（光学工程专业论文）车灯反射镜配光性能仿真计算软件的研制.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车前照灯发展趋势是通过反射镜配光，然而这种前照灯的设计的难度比传统 的前照灯大，因此它的设计必须采用c a d 技术，并使用仿真计算软件作为设计的 指导。本文设计了汽车前照灯反射镜配光性能仿真计算软件。 本文首先对常用的光线追踪算法、蒙特卡罗方法和光通转移法等照明光学的计 算方法进行了讨论，分析比较了各种计算方法的特点和适用范围，选择了光通转移 法作为汽车前照灯反射镜配光性能的仿真计算的主要算法。然后，推导了光通转移 法的数值计算方法。 本文给出了汽车前照灯仿真计算软件的定义、总体设计方案和软件的具体设计 方案，包括软件开发方法和开发工具的选择，照度仿真计算软件的开发流程图，灯 泡、反射镜和配光屏幕的照度仿真计算的计算机模型，仿真计算结果的处理和软件 的计算效率问题等。 根据仿真计算软件的设计方案，本文在u g 这一c a d 平台上用v i s u a lc + + 编制 了配光性能仿真计算软件。 本文对仿真计算的结果的可靠性进行了讨论。比较了点光源位于抛物面反射器 和椭球面反射器焦点的情况和点光源偏离抛物面焦点的情况下照度的理论计算结果 和采用本文的照度仿真计算结果，其仿真计算结果和理论计算结果基本相符，能满 足工程上的要求，说明仿真计算软件对前照灯的反射镜的设计具有很好的指导意义。 接着，分析了仿真计算误差产生的各种原因并给出了降低误差的方法。 关键词：u g ，二次开发，光通量，反射器，汽车前照灯，配光性能 重庆火学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h eh e a d l a m pi sd i s t r i b u t i n gl i g h tw i t ht h er e f l e c t o rw h i c h i sd i f f i c u l tt od e s i g n ，s oi t sd e s i g nm u s tt a k ea d v a n t a g eo ft h ec a dt e c h n i q u ea n di s g u i d e db yt h ec o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so f l i g h t i n go p t i c s ，s u c ha sr a yt r a c i n gm e t h o d ，m o n t e c a r l om e t h o da n df l u xt r a n s m i s s i o nm e t h o d ，a r ed i s c u s s e d ，f u r t h e rm o r e t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o nf i e l da r ea n a t o m i z e da n dc o m p a r e d ，c o n s e q u e n t l yt h e f l u xt r a n s m i s s i o nm e t h o di ss e l e c t e da st h em a i nm e t h o do fc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n s o f t w a r eo fp h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i co fh e a d l a m p sf o rv e h i c l e t h e ni t sn u m e r i cv a l u e c a l c u l a t i o nm e t h o di sd e d u c t e d s e c o n d l y ，t h es o f t w a r ed e f i n i t i o n ，s o f t w a r eo v e r a l ld e s i g na n dd e t a i ld e s i g ni n c l u d i n g t h es e l e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n tm o d ea n dt h ed e v e l o p m e n tt o o l ，t h ef l o wc h a r to ft h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fi l l u m i n a t i o n t h ec o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nm o d e l so fi l l u m i n a t i o n o ft h eh e a d l a m pb u l b ，t h er e f l e c t o ra n dt h em e a s u r es c r e e n ，t h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n r e s u l ta n dt h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y , a n ds oo n ，a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i r d l y , ac o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo ft h ep h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so f h e a d l a m pf o rm o t o rv e h i c l e sw a sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + o n t h ec a d p l a t f o r mo fu g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns c h e m eo ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r eo fi l l u m i n a t i o n f i n a l l y , t h er e l i a b i l i t yo fc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei sa n a l y z e d a f t e rt h e c o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i cr e s u l t su n d e rt h et h r e ef o l l o w e d c o n d i t i o n ：ap o i n tl i g h ts o u r c eo nt h ep a r a b o l ar e f l e c t o rf o c u s ，ap o i n tl i g h to nt h e e l l i p s o i dr e f l e c t o rf o c u sa n dap o i n tl i g h t s o u r c eb e f o r et h ep a r a b o l ar e f l e c t o rf o c u s ，a c o n c l u s i o ni sg o t t e nt h a tt h et w or e s u l t sa r eg e n e r a l l ya c c o r d a n t ，t h ea c c u r a c yo ft h e s i m u l a t i o ns o f t w a r er e a c ht h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t sa n dt h ec o m p u t a t i o f f a ls i m u l a t i o n s o f t w a r eo fp h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e a d l a m po fm o t o rv e h i c l e st a ng u i d et h e d e s i g no ft h eh e a d l a m pr e f l e c t o r s a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h er e a s o n so fe r r o r a r e d i s c u s s e da n dt h em e t h o d st oi e d u c et h ee r r o ra r eg i v e n k e y w o r d s ：u gs e c o n dd e v e l o p m e n t ，l u m i n o u sf l u x ，r e f l e c t o r , h e a d l a m pf o r m o o v e h i c l e s ，p h o t o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ，1 概述 1 1 t 汽车照明和信号装置标准体系介绍 汽车的照明和信号装置是汽车重要的安全部件。在各种汽车灯具中，前照灯的 作用尤为重要。由于汽车前照灯的照明效果直接影响着夜间的交通安全，所以世界 各个国家多以法律法规的形式规定了汽车前照灯的照明标准。目前，我国汽车的强 制性标准共6 6 项，其中汽车5 7 项，摩托车9 项。在汽车的3 7 项主动安全项中，照 明就占l l 项。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。据统计，辆汽车总行驶里程的2 5 是在夜间自然光线不足的情况下行 驶的，此期间发生的引起人身伤害的行车事故占到3 3 ，并且5 0 的死亡事故发生 在夜间，这个百分比是白天行驶里程百分比的两倍【1 1 。照明设备作为汽车必备的主动 安全装置，其重要性可见一斑。 美国1 9 1 8 年制定了i e c s a e 配光标准，它是国外第一部汽车照明与信号装置 标准。此后欧洲和日本也于1 9 1 8 年分别制定了汽车行驶的道路法规。这是世界第一 批汽车灯具标准。1 9 4 0 年欧洲制定了越照灯对称形配光标准，美国也于同年制定了 封闭式前照灯配光标准。不久欧洲又颁向了非对称形配光标准，6 0 年代，为了推进 整个欧洲汽车灯具的标准化，联合国欧洲经济共同体制定了一系列汽车灯具标准。 到8 0 年代相继制定了1 8 个汽车灯具标准，并被欧洲大多数国家所采纳。在8 0 年代 初，我国等效采用e c e 法规，制定了我国的汽车照明和信号装置的部颁标准1 2 1 。 汽车前照灯应满足如下基本要求： 确保驾驶员对前方场景的视认性。前照灯应该保证汽车前方有明亮而均匀的 照明，使驾驶员能够看清车前方1 0 0 m 内的路面障碍物、行人和道路标志。随着汽 车f 于驶速度的提高，对汽车前照灯的照明距离也相应要求越来越远，现代商逮汽车 的照明距离应达到2 0 0 2 5 0 m 。 汽车荫照灯应能防止眩光f 3 1 。夜间两车相会时，不能使对方驾驶员眩目而造 成交通事故。 所谓“眩目”是指眼睛突然被强光照射时，由于视神经受刺激而失去对眼睛的 控制，本能地闭上眼睛，或只看到亮光而看不见暗处的物体的生理现象p j 。眩目很 容易导致交通事故。为了防止眩光的出现，保证汽车夜间的行车安全，汽车一般都 装备了远光灯和近光灯。远光灯的功率较大，灯丝位于反射镜的焦点，光束射向远 方，用于对面无车时的情况。如果会车，则改用近光灯，近光灯的功率较小，光束 倾斜射向路面，避免对面驾驶员眩目，提高夜间行车的安全性。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 国际上汽车照明和信号装置的配光性能标准有两种类型。一种是以美f l 为代表 的s a e ( f m v s s ) 及j i s 标准，另一种是以欧洲经济委员会为代表的e c e 法规。美日 标准采用对称配光，从前照灯的配光镜向罩面观察灯丝，远光灯丝位于反射镜的焦 点上，而近光灯丝位于焦点的上方并稍向左偏移。而e c e 法规采用非对称配光，前 照灯的远光灯灯丝位于反射镜的焦点处，近光灯灯丝位于焦点前方且稍高出光学轴 线，其下部装有配光屏。我国的道路状况接近欧洲，因此等效采用了e c e 法规，前 照灯的光分布完全不对称。中间是一个高亮的区域，以尽可能照亮前方的路面。光 束在水平方向有所散开，以利于看清路面情况。在指向对方来车驾驶员眼睛的方向 上光强很小，不产生眩目光。在前照灯产生的明暗区之间有一条明显的截止线【4 j 。 1 1 2 汽车前照灯的构造 汽车的前照灯是由三个主要部件构成的，即光源、反射器和配光镜除此之外， 还需要配备一些小零部件，如为了使前照灯的反射镜能调节到讵前方，就必须配备 能够上下左右调节方向的微调螺钉。 传统的汽车前照灯反射器的材料主要是钢板，其形状取为抛物面；近年来采用 热固性塑料( b m c ) 制作反射器。对远光而言，该反射镜可以很方便地产生平行光； 但对近光而言，单靠这种反射镜是不够的，因此传统的汽车前照灯采用了配光镜来 满足配光性能的要求。目前，汽车的行驶速度越来越快，出于空气动力学和造型的 考虑，汽车前部变低且呈流线型，这样安装汽车前照灯的高度越来越低，车灯向汽 车前方的正投影面积越来越小。前照灯的形状也朝着扁细化倾斜化的方向发展，出 现了把前照灯、转向灯和雾灯等各种灯具融合为一体的组合灯具。 1 ，2 汽车前照灯灯具的发展现状与趋势综述 随着对配光性能要求的提高，新型的灯具也不断涌现。灯具的发展主要集中在 光源和配光镜两个方面。 1 2 ，1 汽车前照灯光源的发展 最初的汽车用乙炔气作为光源，随着装有内燃机的汽车问世，汽车前照灯也相 继诞生。 白炽灯和卤钨灯是现在使用最为广泛的汽车光源，大量应用于汽车内外的照明 和信号装置。白炽灯诞生于1 8 7 9 年，它功率小、价格便宜，适用于照度要求不高的 场合。卤钨灯功率大、体积小、光效高、灯丝紧凑、寿命长，目前广泛引用于车辆 的前方照明。目前最常用的就是h 4 卤钨灯。 卤钨灯虽然有很多优点，但也存在一些问题。在八十年代，高强度气体放电灯 ( h i g hi n t e n s i t yg a sd i s c h a r g eh e a d l i g h t ，缩写为h i d ) 应用于汽车照明。但因为技术困难 和价格因素，在汽车照明中的应用范ne e d , 。 重庆大学硕士学位论文 绪论 汽车前照灯光源的发展趋势是新颖高效的汽车光源将被开发研制，并使用的越 来越广泛。白炽灯将被卤钨灯，进而被高强度气体放电灯替代f i 】。 1 2 2 汽车前照灯配光镜的发展 传统的反射面的形状是抛物面，靠配光镜分配光线，达到配光要求。用配光镜 配光损失大，配光效率低，配光不准确。为了减少这部分衰减，更准确、更有效的 配光，汽车前照灯逐渐用反射镜代替配光镜完成配光功能，配光镜演变为平镜。 为了适应汽车高速化、安全化的发展趋势，国内外先后提出了许多新的灯具设 计方案。如共焦、变焦前照灯垆j ，多椭球( p e s ) 前照灯f 6 】和自由曲面反射器前照灯。 这些设计方案的共同的特点是；出反射器替代配光镜完成配光功能，在反射器的设 计过程中应用仿真计算，提高设计速度，降低成本。 以前，汽车大量采用单一抛物面反射器，它是由旋转抛物面形成的，其必需使 用配光镜才能达到规定的配光光型。新的反射面类型不断出现，这些新的反射器将 取代传统的反射器。 复合曲面反射器( c o m p l e xs u r f a c e r e f l e c t o r 简称c s r ) 7 1 【8 1 【9 】 这种反射器的反射面由被分割成数毫米间距的数万个扇形集合体构成，而各个 扇形可由细致计算了从灯丝发出的光的反射方向的表面组成。由此，灯丝的映像可 以在某种程度上自由改变位置和方向。以往被遮挡的光线可以被分配到合适的地方 而不必浪费掉，从而形成理想的配光。 自由曲面反射器( f r e ef o r mr e f l e c t o r 简称f f r ) i o 】【1 l 】 t 2 l 这种反射器的反射面是由一个近似于椭圆抛物面的2 x n 次曲面，通过对反射曲 面上各点( 面元) 的切线矢量的控制，从而使反射曲面形成汽车前照灯配光所要求 的光分布。这种反射器的优点在于：l 、光利用率高；2 、不需要遮光屏部件：3 、将 配光镜的功能转移到反射器上既简化生产工艺又能提高效率。因此，这种反射器是 前照灯反射器的发展方向。 波浪形反射器f l 驯 在反射器横截面的抛物线上，与纵方向不同的抛物线相复合形成的曲面与光滑 的连接三角函数和指数函数的波形复合衄面楣组合的曲面。 投影式前照灯反射器i 【驯 该反射器的工作原理与投影幻灯机相同。配光镜采用复合椭球面，能更多更有 效的利用光线，从而做成小型化而高效的灯具。 超薄型组合式反射器l i 驯 这种反射器是由一个光源，第块反射器( 抛物面型) ，第二块反射器( t g 物 面型) ，第三块反射器( 椭球面型) 和一个可以传递光的通道组成。第一块反射器 ( 抛物面型) 位于光源的后面，而光源位于正中央。这一创新的关键在于加入了第 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 二块反射器，第三块反射器和光通道。关键是第一块反射器具有普通前照灯反射器 相同的功能，由于反射器高度小，大量的光不被第一块反射器所利用。为了利用这 部分光，在第一块反射器的外侧加入第二块反射器。第三块反射器和光通道是为了 收集并传递光到第二块反射器而准备的。这种前照灯反射器虽然尺寸仅为3 0 毫米 高，3 0 0 毫米宽，却能提供明亮的前方场景照明。【l 引 1 ：2 ，3 主动照明 夜间，严重交通事故发生率最高的地点是弯道。为了降低弯道处的事故率，本 r e ( h o n d a r & d ) 和斯坦雷电子公司( s t a n l e y e l e c t r i cc o ) 开发了套主动nd ) j ( a c t i v e h e a d l i g h t ，缩写为a h l ) 系统，当车辆进入弯道时，该系统会改变配光模式，把更多 的光转向弯道的内侧 1 4 】 1 5 1 。 为了防止眩目和提高夜间驾驶的舒适性，车辆可以动态的在竖直方向调节前照 灯光束的朝向。罗伯特一博世有跟公司开发了自动竖直方向照准控, 帝l l ( a u t o m a t i c v e r t i c a la i mc o n t r o l 缩写为a v a c ) 系统。该系统由e c u ，前桥和后桥角度传感器， 里程表和步进电机组成，根据路况和和车辆的载重情况自动调节光束和路面的夹角 1 6 1 1 7 1 。 这些主动照明技术是建立在对前照灯配光性能的准确分析的基础上，如果要研 究主动照明技术，必须建立套完整的配光性能分析软件。本课题所研制的软件就 是主动照明的基础。 1 2 ，4 国内发展的现状 在我国，各种新型的前照灯得到广泛的应用。但是很多厂家的设计请力没有跟 上。特别是对于配光反射镜，其设计手段主要依靠仿制和试验。但是这种设计手段 设计效率低，设计成本高，很难设计出理想的产品。 仿制前照灯的反射器是一件很困难的工作。反射镜的反射面大部分是自由曲面， 曲面的面积比较小，形状复杂，反射面的精度要求高。如果反求其反射面，只能使 用非接触测量。但是反射面的反射率很高，接近镜面反射，激光三坐标测量机要求 被测量的表面是漫反射，因此必须在反射面上喷涂一层粉未，以降低反射率。但是 粉末的厚度和均匀性对测量的结果影响很大。另外被测反射器的加工精度对反求反 射面也有很大的影响。因此通过反求无法准确地求得反射面的原始参数。只能将反 求得到的曲面作为反射器的初步设计，然后通过修改反射面的参数达到配光性能的 要求。 由此可以看出，用配光性能仿真计算软件来指导配光反射镜的设计是非常重要 的。 1 3 本课题的目的和任务 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 伴随着复杂曲面反射器在汽车前照灯上的应用，前照灯的设计也发生了巨大的 变化。传统的设计方法无法满足新型前照灯的设计要求，如果通过反求获得反射器 的反射面，反求得到的反射面的配光性能是未知的，这种反求得到的反求面的配光 性能多半是不合格的，必须调整反射面的参数。但是这种调整是盲目的，调整后的 结果是无法预知的。因此必须有一套仿真计算软件来分析反射面的配光性能。照明 光学的仿真计算软件也应运而生。在国外的文献中，这类软件被称为计算机辅助照 明( c o m p u t e r a i d e d l i g h t i n g p s i 缩写为c a l ) 软件或光线分配编辑器正i g h t d i s t r i b u t i o n e d i t o r b s ) 缩写为l d e ) 。罗伯特一博世公司开发了针对自由曲面反射器的c a l 光学 软件包，该c a l 软件包经过适当调整，可针对现行的配光标准，开发使用 h 灯泡 的抛物面反射器，椭球面反射器，变焦反射器的汽车前照灯。h e l l a 公司为了满 足自己的需要，开发了自己的c a l 软件h e l i o s 【】，它用c + + 语言的类描述了汽 车前照灯的四个主要组成部分：光源、反射器、外壳和透镜。在国外，c a l 软件的 发展趋势是与c a d 、c a m 软件相结合，进行灯具的设计、制造和生产；在c a l 中 采用了虚拟现实技术，使c a l 软件不但能给出等照度曲线，还能给出配光屏幕和 典型路段的虚拟照明场景，从而使仿真计算结果更直观。c a l 中最为关键的是照度 仿真计算，它是c a l 的基础。 在国内，对这种新型前照灯的需求量很大，但是相应的设计手段没有跟上，这 就制约了这种前照灯的发展。因此，很有必要开发一套前照灯配光性能仿真计算软 件来指导前照灯的设计。 本文的目的就是针对目前常用的汽车照明光源，开发一套汽车前照灯反射镜配 光性能仿真计算软件。该软件应该能够计算各种类型的反射面，不仅能分析抛物面 反射器，还应该能计算椭球面，复合曲面和自由曲面等类型的反射器，仿真计算的 结果应当以直观的形式给出，比如以等照度图的形式给出。同时该仿真计算软件又 是汽车前照灯设计软件的基础，因此，该软件应当不仅能进行仿真计算，还要有良 好的可维护性，以方便迸一步的开发。 重庆大学硕士学位论文2 照明计算方法的选择 2 照明计算方法的选择 2 ，1 概述 汽车前照灯作为一个光学系统，属于照明光学系统，而通常涉及到的光学系统 大多数属于成像光学系统。在1 8 世纪以前，有关光学的研究主要针对成像光学系统， 基本上局限在几何光学方面。也就是说，主要研究的问题是光线在透镜、棱镜等光 学元件的行踪，很少注意对光的强弱做定量的测量。而照明光学系统作为另大类 光学系统，虽然用到了几何光学的原理方法，但它与成像光学系统的研究有以下不 同之处： 在成像光学系统的设计中，一般不太考虑物方空间的亮度分布，而照明光学系 统则必须考虑光源( 如灯丝) 的形状及其亮度分布特性。成像光学系统在像方殷是 成一个平面像，而照明光学系统需要照亮的往往是一个立体空间。 评价方法方面：成像光学系统的物像空间有着相应的点与点对应的共轭关系， 故可在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的像点，用垂轴像差、点列 图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价，而照明光学系统没有物像共轭系统， 在照明区域中任意一点的照度都是由光源上许多点发出的光能通过照明系统分配后 叠加形成的。 系统结构方面：成像光学系统虽然可以非常复杂，但在绝大多数情况下可以把 其中的各个光学面作有序排列，所有光线均按此顺序逐一通过各面，而照明光学系统 的形成却是多种多样，通常是由许多面型、大小各不相同的反射面和透射面组成的， 从光源发出的任意一条光线不只通过一个反射面和透射面，这些反射面和透射面就 构成了组非顺序光学面，对非顺序光学面的数学处理和光线追迹要复杂得多。 由于成像光学和照明光学之间的这些差异，不能完全套用成像光学的方法研究 和评价照明光学系统。本文主要采用照明光学对汽车前照灯进行分析计算。 2 2 照度仿真计算的方法 2 2 1 光通量、发光强度和照度 光通量是能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度，国 际单位是l m ( 流明) ，通常用。表示。光通量反映了某一光源所发出的光辐射能引 起人眼的光亮感觉的能力。 发光强度是描述某一指定方向上发出光通量能力的大小。通常，可以把这个指 定方向上的一个很小的立体角内所包含的光通量的值除以这个立体角，所得的商就 定义为光源在此方向上的发光强度。用式子表示为： 6 重庆大学硕士学位论文2 照明计算方法的选择 ，：塑r 2 1 1 掘 式中i 表示发光强度，单位是c d ( 坎德拉) ：西2 为立体角，d 中为这个立体角所包 含的光通量。 照度( e ) 定义为落在单位面元上的光通量( d o ) 与这个面元面积( d a ) 之比， 用式子表示如下： ：塑f 2 2 1 删 。 照度e 的单位是i x ( i m m 2 ，勒克斯) 。在国家标准g b 4 5 9 9 9 4 汽车前照灯 配光性能和国家标准g b 4 6 6 0 9 4 汽车前雾灯配光性能中就是对配光屏幕上的 指定点和区域的照度分布做出了限定。照度的分布也是本文的主要分析对象。 2 ，2 2 照明光学的计算方法 照明光学系统的算法复杂，而且计算量很大。在开发汽车前照灯配光性能仿真 计算软件的过程中，最大的困难就是如何找到种高效的算法来实现在计算机上 模拟前照灯的光分布及其与反射器的反射面的每部分的对应关系。照明光学系统的 仿真计算有以下几种常用的方法：光线追踪算法、平方反比定律法、投射立体角法、 蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 和光通转移法， 2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 光线追踪算法 光线追踪算法出现于2 0 世纪8 0 年代，它基于几何光学的原理。由于从光源所 发出的光线有无穷多条使得直接从光源迸行追踪变得很困难。实际上，从光源发 出的光线只有少数经过反射和投射到达观察者的眼中。为此，标准的光线追踪算法 采用逆向追踪技术来完成整个场景的绘制过程【z o j ， 平方反比定律法 该方法的基本原理是距离平方反比定律。用点光源和假想球的方法可以推导出 距离平方反比定律。假设点光源的发光强度为i ，则它发出总光通量为4 nl i 假设 球的半径为r ，则球的球面面积为4 “r 2 。所以，点光源在距离r 处所产生的照度e 为 e ：丢 ( 2 3 ) r 2 上式表明，个发光强度为i 的点光源。在距离它r 处的面元土产生的照度与 这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，其中面元要垂直于投射光线。如 果面元的法方向与投射光线成一定角度n ，则面元的照度为 e = 一c o s a ( 2 4 ) 重庆大学硕士学位论文 2 照明计算方法的选择 式( 2 4 ) 被称为照度的余弦法则( l a m b e r t sc o s i n el a w ) 。 蒙特卡罗方法 蒙特卡罗方法适用于点光源和扩展光源( 扩展光源可看成无数点光源的集合) 照明光学系统，主要应用于扩展光源在空间或角度上有辐射变化的照明光学系统。 它是通过追迹上万条光线来决定照度的，可以从光源到接收器或从接收器到光源来 进行光线追迹。 蒙特卡罗方法把光源离散成若干根光线，然后把光源的光通量平均分配到每根 光线上。假设灯丝的总光通量为o ，离散成的光线根数为n ，那么每根光线代表的 光通量为 m ：竺 疗 这些光线经过反射器的反射投射到接收器上。接收器被划分成若干个网格，光线就 投射到这些网格中。假设一个网格的面积为s ，投射到这个网格的根数为m ，那么 这个网格内的平均照度为 e ：堕：丝 投射立体角法 投射立体角法适用于扩展光源系统，它要求扩展光源在空间上均匀分布并且是 朗伯( l a m b e n ) 型的。如果是非均匀光源，需通过将其分为相对比较均匀的小区域进 行分析。运用投射立体角法计算结果准确、速度快。但运用投射立体角法每次只能 计算出照明面上每一给定点的照度值。 假定把眼睛放在照明面的观察点上，通过光学系统观察光源，观察点的照度就 由通过光学系统射入眼睛的光线数量来决定，射入眼睛的光束对眼睛所形成的张角 ( 立体角) 受限于光学系统的透镜口径和光源的尺寸大小。 假设光源的亮度为l ，光束对人眼的立体角为u ，透镜的透过率为p ，则观察 点处的照度就为 e = e pl 其中c 为光线对观察点的倾斜因子，当立体角很小时，它等于倾斜角的余弦值；当 立体角较大时，它等于每条光线倾斜角的余弦值的积分。 在观察点处，人眼对所能看到光源部分所张的立体角与倾斜因子的乘积，通常 称之为投射立体角，用符号q 表示。此时可得观察点处的照度值【2 3 】 e = pl q 光通转移法 重盎奎堂堡主堂焦笙奎2 _ 里塑璺塑墨塑型竺兰! l 光通转移法的基本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 将完全照射到对应配光屏幕上。 图2 ，1 光通转移法 f i g2 1t h e l u m i n o u sf l u xt r a n s m i s s i o n 如图2 1 所示，n 为入射光线与光轴的夹角，0 为反射面的母线旋转过的角度， 入射光线与反射面面元法向的夹角为b ，反射面的反射率为p ，反射面面元反射光 线形成的光斑的面积为d s 。则光斑处的照度为( 不考虑光线在空气中传播的损失) e = p i d o 啄d c 2 c o s f l ( 2 5 ) 2 3 照度仿真计算算法的选择 在照明光学的上述几种计算方法中，光线追踪算法主要应用于计算机图形学中， 用来模拟场景的照明效果( 光型分布) ，不适合照度的仿真计算。投射立体角法一次 只能计算一个点的照度值，而汽车前照灯配光性能要计算很多点的照度值，因此该 方法的计算效率不高，也不宜用。平方反比定律法没有考虑反射对照度的影响，而 且仅适用于点光源，因此不能直接应用于前照灯的照度计算。 蒙特卡罗方法要追迹大量的光线，因此计算所需时问相对比较长。蒙特卡罗方 法还涉及到抽样问题，即对光线在空间角度上进行抽样。另外，接收面( 配光屏幕) 是被分为矩形小方格进行考察的。光线被收集到矩形小方格内，给定点的照度值的 准确度依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量。方格越小对照度的分布情 况描述得越好，但想要获得同等的准确度，要求所追迹的光线相对多一些。 如果追踪的光线根数n 比较大，那么蒙特卡罗方法的误差近似服从正态分布。 其误差与样本标准差成正比，与光线的根数n 的平方根成反比，也就是醴，如果其 重庆大学硕士学位论文 2 照明计算方法的选择 它条件不变，要提高一位精度，就要把追踪光线的数目增加为原来的1 0 0 倍。要提 高蒙特卡罗方法计算的精度，仅仅增加网格的数目是不行的，随着网格的细化，到 达网格内部的光线数目减少，样本的标准差增加，误差反而加大。 例如把接收面分割成1 0 x1 0 的网格，即整个接受面被分割成了1 0 0 个小的区 域，如果追踪1 00 0 0 条光线，假设1 00 0 0 条光线全部照射到接收面，那么每个小区 域平均光线数为1 0 0 。在o 9 9 7 的置信水平下，蒙特卡罗方法的相对误差为误差为 3 0 7 。如果在该置信水平下把误差降低为3 0 7 ，那么要追踪10 0 0 0 0 0 根光线。 而在计算汽车前照灯的配光性能时，配光屏幕所要分割的小区域的个数远不只1 0 0 个，如果要达到很小的误差，要追踪的光线的数目将是相当大的，其计算量也大大 增加：而且灯泡射出的光线也没有完全照到配光屏幕上，这样的又增加了误差。 蒙特卡罗方法不能很好的描述照度大幅度突变的情况。如果照度值在配光屏幕 上发生了大幅度的突变，假设用户关心突变豹区域，那就应该提高细化突变区域的 网格，然而细化网格并不能提高精度，最终还是要提高追踪光线的数量。如果用户 不关心照度发生大幅度突变的区域，因为照度是以方格内收集到的光线的数量代表 的，那么大量的光线就浪费在用户不关心的区域内了。在很多情况下，配光屏幕照 度值的大幅度突变不是网格内的光线数量多，而是光线经过反射后比较集中于某一 点，如果网格比较稀疏，即使增加追踪共线的数目也不能提高计算精度。这就需要 既增加追踪的光线的根数，又要细化网格。如果保持置信水平不变，网格增加为原 来的1 0 0 倍，计算精度提高一位，追踪光线的根数要增加到原来的1 00 0 0 倍。 因此，蒙特卡罗方法要达到一定的精度，必须追踪大量的光线，计算量大，计 算效率较低。在用汽车前照灯反射器的优化与设计软件对配光镜进行设计和优化的 过程中，一般需要反复进行仿真计算，因此计算效率是必须考虑的重要问题。蒙特 卡罗方法不能满足本软件对计算效率的要求。 如果采用光通转移法，只要缩小离散反射面的大小，就可以提高网格点上的照 度仿真计算精度。 本文研究的对象是汽车前照灯，汽车前照灯的反射器被分割成一系列的小区域， 而且，光线在反射器出现二次反射的情况并不多。因此，如果对反射器的某一区域 进行调整，没有必要对整个光源进行追踪。只需要先计算不必要调整的反射面的配 光性能，然后，再单独计算要调整过的反射面引起的照度分布，最后将两个照度分 布进行叠加。这样，可以减少优化和设计的计算量，很方便地对反射面进行调整， 达到优化和设计的目标。在这个调整过程中，只需要对投射到要调整的反射面的光 线进行计算，没必要对整个的光源进行计算。因此采用光通转移算法既可以减少计 算量，提高计算的效率，又可以用于反射面的设计与优化。 0 重庆大学硕士学位论文 2 照明计算方法的选择 光通转移法方法简单，容易理解，计算量比蒙特卡罗方法小，既能够满足本文 对软件设计的要求，又适用于反射面的优化计算。通过综合比较各种算法，本文采 用了光通转移法。 2 4 照度计算的光通转移法 虽然，反射面的曲面方程是可以得到的，但是由于用式( 2 5 ) 通过理论计算求得 配光屏幕的照度分布几乎是不可能的。因此只能采用数值计算的方法计算配光屏幕 的照度。 2 4 1 光线的追踪 通常情况下，光的传播遵循几何光学的规律。如图2 2 所示，o 点为光源，a 点为入射点，a n 为反射面在入射点处的法方向，a c 为反射光线，其中c 点为光线与 配光屏幕的交点，l 为配光屏幕的法方向。假设配光屏幕方程为a x + b y + c z + d 2 0 或 工工+ d ：0 ，其中l = 和，b ，c ) ，x 为配光屏幕上的点。 x ，7 了一z 图2 2 光线追踪图 f i g2 2t h er a y t r a c i n g 由几何光学的知识可以知道，光线0 a 、a n 和a c 在同平面内。且 z o a n ：n a b ，做o t 垂直于a n ，其中t 为垂足，然后延长0 3 ，交a e 于b 点， 则o t = t b 。 因为点a 、b 、c 共线，所以设c = a + k ( b a ) 点a 、t 和n 共线，所以设a t = t a n 一o t 上万 斫万：o 重庆大学硕士学位论文2 照明计算方法的选择 ( 一o a + 一a t ) ( t a n ) = 0 ( o a t a n ) a n = 0 o a a n r = 一= = = = = 一n a n b = t + 0 t = a + a t + o a + a t = 。_ 彳+ 2 爿丁+ 爿 = ( 二h + 2 ，爿+ 爿 曰一a = 叫+ 2 t a n 面：历一2 一o a o a n 月一 a n a n 所以，c 点位置为c ：a + i 面。又因c 点在配光屏幕上，则可以把c 点的坐标 带入配光屏幕的方程得 由此求得 z ( 爿+ k ( - 6 - a 一2 一o a 。a n 月) ) + d ：0 4 n a n 七：一一! 竺坚一 z ( 2 一o a o a n 4 - - 一面) 4 n a n 因此可以求得c 点的坐标为 ( z 以+ d ) ( 石j 一2 2 0 ao a n 一月v ) c ：爿+ ：二盟丛生二( 2 6 ) z f 2 一o a , a n 爿一一葫) a n a n 应用式( 2 6 ) 可以得到反射面上任意点a 将光线o a 反射后，投射到配光屏幕上 的点c 的位置。 2 4 2 光通转移法 如图2 - 3 所示，假设反射面为一个三角形的小面元纠a ：a ，而且反射面的反 射率为1 0 0 。三角形面元的三个顶点的法方向分别为n t 、n 2 和n 3a 则根据式( 2 6 ) 重庆大学硕士学位论文2 照明计算方法的选择 可以求出点光源s 经过面元4 a ：a 。的反射，投射到配光屏幕上，得到光斑三角形 a c i c 2 c 3 a c 圈2 3 仿真计算腺理翻 f i g2 3t h ep r i n c i p l eo fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 设光源的发光强度为i ，三角形4 4 ：坞相对于点光源的立体角为艘，投射到 三角形a a 。a 2 a ，上的光通量为i 饱，如果面元足够小，可以假设在光斑三角形 6 c c ：c 3 内的照度是均匀的，所以a c 。q c ，内的照度为 e 。兰坠( 2 7 ) s m i c 2 c 】 、 如图2 4 所示，设三角形删1 坞和三角形a s a i a 2 央角为a ，三角形a s a 2 a 3 和 三角形翻：a ，夹角为，三角形心，a 和三角形蹦，a 2 夹角为，。则点s 对三角 a 2 a 3 半7 川m 。 图2 4 立体角的求解 f i g2 4t h ec a l c u l a t i o no f t h es o l i da n g l e 重庆大学硕士学位论文 2 照明计算方法的选择 形m ，a ：a ，所张的立体角为 2 4 其中 d r ) = 吐+ 8 七7 一冗 口：唧啷( 警竺毕掣) l 删1 翩2 h s a i s a 3 f 1 3 和y 的求解方法和类似。所阻，c 。c ：g 内的平均照度近似为 e ! ! 竺生兰= 要! s 蝎c 南 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 如果三角形爿。a ：a ，的面积足够小，可以采用近似求解方法。如图2 4 所示， 三角形删。a ，a ，相对于点光源s 所张的立体角为 d q 。鱼婴璺! 坠( 2 1 0 ) | s g s g | 1 g n i 所以，c ；c ：c ，内的平均照度为 e ，s “： s g - g n i 堕掣堕i 型( 2 1 1 ) “c ，矗 采用( 2 11 ) 式进行近似计算的时间复杂度要比用( 2 9 ) 式进行计算低一些，在相同 条件下，可以缩短计算时间，提高计算效率。本文在仿真计算中采用( 2 11 ) 进行计算a 重庆人学硕士学位论文3 配光性能仿真计算软件的设计 3 配光性能仿真计算软件的设计 3 1 概述 软件的开发是一项系统工程，对于中型以上的软件系统来说，如果事先没有一 个科学的规划，会在将来的开发中遇到很多意想不到的问题，并且会造成将来维护 升级的困难。软件危机的出现正说明了这一点。在汽车前照灯仿真计算软件开发时， 本文首先对软件进行了总体规划。按照软件工程学的方法，软件的开发过程分为软 件的定义、软件的设计( 包括总体设计和具体设计) 和软件的维护三个阶段瞄1 。 3 2 配光性能仿真计算软件的定义 按照软件工程学的方法，第一步应该是软件定义，它包括问题的定义、可行性 研究和需求分析三部分。 汽车前照灯照度仿真计算软件的功能主要是针对采用反射配光的汽车前照灯的 反射镜的配光性能进行仿真计算。 在软件的编写之前，对本文所要研究的问题给出了明确的定义，研究讨论了软 件开发的理论基础，估计将会遇到的困难、完成该项工程需要的资源和成本。经过 充分的论证，该软件是完全可行的。 汽车前照灯的反射面的类型是多种多样的，因此仿真计算软件的分析对象应当 比较广泛。汽车用照明光源也在不断的发展，原有的光源模型也不断完善，同时， 该软件又是汽车前照灯设计软件的基础。因此软件必须具备良好的维护性。仿真计 算的结果能以直观的形式给出。 3 3 仿真计算软件的总体设计 在明确了要开发什么软件之后，就要对软件进行总体设计和规划，然后具体实 现。 第一个需要解决的问题是软件的开发方式，即是独自开发套软件系统，还是 在已成熟的开放c a d 软件平台上进行二次开发。独立开发一套软件系统虽然拥有 自己的独立版权，但是需要较大的财力和人力投入，在目前的条件下是不可行的。 综合国内外已经成功的开发先例，几乎所有的专用c a d 软件都是在已形成商品化 的成熟c a d 通用软件平台上二次开发而成。这是因为二次开发可以充分利用通用 软件平台所提供的各种建模功能和制图功能。目前应用比较广泛的c a d 软件一般 都提供了良好的外部接口，在其上进行二次开发速度快、投入少，从实际效果来看， 效果是比较理想的。 重庆人学硕士学位论文3 配光性能仿真计算软件的设计 其次，汽车前照灯照度仿真计算软件要考虑两方面的问题：在仿真计算中如何 表示反射面的模型和如何建立灯泡的模型。本文把配光性能仿真计算软件建立在一 个c a d 平台上，为了能够方便地查询、设计、修改和显示汽车前照灯反射面，同 时可以设计整个反射器和整个车灯总成的三维电子模型，这个c a d 平台应