【正文】 目仍以夜間為多：導致行人致命傷害的事故有60％發(fā)生在夜間。[1]可見汽車燈具對于汽車的安全至關(guān)重要。照明燈的功能，是在黑暗環(huán)境中照亮汽車行駛前方路面。在各種汽車燈具中，前照燈的重要性尤為突出。前照燈就好比汽車的雙眼，是汽車最主要的外部照明燈具，它的主要功能是確保駕駛者對前方場景有良好的視認性，而同時又不能給迎面來車的駕駛者造成眩光。前照燈近光的光分布完全不對稱，中間是一個高光強區(qū)，主要照亮汽車正前方的路面；光束在水平方向有所擴散，兼顧整個路面及路邊的情況：在前照燈燈光所產(chǎn)生的明區(qū)與暗區(qū)之間有一條清晰的截止線(分界線)。 前照燈的發(fā)展歷程前照燈是要求最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、設(shè)計和制造難度最大的車燈。從早期乙炔氣前照燈發(fā)展到當今的自由面反射鏡氣體放電前照燈，差不多經(jīng)歷了120年，其演變過程如下[2,3]: 煤油燈，最初的前照燈是簡單安裝在汽車前部的煤油燈。后來利用1779年克魯平發(fā)明的帶片式拋物面反光條（反射器的雛形），將煤油燈的光通量反射匯聚于一狹窄立體角內(nèi)，成為具有高強度光束的聚光式前照燈。乙炔由裝置在汽車腳踏板或車架上的輕便型乙炔發(fā)生器利用碳化鈣和水反應(yīng)而產(chǎn)生。乙炔作為早期車燈的穩(wěn)定光源，一直使用到1925年前后。當年的凱迪拉克（Cadillac）汽車的前照燈就使用了這種燈泡座光源，這標志著汽車電氣時代的開始。 對稱光前照燈，具備有高輪廓亮度充氣燈泡的前照燈，為解決在兩車相遇時因前照燈的強光造成駕駛員炫目而導致發(fā)生交通事故和撞車的嚴重問題，出現(xiàn)了雙光燈芯前照燈，但也沒有完全解決汽車車燈的配光問題。為解決在會車過程中，前照燈既不產(chǎn)生炫目，又能保證對道路具有良好的照明，1932年美國發(fā)明了不對稱前照燈，它是以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側(cè)的落地距離短(即光束壓低，從而防炫)，而另一側(cè)光束的落地距離長(即光束抬高，從而增加視見)。 鹵鎢前照燈，第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈是由法國“斯貝”公司在1964年生產(chǎn)的，其燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50%，壽命也增加一倍。如此循環(huán)不已，燈絲幾乎不會燒斷，燈泡也不會發(fā)黑，所以它要比傳統(tǒng)的白熾前照燈壽命更長，亮度更大。反射器將光源發(fā)出的光以近似平行于光軸的方向射出，經(jīng)配光鏡的重新分配，形成滿足要求的光型，自由曲面前照燈的反射器曲面不再是規(guī)則的拋物面，從其上反射的光型即為滿足要求的光型，不再需要配光鏡進行配光。由光源、反射器、擋板、凸透鏡和配光鏡組成。 高強度氣體放電HID前照燈，HID具有壽命較長、光照度強、色溫高等優(yōu)點，因其能提供更寬更亮的光型及更廣的照射范圍成為又一代前照燈光源。LED燈能夠使得汽車燈具的造型布置和風格設(shè)計具有空前的靈活性而適于車型的個性化，且LED的光輸出功率密碼已能夠與HID燈具匹敵。1 光纖前照燈，光纖前照燈是根據(jù)光的全反射原理，利用光學纖維來實現(xiàn)光的傳導而開發(fā)出的最新一代汽車燈具。綜上所述，隨著照明光源技術(shù)的進步，汽車前照燈工經(jīng)歷了四代光源的演變，分別是白熾燈、鹵素燈、HID、LED光源。其中非比較突出的是負擔大學光源與照明工程系及電光源研究所的一批老師和研究生，他們進行了較多的研究并取得了一定的成果，復(fù)旦大學的研究所涉及的內(nèi)容包括AFS前照燈系統(tǒng)、計算機輔助前照燈設(shè)計、前照燈光型模擬及汽車光源的計算機建模等方面。如北京理工大學的照明光學系統(tǒng)CAD的研究清華大學的汽車前照燈計算機輔助設(shè)計研究及上海理工大學的自由曲面汽車車燈的仿真設(shè)計和制造研究。內(nèi)容涉及前照燈的光學設(shè)計及道路照明標準研究等方面，多側(cè)中與實際應(yīng)用，理論研究的比重較小。隨著汽車照明技術(shù)和造型技術(shù)的發(fā)展，車燈特別是前車燈的地位日益突出，國內(nèi)的這些汽車車燈生產(chǎn)企業(yè)也開始意識到研究車燈的重要性，正在逐漸開展研究項目。尤其是企業(yè)進行研究的較少，這與國外主要由企業(yè)進行研究的現(xiàn)象形成了鮮明的對比。與國內(nèi)不同，國外的研究大多由企業(yè)完成。在汽車照明方面研究成果較為突出的，有著名車燈制造商，如北美車燈、德國海拉和日本小糸；著名照明產(chǎn)品制造商，如Valco、Helios和Philips；以及著名汽車制造商，如BMG、Volkswagen、Mercedes Benz等等。他們不僅設(shè)計制造了世界頂尖水平的車燈、積累了相當豐富的設(shè)計經(jīng)驗，還針對汽車照明的特殊性，開發(fā)了專門用于汽車照明系統(tǒng)設(shè)計的軟件。各企業(yè)對汽車照明的研究內(nèi)容更為廣泛，主要的研究方面有：前照燈標準的國際協(xié)調(diào)、HID光源技術(shù)及采用HID的前照燈的設(shè)計、自由曲面前照燈的設(shè)計、分光系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化、AFS系統(tǒng)、車燈光色分析及前照燈內(nèi)部熱流分析等諸多內(nèi)容。 前照燈設(shè)計常用軟件綜合性光學軟件TraceProTracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。優(yōu)點：比起傳統(tǒng)的原形方法，TracePro在建立顯示系統(tǒng)的原型時，在時間上和成本上要降低30－50%。為了達到這些目標，TracePro必須具備以下這些功能：處理復(fù)雜幾何的能力，以定義和跟蹤數(shù)百萬條光線；圖形顯示、可視化操作以及提供3D實體模型的數(shù)據(jù)庫；導入和導出主流CAD軟件和鏡頭設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)格式。它將現(xiàn)有的所有關(guān)于照明系統(tǒng)進展的知識和慣例存放于一個中心庫中，試圖提供照明工程師及設(shè)計師所需要的包括工具、設(shè)計的支持數(shù)據(jù)和信息在內(nèi)的幾乎所有知識[4,5]。其圖形界面使設(shè)計簡單易行，而近似的反射器輸出效果在數(shù)秒內(nèi)就可算出，這樣設(shè)計中的改動效果立即就可以看到。CAD軟件CATIACATIA 提供了完備的設(shè)計能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個零件的設(shè)計到最終電子樣機的建立；同時，作為一個完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機械設(shè)計，工程分析及仿真，數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機的結(jié)合在一起，為用戶提供嚴密的無紙工作環(huán)境，特別是CATIA中的針對汽車、摩托車業(yè)的專用模塊，使CATIA擁有了最寬廣的專業(yè)覆蓋面，從而幫助客戶達到縮短設(shè)計生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費用的目的[6]。這也許正是國內(nèi)車燈設(shè)計力量薄弱的一個重要原因。國內(nèi)由于對這方面長期沒有重視，致使研發(fā)實力十分薄弱，一直依賴國外的技術(shù)，這會導致受制于人的局面，對我國的汽車工業(yè)發(fā)展十分不利。否則，差距將越來越大。隨著CAD技術(shù)和光學技術(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。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)?！壳?，歐美、日本等發(fā)達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?shù)?，正處于向自由曲面前照燈過渡的時期。所以，現(xiàn)在進行本課題的研究，對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。照明光學系統(tǒng)是光學的一大分支。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。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。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。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。 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。在使用電光源之前，先后由煤油燈和乙炔燈充當汽車的照明光源。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。白熾燈在汽車上使用了相當長的時間，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。（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。新型高強度放電燈的發(fā)光亮度遠遠高于鹵鎢燈，照明距離也遠大約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。 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。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。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。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，而是負載的光學反射面。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，由計算機通過復(fù)雜運算、優(yōu)化臨界參數(shù)、應(yīng)用仿真程序生成。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。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。 前照燈的相關(guān)標準 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)。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。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)。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)。美國體系的法規(guī)和標準既緊密結(jié)合又相互獨立，美國的汽車標準主要是由美國汽車工程師協(xié)會（Society Automotive Engineers ）發(fā)布的SAE標準。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。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。ECE光型近光分布完全不對稱，視野中心是一個高光強區(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散，以利于辨認道路兩旁的情況，如行人、道路標志等；在迎面來車的司機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。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。此外，在顛簸的路面上，SAE的照明效果也好于ECE光型。形成了汽車產(chǎn)品貿(mào)易的非關(guān)稅壁壘。經(jīng)過十多年的努力，已經(jīng)取得了一些進展，汽車技術(shù)法規(guī)越來越趨向于統(tǒng)一[9,10,11]。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。關(guān)于汽車前照燈的配光性能，國標（GB4599—1994）具體規(guī)定如下。 配光性能應(yīng)在前照燈基準中心前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。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。的斜線，或向上成45176。（2） 在配光屏幕上的照度限值，應(yīng)符合表21的規(guī)定。表21 近光照度限值（GB45991994)注：(1)，；(2)E50R為50R的實測照度。(2) 雙光束鹵鎢前照燈，其遠光最大照度應(yīng)不大于近光在75R處測試照度的16倍表22 遠光照度限