自由曲面前照灯近光配光的防眩目研究_谷正气

文章编号:1000-2472(2004)06-0028-04自由曲面前照灯近光配光的防眩目研究X谷正气,贺 平(湖南大学机械与汽车工程学院,湖南长沙 410082)摘 要:从驾驶员心理学和生理学角度探讨了汽车夜间会车时眩目的机理.由于传统的前照灯配光设计停留在二维的层面上,设计周期长,且配光效果差,很难达到防眩目的要求.本文通过Ref lectorCAD 软件反求出了符合ECE 法规配光要求的自由曲面前照灯反射镜的三维模型,该模型可以直接用于数控程序的编制,减小了前照灯的设计成本和设计周期.利用T racePro 软件对模型进行近光配光的仿真实验,通过光线追踪的方法避免了实际配光实验时调整反射镜配光所需的反复制造过程,同时又保证了前照灯防眩目的效果.关键词:前照灯;光线追踪;近光;防眩目中图分类号:U463.651 文献标识码:AResearch on the Low Beam c s Ant-i Dazzling T echnologyof Free -Form HeadlightsGU Zheng -qi,HE -Ping(Co llege of M echanical and Automo tive Engineer ing ,Hunan U niv,Changsha,Hunan 410082,China)Abstract:This paper discussed the mechanism of dazzling from the view point of psychology and physiolo -gy.T he traditional ray c s distribution design based on 2dimensions needs long period and is hard to meet ant-i dazzling requirement.U sing softw are ReflectorCAD,gets a 3-D model of free -form headlig hts w hich conforms w ith the regulation of ECE,this model can be used to directly produce NC program ,w hich reduce the cost andperiod of design.By simulating low beam .s distribution w ith softw are TracePro ,it avoids the repeated produce process of adjusting reflector and ensures low beam .s ant-i dazzling effect of free -form headlights by means of ray tracing.Key words:headlig hts;ray tracing;low beam;ant-i dazzling汽车防眩目技术是影响汽车行驶安全的一个关键技术,同时,它又是一个目前尚未很好解决的世界难题.据统计,因为眩目所造成的夜间交通事故占事故总数的48%左右,因此,解决汽车夜间会车时的眩目问题对减少交通事故、减少经济损失和人员伤亡有着十分重大的意义[1].对前照灯进行配光设计是解决驾驶员眩目问题的主要途径之一.传统的前照灯配光设计都是在二维的平面内进行的,这样的配光方法防眩目效果很差,而且效率很低,不能满足现代汽车市场快速多变的要求.利用ReflectorCAD 和TracePro 软件进行车灯配光的设计,能够在三维平面内反映光线的传播过程,快速得到符合配光要求的反射面,而且反射面的三维模型可以直接用于数控加工,减小了设计的周期.X 收稿日期:2004-04-16基金项目:教育部优秀青年教师资助项目作者简介:谷正气(1963-),男,湖南长沙人,湖南大学教授,博士生导师E -mail:guzhengqi63@第31卷 第6期2004年12月湖南大学学报(自然科学版)Journal of Hunan U niversity (N atural Sciences)Vol.31,No.6Dec 12004自由曲面前照灯是现代汽车前照灯设计技术的一个新的发展方向.前照灯按反光镜的形状可以分为抛物面型和自由曲面型.常用的抛物面型前照灯的反光镜接收、会聚灯泡发出的光线,然后光线经过配光镜的偏移和散射,最后形成满足法规要求的光形.然而,由于现代汽车的设计越来越注重汽车的整体造型,重视节省能源和环境保护,要求车辆行驶安全,空气阻力尽量减少,外观更协调,这样对前照灯设计技术的要求更高,给灯具设计所留的空间位置更为苛刻.灯具的外形为了与车体更加协调,使灯具的长与高的比例加大,外表的倾斜加大,这样,配光镜处于斜拉位置,其配光的效果就受到了很大的影响.因此,自由曲面型反光镜就应运而生.自由曲面前照灯从自由曲面反光镜反射出光线即为满足设计和法规要求的光线,它起到了抛物面前照灯中反光镜和配光镜的双重作用,因此无需再设计配光镜上的光学花纹,也就是说,自由曲面反光镜也同时完成了配光镜的偏移和散射功能[2].1眩目的机理人的视觉是指眼睛在光线的作用下对物体明暗、形状、颜色、运动和远近深浅等的综合感觉.人的视觉器官具有高的灵敏度,能在数百万lx(阳光下)到0.01lx(月光下)这样大的照度范围内识别对象.影响驾驶员视觉功能的主要原因之一,就是迎面汽车的灯光以及固定照明设施的眩目作用.欧洲规定亮度在20cd/cm2以上的光为眩目光.[3]眩目的危害在于导致不舒适的视觉反应:(1)使眼睛的瞳孔缩小,在视野内亮度一定的条件下,降低了视网膜上的照度.(2)眩光在眼球媒质内散射,减弱了被看对象与背景间的对比度.(3)视觉细胞受强光刺激,引起大脑皮层细胞间产生相互作用,造成被看对象的观察模糊.评价眩目主要有两条途径:心理学方面的途径和生理学方面的途径.所谓生理眩目是指人的眼睛受到强光照射时,视力严重下降,可见距离变近,严重时人的视觉会在短时间内失去控制能力而成为盲人.人的生理眩目程度可以用生理失控眩目亮度B 来表示B=98.5@Er/H 式中Er)))光源对眼睛的照度(lx),H)))眩目光角.德国道路法规规定:汽车前照灯在距离25m处与车灯等高点的光照度不得大于0.71lx.人的心理眩目是由于在他的视觉内经常出现高亮度光源的照射,使得视觉产生不舒适疲劳感.人的心理眩目程度可以用不舒适眩目级G来表示G=Log(Er@L2.5/105)式中L为光源至眼睛的距离.经验表明0<G<2时,人就不会产生心理上的不舒适而引起的眩目疲劳[4].2EC E法规对前照灯近光配光的要求在国际上,汽车照明和信号装置的配光性能标准有两种类型.一种是以美国、日本为代表的SAE 及JIS标准,另一种是以欧洲经济委员会为代表的ECE法规,这两类标准都得到国际组织的首肯.由于我国的道路条件情况接近于欧洲,因此,我国的前照灯配光标准是参照ECE法规制定的.如图1所示,垂直线VV c相当于右侧车道的轴线,而直线H G和HG c以透视法表示右侧车道的边线.直线HF表示左侧迎面车道外边线,直线HF c代表左侧车道的中线.因此直线H G c也表示整个路面的轴线.主要检查点有如下几点(见表1):代表约50 m距离处的迎面汽车的驾驶员眼睛位置的点B50L (防眩点)和表征约50m及75m距离处的车道右边线光照度的两点50R及75R.明暗截止线以上的区域Ó,在产生眩目方面较为危险,所以对于此区域屏幕的最大允许光照度值规定得很低,区域Ô则表征路面的光照度,所以对于此区域规定了测试屏幕的最低允许光照度.点25R和25L表征距离汽车前面约25m的路边的光照度.区域I相当于路面的附近区段,对于此区域也规定了最高允许光照度值,以便避免附近路段的亮度过大而与较远路段产生过大的亮度对比[5,6].3自由曲面的软件反求如何使设计出的前照灯既能最大限度满足道路照度的要求,又能解决对面司机和行人的眩目问题,一直是一个难以很好解决的多维优化问题.借助ReflectorCAD仿真软件,我们在三维空间内对前照29第6期谷正气等:自由曲面前照灯近光配光的防眩目研究图1 ECE 近光配光屏幕Fig.1 Low beam c s distr ibution on screen legislated by ECE表1 EC E 前照灯近光配光要求Tab.1 Low beam c s distribute value legislated by EC E测试点区角度发光强度/cd最大值最小值B50L 0.57U, 3.43L 25075R 0.57D,1.15R 750075L 0.57D,3.43L 750050R 0.86D,1.72R 750025L 1.72D,9L 125025R 1.72D,9R 125050V 0.86D,V 375050L0.86D,3.43L9376灯的配光进行调整,以反求出符合配光要求的反射镜.具体步骤如下:(1)输入前照灯的基本外形参数.(2)建立了近光灯丝线光源模型(见图2),添加灯丝发光的光通量数据.(3)按照ECE 法规对光形和光通量的要求调整配光屏上的等照度曲线.(4)反求出初步合格的自由曲面反射镜三维模型.(5)调整反射镜各反射面的间隙,使之成为光滑连接的整体曲面.(6)反复调整等照度曲线以及反求出的三维模型,直到配光曲线和模型同时达到合格.配光曲线和模型的调整是整个前照灯设计的关键,它直接影响到前照灯防眩目的效果,最终反求出的自由曲面反射镜的三维模型如图3所示.图2 HB4光源Fig.2 HB4lamp -house图3 3D 自由曲面反射镜Fig.3 3D free -from r eflecto r4 配光防眩目的仿真实验为了检验设计出来的前照灯的配光效果是否合格,最直接的方法就是进行配光的实验.但是,实验的方法受场地的限制,同时前照灯的制造周期比较长,无法适应现代汽车市场快速应变的要求;如果检验出配光不合格,必须对模型进行修整后再进行实验,这个反复的过程很长.30湖南大学学报(自然科学版)2004年针对实验方法的不足,我们采用TracePro 软件进行仿真实验.将自由曲面的三维模型导入Trace -Pro,然后建立灯丝及25m 外配光屏的模型,添加自由曲面的反射效果及灯丝发光的光通量数据后,就可以对光线进行追踪(图4).图4 近光的光线追踪F ig.4 Ray tr acing of low beam反求出的自由曲面反射镜初步满足了配光的要求,但还不能严格地满足防眩目的要求.由于自由曲面是由很多细小的曲面拼接而成,其接合处必然存在曲率的不连续,这是产生杂散光眩目的主要因素.通过TracePro 对自由曲面接合处的修补,就可以把造成眩目的主要杂散光消除掉.最终所得自由曲面前照灯近光各点的光通量及等照度曲线如图5,6所示.其光形和光通量完全满足了ECE 标准的要求,眩目点的光通量很小,达到了防眩目的效果.图5 B50L,50R,25R ,25L 点的光通量Fig.5 Luminous flux of point B50L ,50R,25R ,25L图6 75R ,75L ,50V ,50L 点的光通量Fig.6 Luminous flux of point 75R,75L ,50V ,50L5 结 语通过计算机软件对前照灯进行配光的防眩目研究,可以快速的得到所需要的反射镜曲面,同时,仿真出来的结果能够很直观地反映出光线的传播过程,通过控制眩目点(B50L)的光通量,可以很好地达到防眩目的效果.随着数控技术的发展,CAD/CAM 实现了一体化,仿真设计出的曲面数据可以直接用于数控加工,节约了设计的成本.通过TracePro 软件来进行配光的仿真实验不受场地和实验器材的限制,无需反复制作反射镜的配光曲面,能够实时地反映整个光线的传播过程,减少了整个前照灯的设计周期.参考文献[1] GRSAF C P,H eadlight factors an d nighttime vision [R].M i n -neapolis:M i nn Honeyw el l Inc,Report NO.765RC13,1976.[2] 黄佐贤.现代汽车灯具[M ].长春:长虹出版公司,2003.[3] 周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学[M ].北京:北京理工大学出版社,1999.[4] A B 吉雅柯夫.汽车的夜间行使安全[M ].北京:人民交通出版社,1990.[5] 莫玉和.浅谈汽车前照灯防眩目技术及配光法规[J].广西机械,1999,(2):21-23.[6] 周军,周继勇,周太明,等.FFR 汽车前照灯的光学设计[J].灯与照明,1996,23(3):1-5.31第6期谷正气等:自由曲面前照灯近光配光的防眩目研究。