（物理电子学专业论文）汽车前照等自由曲面反射器的光学设计.pdf

论文题目：汽车前照灯自由曲面反射器的光学设计 2 0 0 6 届研究生登瑚 摘要： 计算机辅助设计软件的应用可以大大缩短汽车前照灯设计的周期和大幅减 少成本。软件很大的一个用途就是能够直观和细节化的显示所设计反射器和前照 灯的光分布。 本文首先概括了汽车前照灯的特殊性和配光标准，再说明了它的构造和发展 情况，并将卤钨灯和h i d 光源的性能做了比较。 本文在简单介绍灯具设计的方法之后，详细讲述了利用软件l u c i d s h a p e 进 行自由曲面反射器光学设计的过程，并与传统的设计方式进行了比较。 最后，本文介绍了建立h i d 空间发光模型的一种方法，其中用到了程序设计 方面的知识，并将模拟结果引入到l u c i d s h a p e 中与标准模型进行比较。 关键词：前照灯自由曲面模拟配光 分类号：t m 9 2 3 4 5 0 7 一 五至前照妞自由曲面反射墨的光堂设让复垦太堂亟堂僮i 金塞! 引言 汽车照明和信号装置是汽车的重要安全部件。尤其是前照灯，它的设计制造 是光学、材料学、计算机辅助设计技术等的集成。其设计的好坏不仅影响夜间照 明效果并直接涉及行车安全，而且还会影响到汽车的外形，进而影响风阻、车速、 油耗等。汽车近光灯的功能在于既提供良好的能见度，又要保证防眩。世界各地 的地理情况都各不相同，则近光灯的配光也不尽相同。这就要求近光前照灯的光 强空i 旬分布满足十分精确的要求。我们设计的近光灯配光标准参照e c e 标准。 由于近些年一些复杂的反射器开始应用到汽车照明系统中，计算机辅助设计 技术在汽车前照灯开发设计中的地位日益突出。国外各大车灯厂都发展了各自的 计算机辅助设计软件。其一般设计方法是开发一个人机交互的设计系统，向其输 入光源的配光数据和前照灯外型尺寸的限制后，通过从数据库取得初始解或者用 计算产生的初始解得到初始的配光系统，模拟生成这样的配光系统得到的配光分 布，将这个配光光型与设计规划所要求的配光光型相比较，根据差异对配光系统 进行调整，然后重新进行计算并进行模拟和调整，重复这些步骤直到得到符合要 求的配光系统。 以前前照灯反射器的几何形状通常做成抛物面。而随着车速提高，对车灯的 光学性能越来越高，汽车前照灯的生产技术和流程也出现了重大进展。更加复杂 的反射器如自由曲面反射器已经应用到汽车前照灯系统中。国际上有德国海拉、 日本小糸和北美车灯等公司可以开发制造高质量的自由曲面灯，而真正意义上的 自由曲面灯设计在中国长期处于空白。 目前，我国的自由曲面前照灯设计正不断趋于成熟。自由曲面灯的设计难点 在于自由曲面的面型设计，具体的说就是如何设计出符合光学照明需要的自由曲 面反射器。自由曲面反射器前照灯形成配光的功能完全由自由曲面完成，因此曲 面形状相当复杂。但在计算机辅助设计下，能够大大加快设计的周期。 渔至前照虹自由曲面反射器的光堂设让复旦鲞堂亟堂焦论塞 ! 第一章汽车前照灯标准要求概论 一 1 1 汽车前照灯的特殊性 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。 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： 一方面是防止对迎面来车驾驶员产生眩光要求光束要低、要暗；另一方面是 要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) 对汽车前照灯的配光作了具 体要求。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，反射器尺寸与光源相比较而言，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。 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 臣至前照虹自由曲面反魁盎的光堂设让复旦盘堂亟堂鱼i 金塞! 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i i 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，并且增加了设计的 难度和设计的周期。 1 2 汽车前照灯的性能指标 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。汽车近光灯的功能在于既提供良好的 能见度，又要保证防眩。世界各地的地理情况都各不相同，则近光灯的配光也不 尽相同。 一般世界上最常用的近光灯配光标准有e c e 和s h e 两种。汽车近光灯需要满 足的三种主要功能： a 照明路右边的目标； b 不给来车产生眩光； c 照明前方的道路。 s a e 和e c e 都有给出相当于标准的方位角一光强要求表，给出了一些测试点 需要达到的光强。标准给出的某方向上光强不是一个定值，而是一个范围，因此 配光具有相当的灵活可变性。 近光灯用于会车时的道路照明，欧洲e c e e e c 法规使用一种带清晰明暗截止 线的近光光型来实现的。以右行车辆为例，v - v 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。前照灯测量屏幕如图1 1 所示( 距离2 5 米， 屏幕上的尺寸单位：m m ) 。国家标准中汽车前照灯在2 5 米屏上的配光要求见表 1 1 。 远光灯用于行车时的道路照明，对于远光束的要求是：具有足够大的发光强 度，对于近光灯和远光灯处于同一反射器中，还要求远光光束中心与近光光束中 心尽量的靠近。 江至前强虹自由曲面厘射器的光生设让复旦太堂亟堂焦i 金室! 图卜1 法规要求的前照灯测量屏幕。 表1 1e c er 2 0 对前照灯配光性能的要求( 卤钨| j 照灯) ， 。 _ 摊 测试屏幕上的点或区域照度要求( 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 光 5 0 v6 束 2 5 l2 2 5 r2 i i i 区所有点 o 7 i v 区所有点 3 i 区所有点2 e 。 k ， 4 8 - 2 4 0 h v 0 8 e 。 远 光 h v 至“2 5 l2 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 渔至前盟妞自由曲面反魁盎的光堂设让 复旦左堂亟堂位j 金童1 1 3 汽车前照灯光学性能评价方法 汽车f ；i 照灯由反射器，配光镜和光源等部件组成。光源从灯丝发出一定数量 的光线。这些光线通过反射器反射到输出面上，并通过配光镜( 特殊的，如自由 曲面反射器则不需要配光镜) 来调整其配光分布。在使用c a d 技术之前需要进行 大量的静态和动态的道路试验才能达到所要求的配光分布。这些试验一直到前照 灯已经开模并且投入生产之前不久才会结束。而目 i i ，这种情况已经大大的改变 了。因为汽车前照灯的开发时间越来越短，而技术要求越来越高，使得计算机模 拟程序成为评价所设计的前照灯的光学性能的必不可少的工具。通过把前照灯的 配光与标准做对比，来评价该前照灯和反射器是否符合要求。 汽车照明中心在2 0 0 3 年从德国购买了一套汽车灯反射器设计的软件，名字叫 l u c i d s h a p e 。它可以很方便的模拟各种光源和反射器的光型和光分布，因此便于 对反射器进行修改，从而提高了设计效率，缩短了设计所需时间。软件中包含有 检验光分布是否满足e c e 标准的程序模块，用来检验反射器十分方便。 江至前匾虹目由曲面反射器的光堂设让 复里太堂亟堂位i 金塞! 第二章前照灯的构造和发展 2 1 汽车前照灯的组成和发展史 汽车灯具以其功能不同可分为两大类：照明灯具和信号灯具。照明灯具包括： 前照灯( 近光灯和远光灯) 、前雾灯、倒车灯、侧照灯等；信号灯具包括：位置灯、 转向信号灯、制动灯、后雾灯、牌照灯以及回复反射器等。其中，前雾灯和倒 车灯既是照明灯也是信号灯，前照灯即俗称的前大灯，包括近光灯及远光灯。它 的一种组成如图所示： 图2 - i 前大灯的组成部件 汽车前照灯的发展经历了以下几个阶段： 第一代：在1 9 2 5 年以前使用的汽车前照灯几乎全是乙炔前照灯。 第二代：电光源前照灯。1 9 1 3 年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，直到1 9 2 5 年，电气照明才得到广泛的应用。 第三代：双光灯芯前照灯。初步解决了前照灯的强光造成驾驶员眩目而导致 发生交通事故和撞车的严重问题。 第四代：不对称近光前照灯。在开车过程中，前照灯既不产生眩目，又能保 证对道路具有良好的照明。 第五代：h 4 卤钨前照灯。卤钨灯灯丝的允许工作温度较普通白炽灯泡高， 光效增加约5 0 ，寿命也增加一倍。 第六代：自由面反射镜| ；i 照灯及h i d 。在车用h i d 光源中，所选用的均为3 5 w 的光源。 t l , 渔奎前匾虹自由曲面厦射噩的光堂设让 复垦左堂亟堂僮i 金塞1 2 2 不同的反射器配光方法 在这里，介绍具有代表性的几种前照灯配光方法。 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 ) 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。 4 ) 自由曲面的反射器 渔奎前盟虹自由曲面反魁嚣的光堂设让复旦左堂亟堂位i 金褒! 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 i ，h 7 ，h b 4 灯泡等与h 4 灯泡同样会有截止线的光形。 2 3h i d 光源的优势 作为目前汽车前照灯使用的适宜光源，主要是h 4 和h 7 型卤钨灯，h 4 卤钨 灯采用主辅灯丝结构，主丝用于汽车行驶时照明，辅丝用于汽车交会时照时，当 汽车相对交会时，为避免对方驾驶员眩目，辅丝的周围加上了钼制的抛物面发光 罩，使灯光不会超过水平线之上，而呈水平方向射出。 另一种h 7 前照灯的配光通过反射镜加以实现，它不像h 4 型卤钨光源那样灯 内装有钼制发射罩，而是通过形状相当复杂的曲面，使光源投射到反射面上的光， 在其再光射的方向上被严格控制，其配光曲线使前大灯出射的光仅以反射的光组 成，并完全保持在水平方向，这样在两辆汽车交会时，双方的驾驶员都不会有眩 光干扰驾驶的问题。 表2 - 1 汽车前照灯中各种光源的技术指标 光通量 名称 光源类别 型号功率( w )寿命( h )年代 ( i m ) l h i c 85 51 5 5 02 2 51 9 6 2 i h 3 c 65 51 4 5 02 2 51 9 6 4 l h 4 c 8 c 86 0 5 51 6 5 0 1 0 0 01 5 0 8 0 01 9 6 9 h 7卤钨光源c 85 81 5 0 09 3 01 9 9 2 h b i c 6 c 61 6 5 4 51 2 0 0 7 0 01 5 0 8 0 01 9 9 2 i h b 3k c 86 51 6 0 01 5 01 9 9 2 h b 4c 85 5i 0 0 08 0 01 9 9 2 d 2 s 气体放电灯 3 53 2 0 03 0 0 01 9 9 6 d 2 r 带红外膜卤 h i r i 6 0 5 52 0 0 0 1 3 0 01 5 0 8 0 01 9 9 7 素灯 表2 - 1 列出了汽车前照灯所用的各类光源，其中h 4 和h b l 都是卤钨光源， 其玻壳均由硬质玻璃制成。c 8 型灯的钨丝轴与灯轴相同，c 6 型灯的钨丝轴与灯 轴呈垂直配置。灯前端涂上黑色是考虑汽车交会时降低眩光的干扰。 汪奎茁盟虹自由曲面反射盎的光堂设让复旦太堂亟堂僮论塞 ! 另外，从表1 还可知，d 2 s 和d 2 r 型气体放电光源研究的深入发展，制造成 本的逐步下降，气体放电光源普遍地用于汽车前照灯很可能在不过的将来予以实 现。当然，现国际上还在开发紫外光源或配备微型定位雷达作为前照灯装置，但 尚未进入实际应用阶段。 作为车灯，h i d 光源与卤钨灯情况对比如图2 2 ： 消费鼋力 光束 劾率 寿命 唧啡 35w 3 200l m 91l r n w 3 ，00o h 图2 - 2h i d 光源和卤钨灯的对比 58w 1 500l m 26l m w 930h 1 9 8 4 年时，飞利浦公司首先提出将h i d 光源用于汽车前照灯的设想， 1 9 8 8 年包括p h i l i p s 、o s r a m 、b o s c h 和h e l l a 在内的欧洲的七个大的光源、车灯和汽 车厂，联合执行欧洲的联合研发项目e u r e k a2 7 3 ，开展汽车放电灯照明系统 v e d i l i s ( v e h i c l ed i s c h a r g el i g h t i n gs y s t e m ) 的研发工作。1 9 9 0 年，h i d 汽车前照灯进行了3 个月1 5 万公里的实车试验。1 9 9 6 年时正式批准了二个e c e 法规，即e c en o 9 8 气体放电型前照灯和e c en o 9 9 气体放电型光源。 随着h i d 光源在汽车前照灯中的普遍应用，应用于汽车前照灯的光源的发展 也迎来了一个新的时代。在当代社会，科学的、可持续的发展已经成为了发展的 大主题，体现在生活中，随着人口日益的增加和能源日益枯竭，人们越来越注重 能源的节约，注重耗能品质量的提高；而用小功率h i d 光源作为汽车前照灯无疑 既节约能源，又提高了照明质量。总之，h i d 作为一种重要的汽车前照灯的光源 有着它重要的意义，h i d 汽车前照灯也必然会在应用中被不断的完善。 在汽车前照灯中采用比卤钨光源更亮、寿命更长的h i d 光源，有以下几方面 汽至前髓虹自由曲面厘射器衄光茔设让星旦太堂亟堂僮i 金塞! ! 的原因： a )节电随着汽车中用电部件的增加，降低单个用电部件的耗电量已经 显得愈发重要，尤其是对于汽车前照灯这样一种需要经常使用又特别耗 电的装置来说，降低其耗电量无疑有着更重要的意义。 b )更长的使用寿命汽车前照灯是一种经常要使用的装置，如果没有较 长的使用寿命，那么频繁的更换必然会给使用者带来或多或少的麻烦。 随着夜间长距离行驶的机会增加，汽车前照灯的稳定性显得越来越重 要，光源的寿命越长，车辆的安全性也就越高。 c )更高的亮度现在，随着生活水平的提高，驾驶人员老龄化已经成为 了一个重要的问题，我国已经将驾驶员的年龄从6 0 岁延长到了7 0 岁。 与年轻人相比，老年人视力水平下降很多，因此，需要提高车灯的照明 水平。此外，更高的照明水平可以使夜间长途行驶变得更加安全。 d ) 供电电源电压变化时，光输出变化不大。如图： 蓄电池电聪( 伏) 图2 3 光输出和电池电压的关系 猢 啪 董| 卯 。 二瓮v酬冒米 汽至前眼虹自由曲面反射噩的光堂设让复坠叁堂亟堂僮论塞 ! ! 从图中我们可以看出，在蓄电池电压变化的时候，h i d 光源的光通量几 乎没有变化，还能维持较高质量的光输出。 e )适应车身的需要现在汽车车身的设计大多是流线型，为了保证车灯 尺寸的缩小能够不影响到照明的质量，更亮的光源自然就更显得重要。 下面的表中给出了h i d 光源与卤钨光源光学特性的比较，从中我们可以了 解到h i d 光源作为汽车前照灯的优势： 表2 - 1 ：h i d 光源与卤钨光源光学特性的比较 光 h i d 光源卤钨光源( 1 2 v 用) 符拦 d 2 sd 2 r主丝 副丝 h 3 功率( 瓦) 3 57 26 55 5 光通量( 流明)3 2 0 0 2 8 0 0 1 6 9 0 l o l 0 1 3 7 0 光效( 流明瓦) 9 l8 02 21 52 5 色温度( k )4 2 0 0 4 1 0 0 3 2 0 03 0 5 0 3 2 0 0 显色指数( r a ) 6 59 99 99 9 平均寿命1 4 v 开灯 2 5 0 01 5 51 0 0 03 6 0 ( h ) 1 3 2 v 换算 f2 9 5 1 9 0 03 8 5 光通量维持率( 额定寿命 时) 7 0 9 0 8 5 启点一定时司的州冷启动2 5 ( 1 s ) ，8 0 ( 4 s ) 1 0 0 1 0 0 1 0 0 通羔稳定时为l再开灯100 8 0 ( 1 s ) ( 0 5 s )( o 5 s )( 0 5 s ) )l 。 从表中可以看出，汽车前照灯中的h i d 光源是3 5 w 的小功率h i d 光源，小功 率的h i d 光源比起卤钨光源来能耗自然要低一些。同时，9 1 8 0 ( 流明瓦) 的光 效比起卤钨光源照明效果要好很多，更高的色温也使光色更白，而平均寿命达到 了2 5 0 0 小时，相对于卤钨灯来说更是有着非常大的优势。 现在常用的汽车前照灯中h i d 光源的型号为d 1 s 、d 1 r 和d 2 s 、d 2 r 。其中： 渔奎前瞌虹自由曲面反魁嚣的光生设让星旦厶生亟堂垃j 佥銮! ! 图2 4d i s 和d 2 s 成品图 前者用于投影式前照灯，后者用于反射式前照灯。通常情况下d 2 气体放电 江至前隧虹自由曲面厦慰器衄光堂设让复旦左堂亟堂位j 金塞 ! ! 光源填充物由氙、汞和碘化钠、碘化钪的添加物组成。h i d 汽车前照灯的一种结 构如下图所示： 护罩 光源反射镜 光源插座 图2 5 ：一种h i d 汽车前照灯的结构示意 在图中我们可以看到，汽车前照灯包括光源、护罩、透镜、反射镜、光源插 座、屏蔽镜等几个部分，另外所有的气体放电光源都必须配备合适的镇流器才能 稳定工作。过去，用于照明的一般气体放电光源都是采用电磁式的镇流器，现在 为了节电并改善光源的性能，正逐步采用电子镇流器。 在上文中我们已经介绍了这种光源的优点，3 5 w 小功率h i d 汽车前照灯光源 功率小，节能效果显著；光源发出的光更强，照明效果更好；色温高，光色更白； 供电电源电压变化时，光输出几乎是恒定的。 作为更新一代的汽车灯光源，l e d 车灯技术正在快速的成长起来。 l e d 作被称为第四代汽车光源，经验人士认为，l e d 车灯除一次性投入较高 外，具有质量好、品位高等白炽灯无法比拟的优点。 近年来著名品牌车如宝马、福特、本田、丰田、奔驰、奥迪、凌志等无不遗 余力发掘新的卖点，争相推出各式新款车吸引顾客，从而各自开发出了引人入胜 的五彩缤纷的车灯款式。l e d 灯具作为为第四代汽车光源，已为众多汽车制商善 加利用制造出美奂美伦的车灯款式。l e d 车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、 抗震、色纯度高等诸多优点，已成为钨丝灯，卤素灯的必然取代产品。 据预测，在未来5 年内我国l e d 车灯将有大规模的发展，近几年内会形成年 产1 0 亿元的产值，5 年后会形成每年3 0 亿元的产值。 江奎前强虹自由曲面厦越瑟的光堂设让复旦左堂亟堂位i 金室! 1 3 1 灯具的定义与分类 第三章灯具设计概论 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 肢安装位置不同进行分类； c 肢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 披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 灯具是一种电气设施，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。 ， 冱至前盟舡自由曲面厘就盎的光堂设让复旦叁堂亟堂位论塞! ! 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。 3 2 灯具设计的考虑要素 灯具是一个完整的照明单元，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。 a ) 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。 b ) 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 浯至前照舡自由曲面反射盎的当堂设让复旦厶堂亟堂鱼j 佥塞竺 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。 c ) 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。 m 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。 e ) 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。 3 3 灯具设计的一般步骤 a ) 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； b ) 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； c ) 根据所确定的灯具的功能和选择的光源材料，设计合适的光学系统： d ) 根据所确定的光源和防护等级设计合适的电气系统： e ) 根据所确定的光学系统和电气系统设计合适的灯具结构。 江至勘照虹自由曲面反魁盎的光生设让 复垦厶堂亟堂焦论毫! ! 第四章自由曲面反射器的光学设计 4 1 自由曲面反射器的产生和优势 前照灯是汽车重要的安全性外观部件，它的设计制造是光学、材料学、计算 机辅助设计技术、模具c a d c a m 技术及特种工程塑料加工技术的集成。其设计的 好坏不仅影响夜间照明效果并直接涉及行车安全，而且还会影响到汽车的外形， 进而影响风阻、车速、油耗等。此外，车灯是汽车的重要装饰性部件，美观的车 灯会使整部汽车熠熠生辉，起到画龙点睛的作用。因此，人们越来越重视车灯， 尤其是前照灯的美学效果。 以前反射器几何形状通常做成抛物面。这种反射镜容易产生平行光，但对于 近光来说，单靠反射镜就不够，必须采用配光镜。配光镜的多个透镜单元和条纹 把出射光折射散布。而随着车速提高，车身j ； 部降低呈流线型，故对车灯的光学 性能越来越高，旧的设计方案已经不能满足要求，所以自由曲面反射器( f f r ) 应运而生。自由曲面灯是目前国际国内最流行的前照灯样式，它依靠反射器的面 型来保证配光效果，灯罩为不具有光学作用的光滑透明罩，因而可有较大的倾斜 角度，使车头可以设计成流线型以降低风阻并减少油耗，或者其他充满个性的外 形以产生良好的美学效果。我国的前照灯正处于从老式灯向由自由曲面反射器 ( f r e ef o r mr e f l e c t o r ) 配光的新式灯更新的时代。国际上有德国海拉、日本小 糸和北美车灯等公司可以开发制造高质量的自由曲面灯，但他们严格进行技术垄 断，以至真正意义上的自由曲面灯设计在中国长期处于空白。 目前，我国的自由曲面前照灯设计正不断趋于成熟。自由曲面灯的设计难点 在于自由曲面的面型设计，具体的说就是如何设计出符合光学照明需要的自由曲 面反射器。自由曲面反射器前照灯的配光镜没有透镜，因此形成配光的功能完全 由f f r 完成。这样的反射面当然不能是简单的抛物面，而是非常复杂的光学面。 4 2 传统自由曲面设计步骤 a ) 光源的选定 一个照明系统必须有一个可靠的光源，单丝灯泡公差范围小，互换性高，灯 的高度也可以降得很低，更有利于改善车体的外观，因此近来采用较多。在我国， 汽车多采用h 4 、h 1 、h 7 灯泡：摩托车多采用h s l 、s 1 和s 2 灯泡。自由曲面灯的 照明效果与灯丝的参数密切相关，灯丝参数的微小变化可明显地改变配光效果。 沲奎前蜢虹自由曲面反射盎的光茔设让复旦叁堂亟堂僮i 佥室 ! ! b ) 建立基础反射面并确定它与灯泡的相对位置 车灯是一个完整的照明系统，为满足一定的照度值，传统上是采用抛物面作 为反光器，并使灯丝位于抛物面的焦点附近。自由曲面灯的设计也基本采用这一 原理。首先建立一个基础反射面抛物面，其参数是根据车灯所采用灯泡的 灯丝位置及车体所能提供的车灯装配体积来确定的。灯丝中轴线应与抛物面的轴 线重合。 c ) 划分子块 单一的基础面无法满足配光要求，须划分成若干小块，分别改变参数，使总 的照明效果满足国标规定的配光要求。分块的方法是：在与光轴垂直的平面内划 分出矩形或梯形等形状，这些形状的边界在基础面上的投影分基础面成若干块。 分块的原则是边界简单，排列整齐，数目尽量少。 确定边界分块确定之后就要确定各子块的边界尺寸，它们同样属于各子块的 参数：而且，边界尺寸对于形成清楚的明暗截止线具有重要的意义。 d ) 参数修改 将以上的基础面参数，各子块面的参数及所采用灯泡的参数输入计算机中。 用c a d 技术进行光线的追迹计算，可以得到2 5 米远的配光屏上各块的照度分布 梯度图和总的照度分布图。首先修改各近光块的参数，并反复进行光线追迹，直 至近光总照度分布满足要求。若没有问题，自由曲面的光学设计就完成了，否则， 需反复修改参数直至合格。 设计技巧自由曲面的光学设计难点为同时满足：1 清晰的截止线：2 测试点 和测试区的照度值要求：3 均匀的照度分布：4 近远光照明基准的一致性。要有清 晰的明暗截止线，必须使照度值在截止线处有较大的梯度，梯度越大，明暗截止 越清晰。为此，需将部分近光块的反射光斑调成明亮的细长条，平行于截止线并 紧贴在截止线下，加大照度的梯度值。另外，各细长条的照度、高度和分布要均 匀一致，避免个别块的反射光斑过于突出，使截止线不直或明暗截止程度不一致。 另外，对称块的参数有相互对应性，对于只形成水平截止线的白炽光源摩托车前 照灯来说，可采用对称划分块，选择对称参数的方法，简化设计。 总之，在分块时就应考虑到各块的不同作用，其作用无外乎产生截、亮、匀 的不同效果。 冱至前暖虹自由曲面反射器的光窆设让复旦厶堂亟堂焦i 盆塞! ! 由以上论述可知，带自由曲面的汽车f ；i 照灯的光学设计是一个复杂的计算机 辅助设计过程，要想得到理想的设计结果，必须耐心地进行大量的光线追迹计算 并积累大量的实际设计经验。为了减少设计时间，通常还要求设计人员具有比较 丰富的实际经验。否则即使在计算机辅助条件下，还是需要较长的时间来进行设 计。 4 3 光输出的理论基础 要预测特定灯具反射器的光输出，我们将反射曲面分解成一定数量的反射面 元，分别计算这些反射面元的反射情况，对于整个反射曲面叠加以后就可以得到 出射空间的光分布。 现在我们来考虑灯丝上的任一点l 。和反射器上的任一点m ( 如图4 1 ) 。 图4 1 前照灯反射器的原理图 实际上反射器上的这一点是代表了一个小面元，m 点是该面元的中点。灯丝 上一点l i 在该面元所张的立体角内的发光强度可以认为恒定。根据光迹追踪的 原理即可求得l i 射向m 点的光线被反射后的方向，近一步可求得l i 对应的m 面元 的映像s 。对灯丝上的所有点重复上述过程，就可迭加获得经m 点所代表的小面 元反射在2 5 m 远处的屏幕上所形成的映像，再对反射器上的各个面元重复上述过 程。即可获得经各个面元反射所形成的映像。最后，将这些灯丝像在屏幕上迭加 起来，结果就得到整个反射器在测量屏幕上形成的光分布。 4 4 利用l u c i d s h a p e 进行设计 现在，汽车照明中心去年引进的l u c i d s h a p e 可以按一定要求直接生成所需 要的自由曲面反射器，并且它具有光迹追踪的程序模块，能够生成直观和生动的 洹至前疆虹自由曲面反射器的光堂设让复旦左堂亟堂位途塞! ! 光分布形状。 在l u c i d s h a p e 里打开f f r 的设计模块，包括初始设置，设置g r i d ，子块， 光源等，也可以选择是否设置探测器等。下面列举一个案例，设计一个半径为 7 0 m m 的准圆形自由曲面反射器。 对于自由曲面反射器设计，软件都会给出一个基本的模板。如果没有这个基 础来进行设计，难度是非常大的。没有设计经验的人，比较适合从设计模板着手。 a ) i n i t i a ls e t ( 初始设定) 中，先输入反射器的起始坐标和在x y 平面上的 投影范围，还有光分布的扩展角度等。 考虑到我们使用的前照灯光源为卤钨灯，可设定前照灯的光分布扩散角为 3 5 度。 b ) s e tg r i d ( 设置块) 对话框下，可设定反射器基本形状，子块数目，子块宽 度等，这是反射器设计的重要数据，也是设计中需要调整最多的数据。当设定不 同的子块数目时，生成的自由曲面反射器形状会完全不同。当然最后导致的光强 分布也会有一定区别。此处，我们使用的是左右两边各有4 个子块。 c ) s e tf a c e t ( 设置面) 模块中，可对每一个子块进行细致的参数设定，包括各 自的扩展角度等。而在初步设计中，通常使用其默认值。 d ) s e ts o u r c e ( 选定光源) 模块下，就是选择某种灯型，如h 4 ，h 7 等作为光源。 我们选择的灯型为h 7 ，为卤钨灯。 e ) c a l c u l a t e ( 计算成型) 。在完成所有设定后，在软件中生成自由曲面的反射器 的初步形状。如图4 2 为该反射器的x y 2 维平面图。 图4 2自由曲面反射器平面图 图中可以看出该反射器的直径为大约1 4 0 r a m ，符合最初的设计构想。 然后就可以模拟此近光灯的光强分布( 图4 3 ) 。设定需要的光线数目， 般光线数越多，图像越清晰。下图( 图4 - 3 ) 所选光线数目为1 0 0 0 0 0 0 。 图4 3 反射器的仞始发射光强分布 造奎前匾虹自由曲面反射嚣的光堂设让 复里盘堂亟堂位途童丝 对于汽车前灯的近光束来说，这个光形基本是令人满意的：存在1 5 度角清 晰的截止线( 该截止线得存在目的是避免前照灯对因面来车司机造成眩光) ，扩 展范围基本在3 5 度之间( 符合预先设定值) 。这样就算完成了初步设计，然后还 需要进行改善。 将这个光强分布与国际e c e 近光灯的配光标准作比较，我们发现在标准规定 的大部分特殊点上，该反射器的光强分布都能满足要求。修改过程如下。例如在 与e c e 标准比对之后，发现在图4 3 中坐标为( 1 1 5 ，一0 5 3 ) 的点上( 该点与 e c e 标准的某一特殊点相对应) ，光强略小于标准所要求的。由前面的讨论我们 知道，某一区域的光强分布总是对应着一定区域的反射面。考虑到该点处于截止 区，而该区域的配光由反射器的右侧第四子块生成。因此我们集中修改了这一个 子块的相关数据，既然它的中心光强不够，就缩小光线的扩散角度以使它的光线 更加集中。然后再次进行模拟，得到图4 4 。 图4 4修正后的反射器光强分布 比较图4 3 和图4 4 ，配光曲线的主要形状并没有很大区别。但是可以看到 在总光通量几乎保持不变的情况下，光线更加集中到了热点附近，光强最大值有 所增加。如此经过反复调整和模拟验证，终于使得原先未达到标准要求的截止区 光强符合e c e 标准。如果有其他区域的光强不符，则可作类似的调整。 沲至前匾虹自由曲面反射盎的光堂设让复垦叁堂亟堂位论塞 翌 下表为软件中的标准对照比较， 方的数据，对应于光型边缘的区域， 表4 - 1 表明主要位置都已经达到标准。而表4 1 下 考虑其重要性则可以忽略不计。 s c a l e ：1 l i dn a m e ：l i d ：s c a l e = o 7 r e g u l a t i o n ：e c el o wb e a mr 1 1 2c l a s sbh e a d l a m pe s d e g v a l u eo km i nm a xt e s tp o s a r e ah ，h v ，vf o u n dp o s 1 x 1 x i x d e g 而最终的自由曲面反射器形状如图4 5 ： 渔至前盟虹自由曲面反射盔的光堂设让 复垦太堂亟堂鱼j 金塞三兰 k 、 丌 沁 、 - ， ， 平面2 d 图 3 d 显示 图4 - 5 自由曲面反射器的形状 在完成光学设计之后，我们通过小糸公司为自由曲面反射器开出模具，目的 是检验设计得出的反射器是否在实际中也能满足标准要求。 图4 6 为模具的实际光分布照片。 江至前匾虹自由曲面反射墨的光堂设让复旦太堂亟堂焦论塞垄 图4 6模具的实际光型 从该图首先可以看出，截止线比较清晰，上方的光线强度控制得很好。亮斑 位置比较合理，紧贴于右侧截止线下方。 渔奎茁盟虹自由曲面反射盎的光堂设让 复旦左堂亟堂位j 金室! ! 特殊虑二二! 照度值 i n i5 7 2 b 5 0 l 1 1 7 7 5 r2 7 5 4 7 5 l1 4 3 6 5 0 l1 9 4 7 5 0 r2 9 5 6 ： 5 0 v1 9 3 8 2 5 l1 8 8 3 2 5 r1 1 3 1l i 照度分布 他r t i 佃e- 1 08- 64- 2024 l6 51 0 11 0 8 ，2 7 一卫5 6 一一2 1 4 l 2 1 5 1 2 1 5 1 8 1 4 5 41 1 31 1 9 i 4 8 l2 0 1 ；2 3 5 l2 3 3 2 2 32 3 91 9 9 31 3 71 4 2 m _ 1 帆l 一2 4 7 一2 轧t 一2 5 6 ：2 7 7 3 0 93 8 6 22 4 2 ；2 8 23 4 2 3 4 5 3 5 3 l 3 9 2 l5 3 ；8 7 31 2 1 53 7 5 4 2 84 7 1 t4 6 35 0 6 j5 5 1 0 4 i1 5 8 l3 4 9 16 0 7 6 6 86 8 2 ，6 6 77 9 2 9 8 3 ；1 9 9 l4 7 5 7 0 0 5儿0 1l i 7 1 2 1 ； i 2 2 1 5 6 2 2 2 ， i 1 6 3 l2 1 3 i i 1 0 7 3 0 21 5 5 51 6 8 l1 8 2 ；1 8 32 3 6 3 8 6 。2 5 2 i l2 9 8 8 i1 2 6 1 02 2 s 22 3 22 8 4 l2 8 5 3 9 j l 5 7 42 8 8 3 3 6 理 1 3