CN104501061A - 一种汽车前照灯反射器设计方法 - Google Patents

一种汽车前照灯反射器设计方法 Download PDF

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Abstract

一种汽车前照灯反射器设计方法,包括以下步骤:(1)在X、Y、Z三维坐标系中建立基础抛物面,光源位置设于坐标(0,0,15mm);(2)将反射器在与光轴垂直的平面内划分出若干矩形;(3)反射器由上、下两个对称的反射器组成,每个反射器由左、右两个对称的反射器组成,每个反射器内设有六个反射面,所述反射面之间由经纬线分隔;(4)以上的基础面参数、各反射面的参数及所光源的参数输入计算机软件中,经过光线追迹可以得到25米远的配光屏上各反射面的照度分布梯度图和总的照度分布梯度图;依次修改近光反射面参数和远光反射面的参数,并反复进行光线追迹,直至近光和远光总照度分布满足要求。

Description

一种汽车前照灯反射器设计方法
技术领域
本发明涉及前照灯,尤其是一种汽车前照灯反射器设计方法。
背景技术
汽车前照灯要求具备近光光型和远光光型,且近光光型和远光光型都必须符合相关要求。现有前车前照灯包括光源和反射器,其中反射器包括近光反射器和远光反射器。由于近光光型要求比较高,近光光斑需要在产生清晰的明暗截止线,现有技术的反射器由于设计不合理,光线无法通过反射器的反射直接得到明暗截止线,因此,现有普遍的做法是近光由反射器加挡板、透镜构成,前端设置的遮光片用于将近光的部分光线遮挡,射出的光线通过透镜后,从而使得近光打出的光斑具有明暗截止线,从而满足近光光型的要求。该种近光前照灯虽然也能满足前照灯的出光要求,但是其结构较为复杂,而且由于光线需要通过透镜,导致其光效偏低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种汽车前照灯反射器设计方法,反射器结构简单,而且能够通过反射器的反射满足近光光型和远光光型的要求。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:一种汽车前照灯反射器设计方法,包括以下步骤:
(1)在X、Y、Z三维坐标系中建立基础反射面,所述基础反射面为抛物面,抛物面的焦点为f,光源位置设于坐标(0,0,15mm);
(2)根据目标面光斑与反射器曲面一一对应原则,将反射器在与光轴垂直的平面内划分出若干矩形;
(3)反射器由上、下两个对称的反射器组成,每个反射器由左、右两个对称的反射器组成,每个反射器内设有六个反射面,所述反射面之间由经纬线分隔;反射器内从左到右经线间隔宽度为12mm,12mm,10mm;从光源位置往上纬线间隔宽度为15mm,15mm;边缘圆形角度为40度;反射器初始计算点坐标为(0,0,2.5mm);
(4)以上的基础面参数、各反射面的参数及所光源的参数输入计算机软件中,经过光线追迹可以得到25米远的配光屏上各反射面的照度分布梯度图和总的照度分布梯度图;依次修改近光反射面参数和远光反射面的参数,并反复进行光线追迹,直至近光和远光总照度分布满足要求。
作为改进,位于上半部的反射器为近光反射器,位于下半部的反射器为远光反射器。
作为改进,近光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为U1L1、U1L2、U1L3,和位于U1L1上方的U2L1、位于U1L2上方的U2L2、位于U1L3上方的U2L3;远光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为D1L1、D1L2、D1L3,和位于D1L1上方的D2L1、位于D1L2上方的D2L2、位于D1L3上方的D2L3;每个反射面包括垂直和水平两个方向的经过反射面反射后的扩张角度:
近光 水平扩展角度 垂直扩张角度
U1L1 26,-32 0
U1L2 15,-15 0
U1L3 5,-5 0
U2L1 28,-30 1
U2L2 10,-9 0
U2L3 5,-5 0
远光 水平扩展角度 垂直扩张角度
D1L1 6.5,-4 0.6
D1L2 5,-6 2
D1L3 -1.5,-1 3.5
D2L1 3.2,-5.5 1.2,0.8
D2L2 6.2,-6 1.2,3
D2L3 -0.5,-0.3 3.5
作为改进,反射器的具体设计步骤为:
经过区域划分之后,根据能量守恒定律可以建立经过抛物面反射器后的能量与照射到配光屏幕的能量的关系等式;
设给定光分布为P0,光源的中心光强为I0,考虑方向为θ1的光入射到的配光屏幕的位置为r1,与轴线夹角小于θ1的光入射的位置坐标也小于r1,将第一部分光线θ1等分成i份,对应每一个θ1在半径r1上都分成了i份,这样就得到了数组θ1(i)和r1(i),那么第一区域出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ 0 θ 1 ( i ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ 0 r 1 ( i ) P 0 · r · dr - - - ( 4 )
角度为θ1~θ2之间的光线入射到配光屏幕的位置为r1~r2,将这部分光线等分成j份,对应每一个角度在半径上都分成了j份,则出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 1 θ 2 ( j ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 1 r 2 ( j ) P 0 · r · dr - - - ( 5 )
同理,可得第三区域能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 2 θ 3 ( k ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 2 r 3 ( k ) P 0 · r · dr - - - ( 6 )
通过这三个表达式,可以分别得到各区域半径与出射光角度之间的关系式如下:
r 1 ( i ) = I 0 P 0 · sin 2 θ 1 ( i ) - - - ( 7 )
r 2 ( j ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 2 ( j ) - sin 2 θ 1 ) + r 1 2 - - - ( 8 )
r 3 ( k ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 3 ( k ) - sin 2 θ 2 ) + r 2 2 - - - ( 9 )
根据抛物面反射器的特性,光源位置在反射器焦点时,折反射定律的矢量形式可表示为:
[ 1 + n 2 - 2 n ( Out → · In → ) ] 1 / 2 · N → = Out → - n · In → - - - ( 11 )
其中:n为自由曲面介质折射率,为入射光线单位向量,为出射光线单位向量,为自由曲面在光线入射点的单位法向量;
首先确定一个计算的初始点,设光线经过反射面(B点)折射光线经过透镜折射后投射到屏幕上的点C坐标为(r,H),其中H=25m,r根据能量守恒定律由式(7)、(8)、(9)决定,入射光线AB与出射光线BC的单位向量均可求得,再利用折反射定律式(11)即可得到B点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与下一点的经过面反射后入射到自由曲面上的光线相交从而确定自由曲面的下一点;由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得到下一点,通过计算机迭代即可得到各点的坐标,从而确定了自由曲面上的每个点的坐标。
作为改进,所述计算机软件和采用光学设计软件LucideShaPe。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是:
单一的基础面无法满足近光和远光的配光要求,本发明根据目标面光斑与反射器曲面一一对应原则,将反射器在与光轴垂直的平面内划分出若干矩形,通过改变参数从而改变曲面进而改变目标面的光型和目标面各点的光照度,使总的照明效果满足国标规定的配光要求,该设计方法制造出的反射器结构简单,而且能够通过反射器的反射满足近光光型和远光光型的要求。
附图说明
图1为本发明的设计流程图。
图2反射面分割示意图。
图3为抛物面的光线反射原理图。
图4为光线分布图。
图5为完成设计的反射器反射原理图。
图6为完成设计的反射器结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种汽车前照灯反射器设计方法,包括以下步骤:
(1)车灯是一个完整的照明系统,为满足一定的照度值,传统车具是采用抛物面作为反光器,并使灯丝位于抛物面的焦点附近,自由曲面灯的设计也基本采用这一原理;如图3所示,在X、Y、Z三维坐标系中建立基础反射面,所述基础反射面为抛物面,抛物面的焦点为f,根据抛物面原理,由于从焦点发出去的光经过抛物面发射光线平行射出,光源位置设于坐标(0,0,15mm);
(2)根据汽车近光灯配光标准,汽车近光灯的光型可以分为四个区域:Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区,每个区域都有相应的照度要求值,Ⅲ区为眩光区,其最大照度不能超过0.7lux,同时近光部分要求有清晰的明暗截止线,单一的基础面无法满足配光要求,须划分成若干小块,分别改变参数,使总的照明效果满足国标规定的配光要求;
同样根据汽车远光配光标准,光束最大照度区域中心位于HV点,远光最大照度值应不大于近光75R测量照度值的16倍,同时配光屏幕上照度测量的有效面积,应包含在边长65mm的正方形内,与近光配光相比,远光配光相对简单。配光步骤远近光相似;
根据目标面光斑与反射器曲面一一对应原则,将反射器在与光轴垂直的平面内划分出若干矩形;
(3)如图2所示,反射器由上、下两个对称的反射器组成,每个反射器由左、右两个对称的反射器组成,每个反射器内设有六个反射面,所述反射面之间由经纬线分隔;反射器内从左到右经线间隔宽度为12mm,12mm,10mm;从光源位置往上纬线间隔宽度为15mm,15mm;边缘圆形角度为40度;反射器初始计算点坐标为(0,0,2.5mm);
近光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为U1L1、U1L2、U1L3,和位于U1L1上方的U2L1、位于U1L2上方的U2L2、位于U1L3上方的U2L3;远光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为D1L1、D1L2、D1L3,和位于D1L1上方的D2L1、位于D1L2上方的D2L2、位于D1L3上方的D2L3;每个反射面包括垂直和水平两个方向的经过反射面反射后的扩张角度:
近光 水平扩展角度 垂直扩张角度
U1L1 26,-32 0
U1L2 15,-15 0
U1L3 5,-5 0
U2L1 28,-30 1
U2L2 10,-9 0
U2L3 5,-5 0
远光 水平扩展角度 垂直扩张角度
D1L1 6.5,-4 0.6
D1L2 5,-6 2
D1L3 -1.5,-1 3.5
D2L1 3.2,-5.5 1.2,0.8
D2L2 6.2,-6 1.2,3
D2L3 -0.5,-0.3 3.5
(4)以上的基础面参数、各反射面的参数及所光源的参数输入计算机软件中,经过光线追迹可以得到25米远的配光屏上各反射面的照度分布梯度图和总的照度分布梯度图;依次修改近光反射面参数和远光反射面的参数,并反复进行光线追迹,直至近光和远光总照度分布满足要求;
(5)经过反复调节参数若还是不能满足要求时,则可能为以下几种情况:1)光源的光通量太小,以致无法满足照度要求,可以更换大功率的光源;2)分块方法不科学,可采取不同的分块方法,重新调试;3)块的作用不适当,选择合适的块照亮有高亮度要求的测试点和测试区,提高照度值,同时,为保证加工后仍可以得到良好的光照效果,该设计中的测试点和测试区的理论设计值比标准要求高50%以上,使在加工时确保精度。
关于抛物线反射器的设计:
该反射器的母线是抛物线,抛物线方程为:
y2=2px(p>0)  (1)
x = - p 2 - - - ( 2 )
x=ay2+by+c  (3)
式中,(1)为抛物线标准方程,(3)为一般方程,通过确定a、b、c三个参数确定抛物线方程,将该抛物线沿母线旋转180°即可。抛物线有一个焦点,将LED光源以与光轴垂直的方式放置在抛物线的焦点处,光源发出的光线经过反射后平行发出。由于LED光源近似朗伯体发光,因而抛物线反射器只需取上半部分即可。如图4所示,光线分布公式如下:
out ‾ = 1 ( r - x ) 2 + ( h - z ) 2 ( r - x , h - z ) in ‾ = 1 x 2 + z 2 ( x , z ) - - - ( 31 )
反射器区域划分:
根据汽车近光灯配光标准,汽车近光灯的光型可以分为四个区域:Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区,每个区域都有相应的照度要求值,Ⅲ区为眩光区,其最大照度不能超过0.7lux,因而在设计反射器时时可以将发出的光线按照角度分为3个部分分别投射到配光屏幕上的除Ⅲ区域外的其他3个区域,这样就可以形成特定的光线分布情况,如图1所示(O点为抛物线的焦点即光源所处位置)。
经过区域划分之后,根据能量守恒定律可以建立经过抛物面反射器后的能量与照射到配光屏幕的能量的关系等式:
设给定光分布为P0,光源的中心光强为I0,考虑方向为θ1的光入射到的配光屏幕的位置为r1,与轴线夹角小于θ1的光入射的位置坐标也小于r1,将第一部分光线θ1等分成i份,对应每一个θ1在半径r1上都分成了i份,这样就得到了数组θ1(i)和r1(i),那么第一区域出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ 0 θ 1 ( i ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ 0 r 1 ( i ) P 0 · r · dr - - - ( 4 )
角度为θ1~θ2之间的光线入射到配光屏幕的位置为r1~r2,将这部分光线等分成j份,对应每一个角度在半径上都分成了j份,则出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 1 θ 2 ( j ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 1 r 2 ( j ) P 0 · r · dr - - - ( 5 )
同理,可得第三区域能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 2 θ 3 ( k ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 2 r 3 ( k ) P 0 · r · dr - - - ( 6 )
通过这三个表达式,可以分别得到各区域半径与出射光角度之间的关系式如下:
r 1 ( i ) = I 0 P 0 · sin 2 θ 1 ( i ) - - - ( 7 )
r 2 ( j ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 2 ( j ) - sin 2 θ 1 ) + r 1 2 - - - ( 8 )
r 3 ( k ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 3 ( k ) - sin 2 θ 2 ) + r 2 2 - - - ( 9 )
如图5所示,抛物面反射器的设计原理与反射杯反射原理一致;根据抛物面反射器的特性,光源位置在反射器焦点时,折反射定律的矢量形式可表示为:
[ 1 + n 2 - 2 n ( Out → · In → ) ] 1 / 2 · N → = Out → - n · In → - - - ( 11 )
其中:n为自由曲面介质折射率,为入射光线单位向量,为出射光线单位向量,为自由曲面在光线入射点的单位法向量;
首先确定一个计算的初始点,设光线经过反射面(B点)折射光线经过透镜折射后投射到屏幕上的点C坐标为(r,H),其中H=25m,r根据能量守恒定律由式(7)、(8)、(9)决定,入射光线AB与出射光线BC的单位向量均可求得,再利用折反射定律式(11)即可得到B点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与下一点经过反射后入射到自由曲面上的光线相交从而确定自由曲面的下一点;由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得到下一点,通过计算机迭代即可得到各点的坐标,从而确定了自由曲面上的每个点的坐标,从而设计出自由曲面反射器,该自由曲面反射光线基本与照明目标面垂直,如图5、6所示。

Claims (5)

1.一种汽车前照灯反射器设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在X、Y、Z三维坐标系中建立基础反射面,所述基础反射面为抛物面,抛物面的焦点为f,光源位置设于坐标(0,0,15mm);
(2)根据目标面光斑与反射器曲面一一对应原则,将反射器在与光轴垂直的平面内划分出若干矩形;
(3)反射器由上、下两个对称的反射器组成,每个反射器由左、右两个对称的反射器组成,每个反射器内设有六个反射面,所述反射面之间由经纬线分隔;反射器内从左到右经线间隔宽度为12mm,12mm,10mm;从光源位置往上纬线间隔宽度为15mm,15mm;边缘圆形角度为40度;反射器初始计算点坐标为(0,0,2.5mm);
(4)以上的基础面参数、各反射面的参数及所光源的参数输入计算机软件中,经过光线追迹可以得到25米远的配光屏上各反射面的照度分布梯度图和总的照度分布梯度图;依次修改近光反射面参数和远光反射面的参数,并反复进行光线追迹,直至近光和远光总照度分布满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种汽车前照灯反射器设计方法,其特征在于:位于上半部的反射器为近光反射器,位于下半部的反射器为远光反射器。
3.根据权利要求1所述的一种汽车前照灯反射器设计方法,其特征在于:近光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为U1L1、U1L2、U1L3,和位于U1L1上方的U2L1、位于U1L2上方的U2L2、位于U1L3上方的U2L3;远光反射器中,右半部的反射器的六个反射面从左只有分别为D1L1、D1L2、D1L3,和位于D1L1上方的D2L1、位于D1L2上方的D2L2、位于D1L3上方的D2L3;每个反射面包括垂直和水平两个方向的经过反射面反射后的扩张角度:
近光 水平扩展角度 垂直扩张角度 U1L1 26,-32 0 U1L2 15,-15 0 U1L3 5,-5 0 U2L1 28,-30 1 U2L2 10,-9 0 U2L3 5,-5 0
远光 水平扩展角度 垂直扩张角度 D1L1 6.5,-4 0.6 D1L2 5,-6 2 D1L3 -1.5,-1 3.5 D2L1 3.2,-5.5 1.2,0.8 D2L2 6.2,-6 1.2,3 D2L3 -0.5,-0.3 3.5
4.根据权利要求1所述的一种汽车前照灯反射器设计方法,其特征在于:反射器的具体设计步骤为:
经过区域划分之后,根据能量守恒定律可以建立经过抛物面反射器后的能量与照射到配光屏幕的能量的关系等式;
设给定光分布为P0,光源的中心光强为I0,考虑方向为θ1的光入射到的配光屏幕的位置为r1,与轴线夹角小于θ1的光入射的位置坐标也小于r1,将第一部分光线θ1等分成i份,对应每一个θ1在半径r1上都分成了i份,这样就得到了数组θ1(i)和r1(i),那么第一区域出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ 0 θ 1 ( i ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ 0 r 1 ( i ) P 0 · r · dr - - - ( 4 )
角度为θ1~θ2之间的光线入射到配光屏幕的位置为r1~r2,将这部分光线等分成j份,对应每一个角度在半径上都分成了j份,则出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 1 θ 2 ( j ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 1 r 2 ( j ) P 0 · r · dr - - - ( 5 )
同理,可得第三区域能量守恒表达式为:
2 π ∫ θ 2 θ 3 ( k ) I 0 cos θ sin θ · dθ = 2 π ∫ r 2 r 3 ( k ) P 0 · r · dr - - - ( 6 )
通过这三个表达式,可以分别得到各区域半径与出射光角度之间的关系式如下:
r 1 ( i ) = I 0 P 0 · sin 2 θ 1 ( i ) - - - ( 7 )
r 2 ( j ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 2 ( j ) - sin 2 θ 1 ) + r 1 2 - - - ( 8 )
r 3 ( k ) = I 0 P 0 · ( sin 2 θ 3 ( k ) - sin 2 θ 2 ) + r 2 2 - - - ( 9 )
根据抛物面反射器的特性,光源位置在反射器焦点时,折反射定律的矢量形式可表示为:
[ 1 + n 2 - 2 n ( Out → · In → ) ] 1 / 2 · N → = Out → - n · In → - - - ( 11 )
其中:n为自由曲面介质折射率,为入射光线单位向量,为出射光线单位向量,为自由曲面在光线入射点的单位法向量;
首先确定一个计算的初始点,设光线经过反射面(B点)折射光线经过透镜折射后投射到屏幕上的点C坐标为(r,H),其中H=25m,r根据能量守恒定律由式(7)、(8)、(9)决定,入射光线AB与出射光线BC的单位向量均可求得,再利用折反射定律式(11)即可得到B点的法向向量,从而确定该点的切平面,该切平面与下一点经过面反射后入射到自由曲面上的光线相交从而确定自由曲面的下一点;由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得到下一点,通过计算机迭代即可得到各点的坐标,从而确定了自由曲面上的每个点的坐标。
5.根据权利要求1所述的一种汽车前照灯反射器设计方法,其特征在于:所述计算机软件和采用光学设计软件LucideShape。
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