專利名稱：Led汽車近光燈光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED車燈領(lǐng)域，具體涉及用于LED汽車前照燈照明的近光燈光學(xué)透鏡。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的前照燈光源相比，發(fā)光二極管(LED)具有壽命長、體積小、響應(yīng)快、耗電量低、色溫更接近自然光、抗震能力強(qiáng)和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著半導(dǎo)體材料及封裝工藝的發(fā)展，大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大，從信號指示燈到現(xiàn)在的汽車前照燈，這反映了一種主流的發(fā)展趨勢LED將逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈和鹵鎢燈，成為汽車照明領(lǐng)域的新型光源。由于目前LED汽車前照燈系統(tǒng)存在系統(tǒng)的光效低，散熱設(shè)計(jì)不完善及遠(yuǎn)近光切換不方便等問題，使LED應(yīng)用于汽車前照燈面臨諸多的困難。在汽車前照燈的設(shè)計(jì)上，國家標(biāo)準(zhǔn)GB25991-2010對汽車前照燈的配光圖形做了規(guī)定，目的是防止汽車前照燈干擾對面駛來車輛而造成交通事故。對近光燈來說，要求在車燈前25m遠(yuǎn)的照明面上產(chǎn)生一水平線和水平線右側(cè)向上15°的明暗截止線。近光照明面可分為四個區(qū)域Ζ0ΝΕ I為具有較大擴(kuò)散、均勻度良好的基底配光，滿足整個路面范圍內(nèi)的最低照明需求；ZONE II、III、IV為具有光能量較為集中、射程較遠(yuǎn)的中心配光，滿足本車道和右邊路面(以車輛右行標(biāo)準(zhǔn)為例)較遠(yuǎn)處的照明需求。在I，II，III和IV區(qū)內(nèi)，應(yīng)無影響良好可見度的橫向照度變化。對遠(yuǎn)光燈來說，則要求在車燈前25m遠(yuǎn)的照明面上的規(guī)定區(qū)域照度達(dá)標(biāo)。LED前照燈的光學(xué)設(shè)計(jì)形式有折射式、反射式和混合式3種。折射式LED前照燈模塊通常由光源、配光透鏡構(gòu)成，從光源發(fā)出的光線經(jīng)過配光透鏡后，在接受屏上達(dá)到預(yù)定的光型，通過透鏡的配光，可以有效的減小眩光效應(yīng)，而且光學(xué)系統(tǒng)也具有較高的能量利用率；反射式LED前照燈一般由光源與反射器構(gòu)成，用單一的反射器完成所有的配光任務(wù)， 這種前照燈雖然光能利用率高，但眩光效應(yīng)較難控制，對設(shè)計(jì)、加工過程要求極高；混合式 LED前照燈融折射式、反射式優(yōu)點(diǎn)于一體，可以形成很好的光型效果，但在近光燈設(shè)計(jì)時(shí)還需加上擋板，整個光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，光能利用率較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對LED前照燈設(shè)計(jì)面臨的主要問題，本發(fā)明提供了一種LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，該透鏡體積小，眩光效應(yīng)低，光能利用率高，安裝方便，并能產(chǎn)生滿足國標(biāo)GB25991-2010 的配光要求的光型和照度分布。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于LED汽車照明的自由曲面透鏡由透明材料制成，透明材料可為PC或 PMMA，透鏡包括入射面及出射面。所述透鏡的底面中心設(shè)有一供LED安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是部分球面，另一部分是部分柱面，部分柱面的頂部是自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；部分球面、部分柱面的外側(cè)面分別是兩個不同的自由曲面，透鏡的頂面是平面， 透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面。
自由曲面透鏡的形狀的確定如下LED光源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并與平面垂直XOY的軸為Z軸。首先對光源立體角進(jìn)行劃分，然后根據(jù)汽車前照燈近光燈在照明面上照度分布特征(如GB25991-2010)，運(yùn)用能量守恒定律，把照明面上的照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分，然后運(yùn)用折反射定律通過數(shù)值計(jì)算即得到最后的自由曲面透鏡。所述的構(gòu)成透鏡的自由曲面有三個，具體確定如下1.設(shè)定初始條件并對光源立體角均勻劃分。首先目標(biāo)照明面與LED的距離為d，對于近光燈，目標(biāo)照明區(qū)域是部分橢圓，其長半軸為a，短半軸為b，并在水平線上方存在與水平線成15°的照明區(qū)域；LED光源的總光通量為Q，中心光強(qiáng)為Itl = QZiJ^坐標(biāo)系中θ為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角，識為出射光線與Z軸正方向的夾角。對光源的立體角進(jìn)行離散化，把識等分成i份，對于每一個口，都將θ等分成j份，形成一系列角度環(huán)帶區(qū)域，這樣就得到了樹0和θ (i，j)的數(shù)組。i，j取值的大小決定了計(jì)算的精確度，理論上而言，i，j的取值越大最后的結(jié)果越精確。以每一份識角內(nèi)的每一份θ角內(nèi)光源的能量為研究對象，每一小份立體角內(nèi)的光通量為
Etotal = \β(. Λ Jn Ι0·οο^φ· ηφ· φ θ需要注意的是在計(jì)算部分球面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)m的取值范圍為^而
ΨΔ ，
在計(jì)算部分柱面的頂部的自由曲面、部分柱面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)對應(yīng)的識的取值范圍分別為0 《， ~f其中ω的值影響透鏡底部口徑的大小。2.利用能量守恒定律將目標(biāo)照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分對應(yīng)于光源立體角的環(huán)帶劃分方式，照明面的直角坐標(biāo)也相應(yīng)的劃分為橢圓形環(huán)帶區(qū)域，橢圓長半軸a，短半軸b分別在X，y方向上分成i份，形成的橢圓可以表示為
權(quán)利要求
1. LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，包括入射面及出射面，所述透鏡的底面中心設(shè)有用于容納 LED的空腔，其特征在于所述空腔的腔壁包括部分球面、部分柱面和部分柱面的頂部的自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外側(cè)面和所述部分柱面的外側(cè)面分別是兩個不同的自由曲面，透鏡的頂部是平面，透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面；自由曲面的形狀由如下方法確定以LED光源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并與平面垂直XOY的軸為ζ軸；首先對光源立體角進(jìn)行劃分，然后根據(jù)汽車前照燈近光燈在照明面上照度分布特征，運(yùn)用能量守恒定律，將照明面上的照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分，然后運(yùn)用折反射定律通過數(shù)值計(jì)算即得到最后的自由曲面； 透鏡的三個所述自由曲面的確定如下(1)設(shè)定初始條件并對光源立體角均勻劃分，首先目標(biāo)照明面與LED的距離為d，對于近光燈，目標(biāo)照明區(qū)域是部分橢圓，其長半軸為a，短半軸為b，并在水平線上方存在與水平線成15°的照明區(qū)域；LED光源的總光通量為Q，中心光強(qiáng)為Itl = Q/^ ；坐標(biāo)系中θ為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角， 識為出射光線與Z軸正方向的夾角；對光源的立體角進(jìn)行離散化，把識等分成i份，對于每一個0，都將θ等分成j份，形成一系列角度環(huán)帶區(qū)域，這樣就得到了樹0和θ (i，j)的數(shù)組； i和j取值的大小取決于精度要求，i和j的取值越大越精確； 每一份識角內(nèi)的每一份θ角內(nèi)光源的能量對應(yīng)的光通量為疒滬(z.+l)Ktai = \β(. Λ Jr、Ι0·οο^φ· ηφ· φ θ挪，力 φ{(diào)ι)在確定所述部分球面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)m的取值范圍為^而在確定所述部ΨΔ ，分柱面的頂部的自由曲面、所述部分柱面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)對應(yīng)的識的取值范圍分別為0 《， ~f其中ω的值影響透鏡底部口徑的大?。?2)利用能量守恒定律將目標(biāo)照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分，對應(yīng)于光源立體角的環(huán)帶劃分方式，照明面的直角坐標(biāo)也相應(yīng)的劃分為橢圓形環(huán)帶區(qū)域，橢圓長半軸a，短半軸b分別在X，y方向上分成i份，形成的橢圓可以表示為 fx = at -Cosor [y = ^ . sin a式中，α的取值范圍為O 冗+ 對于每一個i，都將α分成j份，在接收屏直角坐標(biāo)系中得到與光源立體角中θ (i)和 #+,_/+)數(shù)組一一對應(yīng)的 ai; bi;x(i, j)和 y(i，j)數(shù)組；對于部分柱面的頂部的自由曲面和部分球面的外側(cè)面的自由曲面，在目標(biāo)照明區(qū)域上，每一份θ角所對應(yīng)的是部分橢圓圍成的環(huán)帶區(qū)域，該環(huán)帶區(qū)域的總能量為 E1 = S(k) · JJ +1, j), y(i +1, j)) - S(x(i, j), y(i, j))] · dxdy式中，S(x(i, j)，y(i，j))表示包括水平線上方的部分橢圓環(huán)帶區(qū)域面積，與其對應(yīng)的α的取值范圍為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，其特征在于由(1)中所確定的θ 和識求出入射光線的單位向量，由折反射定律得到照明面上與出射光線對應(yīng)的坐標(biāo)序列，從而得出出射光線的方向向量，通過初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對應(yīng)的出射光線的單位向量，得到初始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面，該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)，由前一點(diǎn)的切平面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交得出下一點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)迭代得出所有點(diǎn)的坐標(biāo)，由此確定了近光透鏡自由曲面的坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，其特征在于利用機(jī)械仿真軟件將得到的近光透鏡自由曲面的坐標(biāo)點(diǎn)擬合為曲面；將得到的離散點(diǎn)的坐標(biāo)依次導(dǎo)入到機(jī)械建模軟件，進(jìn)行放樣擬合，得到最終的近光透鏡形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，包括入射面及出射面，所述透鏡的底面中心設(shè)有用于容納LED的空腔，所述空腔的腔壁包括部分球面、部分柱面和部分柱面的頂部的自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外側(cè)面和所述部分柱面的外側(cè)面分別是兩個不同的自由曲面，透鏡的頂部是平面，透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面。該透鏡體積小，眩光效應(yīng)低，光能利用率高，安裝方便，并能產(chǎn)生滿足國標(biāo)GB25991-2010的配光要求的光型和照度分布。
文檔編號F21W101/10GK102353017SQ20111030685
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者吳衡, 楊潔, 王洪, 黃華茂 申請人:華南理工大學(xué)