【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，自由曲面前照燈的配光完全由反射器實(shí)現(xiàn)，配光鏡只是起透過光線的作用，因此，前照燈的三個(gè)主要部件，這里只介紹光源和反射器，對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)的時(shí)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(shí)，也出現(xiàn)了許多新型光源，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(jiǎn)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(shí)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(chǎng)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(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)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(zhǎng)，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(jià)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(jì)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(huì)在汽車照明場(chǎng)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(diǎn)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(jiǎn)化為光滑透明的透鏡，不再參與配光過程。由于要獨(dú)立完成配光任務(wù)，這種反射器的反射面不再是簡(jiǎn)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(gè)光順的不規(guī)則幾何曲面，由計(jì)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(diǎn)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(tái)階和拐點(diǎn)，這使它在設(shè)計(jì)上存在很大的局限性。多面式反射器的反射面由多個(gè)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(diǎn)不如連續(xù)式反射器。但是它的設(shè)計(jì)卻比較容易實(shí)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(guó)家都對(duì)汽車產(chǎn)品實(shí)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(guó)家的、區(qū)域的、雙邊的和多邊的法規(guī)體系。早起國(guó)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(guó)體系、歐洲體系和日本體系。其中美國(guó)體系和歐洲體系分別為許多國(guó)家所采用。歐洲的汽車法規(guī)起步比較早，各國(guó)在1950年代就制定了各自的法規(guī)。為了不影響歐洲各國(guó)之間的自由貿(mào)易和國(guó)際運(yùn)輸，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（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(dòng)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(dòng)車的法規(guī)（ECE）。美國(guó)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，F(xiàn)ederal Motor Vehicle Safety Standard ）。美國(guó)體系的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)既緊密結(jié)合又相互獨(dú)立，美國(guó)的汽車標(biāo)準(zhǔn)主要是由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（Society Automotive 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(dú)特的法規(guī)體系，在技術(shù)內(nèi)容上比較接近美國(guó)。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(duì)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(duì)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(duì)稱，視野中心是一個(gè)高光強(qiáng)區(qū)域，以盡可能照亮前方道路；同時(shí)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(gè)相對(duì)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(duì)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(guó)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(gè)壁壘問題，從20世紀(jì)80年代起國(guó)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(guó)汽車照明標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)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(guó)的國(guó)情和國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)的結(jié)果。因?yàn)槿澜绮捎肊CE法規(guī)的國(guó)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(duì)于行車安全比較有利。關(guān)于汽車前照燈的配光性能，國(guó)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(diǎn)的鉛垂配光屏幕上測(cè)定，配光屏幕的具體布置如圖所示。圖24 25米配光屏(GB4599—1994)圖25 配光屏上各測(cè)試點(diǎn)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(duì)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(duì)光照度有要求的兩個(gè)點(diǎn)的位置。近光的配光要求（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)，；(2)E50R為50R的實(shí)測(cè)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(cè)試照度的16倍表22 遠(yuǎn)光照度限值（GB45991994) 前照燈設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 下面介紹前照燈設(shè)計(jì)的相關(guān)理論。前照燈的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的過程。前照燈首先是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程需要用相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)知識(shí)做基礎(chǔ)，反射面的構(gòu)造又涉及曲面造型方面知識(shí)。本節(jié)主要對(duì)前照燈設(shè)計(jì)過程中需要用到的光學(xué)和幾何理論進(jìn)行了簡(jiǎn)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(dòng)性，因此只需應(yīng)用幾何光學(xué)的三個(gè)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(diǎn)法線三者在同一平面內(nèi)，入射角和反射角二者絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，即入射光線和反射光線位于法線的兩側(cè)。b．折射定律：反射光線、折射光線和入射點(diǎn)的法線三者位于同一平面內(nèi)，入射角的正弦和折射角正弦之比等于入射光線所在介質(zhì)的折射率和折射光線所在介質(zhì)的折射率之比。[12](3) 光在球面上的反射a、符號(hào)規(guī)則如圖，球面AOB的中心D點(diǎn)稱為頂點(diǎn)，球心C點(diǎn)稱為曲率中心，球面半徑稱為曲率半徑，連接頂點(diǎn)和曲率中心的連線CO稱為主軸，經(jīng)過主軸的平面稱為主截面。在計(jì)算過程中，有如下的符號(hào)規(guī)則：光線的傳播方向通常規(guī)定為自左向右。光線和主軸的交點(diǎn)位置都從頂點(diǎn)算起，在頂點(diǎn)右邊，則其距離之值取正；在頂點(diǎn)左邊，其距離之值取負(fù)。物點(diǎn)或像點(diǎn)至主軸的距離，在主軸上方為正，下方為負(fù)。光線方向的傾斜角度都從主軸（或球面法線）算起，并取銳角。由主軸（或球面法線）轉(zhuǎn)向某光線時(shí)，若是沿順時(shí)針方向，則此角度數(shù)值取正，反之取負(fù)。圖26 符號(hào)規(guī)則 b．近軸球面反射的物像公式如果光軸上的點(diǎn)射出的光線與光軸的夾角很小，則這個(gè)角度的正弦值可以近似用其弧度值來代替。這種光線位于光軸附近區(qū)域，故稱為“近軸光”。光軸附近的這個(gè)區(qū)域稱為“近軸區(qū)＂。在圖中，對(duì)于△PAC和△P’AC，由正弦定律得以及由反射定律，將上兩式合并、整理得 （21）在近軸條件下，則由圖可得及代入（21）式可得 （22）在（22）式中，對(duì)于r一定的球面，只有一個(gè)s’值與給定的s值對(duì)應(yīng)，此時(shí)有明確的像點(diǎn)存在，即高斯像點(diǎn)。s稱為物距，s’稱為像距。當(dāng)時(shí)，即沿主軸平行入射的光束經(jīng)球面反射后成為會(huì)聚或發(fā)散光束，交點(diǎn)位于主軸上，稱為該反射球面的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)到頂點(diǎn)的距離稱為焦距。則（22）式可寫作 （23）這便是球面反射物像公式。對(duì)于凹球面和凸球面，只要是近軸光線，都滿足這個(gè)球面反射成像的基本公式[12]。(二) 光度學(xué)光度學(xué)是光學(xué)中研究光在發(fā)射、傳播、吸收和散射等過程中光量的問題的學(xué)科。常用的光度量有：A．光通量光通量是指單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小，單位是流明（lm）。B．照度和光出度照度是指受照表面單位面積所接收的光通量，單位是勒克斯（lx）。1lx=1lm/㎡。取受照表面微小面元dA，若該面