投射式汽车前照灯反射器椭圆曲面的设计

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1、2011 年第 1 期中 国 照 明 电 器CHINA LIGHT LIGHTING15投射式汽车前照灯反射器椭圆曲面的设计曾武智 李礼夫( 华南理工大学机械与汽车工程学院 ， 广东 广州 510640)摘 要针对投射式汽车前照灯光源利用率不高的缺点及近光光型水平方向约 20的照射范围要求 ， 提出以变椭圆轮廓的方法设计投射式前照灯的反射器曲面 ， 分析了椭圆轮廓曲线对投射式前照灯配光的影响 ， 给出了椭圆曲线的轴长变化规律 ， 通过计算拟合得到了光滑的变椭圆反射面 。在光学软件Lucidshape 中对该变椭圆反射面构成的投射式前照灯光学系统的模拟结果表明 ， 采用该变椭圆反射面比复合椭球面

2、的光源利用率提高了 10% 左右 ， 光型水平方向照射范围在 20以上 ， 能满足近光光型 “宽而不高 ”的特点 。关键词 投射式前照灯 变椭圆 近光 光型Design of the Projector Type Headlamp ReflectorBased on the Variable Ellipse ProfileZeng Wuzhi Li Lifu( School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology，Guangdong Guangzhou 510640)Abstr

3、act: Since the efficiency of projector type headlamp is low， and its low beam has the requirement of extendingabout 20 in horizontal direction， we present variable ellipse profile to design the surface of projector typeheadlamp， and analyze the effect of ellipses on headlamps light distribution， giv

4、e the rule of ellipses， then fit thecalculated profile and get smooth reflector surface. In Lucidshape software， the simulation of a projector typeheadlamp system which is composed of the said reflector demonstrates， compared with the traditional compoundellipsoid， the beam pattern in horizontal and

5、 vertical direction can match the low beam regulation and the systemenergy efficiency increases approximately 10% ， and meet the feature of low beam pattern， which iswide and nothigh.Key words: projector type headlamp; variable ellipse; low beam; beam pattern引言目前由于投射式前照灯具有体积小 、聚光性好 、光型易 变 的 特 点 ， 在汽

6、车前照灯中得到了广泛应用 1。常用汽车投射式前照灯由灯泡 、反射器 、挡板和透镜组成 ， 结构如图 1 所示 。其中 ， 反射器曲面是投射式前照灯的核心 。常用汽车投射式前照灯的反射器曲面有旋转椭球面 、复合椭球面等 。其中旋转椭球面由单一母线旋转而成 ， 光束的照射范围难以达到近光配光的要求 。如为满足近光水平照射范围的要求需要较大的尺寸 ，但同时也增大了垂直方向的照射范围 ， 且增大了灯具的体积 ; 如减小其尺寸 ， 它的水平和垂直照射范围同时减小 ， 也不能满足要求 。复合椭球面以旋转椭球面16 中 国 照 明 电 器 2011 年第 1 期图 1 投射式前照灯结构图为基础 ， 均匀分块

7、后将各块旋转 、偏移形成 ， 其光分布的均匀性不佳 ， 光源利用率 ( 配光屏幕上收集的光通量与光源发出的总光通量的比值 ) 不高 ， 且型面上各块分离 2。为此 ， 本论文提出基于变椭圆的轮廓曲面作为投射式前照灯反射器曲面的设计方法 ， 来解决旋转椭球面和复合椭球面存在的光束照射范围难以满足要求 、光源利用率不高的问题 。1 投射式前照灯反射器曲面设计1. 1 投射式前照灯的基本配光原理图 2 投射式前照灯配光原理常用投射式前照灯的基本工作原理如图 2 所示 。其中 ， 反射器曲面设计为基于椭圆的旋转椭球面 。根据椭球面的聚光性质 ， 位于椭球焦点 1 的点光源发出的光线 ， 经椭球面反射后

8、形成经过椭球焦点 2 的反射光线 。如果使透镜的焦点与椭圆焦点 2 重合 ， 则反射光线经透镜折射聚光后形成平行光束 ， 投射到汽车行驶方向的前方 ， 从而形成前照灯的配光光型 。为了形成具有明暗截止线的近光光型 ， 在焦点 2 附近放置用于遮挡反射光线的挡板 。由于实际光源不是理想的点光源 ， 而是具有一定尺寸的点扩展光源 ( 其可简化为线光源 )， 因此当其位于旋转椭球面的焦点 1 时 ，它的反射光束不能全部通过椭球面的焦点 2， 从而产生了点扩展光源的成像像差 ， 存在前照灯配光光型难以达到要求和光源的转换效率降低等问题 。为此 ， 论文提出基于变椭圆轮廓的反射器曲面( 简称变椭圆反射器

9、曲面 ) 设计方法 ， 以此来提高前照灯光源的转换效率和实现其水平照射范围宽 、垂直照射范围窄的 “宽而不高 ”的近光光型设计目标 。1. 2 变椭圆反射器曲面轮廓设计为了提高光源能量转换效率和满足前照灯配光要求 ， 将反射器曲面设计为由不同长度长短轴的椭圆所组成的曲线族 ， 即变椭圆反射器曲面 。根据投射式前照灯基本工作原理 ， 将变椭圆反射器曲面的顶点位于图 3 所示的 OXYZ 坐标系原点 O 上 ， 点扩展光源 、挡板及透镜沿光轴 Z 向依次放置 ， 挡板和光轴的交点与透镜的焦点在光轴上的位置相同 。其中 ， 点扩展光源放置在反射器曲面的第一焦点区 。其中第一焦点区是由各个不同长短轴的

10、椭圆曲线的第一焦点F1i所组成 ， 即点扩展光源中的各个点光源在 Z 轴上的坐标值等于各个椭圆曲线的第一焦点值 。同时 ， 根据椭圆焦点处的光线反射后必经过另一焦点的光学性质 ， 使所有椭圆曲线的第二焦点值相同 ， 则点扩展光源出射光经变椭圆曲面反射将聚集在该第二焦点上 。即在 OXYZ 三维坐标系中 ， 任一椭圆曲线的中心到第二焦点的距离 c( ) 与椭圆长半轴 a( ) 之间具有式 ( 1) 的关系 ，a( ) + c( ) = k ( 1)式中 ，椭圆所在平面 XOZ与平面 XOZ 之间的夹角 ， 见图 3;a( ) 对应 角的椭球轮廓曲线的长半轴 ;c( ) 对应 角的椭球轮廓曲线的半

11、焦距 ;k常数 ， 它的值根据前照灯在汽车上的安装尺寸及所选择的透镜参数而定 。根据前照灯近光光型的水平方向光束照射范围较宽 、垂直方向照射范围较窄的配光特点 ， 使用轴长变化的椭圆来构成反射器曲面 ， 以椭圆的长 、短半轴长来调节光束的照射范围 ， 即使对应水平和垂直照射的椭圆的长 、短轴长符合前照灯近光的配光要求 。控制水平方向照射范围的水平椭圆长 、短轴较长 ; 而控制垂直方向照射范围的椭圆长 、短轴较短 ; 其它位置的椭圆长 、短轴介于它们之间 。在图 3 所示的三维坐标系 OXYZ 中 ， 分别以 XOZ 面内水平椭圆和 YOZ面内的垂直椭圆来满足反射光在水平方向和垂直方曾武智 等

12、: 投射式汽车前照灯反射器椭圆曲面的设计 17图 3 水平和垂直椭圆曲线向的照射范围的要求 ， 进而实现 “宽而不高 ”的近光光型设计目标 。为使光的水平照射范围较垂直照射范围大 ， 将水平椭圆曲线的短半轴长 bx设计得比垂直椭圆曲线的短半轴长 by要长 ， 其差值 d 定义为 :d = bx by( 2)同时 ， 为了使反射器曲面平滑连接 ， 将短半轴长 b( )设计为 :b( ) = bx ( dxsin2 + dycos2) sin2 ( 3)式中 ，bx水平椭圆曲线的短半轴长 ;dx水平方向光线照射范围控制因子 ;dy垂直方向光线照射范围控制因子 ;由椭圆性质可知b2( ) = a2(

13、 ) c2( ) ( 4)即b2( ) = a( ) + c( ) a( ) c( )= k 2a( ) k ( 5)从而求得长半轴的表达式如式 ( 6)，a( ) =b2( )2k+k2( 6)同时可求得其第一焦点 f 在光轴上位置的表达式f = 2a( ) k ( 7)从式 ( 6) 和式 ( 7) 可以看出 ， k 为常数时 ， 长半轴及第一焦点在光轴上的位置与短半轴的变化趋势相同 。对外形尺寸为 615mm 285mm 233mm 的汽车前组合灯 ， 取 bx=37. 8mm， k =84mm， dx= dy=2. 0mm时 ， 由式 ( 3) 、( 6) 、( 7) 计算出椭圆的第一

14、焦点位置 ，并得到短半轴及半焦距随角度的变化图 。图 4 为反射器曲面上所有曲线第一焦点位置在光轴上的变化图 。可以看出 ， 焦点位置在 13 17mm之间变化 ， 即所有椭圆曲线的第一焦点都聚集在长度为 4mm 的范围内 ， 此即所有椭圆曲线所形成的第一焦点区 。灯丝沿此段区间布置 ， 则变化区间内的每一个焦点都能对应灯丝上的发光点 ， 使反射光线尽可能集中在反射器曲面第二焦点附近 。图 4 椭圆曲线第一焦点位置变化图图 5 为变椭圆反射器曲面上椭圆短半轴长的变化图 。短半轴长是直接决定变椭球反射器曲面的开口大小的重要参数 ， 它与反射光线的照射范围相关 。图 5 椭圆曲线短半轴长变化图同时

15、 ， 当未加透镜时 ， 如图 6 所示 ， 位于 YOZ 面内的焦点 F1 上的点光源发出的光经椭圆上 ( a， b) 点反射后 ， 反射光线与配光屏幕的交点到屏幕中心的距离 y 可由式 ( 8) 求得 ，y = Ltan = Lbc( 8)式中 ，L透镜焦点到配光屏幕的距离 ， 取值为 25m;b椭圆短半轴长 ;c椭圆半焦距 。椭圆族曲线的半焦距随角度 的变化关系如图18 中 国 照 明 电 器 2011 年第 1 期图 6 YOZ 面内垂直椭圆曲线反射光线轨迹图7 所示 。由图可知 ， 半焦距与图 5 中短半轴长的变化趋势刚好相反 ， 即水平方向短半轴大 ， 半焦距小 ， 光线的照射范围较

16、宽 ; 垂直方向短半轴小 ， 半焦距大 ， 光线的照射范围较低 ; 其它位置的照射范围则介于水平和垂直照射范围之间 ， 总体满足近光光型 “宽而不高 ”的特点 。图 7 椭圆曲线半焦距变化图1. 3 变椭圆轮廓投射式前照灯反射器曲面成型方法变椭圆反射器曲面的方程如式 ( 9)，x2+ y2b2( )+( z a( )2a( )2= 1 ( 9)其中 ， 长 、短半轴按式 ( 3) 和式 ( 6) 随角度 变化 ， 曲面方程是 、x、y、z 的多元函数 。为了便于反射器曲面成型与仿真 ， 论文提出了基于变椭圆轮廓的曲面成型方法 ， 其具体做法是 :在三维坐标系 OXYZ 的 XOZ 面内 ， 给出变轴长椭圆方程 :x2b2( )+( z a( )2a2( )= 1y =0( 10)构成反射器曲面的椭