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车灯性能配光仿真设计
车灯性能配光仿真设计
(苏丹)
摘要:
解决汽车照明问题的主要课题,在于如何解决互不相容的要求之间的矛盾,即一方面要求在相当长的距离内保证良好的道路照明,而另一方面又要求这种道路照明不至于使迎面车辆的驾驶员产生眩目。
为了达到配光法规,本文着重从车灯结构与实际车灯配光性能的意义与现在的研究情况及前照灯近光配光性能等入手。
利用VB与CATIA连接建立一个简单的数学模型,由于灯具结构较复杂,由灯泡、反射镜、配光镜三大部分组成,因此构造数学模型时,需规定一个基准坐标系,从而可以精确地确定三大组件的空间位置关系,并在每个组件上规定子坐标系,使在进行光线追迹计算时独立于其他组件,使光线计算编程比较容易实现。
所以必须进行VB与CATIA的连接,在CATIA上面进行建模,然后利用先进的SPOES软件进行灯具,光源和测光屏的选定,进行20000条光线的仿真模拟。
关键词:
前照灯ECE配光标准CATIA二次编程SPEOS仿真
绪论:
1.汽车灯具[32]
汽车灯光按照用途分有照明灯和信号灯两大类。
照明灯又分为外部照明灯和内部照明灯。
外部照明灯指前照灯、前雾灯、牌照灯。
内部照明灯指顶灯等内部照明灯具。
信号灯也分为外部信号灯和内部信号灯。
外信号灯指转向灯、制动灯、位置灯、示廓灯、倒车灯。
内信号灯泛指仪表板上的指示灯。
在这些灯中,属于强制性检验的灯光有外部照明灯和外部信号灯,因为是行车安全的关键部件。
外部照明灯除了牌照灯之外,主要作用是为本车驾驶者提供路面照明,在一定情况下也可以起信号作用,例如超车时闪烁前照灯以示对方注意。
外部信号灯则是为方便其他驾车者识别本车轮廓和判断本车动向而设置的。
其中转向灯和制动灯是极重要的信号指示灯,它对于汽车安全关系重大。
2.国内外技术水平及发展趋势[32]
我国车灯行业现阶段正处于稳步发展时期,灯具生产企业正在逐步完善产品设计与生产能力,并由原来的单纯追求产品质量向既追求产品质量也追求产品外观转换,同时也对国外先进的技术进行消化吸收,逐渐缩小与国外先进企业的差距。
从光源来说,现阶段我国车灯还是以传统光源(白炽灯泡及卤素灯泡)为主,很少有企业采用高强度气体放电灯(HID)灯泡、高亮度发光二极管(LED)、或是光导纤维作为光源。
这是由于大多数企业本身并不具备光源生产能力,所采购的光源成本高,使得整灯成本上升,制约了灯具行业的发展。
而国外的大型企业大多数都有自己的光源生产线,所需成本大大降低,竞争能力也相应加强。
目前,国外的大多数轿车现都配备了HID前照灯。
HID前照灯特点:
高亮度输出,色温度舒适度高,产品寿命长,约1/2的电力消耗。
部分信号灯也由高亮度LED取代了传统灯泡。
LED特点:
体积小,功耗低,亮度强和热量低,使得整车在节能及外观方面得到了很大的提高。
我国的HID生产才刚刚起步,还没有生产出完整的HID前照灯。
采用高亮度LED光源的企业大多数也还在测试开发阶段,完善的IED灯具还很少。
这就突出了我国汽车灯具行业在高尖端技术方面与国外企业的差距。
如何引入和吸收国外灯具企业的高尖端技术已经显得尤为重要了。
另外,汽车灯具的智能化也是国外汽车灯具的一个主要发展方向。
为了改善夜间以及气候因素所造成的视线不良问题,提出了一种新的前照灯照明系统,即AFS系统(Advancedfront—lightingsys—terns)。
由于超过8O的车祸是在夜间和恶劣天气下发生的,为了在夜间或者是恶劣天气下能达到更好的视觉效果,这就要求前照灯光线随着方向盘转向角度或车辆速度的改变而改变。
在6O年代,雪铁龙汽车远光光束能依照方向盘的角度水平转动而移动。
这种系统在2003年首先设计成了近光灯具有转向功能。
在2007年做出了完整的AFS系统,这个系统应包含适应其它各种不同状况的功能。
例如在高速公路上,或是天气状况不佳时提供良好的视觉效果。
国外先进企业开发的AFS系统(智能前照灯系统)使得车辆在转弯、高速行驶及雨雾天气等不同情况下受控自动生成能适应各种驾驶环境的灯光模式。
日本开发的IIS系统(智能灯光系统)也向自动控制光线的方向发展,使汽车大灯随行驶状况的变化而实时变化,为驾车者提供了比较理想的光束模式。
而这方面正是我国汽车灯具企业所欠缺的。
3.配光原理[3]
将汽车行驶方向的道路从无穷远处以中心投影法投射到前照灯所在的配有明暗截止线的铅垂平面上的道路透视图,即为前照灯近光检验的配光屏幕。
(a)
(b)
图1(a)道路透视图及近光配光屏幕(b)道路及配光屏幕侧视图
图1给出了汽车行驶方向的道路透视图与配光屏幕的关系,结合图1(b)可清楚地看到主要检查点及区域的意义B50L称作防眩点,表示距前照灯50m处迎面而来的驾驶员眼睛的位置。
该点的照度值不得大于规定值,否则会使对面会车的驾驶员感到眩目。
50R及75R分别代表本车道右边缘距前照灯50m及75m处的照明点,这两点的照度值不得低于规定值,保证车辆行驶时有足够的亮度,以便驾驶员能够及时发现障碍物,并采取必要的措施。
25L及25R分别表示灯前方25m处路左、右两边的照明点。
截止线以上的区域为III区,又称防眩区,表明车灯的眩目状况,其照度值同样不允许大于规定值。
IV区又称过渡区,表征了前照灯前25m至50m范围内车道全宽的照明情况。
I区也称作近距离照明区,表示距车前25m以内的道路照明情况。
通过以上介绍可以看到,要想解决好近光照明时“既保证行驶车道有良好的照明,又不使对面会车驾驶员产生眩目感”这一问题,必须使前照灯在75R及50R处产生足够大的照度的同时,使B50L及III区的照度尽可能的小。
因此,这几个测试点也是进行前照灯配光照准和检验时重点调整和检测的点。
国标要求车灯光度性能在规定范围内。
以前照灯为例,国标要求有特定光型.同时在特定点或区域内的光度值满足一定要求。
图2-3示出前照灯的近光光型和规定的8个测试点及三个区域(B50L、75L、50L、25L、50V、75R、50R、25R.区域I、III、IV)。
表1列出了这些点或区域中光度值极值点的角度坐标。
表1前照灯测试点角坐标
在距离车灯lm的屏幕上放置16个光电探头。
并按表1的坐标确定,如图3所示。
这些探头给出待定点的照度值。
这些方向上的发光强度由下式确定。
=
式(1.1)
式中E、I——分别是照度和发光强度;r——车灯到探头距离;
图2前照灯近光光型图3光度值测试原理
θ——探头表面法线与车灯到探头连线夹角测试方法的研究
4.配光方法:
测量原理及系统参数:
图4测量示意图
图像灰度与屏幕照度之间存在着对应关系,但由于CCD器件本身生产工艺的限制。
其动态范围较小,若测量时CCD光敏面上的曝光量过低或过高,则会造成图像灰度失真,产生测量误差所以宓须精心设计测量系统的参数,使曝光量在CCD的响应范围之内。
测量示意图如图4,CCD摄像机与前照灯并列放置,使之只接收来自屏幕的反射光,避免灯光直接进入摄像机而影响测量精度。
CCD、前照灯与屏幕的位置均固定。
设屏幕上某面元A的照度为屏幕反射后的光出射度E(单位:
lx)则屏幕反射后的光出射度:
(km/
)(1.2)
式中,p为屏幕的反射系数。
视屏幕为朗伯辐射体,则由反射引起的亮度
(
)(1.3)
若忽略大气衰减损失,根据亮度守恒定律伪,到摄像机物镜前A的亮度仍为L。
则经物镜成像,A在CCD光敏面上像点的照度
(lx)(1.4)
式中,
为物镜透过率,
为摄像机到A的视线与光轴间的夹角,D为物镜入瞳口径,f为物镜焦距;
物镜的相对孔径,为光圈数F的倒数。
则上式可化为
(1.5)
可见,若镜头光圈数F一定,则摄像机像面元素的照度与对应的配光屏上面元的照度之间即存在对应关系。
像面元素所受照度与积分时间t的乘积称为曝光量
(
)(1.6)
CCD在动态范围内的光电转换特性可表达为
(1.7)
式中,V为输出信号电压,b为当曝光量H=0时CCD的输出暗电压,a为CCD的光响应度,
为光电转换系数(伽玛系数)。
摄像机中的
校正是为了补偿人眼对光强响应的非线性,正常的电视摄像一般
=0.45取,而对于能量分布的测量应取
=1.0,以使光电响应线性化。
CCD输出的脉冲调制信号经低通滤波后变成在时间上连续的模拟视频信号,图像采集卡再对视频信号进行采样并量化编码,形成数字图像。
这样,在计算机中形成的图像像素灰度值就与CCD光敏元的曝光量形成对应关系,在一定的电子快门速度下(即一定的曝光时间),即可建立图像灰度——屏幕照度对应关系。
建立真实的对应关系的前提必须是:
使曝光量限定在CCD器件的饱和曝光量和最低感光度之间。
因此,需正确设计摄像机和配光屏幕的相关参数,使符合要求。
根据GB4599—94《汽车前照灯配光性能》,测试前照灯配光性能时屏幕上的照度限值基本上在0.3lx(近光B50L,最大值)~48lx(远光卤钨前照灯Emax最小值)之间。
设计屏幕反射系数p=80%,使用镜头参数为:
,焦距f=18mm,光圈数F1.2,透过率
=90%(参照国家放映物镜技术要求中,对4个和6个“空气/玻璃”表面面数镜头的白光透过率要求)。
由(2.5)式,则摄像机像面照度变化范围至少在0.0375lx~6lx之间(因远距离小视场成像,此处忽略
)。
采用MINTRONMTV-1802
黑白低照度高解析摄像机,其标注最低照度为(0.02lx,F1.2);根据一般CCD器件的饱和曝光量0.2lx.s计算,电子快门速度设定为1/50s时,由(2.6)式,最高可测的像面照度为10lx。
则摄像机可在0.02lx一10lx之间的像面照度工作,满足测量要求。
采用上述镜头的摄像机视场角为(1/2”CCD光敏区尺寸为6.4
):
水平:
=2arctan(6.4/2f)=20.2
(1.8)
垂直:
=2arctan(4.8/2f)=15.2
(1.9)
在屏幕上的视场区域为
m,恰好包含所有测试点。
系统在进行测量和标定时需固定摄像机光圈,将校正系数设为1.0,并关闭自动增益控制(AGC)。
AGC(Automaticgaincontrol)电路可使摄像机增大动态范围,其功能为当靶面照度较低时,加大增益以使输出信号增强;反之则减小增益以使输出信号减弱。
对于能量分布测量来说,AGC使输入输出关系不确定,所以必须关闭以保证对应关系.
5.仿真方法设计:
利用CATIA与VB建立简单的数学模型。
然后利用SPEOS进行配光仿真。
SPEOS是第一套致力于工业应用导向的光学结构模拟软件,由法国OPTIS公司提供给工业界的解決方案。
SPEOS具有高速的运算核心SmartEngine可以轻易的产生大量的几何结构并执行百万条光迹运算,SPEOS2007更支持WindowXP64位操作系统可大幅增加内存空间,与多CPU及多执行序(MultiThread)处里器。
最适合LCD背光模块的光学仿真,近年因应背光模块的产业需求,并增加了光源数组、参数化的循环运算、辉度CD/㎡模拟、逆向光线追迹、自动运算。
SPOES2007支持WindowsXP64位操作系统,对需要海量存储器(memory)的背光模块大量微结构、LED照应用系统光源数量,更能轻易的进行运算工作。
SPEOS2007也支持多CPU与多执行序(MultiThread)处理器的设定,可将处里器效能做极至的发挥,或同时执行多重的模拟节省时间。
大幅提升光学设计处里效能。
SPEOS逆向追迹(LightPathFinder)可经由模拟的结果,任意选择所要了解的区域,SPEOS就可以实时的将互相关联作用之光迹与光源过滤出来,并于3D的环境中呈现。
方便光学、机构工程师迅速检讨并修正光学组件的相关几何或位置。
SPEOS针对背光模块的应用需求提供辉度(cd/m^2)的模拟定义,可以定义不同立体角及观察位置的接收器。
并能在同一位置或不同位置设定多个且不同性质的接收器(sensor)包含照度(lx)、光强度(Intensity)、辉度(cd/m^2),能在一次的模拟运算中,就可以同时获得多种需要的模拟结果。
为因应背光模块大量LED光源的建构需求,SPEOS可应用数组的功能迅速建构大量的LED光源及结合3Dtexture功能任意定义光源位置,依需求定义多样化光源排列组合。
SPEOS提供完整的色度分析功能,具有XY与xyz.多种的判读标准,及整合汽车业需要的色度分析标准规范。
可以应用光迹过滤功能轻易的选择要了解的光学组件曲面,SPEOS可以实时的过滤出所需要的相关几何的光迹运动情况。
6.汽车灯具设计中常用的光学概念[34]
光通量:
单位时间内光辐射能量的大小。
它表示光源的发光能力,单位流明(lm) 。
发光强度:
光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度),单位坎德拉(cd)。
立体角:
是任意一封闭的圆锥面内所包含的空间,单位是球面度(Sr)。
即以锥顶为球心,以r为半径作一圆球,如果锥面在圆球上截得的面积A为r的平方,则该立体角为A/r2个单位立体角,而一个球体包含4π球面度。
配光:
灯具发射可见光的光度(照度或发光强度等)的分布。
近光:
当车辆前方有其他道路使用者时,不致使对方眩目或有不舒服感所使用的近距离照明光束。
配光镜:
根据配光性能要求,由一种或者一种以上的光学单元组合的透镜。
灯光组:
配光镜、反射镜和光源等的组合体。
标准灯泡:
测试配光性能的灯泡,具有无色泡壳和缩小的灯丝。
配光光通量:
半封闭式前照灯(或其他车用灯具)配光测试时规定的光通量。
配光屏幕:
测试性能的屏幕。
明暗截止线:
灯光投射到配光屏幕上,眼睛感觉到的明暗陡变的分界线。
照准:
测试配光性能测试时在屏幕上的定位。
基准轴线:
车用灯具的特性轴线。
基准中心:
基准轴线与配光屏幕上的交点。
照射距离:
指光线所能达到且有足够亮度的最大距离,它又可以分为远光照射距离和近光照射距离两种。
发光强度:
1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度,单位勒克斯(lx)。
表示前照灯的发光能力,它又可以分为远光强度和近光强度两种。
光照分布均匀性:
指发射近光的均匀性。
眩目性:
指近光光线直接或经反射进入迎面而来驾驶员眼睛造成的强光刺激不舒适性。
结论:
通过对文献的阅读和分析我逐步了解了国家对车灯配光的要求,通过使用各种光电检测器件可以设计出达到国家标准的车灯检测仪。
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