乘用車位置燈和近光燈配光設計的討論

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.北華大學機械工程學院，吉林吉林 132021;3.遼寧廣播電視大學汽車工程學院，遼寧沈陽 110161)

0 引言

通常情況下，前組合燈具包含遠光燈、近光燈、前位置燈和前轉向燈等功能。各功能的相互排列、組合，因光源規格多樣、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。在整車項目中，造型輸入是前組合燈具開發設計的開端。其輸入策略經過工程可行性校核后，針對其詳細的結構布置及尺寸要求，需要幾輪的調整及修正，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輔助設計能力的不斷提升，在反射式的組合燈具設計中，反射鏡不僅要實現光線反射，還應確保反射后的出射光線擴散一定的角度，在滿足功能燈具不同可視角規定的同時，還應滿足各規定點的照度要求[1]。特別對于近光燈，因其存在光型的要求，左右兩側的燈具結構是不對稱的，設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生影響，位置燈多集成在遠光區域。但文中討論的恰恰是位置燈安裝在近光區域時，配光設計中諸多要素的調整。

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，包括近光燈和遠光燈，近光燈光源為H7。在圖中的空間內，近光燈的配光性能可以滿足ECE法規要求。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、光源等所有數據進行模擬，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

圖中黑色矩形標識內，內側45°方向幾乎沒有光線輸出，而外側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側，其安裝孔破壞了該區域的反射面。

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的要求。所以，這個造型方案，不但位置燈無法滿足法規，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域，在25 m測試屏上，對應的照明區域是近光燈的明暗截止線，左側燈具是水平線，右側燈具是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，將調整后的3D數據調入LUCIDSHAPE里，設置模擬數據，結果如圖7所示。黑色框線區域(外側80°和內側45°)，光線分布不均勻，光強也并不充足。

圖6 位置燈的修改

2.2 配光花紋的設計

根據費馬原理，光從空間一點傳播到另一點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際路徑與其鄰近的其他路徑相比較，光的實際路徑的光程為極小、極大或者穩定值。根據費馬原理可以導出幾何光學的三條基本定律:直線傳播定律、反射定律、折射定律。光在均勻介質里沿直線傳播，即直線傳播定律。在兩種介質界面時，將發生反射和折射，即反射定律和折射定律6。因此，可以簡單地認為，光束是由無數條光線構成的，而光線就是直線。在車燈光學設計中，光線數量越多，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，如玻璃、水等透明介質時，在分界面上發生反射和折射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為第二種介質對第一種介質的相對折射率;n1,n2為介質對于真空的折射率，又稱為該介質的絕對折射率，簡稱折射率。

光，本質上是電磁波，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，針對實現位置燈的配光性能，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域，如圖2所示，上下15°，左(內)側45°，右(外)側80°的矩形分布范圍內，每個測試點滿足標準的需求。而對于其外側80°和內側45°照度不足的光分布情況，根據能量守恒定律，不可能存在額外的光能來補充它們的不足。只能利用光源現有的光線，通過反射和折射的方式，控制一部分光線來補償缺失的區域，同時還要保證原有的區域合格。

2.2.1 反射鏡區域花紋的設計

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

圖9 近光反射鏡側壁

圖10 側壁反射光的光線追蹤

圖11 反射面傾斜 圖12 光線的擴散

在圖7的仿真結果中，針對外側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，還有角度的擴散，更利于光線的均勻分布。根據公式(1)，假設反射光線是在現有基礎上偏15°。由于入射光線不變，相當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為7.5°。根據調整后的角分線可以求出在該入射點切平面，即新的反射面，如圖13所示的實線l。

圖13 反射光的調整

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操作進行編程處理，程序如下，制作側壁花紋，如圖14所示。把數據調入到LUCIDSHAPE里，模擬結果如圖15所示。從配光結果可以看到，光線已經被擴散開，只是有些區域并不理想。此次模擬并沒有加外面罩數據，其材料為PC，料厚為2.5～ 3.0 mm。光線通過其內表面和外表面時，會發生兩次折射。由于其弧面設計，對入射光線也有散射的作用，考慮其對80°方向光線的影響，暫時先保持側壁花紋的現有狀態不動，待全部數據調整完成后再統一模擬。

圖14 側壁花

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 外面罩區域花紋的設計

根據折射定律，光線在兩種媒體的界面傳播時會發生折射。當經過反射鏡反射的光束到達面罩的內表面時，就會發生折射。根據折射原理，如圖16所示。如果折射光線經過棱鏡表面，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行光線對比，如圖17和圖18所示,屏幕上光斑確實發生了平移。

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

光線經過棱鏡的折射后發生了平移,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象。文中目標是把光補到不足的區域，同時還需保證整個區域光線的均勻分布。所以，需要嘗試花紋變形。如果棱鏡做成對稱形狀，光線會發生如圖19的兩個對稱方向的平移。進一步把對稱棱鏡的頂端做倒圓處理，光線追蹤的結果如圖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

光線被均勻地擴散開，光斑很理想，只是光強有所降低。這一點也可以理解，當光線聚集到一個相對小的范圍，每個點就會更亮。同樣的光束，擴散照射到更大的區域，每個點的光強就會有所降低，這也是能量守恒的必然結果。

針對組合燈具內側45°方向光線不足的問題，解決方案應該在保證照明區域的光分布均勻的基礎上，使部分光斑平移并發生擴散，補充區域光線的不足。基于需求，經過上述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，在外面罩的內側，使用CATIA設計該花紋。關于花紋尺寸，如圖21所示。

圖21 魚眼紋的尺寸

假如光線需擴散30°，也就是α=15°。花紋的寬度預設是1.5 mm，即L=1.5 mm。那么，可以通過三角函數和折射定律推導出三者的對應關系[3]為：

式中：R為花紋半徑;

L為花紋寬度;

α為擴散角;

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 數據仿真

把制作完成的所有數據，包括反射鏡、光源、襯框和面罩全部加載到LUCIDSHAPE里，仿真結果如圖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散和補充。詳細比對配光報告里的各點數據，可以看到，位置燈的配光經過一系列的調整后，滿足了法規的要求。

2.4 近光燈的仿真

經過上述一系列的理論分析、設計優化和模擬仿真，對影響位置燈配光的設計要素逐一進行了調整和驗證，結果證明有效。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來講，存在減弱的趨勢。另外法規規定，近光燈點亮時，位置燈依然是點亮的。兩個功能燈具在點亮邏輯上存在重合部分，在配光屏的照明區域也同時存在疊加的區域。對于有上限照度值要求的近光燈的部分測試點來講，又同時存在增強的可能性。外面罩花紋和側壁花紋擴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，如B50L/75L/50L,法規對其最大值是有限定的，需要再次進行模擬確保不超出標準的規定。根據ECE法規，近光點亮時，位置燈也是點亮的；按照法規規定，為了保護駕駛人員的安全，防止眩目，Ⅲ區是暗區，其主要的照射區域是各種道路標識、標牌[1-2,4]。其區域內的測試點像B50L/75L/50L一樣，最大照度值是受限的，甚至某些點的最小值也有規定。在這個狹小的照度控制區間，點亮狀態的位置燈配光對于近光Ⅲ區的8點照度是有影響的[1-2,4]。所以，需要加載所有數據，檢驗近光的各點照度。仿真結果如圖24所示[1，5]，驗證結果近光也滿足要求。

圖24 近光的等照度曲線及配光報告

3 結論

在保證組合燈具造型方式不變的前提下，通過結構優化和模擬仿真，詳細論證了近光燈和位置燈兩個功能同時達標的解決方案。研究結果得到以下結論：

(1)燈具配光設計中，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，利用棱鏡等花紋結構來控制光線的出射方向，以實現光線的散射和平移，最終達到標準的要求；

(2)當布置組合燈具的各個功能時，應首先考慮功能需求。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現配光及明暗截止線的區域，原則上不應該考慮布置其他功能;

(3)在一個配光單元集成各功能時，每一個功能應根據法規的真實點亮邏輯進行檢查，確保整燈滿足ECE法規的要求。