faw-a1汽车前照灯的光学设计(编辑修改稿)

faw-a1汽车前照灯的光学设计(编辑修改稿)内容摘要：

种类在很长时间内都比较单一。 随着 CAD技术和光学技术的发展，出现了许多新型前照灯，如复合反射器前照灯、波浪形反射器前照灯、投影式前照灯及自由 曲 面反射器前照灯。 就目前国际汽车工业的进展来看，自由曲面反射器前照灯是前照灯的发展方向。 这种前照灯完全摒弃了传统前照灯的配光镜配 光方式，由反射器独立完成配光的任务。 它具有光能利用率高、车灯高度低和空气动力学好等优点。 ‘ 目前，欧美、日本等发达国家的汽车已广泛采用自由曲面前照灯，而国内自由曲面前照灯的普及率却相当低，正处于向自由曲面前照灯过渡的时期。 但是国内的自由曲面前照灯的独立设计能力却十分薄弱；一些发达国家虽然已经可以开发制造高质量的自由曲面前照灯，但他们严格进行技术垄断，不对外转让技术和软件。 所以，现在进行本课题的研究，对我国汽车工业的发展具有重河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 7 要 的 意义。 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 8 第 2 章 前照灯设计基础及设计过程概述 前照灯是一个照明光学系统。 照明光学 系统是光学的一大分支。 与传统的成像光学系统不同，照明光学系统更注重于能量的分配，即被照明面上的照度分布和大小，因而其设计与传统光学系统设计有许多不同之处。 前照灯有很多种类型，如抛物面前照灯、复合曲面前照灯、自由曲面前照灯和投影式前照灯等等，这一章主要介绍本论文所研究的自由曲面前照灯。 前照灯系统 前照灯的基本结构 典型的前照灯主要由光源、反射器和配光镜这三个部件构成，如图 21所示 图 21 前照灯 1 一 光源、 2 一 反射器、 3 一 配光镜 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 9 前照灯的工作原理 传统的抛物面前照灯的 工作原理，是由反射器收集、汇聚光源发出的光，并将其以平行于光轴的方向射出，射出的光经配光镜的偏移和散射，形成满足要求的光带。 这里，光型是由反射器和配光镜配合实现的，而且主要取决于配光镜，反射器仅仅是起到汇聚和射出光线的作用。 配光镜由许多小透镜和小棱镜单元拼合而成，这些形状不一的小单元，将反射器射出的平行光或偏移、或散射、投射到需要的地方，最终形成满足要求的光型。 图 22 配光镜的偏移 (上 )和散射 (下 ) 自由曲面前照灯与抛物面前照灯的最大不同是将配光镜的功能转移到了反射器上，即光型完全由反射器来实现，配 光镜变成光滑透明的透镜，仅仅是起到透过光线的作用。 光线在经过配光镜的时候，不在发生偏移和散射。 这时的反射器，在反射光线的同是，还要实现以前由配光镜完成的偏移和散射功能。 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 10 图 23 自由曲面反射器的偏移 （ 上 ） 和散射 （ 下 ） 前照灯的主要部件 如前述，自由曲面前照灯的配光完全由反射器实现，配光镜只是起透过光线的作用，因此，前照灯的三个主要部件，这里只介绍光源和反射器，对于配光镜不作介绍。 光源 （一）现状与发展 汽车光源是汽车灯具的发光主体，合理的选择光源，对汽车的照明质量起着至关重要的 作用。 汽车光源在早期是十分简陋的。 在使用电光源之前，先后由煤油灯和乙炔灯充当汽车的照明光源。 这两种光源的亮度都比较低，照明效果并不尽如人意。 直到电光源应用于汽车照明，这种情况在有了明显的改观。 最先使用的电光源是白炽灯。 白炽灯在汽车上使用了相当长的时间，直到现在，白炽灯和在白炽灯的基础上发展而来的卤钨灯，仍是使用最为广泛的汽车光源。 与此同时，也出现了许河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 11 多新型光源，如高强度气体放电光源，这些新型光源的进展为汽车照明的未来提供了众多可能性 [2]。 （ 二 ）常用汽车光源简介 白炽灯 白炽灯不但是最早使用的，也是至今 仍在广泛使用的汽车电光源。 白炽灯利用电流通过螺旋型钨丝时产生的热效应，辐射出可见光和红外线。 白炽灯的功率较小，主要用于照度要求不太高的场合，如尾灯、刹车灯和转向灯等。 卤钨灯 由于传统的白炽灯在物理尺寸、发光效率和经济寿命上的缺点，它的应用受到了很多限制。 卤钨灯是在白炽灯的基础上发展而来的，它具有寿命较高，功率较大等优点，很适合于车辆前方照明使用。 高强度放电灯 卤钨灯的优点很多，但也存在许多不足之处，如光色偏黄、寿命较短、红外辐射比例较高等等。 新型高强度放电灯的发光亮度远远高于卤钨灯，照明距离也远大约 40%，而且光色亮白，寿命很长，所有这些性能都明显优于卤钨灯。 作为一种新型光源，目前高强度放电灯的价格仍然是比较高的，而且其制作的技术要求也比较高，所用的电路、灯具的设计也比较复杂，因而它在汽车照明中的应用范围还比较小，但是它仍是汽车光源的发展方向，将会在汽车照明场合得到越来越广泛的应用。 反射器 反射器是汽车前照灯的重要部件，它将光源发出的光聚集发射，大大提高了光的的利用率。 随着科技的进步，反射器的类型和功能也在发生着变化。 这里只介绍抛物面反射器和自由曲面反射器，其他类型的反射器介绍从略。 抛物面 反射器 抛物面反射器是最传统的反射器，它可以将置于其焦点处的光源发出的光沿平行于光轴方向反射出去。 这里反射器仅仅是起到汇聚和射出光线的作用，必须要有遮光罩和呆功能花纹的配光镜配合使用，才能得到满足要求的光型。 自由曲面反射器 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 12 自由曲面反射器是目前最具潜力的前照灯反射器，它起到了抛物面前照灯的反射器和配光镜的双重作用，因此，自由曲面前照灯的配光镜简化为光滑透明的透镜，不再参与配光过程。 由于要独立完成配光任务，这种反射器的反射面不再是简单的抛物面，而是负载的光学反射面。 自由曲面反射器分为连续式和多面式。 连续 式反射器的反射面是一个光顺的不规则几何曲面，由计算机通过复杂运算、优化临界参数、应用仿真程序生成。 这种曲面的优点是产生不必要的光线的可能性较小。 但是连续反射器的反射面上不允许存在台阶和拐点，这使它在设计上存在很大的局限性。 多面式反射器的反射面由多个自由曲面组成。 由于各曲面之间存在突然的阶跃，这种反射器有可能产生不必要的光线，这一点不如连续式反射器。 但是它的设计却比较容易实现，而且具有非常明亮的外观，所以得到了广泛的应用。 前照灯的相关标准 概述 为了解决汽车带来的交通事故、环境污染和 能源消耗，许多国家都对汽车产品实行法规化管理，制定了相关的技术法规。 汽车技术法规于二十世纪五十年代出现，经过几十年的发展，已有多种国家的、区域的、双边的和多边的法规体系。 早起国际上较为完善的最具代表性的有三大汽车法规体系 —— 美国体系、欧洲体系和日本体系。 其中美国体系和欧洲体系分别为许多国家所采用。 欧洲的汽车法规起步比较早，各国在 1950年代就制定了各自的法规。 为了不影响欧洲各国之间的自由贸易和国际运输，欧洲经济委员会（ Economic Commission for Europe ）于 1958年签订了“关于 采用统一条件批准激动车辆装备和部件并相互承认批准的协定书”，并在此协定书的基础上制定了一套关于机动车的法规（ ECE）。 美国的汽车法规由联邦政府制定的联邦法规和由各州所制定地方性法规。 联邦政府制定的是联邦汽车安全标准（ FMVSS， Federal Motor Vehicle Safety Standard ）。 美国体系的法规和标准既紧密结合又相互独立，美国的汽车标准主要是由美国汽车工程师协会（ Society Automotive 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 13 Engineers ）发布的 SAE 标准。 日本人的法规发布比 FMVSS 和 SAE 都要早 ，经过多次修订并吸取欧美体系的内容，形成一套独特的法规体系，在技术内容上比较接近美国。 但是日本已于 1958年签署了协定书，将逐步过度到完全采用 ECE 体系。 因此目前的汽车标准法规体系就主要是欧美两大体系了 [7,8]。 这两大体系对灯具的要求主要包括：（ 1）灯具的安装要求，（ 2）灯具的配光要求。 在对灯具的配光要求方面差异最大的就是前照灯，这主要表现在配光光型上。 ECE光型近光分布完全不对称，视野中心是一个高光强区域，以尽可能照亮前方道路；同时光在水平方向有一定的扩散，以利于辨认道路两旁的情况，如行人、道路标志等 ；在迎面来车的司机的视野方向是一个相对较暗的区域，以避免产生眩光；在车灯产生的明暗区之间有一条明显的明暗截止线。 欧洲照明将照明和炫目这一对矛盾解决的较好。 SAE 光型的近光不要求明暗截止线，而是追求更好、更亮的照明。 这种光型比较适合于照明条件较好的道路，而在照明条件较差的道路上，就容易发生炫目。 此外，在颠簸的路面上， SAE的照明效果也好于 ECE光型。 虽然各有其优越性，但是随着世界经济贸易的一体化进程的加快，这两大体系之间的显著的差异严重的阻碍了各国间的汽车贸易。 形成了汽车产品贸易的非关税壁垒。 为了解决这个壁垒 问题，从 20 世纪 80年代起国际上就开始进行汽车灯光法规的协调工作。 经过十多年的努力，已经取得了一些进展，汽车技术法规越来越趋向于统一 [9,10,11]。 中国汽车照明标准 我国的汽车照明标准基本上是参照欧洲的 ECE 体系标准。 这是综合考虑到我国的国情和国际发展的趋势的结果。 因为全世界采用 ECE 法规的国家相当广泛，而且在道路狭窄、照明条件不佳的地区，采用 ECE 体系的前照灯对于行车安全比较有利。 关于汽车前照灯的配光性能，国标（ GB4599— 1994）具体规定如下。 前照灯的配光应该使其近光具有足够的照明和不眩光，远光具有良好的照明效果。 配光性能应在前照灯基准中心前 25m，过 HV点的铅垂配光屏幕上测定，配光屏幕的具体布置如图所示。 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 14 图 24 25 米配光屏 (GB4599— 1994) 图 25 配光屏上各测试点的意义 上图 是一幅道路的透视图 , 观察者位于右侧车道的轴线 (对应图 15 的垂直线 VV ′ ) 驾驶位置。 B50L 代表约 50m 距离处迎面汽车的驾驶员眼睛位置 , 该位置的照度越低越好 , 可避免眩光、 50R , 75R 分别表示约 50m 和 75m 距离处的车道右边 线对光照度有要求的两个点的位置。 近光的配光要求 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 15 （ 1） 在配光屏幕上，近光应该产生明显的明暗截止线，其水平部分 vv线的左侧，右侧与水平线向上 15176。 的斜线，或向上成 45176。 斜线至水平线垂直距25cm 转向水平折线。 （ 2） 在配光屏幕上的照度限值，应符合表 21的规定。 （ 3） 在 I、 II、 III 和 IV 区域内，其水平方向相邻问的照度应无明显的陡变，不致影响良好的可见度。 表 21 近光照度限值 （ GB45991994) 注： (1)单光束为 ，双光束为 ； (2)E50R为 50R 的实测照度。 远光的配光要求 (1) 在配光屏幕上的 照度限值，应符合表 22 的规定。 (2) 双光束卤钨前照灯，其远光最大照度应不大于近光在 75R 处测试照度的 16 倍 表 22 远光照度限值 （ GB45991994) 河海大学本科论文 FAWA1 汽车前照灯光学设 计（星宇车灯） 16 前照灯设计的理论基础 下面介绍前照灯设计的相关理论。 前照灯的设计是一个系统的过程。 前照灯首先是一个光学系统，其设计过程需要用相当的光学知识做基础，反射面的构造又涉及曲面造型方面知识。 本节主要对前照灯设计过程中需要用到的光学和 几何理论进行了 简单的 介绍。 光学基础 (一 ) 几何光学 在前照灯光学系统中，不必考虑光的位相和波 动性，因此只需应用几何光学的三个基本定律 —— 直线传播定律、折射定律和反射定律 —— 就可以解决问题。 （ 1） 光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播。 （ 2) 光的折射和反射定律 a．反射定律：入射光线、反射光线和入射点法线三者在同一平面内，入射角和反射角二者绝对值相等，符号相反，即入射光线和反射光线。