汽车用光源建模与照度计算方法研究

吉桂琴，刘海成，刘柏林

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

汽车用光源建模与照度计算方法研究

吉桂琴，刘海成，刘柏林

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

文中研究适用于汽车前照灯光源的建模与照度计算方法，讨论测试屏上的照度计算原理，根据实际光源光束的特点分析，采用线光源近似模拟灯丝，建立点光源的抽样光线分布算法模型。将反射器导入照明系统设计分析软件LightTools，并将反射器性能在计算机上进行评估，给出自由曲面反射器在使用点光源和线光源进行非顺序光路追迹的运算实例。照度分析结果验证了采用线光源对灯丝进行建模方法以及针对自由曲面反射器的光路追迹算法的准确性。

光源建模;照度;点光源;测试屏

汽车前照灯用光源的发展在整个汽车前照灯的发展中起决定性的作用，光源的特性直接影响着光学系统的设计。照明系统的CAD已经成为国际上光学领域的一个研究热点。汽车前照灯光源系统设计要求越来越高，性能要求更复杂，难度越来越大，国际上一些大的汽车公司或车灯制造企业如福特汽车或日本的小系车灯公司拥有这种小器件的设计能力，但技术严格保密。目前，国内有上百家车灯企业，但大多不具备设计能力，因此，本文的研究内容对于改变国内现状有着十分重要意义和广阔的应用前景。

1 汽车前照灯光源分析

1.1 汽车前照灯光源简介

目前，汽车前照灯光源大多使用白炽灯和卤钨灯。因白炽灯光源功率较小，虽然在一些车型上被用作前照灯光源，但新型汽车一般把它用于照度要求不高的场合，如尾灯、刹车灯、倒车灯等。卤钨灯功率较大，适用于前照灯，它的品种很多，有H1、H4、H7、HB1和HB3等，这些灯的结构参数和光度性能在国际上已经标准化。最初轿车上的车灯，大多使用如H4型的双灯丝，图1所示为这种灯的实物模型。其中一个灯丝用于近光照明，近光灯丝下面有一个遮光罩，用来形成水平和斜上15°明暗，另一个用于远光照明。我国目前汽车用灯多采用H4、H1和H7。

图1 H4

1.2 灯丝光源光束分析

汽车前照灯光源以H4为例，有一根近光灯丝和一根远光灯丝，近光灯丝半径仅为0.6 mm，但长度较大约5.5 mm。所以一般把H4光源的近光和远光灯丝都当作经线光源处理。

灯丝属于炽热发光体，其表面亮度可以认为与方向无关，其辐射规律服从朗伯定律，即

I=I0×cosθ.

式中:I0为亮度等于常量的情况下，发光体沿法线方向的发光强度；θ为发光体法线方向与发光强度I的方向的夹角，如图2所示。

图2 线光源

1.3 车灯及反射光测试系统

图3 车灯反射光测试系统

2 光源模型的建立

2.1 数学模型的求解

为解决不规则图形解析式微分和积分带来的困难，使用计算机模拟计算是必要的。本文使用光线跟踪法来模拟线光源发出的光在测试屏上的光照度分布。

把灯丝视作线光源后，将灯丝按长度方向分为若干小段。分段后，每一段灯丝的长度变得很小，相对于反射器的尺寸来说，可以看作点光源。这里假定光源的发光中心在光轴上，计算出每一段的光幅出度，认为每条光线携带相同的能量，根据给定的追迹光线的总数目，由每小段的光幅出度得到每个小段发出的光线数目。

2.2 均匀点光源的光线采样

对于每个点光源，认为它向空间均匀地发出光线，用随机抽样的方法产生光线，随机抽样光线与单位球面上均匀分布的随机抽样点一一对应。单位球面上均匀分布的随机点(ξ,η)(二维随机变量)的(联合)分布函数为

0≤φ≤2π，0≤θ≤2π.

可以看出，随机点的球面座标(ξ,η)是相互独立的随机变量，它们的分布函数分别为

利用上述公式，可以构造蒙特卡洛模拟算法。取(0，1)上均匀分布的随机数r1,r2,则

φ=2πr1,

θ=arcos(1-2r2)

是单位球面上的均匀分布的随机点的一次抽样，对应于随机抽样光线的方向数为

α=sin(θ)cos(φ),

β=sin(θ)sin(φ),

γ=cos(θ).

求出当前直线的方向数后，由于发出该条直线的点光源的坐标是已知的，因此该条直线就被唯一确定了。利用光路追迹算法求出直线与反射器的交点坐标以及该点处曲面的法向量，便可以求出反射光线的方程，进而求出反射光线与测试屏的交点坐标，就完成了一次光路追迹运算过程。在完成大量非顺序光路追迹运算后，就可以计算测度屏上的照度值。

3 照度计算

3.1 测试屏照度计算方法

利用光学系统中，照明区域中任意一点的照度都是由光源上不同点发出的光能通过照明系统分配后叠加得到的。计算测试屏的照度分布，用一个二维阵列把测试屏分成许多小的区域。光线从光源的不同点发射出来，经过反射器反射后投射到测试面上，在每一个小区域内都能接收到一定数量的光线，通过每个区域内光线数目的多少来确定整个照明面上的照度分布，追踪的光线数目越多，照度计算的结果也越准确。光照度的减少将与距离的平方成反比，因此，光源的直射光线对配光效果影响不大，在计算较远路段的照明时只要考虑被反射的光束即可。图4所示为前照灯照度计算原理图。

图4 照度计算原理图

3.2 照度计算实例

用本文所述光源的建模方法对图5所示的一个自由曲面反射器做照度分析测试。首先采用点光源，令光源发出的总光通量为1000流明，位于坐标原点，测试屏距离光源25 m,垂直Z轴放置，测试屏分为5×5的网格，追迹100 000条光线后，测试屏上的照度分布以及反射器模型如图5所示。

图5 照度计算实例

将反射器导入国际上知名的照明系统设计分析软件LightTools,建立同样参数的光源和测试屏，并且追迹同样数目的光线进行照度分析，并对结果做了比较。测试屏接收的光通量总值与LightTools的结果比较误差小于3‰，测试屏上每个网格的照度值与LightTools的结果比较最大误差小于7%,结果验证了本文所述点光源建模方法和光学照度计算的准确性。验证实例的各网格照度数值见表1。

表1 网格照度数值 lx

4 结束语

本文研究了车灯用光源的建模方法，采用线光源近似模拟灯丝，并给出了点光源的抽样光线分布算法。将反射器导入国际知名的照明系统设计分析软件LightTools,对点光源以及圆柱光源分别进行照度测试运算，照度分析结果表明了本文光源建模以及照度计算方法的正确性。

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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:电子信息技术.

O43;TP39

A

1671-4679(2014)03-0047-04

刘文霞]