带配光镜汽车灯具仿真设计

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带配光镜汽车灯具仿真设计

邓亮 朱维涛 陈祥熙

上海理工大学光电学院 上海 9 摘要 介绍了带配光镜的汽车灯具仿真设计的原理和方法 建立了带配光镜的车灯仿

真的数学模型 叙述了模拟实际灯具和绘制模拟图形的方法 并且通过实例介绍了根据此

仿真原理和方法用 编制的仿真程序

关键词 配光镜 汽车灯具 仿真

中图分类号 TH 7文献标识码 A

Emulation design of automotive lamps with lens to distribute rays

DENG Liang ZHU Wei tao CHEN Xiang i

College of optics and lectronics University of shanghai for science and Technology shanghai

9 China Abstract The theories and methods of the emulational design of automotive lamps with lens to distribute rays are introduced .The mathematical models of emulation of automotive lamps are founded .

The methods of simulating actual lamps and mapping simulating graphs are described .And the

. program which under these emulational theories and methods are also introduced .

Key words lens to distribute rays automotive lamps emulation

1引言

随着汽车工业的发展 各种款式的轿车不断涌现 汽车速度不断提高 对汽车灯具设计的要求也越来越高 尤其是前照灯系统 不仅要效率高 还要解决夜间行车的眩目问题 以前的车灯设计方法是依靠个人的经验和大量的实验 但这已远远跟不上灯具设计需求的速度和越来越严格的车灯照明标准 因此国外已有人利用计算机对汽车灯具进行仿真设计 从而大大加快了灯具的开发进度 在国内 这方面的研究还远落后于国外 为此 现开始着手研究带配光镜的汽车灯具的仿真设计方法并由此采用 进行仿真软件的编写工作

2建立 带配光镜的车灯系统的数学模型和进行实际模拟

带配光镜的车灯系统主要由三个部分组成 光源,反射镜和配光镜 世界上汽车近光灯的配光主要有两种标准 C 和sA

目前 国内主要采用前者[ ] 现在 带配光镜的前照灯系统的光源大多采用如H 或R 那样的双光丝灯泡 来产生近光和远光效果 为了生成 的明暗截止线 近光灯丝下面一般都有配

第 卷第 期

年8月光学仪器o P T I CA L IN sT R U M N Ts ol. N o.

August

收稿日期 9

基金项目 上海市教委重点学科项目

作者简介 邓亮 977 男 安徽马鞍山人 硕士研究生 主要从事光学仿真设计方面的研究

光屏0目前9国内前照灯的反射镜的面型大多为抛物面0

由于灯具结构较复杂9由灯泡\反射镜\配光镜三大部分组成9因此构造数学模型时9需规定一个基准坐标系9从而可以精确地确定三大组件的空间位置关系9并在每个组件上规定子坐标系9使在进行光线追迹计算时独立于其他组件9使光线计算编程比较容易实现0

模型化的带配光镜的车灯系统如图1所示9其中X O Y O Z O 为基准坐标系9其原点在远光灯丝(双灯丝系统)或单灯丝中心9是整个车灯光学系统坐标变换的基准

图1模型化带配光镜的车灯系统

下面分别从灯泡模拟\反射镜模拟和配光镜模拟三个部分来加以说明0

2.1灯泡模拟

研究了各种光源的光能量如何转换成光线9根据光源发光机理9灯丝位置的几何形状遮光情况建立数学模型9研究灯丝形状与发光强度分布9光通量之间的关系9并以光线的形式研究光能量传播方式0

可以将长螺旋状的灯丝看作柱状光源9并将其划分为一个个小单元9每个小单元都做点光源处理0将整个光源分为m 个小单元9m =INT (L /2R )9这样每个小单元的长度为L /m 9而宽度保持2R 不变0划分后每个小单元长度与直径相差不多0就可将小单元抽象为点光源9取其中心点为发光点9则从左侧算起第n 块小单元的中心坐标为,

Xoz =L X n/m -L/2m -L/2(1)

虽然这样做存在误差9但可控制在可以接受的范围内0所以对如图2的灯丝9可以求出其第n 块小单元的中心坐标为,

Xoz =(L X n/m -L/2m -L/2)X COSG

{Zoz =(L X n/m -L/2m -L/2)X SinG

(2)图3是实际的~4灯泡[3]9其中9P 2是远光灯丝的中心到涂覆层的距离9P 1是远光灯丝的中心到安装

面的距离9c 1是灯泡的直径

0图2灯丝图3~4灯泡

对光线有影响的配件有配光屏9涂覆层和基准平面0比如说在近光灯丝下方有从斜侧方向切O 1角的配光屏9可以形成一个明暗截止线0

以上9完成对光源模型的建立9可以在程序中模拟接近实际的光源0

22 光学仪器第26卷

2.2反射镜模拟

建立了反射镜数学模型9研究了光能量在反射镜空间传播规律G

反射镜通常可分为两类[4 :

一是单一曲面反射镜9可以是二次曲面或是高次曲面G 目前国内车灯的反射面大多是单一曲面9常用的是抛物面G

二是自由曲面反射镜9是根据配光性能要求按块设计的小反射曲面组合而成的G 这是目前轿车车灯反射镜设计的趋势G

图]中给出了抛物反射镜在整个系统中的位置9规定反射镜坐标系的原点定在反射面的顶点上9X 轴和基面基准轴重合9方向指向基面的开口方向G

由此设空间光线方程为:X=X 0+O>z

Y=Y 0+B>z Z=Z 0 +7>z

9

(3)以顶点为原点抛物面方程为:y 2+ 2=4fT 9

(4)

当计算出光线与抛物面交点处的法矢量N (O N 9B N 97N )时9则反射光线的方向余弦为:

O/=O -2O N cOsz 0

B/=B -2B N cOsz 09(cOsz 0=OO N +BB N +77N )7/=7-27N cOsz 0

(5)

由此可以根据灯丝模拟中生成的随机光线的参数9代入方程(3)求出其空间方程9并依据公式(4)得到它和反射面的交点及交点处的法矢量9进而求出反射光线G

2.3配光镜的模拟

现建立了配光镜的数学模型9研究光能量在配光镜的空间传播规律9并且建立了配光镜上各单元~各区域边界处理的新方法G

在汽车前照灯设计过程中9配光镜的设计至关重要9它设计的好坏直接影响光斑的形状和光能的分布G 为了使经反射器反射的光线扩散~汇聚或偏转9配光镜上的花纹实际上是一个个的光学元件9比如圆柱面透镜和楔形透镜等G 经过适当的分区和透镜组合9从而达到符合ECE 标准的配光效果G 在研究了多种配光镜的设计实例中9发现能用于配光镜设计的透镜种类共有六种类型如图4中所示9每种类型都能满足一定的光线偏转要求G 这六种类型的透镜依此是

:图4配光镜的透镜类型

] 圆柱面透镜 2 水平楔形块 3 垂直楔形块 4 两个方向倾斜的楔形块

5 水平方向不等厚的圆柱面透镜

6 垂直方向不等厚的圆柱面透镜G

图中的圆柱面透镜一般垂直放置9作用是使光线左右扩散9均匀分布光线G 水平楔形块的作用是使光线向左或向右偏移G 垂直楔形块的作用是使光线向上或向下偏移G 两个方向倾斜的楔形块具有两个方向的倾斜角度9作用是使光线向左或向右偏移再向上或向下偏移9相当于水平楔形块和垂直楔形块两种类型的叠加G 水平方向不等厚的圆柱面透镜9相当于圆柱面透镜和水平楔形块两种类型的叠加G 垂直方向不等厚的圆柱面透镜9相当于圆柱面透镜和垂直楔形块两种类型的叠加G

在分析了六种透镜形式以后9可以看到有三种透镜是由两种基本类型组合而成的9一种是圆柱面透*

32*第4期邓亮等:带配光镜汽车灯具仿真设计