-一种PHP设计模式及汽车前照灯的光学设计

第1章绪论1.1选题背景1.1.1前照灯与行车安全汽车是现代社会中不可或缺的交通和运输工具，它给我们的生活带来了便利，也带来了问题。其中最突出的就是安全问题，尤其是夜间的安全。全世界每年发生的汽车交通事故不计其数。汽车的安全性，是汽车运行中一个极为重要的性能。汽车灯具担负着照明和信号两种功能，是重要的安全部件。汽车的照明质量直接影响着行车安全。尽管夜间路上的行人比白天少，事故数据显示，不包括驾驶者在内的事故数目仍以夜间为多：导致行人致命伤害的事故有60％发生在夜间。世界汽车安全事故统计资料表明：夜间发生交通事故的概率是白天的三倍，照明状况不良时的事故率又是照明状况良好时的三倍。[1]可见汽车灯具对于汽车的安全至关重要。汽车灯具按其作用可分为两大类：照明装置(照明灯)和光信号装置(信号灯)。照明灯的功能，是在黑暗环境中照亮汽车行驶前方路面。信号灯则是向其它道路使用者表明本车的存在，以及本车将要转向某一方向或正在制动减速等等，以引起其它道路使用者对本车的特别关注。在各种汽车灯具中，前照灯的重要性尤为突出。前照灯是汽车在夜间或雨天、雾天行驶时，用来照明道路、辨认前方障碍物的汽车照明装置。前照灯就好比汽车的双眼，是汽车最主要的外部照明灯具，它的主要功能是确保驾驶者对前方场景有良好的视认性，而同时又不能给迎面来车的驾驶者造成眩光。因此对于前照灯的空间光强分布，业内有着十分精确的标准。前照灯近光的光分布完全不对称，中间是一个高光强区，主要照亮汽车正前方的路面；光束在水平方向有所扩散，兼顾整个路面及路边的情况：在前照灯灯光所产生的明区与暗区之间有一条清晰的截止线(分界线)。正是由于前照灯的重要性和复杂性，前照灯的设计一直是汽车工业关注的重点之一。1.1.2前照灯的发展历程前照灯是要求最高、结构最复杂、设计和制造难度最大的车灯。它的发展变化也代表了车灯的整体演变。从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多经历了120年，其演变过程如下[2,3]:煤油灯，最初的前照灯是简单安装在汽车前部的煤油灯。由于煤油灯发光强度太低，不能满足照亮前方足够远路面的要求。后来利用1779年克鲁平发明的带片式抛物面反光条（反射器的雏形），将煤油灯的光通量反射汇聚于一狭窄立体角内，成为具有高强度光束的聚光式前照灯。乙炔灯，1905年，开始使用乙炔做车灯光源。乙炔由装置在汽车脚踏板或车架上的轻便型乙炔发生器利用碳化钙和水反应而产生。行车时车体的颠簸和晃动是这个化学反应的“催化剂”，因此汽车停止后，反应渐弱，照明也就渐弱消失。乙炔作为早期车灯的稳定光源，一直使用到1925年前后。电光源车灯，1913年发明了螺旋钨丝做发光体的充气（惰性气体）白炽灯泡，其发光功率达到了15~18lm/W。当年的凯迪拉克（Cadillac）汽车的前照灯就使用了这种灯泡座光源，这标志着汽车电气时代的开始。在这之后，乙炔前照灯就逐渐被电光源前照灯所取代。对称光前照灯，具备有高轮廓亮度充气灯泡的前照灯，为解决在两车相遇时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致发生交通事故和撞车的严重问题，出现了双光灯芯前照灯，但也没有完全解决汽车车灯的配光问题。非对称近光前照灯，双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统，近光光型的左右两侧完全相同，因而左、右两侧行驶皆适用。为解决在会车过程中，前照灯既不产生炫目，又能保证对道路具有良好的照明，1932年美国发明了不对称前照灯，它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落地距离短(即光束压低，从而防炫)，而另一侧光束的落地距离长(即光束抬高，从而增加视见)。封闭式前照灯，1940年之后，美国研制的封闭式前照灯，将光源、反射器和配光镜做成封闭的一体。卤钨前照灯，第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯是由法国“斯贝”公司在1964年生产的，其灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约50%，寿命也增加一倍。卤素灯，就是在灯泡内渗入少量的的惰性气碘，从灯丝蒸发出来的钨原子与碘原子相遇反应，生成碘化钨化合物，当碘化钨化合物一接触白热化的灯丝(温度超过1450℃)，又会分解还原为钨和碘，钨又重新归队回到灯丝中去，碘则重新进入气体中。如此循环不已，灯丝几乎不会烧断，灯泡也不会发黑，所以它要比传统的白炽前照灯寿命更长，亮度更大。自由曲面前照灯，在整个电光源的发展过程中，前照灯基本上采用抛物面反射器。反射器将光源发出的光以近似平行于光轴的方向射出，经配光镜的重新分配，形成满足要求的光型，自由曲面前照灯的反射器曲面不再是规则的抛物面，从其上反射的光型即为满足要求的光型，不再需要配光镜进行配光。投影型前照灯，投影型前照灯是德国海拉（Hella)公司于1984年推出的新一代前照灯。由光源、反射器、挡板、凸透镜和配光镜组成。这种车灯要求精确的装配，可获得准确而清晰的明暗截止线。高强度气体放电HID前照灯，HID具有寿命较长、光照度强、色温高等优点，因其能提供更宽更亮的光型及更广的照射范围成为又一代前照灯光源。LED汽车前照灯，LED光源因其耗能低、寿命长、抗震动、响应速度快、设计自由度大、环保节能等传统光源无法比拟的优点成为汽车前照灯的新一代绿色光源，不仅能够降低能量消耗，延长使用寿命，而且可以减少安全车距，减少交通事故。LED灯能够使得汽车灯具的造型布置和风格设计具有空前的灵活性而适于车型的个性化，且LED的光输出功率密码已能够与HID灯具匹敌。随着技术的发展、成本的下降、光效的提升，LED光源将成为未来车辆照明的发展趋势。光纤前照灯，光纤前照灯是根据光的全反射原理，利用光学纤维来实现光的传导而开发出的最新一代汽车灯具。它由光源、反射器、光纤和输出组件等部分组成。综上所述，随着照明光源技术的进步，汽车前照灯工经历了四代光源的演变，分别是白炽灯、卤素灯、HID、LED光源。1.1.3研究现状A国内研究现状国内目前几乎不具备独立设计前照灯的能力，进行汽车照明相关的单位也比较少，且主要是一些高校。其中非比较突出的是负担大学光源与照明工程系及电光源研究所的一批老师和研究生，他们进行了较多的研究并取得了一定的成果，复旦大学的研究所涉及的内容包括AFS前照灯系统、计算机辅助前照灯设计、前照灯光型模拟及汽车光源的计算机建模等方面。此外，清华大学、上海交通大学、上海理工大学、哈尔滨工业大学等高校也进行了一些相关的研究。如北京理工大学的照明光学系统CAD的研究清华大学的汽车前照灯计算机辅助设计研究及上海理工大学的自由曲面汽车车灯的仿真设计和制造研究。相比之下，国内的企业开展的研究却很少，仅上海小糸车灯有限公司、上海汽车照明工程研究中心、湖北汽车灯具厂等有限的几家单位有零星的论文发表。内容涉及前照灯的光学设计及道路照明标准研究等方面，多侧中与实际应用，理论研究的比重较小。江苏丹阳是全国较大的车灯生产基地，过去这里的车灯制造企业主要用国外的设计进行生产，没有自主研发的项目。随着汽车照明技术和造型技术的发展，车灯特别是前车灯的地位日益突出，国内的这些汽车车灯生产企业也开始意识到研究车灯的重要性，正在逐渐开展研究项目。不过就全国来看，对汽车照明研究虽然日益重视，相关的研究还仅仅是处于起步阶段，尚无成功的设计和经验可言。尤其是企业进行研究的较少，这与国外主要由企业进行研究的现象形成了鲜明的对比。B国外研究现状国外的发展则比我们领先许多。与国内不同，国外的研究大多由企业完成。高校中以美国密歇根大学进行的研究最多，且其研究也多与企业合作。在汽车照明方面研究成果较为突出的，有著名车灯制造商，如北美车灯、德国海拉和日本小糸；著名照明产品制造商，如Valco、Helios和Philips；以及著名汽车制造商，如BMG、Volkswagen、MercedesBenz等等。特别是北美车灯、德国海拉和日本小糸这些专门设计和生产汽车照明产品的厂商，已经具备开发制造高质量前照灯的能力。他们不仅设计制造了世界顶尖水平的车灯、积累了相当丰富的设计经验，还针对汽车照明的特殊性，开发了专门用于汽车照明系统设计的软件。具体而言，美国密歇根大学的Sivak在前照灯光型分析、国际汽车照明标准及车灯质量评估方面做了许多研究；波兰华沙大学的Mazur在汽车照明仿真方面的研究亦较为突出。各企业对汽车照明的研究内容更为广泛，主要的研究方面有：前照灯标准的国际协调、HID光源技术及采用HID的前照灯的设计、自由曲面前照灯的设计、分光系统的设计及优化、AFS系统、车灯光色分析及前照灯内部热流分析等诸多内容。其研究内容无论在深度还是广度上，都远远超过了国内的研究。1.1.4前照灯设计常用软件1、综合性光学软件TraceProTracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。它是第一套以ACISsolidmodelingkernel为基本的光学软件。优点：比起传统的原形方法，TracePro在建立显示系统的原型时，在时间上和成本上要降低30－50%。TracePro作为下一代偏离光线分析软件，需要对光线进行有效和准确地分析。为了达到这些目标，TracePro必须具备以下这些功能：处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线；图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库；导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。2、用于照明设计的软件KBE-SmartliteKBE-Smartlite是集成于I-DEASCAD系统中的一套照明产品设计软件。它将现有的所有关于照明系统进展的知识和惯例存放于一个中心库中，试图提供照明工程师及设计师所需要的包括工具、设计的支持数据和信息在内的几乎所有知识[4,5]。3、反射器设计软件ReflectorCAD其功能就是设计分块反射器，它极大的简化了分块反射器的构建和分析，从而缩短从设计到样品所需要的时间。其图形界面使设计简单易行，而近似的反射器输出效果在数秒内就可算出，这样设计中的改动效果立即就可以看到。由于它的功能就是反射器设计，因此车灯的其它部件还得由其它软件来完成。4、CAD软件CATIACATIA提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的[6]。1.2选题目的及意义若是作一下比较，国内的研究以理论为主，内容较单一，且常有深度不足的感觉，创新之处不多；而国外的研究则重在实际应用，其论文涉及面广且较有深度。这也许正是国内车灯设计力量薄弱的一个重要原因。现代汽车照明技术发展非常迅速，国外的企业及研究机构经过多年的努力，已经具备相当雄厚的研究基础，拥有非常专业的研发人员和完善的研发机构，其发展越来越快。国内由于对这方面长期没有重视，致使研发实力十分薄弱，一直依赖国外的技术，这会导致受制于人的局面，对我国的汽车工业发展十分不利。因此，必须尽快开展汽车照明的自主研究。否则，差距将越来越大。前照灯的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要的意义。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。2.1前照灯系统2.1.1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2-1所示图2-1前照灯1一光源、2一反射器、3一配光镜2.1.2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2-2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。图2-3自由曲面反射器的偏移（上）和散射（下）2.2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。2.2.1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。2.2.2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。2.3前照灯的相关标准2.3.1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（EconomicCommissionforEurope）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，FederalMotorVehicleSafetyStandard）。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（SocietyAutomotiveEngineers）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]。2.3.2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。图2-425米配光屏(GB4599—1994)图2-5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v--v线的左侧，右侧与水平线向上15°的斜线，或向上成45°斜线至水平线垂直距25cm转向水平折线。在配光屏幕上的照度限值，应符合表2-1的规定。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2-1近光照度限值（GB4599-1994)注：(1)单光束为0.3，双光束为0.4；(2)E50R为50R的实测照度。远光的配光要求在配光屏幕上的照度限值，应符合表2-2的规定。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2-2远光照度限值（GB4599-1994)2.4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。2.4.1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位于法线的两侧。b．折射定律：反射光线、折射光线和入射点的法线三者位于同一平面内，入射角的正弦和折射角正弦之比等于入射光线所在介质的折射率和折射光线所在介质的折射率之比。[12](3)光在球面上的反射a、符号规则如图，球面AOB的中心D点称为顶点，球心C点称为曲率中心，球面半径称为曲率半径，连接顶点和曲率中心的连线CO称为主轴，经过主轴的平面称为主截面。在计算过程中，有如下的符号规则：光线的传播方向通常规定为自左向右。光线和主轴的交点位置都从顶点算起，在顶点右边，则其距离之值取正；在顶点左边，其距离之值取负。物点或像点至主轴的距离，在主轴上方为正，下方为负。光线方向的倾斜角度都从主轴（或球面法线）算起，并取锐角。由主轴（或球面法线）转向某光线时，若是沿顺时针方向，则此角度数值取正，反之取负。图2-6符号规则b．近轴球面反射的物像公式如果光轴上的点射出的光线与光轴的夹角很小，则这个角度的正弦值可以近似用其弧度值来代替。这种光线位于光轴附近区域，故称为“近轴光”。光轴附近的这个区域称为“近轴区＂。在图中，对于△PAC和△P’AC，由正弦定律得以及由反射定律，将上两式合并、整理得（2-1）在近轴条件下，，则由图可得及代入（2-1）式可得（2-2）在（2-2）式中，对于r一定的球面，只有一个s’值与给定的s值对应，此时有明确的像点存在，即高斯像点。s称为物距，s’称为像距。当时，，即沿主轴平行入射的光束经球面反射后成为会聚或发散光束，交点位于主轴上，称为该反射球面的焦点，焦点到顶点的距离称为焦距。则（2-2）式可写作（2-3）这便是球面反射物像公式。对于凹球面和凸球面，只要是近轴光线，都满足这个球面反射成像的基本公式[12]。(二)光度学光度学是光学中研究光在发射、传播、吸收和散射等过程中光量的问题的学科。常用的光度量有：A．光通量光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，单位是流明（lm）。B．照度和光出度照度是指受照表面单位面积所接收的光通量，单位是勒克斯（lx）。1lx=1lm/㎡。取受照表面微小面元dA，若该面元上入射光通量为d，则照度E为E＝d/dA光出度是指光源单位表明发出的光通量。与照度类似，对于光源发光表面dA，若发出的光通量为d，则光出度Ｍ为E＝d/dA照度和光出度具有相同的单位和量纲，不过照度是表示被照物体所接收到的光通量的表面密度的量，而光出度则表示光源发出的光通量的表面密度。C．光强光强是指光源在给定方向的单位立体角内发出的光通量。光强的单位是坎德拉（cd）。1cd=1lm/srD．亮度亮度是广光源单位发光表面在给定方向上单位立体角内发出的光通量。[12](三)几何基础自由曲面前照灯的反射面是由许多自由曲面片组成。这些自由曲面用单一的数学函数是无法表达的。自由曲面常用的表示方法有Coons曲面、Bezier曲面、B样条曲面和NURBS曲面等，这里适合前照灯设计的是Ｂ样条方法。B样条曲面非均匀有理B样条(NURBS)曲面第3章光源的选择光源是前照灯系统的核心部分，其特性直接影响到整个前照灯系统的设计。在设计前照灯时，首先要选择一个合适的光源。[7]3.1常用前照灯光源目前使用最多的前照灯光源是白炽灯和卤钨灯。由于白炽灯功率较小，现在已经较少用于前照灯，多是用于照度要求不高的场合，如尾灯、刹车灯、转向灯或牌照灯等等。与白炽灯相比，卤钨灯具有体积小、功率大、光效高和灯丝紧凑等优点，是目前最理想的前照灯光源。卤钨灯的品种很多，常用的有H4、H1、H7、HB1、HB和HB4等，它们在国际上已经标准化，是当前主要的汽车光源。然而卤钨灯也有不足之处，如光色偏红偏黄、驾驶舒适性差；寿命较短；辐射中红外线比例较高，产生的热效应会对灯具中的高分子材料产生影响。高强度气体放电灯则克服了这些不足，因而得到了越来越多的应用，目前主要使用的有D1S、D2S、D1R和D2R灯。高强度放电灯的照度和寿命有了大幅提高，但是设计较复杂，成本较高，现在应用范围较小，但它是前照灯光源的一个发展方向。3.2本论文所选用的光源本文选用H4和H7两种光源进行设计。之所以选用这两种光源，是考虑到H4是目前我国使用最为广泛的前照灯光源，具有代表性；而H7则是随着自由曲面反射器的问世而问世的光源。3.2.1H4光源图3-1为H4的模型图。H4是双丝车灯。其近光灯丝发光中心位于主轴之上31.25mm处，精确的坐标足（0.00，-0.07，31.25），长度5.5mm，直径1.2mm，光通量1000流明；远光灯丝的精确坐标是（0.00，-0.08,24.55），灯丝长度4.5mm，直径1.2mm，光通量1650流明。图3-1H4灯泡为了形成法规要求的截止线．在H4灯泡的近光灯丝下方有一个遮光罩。如图3-2所示。图3-2H4遮光罩3.2.2H7光源图3-3为H7模型图。H7是单丝车灯，其灯丝中心位于主轴之上27．25mm处，精确坐标为(O．00，O．OO，27．25)；灯丝长度4．5mm，直径1．2ram；灯丝光通量1500流明。图3-3H7灯泡第4章反射器设计光源模型建立之后，开始进行反射器的设计。反射器的作用，是将光源发出的光通量反射到有限的立体角内，以达到提高前方道路照明的目的。反射器的设计是自由曲面前照灯设计中最重要的部分，因为整个前照灯的配光都是由反射器来实现的。本章详细叙述了自由曲面反射器的设计过程，并给出了设计结果。4.1基础面传统前照灯反射器的反射面多采用旋转抛物面，灯丝放置在焦点附近。自由曲面前照灯在设计的初期，也要先建立一个抛物面，以后的设计都以这个面为基础。这个面称为基础面。在实际的设计中，这个面的参数(如焦距、轮廓)是根据车灯所采用的灯泡的灯丝位置及车体所能提供的装配尺寸来确定的。对于双丝灯泡，一般是将远光灯丝放置在基础抛物面的焦点处，而近光灯丝放置在焦点的前方。H4的远光灯丝发光中心至定焦盘的距离是24．55mm，因此基础面的焦距取为24．55mm。参考前照灯的一般大小，取其轮廓为200×140mm的矩形。采用单丝灯泡时，远光和近光功能分别由两个不同的反射器来实现，而两种情况都将灯丝的发光中心置于基础面的焦点处。H7的灯丝发光中心至定焦盘的距离是27．25mm，因此近光反射器和远光反射器的基础面都取焦距为27．25mm，其轮廓取为140×100mm的矩形。4.2分区设计单一的基础面是无法满足配光要求的，要将它划分为若干小块，改变各块的参数，才能使总的照明效果满足法规的配光要求。将基础面在与光轴垂直的平面上的投影划分为若干个矩形或梯形，这些形状的边界在基础面上的投影分基础面成若干块。4.2.1H4光源的反射面分区使用双丝灯泡时，大致的分块方法如下。图4-1H4反射面功能分区(双丝灯泡)如图4-1所示，整个反射面分为五个大区。一般而言，反射器上距离光源较远的区块所成的像较小，而距离光源较近的区块所成的像较大，根据这一规律，可初步确定每一区的功能。一区的功能是使光线水平扩散±40，主要照亮汽车正前方的区域。二区的功能是使光线水平扩散±150，照亮整个路面。三区的功能是使光线水平扩散±20，加强中间的亮度。四区的功能主要是形成150截止线，并要求一定的照度。五区是远光区，当近光灯丝点亮时，由于遮光罩的遮蔽作用，没有光线射到这一区域，因此它对近光配光没有影响。按照上面的分区方法，再将反射面做如图所示的细分。图4-2反射面具体分区(双丝灯泡)4.2.2H7光源的反射面分区单丝灯泡的情形则比较简单，因为一个反射面只实现一种功能(或近光，或远光)。由于不必考虑遮光罩的影响，分区也比较自由。在本例中，近光和远光反射面采用同样的分区。当然，尽管分区相同，但对于近光和远光两个反射面而言，其对应区块的功能(即曲面的形状)是不同的。图4-3反射面具体分区(单丝灯泡)4.3总体设计自由曲面反射器和其它反射器有一个共同点，即反射面中间区域形成的投影区域较大，比较扩散；外围区域形成的投影区域较小，比较集中。在划分子块并确定各子块的投影区域的时候，就以这个规律为基础。下面将详细介绍反射面各子块的投影功能。4.3.1采用H4光源的反射面图4-4H4反射面具体分区情况H4灯泡的远光灯丝的发光中心距离其基座24．55mm，使用双丝灯泡时，要将远光灯丝的发光中心置于反射基础面的焦点上，因此这个反射面的基础面取焦距为24．55mm的旋转抛物面。图4-4所示，图为基础面的具体分区情况。整个反射面分为26个子块。其中子块S01至S20位于近光区，子块S21至S26位于远光区。当近光灯丝点亮时，由于遮光罩的作用，远光区子块S21至S26不参与配光，这时近光区子块S01至S20共同形成前照灯的近光光型；当远光灯丝点亮时，所有子块都参与配光，共同形成前照灯的远光光型。近光总的来说，子块S01、S06、S05和S11的投影主要集中在配光屏的中心水平方向±lm、垂直方向O至一1m范围内，它们的功能是形成中心的高亮区域；子块S03、S08和S09的投影则在水平方向有较大扩散，主要位于中心水平方向±5m、垂直方向0至一4m范围内，它们的功能是实现整个路面上的均匀照明；子块S02、SO?、S04和S10的投影范围介于以上两组子块之间，它们的功能是增加中心区域的照度，同时使照度均匀过渡；子块S12、S13和S14的投影主要集中在水平方向0至一4m的水平线下方区域，用来形成水平截止线；子块S15至S20的投影主要集中在水平方向O至4m，从中心点开始呈15°的斜线的下方。远光远光的设计是在近光区设计好的情况下进行的，此时S01至S20的曲面形状已经确定。所以远光的设计就只剩下S21至S26这六个子块。法规对远光的要求并不严格，只要求照度均匀，中心区域有较大的照度即可。因此S21至S26这六个子块的投影主要都集中在中心区域。其中S21和S26的投影区域在中心水平方向±1m、垂直方向±lm范围内：S22的投影区域在中心水平方向一l至3m、垂直方向O至一2m范围内；S23、S24和S25的投影区域在水平方向±2m、垂直方向O至一2m范围内。4.3.2采用H7光源的反射面H7灯泡灯丝的发光中心距离基座27．25mm，因此取基础面取焦距为27．25mm的旋转抛物面。单丝灯泡的远光与近光采用不同的反射面，所以其设计较双丝灯泡简单。近光图4-5近光反射面具体分区情况H7的近光反射面共分24个子块。如图4-5所示，其中S01、S07、S13、S19、S06和S2这六个子块的功能是形成中心的高亮区，但是也各有侧重，S01、S06和S24的投影范围较小，而其余三个较大；S11、S12、S17和S18形成15°截止线；S08和S20形成水平截止线：其余各子块的投影区域较为扩散，主要是实现整个路面的均匀照明，同时部分子块对水平截止线有贡献。远光S01S02S03S04S05S06S07S08图4-6H7远光反射面具体分区情况相对于近光，远光的设计显得相当容易。如图4-6所示，子块S01、S08主要形成中心高亮区，其余各块则主要照亮整个路面，当然各块的投影范围不尽相同。4.4光型图与等照度图的绘制为了验证所设计的反射面是否满足要求，需要绘出25米屏幕上的光型图及等照度图。4.4.1H4反射器近光1、等照度曲线图4-7为H4反射器近光在25m配光屏上的等照度曲线图。图中可以很明显地看出左侧的水平截止线和右侧的15°截止线，在这两条截止线上，各等照度线彼此非常接近，这说明在截止线上的照度梯度较大，因此可以形成比较清晰的截止线。各等照度线的形状比较相似，这说明光的强度变化比较平滑，光分布具有较好的均匀性。图4-7H4近光等照度曲线图法规检测图4-8H4近光法规检测图从图4-8所示可以看出，对于HV、75R和50R的检测，均在法规的允许范围内。远光1、等照度曲线图4-9是H4远光在25米配光屏上的等照度曲线图。远光对光型的要求不高，从图中可见，各等照度线形状都比较相似，光的均匀性较好，且相对于中心基本对称，符合远光主要照亮正前方区域的需要。图4-9H4远光等照度曲线图法规检测图4-10H4远光法规检测图从图4-10所示可以看出，对于HV、75R和50R的检测，均在法规的允许范围内。HV≥80%Emax,属于比较符合的。4.4.2H7反射器近光1、等照度曲线图4-11是H7近光在25米配光屏上的等照度曲线图。这个图和H4近光等照度曲线图很接近。图中同样有很明显的水平截止线和15°截止线，截止线上的照度线彼此接近，照度梯度较大，可以形成比较清晰的截止线。各等照度线的形状比较相似，这说明光的强度变化比较平滑，光分布具有较好的均匀性。与H4近光相比，H7近光在水平方向向两边扩散得更远，即视野更为广阔，这主要是因为H4反射器同时要实现近光和远光两种功能，有部分反射面区域没有参与近光的配光，而H7的近光和远光分别由不同的反射器来实现，反射器得以充分利用，提高了光的利用率。这也是单丝灯泡的优越性之一。图4-11H7近光等照度曲线图法规检测图4-12H7近光法规检测图从图4-12所示可以看出，对于HV、75R和50R的检测，均在法规的允许范围内。远光1、等照度曲线图4-13是H7远光在25米配光屏上的等照度曲线图。与H4远光等照度图相比，各等照度线的形状相似度更好，这说明其均匀性更好，同时，其在水平方向向两边扩散更大，更有利于扩大视野。这主要是因为H7的远光反射器是独立设计的，而不像H4反射器那样受到近光设计的制约。图4-13H7远光等照度曲线图法规检测图4-14H7远光法规检测图从图4-14所示可以看出，对于HV、75R和50R的检测，均在法规的允许范围内。HV≥80%Emax,属于比较符合的。第5章小结5.1近光比较通过对图4-8和图4-12的比较，可以看出，各控制点的照度值都符合标准要求。而50R及75R两个控制点处的照度虽然符合标准要求，但是H4近光和H7近光的这两个值相比较可以看出略有不同，而我们希望这两个值越高越好，因为这样有助于提高前照灯在本车道前方的照明距离。与H4近光相比，H7近光在水平方向向两边扩散得更远，即视野更为广阔，这主要是因为H4反射器同时要实现近光和远光两种功能，有部分反射面区域没有参与近光的配光，而H7的近光和远光分别由不同的反射器来实现，反射器得以充分利用，提高了光的利用率。经过比较，可以看出H7的近光要优于H4的近光照明效果。5.2远光比较同时，可以比较图4-9、4-10和图4-13、4-14，可以看出，H7远光在25米配光屏上的等照度曲线图。与H4远光等照度曲线图相比，各等照度线的形状相似度更好，这说明其均匀性更好，同时，其在水平方向向两边扩散更大，更有利于扩大视野。这主要是因为H7的远光反射器是独立设计的，而不像H4反射器那样受到近光设计的制约。由此可见，用H7作为光源的前照灯的近光、远光的光型总体不错，各个控制点处的照度都符合法规的指定要求，达到预期的效果。总结从上学期期末拿到毕业设计的课题开始至今已经四个多月了，我们从一开始的迷茫到能将设计基本完成。刚开始觉得四个多月的时间很充裕，对于毕业设计也是信心满满的，后来到星宇公司慢慢接触到车灯方面的相关知识，才觉得，这并不是我们想象的那么简单，由于我们对车灯的了解并不是很好，整个设计过程中，我们从学习软件，查阅资料和做实验一点点地慢慢做起。在此期间，我们对草图方案改过数次，最终确定三维模型并投入分析。整个设计过程我们通过小组讨论，咨询工程师等方法，也解决了不少难题。这也让我们不但从中学习到许多新知识，而且还进一步培养了团队合作精神，认识到个人的力量是有限的，而一个团队却能完成许多事。当然，我也在其中锻炼了耐心和不怕吃苦的毅力。致谢本毕业设计是在卞新高老师的悉心指导下完成的。从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有卞老师的细心指导和认真的解析。在卞老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。同时,我也十分感谢星宇车灯公司和我的企业指导工程师-孟庆恩和陈春花工程师等对我的帮助和指导,我在此表示诚挚的谢意。他们在我遇到困难时给予了许多帮助和指导，对我的问题总是很细心地解答。对于我提供的新方案和问题的解决方法，他们也是很耐心的给我分析，很认真的指出我的不足。，也感谢我同一组的组员和班里的同学是你们在我遇到难题是帮我找到大量资料，解决难题。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。通过这次毕业设计不仅提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。并且也认识到对于一个项目的研发有太多细小的部分了，想要成为一名优秀的工程师，我们就必须有不怕麻烦、精益求精的毅力。由于经验匮乏，能力有限，设计中难免有许多考虑不周全的地方，希望各位老师多加指教。参考文献[1]ThomasWeber,ChristianPlattfaut.Virtualnightdrive.PAL2001Symposium.2001:1062-1069[2]BillSiuru.Lightinguptheroadoftomorrow.MechanicalEngineering.1991(8):64-67[3]黄佐贤主编.现代汽车灯具.北京：长虹出版公司，2003[4]PrasadKoppolu,etc.Knowledge-basedengineeringapplicationforlightingdesignanddevelopment—KBE-Smartlite.PAL2001Symposium.2001:560-576[5]LawrenceM.Rice.Predictivetoolsforautomotivelighting.PAL2001Symposium.2001:785-792[6]敖锦龙，现代汽车前照灯配光设计技术初探——自由曲面前照灯光学系统。中国照明电器.2001（12）：7-10[7]MartinGrimm,MichaelHamm.ECEheadlampperformancestatusandpotentialforimprovement.PAL2001Symposium.2001:348-354[8]AddeVisser.ActiviesofCIErelevanttoautomotivelighting.PAL2001Symposium.2001:186-195[9]陈大华.道路照明及其国际推荐标准.中国照明电器.2000(11):19-22[10]王吟斌.汽车及挂车照明和信号装置标准体系介绍.中国照明电器.1999（3）：25-27[11]周太明等.汽车近光灯配光的国际协调.中国照明电器.2000（5）：1-5[12]张以谟.应用光学.修订本.北京：机械工业出版社，1988[13]朱心雄等.自由曲线曲面造型技术.北京：科学出版社，2000[14]周军等.FFR汽车前照灯的光学设计.照明工程学报.1999（第10卷第2期）：45-50[15]GuenterHege.Newreflection-typeXenonheadlampsusingHIDtechnology.SAE960927.1996:1140-1143[16]黄一帆.照明光学系统暨汽车前照灯的研究.北京理工大学硕士论文.2002[17]WeiZhou,QifeiTu.Measurementoftemperaturedistributiononthefilamentsoftheautomotivelampsusingthespecyroscopicmethod.PLA2001Symposium.2001:1110-1117[18]徐文岩等.汽车光源的计算机建模——H4光源的计算机模拟的探索与实现.中国照明电器.2000（5）：6-8[19]周军，周太明.