汽車用光源建模與照度計算方法研究

吉桂琴，劉海成，劉柏林

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

汽車用光源建模與照度計算方法研究

吉桂琴，劉海成，劉柏林

(黑龍江工程學院 電氣與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

文中研究適用于汽車前照燈光源的建模與照度計算方法，討論測試屏上的照度計算原理，根據(jù)實際光源光束的特點分析，采用線光源近似模擬燈絲，建立點光源的抽樣光線分布算法模型。將反射器導入照明系統(tǒng)設計分析軟件LightTools，并將反射器性能在計算機上進行評估，給出自由曲面反射器在使用點光源和線光源進行非順序光路追跡的運算實例。照度分析結(jié)果驗證了采用線光源對燈絲進行建模方法以及針對自由曲面反射器的光路追跡算法的準確性。

光源建模;照度;點光源;測試屏

汽車前照燈用光源的發(fā)展在整個汽車前照燈的發(fā)展中起決定性的作用，光源的特性直接影響著光學系統(tǒng)的設計。照明系統(tǒng)的CAD已經(jīng)成為國際上光學領域的一個研究熱點。汽車前照燈光源系統(tǒng)設計要求越來越高，性能要求更復雜，難度越來越大，國際上一些大的汽車公司或車燈制造企業(yè)如福特汽車或日本的小系車燈公司擁有這種小器件的設計能力，但技術嚴格保密。目前，國內(nèi)有上百家車燈企業(yè)，但大多不具備設計能力，因此，本文的研究內(nèi)容對于改變國內(nèi)現(xiàn)狀有著十分重要意義和廣闊的應用前景。

1 汽車前照燈光源分析

1.1 汽車前照燈光源簡介

目前，汽車前照燈光源大多使用白熾燈和鹵鎢燈。因白熾燈光源功率較小，雖然在一些車型上被用作前照燈光源，但新型汽車一般把它用于照度要求不高的場合，如尾燈、剎車燈、倒車燈等。鹵鎢燈功率較大，適用于前照燈，它的品種很多，有H1、H4、H7、HB1和HB3等，這些燈的結(jié)構參數(shù)和光度性能在國際上已經(jīng)標準化。最初轎車上的車燈，大多使用如H4型的雙燈絲，圖1所示為這種燈的實物模型。其中一個燈絲用于近光照明，近光燈絲下面有一個遮光罩，用來形成水平和斜上15°明暗，另一個用于遠光照明。我國目前汽車用燈多采用H4、H1和H7。

圖1 H4

1.2 燈絲光源光束分析

汽車前照燈光源以H4為例，有一根近光燈絲和一根遠光燈絲，近光燈絲半徑僅為0.6 mm，但長度較大約5.5 mm。所以一般把H4光源的近光和遠光燈絲都當作經(jīng)線光源處理。

燈絲屬于熾熱發(fā)光體，其表面亮度可以認為與方向無關，其輻射規(guī)律服從朗伯定律，即

I=I0×cosθ.

式中:I0為亮度等于常量的情況下，發(fā)光體沿法線方向的發(fā)光強度；θ為發(fā)光體法線方向與發(fā)光強度I的方向的夾角，如圖2所示。

圖2 線光源

1.3 車燈及反射光測試系統(tǒng)

圖3 車燈反射光測試系統(tǒng)

2 光源模型的建立

2.1 數(shù)學模型的求解

為解決不規(guī)則圖形解析式微分和積分帶來的困難，使用計算機模擬計算是必要的。本文使用光線跟蹤法來模擬線光源發(fā)出的光在測試屏上的光照度分布。

把燈絲視作線光源后，將燈絲按長度方向分為若干小段。分段后，每一段燈絲的長度變得很小，相對于反射器的尺寸來說，可以看作點光源。這里假定光源的發(fā)光中心在光軸上，計算出每一段的光幅出度，認為每條光線攜帶相同的能量，根據(jù)給定的追跡光線的總數(shù)目，由每小段的光幅出度得到每個小段發(fā)出的光線數(shù)目。

2.2 均勻點光源的光線采樣

對于每個點光源，認為它向空間均勻地發(fā)出光線，用隨機抽樣的方法產(chǎn)生光線，隨機抽樣光線與單位球面上均勻分布的隨機抽樣點一一對應。單位球面上均勻分布的隨機點(ξ,η)(二維隨機變量)的(聯(lián)合)分布函數(shù)為

0≤φ≤2π，0≤θ≤2π.

可以看出，隨機點的球面座標(ξ,η)是相互獨立的隨機變量，它們的分布函數(shù)分別為

利用上述公式，可以構造蒙特卡洛模擬算法。取(0，1)上均勻分布的隨機數(shù)r1,r2,則

φ=2πr1,

θ=arcos(1-2r2)

是單位球面上的均勻分布的隨機點的一次抽樣，對應于隨機抽樣光線的方向數(shù)為

α=sin(θ)cos(φ),

β=sin(θ)sin(φ),

γ=cos(θ).

求出當前直線的方向數(shù)后，由于發(fā)出該條直線的點光源的坐標是已知的，因此該條直線就被唯一確定了。利用光路追跡算法求出直線與反射器的交點坐標以及該點處曲面的法向量，便可以求出反射光線的方程，進而求出反射光線與測試屏的交點坐標，就完成了一次光路追跡運算過程。在完成大量非順序光路追跡運算后，就可以計算測度屏上的照度值。

3 照度計算

3.1 測試屏照度計算方法

利用光學系統(tǒng)中，照明區(qū)域中任意一點的照度都是由光源上不同點發(fā)出的光能通過照明系統(tǒng)分配后疊加得到的。計算測試屏的照度分布，用一個二維陣列把測試屏分成許多小的區(qū)域。光線從光源的不同點發(fā)射出來，經(jīng)過反射器反射后投射到測試面上，在每一個小區(qū)域內(nèi)都能接收到一定數(shù)量的光線，通過每個區(qū)域內(nèi)光線數(shù)目的多少來確定整個照明面上的照度分布，追蹤的光線數(shù)目越多，照度計算的結(jié)果也越準確。光照度的減少將與距離的平方成反比，因此，光源的直射光線對配光效果影響不大，在計算較遠路段的照明時只要考慮被反射的光束即可。圖4所示為前照燈照度計算原理圖。

圖4 照度計算原理圖

3.2 照度計算實例

用本文所述光源的建模方法對圖5所示的一個自由曲面反射器做照度分析測試。首先采用點光源，令光源發(fā)出的總光通量為1000流明，位于坐標原點，測試屏距離光源25 m,垂直Z軸放置，測試屏分為5×5的網(wǎng)格，追跡100 000條光線后，測試屏上的照度分布以及反射器模型如圖5所示。

圖5 照度計算實例

將反射器導入國際上知名的照明系統(tǒng)設計分析軟件LightTools,建立同樣參數(shù)的光源和測試屏，并且追跡同樣數(shù)目的光線進行照度分析，并對結(jié)果做了比較。測試屏接收的光通量總值與LightTools的結(jié)果比較誤差小于3‰，測試屏上每個網(wǎng)格的照度值與LightTools的結(jié)果比較最大誤差小于7%,結(jié)果驗證了本文所述點光源建模方法和光學照度計算的準確性。驗證實例的各網(wǎng)格照度數(shù)值見表1。

表1 網(wǎng)格照度數(shù)值 lx

4 結(jié)束語

本文研究了車燈用光源的建模方法，采用線光源近似模擬燈絲，并給出了點光源的抽樣光線分布算法。將反射器導入國際知名的照明系統(tǒng)設計分析軟件LightTools,對點光源以及圓柱光源分別進行照度測試運算，照度分析結(jié)果表明了本文光源建模以及照度計算方法的正確性。

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Research of light source modeling method and the illumination calculation of automobile lamp

JI Gui-qin，LIU Hai-cheng，LIU Bai-lin

(College of Electrical Information Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

It presents the modeling method of automobile headlamps source,and discusses the test screen illumination calculation principle.According to the characteristics of the actual light source,the line source is adopted as an approximate simulation of filament.A sampling distribution of light algorithm is proposed of point light source.The reflector is imported into LightTools lighting system design and analysis software.The performance of the reflector is evaluated in the computer.The calculation examples is given of freeform reflector in the use of point source and line source of non compliance ray tracing.Illumination analysis results verify the accuracy of the source modeling.

light source modeling;illumination;point source;test screen

2014-03-11

吉桂琴(1964-)，女,副教授,研究方向:電子信息技術.

O43;TP39

A

1671-4679(2014)03-0047-04

劉文霞]