汽车灯具配光设计基础知识

汽车灯具配光设计基础知识第一章概述现代交通运输业的蓬勃发展主要依赖于汽车的发展和进步。

汽车不分昼夜的高速行驶对汽车灯具提出了很高的要求，提供良好的道路照明和各类准确及时的信号是汽车灯具最主要最根本的任务，其功能的体现就在于此。

汽车灯具的诸多设计任务中最核心的部分便是配光设计。

配光在光学上的严密要求和灯具采用的常规制造技术（涉及成本）所产生的矛盾对配光设计带来了很大的挑战，设计和制造所产生的那怕是细小的偏差也会对配光性能造成很大的影响，真所谓失之毫厘差之千里。

因此了解、掌握乃至进一步发展配光设计技术对从事汽车灯具设计的技术人员来说是一项极为重要的任务。

第二章原始配光的设计基础一、抛物面反射镜的反射原理（一）、光束的形成汽车灯具反射镜的作用是将光源（灯泡）辐射的光通量会聚在有限的立体角内，从而建立很高的发光强度。

理论上将光源（视作点光源）置于数学精确形状的抛物面反射镜的焦点上会产生两部分光束：1、射到反射镜镜面上的光线被反射成与反射镜光轴近似平行的不变截面狭窄光束。

见图12、未反射而是直接射出透光孔的光线形成强烈的散射光束，在立体角4π-ω1的范围内传播到反射镜外面，只能在5~10米范围内照亮附近路段。

（采用卤素或其他强光源照射稍远）所以在计算较远路段的照明时只要考虑被反射的光束既可。

（二）、近似平行光束原理实际点光源是不存在的，灯丝虽小仍然具有一定的几何尺寸，同时反射镜的实际曲面与理论曲面由于制造的原因肯定是有偏差的；所以实际反射光束是一束微弱散射光束。

反射镜某单元（一点）的反射光线其散射角为2α，整个反射光束就是由反射面所有单元反射的锥形光束的总和所构成。

所以理论上讲只是一束近似平行光束。

见图2（三）实际反射光束的认定（视作平行光束）如按近似平行光束原理进行原始配光的计算是非常困难的，也无此必要。

因此把反射镜抛物面视作可将光源的光通量会聚成零立体角即会聚成平行光束。

（四）反射光束的发光强度大于光源的发光强度之原理光源射到反射镜上的光通量：Φ1 = I1ω1I1\2—发光强度被反射镜反射的光通量：Φ2 = I2ω2忽略反射损失则Φ2 = Φ1即I2ω2 =I1ω1移项I2 = I1×ω1/ω2因ω1比ω2大的多，所以I2＞I1二、光源光通量的合理利用——抱角理论光源光通量的利用程度是用抱角2φ表述的。

所谓抱角是指落在反射镜边缘上的光线所构成的平面夹角（立体角ω1的一个子午焦面所形成的夹角）与ω1一致的。

见图3显而易见，增大抱角，光源光通量被反射镜反射到远处的有效部分也将增大（即增大反射面积可增大反射光强）。

增大抱角的方法有2种：1、在不改变焦距f的情况下加大反射镜的直径。

缺点：受结构和美学方面的限制2、在保持反射镜直径不变的情况下减小焦距f缺点：深腔受空间位置限制并产生光干扰由于上述两种方法的缺点，造成了抱角选择的限制；既增大但又不能过分，理论和实践都得出可将其数值限制在该范围内：2φ≤2400这相当于可以利用发射光源光通量的75%（其余25%被损失和直射出去了）。

三、反射镜焦距的最优化选择（抛物面类型）反射镜的抛物面一般被垂直于主轴的平面所限制，形成直径为D 的反射镜出光孔。

反射镜上的其他任何孔都称作“盲孔”。

前照灯（包括其他灯具）一般用透光孔来表述，透光孔是指配光镜有效面的直径，比反射镜的出光孔略大10mm。

图4在直角坐标系中，设原点O 为抛物面顶点，X 轴为抛物面主轴，则抛物面方程为：Y 2+Z 2=4fx式中：X 、Y 、Z ——抛物面表面上任意一点的坐标f ——焦距 出光孔的位置由X 1所表述，此时其直径为：D=2=2——（1）ρ式中：ρ——抛物面上一点的矢径φ——ρ与极轴之间的夹角极轴的方向与抛物面主轴重合，并由焦点F 指向抛物面顶点。

当角φ＜90º时给出+ cos φ，当角＞90º时给出-cos φ。

出光孔的位置由抱角2φmax 所表述，抱角与出光孔的直径有如下关系式： D= ——（2）或 φ ——（3）反射镜最优尺寸的选择：随着抱角的增大，当超过φ=110º（2φmax=220º）时，被利用的光通量的增量将剧减，同时反射镜的相对深度却剧增。

将抱角限制在φ=110º以内的合理性，已被大量实例所证实。

采用此抱角，得出：D= 5.71f理论计算当D 分别为170和136mm 时，f 分别为29.77和23.82mm 。

现实际使用的经验数据在f=27～22mm 之间，所得抱角φmax 在115º～114º之间。

还有使用小直径反射镜取f=19mm 的，则φmax121º（焦距f 的选4fx 1 Y 12+Z 12择基本上是在此范围内，但出光孔D 掌握在什么范围内在第三章再进一步讨论）。

四、 灯泡的定焦设定了反射镜的焦距f 和D ，即定下了反射镜抛物面。

下一步工作就是灯泡（丝）的定焦（点）了，即灯泡在反射镜上正确的安装位置。

从最大限度利用光源光通量以及将散射角减至最小两方面考虑，必须将焦点F 置于灯丝几何位置的中心点，即光源的中心位置与焦点重合。

几何位置中心点的选择有以下几种情况：1、 直灯丝：无论横向、纵向均取中点，如H1、H7灯泡。

2、 远近光双丝：无论横向上下位差，纵向前后位差，均以远光或主功能灯丝为主取中点，如H4、R2灯泡。

3、 弧形灯丝：（1）L ≥3H 时，取 H ；（2）L ≤3H 时，取 H 。

定焦尺寸的精确度是确保配光的第一步，是基础中的基础，除了保证定焦泡盘在光轴方向的前后位置外，泡盘的定位脚和安装灯泡的固定座公差和间隙均不应过宽。

五、 反射镜形状（出光孔）设计的考虑建立了“完整”的抛物面反射镜数学模型和进行了灯泡的定焦设计后，接下来就可以进一步对反射镜形状（即出光孔直至灯具的发光面）的设计进行考虑。

所谓的异形反射镜其基础是圆形反射镜，只是从美学角度出发进行了部分反射面积的切除，但这种切除并非可以随心所欲，1 2 1 3必须要在以下几方面慎重考虑：1、光轴的方向定位会影响反射面积的大小即对反射面积应尽量给予保留和布局均匀，当然涉及到定焦以及后部空间位置和灯泡的安装。

2、根据灯具发光面的大小（涉及外型）来调整焦距f，发光面较大，可选择的f→大，发光面较小，可选择的f→小。

3、反射面的切除位置和面积需考虑反射光通量的损失，尤其注意近光15º线的反射面积，尽量予以保留并保持左、右灯的一致。

4、在与其他灯腔干涉套用时防止非抛物曲面反射光的干扰，可结合遮光罩的设计一并考虑。

5、反射镜在灯体内的位置，应尽量避免过于靠后，同时结合前置装饰框一并考虑。

特别注意射出光束是否会在装饰框等处产生干扰光线或是发生光线的遮蔽。

另外还需考虑光线在出光孔处直至发光面的扩散角度，以便满足配光性能以及法规要求（可视角度）。

六、遮光罩设计时的考虑遮光罩（包括各类遮光挡板）顾名思义是起到遮挡和屏蔽光线作用的零件。

在配光设计中根据光形的要求，它具有二方面作用：1、遮挡部份光源光通量即去除了不需要的直射和反射光束（灯泡内的遮光罩和灯头涂黑部起到了同样作用）。

2、对允许射出光束在其他零部件表面产生的干扰反射光线起屏蔽作用。

另外在信号类灯具中使用透明材料的遮光罩，其实际作用在很大程度上与前照灯类不同。

是起到变换光色有时甚至是配光的作用，同时还有美观上的考虑。

就其主要二方面的作用来讲，在设计时应从以下几方面给予充分的考虑。

1、需要遮挡的光源光通量会产生的直射光束和反射镜反射光束来自哪些区域？其光迹的路线和扩散角度如何？都应进行验证。

应遮和不能遮的区分要严格掌握。

2、灯具的哪些其他部位会产生干扰反射光线？光迹如何？遮光罩在遮挡直射、反射光束的同时能否满足对干扰光线的屏蔽？二项作用须兼顾考虑并作适当调整。

3、遮光罩的几何造型首先应满足功能要求，其次才是美观考虑，在满足功能要求的前提下应力求造型简练，避免繁复的造型和多余的线条。

4、使用的灯泡有无灯丝的遮光罩及泡壳顶端涂黑部，如有即已起到第一层遮光作用，因此遮光罩的设计可酌情简化。

5、安装结构设计应方便遮光罩安装，同时应进行一定的受力分析以保证其可靠性，避免断裂或是震动引起偏斜移位，不仅削弱甚至起到反作用。

第三章前照灯配光设计的基本方法一、配光涉及的部分几何光学的内容简介（一）几何光学在配光中运用的几个基本定律1、光的直线传播定律：光（只）在均匀媒质中沿直线传播。

2、光的反射定律：光线从一种媒质射向另一种媒质，设两者的分界面为平面，其中反射面媒质为非透明媒质，则有沿分界面法线光线的入射角等于反射角：i1=i2 i1——入射角 i2——反射角3、光的折射定律：若媒质1、2均为透明均匀媒质，入射光线除了产生反射外，在进入媒质2时将产生折射。

沿着两者的分界面法线，光线的入射角i 1和折射角i 2与媒质的折射率有关：Sin i 1 n 2式中：n 1、n 2分别是它们各自相对于真空的绝对折射率。

n 2/ n 1也可表达为n 12指两种媒质的相对折射率。

4、 全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质时，i 2＞i 1，如i 1增大到导致i 2=90º设此时入射角ic ，当i 1＞ic 时,光线全（部）反射。

ic ——全反射临界角 不同媒质的ic 是不同的。

（二） 汽车灯具配光运用几何光学的基本方法1、 光迹追踪方法——即设定光线在理想状态下沿着直线进行传播，称为光迹。

对光迹进行追踪计算，方法简便实用；而且通过相当多的实践证明不失为最有效的方法。

沿着这样一条思路，就可排除多种微小误差，如漫反射等对光线产生的极其复杂的干扰。

（对这些误差和干扰进行过分苛刻的追述和分析对配光设计其实是大可不必的。

2、 三种反射（镜）曲面的光路图：① 抛物面——产生平行光束② 椭球面——产生扩散光束③ 双曲面——产生扩散光束条件：均指点光源置于焦点处产生的光线。

3、 几种棱透镜的作用：① 棱镜——折射② 凹透镜——（扩）散射③ 凸透镜——（扩）散射Sin i 2 = n 1④棱透镜组合（菲涅尔透镜）——既折射又散射。