乘用車位置燈和近光燈配光設(shè)計的討論

劉洋，楊紅橋，張濤

(1.華晨汽車工程研究院電器部，遼寧沈陽 110141；2.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021;3.遼寧廣播電視大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧沈陽 110161)

0 引言

通常情況下，前組合燈具包含遠(yuǎn)光燈、近光燈、前位置燈和前轉(zhuǎn)向燈等功能。各功能的相互排列、組合，因光源規(guī)格多樣、襯框造型千差萬別、部件拆分各異、表面處理工藝又因廠家而不同，形成了層出不窮的燈具造型。在整車項(xiàng)目中，造型輸入是前組合燈具開發(fā)設(shè)計的開端。其輸入策略經(jīng)過工程可行性校核后，針對其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)布置及尺寸要求，需要幾輪的調(diào)整及修正，最終形成工程可行、造型美觀的燈具方案。

隨著自由曲面加工及計算機(jī)輔助設(shè)計能力的不斷提升，在反射式的組合燈具設(shè)計中，反射鏡不僅要實(shí)現(xiàn)光線反射，還應(yīng)確保反射后的出射光線擴(kuò)散一定的角度，在滿足功能燈具不同可視角規(guī)定的同時，還應(yīng)滿足各規(guī)定點(diǎn)的照度要求[1]。特別對于近光燈，因其存在光型的要求，左右兩側(cè)的燈具結(jié)構(gòu)是不對稱的，設(shè)計中必須考慮滿足其明暗截止線的特殊要求。所以，在反射鏡式組合燈具的整體造型布置中，為盡量避免對近光燈的光型及配光產(chǎn)生影響，位置燈多集成在遠(yuǎn)光區(qū)域。但文中討論的恰恰是位置燈安裝在近光區(qū)域時，配光設(shè)計中諸多要素的調(diào)整。

1 前組合燈具造型方案可行性分析

1.1 造型方案描述

如圖1所示，燈具造型采用了雙反射式，包括近光燈和遠(yuǎn)光燈，近光燈光源為H7。在圖中的空間內(nèi)，近光燈的配光性能可以滿足ECE法規(guī)要求。但造型輸入、位置燈布置在近光反射鏡的右上方，兩個功能共用同一反射單元。

圖1 造型的輸入效果圖

1.2 位置燈及近光燈模擬

位置燈的光源選用了W5W，加入反射鏡、襯框、光源等所有數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，配光報告如圖2所示[1]。

圖2 位置燈配光報告

等照度曲線如圖3所示。

圖3 位置燈的等照度曲線

圖中黑色矩形標(biāo)識內(nèi)，內(nèi)側(cè)45°方向幾乎沒有光線輸出，而外側(cè)80°方向輸出不足。同時，位置燈與近光燈共用反射單元，并固定在近光燈反射鏡的內(nèi)側(cè)，其安裝孔破壞了該區(qū)域的反射面。

從圖4和圖5近光燈的配光報告和等照度曲線中看到，其明暗截止線不滿足法規(guī)的要求。所以，這個造型方案，不但位置燈無法滿足法規(guī)，即使原本合格的近光燈也受到位置燈布置方案的影響，配光由合格變成不合格。

圖4 近光燈的配光報告

圖5 近光燈的等照度曲線

2 設(shè)計要素分析

2.1 位置燈的安裝位置

安裝位置燈的反射鏡區(qū)域，在25 m測試屏上，對應(yīng)的照明區(qū)域是近光燈的明暗截止線，左側(cè)燈具是水平線，右側(cè)燈具是15°線部分[5]。如圖4所示，考慮其對于近光燈明暗截止線及某些區(qū)域照度的影響，在取得造型同意的前提下，修改位置燈泡W5W的安裝位置，如圖6所示。在CATIA里，將調(diào)整后的3D數(shù)據(jù)調(diào)入LUCIDSHAPE里，設(shè)置模擬數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。黑色框線區(qū)域(外側(cè)80°和內(nèi)側(cè)45°)，光線分布不均勻，光強(qiáng)也并不充足。

圖6 位置燈的修改

2.2 配光花紋的設(shè)計

根據(jù)費(fèi)馬原理，光從空間一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)是沿著光程為極值的路徑傳播的。具體地說就是把光傳播的實(shí)際路徑與其鄰近的其他路徑相比較，光的實(shí)際路徑的光程為極小、極大或者穩(wěn)定值。根據(jù)費(fèi)馬原理可以導(dǎo)出幾何光學(xué)的三條基本定律:直線傳播定律、反射定律、折射定律。光在均勻介質(zhì)里沿直線傳播，即直線傳播定律。在兩種介質(zhì)界面時，將發(fā)生反射和折射，即反射定律和折射定律6。因此，可以簡單地認(rèn)為，光束是由無數(shù)條光線構(gòu)成的，而光線就是直線。在車燈光學(xué)設(shè)計中，光線數(shù)量越多，計算就越精確。如圖8所示，光線在傳播過程中，如果遇到不同的介質(zhì)，如玻璃、水等透明介質(zhì)時，在分界面上發(fā)生反射和折射3。反射光線遵循反射定律，折射光線遵循折射定律，公式如下：

圖8 光線的傳播

i1=i2

(1)

n21=n2/n1=sini1/sini2

(2)

式中:n21為第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)的相對折射率;n1,n2為介質(zhì)對于真空的折射率，又稱為該介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率。

光，本質(zhì)上是電磁波，是一種能量[6]。作為位置燈的光源，W5W，光通量是50 lm。也就是說，針對實(shí)現(xiàn)位置燈的配光性能，可以使用的光的總能量是50 lm。如果把光線理解成帶著能量的直線，可以用于配光的只有50 lm這一束直線。使用光源有限的光輸出，保證位置燈整個的配光區(qū)域，如圖2所示，上下15°，左(內(nèi))側(cè)45°，右(外)側(cè)80°的矩形分布范圍內(nèi)，每個測試點(diǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)的需求。而對于其外側(cè)80°和內(nèi)側(cè)45°照度不足的光分布情況，根據(jù)能量守恒定律，不可能存在額外的光能來補(bǔ)充它們的不足。只能利用光源現(xiàn)有的光線，通過反射和折射的方式，控制一部分光線來補(bǔ)償缺失的區(qū)域，同時還要保證原有的區(qū)域合格。

2.2.1 反射鏡區(qū)域花紋的設(shè)計

對于80°方向的補(bǔ)足光線需要調(diào)整的角度比較大，再觀察燈具反射鏡的結(jié)構(gòu)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)近光反射鏡側(cè)壁為鍍鋁的光板面。W5W調(diào)整到新的位置后，其輸出的光線在該反射面將發(fā)生鏡面反射，光線追蹤如圖10所示。該區(qū)域反射光的形成是由燈具造型結(jié)構(gòu)所致，不在反射鏡的設(shè)計范圍內(nèi) ，但其存在又確實(shí)影響配光性能，所以必須考慮它的結(jié)構(gòu)形式。由光線追蹤可知，該部分的反射光線在25 m屏上的對應(yīng)區(qū)域是外側(cè)可視角方向。但通過上述模擬，該部分的反射光并未到達(dá)80°的區(qū)域。如果利用這部分反射光用于補(bǔ)充80°角區(qū)域，即不影響反射鏡曲面的主體設(shè)計，也不會對近光的配光性能存在太大的影響。按照現(xiàn)在的對應(yīng)關(guān)系，需要對該區(qū)域的反射光再修正一個角度，才可以反射到需要的區(qū)域。根據(jù)上述的反射原理，在入射光線不變的情況下，如果修改側(cè)壁反射面的傾斜度，出射光線的方向就會自然發(fā)生改變，原理如圖11所示。如果對反射面進(jìn)行圓弧處理，如圖12所示，依然根據(jù)反射定律，出射光線不僅會被改變方向還會發(fā)生角度的擴(kuò)散。

圖9 近光反射鏡側(cè)壁

圖10 側(cè)壁反射光的光線追蹤

圖11 反射面傾斜 圖12 光線的擴(kuò)散

在圖7的仿真結(jié)果中，針對外側(cè)80°方向光線不均勻的問題，如果反射光線在改變出射角度的前提下，還有角度的擴(kuò)散，更利于光線的均勻分布。根據(jù)公式(1)，假設(shè)反射光線是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上偏15°。由于入射光線不變，相當(dāng)于入射光線與原反射光線夾角減小了15°，那么兩條角分線的夾角應(yīng)為7.5°。根據(jù)調(diào)整后的角分線可以求出在該入射點(diǎn)切平面，即新的反射面，如圖13所示的實(shí)線l。

圖13 反射光的調(diào)整

每間隔1.5 mm使用上述方法求得一個小的棱鏡反射面。之后把這些棱鏡通過圓弧過渡。在CATIA里，宏命令可以對于該類循環(huán)操作進(jìn)行編程處理，程序如下，制作側(cè)壁花紋，如圖14所示。把數(shù)據(jù)調(diào)入到LUCIDSHAPE里，模擬結(jié)果如圖15所示。從配光結(jié)果可以看到，光線已經(jīng)被擴(kuò)散開，只是有些區(qū)域并不理想。此次模擬并沒有加外面罩?jǐn)?shù)據(jù)，其材料為PC，料厚為2.5～ 3.0 mm。光線通過其內(nèi)表面和外表面時，會發(fā)生兩次折射。由于其弧面設(shè)計，對入射光線也有散射的作用，考慮其對80°方向光線的影響，暫時先保持側(cè)壁花紋的現(xiàn)有狀態(tài)不動，待全部數(shù)據(jù)調(diào)整完成后再統(tǒng)一模擬。

圖14 側(cè)壁花

圖15 加花紋后位置燈的等照度曲線

花紋的程序如下：

Language="VBSCRIPT"

Sub CATMain()

for i=1 to 80

Set partDocument1=CATIA.ActiveDocument

Set part1=partDocument1.Part

Set hybridShapeFactory1=part1.HybridShapeFactory

Set bodies1=part1.Bodies

Set body1=bodies1.Item("pattern")

Set hybridShapes1=body1.HybridShapes

Set hybridShapeExtract1=hybridShapes1.Item("split line")

Set reference1=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeExtract1)

Set orderedGeometricalSets1=body1.OrderedGeometricalSets

Set orderedGeometricalSet1=orderedGeometricalSets1.Item("points assemble")

Set hybridShapes2=orderedGeometricalSet1.HybridShapes

Set hybridShapePointOnCurve1=hybridShapes2.Item("Point."&

cstr(i))

Set reference2=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePointOnCurve1)

Set hybridShapePlaneNormal1=hybridShapeFactory1.

AddNewPlaneNormal(reference1,reference2)

body1.InsertHybridShape hybridShapePlaneNormal1

part1.InWorkObject=hybridShapePlaneNormal1

part1.Update

Set reference3=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeExtract1)

Set hybridShapePointOnCurve2=hybridShapes2.Item("Point."&

cstr(i+1))

Set reference4=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePointOnCurve2)

Set hybridShapePlaneNormal2=hybridShapeFactory1.

AddNewPlaneNormal(reference3,reference4)

body1.InsertHybridShape hybridShapePlaneNormal2

part1.InWorkObject=hybridShapePlaneNormal2

part1.Update

Set reference5=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePlaneNormal1)

Set parameters1=part1.Parameters

Set hybridShapeSurfaceExplicit1=parameters1.Item("support sur")

Set reference6=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeSurfaceExplicit1)

Set hybridShapeIntersection1=hybridShapeFactory1.

AddNewIntersection(reference5,reference6)

hybridShapeIntersection1.PointType=0

body1.InsertHybridShape hybridShapeIntersection1

part1.InWorkObject=hybridShapeIntersection1

part1.Update

Set reference7=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeSurfaceExplicit1)

Set reference8=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapePlaneNormal2)

Set hybridShapeIntersection2=hybridShapeFactory1.

AddNewIntersection(reference7,reference8)

hybridShapeIntersection2.PointType=0

body1.InsertHybridShape hybridShapeIntersection2

part1.InWorkObject=hybridShapeIntersection2

part1.Update

Set reference9=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeIntersection1)

Set hybridShapeSweepCircle1=hybridShapeFactory1.

AddNewSweepCircle(reference9)

Set reference10=part1.CreateReferenceFromObject(hybridShapeIntersection2)

hybridShapeSweepCircle1.SecondGuideCrv=reference10

hybridShapeSweepCircle1.Mode=3

hybridShapeSweepCircle1.SmoothActivity=False

hybridShapeSweepCircle1.GuideDeviationActivity=False

hybridShapeSweepCircle1.SetRadius 1,1.500000

hybridShapeSweepCircle1.ChoiceNo=2

hybridShapeSweepCircle1.SetbackValue=0.020000

hybridShapeSweepCircle1.FillTwistedAreas=1

body1.InsertHybridShape hybridShapeSweepCircle1

part1.InWorkObject=hybridShapeSweepCircle1

next

part1.Update

part1.Update

End Sub

2.2.2 外面罩區(qū)域花紋的設(shè)計

根據(jù)折射定律，光線在兩種媒體的界面?zhèn)鞑r會發(fā)生折射。當(dāng)經(jīng)過反射鏡反射的光束到達(dá)面罩的內(nèi)表面時，就會發(fā)生折射。根據(jù)折射原理，如圖16所示。如果折射光線經(jīng)過棱鏡表面，出射光線會被平移。為了追蹤光線的路徑，在LUCIDSHAPE里，對于平板面與棱鏡面進(jìn)行光線對比，如圖17和圖18所示,屏幕上光斑確實(shí)發(fā)生了平移。

圖16 折射光線的平移

圖17 平板面光線的折射

圖18 棱鏡折射光線的平移

光線經(jīng)過棱鏡的折射后發(fā)生了平移,由能量守恒原則可知，原方向的亮度必然會降低，這并不是配光希望看到的現(xiàn)象。文中目標(biāo)是把光補(bǔ)到不足的區(qū)域，同時還需保證整個區(qū)域光線的均勻分布。所以，需要嘗試花紋變形。如果棱鏡做成對稱形狀，光線會發(fā)生如圖19的兩個對稱方向的平移。進(jìn)一步把對稱棱鏡的頂端做倒圓處理，光線追蹤的結(jié)果如圖20所示。

圖19 對稱棱鏡折射光線的平移

圖20 魚眼紋的折射光線

光線被均勻地擴(kuò)散開，光斑很理想，只是光強(qiáng)有所降低。這一點(diǎn)也可以理解，當(dāng)光線聚集到一個相對小的范圍，每個點(diǎn)就會更亮。同樣的光束，擴(kuò)散照射到更大的區(qū)域，每個點(diǎn)的光強(qiáng)就會有所降低，這也是能量守恒的必然結(jié)果。

針對組合燈具內(nèi)側(cè)45°方向光線不足的問題，解決方案應(yīng)該在保證照明區(qū)域的光分布均勻的基礎(chǔ)上，使部分光斑平移并發(fā)生擴(kuò)散，補(bǔ)充區(qū)域光線的不足?；谛枨螅?jīng)過上述3種花紋的對比分析，圖20的魚眼花紋是比較合適的解決方案。為此，在外面罩的內(nèi)側(cè)，使用CATIA設(shè)計該花紋。關(guān)于花紋尺寸，如圖21所示。

圖21 魚眼紋的尺寸

假如光線需擴(kuò)散30°，也就是α=15°。花紋的寬度預(yù)設(shè)是1.5 mm，即L=1.5 mm。那么，可以通過三角函數(shù)和折射定律推導(dǎo)出三者的對應(yīng)關(guān)系[3]為：

式中：R為花紋半徑;

L為花紋寬度;

α為擴(kuò)散角;

n為面罩折射率。

賦值α=15°，n=1.586，L=1.5 mm， 代入公式后，求得：

R=1.5 mm

使用CATIA的宏命令，在面罩的內(nèi)表面制作R=1.5 mm、L=1.5 mm的花紋，如圖22所示。

圖22 燈具外面罩的花紋

2.3 數(shù)據(jù)仿真

把制作完成的所有數(shù)據(jù)，包括反射鏡、光源、襯框和面罩全部加載到LUCIDSHAPE里，仿真結(jié)果如圖23所示[1,5]。

圖23 外面罩加花紋后的等照度曲線及配光報告

從等照度曲線可以看到，45°和80°的方向光線都得到了充分的擴(kuò)散和補(bǔ)充。詳細(xì)比對配光報告里的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以看到，位置燈的配光經(jīng)過一系列的調(diào)整后，滿足了法規(guī)的要求。

2.4 近光燈的仿真

經(jīng)過上述一系列的理論分析、設(shè)計優(yōu)化和模擬仿真，對影響位置燈配光的設(shè)計要素逐一進(jìn)行了調(diào)整和驗(yàn)證，結(jié)果證明有效。然而，無論位置燈安裝在反射鏡的哪個位置，因其都與近光燈共用一個反射單元，位置燈燈泡的安裝孔都破壞了近光燈的反射面。對于有下限照度值要求的近光燈的部分測試點(diǎn)來講，存在減弱的趨勢。另外法規(guī)規(guī)定，近光燈點(diǎn)亮?xí)r，位置燈依然是點(diǎn)亮的。兩個功能燈具在點(diǎn)亮邏輯上存在重合部分，在配光屏的照明區(qū)域也同時存在疊加的區(qū)域。對于有上限照度值要求的近光燈的部分測試點(diǎn)來講，又同時存在增強(qiáng)的可能性。外面罩花紋和側(cè)壁花紋擴(kuò)散了位置燈光線的可視角，但同時也會使近光燈的光型散射。近光的許多測試點(diǎn)，如B50L/75L/50L,法規(guī)對其最大值是有限定的，需要再次進(jìn)行模擬確保不超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。根據(jù)ECE法規(guī)，近光點(diǎn)亮?xí)r，位置燈也是點(diǎn)亮的；按照法規(guī)規(guī)定，為了保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全，防止眩目，Ⅲ區(qū)是暗區(qū)，其主要的照射區(qū)域是各種道路標(biāo)識、標(biāo)牌[1-2,4]。其區(qū)域內(nèi)的測試點(diǎn)像B50L/75L/50L一樣，最大照度值是受限的，甚至某些點(diǎn)的最小值也有規(guī)定。在這個狹小的照度控制區(qū)間，點(diǎn)亮狀態(tài)的位置燈配光對于近光Ⅲ區(qū)的8點(diǎn)照度是有影響的[1-2,4]。所以，需要加載所有數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)近光的各點(diǎn)照度。仿真結(jié)果如圖24所示[1，5]，驗(yàn)證結(jié)果近光也滿足要求。

圖24 近光的等照度曲線及配光報告

3 結(jié)論

在保證組合燈具造型方式不變的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬仿真，詳細(xì)論證了近光燈和位置燈兩個功能同時達(dá)標(biāo)的解決方案。研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)燈具配光設(shè)計中，涉及可視角問題時，可考慮光線傳播三定律，通過反射和折射的方法，利用棱鏡等花紋結(jié)構(gòu)來控制光線的出射方向，以實(shí)現(xiàn)光線的散射和平移，最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求；

(2)當(dāng)布置組合燈具的各個功能時，應(yīng)首先考慮功能需求。由于近光燈光型的非對稱性特征，其左右反射鏡的上半部分是其實(shí)現(xiàn)配光及明暗截止線的區(qū)域，原則上不應(yīng)該考慮布置其他功能;

(3)在一個配光單元集成各功能時，每一個功能應(yīng)根據(jù)法規(guī)的真實(shí)點(diǎn)亮邏輯進(jìn)行檢查，確保整燈滿足ECE法規(guī)的要求。