【正文】 。自由曲面前照燈在設(shè)計(jì)的初期，也要先建立一個(gè)拋物面，以后的設(shè)計(jì)都以這個(gè)面為基礎(chǔ)。本章詳細(xì)敘述了自由曲面反射器的設(shè)計(jì)過程，并給出了設(shè)計(jì)結(jié)果。反射器的作用，是將光源發(fā)出的光通量反射到有限的立體角內(nèi)，以達(dá)到提高前方道路照明的目的。H7是單絲車燈，其燈絲中心位于主軸之上27．25mm處，精確坐標(biāo)為(O．00，O．OO，27．25)；燈絲長度4．5mm，直徑1．2ram；燈絲光通量1500流明。如圖32 所示。精確的坐標(biāo)足（，），光通量1000流明；遠(yuǎn)光燈絲的精確坐標(biāo)是（，,），光通量1650流明。 H4光源圖31為H4的模型圖。 本論文所選用的光源本文選用H4和H7兩種光源進(jìn)行設(shè)計(jì)。高強(qiáng)度氣體放電燈則克服了這些不足， 因而得到了越來越多的應(yīng)用，目前主要使用的有D1S、D2S、D1R和D2R燈。鹵鎢燈的品種很多，常用的有HHHHBHB和HB4等，它們在國際上已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，是當(dāng)前主要的汽車光源。由于白熾燈功率較小，現(xiàn)在已經(jīng)較少用于前照燈，多是用于照度要求不高的場合，如尾燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈或牌照燈等等。在設(shè)計(jì)前照燈時(shí)，首先要選擇一個(gè)合適的光源。自由曲面常用的表示方法有Coons曲面、Bezier曲面、B樣條曲面和NURBS曲面等，這里適合前照燈設(shè)計(jì)的是Ｂ樣條方法。[12](三) 幾何基礎(chǔ)自由曲面前照燈的反射面是由許多自由曲面片組成。光強(qiáng)的單位是坎德拉（cd）。與照度類似，對于光源發(fā)光表面dA，若發(fā)出的光通量為d，則光出度Ｍ為E＝d/dA照度和光出度具有相同的單位和量綱，不過照度是表示被照物體所接收到的光通量的表面密度的量，而光出度則表示光源發(fā)出的光通量的表面密度。1lx=1lm/㎡。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）。對于凹球面和凸球面，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]。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。在圖中，對于△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，對于r一定的球面，只有一個(gè)s’值與給定的s值對應(yīng)，此時(shí)有明確的像點(diǎn)存在，即高斯像點(diǎn)。這種光線位于光軸附近區(qū)域，故稱為“近軸光”。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)。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)。在計(jì)算過程中，有如下的符號規(guī)則：光線的傳播方向通常規(guī)定為自左向右。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。（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。本節(jié)主要對前照燈設(shè)計(jì)過程中需要用到的光學(xué)和幾何理論進(jìn)行了簡單的介紹。前照燈的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的過程。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。（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。斜線至水平線垂直距25cm轉(zhuǎn)向水平折線。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。圖24 25米配光屏(GB4599—1994)圖25 配光屏上各測試點(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(對應(yīng)圖15 的垂直線VV ′) 駕駛位置。 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。因?yàn)槿澜绮捎肊CE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。 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)。為了解決這個(gè)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。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。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。歐洲照明將照明和炫目這一對矛盾解決的較好。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。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]。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。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 ）。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(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）。其中美國體系和歐洲體系分別為許多國家所采用。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。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。多面式反射器的反射面由多個(gè)自由曲面組成。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。自由曲面反射器分為連續(xù)式和多面式。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化為光滑透明的透鏡，不再參與配光過程。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。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。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，將會在汽車照明場合得到越來越廣泛的應(yīng)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。 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。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。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]。最先使用的電光源是白熾燈。這兩種光源的亮度都比較低，照明效果并不盡如人意。汽車光源在早期是十分簡陋的。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(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，對于配光鏡不作介紹。光線在經(jīng)過配光鏡的時(shí)候，不在發(fā)生偏移和散射。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。 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(gè)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 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。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(jì)與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有許多不同之處。46第2章 前照燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過程概述前照燈是一個(gè)照明光學(xué)系統(tǒng)。但是國內(nèi)的自由曲面前照燈的獨(dú)立設(shè)計(jì)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。它具有光能利用率高、車燈高度低和空氣動(dòng)力學(xué)好等優(yōu)點(diǎn)。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。前照燈的種類在很長時(shí)間內(nèi)都比較單一。因此，必須盡快開展汽車照明的自主研究。現(xiàn)代汽車照明技術(shù)發(fā)展非常迅速，國外的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)具備相當(dāng)雄厚的研究基礎(chǔ)，擁有非常專業(yè)的研發(fā)人員和完善的研發(fā)機(jī)構(gòu)，其發(fā)展越來越快。 選題目的及意義若是作一下比較，國內(nèi)的研究以理論為主，內(nèi)容較單一，且常有深度不足的感覺，創(chuàng)新之處不多；而國外的研究則重在實(shí)際應(yīng)用，其論文涉及面廣且較有深度。由于它的功能就是反射器設(shè)計(jì)，因此車燈的其它部件還得由其它軟件來完成。反射器設(shè)計(jì)軟件ReflectorCAD其功能就是設(shè)計(jì)分塊反射器，它極大的簡化了分塊反射器的構(gòu)建和分析，從而縮短從設(shè)計(jì)到樣品所需要的時(shí)間。 用于照明設(shè)計(jì)的軟件KBESmartliteKBESmartlite 是集成于IDEAS CAD 系統(tǒng)中的一套照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件。 TracePro作為下一代偏離光線分析軟件，需要對光線進(jìn)行有效和準(zhǔn)確地分析。它是第一套以ACIS solid modeling kernel為基本的光學(xué)軟件。其研究內(nèi)容無論在深度還是廣度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國內(nèi)的研究。具體而言，美國密歇根大學(xué)的Sivak 在前照燈光型分析、國際汽車照明標(biāo)準(zhǔn)及車燈質(zhì)量評估方面做了許多研究；波蘭華沙大學(xué)的Mazur 在汽車照明仿真方面的研究亦較為突出。特別是北美車燈、德國海拉和日本小糸這些專門設(shè)計(jì)和生產(chǎn)汽車照明產(chǎn)品的廠商，已經(jīng)具備開發(fā)制造高質(zhì)量前照燈的能力。高校中以美國密歇根大學(xué)進(jìn)行的研究最多，且其研究也多與企業(yè)合作。B 國外研究現(xiàn)狀國外的發(fā)展則比我們領(lǐng)先許多。不過就全國來看，對汽車照明研究雖然日益重視，相關(guān)的研究還僅僅是處于起步階段，尚無成功的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)可言。江蘇丹陽是全國較大的車燈生產(chǎn)基地，過去這里的車燈制造企業(yè)主要用國外的設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)，沒有自主研發(fā)的項(xiàng)目。相比之下，國內(nèi)的企業(yè)開展的研究卻很少，僅上海小糸車燈有限公司、上海汽車照明工程研究中心、湖北汽車燈具廠等有限的幾家單位有零星的論文發(fā)表。此外，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也進(jìn)行了一些相關(guān)的研究。A 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)目前幾乎不具備獨(dú)立設(shè)計(jì)前照燈的能力，進(jìn)行汽車照明相關(guān)的單位也比較少，且主要是一些高校。它由光源、反射器、光纖和輸出組件等部分組成。隨著技術(shù)的發(fā)展、成本的下降、光效的提升，LED光源將成為未來車輛照明的發(fā)展趨勢。1 LED汽車前照燈，LED光源因其耗能低、壽命長、抗震動(dòng)、響應(yīng)速度快、設(shè)計(jì)自由度大、環(huán)保節(jié)能等傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)成為汽車前照燈的新一代綠色光源，不僅能夠降低能量消耗，延長使用壽命，而且可以減少安全車