la f r e ef o r mr e f l e c t o r h e a d l a m p a b s t r a c t n o w d a y s f r e ef o r m r e f l e c t o r r e p r e s e n t s n e wd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e h e a d l a m p sa n dh a sb e e ne q u i p p e daf e wh i g l l - g r a d ea u t o m o b i l e s c o n s i d e r i n gt h e f a c t o r si na e r o d y n a m i c sa n ds h a p i n g ，m o d e r na u t o m o b i l e sa r ec l i p p e r b u i l ti ns h a p e ， w i t ht h el o w e r i n s t a l l i n gh e i g h t o ft h e h e a d l a m p s ，w h i c h i ss u i t a b l et o t h e d e v e l o p m e n to ft h ef r e ef o r mh e a d l a m p b u tt h ei n s t i t u t i o n si no a rc o u n t r ys t i l l h a v e n t g o tt h ec a p a c i t y t o d e s i g n t h e l a m p si n d e p e n d e n t l y a c c o r d i n gt ot h e s e r e a s o n s ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ed e s i g na n dl i g h td i s t r i b u t i o np r i n c i p l e so ff r e ef o r m r e f l e c t o r ， t h i sa r t i c l eo f f e r sas e to ft e c h n i c a lr o u t i n e sa b o u tt h ed e s i g no ff r e ef o r m r e f l e c t o r , a n di n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lp a r t sf r o mt h ea u t o m o b i l e h e a d l a m p i nd e t a i l - i ta l s oe x p a t i a t e st h ep a r t i c u l a r i t i e so nt h ed e s i g no ft h eh e a d l a m p r e f l e c t o r , i n t r o d u c e st h eo p t i c sa n dg e o m e t r yb a s eo ft h er e f l e c t o r s ，e s t a b l i s h st h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ff i l a m e n t ，a n dd i s c u s s e st h ep r o b l e m sa b o u ti l l u m i n a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h e s h a p ed i s p l a y t h e n i td i s c u s s e si nd e t a i l s e v e r a l c o m m o n l yu s e dm a t h e m a t i c a l m o d e l sa b o u tf r e ef o r m ，i n c l u d i n gb 6 z i e rs u r f a c ea n db 。s p l i n es u r f a c e a n di t a l s o e x p a t i a t e sc l e a r l yt h ep r a c t i c a lu s eo fb s p l i n ei nt h ed e s i g no fh e a d l a m pr e f l e c t o r s t h e d e s i g no ff r e e f o r mr e f l e c t o rc a nb ef i n i s h e d b yu s i n gt h el i g h td i s t r i b u t i o n m e a s u r e s ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ll i g h td i s t r i b u t i o ns t a n d a r d t h i sa r t i c l em a k e s t h eo r i g i n a ls y s t e mo f f r e ef o r mr e f l e c t o r sa s s i s t a n td e s i g na n d a n a l y s i si nt h ev b 6 0 e n v i r o n m e n t i na d d i t i o n ，s e g m e n t e dr e f l e c t o rl a m pi st h e p o p u l a ri nc a rl a m pf i e l d ，i n o r d e rt om e e tt h ec a rl a m pc o r p o r a t i o n ，r e a l i z i n gt h es e g m e n t e dr e f l e c t o rm o d e lb y w r i t em a c r ob a s eo nt h el i g h t t o o l sf l a t t h ef r e ef o r mi st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n i nc a rl a m pf i e l d ，a ts a m e t i m e ，t h es e g m e n t e dr e f l e c t o ri st h em o s t p o p u l a rc a rt a m p ， i i 塑坚二些查兰堡! = 堂焦堕兰一一 s 。t h er e s e a r c hi np a p e r i sm u c hm e a n i n gf o rd e v e l o p m e n t i nc a rl a m pf i e l d t h ed e s i g nm e t h o do ft h ea u t o m o b i l eh e a d l a m pi sv e r ys o p h i s t i c a t e d ，a n dt h e d e s i g nm e a s u r e s a n dt h i n k i n gd i s c u s s e db e f o r ei s j u s tu s e d t om a k eu s e f u le x p l o r a t i o n a n dm a k es o l i db a s e m e n tf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h i nt h ee n d ，s e v e r a lt h o u g h t sa b o u t f u r t h e ri m p r o v e m e n t si so f f e r e d k e y w o r d s ：f r e ef o r mr e f l e c t o r ，b - s p l i n es u r f a c e ，l i g h t d i s t r i b u t i o n ，c a rl a m p d e s i g n 一 塑竺三些叁兰堡! 羔堡塑兰 一 一 1 1 引言 第一章绪论 汽车是卜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。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。在众多的汽车照明和信号装器中。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严格的规 定。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【4 j ；远光是当车辆前方 无其他道路使用者时所使用的远距离照明灯具。随着汽车工业的发展，对汽车 前照灯设计的要求也越来越高，要求汽车前照灯制造商提供强度更高，光照更 远的前照灯，而随着造型技术的不断发展，人们的审美要求不断提高，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祥就留给汽车前照灯的空 蒯越来越小，而对其荚学造型的要求却越来越高。这样对汽车前照灯的设计提 出了越来越高的要求，前照灯配光技术显得尤为重要，并刺激着汽车前照灯设 计技术的不断发展f 2 】1 3 1 。 本文着重探讨比远光复杂的近光反射体的设计和配光分析，近光灯是用于 会车时的道路照明，对近光光束的要求有两个矛盾的地方：一个是防止迎面来 车驾驶员眩目要求光束低、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道路和交通标志，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必须满足 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a 中间是一个高强光区域，以尽可能照亮前方的道路。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【3 1 。 汽车前照灯设计的难点在于光学设计，既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，反射器尺寸与光源相比较而言，不能像一般 反射体那样可以用远场光度学进行计算，必须重新考虑计算方法。 1 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) 。对这两卜要求，在国家标准 g b 4 5 9 9 8 4 中做出详细的规定：前照灯配光应该使其具有足够的照明和不眩目、 远光具有良好的照明。配光性能在前照灯基准中心前过h v 点的铅垂配光屏幕 上测定。前照灯的测量屏幕如图1 1 所示( 屏幕上的尺寸单位为：毫米，该测 量屏幕距离前照灯前方2 5 米) 。 1 巧l 图11 法规要求的前照灯测试屏幕 m h 塑! ：! 些盔兰堡土竺丝鲨兰一 一_ ： ，1 3 _ ! ，土_ l 。lh n _ 赢赢了百丽一面高“ 对近光的配光要求是：近光应该产生明显的明暗截止线，其水平部分在u v 线的左侧，右侧为水平线向上成1 5 。的斜线，或向上成4 5 。的斜线至水平线垂直 距离2 5 c m 转向水平的折线。 在配光屏幕上的照度限制，应符合下表的规定 i 】： 表l近光配光的照度极限值 单位：勒克斯( i 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 lo3o 3 ，o 44 7 5 r61 2 7 5 l1 2 5 0 r61 2 5 0 l1 5 5 0 v6 2 5r1 52 2 5li 52 i i l 区任何点0 ，7 0 7 区任何点 2 3 i 区任何点2 0 2 如。月+ + - + 单光束为0 3 ，双光束为0 , 4 。 + e 。为5 0 r 实测照度。 一 塑坚王些叁堂堡：! 兰垡堡兰 一一 汽车6 u 照灯的近光在i ，1 1i i i 和i v 区域内，其水平方向相连间的照度应无明 显陡变，不至于影响良好的能见度。 1 3 汽车前照灯的现状与发展 汽车前照灯的光学系统要满足光线分布的要求，即配光性能的要求。随着 汽车前照灯设计技术的发展。近年来，前照灯的配光控制系统正从配光镜方式 向反射体方式转变，配光镜表面也由原来的花纹面转为透明的平面。下面介绍 的是几种现令在汽车前照灯应用的配光形式”。 131 汽车前照灯的配光型式 ( 1 ) 抛物面式前照灯 这是传统形式的前照灯，主要由光源、反射体和配光镜三部分组成( 如图 1 3 ) ，已经应用了几十年。采用抛物面反射器，其灯丝位于抛物面反射镜焦点 附近，配光采用折射配光方法控制，利用抛物面反射镜，产生了近似平行的光 束，该光束经过由许多小透镜组合成的文饰折光面罩的扩散与偏折，达到具有 定光强分布的照明效果。 折光面罩从工程学角度讲不利于降低前照等的高度和增加倾斜度，而现代 汽车的发展趋势是汽车前部低且呈流线型，这样能使安装汽车前照灯的高度和 空间越来越小，而这种抛物面车灯体积教大，当车灯外形随汽车造型变化时， 将难以达到配光要求，从美学的角度讲，其表面模糊，布满文饰，不能起到良 好的作用。 图 霍闵矗 冀獬 图1 3 传统汽车前照灯的结构 i - t 源，2 一反射体，3 一配光镜 浙江丁业大学坝。卜学位论文 ( 2 ) 多反射面的反射体 多曲面反射体由多个曲面构成，各个反射面可以定义为抛物面，双曲面， 椭球抛物面，双曲抛物面，抛物柱等，任意组合这些曲面，形成理想的配光方 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光形的扭曲变形。该反射体由于目前已经得到广 泛应用，该反射体的优点是外形美观，可以较好地满足车形变化的要求，但是 由于要满足标准的配光光形，使得多个曲面间会形成较明显的阶跃，影响了反 射体渡膜时的均匀性，从而增大加工误差，使得配光光形较理论光形而言产生 变化。 ( 3 ) 自由曲面前照灯 这种灯完全依靠反射体的面形来保证配光效果，无需通过透镜扩散光束， 无需遮光罩遮挡光线，便可形成需要的配光光型。反射器的曲面定义为：由法 线矢量控制的m * n 次曲面，此曲面由c a d 系统，用参数处理方法生成，其开 发效率高，反射曲面比较光滑和过度性好。由于灯罩为不具折光作用的光滑透 明罩，因而可以产生较大的倾斜角度，使车头可以设计成流线型以降低风阻并 减少油耗。另外，它可以产生良好的美学效果，具有良好的装饰作用，由于采 用了光滑透明的灯罩而使其内部清晰可见，外表明亮美观，所以也被称为具有 透明的大眼睛“水晶灯”。 ( 4 ) 投影式前照灯 这种前照灯工作原理类似幻灯机或投影仪，通过投影透镜将光源发出的光 投射到前方并采用遮光屏来实现截止线的效果。 投影式前照灯的基本构成要素有：椭球反射器、灯泡，遮光罩和投影透镜。 如图1 4 所示。光源放在椭球反射器的第一焦点附近，遮光屏位于椭球反射器 的第二焦点遮光屏的作用是取代抛物面式前照灯的折光面罩，用来产生一定的 光型分布，由光线的传播规律易知，它的形状与所要求的光型分布形状一致。 浙江1 = 业人学坝i j 学位论文 图1 ，4 投影灯结构和原理图 采用这种光学系统的前照灯，由于遮光罩消除了一部分光线，获得的截止 明暗分界很清晰，其优点是可以根据遮光罩的形状决定截止线，可以很容易地 设计出任意的配光光型。由于采用椭球面做反射体，能够更多地利用光线，提 高能量的利用率，从而实现小型化，可以较大地减少反射体面积，这有利于降 低前照灯的高度，使车头造型设计更为流线，观感也比较舒适。目前疝气灯基 本上采用此种配光模式，由于疝气灯发射功率大，并且是冷光源，不会引起反 射体的变形，因此在高档车中得到较广泛地应用如奥迪a 6 。 1 4 汽车前照灯反射体的一般设计流程 在过去的几年中，在汽车前照灯的设计和生产过程中出现了许多重大的技 术革新，这些技术革新已经大大的提高了汽车前照灯的光学性能。比如对于反 射器而言，现在不仅仅是是简单的抛物面，更加复杂的反射体如自由曲面反射 器都已经应用到汽车前照灯中去。汽车前照灯的设计自由度，复杂度以及对光 学的性能的要求越来越高，这就注定了传统的单纯依靠手工和经验设计前照灯 的方法已经不能满足时代的要求。因此利用计算机进行汽车前照灯光学设计的 计算机辅助系统就应运而生 6 1 。世界上各大汽车生产商都相续推出自己的c a d 设计系统，但是国内在利用计算机辅助设计分析手段来从事前照灯反射体设计 刚起步。 汽车前照灯设计过程主要包括前照灯反射体的设计，车灯辅助面的设计及 透镜设计等，在这个过程中前照灯反射体的设计是最重要的，本论文也主要是 面向自由曲面反射体的设计与配光方法的研究。反射体的整个设计开始于汽车 摧型腓立 燃 黼# o | ， 鼬 j 纠莘镜热粤躺嗽好 浙江t 业大学项j 学位| 仑文 前照灯的各种参数的输入。首先汽车生产商必须提供前照灯的安装数据，同时 设计师必须确定最终产品所能够达到的光学性能指标，这一阶段需要车灯生产 厂商和客户的紧密联系。接着就需要设计反射体的基本反射面，这作为下一阶 段设计的初始数据，因为它将对最终产品的主要性能，尺寸以及外观产生决定 性的影响。在确定车灯的所有参数如反射面、灯泡等参数后，就需要分析当前 参数下面的车j 上 的配光分布【5 j 【。最终的结果可以用2 5 米开外的配光屏幕上的 照度分布图来表示。整个过程如图l 一5 。随着c a d 技术的发，前照灯技术也产 生了一系列重大变化。自由曲面的众多优点使其在发达国家广为应用，而自由 曲面反射体的设计也就成了自由曲面车灯设计的技术关键。在光学设计上，通 过计算机辅助设计软件，模拟光线的前进路线并追迹到配光屏幕上的光照分布 图，不断改善反射面面形直至配光屏幕上的光照分布达到要求。本文为了适应 前照灯的设计技术以及配光控制方法的发展，设计了一个自由曲面反射体计算 机辅助配光设计原型系统。 图1 - 5 前照灯反射体光学设计的一般流程 1 5 汽车前照灯光学性能的评价方法 汽车前照灯的光学性能模拟软件现在已经成为汽车前照灯的重要评价工 具，通过计算机事先设计并计算出显示前照灯的配光分布，从而可以大大减少 复杂的车灯参数修改的次数，有效地缩短了汽车前照灯的开发周期。目前主要 浙旺丁业人学伺士学位论义 常用的汽车前照灯的显示方法是：等照度曲线和道路照明仿真模拟。在本文中， 将主要就等照度曲线展丌讨论。 ( 1 ) 等照度曲线 既然各种法规对于汽车前照灯性能的规定都是通过规定其在2 5 米处测试 屏上的一些特殊点的照度来实现的，一个很自然的想法就是画出前照灯在2 5 米 测试屏上的等照度曲线来表示前照灯的配光分布( 同时也可以标注一些法规规 定的特殊点的照度值) ，在e c e 法规中，测试屏上的等照度曲线需尽量如下图 l - 6 所示，各个区域问照度变化需均匀过度。尽管2 5 米处测试屏上等照度滞线 能够详细地表示前照灯的配光，但是这个前照灯在道路上的效果究竟怎么样哪， 它还不能回答。于是又提出了道路仿真照明模拟的概念，但由于在基于真实场 景的道路仿真照明还缺乏一系列的标准，本论文将不做详细研究。 寰，秽缪；专 。：。j 夕： 霉沁、。- ! 一、。、兰二j 二。，) ： 、 = 二二二= 7 瓷 3 0 784 0 5 0 5 0 n 0 0 0 。7 8 0 0 0 1 o 0 0 0 0 。0 0 弹； 图卜6e c e 法规中的等照度曲线 ( 2 ) 道路照明仿真模拟 正如上所述，虽然等照度曲线能够详细提供关于前照灯的详细配光，但还 不能直观的显示前照灯在真实路面的效果。于是提出了道路照明仿真模拟的概 念，目前存在两弛基本的仿真模拟方法：基于反射系数的模拟和基于真实场景 的模拟。这样的光学性能描述是前照灯配光技术的发展趋势。 弹撇蛳淄 扯惦孙瑟 浙江t 业人学删f j 学位论文 16 国内外自由曲面反射体汽车前照灯的发展状况 鉴于自由曲面反射体前照灯的优越性能，欧美厂家己着手自由曲面汽车前 照灯的设计，并初步开发出相应的产品。随着c a d c a m 技术的成熟，美国、 同本和欧洲的专业车灯公司已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，分析设计出自由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，这样就大大提高了自由曲面反 射体的丌发效率。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，但缺乏自由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自由 曲面反射体车灯。目前国内厂家大多数还停留在设计传统的基于透镜配光或者 投影式配光汽车前照灯，少数具有设计和生产多曲面反射体车灯的能力，但是 自由曲面反射体的汽车前照等技术国内基本上为空白，复旦大学等单位曾对自 由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。这些研究 均与实用尚有较大的距离。另外目前国内也缺乏自主产权光学分析软件。由于 针对汽车前照灯的c a d 设计系统是保证各大汽车厂商在行业竞争中去有强大 生命力的保证，因此这些c a d 设计系统对国内厂家是保密的。如果利用通用的 光学分析软件如a s a p ，l i g h t t o o l s ，来指导汽车前照灯设计，一是针对性 差，效果不好。二是这些软件价格昂贵。目前常用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。 1 7 本论文的研究目的和意义 自由曲面汽车前照灯是目前国际上汽车前照灯的发展方向，大有代替多曲 面反射体车灯的趋势。这种车灯与传统车灯的最根本的区别在于其配光是由自 由曲面反射体完成，该反射体不再是简单的二次曲面，而是灵活的自由曲面， 与目前国外流行的多曲面车灯相比，反射体表面更加光滑，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，光能利用率高，空气动 浙江丁业火学硕士学位论文 力学性能好，设计灵活等众多优点。同、美等国早近年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，尽管近 两年以来已经初步具备多曲面反射体的开发能力，但对自由曲面反射体前照灯 的研究和应用几乎还处于空白阶段，虽在自由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，自由曲面反射体代表着未来汽 车车灯发展的方向。本课题属国家自然科学基金“自由曲面反射式照明光学系 统计算机辅助设计的研究( 6 0 3 7 8 0 2 3 ) ”内容，其研究工作对自由曲面汽车前照 灯的国产化具有重要意义。 1 8 本论文的主要创新 本论文的主要创新之处可以归纳为以下几点： ( 】) 目前汽车前照灯基本上采用多曲面反射体，尽管该反射体已经基本满足汽车 造型的需要，但是自由曲面更加美观，更加适应汽车造型的变化。另外由于多 曲面反射体是由各种规则的曲面组成，因此曲面之间存在阶跃，在反射体加工 时容易造成油漆沉积，从而对前照灯的配光性能造成较大影响。 ( 2 ) 跟以往传统的前照灯设计方法不同，本文从新的角度提出了以b 样条曲面来 设计反射体模型，b 样条同其他自由曲面相比，具有许多优势，b 样条具有局部 变形的特点，通过控制点来调整前照灯反射体，非常适合前照灯的反射体设计。 ( 3 ) 建立了汽车前照灯光源数学模型。汽车前照灯光源可以简化为点光源和线光 源。线光源的计算是以点光源为基础的，把线光源细分为各小段。由于各段的 光辐射度与温度有关，因此本文从灯丝的黑体特性出发建立灯丝数学建模型， 从而使灯丝模型更加符合实际情况。 ( 4 ) 对配光系统中光线追踪的初始值、反射光线的处理进行了的分析确定。详细 阐述了前照灯光线追踪算法，照度计算方法等。 ( 5 ) 在自由瞄面反射体光学和几何特性基础上编制了自由曲面计算机辅助配光分 析和设计原型系统。 塑! 望三些查兰堡! ：堂垡堡苎 一一一一一 建立。 第二章汽车前照灯反射器设计的光学基础 本章将详细介绍与反射体配光相关的光学基础理论以及光源数学模型的 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。 2 1 1 辐射通量 单位时问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 号为巾e ，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，面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) 。 王王j 五j 一 纷。 五五+ d 名 毛 三 图2 一l光谱辐射通量与波长的关系示意图 设仇为波长附近间隔的光辐射通量，则定义： 旷鬻 浙江工业大学顺 学位论文 为波长 处的光谱辐射通量，则从波长五- 到五范围内的辐射通量 吼可表示为： 吼= e 全部波长范围内总的辐射能量为 212 光通量 l 2 2 2 3 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 ) 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( i r a ) 。 在很小的波长范围内，光通量为 妒。= p 。v 恤弦。 2 - 4 对全部波长范围有： 妒= f 以弦。 2 5 21 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m 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c l 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 单位是球面度f 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0 点张成立 体角为d u ( 如图2 3 所示) 。 如：了d s ：学= s i 删， ，。 2 6 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4n 。 浙江t 业人学 ! | i lj 一学位论文 214 发光强度 发有一点光源p ，在某方向对任一面元所张的立体角为d n ，单位为s r ( 球 面度) ( 如图2 4 所示) 。如通过这面元的光通量为d f o ，则点光源在这方向的发 光强度为 ，：生 d n k 卜一 譬 2 7 d 妒 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 n m 波长的单色光辐射，在给定方向上的辐射强度为1 6 咿s r 一1 ) 时，该光源在该方向上的发光强度为l c d 。 2 1 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d 一，而 到达这面元的光通量为d r ，则d r 与d 一之比称为这面元的照度，即 e 二垒2 - 8 日 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。 浙江t 业a 学删i 。学位论文 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： e ：三c 。s 02 - 9 r 其中： i 发光强度 r 点光源到被照平面的距离 0 被照面元法线与入射光线的夹角 2 1 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。 向 图2 - - 5 亮度的定义 三：l ：上 2 1 0 d d c o s od c o s 0 亮度描述了光源在各点的强度分布，适于面光源的情况。 ： 浙江t 业人学坝f 。学位论义 2 ，2 光源的描述 2 21 光源的种类 汽车前照灯用光源的发展在整个汽车前照灯的发展中起了决定性的作用， 光源的特性将影响着光学系统的设计。 白炽灯和卤钨灯是现在使用最广泛的汽车前照灯模型，因为白炽灯光源功 率较小，虽然在一些车上还被用作前照灯光源。但新型汽车一般把它用于照明 要求不高的场合，如尾灯，刹车灯等。卤钨灯的功率较大，适用于前照灯，它 的品种很多有h 1 ，h 4 ，h 7 ，h b l ，h b 3 等，这些灯的结构参数和光学性能在 国际上已经标准化。其中h 4 在我国使用的最为广泛如图2 - 6 所示。卤钨灯具有 灯丝紧凑，灯效高的特点，但色表偏黄，耗电量大。9 0 年代以来，高强度气体 放电灯得到越来越多的应用，现在使用的d l s ，d 2 s ，d 1 r 和d 2 r 等。这种灯 在照度和寿命上又前进了一步，n n 该灯可发出的光强度很大，因此可将前照 灯反射体做的很小，从而更加适应汽车外表的变化。但由于气体放电灯制作技 术要求教高，电路复杂，价格也非常贵，因此目前的应用范围较小。但是。气 体放电灯的优点决定了它是汽车前照灯光源的一个重要发展方向。在本文中将 以讨论卤钨灯为主。 图2 6 h 4 卤钨灯的结构 浙江”世人学坝l ? 学位论义 2 22 光源数学模型的理论分析 为了能够在计算机中进行编程运算。得到在照明物面上的光照度，必须建 立光源的数学模型。 光源的种类有很多，形状也是各种各样，想用一个统一的方法对光源进行 充分的描述是非常困难的。但兼顾大多数情况，从光源的形体上考虑大致可分 为点光源、线光源、面光源和体光源四种。下面从理论上讨论光源这几种分 类的数学处理方法。 ( 】) 点光源的数学模型 当光源尺寸与光学系统的尺寸相比非常小时，可以视为点光源。对一个点 光源进行模拟时，首先应该选择合适的光度学基本量，基本量如果选择恰当可 以使得问题简单化。从点光源的特点来看，可采用发光强度来描述其发光特性。 对于一个具体的点光源，可以通过咀下步骤来建立点光源的数学模型。 根据光源的发光特性，确定光源在空间各方向的发光强度的大小。 把点光源按定角度间隔采样( 取为主光线) ，并在每一个采样的角度 周围再取四条光线，这样共有一条主光线，两条子午线及两条弧矢光线，如下 图2 7 所示： 光源 2 7 点光源的数学模型 圆形代表点光源，实线表示某一采样角度的主光线，两条虚线表示同一采样角 度的两条子午线，图中没有表示出弧矢光线。从上面的分析可知，两条子午线 和两条弧矢光线构成了一个空间立体角q ，即 q = 4 n - s i n 2 ( 孚) 2 ( 2 - 1 1 ) 浙江t 业人学颧 j 学位论文 其中a 为两条子午线的夹角。一般n 取值较小，s i n ( 昙) 可用a 2 代替，有： z q = 翮二 r 2 - 1 2 1 又由光源的发光特性( 发光强度与角度的对应关系) ，可知具体的每一个角度的 发光强度，由此可以计算出光源在该立体角内的光束的光通量，即q a = i q ，其 中i 表示构成立体角q 的主光线所在角度对应的发光强度。 如图2 7 中的右半部分所示，两条虚线所表示的子午线和图中未显示出 的弧矢光线在照明面上构成了一个微小面积，可把这个微小面积近似地看作一 个椭圆。假设两条子午线的间隔的一半为长轴a ，弧矢光线与主光线的间隔为 短轴b ，则该椭圆面积为s = j r a b ，忽略各种光能损失，则达到该微小面积的 光通量也应该为中，由光度学的基本公式e = 西i s ，可以得到该微小面积的光照 度值。 ( 2 ) 面光源的数学模型 面光源可以是矩形的，也可以圆形的，一般情况下，在其发光表面的不同 位置和不同方向的发光特性都不同，为了充分体现面光源的发光特性，通常采 用光亮度的方法来描述。当面光源的宽度较长度小多时，就是常既的线光源， 线光源的处理方法类似于面光源，这时只在长度方向上等分成微小面光源进行 处理就可以了。 面光源数学模型的建立可以以点光源的数学模型为基础。将面光源按行、 列分成m n 个小面光源，当m 与n 足够大时，每一个小面光源的面积将很小， 可以近似为点光源，而且是朗伯型的( 各个方向的光亮度都近似一致) 。 如图2 8 所示，假定微小光源的面积为d s ，与该微面垂直方向上的发光强 度为i o ，其光亮度l 为满足： l 2 i o d s ( 2 1 3 ) ds 图2 - 8 面光源的数学模型 浙江t 业人学坝l 学位论义 图中椭圆表示微小朗伯面光源，与点光源的模型建立方法类似，两条虚线表示 两条子午光线，实线表示主光线，弧矢光线在图中没有表示出来，子午光线与 弧矢光线共同围成一个立体角q ，用u 表示两条子午线之间的夹角，则有 中= 碰嬲s i n 2 ( “2 )( 2 - 1 4 ) 利用上式就可以计算出微小面光源在q 立体角内的光通量，然后就可以利 用类似点光源的方法来求出在照明面的光照度。照明物面上的光亮度分布应是 这m n 个微小面光源在照明物面上光照度的迭加。可见，不管是面光源还是 线光源，其数学模型的建立关键都在于确定光源的任一点的任一方向的光亮度 值，即建立光亮度与空间位置及角度方向的对应关系。 ( 3 ) 体光源的数学模型 体光源的不仅具有表面发光特性，而且还有光源内部的发光特性。一般体 光源的内部结构比较复杂，各种发光物质特性各异，因此体光源内部的发光特 性更为复杂。可采用下述几种方法来模拟光源 光源简单地看作大量点光源的聚集物 把光源看作是由一系列位于不同轴向位置的圆盘组成的，其中每一个圆 盘都是由具有等空间距离的点光源构成的一系列同心圆环组成。 把光源看作是由锥面、柱面联结而成的不同尺寸的半球面组成的。 球形体光源可以看作是情况( 3 ) 的特殊情形，即由两个直径相同，球心之间 的距离为零的两个半球组成。可以采用类似于切割橙子的方法来分割球形光源， 如图2 9 所示。这样就可以得到一定数量的表面分区。在确定朗伯球光源的强 度分布时，对于每一个分区的权重因子是一致的，而对于每一条出射的光线的 权重因子却是光线方向矢量和光线与光轴夹角正弦的乘积。 f 江t 业人学删l 学位论文 图2 - 9 分害橙子法模拟光源 事实上。每个光源都有其特定的位置和方向，而且有其特殊形状，包括点 状、矩形、椭圆形、球状、和圆柱状等等。这里虽然在理论上分别进行了阐述， 但这几种方法模拟方法在计算机实现起来比较复杂。而且对于体光源来说，类 型很多，结构也很复杂，所以对它的模型的建立还有待于继续研究。 2 2 ，3 汽车前照灯光源数学模型的具体实现 根据前面的理论分析，再结合汽车前照灯光源的具体情况，实际处理时采 用了两种简化模型：点光源以及线光源。下面分别介绍它们的数学模型的建立。 ( 1 ) 点光源 前面分析中提到，在光源相对于灯具或者测量范围来说非常小时，我们可 以把它简化成点光源来处理。同时，对点光源数学模型的正确建立，是处理线 光源等扩展光源的基础。 对于点光源而言，首先认为它向空间均匀地发出光线，每条光线所携带的 能量都是相同的。将点光源在空间上分为很多等4 、立体角，每一立体角归结为 条光线，这样，点光源就像是一个布满了等距离4 , n 的刺球一样。 2 0 浙江t 业人学坝一学位论文 题给、 。 木 f ( a ) 口凡 价 孰瓣 辱 i 7 ： 夕 ( b ) + x 图2 1 0 光源分割原理图 立体角的划分方法是这样的。如图2 - l o a 所示，先考虑x o y 平面，光源 在圆心，将整个角度范围内的圆等角度( d 。) 分割，也就是洗，每相邻的两个 a 之间差一个dq ，d a 即为光线追迹计算时的角度间隔，然后将每个n 对应的 矢量饶x 轴旋转3 6 0 度，这就形成了一个个以光源为顶点，锥角为a 的光锥， 在以光源为球心，r 为半径的球上形成一系列同轴圆环带，如图2 - l o b 所示，为 了形成等小立体角，须将这些圆环带继续等分，这里采用的还是按等角度分的 方法a 在y o z 平面内，以这些圆环带上下圆的圆心为原点，角度间隔取为弧， 将圆周3 6 0 度等分为( 3 6 0 d 。) 份。那么，对应与x o y 平面内的每一个q ， 在y o z 平面内有( 3 6 0 1 d z 7 0 ) 个与之对应。统计出整个球体共能分得的份数， 当已经知道光源的总光通量。时，就可以计算出每条光线所带的能量了。 ( 2 ) 线光源 采用卤钨灯作为光源，灯丝按平行和垂直于反射器的光轴方向放置。与反 射器的尺寸相比，该灯丝不能当作点光源来处理，其行为必须采用近场光度数 据来描写a 而且，光源由于内部结构的原因。需要安放些支架来支撑和固定 灯丝，它们也离灯丝很近，对从灯丝上发射出来的光的空间分布起到一定的遮 掩作用，因此也不能将灯丝发的光空间分布认为是均匀的。从接近实际情况和 考虑到程序实现的难度，把光源的灯丝当作线光源来处理。 把灯丝视作线光源后，将一定的长度的灯丝分为若干小段。认为每段的 2 浙江1 _ 业人学硕一【j 学位论文 灯丝温度分布符合一定规律，同一段的分匆情况相同。分段后，每一小段的灯 丝长度将变得很小，相对于发射器来浇，可以看作点光源，在这里，假定点光 源的发光中心在光轴上。灯丝温度的分布是两端低中间高，采用近似的处理， 认为灯丝的分布是一个近似等腰三角形，如h 4 的灯丝温度分布如下图2 1 1 所 示。 t ( k ) 1 3 4 0 0 。2 9 0 0 ， 0 6 i 丝长度i n ) 图2 1 1 钨丝温度分布 光源近似符合黑体的辐射特性，由量子力学的黑体理论。可以得到钨丝灯 的光辐射出度为 肘( ，) = 足。：! 夏揣占( 五，) 矿( 五) x d丑(2-15) 式中，k “是表示明视觉条件下的最大光谱光视效率，c 1 ，c 2 是辐射常数， 其中，c 1 2 2 砌c 2 = 3 , 7 4 1 8 4 4 1 0 “矽c 珊2 ，c 2 = h c k = 1 4 3 8 8 3 3 c k ，五代 表波长，t 代表温度t 占( 丑，) 代表钨丝的光辐射效率，y ( 丑) 代表光谱光视效能。 由于灯丝属于热辐射光源，可以近似认为它是朗伯光源，所以光辐射出射度m 与光亮度的关系为： m = 碰o l 。= m k 则1 = l o s c o s a ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 浙江丁业夫学顺i 。学位论立 其中s 是每灯丝的有效发光面积，口角是下图2 1 2 所示方位角。 j 图2 一1 2 灯丝a 角示意图 根据以上的分析与简化，可以由各段灯丝温度计算每一段的空间分布。然 后利用光强值，获得每段灯丝的总光通量，将每段光通量累加，就得到光源的 总光通量输出。把这些每段灯丝的总光通量平均分配到要求输出的总光线数， 那么每条光线就代表了空间定方向上的光通量。最后以每一小段灯丝的中心 点为球也、，在它周围空间内，用前述点光源建模的方法，沿水平和垂直平面各 进一个小的角度，计算这个小立体角的光通量，这个光通量也就是在这个方位 上一条线的光通量。把各小段灯丝在评价面上的照度分布累积起来，就得到了 对应于线光源在评价面上总的分布。 2 2 4 光线追踪初始值的确定 光线追踪的起始点即为光源。