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汽车前照灯反射器设计复曼戈笋缝兰兰壁i ! 苎 论文题目：汽车前照灯反射器设计 物理直王堂专业 垫盟届研究生胜指导老师：周态明数援周值副数援 摘要： 汽车前照灯反射器的设计是一个系统的工程，把计算机辅助谜过技术弓 入到汽车前照灯反射器设计这一领域，将有力地促进其设计方法的发展。 首先，本文介绍了一般的灯具设计概论，在此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。 厂f 接着，( i 本论列揉讨了几种常用自由曲面的数学模型，包括7 l 斯( c o o n s ) 曲面、贝塞尔( b 6 z i e r ) 曲面和b 样条曲面。良中结合b 样条曲面优势、b 样 反射器设计软件。结合程序内容、界面，介绍了包括程序设计思想与设计过 程、程序功能模块介绍、相关文件格式和应用设计方法四部分。 f 【最后，本文对结果进行了分析并加以讨论。 汽车前照灯反射器的设计方法非常复杂，我们也是刚刚投入这一领域的 研究，本论文介绍的设计方法和设计软件还只是初步的尝试，为了使设计方 法和设计软件能真正进入实用的阶段，还有不少的工作要做。在文章的最后， 提出了进一步改进的若干设想。 矿一 关键词：前照灯、反射器、b 样条、光迹追踪、自由曲面 分类号：t m 9 2 3 4 瑙多7 一 复旦大学研究生院学位论支摘要专用纸 塑圭塑璺堑垦塾墅塑盐! 堕：垄兰堡兰兰丝塑一 论文题目：t h ed e s i g n o f a u t o h e a d l a m p r e f l e c t o r 光源当盟明工猩系 物理电王堂专业 丛盟届研究生脏指导老师： a b s t r a c t ： 圃太明数援周焦副数援 t h ed e s i g no fa u t o m o b i l eh e a d l a m pr e f l e c t o rh a sb e c o m eas y s t e m a t i ct a s k t h e i n t r o d u c t i o no fc a dt ot h i sf i e l dh a ss t r o n g l yp r o m o t e dt h ed e s i g nm e t h o da n d t h e d e s i g np r o c e s s t h i sp a p e rb e g i n sw i t hd e s i g nm e t h o df o rg e n e r a l l u m i n a i r e t h e o p t i c a l a n d g e o m e t r i c a l f o u n d a t i o ni si n t r o d u c e da f t e rt a l k i n g a b o u tt h e p a r t i c u l a r i t y o f a u t o m o b i l eh e a d l a m pr e f l e c t o r t h e n ，s e v e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l so f f l e ef o r ms u r f a c e s ，s u c ha sc o o n s ，b 6 z i e r a n dbs p l i n es u r f a c e s ，a r ed i s c u s s e d t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no f bs p l i n es u r f a c e i nt h ea u t o m o b i l eh e a d l a m pr e f l e c t o rd e s i g ni sp r e s e n t e di nd e t a i l s c o n t i n u o u s l yc o m e s t h em a i nt o p i co f t h i sp a p e r as o f t w a r ep r o g r a mb a s e do nt h e b s p l i n et e c h n o l o g y ，w h i c h i s d e v e l o p e db y t h e a u t h o r ，i s d i s s e r t a t e dw i t h e m p h a s e s c o m b i n i n g t h es o f t w a r ec o n t e n t sa n di n t e r f a c e s ，t h ed e s i g ni d e a ， p r o c e d u r e ，m o d u l ef u n c t i o n s ，f i l ef o r m a t a n d d e s i g nm e t h o d a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h er e s u l t so f t h ep r o g r a m a r ea n a l y z e d t h ed e s i g nm e t h o do fa u t o m o b i l eh e a d l a m pr e f l e c t o ri sc o m p l e x w ej u s ts t r o d e t h ef i r s ts t e pi nt h i sf i e l d t h ed e s i g nm e t h o da n dt h es o f t w a r ep r o g r a ma r eo u r f i r s tt r y t h e r ea r es t i l lal o t ，w h i c hn e e dt ob ed o n ef o rt h er e a la p p l i c a t i o n t h i s p a p e re n d s w i t hs o m e p r o p o s a l sf o ri m p r o v i n g t h ec u r r e n tw o r k k e y w o r d ：h e a d l a m p ，r e f l e c t o r , bs p l i n e ，r a yt r a c i n g ，f r e ef o r m 复旦大学研究生院学位论文摘要专用纸 汽车前照灯反射器设计复旦茎皇塑堕塑i 垒苎 引言 汽车照明和信号装置是汽车重要的安全部件。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。在各种汽车灯中，前照灯的作用 尤为重要。 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、暗区之问有一条十分鲜明的分界( 截 止) 线。 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。由于以前 用作反射器的材料主要是钢板，为加工成形方便，其几何形状取为抛物面。对远 光而言，该反射镜能很方便地产生平行光。但对近光而言，单靠这种反射镜的作 用是不够的。图1 是当灯丝轴向安放在焦点前方时，抛物面反射镜在2 5 m 远处的 屏幕上所形成的光分布。图中间是一个黑洞，而且光向水平方向散开得也不够。 为了填补黑网，并且使光平滑地向水平方向散开，必须采用配光镜。配光镜上的 多个透镜单元将反射镜出射的光向要求的方向折射、散布。 图l 抛物面反射镜将灯丝成像于2 5 m 远的屏幕上形成的光型 出f 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， 汽年前照虹反寰l 器设计 复旦丈学硕士学位论文 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。本论文探讨了几种 常用自由曲面的数学模型，包括孔斯( c o o n s ) 曲面、贝塞尔( b 6 z i e e ) 曲面和b 样 条曲面。文中结合b 样条曲面优势、b 样条曲面反射器模型和计算方法详细阐述 了b 样条曲面在汽车前照灯反射器程序设计中的具体应用。重点介绍了作者基于 上述模型编制的前照灯反射器设计软件。结合程序内容、界面介绍了包括程序设 计思想与设计过程、程序功能模块介绍、相关文件格式和应用设计方法四部分。 本论文课题所设计的计算机辅助设计程序主要针对f f r 前照灯的光学设计。 这种前照灯的配光镜上没有透镜，是平滑的，形成要求配光的功能完全由自由曲 面反射器( f f r ) 来完成。显然，这种反射面不再是简单的抛物面，而是一个很复 杂的光学面。本文主要讨论b 样条曲面的数学原理及其在f f r 前照灯光学设计中 的应用。 汽车前照虹r 铽器1 设计 复旦大学硕士学位论文 1 1 灯具的定义与分类 第一章灯具设计概论 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 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问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 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 了二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。 汽车前照灯反射器设计复旦2 ( - 学厨士学岔趁卫 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。 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。 12 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。 汽车前照灯反射器设计 复_ 旦走学丽士笋岔趁膏 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。 1 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。 1 3 灯具设计的一般步骤 1 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，设计合适的光学系统； 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。 汽车前照灯反射器设计复旦天笋萌士笋岔趁丈 第二章汽车前照灯反射器设计概论 2 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j l ) 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 汽车前照灯反射器设计 复旦戈笋厨士学岔趁业 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， 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 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。 2 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2l 所 示( 距离前照灯前方2 5 米，屏幕上的尺寸单位：m m ) 。 3 9 6 0 h 一h 拍r 图2 - 1 法规要求的前照灯测量屏幕 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2 1 。 汽车前照灯反射器设计复蛋文学研士学岔般之 表2 1e c er 2 0 对前照灯配光性能的要求 l测试屏幕上的点照度要求( 单位：l x ) i b 5 0 l0 4 7 5 r1 2 7 5 l1 2 近 5 0 l1 5 光 5 0 r1 2 光 5 0 v6 2 5 l2 束 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 皿 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hv 点的照度与最大照度的比值应8 0 。 2 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j 上 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 汽车前照灯反射器设计寅蛋a - 学羼士学岔趁立 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 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 1 ，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。 汽车前照灯反射器设计复旦文笋剪士学站趁膏 近年来，在一些高级轿车上开始使用气体放电光源。 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。 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。 本论文的目标是适应前照灯的配光控制方法的发展，开发出个反射器计算 机辅助设计系统，该系统特别适用于自由曲面反射器的设计。 2 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： j 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： 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。 汽车前照灯反射器设计复旦文学研士学岔越卫 第三章汽车前照灯反射器设计的光学和几何基础 3 1 光源模型 采用卤钨灯作为光源，灯丝按平行或垂直于反射器的光轴方向安置。与反射 器的尺寸相比，该灯丝不能当成点光源来处理，其行为必须采用近场光度数据来 描写。另外在光源内部，由于结构上的原因，存在着一些支架，用来支撑、固定 灯丝。由于它们离灯丝很近，因此，对于从灯丝上发射出来的光的空间分布也起 到了一定的遮蔽作用，从而不能将灯丝发射的光的光强空间分布理想地认为是均 匀的，而是在不同的空间位置，其光强分布也不同。 3 1 1 原理 由量子力学的黑体理论和钨灯丝的特性，可得钨灯丝的光辐射出度为： m ( t ) = k m x ! 瓣州 m x v m p - ， 式中，k 表示明视觉条件下的最大光谱光效率，c 和c 。是常数， 代表波 长，t 代表温度，e ( ，t ) 代表钨丝的辐射系数，v ( ) 代表光谱光效率。 这样， l ( t ) 就是光的出射度。由于h 4 灯的灯丝属于热辐射光源，我们近似 认为它是朗伯光源，所以光出射度m 与亮度的关系为： m = nl则 ( 3 - 2 ) l = m 而i = l * s * c o sq( 3 3 ) 其中s 是每段灯丝的有效发光面积，o 角是如下的方位角： 图3 1 灯丝。角示意图 3 1 2 处理过程 根据以上的分析，我们的处理思路如下： 首先，认为灯丝是线状光源。在这个基础上，将灯丝分段，并认为每一段的 温度符合一定的分布。但同一段灯丝的温度分发布是相同的。灯丝的长度大约是 几个毫米左右，分段后，每段灯丝的长度变得很小，相对于反发射器来说，足可 以看作是点光源。点光源的发光中心在光轴上。 壶 汽车前照灯反射器设计童量天笋而士笋岔照立 根据以上公式，可以计算得到每一段灯丝的空间光强分布。但在这些因素考 虑下，这种处理过于理想。实际上由于存在支架的遮挡效应，使灯丝的空间光强 分布在圆周m = 9 0 度与由= 1 8 0 度附近存在明显极小值，而在其它角度上，则 光强分布不一致，存在随机性( 实际上是由于光源内部的一些因素造成的，例如 泡壳的不均匀性形成的出射光线折射效应，等等) 。而在0 = 0 度方向，由于近 光灯丝的配光屏的遮挡效应以及灯座的遮挡效应，使灯丝在0 大于某个角或者小 于某个角时，都没有光线出射。 基于以上诸多考虑，分段后，依据公式计算每段灯丝的空间各个方向上的光 强。然后利用这些光强数值，获得了每段灯丝的总光通量。将每段的光通量累加， 就得到光源的总光通输出。把这些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一定方向上的光通量o ，。当然，光线的数量，应该按照灯 具设计者要求的来设定。 然后，以每一段灯丝的中心点为球心，在它的周围的空间里，沿经线方向 与纬线方向各步进5 度，计算这一个小的立体空间内的光通量。这根据下列公式 来进行： 中5 5 = i q 5 _ 5 ( 3 - 4 ) 其中，q 。是这小立体空间的立体角。 再后，确定这一立体角范围内有多少条光线： 光线数r n = 中。一。m ， 【3 。5 ) 我们把这些光线在空间的分布以两组变量来表示： 它们的出射位置：x ，y ，z 它们的空间方位角的方向余弦：c o s o c ，c o s b ，c o s y 其中，对于出射位置，规定光源的光轴沿x 轴放置，其坐标原点为灯丝的 中心，如图3 - 2 ： z 轴 图3 - 2 灯丝放置坐标示意图 x 轴 汽车前照灯反射器设计复量力学丽士笋岔趁卫 经过这样一些假定与处理以后，通过计算机进行计算，就获得了相关的光学 数据。 3 2 光学基础 3 2 1材料表面的反射性质 灯具反射器所选择的材料和它的表面性质决定了反射光线在空间的分布形 状和强度大小，进而决定了灯具出射光线的空间分布形状和强度大小。因此，研 究材料表面的反射性质，选择适当的表面反射模型是灯具反射器设计的基础。 根据反射光的分布形式可将材料表面的反射性质分为定向反射和扩散反射 两大类，扩散反射又可分为定向扩散反射，漫反射和混合反射等，如图3 3 ： a 1 定向反射 舀 b ) 定向扩散反射c ) 漫反射d ) 混合反射 图3 3 四种反射模型 定向反射：这种表面反射的理想模型认为反射光线满足反射定律，认为出射 角为0 与入射角相等，出射光强也等于入射光强。镀银玻璃表面是这种表面反射 模型的一个代表。 定向扩散反射：这种表面反射的模型保留了定向反射的某些特性，但出射光 线既不是完全镜面反射，也不是完全扩散反射，而是在镜面反射光线方向的附近 具有一定对称的分布出射强度，即在产生定向反射的方向上，反射光最强，但反 射光束被“扩散”到较宽的范围。 漫反射：漫反射的特点是反射光的分布与入射角无关，在宏观上没有规则反 射，反射光不规则的分布在所有的方向上。 这种表面反射的理想模型认为入射角为0 ，强度为 的入射光线经表面反 射后，出射光线在入射光线和法线构成的平面上呈圆形分布，法线方向的强度值 最人。即： 一( y ) ：t r ( y ：o ) c o s ( ) ( 3 - 6 ) 汽车前照灯反射器设计复互，七学而士笋岔艘卫 混合反射：混合反射兼有定向反射和漫反射的特性，混合反射中有定向反射 成分，所以，可在反射角处看见光源的形象，但不清晰，又有漫反射的特点。混 合反射中定向反射和漫反射两种成分的比值和光线的入射角有关。 3 2 2 光通量不变性原理及应用 由光源s 所发出的落到镜面上的光通量经反射后，在出射空间保持不变。这 是能量守恒定律的反映。对于存在吸收现象的表面反射中，出射光通量应为表面 反射系数与入射光通量的乘积。 光通量不变性原理使得计算出射空间的光通量分布成为可能。我们确定某 个面元的入射光通量和入射方向，计算出射方向以后，就能确定这个方向上的光 通量大小，对于整个反射空间进行计算以后，就可以知道反射光通量在空间方向 上的分布情况。 3 3 光迹追踪算法 在开发计算机辅助设计汽车前照灯软件中，最主要的的算法问题是如何模拟 从光源发出的光经过反射器后在2 5 米测光屏( 或出光口面、路面) 上的光分布， 以及如何根据这些光分布推算出是由光源发出的哪部分光产生的。这在设计、调 整反射器曲面方程和最后模拟设计效果及整个车灯照明效果中都是起到举足轻 重的作用的。 实现这些功能，最常用也最方便的是光迹追踪算法。完善的光迹追踪算法由 w h i t t e d 于1 9 8 0 年提出，同时提出了一个整体光照明模型。光迹追踪算法原理简 单，实现方便，经过二十年来的不断发展被广泛的应用于c a d 领域。 3 3 1 光迹追踪的基本原理 标准光迹追踪算法中有两个隐含的假设： 1 ) 光线是一根没有大小的直线； 2 ) 景物表面完全光滑，光在表面的反射遵循镜面反射和规则透射规律。 上述两个假设导致了光迹追踪算法生成的图形中含有轮廓清晰的多重反射 效果，显然这种图形是超现实的。景物表面上每一可见点处的光亮度有以下三部 分组成： 1 ) 由光源直接照射而引起的光亮度： 2 ) 环境中其他入射光在表面产生的镜面反射光亮度； 3 ) 环境中其他入射光在表面产生的规则透射光亮度。 于从光源发出的光线有无穷多条，使得直接从光源出发对光线进行追踪变 汽车前照虹反铽器设诗复旦大学硬士学位论文 得非常困难。实际上，从光源发出的光线只有少数经由场景中景物表面之间的反 射和透射后到达观察者的眼中。为此，标准光迹追踪算法采用逆向追踪技术来完 成整个绘制过程。算法从视点出发，通过图像平面上每一象素中心向场景发出一 条光线，若光线与场景中景物无交，则光线将射出画面，追踪结束。否则光线与 景物有交。此时，光线在离视点最近的景物表面交点处的走向有三种可能： 1 ) 当前交点所在的景物表面为理想漫射面，追踪结束； 2 ) 当前交点所在的景物表面为理想镜面，光线沿其镜面反射方向继续追踪； 3 ) 当前交点所在的景物表面为规则透射面，光线沿其规则透射方向继续追 踪。 显然，上述过程是一递归追踪过程。对每一根穿过屏幕象素中心的光线的追 踪构成了一颗二叉树。光线在景物间的反射和折射可以无限的进行下去，但在实 际计算中不可能做到无休止的光迹追踪，因而需要给出光迹追踪的终判条件。一 般来说，光迹追踪的终判条件有以下两种： 1 ) 光线射出画面，即光线与场景中的景物没有交点：或者与光线相交的最 近景物表面为漫射面；或者当前追踪层次已经超过用户设定的最大追踪层数。 2 ) 追踪光线对显示像素光亮度的贡献小于一预先给定的阈值。 光迹追踪是光照物理过程的近似逆过程，这一过程仅追踪景物间的镜面反射 光线和规则透射光线，因而它仅模拟了理想表面的光能传播。这使得用光迹追踪 生成的图形的真实感不强，缺乏阴影和层次感，在很多情况下需要别的手段来反 走样。但对于我们前照灯设计来说，尤其是对自由曲面反射器设计，由于整个需 模拟的环境比较简单，只包括光源和反射器，同时反射器表面又近乎理想镜面， 能很好的满足隐含假设，因此，在应用到反射器设计中来时，光迹追踪能得到较 好的效果。 3 3 2 光迹追踪的计算 1 ) 反射回兀的法向量计算： 我们用一组p ，( x ，y ，z ) 来描述反射器曲面，相邻的四个f ，分割成二 个三角形反射面元，分别由f p ，f 扎，和p ，p 扎，p 扎川构成，标记为 s i 。和s 2 。面元s 1 。的法向量n i 可由下式行列式决定： 7 7 五 l 12 i。x。ld+,j一-。xi。,jy ：? j ：y ：j 。zs ，i + , j 。- - 一：z 。l , y yl ； 3 _ 7 l 工叫+ l 一工叫叫+ l uz + i z 叫l 汽车前照灯反射器设计复互文学研士学岔趁更 它的面积s l 由下式决定： s 1 ：0 5 面萨i 而丽；( 3 - 8 ) 其中：n 1 x ，n l y ，n 1z 分别是对1 的x ，y ，z 分量。它的单位法向量i l 由下式决 定：i 1 = 丽n i 。面元s 2 , j 的法向量2 可由下式行列式决定： | v 2 = l x i + 1 ，一x f ，j + i x j + 1 一x ，j + y h l ，一ys , j + l y + l ，j + i y f ，+ f 3 - 9 、 它的面积s 2 由下式决定： s 2 = 0 5 x j v 2 x 2 + n 2 y 2 + n 2 z2；(3-10 其中：n 2 x ，n 2 y ，n 2 z 分别是2 的x ，y ，z 分量。它的单位法向量亓2 由下式决 定：亓2 = 西n 2 。 2 ) 入射光线的确定： 对于某一反射面元s l 。，它的重心坐标c l x ，c l y ，c l z 为： c 1 x ：! i t 丑：! 垃；c 1y ：必血；c 1 z ：丝! 监： jjj f 3 - 1 2 1 反射面元s 1 。到光源的距离9 1 为：d 1 = 、 c l x 2 + c l y 2 + c l z 2 ；( 3 1 3 ) n n n g s l 。的入射光线单位方向向量唇l 为：季1 _ 百c l x i + 罟 7 + 面c l z r - ( 3 一1 4 ) 对于反射面元s 2 ，同样可以求得其重心坐标c 2 x ，c 2 y ，c 2 z ，与光源的距 离d 2 和入射光线的单位方向向量季2 。 3 )反射光线的确定 某一反射面元s 。的入射光线单位向量季( 黟，g y ，g z ) ，法线单位向量 i ( 腑，n y ，n z ) 由3 3 1 和3 3 2 求得，则由入射光线和法线决定的反射光线的单 位向量f ( r x ，r y ，r 2 ) 由下述式子给出： “ p云气_ 肿 乙乳 汽车氰照瓤反射器设计复旦大学硬士学位论文 c o s ( 8 ) = 一( g x m + g y x n y + g z n z ) r x = 2 c o s ( 8 ) n x 一 r y = 2 c o s ( 占) n y g y = 2 c o s ( 6 ) r z g z ； ( 3 1 5 1 其中8 为入射光线与法线的夹角。 4 )多次反射 经某一面砖，反射的光线并一定能够顺利离开灯具反射器，在行进过程中 可能会遇上反射曲面的另一面元，发生二次反射。因此，我们要追踪每一条光线 是否存在多次反射现象，直至其离开反射曲面或衰减到一定程度而将其忽略。 3 3 5出射空间的光输出分布 对应于反射面元瓯，的入射光通f 为：f = l ，呈铲。其中：- ，为指 向面元s 。的入射光强，可以根据o ，0 角度，插值光源的光强得到：s 为面元s 。 的面积，在计算面元法向量时已经得到；6 为面元s 的法向量和入射光线方向 向量的夹，c o s ( 万) = 季+ 再；d 为面元s 。重心和光源中心的距离，在确定入射光 线时也已得到。假设某条入射光线经过k 次反射后到达出射空间，则它的出射光 通，为： f 名f p 。，其中p 为表面反射系数； 出射光线可由 l ( c x ，c y ，c z ，r x ，r y ，r z ) 来描述，它的出射方向y ( r x ，r y ，理) 决定的中，0 是出射光 通量f 在出射空间的分布方向。对于所有对应于反射面元s ，的入射光束进行计 算叠加以后，就可以得到反射光通量在出射空间的分布，加上光源在出射空间的 直接光通量分布，就可以得到出射空间的总光通量分布。我们可以将此转换为灯 具的出射光强分布和受照面上的照度分布。 3 4 反射器光输出计算理论基础 3 4 1 反射器曲面的分解 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f n j 的光分布。 汽车前照灯反射器设计复点丈学厨士笋岔蘑卫 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3 - 4 ) 。 图3 - 4 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 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 射向m 点的光线被反射后的方向，进一步可求得l 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e 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。 3 4 2 镜面反射光学计算 在已知光源的近场光度数据 和f f r 各面元的尺寸和取向后，要 想计算各面元形成的灯丝像，首先 要建立自l 点射向面元上m 点的入 射光i 、面元的法线方向n 和反射 r 三者之间的关系。这三者之间的 关系可用图35 表示。 从点l ( x 。y i ，z ) 射向点 m ( x y ，z 。) 的入射光线可以表示为 阁3 - 51 、1 1 和r 之间关系 z ，) km z + 、“ 一v q y 一 功 + m 一， y r r 一 一 m m n b = = 一， 汽车前照灯反射器设计复旦力学研士学岔越艾 i 的单位矢量为： 卜南。怎等等券鼍等 p 1 ，1( x 。一- ) 2 + ( y 。一m ) 2 + ( z 。一刁) 2 一 上式中 l 引= i i _ 二i 了i 瓦一二i 了了i 习 是矢量，的模。 反射平面的法线方向自，入射矢量，和反射矢量詹之间的关系如图3 - 5 所示。 根据矢量的数量积公式，有： 疗，= i 疗f i l l c o s ( 1 8 0 。一f 1 ) = 一蚓l i l c o s p 自豆= 蚓i o s p 将上二式合并，有： i 7i 再 一丽2 丽 另根据矢量的矢量积公式，有： 亓引= 孙i i l s i n ( 1 8 0 。一f 1 ) = 蚓i i l = i n b j i l = 再i s i n ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) r 3 - 2 f 3 - 2 2 ) 再将此二式合并，有： 亓，ix 詹 网2 丽 。2 3 当五i 和五都为单位矢量，o ，i o 和豆。时，( 3 - 2 0 ) 式和( 3 - 2 3 ) 式化简成： 一i o7 0 = 再o j i f 3 2 4 ) io ，o ：亓o 天o ( 3 2 5 ) 设，。= ，；，：l i 。= * ，n 0 夏。= 取，r ，r ： 则( 3 - 2 4 ) 式