【文章內(nèi)容簡介】 種類在很長時間內(nèi)都比較單一。隨著 CAD技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型前照燈，如復(fù)合反射器前照燈、波浪形反射器前照燈、投影式前照燈及自由 曲 面反射器前照燈。就目前國際汽車工業(yè)的進(jìn)展來看，自由曲面反射器前照燈是前照燈的發(fā)展方向。這種前照燈完全摒棄了傳統(tǒng)前照燈的配光鏡配 光方式，由反射器獨立完成配光的任務(wù)。它具有光能利用率高、車燈高度低和空氣動力學(xué)好等優(yōu)點?！? 目前，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的汽車已廣泛采用自由曲面前照燈，而國內(nèi)自由曲面前照燈的普及率卻相當(dāng)?shù)?，正處于向自由曲面前照燈過渡的時期。但是國內(nèi)的自由曲面前照燈的獨立設(shè)計能力卻十分薄弱；一些發(fā)達(dá)國家雖然已經(jīng)可以開發(fā)制造高質(zhì)量的自由曲面前照燈，但他們嚴(yán)格進(jìn)行技術(shù)壟斷，不對外轉(zhuǎn)讓技術(shù)和軟件。所以，現(xiàn)在進(jìn)行本課題的研究，對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 7 要 的 意義。河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 8 第 2 章 前照燈設(shè)計基礎(chǔ)及設(shè)計過程概述 前照燈是一個照明光學(xué)系統(tǒng)。照明光學(xué) 系統(tǒng)是光學(xué)的一大分支。與傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)不同，照明光學(xué)系統(tǒng)更注重于能量的分配，即被照明面上的照度分布和大小，因而其設(shè)計與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有許多不同之處。前照燈有很多種類型，如拋物面前照燈、復(fù)合曲面前照燈、自由曲面前照燈和投影式前照燈等等，這一章主要介紹本論文所研究的自由曲面前照燈。 前照燈系統(tǒng) 前照燈的基本結(jié)構(gòu) 典型的前照燈主要由光源、反射器和配光鏡這三個部件構(gòu)成，如圖 21所示 圖 21 前照燈 1 一 光源、 2 一 反射器、 3 一 配光鏡 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 9 前照燈的工作原理 傳統(tǒng)的拋物面前照燈的 工作原理，是由反射器收集、匯聚光源發(fā)出的光，并將其以平行于光軸的方向射出，射出的光經(jīng)配光鏡的偏移和散射，形成滿足要求的光帶。這里，光型是由反射器和配光鏡配合實現(xiàn)的，而且主要取決于配光鏡，反射器僅僅是起到匯聚和射出光線的作用。配光鏡由許多小透鏡和小棱鏡單元拼合而成，這些形狀不一的小單元，將反射器射出的平行光或偏移、或散射、投射到需要的地方，最終形成滿足要求的光型。 圖 22 配光鏡的偏移 (上 )和散射 (下 ) 自由曲面前照燈與拋物面前照燈的最大不同是將配光鏡的功能轉(zhuǎn)移到了反射器上，即光型完全由反射器來實現(xiàn)，配 光鏡變成光滑透明的透鏡，僅僅是起到透過光線的作用。光線在經(jīng)過配光鏡的時候，不在發(fā)生偏移和散射。這時的反射器，在反射光線的同是，還要實現(xiàn)以前由配光鏡完成的偏移和散射功能。 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 10 圖 23 自由曲面反射器的偏移 （ 上 ） 和散射 （ 下 ） 前照燈的主要部件 如前述，自由曲面前照燈的配光完全由反射器實現(xiàn)，配光鏡只是起透過光線的作用，因此，前照燈的三個主要部件，這里只介紹光源和反射器，對于配光鏡不作介紹。 光源 （一）現(xiàn)狀與發(fā)展 汽車光源是汽車燈具的發(fā)光主體，合理的選擇光源，對汽車的照明質(zhì)量起著至關(guān)重要的 作用。 汽車光源在早期是十分簡陋的。在使用電光源之前，先后由煤油燈和乙炔燈充當(dāng)汽車的照明光源。這兩種光源的亮度都比較低，照明效果并不盡如人意。直到電光源應(yīng)用于汽車照明，這種情況在有了明顯的改觀。最先使用的電光源是白熾燈。白熾燈在汽車上使用了相當(dāng)長的時間，直到現(xiàn)在，白熾燈和在白熾燈的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的鹵鎢燈，仍是使用最為廣泛的汽車光源。與此同時，也出現(xiàn)了許河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 11 多新型光源，如高強(qiáng)度氣體放電光源，這些新型光源的進(jìn)展為汽車照明的未來提供了眾多可能性 [2]。 （ 二 ）常用汽車光源簡介 白熾燈 白熾燈不但是最早使用的，也是至今 仍在廣泛使用的汽車電光源。白熾燈利用電流通過螺旋型鎢絲時產(chǎn)生的熱效應(yīng)，輻射出可見光和紅外線。白熾燈的功率較小，主要用于照度要求不太高的場合，如尾燈、剎車燈和轉(zhuǎn)向燈等。 鹵鎢燈 由于傳統(tǒng)的白熾燈在物理尺寸、發(fā)光效率和經(jīng)濟(jì)壽命上的缺點，它的應(yīng)用受到了很多限制。鹵鎢燈是在白熾燈的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它具有壽命較高，功率較大等優(yōu)點，很適合于車輛前方照明使用。 高強(qiáng)度放電燈 鹵鎢燈的優(yōu)點很多，但也存在許多不足之處，如光色偏黃、壽命較短、紅外輻射比例較高等等。新型高強(qiáng)度放電燈的發(fā)光亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鹵鎢燈，照明距離也遠(yuǎn)大約 40%，而且光色亮白，壽命很長，所有這些性能都明顯優(yōu)于鹵鎢燈。作為一種新型光源，目前高強(qiáng)度放電燈的價格仍然是比較高的，而且其制作的技術(shù)要求也比較高，所用的電路、燈具的設(shè)計也比較復(fù)雜，因而它在汽車照明中的應(yīng)用范圍還比較小，但是它仍是汽車光源的發(fā)展方向，將會在汽車照明場合得到越來越廣泛的應(yīng)用。 反射器 反射器是汽車前照燈的重要部件，它將光源發(fā)出的光聚集發(fā)射，大大提高了光的的利用率。隨著科技的進(jìn)步，反射器的類型和功能也在發(fā)生著變化。這里只介紹拋物面反射器和自由曲面反射器，其他類型的反射器介紹從略。 拋物面 反射器 拋物面反射器是最傳統(tǒng)的反射器，它可以將置于其焦點處的光源發(fā)出的光沿平行于光軸方向反射出去。這里反射器僅僅是起到匯聚和射出光線的作用，必須要有遮光罩和呆功能花紋的配光鏡配合使用，才能得到滿足要求的光型。 自由曲面反射器 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 12 自由曲面反射器是目前最具潛力的前照燈反射器，它起到了拋物面前照燈的反射器和配光鏡的雙重作用，因此，自由曲面前照燈的配光鏡簡化為光滑透明的透鏡，不再參與配光過程。由于要獨立完成配光任務(wù)，這種反射器的反射面不再是簡單的拋物面，而是負(fù)載的光學(xué)反射面。 自由曲面反射器分為連續(xù)式和多面式。 連續(xù) 式反射器的反射面是一個光順的不規(guī)則幾何曲面，由計算機(jī)通過復(fù)雜運(yùn)算、優(yōu)化臨界參數(shù)、應(yīng)用仿真程序生成。這種曲面的優(yōu)點是產(chǎn)生不必要的光線的可能性較小。但是連續(xù)反射器的反射面上不允許存在臺階和拐點，這使它在設(shè)計上存在很大的局限性。 多面式反射器的反射面由多個自由曲面組成。由于各曲面之間存在突然的階躍，這種反射器有可能產(chǎn)生不必要的光線，這一點不如連續(xù)式反射器。但是它的設(shè)計卻比較容易實現(xiàn)，而且具有非常明亮的外觀，所以得到了廣泛的應(yīng)用。 前照燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 概述 為了解決汽車帶來的交通事故、環(huán)境污染和 能源消耗，許多國家都對汽車產(chǎn)品實行法規(guī)化管理，制定了相關(guān)的技術(shù)法規(guī)。汽車技術(shù)法規(guī)于二十世紀(jì)五十年代出現(xiàn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已有多種國家的、區(qū)域的、雙邊的和多邊的法規(guī)體系。早起國際上較為完善的最具代表性的有三大汽車法規(guī)體系 —— 美國體系、歐洲體系和日本體系。其中美國體系和歐洲體系分別為許多國家所采用。 歐洲的汽車法規(guī)起步比較早，各國在 1950年代就制定了各自的法規(guī)。為了不影響歐洲各國之間的自由貿(mào)易和國際運(yùn)輸，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ Economic Commission for Europe ）于 1958年簽訂了“關(guān)于 采用統(tǒng)一條件批準(zhǔn)激動車輛裝備和部件并相互承認(rèn)批準(zhǔn)的協(xié)定書”，并在此協(xié)定書的基礎(chǔ)上制定了一套關(guān)于機(jī)動車的法規(guī)（ ECE）。美國的汽車法規(guī)由聯(lián)邦政府制定的聯(lián)邦法規(guī)和由各州所制定地方性法規(guī)。聯(lián)邦政府制定的是聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)（ FMVSS， Federal Motor Vehicle Safety Standard ）。美國體系的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)既緊密結(jié)合又相互獨立，美國的汽車標(biāo)準(zhǔn)主要是由美國汽車工程師協(xié)會（ Society Automotive 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 13 Engineers ）發(fā)布的 SAE 標(biāo)準(zhǔn)。日本人的法規(guī)發(fā)布比 FMVSS 和 SAE 都要早 ，經(jīng)過多次修訂并吸取歐美體系的內(nèi)容，形成一套獨特的法規(guī)體系，在技術(shù)內(nèi)容上比較接近美國。但是日本已于 1958年簽署了協(xié)定書，將逐步過度到完全采用 ECE 體系。因此目前的汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系就主要是歐美兩大體系了 [7,8]。 這兩大體系對燈具的要求主要包括：（ 1）燈具的安裝要求，（ 2）燈具的配光要求。在對燈具的配光要求方面差異最大的就是前照燈，這主要表現(xiàn)在配光光型上。 ECE光型近光分布完全不對稱，視野中心是一個高光強(qiáng)區(qū)域，以盡可能照亮前方道路；同時光在水平方向有一定的擴(kuò)散，以利于辨認(rèn)道路兩旁的情況，如行人、道路標(biāo)志等 ；在迎面來車的司機(jī)的視野方向是一個相對較暗的區(qū)域，以避免產(chǎn)生眩光；在車燈產(chǎn)生的明暗區(qū)之間有一條明顯的明暗截止線。歐洲照明將照明和炫目這一對矛盾解決的較好。 SAE 光型的近光不要求明暗截止線，而是追求更好、更亮的照明。這種光型比較適合于照明條件較好的道路，而在照明條件較差的道路上，就容易發(fā)生炫目。此外，在顛簸的路面上， SAE的照明效果也好于 ECE光型。雖然各有其優(yōu)越性，但是隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的一體化進(jìn)程的加快，這兩大體系之間的顯著的差異嚴(yán)重的阻礙了各國間的汽車貿(mào)易。形成了汽車產(chǎn)品貿(mào)易的非關(guān)稅壁壘。為了解決這個壁壘 問題，從 20 世紀(jì) 80年代起國際上就開始進(jìn)行汽車燈光法規(guī)的協(xié)調(diào)工作。經(jīng)過十多年的努力，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，汽車技術(shù)法規(guī)越來越趨向于統(tǒng)一 [9,10,11]。 中國汽車照明標(biāo)準(zhǔn) 我國的汽車照明標(biāo)準(zhǔn)基本上是參照歐洲的 ECE 體系標(biāo)準(zhǔn)。這是綜合考慮到我國的國情和國際發(fā)展的趨勢的結(jié)果。因為全世界采用 ECE 法規(guī)的國家相當(dāng)廣泛，而且在道路狹窄、照明條件不佳的地區(qū)，采用 ECE 體系的前照燈對于行車安全比較有利。 關(guān)于汽車前照燈的配光性能，國標(biāo)（ GB4599— 1994）具體規(guī)定如下。 前照燈的配光應(yīng)該使其近光具有足夠的照明和不眩光，遠(yuǎn)光具有良好的照明效果。 配光性能應(yīng)在前照燈基準(zhǔn)中心前 25m，過 HV點的鉛垂配光屏幕上測定，配光屏幕的具體布置如圖所示。 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 14 圖 24 25 米配光屏 (GB4599— 1994) 圖 25 配光屏上各測試點的意義 上圖 是一幅道路的透視圖 , 觀察者位于右側(cè)車道的軸線 (對應(yīng)圖 15 的垂直線 VV ′ ) 駕駛位置。 B50L 代表約 50m 距離處迎面汽車的駕駛員眼睛位置 , 該位置的照度越低越好 , 可避免眩光、 50R , 75R 分別表示約 50m 和 75m 距離處的車道右邊 線對光照度有要求的兩個點的位置。 近光的配光要求 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 15 （ 1） 在配光屏幕上，近光應(yīng)該產(chǎn)生明顯的明暗截止線，其水平部分 vv線的左側(cè)，右側(cè)與水平線向上 15176。的斜線，或向上成 45176。斜線至水平線垂直距25cm 轉(zhuǎn)向水平折線。 （ 2） 在配光屏幕上的照度限值，應(yīng)符合表 21的規(guī)定。 （ 3） 在 I、 II、 III 和 IV 區(qū)域內(nèi)，其水平方向相鄰問的照度應(yīng)無明顯的陡變，不致影響良好的可見度。 表 21 近光照度限值 （ GB45991994) 注： (1)單光束為 ，雙光束為 ； (2)E50R為 50R 的實測照度。 遠(yuǎn)光的配光要求 (1) 在配光屏幕上的 照度限值，應(yīng)符合表 22 的規(guī)定。 (2) 雙光束鹵鎢前照燈，其遠(yuǎn)光最大照度應(yīng)不大于近光在 75R 處測試照度的 16 倍 表 22 遠(yuǎn)光照度限值 （ GB45991994) 河海大學(xué)本科論文 FAWA1 汽車前照燈光學(xué)設(shè) 計（星宇車燈） 16 前照燈設(shè)計的理論基礎(chǔ) 下面介紹前照燈設(shè)計的相關(guān)理論。前照燈的設(shè)計是一個系統(tǒng)的過程。前照燈首先是一個光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)計過程需要用相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)知識做基礎(chǔ)，反射面的構(gòu)造又涉及曲面造型方面知識。本節(jié)主要對前照燈設(shè)計過程中需要用到的光學(xué)和 幾何理論進(jìn)行了 簡單的 介紹。 光學(xué)基礎(chǔ) (一 ) 幾何光學(xué) 在前照燈光學(xué)系統(tǒng)中，不必考慮光的位相和波 動性，因此只需應(yīng)用幾何光學(xué)的三個基本定律 —— 直線傳播定律、折射定律和反射定律 —— 就可以解決問題。 （ 1） 光的直線傳播定律 在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿著直線傳播。 （ 2) 光的折射和反射定律 a．反射定律：入射光線、反射光線和入射點法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對值相等，符號相反，即入射光線和反射光線