汽车前照灯反射器设计与仿真模拟
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[摘 要]基于对汽车前照灯的概述，确立自由曲面前照灯是最具发展潜力的前照灯之一，并提出一种新型自由曲面反射器设计方法。首先，利用Matlab对反射器曲面进行拟合，并进行初模拟；然后利用LightTools对此方法进行了仿真模拟，结果与 Matlab 中的模拟结果一致，从而论证此方法的正确性。
[关键词]自由曲面；反射器设计；LightTools；仿真模拟
中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）09-0301-02
1 引言
随着汽车行业的飞速发展和市场需求的日益增长，对汽车前照灯的研究与应用已刻不容缓。常见的汽车前照灯主要由光源、反射器和配光镜3部分组成，如图1所示。且根据反射器类型的不同将汽车前照灯分为四类：抛物面前照灯、多块反射面前照灯、投影式前照灯和自由曲面前照灯。而相比与其他类型的前照灯，自由曲面前照灯具有具有光能利用率高、车灯高度低和空气动力学性能好等优点[1]，其主要由反射器面型来保证配光效果，不仅不需要使用配光镜对光线束进行二次控制，而且能防止眩目[2]，如图2所示。
本文提出了一种自由曲面反射器设计方法，并分别利用Matlab和LightTools对此方法进行分析与仿真模拟，为我国进行自由曲面前照灯的自主研发提供了理论依据。
2 反射器设计
2.1 光线追踪法
光线追踪法是汽车前车灯反射器设计中最常用的一种，其基本原理为假设光源发出无数条光线，这些光线与场景发生反射和折射作用，其中一部分投射到投影平面上，形成图像。此算法将具备定值光通量的光线视为最小单元，对光线的传播方式进行具体的追踪，通过七个不同参数对光线进行描述，即光线出射点的坐标，出射方向余弦以及光线所含的光通量L。前照灯反射面比较接近理想镜面，所以能够通过光的基础反射定律进行算法的确定，对光源产生的各个光线进行针对追踪。
2.2 总体方案
目前反射面设计方法主要有如下三种：（1）通过对现有光型对应的曲面方程中参数的改变来达到所需的光型曲面；（2）利用专用反射面设计软件进行反射面的设计，如 Tracepro 软件；（3）将光源的光通量的有效反射区域等通量离散化（这里是将光源看作是一个小球体，但是光线都经过球心的），与光源的离散化相对应的将照亮区域也按照等光通量的方式离散化。然后建立两个离散区域的一一对应关系。然后根据此对应关系以及连续曲面的性质得出曲面离散点云，最后将点云拟合得到曲面并对其进行模拟分析。
方案一是通过修改参数来达到目的，这样具有一定的局限性。方案二中的软件通常是专业软件，并且多为企业内部用版权有所限制，这样给我们的设计带来了不便。方案三相比前两种方案具有广泛性，所以本文选择方案三。同时考虑到在对汽车前照灯进行设计过程中，近光灯的设计相比较远光灯复杂，所以本文主要对近光灯反射面进行具体的设计。
2.3 反射面划分
本文的方法是对光通量进行等光通量离散化，并且主要针对的是前照灯反射
面的设计研究。而光通量的问题实际就是光线密度的问题，故要明确反射面与光通量之间的联系，就要明白反射面设计与光线密度的关系，明白其之间的关系就可对反射面进行正确的研究与设计，这里本文运用图解的方式表达出其之间的关系如图3所示，由此图可知，反射面的问题的实质即为光线的分配问题。
（1）环数划分
环数划分分析如图4所示。
根据以往研究可知，反射面包角越大，光源利用率越高，但反射器的尺寸是有限的，当超过220°时，随包角值的逐渐增加光能利用率提高的并不明显，所以在通常的研究设计中将包角值控制在 220°以内，本文在研究过程中取=220°。
根据以上数据可定义每环包角为，则：
（1）
式中n―设定的环数。
（2）每环份数划分
当纬角在之间时，对应光源光通量面积为：
（2）
且即可理解为每环光通量的值。则每环要分的份数为：
（3）
式中―每份对应的面积。
3 反射器曲面拟合与仿真模拟
根据反射器设计方法，本文总体的技术路线如图5所示。
在 LightTools 照明模块中要针对光线进行跟踪，其中所用光线跟踪原理使用的是第二节所提到的方法，即蒙特卡洛光线追迹法[3]。
3.1 曲面拟合
本文所述方法在运算中很重要的一步即为反射面初始点的确定问题，一旦确定初始点反射面就可以根据本文所设计的算法在 Matlab中将点云计算出来。这里本文所使用的光源为卤素灯光源，且选择 H7 型。故将光源中心O距离反射面底部的距离定为27.25mm，且将光源设定为反射区域原点位置[4]。而初始点处
反射面的法向向量 n在这里定义为沿 z 轴正方向。如图 6所示：
如图6所示，初始点定义为A0，此处法向矢量为n，光源中心点定义为O且位于坐标原点处。A0点沿z轴方向距离O点为27.25mm，则反射面初始点定义完毕，这样就可以由初始点的参数来进行下一步的计算。
根据初始点的定义及照亮面光型的要求，可以在 Matlab 中进行计算，并在软件中表示点云图如图 7所示，其对应矢量图如图8所示。
图8中，箭头所指的方向为程序运算结果中反射面在该点处的法线方向[5]，
并且箭头指向内部，在此可以初步判断计算结果正确。
3.2 Matlab初模拟
由上节的计算结果，在 Matlab 中进行初模拟即验证照亮面照亮区域中光型的模拟。模拟结果二维图、三维图分别如图9、10所示。从二维图中可以看到右侧15°截止线清晰可见。从立体图中可以清楚地看到亮度是平滑过渡的一个过程，从而认定满足设计要求。
3.3 LightTools模拟
根据云数据可在三维软件UG中建立反射面实体模型，将其保存成IGES格式文件导入到LightTools中，如图11所示。
在距离反射面 25 米远处建立测试屏幕。根据前面设计要求，设置反射面包角为220°。在距离反射面 25 米远的地方定义光源接收器，在模拟过程中，光线会通过反射面反射到达接收器。为了保证仿真结果的精确性，这里定义为光线条数10 000，且将追踪的光线定义为可视[6]，仿真模拟示意图如图12所示。
从图12 中可以看到在实际情况中光线所走的路径。为了便于分析，故将接收面上的亮度分布显示出来，如图13所示。在图13 中能够清楚看到亮度在中心区域强，并且向四周减弱，此种结果符合所设计预想的结果。
从图13中可以清晰看到右侧15°截止线，中间区域明显比周围亮一些，与在Matlab 中模拟的图相比，明暗区域和15°截止线都符合，故在 LightTools中的模拟正确反映出了预期的照亮区域图。
4 结论
本文探讨了汽车前照灯反射器曲面设计的方法。研究内容主要包括汽车前照灯的概述、自由曲面反射器的设计和自由曲面反射器曲面拟合与仿真模拟三大部分，得到如下结论：
（1）根据本文所设计的算法，利用Matlab得到了点云示意图，并得到了阴暗模拟图。
（2）运用LightTools对反射面进行仿真模拟，结果与Matlab中模拟结果一致，
从而也论证了此方法的正确性。
本文所采用的设计思想和方法具有一定的创新性，但是此方法在交互性、精确性等方面有待改进。
参考文献
[1] 王霄.汽车自由曲面前照灯反射器仿真设计及照明模拟[J].系统仿真学报，2006.
[2] 林渊.汽车自由曲面反射器光学设计[J].照明工程学报，2005.
[3] 胡志威，彭润玲，秦汉，林朋飞.LightTools 软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用[J].光学仪器，2012.
[4] 徐文岩，周莉，周太明，皇甫炳炎，范奇，赵亮.汽车光源的计算机建模-H4 光源的计算机模拟的探索与实现[C].中国照明电器，2000.
[5] 伍卫国，万群，张辉. 数值方法和 MATLAB 实现与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[6] 郑建锋译. LightTools入门指南[C].北京：光学应用，2002.
基金资助
浙江省教育厅科研项目（Y201329825），绍兴市公益性技术应用研究项目（2014B70017）
作者简介
朱洪军（1979.1），男，浙江上虞人，副教授，硕士，研究方向为数控机床、虚拟样机技术。