CN102679252A - 大功率led汽车前照灯的近光灯光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，该系统由两个相似的光学结构组成，每一个光学结构包含大功率LED光源、基座与光学透镜。LED光源发出的光线分成两部分进入光学透镜，一部分经过它的内表面折射而另一部分经过它的侧表面全反射后在它内部形成近似平行光，并利用它自由柱面的折射产生所需的光型。第一光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的水平明暗截止线光型，第二光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的倾斜15°明暗截止线光型，该两种光型叠加形成能够满足标准规定的近光光型。LED近光灯至少需要两个这样的光学系统单元，进行适当的空间排布，从而满足近光配光性能要求。

Description

大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统

技术领域

本发明涉及一种汽车照明系统，特别涉及一种大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统。 

背景技术

随着汽车工业的高速发展和LED光效的不断提高，LED在汽车中的应用也越来越普遍，LED汽车灯具开始进一步普及，与传统光源相比LED(发光二极管)具有寿命长、可靠耐用、体积小、能耗低、响应快、设计灵活等优点。LED在车内照明装置及车外信号装置上已得到广泛的应用，并且随着白光LED技术的发展，高功率白光LED的光通量及稳定性问题得以不断改善，将在车外道路照明方面大展鸿图。然而，由于LED光源的光强空间分布与传统的卤素灯或氙气灯完全不同，LED光源为单面发光，近似朗伯体分布，而传统光源为全空间分布，在LED前照灯设计中，不能直接用LED光源替换传统光源，否则所产生的光型将不能满足车用照明的性能指标。因此，必须针对LED光源自身的发光特点进行全新设计，以满足车用照明需求。 

《汽车用LED照明 GB 25991-2010》规定前照灯的配光应使其近光具有足够的照明和不眩目。配光性能应满足：在前照灯基准中心前25m，过HV点的铅垂配光屏幕上测定，在配光屏上，近光应产生明显的明暗截止线，其水平部分在v-v线的左侧，右侧为与水平线向上15度的斜线，或向上成45度斜线至水平线垂直距25cm转向水平的折线，并且在配光屏幕上规定了关键点的照度值。目前LED近光灯的光学设计大都是采用投射式的光学系统，即“LED光源+反光杯+挡板+透镜”的模式，即利用挡光板遮挡部分光线后在配光屏上形成所需的近光光照度分布，这种设计可能导致整灯尺寸过大，不利于结构设计。而且由于挡光板的设计会浪费相当一部分的光能，将降低系统的出光效率。 

因此急需一种可以高效的利用LED光源发出的绝大部分光线且尺寸较小的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统。 

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种可以高效的利用LED光源发出的绝大部分光线且尺寸较小的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统。该系统大大提高了光学效率。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明提供的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，包括至少两个能产生相交明暗截止线的相似光学结构，所述相似光学结构包括第一光学结构和第二光学结构，每个光学结构包含LED光源、基座和光学透镜，所述基座用于固定LED光源和光学透镜，使LED光源和光学透镜构成一个封闭的腔体，所述LED光源发出的光线分成两部分进入光学透镜，一部分经过光学透镜的内表面折射，另一部分经过光学透镜的侧表面全反射后在光学透镜内部形成近似平行光，所述近似平行光经过光学透镜的自由柱面折射出。

进一步，所述第一光学结构包括第一光学透镜，所述第一光学透镜包括第一反射面、第一自由柱面和第一辅助面，所述第一反射面一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第一反射面另一端设置有第一侧表面，所述第一自由柱面和第一辅助面通过与第一侧表面连接组成封闭实体，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第一内腔，所述第一内腔包括第一内腔壁和第一内表面，所述第一内腔壁一端与基座连接，所述第一内腔壁另一端与第一内表面连接，所述第一LED光源发出光线经第一内腔壁折射再经第一反射面反射后形成垂直出射的平行光。 

进一步，所述第一内表面和第一反射面为自由曲面。 

进一步，所述第一内腔壁为圆柱面或自由曲面，所述第一自由柱面由若干不规则柱面组成，所述柱面可以一凸一凹交替排布，使整个自由柱面光滑变化；所述第一辅助面是第一自由柱面的一部分。 

进一步，所述第一反射面的反射面由通过光线追迹计算所形成的自由曲线绕LED光源的中轴回转形成。 

进一步，所述第一反射面的反射面外侧设置有反射涂层。 

进一步，所述第一自由柱面和第一辅助面中每条柱面竖直排列。 

进一步，所述第二光学结构包括第二光学透镜，所述第二光学透镜包括第二反射面和第二自由柱面，所述第二反射面一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第二反射面另一端设置有第二侧表面，所述第二自由柱面与第二侧表面连接组成封闭实体，所述第二自由柱面沿中心轴旋转15°排列，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第二内腔，所述第二内腔包括第二内腔壁和第二内表面，所述第二内腔壁一端与基座连接，所述第二内腔壁另一端与第二内表面连接，所述第二LED光源发出光线经第二内腔壁折射再经第二反射面反射后形成垂直出射的平行光。 

进一步，所述第二自由柱面的每个柱面可由两段曲率半径不同的弧面组成，也可由两段曲率半径相同的弧面组成。 

进一步，所述第一LED光源和第二LED光源分别为大功率LED光源。 

本发明的优点在于：本发明公开一种大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，此系统由两个相似的光学结构组成，每一个光学结构包含大功率LED光源、基座与光学透镜。LED光源发出的光线分成两部分进入光学透镜，一部分经过它的内表面折射而另一部分经过它的侧表面全反射后在它内部形成近似平行光，并利用它自由柱面的折射产生所需的光型。第一个光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的水平明暗截止线光型，第二个光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的倾斜15°明暗截止线光型。整个大功率LED近光灯的光学系统，利用两个相似光学结构产生的光型叠加形成能够满足标准规定的近光光型。LED近光灯至少需要两个这样的光学系统单元，本发明提供的系统是针对LED光源朗伯光型而设计，进行适当的空间排布，从而满足近光配光性能的要求，本系统光的利用率高，而且整个系统的体积小，便于车体的设计。 

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中： 

图1为整个光学系统的结构图；

图2为光学透镜的正视示意图；

图3为第一光学透镜的垂直和水平剖面图；

图4为第二光学透镜的垂直与水平剖面；

图5为第一光学结构在25m配光屏幕的光型；

图6为第二光学结构在25m配光屏幕的光型；

图7为整个LED近光灯光学系统在25m配光屏幕的光型。

图中，1表示基座、2a表示第一LED光源、2b表示第二LED光源、3表示第一光学透镜、3a表示第一反射面、3b表示第一自由柱面、3c表示第一辅助面、3d表示第一内腔、3e表示第一内腔壁、3f表示第一内表面、3g表示第一侧表面、4表示第二光学透镜、4a表示第二反射面、4b表示第二自由柱面、5表示两自由柱面的垂直剖面线、6表示水平剖面线。 

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。 

图1为整个光学系统的结构图；图2为单个光学透镜的示意图；图3为光学透镜的正视示意图；图4为单个透镜的垂直剖面图和水平剖面图；图5为第二光学透镜的垂直与水平剖面；图6为第一光学结构在25m配光屏幕的光型；图7为第二光学结构在25m配光屏幕的光型，如图所示：本发明提供的大功率LED汽车前大灯的近光灯光学系统，包括至少两个能产生相交明暗截止线的相似光学结构，所述相似光学结构包括第一光学结构和第二光学结构，每个光学结构包含LED光源、基座1和光学透镜，所述基座1用于固定LED光源和光学透镜，使LED光源和光学透镜构成一个封闭的腔体，所述LED光源发出的光线分成两部分进入光学透镜，一部分经过光学透镜的内表面折射，另一部分经过光学透镜的侧表面全反射后在光学透镜内部形成近似平行光，所述近似平行光经过光学透镜的自由柱面折射出。该近似平行光通过光学透镜的折射分别产生具有水平和倾斜15度两种明暗截止线的光照度分布，所述具有两种明暗截止线的光照度分布叠加形成满足国家标准《汽车用LED照明 GB 25991-2010》规定的近光光照度分布。 

第一光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的水平明暗截止线光型，第二光学结构在25m配光屏幕上产生具有清晰的倾斜15°明暗截止线光型。整个大功率LED近光灯的光学系统，利用两个相似光学结构产生的光型叠加形成能够满足标准规定的近光光型。如果采用单个总光通量为150lm的LED光源，则LED近光灯至少需要两个这样的光学系统单元，进行适当的空间排布，从而满足近光配光性能的要求。 

所述第一光学结构包括第一光学透镜3，所述第一光学透镜3包括第一反射面3a、第一自由柱面3b和第一辅助面3c，所述第一反射面3a一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第一反射面3a另一端设置有第一侧表面3g，第一侧表面3g是连接第一自由柱面和第一反射面的平面，所述第一自由柱面3b和第一辅助面3c通过与第一侧表面3g连接组成封闭实体，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第一内腔3d，所述第一内腔3d包括第一内腔壁3e和第一内表面3f，所述第一内腔壁3e一端与基座连接，所述第一内腔壁3e另一端与第一内表面3f连接，所述第一LED光源发出光线经第一内腔壁3e折射再经第一反射面3a反射后形成垂直出射的平行光。 

所述第一内表面3f和第一反射面3a为自由曲面。所述第一内腔壁3e为圆柱面或自由曲面，所述第一自由柱面3b由若干不规则柱面组成。所述第一反射面3a的反射面由通过光线追迹计算所形成的自由曲线绕LED光源的中轴回转形成。所述第一反射面3a的反射面外侧设置有反射涂层。所述第一自由柱面3b和第一辅助面3c中每条柱面竖直排列。 

所述第二光学结构包括第二光学透镜4，所述第二光学透镜4包括第二反射面4a和第二自由柱面4b，所述第二反射面4a一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第二反射面4a另一端设置有第二侧表面，所述第二自由柱面4b与第二侧表面连接组成封闭实体，所述第二自由柱面4b沿中心轴旋转15°排列，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第二内腔，所述第二内腔包括第二内腔壁和第二内表面，所述第二内腔壁一端与基座连接，所述第二内腔壁另一端与第二内表面连接，所述第二LED光源发出光线经第二内腔壁折射再经第二反射面4a反射后形成垂直出射的平行光。 

第一光学透镜3的第一自由柱面3b和第一辅助面3c的每条柱面竖直排列。第二光学透镜4的自由柱面由一个面组成，且每条柱面沿中心轴旋转15°排列。两自由柱面的垂直剖面线5和水平剖面线6的形成机理是相通的，垂直剖面线是根据所需要的光型计算出来的一条自由曲线，而水平剖面线至少由两段圆弧组成，且每段圆弧的曲率半径可以不同。如果水平剖面线由两段不同曲率半径的圆弧组成，则水平剖面线与水平线将有一个夹角θ。如图4所示，以该图为方位，虚线表示自由柱面与水平面可以有一个夹角。 

所述第一LED光源2a和第二LED光源2b分别为大功率LED光源。整套光学系统可以高效的利用LED光源发出的绝大部分光线，大大提高系统的光学效率。通过本实施特例设计，单颗LED芯片的光通量仅需450lm即可满足近光灯标准的要求。 

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (10)

1.  大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，包括至少两个能产生相交明暗截止线的相似光学结构，所述相似光学结构包括第一光学结构和第二光学结构,每个光学结构包含LED光源、基座（1）和光学透镜，所述基座（1）用于固定LED光源和光学透镜，使LED光源和光学透镜构成一个封闭的腔体，其特征在于：所述LED光源发出的光线分成两部分进入光学透镜，一部分经过光学透镜的内表面折射，另一部分经过光学透镜的侧表面全反射后在光学透镜内部形成近似平行光，所述近似平行光经过光学透镜的自由柱面折射出。

2.  根据权利要求1所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一光学结构包括第一光学透镜（3），所述第一光学透镜（3）包括第一反射面（3a）、第一自由柱面（3b）和第一辅助面（3c），所述第一反射面（3a）一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第一反射面（3a）另一端设置有第一侧表面（3g），所述第一自由柱面（3b）和第一辅助面（3c）通过与第一侧表面（3g）连接组成封闭实体，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第一内腔（3d），所述第一内腔（3d）包括第一内腔壁（3e）和第一内表面（3f），所述第一内腔壁（3e）一端与基座连接，所述第一内腔壁（3e）另一端与第一内表面（3f）连接，所述第一LED光源发出光线经第一内腔壁（3e）折射再经第一反射面（3a）反射后形成垂直出射的平行光。

3.  根据权利要求2所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一内表面（3f）和第一反射面（3a）为自由曲面。

4.  根据权利要求3所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一内腔壁（3e）为圆柱面或自由曲面，所述第一自由柱面（3b）由若干不规则柱面组成。

5.  根据权利要求4所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一反射面（3a）的反射面由通过光线追迹计算所形成的自由曲线绕LED光源的中轴回转形成。

6.  根据权利要求5所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一反射面（3a）的反射面外侧设置有反射涂层。

7.  根据权利要求6所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一自由柱面（3b）和第一辅助面（3c）中每条柱面竖直排列。

8.  根据权利要求7所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第二光学结构包括第二光学透镜（4），所述第二光学透镜（4）包括第二反射面（4a）和第二自由柱面（4b），所述第二反射面（4a）一端与设置在基座上的LED光源处连接，所述第二反射面（4a）另一端设置有第二侧表面，所述第二自由柱面（4b）与第二侧表面连接组成封闭实体，所述第二自由柱面（4b）沿中心轴旋转15°排列，所述封闭实体内部靠近基座的一端还设置有第二内腔，所述第二内腔包括第二内腔壁和第二内表面，所述第二内腔壁一端与基座连接，所述第二内腔壁另一端与第二内表面连接，所述第二LED光源发出光线经第二内腔壁折射再经第二反射面（4a）反射后形成垂直出射的平行光。

9.  根据权利要求8所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一LED光源（2a）和第二LED光源（2b）分别为大功率LED光源。

10.根据权利要求9所述的大功率LED汽车前照灯的近光灯光学系统，其特征在于：所述第一光学透镜和第二光学透镜的材料为高透光型材料。

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