CN102777857B - 用于led摩托车远光灯的自由曲面光学反射器 - Google Patents

用于led摩托车远光灯的自由曲面光学反射器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,所述反射器的内表面是自由曲面,构成光学反射面,该反射器的底面是一开口,开口中心处用于安装LED光源,与底面正对的一端为反射器的光出射口,LED光源发射出的光少部分直接照射到照明面上,而大部分的光经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上。LED光源发出的光能量仅经自由曲面反射器反射后出射,减少了损耗,提高了光能利用率。反射器的体积小,眩光效应低,满足GB5948-1998的配光要求。另外,散热装置和LED光源安装方便,有利于提高整个灯具的散热效率。

Description

用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器
技术领域
本发明涉及LED摩托车灯照明技术领域,特别涉及用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器。
背景技术
发光二极管(LED)作为第四代车用光源,具有体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点。随着LED技术的不断进步,在LED车用照明中越来越多的难题被攻克,应用也越来越普遍。但是,由于LED发光特性不同于传统光源,为了满足配光标准,提高系统性能,需针对LED来进行二次光学设计,从而实现前照灯照明系统的最优化。
LED车灯的配光效果不能达到国家标准,将影响汽车驾驶员以及路上行人的生命安全。在摩托车前照灯的设计上,国家标准GB5948-1998对摩托车前照灯的配光要求做了规定。对于远光灯,国标要求在车灯前25m远的照明面上规定区域的照度值达标,该照度值是由中间向两边近似逐步减小。
发明内容
针对LED摩托车前照灯设计面临的主要问题,本发明提供了用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,该反射器体积小,眩光效应低,制作安装方便,能量利用率高,并能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的照度分布。本发明利用网格法分配LED光源的能量,建立起LED光源出射光线的角度与照明平面上坐标的对应关系,使用该方法可得到椭圆形的照明区域,更加适用于摩托车灯的远光照明。
本发明采用如下技术方案:
用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于所述反射器的内表面是自由曲面,构成光学反射面,该反射器的底面是一开口,开口中心处用于安装LED光源,与底面正对的一端为反射器的光出射口,所述自由曲面的结构满足:LED光源发射出的光少部分直接照射到照明面上,而大部分的光经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上,目标照明区域是椭圆形。
进一步的所述自由曲面的形状确定如下:
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面;与Z轴交点为o,且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点;
目标照明面距LED的距离为d,LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π;坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA0000186896471
为出射光线与Z轴正方向的夹角,α为照明面上任意一点和点o的连线与X轴的夹角;
对于远光灯,目标照明区域是椭圆形,椭圆长半轴为a,短半轴为b;对照明面的坐标进行离散化,把椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份,ai和bi分别表示等分后长半轴a的第i份和短半轴b的第i份,其中0≤i≤n;以照明面中心点为中心,分别以ai为长半轴、bi为短半轴画椭圆,则将照明区域划分为n份椭圆形环带区域;将角α等分成m份,αj表示等分后α的第j份,0≤α≤360°;在照明面上,以点o为端点,与X轴的夹角为αj的射线束将每一份椭圆形环带区域再细分为m份;目标照明区域被划分成m×n个小格子,每一个小格子内的能量为:
E Q = E · k i · ∫ α j - 1 α j 1 2 · ( a i 2 · b i 2 cos 2 α · b i 2 + sin 2 α · a i 2 - a i - 1 2 · b i - 1 2 cos 2 α · b i - 1 2 + sin 2 α · a i - 1 2 ) dα
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,常量E为预设照度值,变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤ki≤1,ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1,对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1;
对应于目标照明区域的环带划分,将参与反射的光源立体角进行离散化,即把角
Figure BDA0000186896473
分成n份,
Figure BDA0000186896474
表示
Figure BDA0000186896475
的第i份,与ai和bi对应;把角θ分成m份,θi表示θ的第j份,θj与αj对应;在反射前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure BDA0000186896477
另外,直接照射在照明面上对应的小格子内的光通量为:
Figure BDA0000186896478
根据能量守恒有:
EQ=Er+Et,
联合上述各式得到对应的
Figure BDA0000186896479
和θj
由折反射定律得出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,
Figure BDA00001868964711
为入射光线单位向量,
Figure BDA00001868964712
为出射光线单位向量,
Figure BDA00001868964713
为单位法向量,在反射光学系统中n=1;
确定的是反射器的计算初始点,即反射器底面口径,这个初始点的位置决定整个反射器的尺寸;由这个初始点获得反射器底面的边界曲线,再由这条边界曲线的上的每一个点作为初始点,获得出反射器的整个自由曲面。
进一步的,所述点O与点o间的距离为25m;所述
Figure BDA00001868964714
和θ的取值范围分别为
Figure BDA00001868964715
和0°≤θ≤360°;反射器优选由电镀塑胶材料制成。
与现有技术相比,本发明的优点有:LED光源发出的光能量仅经自由曲面反射器反射后出射,减少了损耗,提高了光能利用率。反射器的体积小,眩光效应低,满足GB5948-1998的配光要求。另外,散热装置和LED光源安装方便,有利于提高整个灯具的散热效率。本发明利用网格法分配LED光源的能量,建立起LED光源出射光线的角度与照明平面上坐标的对应关系,使用该方法建立的模型光学精度高,可得到椭圆形的照明区域,更加适用于摩托车灯的远光照明。
附图说明
图1为实施方式中照明面上目标区域网格划分示意图。
图2为实施方式中照明系统坐标系示意图。
图3为实施方式中光线经过反射器配光的示意图。
图4为实施方式中远光灯反射器的正视示意图。
图5为实施方式中远光灯反射器的三维立体示意图。
具体实施方式
以上内容已经对本发明作了充分的说明,以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开LED摩托车灯远光灯光学反射器,该反射器体积小,眩光效应低,光能利用率高,安装方便,能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的光型和照度分布。对于远光灯,国标要求在车灯前25m远的照明面上规定区域的照度值达标,该照度值是由中间向两边近似逐步减小。根据国标的配光要求的光型和照度分布,把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为中心的椭圆形区域,然后对其进行网格划分,如图1所示。
如图2所示为照明系统坐标系示意图,以LED光源为坐标原点O建立坐标系,按照球坐标图示将LED光源立体角进行划分。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA00001868964716
为出射光线与Z轴正方向的夹角,α为照明面上任意一点和点o的连线与X轴的夹角。自由曲面反射器的形状确定如下:
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面。与Z轴交点为o(点O与点o间的距离为25m)且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点。首先根据摩托车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征(根据GB5948-1998),把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为中心的椭圆形区域,然后对该椭圆形区域进行网格划分,再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分,最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。
为了减小反射器的长度,缩小反射器的尺寸,LED光源所发出的光不可能全部通过反射器反射后出射到照明面上,需要放走部分能量。同时,由于LED光源与照明面的距离很远,放走的光射在非规定照明区域上的照度其实很小,基本不影响照明效果。因此,光源直接照射到照明面的角度(即溢散光光角)可以选取60°。
LED安装于反射器底面开口的中心处,反射器配光原理示意图如图3所示,从LED光源出射的大部分光线经过反射器内表面的自由曲面进行反射然后出射到照明面上,很少的一部分光直接照射到照明面上,其中,1为反射器自由曲面的二维示意图。
1、设定初始条件并对目标照明区域进行环带划分。
首先目标照明面距LED的距离为d=25m,LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA00001868964717
为出射光线与Z轴正方向的夹角,α为照明面上任意一点和点o的连线与X轴的夹角。
对于远光灯,设定其目标照明区域是椭圆形,椭圆长半轴为a,短半轴为b。对照明面的坐标进行离散化,首先把椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份,ai和bi分别表示等分后长半轴a的第i份和短半轴b的第i份,其中0≤i≤n;然后以照明面中心点为中心,分别以ai为长半轴、bi为短半轴画椭圆,则将照明区域划分为n份椭圆形环带区域。再将角α(0≤α≤360°)等分成m份,αj表示等分后α的第j份。在照明面上,以点o为端点,与X轴的夹角为αj的射线束将每一份椭圆形环带区域再细分为m份。这样,目标照明区域被划分成m×n个小格子(n、m取正整数),每一个小格子内的能量为:
E Q = E · k i · ∫ α j - 1 α j 1 2 · ( a i 2 · b i 2 cos 2 α · b i 2 + sin 2 α · a i 2 - a i - 1 2 · b i - 1 2 cos 2 α · b i - 1 2 + sin 2 α · a i - 1 2 ) dα
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,故设置常量E为预设照度值,结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤k(i)≤1。ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,如对于最亮区域ki的取值范围为0.9 -1,对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1。
2、利用能量守恒定律将光源立体角进行划分。
对应于目标照明区域的环带划分,将参与反射的光源立体角进行离散化(此例中角
Figure BDA00001868964719
和θ设置为
Figure BDA00001868964720
,0°≤θ≤360°),即把角
Figure BDA00001868964721
分成n份,表示的第i份,
Figure BDA00001868964724
与ai和bi对应;把角θ分成m份,θi表示θ的第j份,θj与αj对应。在反射前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure BDA00001868964725
另外,直接照射在照明面上对应的小格子内的光通量为:
Figure BDA00001868964726
那么,不考虑光在反射面上和传播过程中的能量损失,根据能量守恒有:
EQ=Er+Et
联合上述各式,从而可以求解得到对应的
Figure BDA00001868964727
和θj
3、由折反射定律求出自由曲面上的点坐标
由折反射定律求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式可表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,为入射光线单位向量,
Figure BDA00001868964730
为出射光线单位向量,
Figure BDA00001868964731
为单位法向量,在反射光学系统中n=1。
在计算中,首先需要确定的是反射器的计算初始点,即反射器底面口径。这个初始点的位置决定整个反射器的尺寸,所以为了缩小反射器的尺寸,可以适当减小反射器的底面口径。由这个初始点可算出反射器底面的边界曲线,再由这条边界曲线的上的每一个点作为初始点,可计算出反射器的整个自由曲面。
4、利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面
将得到的离散点坐标导入到机械建模软件,通过放样拟合可得到反射器的自由曲面。最后,在自由曲面基础上,通过加工形成反射器的实体模型,最终得到LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器模型,如图4所示。图5所示为反射器的三维立体示意图,其中,1为反射器自由曲面的三维立体示意图。
以上对本发明所提供的LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器进行了详细介绍,使用该反射器时应将LED安装于反射器底面中心处,该位置安装方便且利于散热。本发明中应用了各种模型图对具体实施方式进行了阐述,以上所述仅为本发明较佳可行的实施例子而已。对于本领域的技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改善之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于所述反射器的内表面是自由曲面,构成光学反射面,该反射器的底面是一开口,开口中心处用于安装LED光源,与底面正对的一端为反射器的光出射口,所述自由曲面的结构满足:LED光源发射出的光少部分直接照射到照明面上,而大部分的光经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上,目标照明区域是椭圆形;所述自由曲面的形状确定如下:
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面;与Z轴交点为o,且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点;
目标照明面距LED的距离为d,LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π;坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure FDA0000401304470000012
为出射光线与Z轴正方向的夹角,α为照明面上任意一点和点o的连线与X轴的夹角;
对于远光灯,目标照明区域是椭圆形,椭圆长半轴为a,短半轴为b;对照明面的坐标进行离散化,把椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份,ai和bi分别表示等分后长半轴a的第i份和短半轴b的第i份,其中0<i≤n;以照明面中心点为中心,分别以ai为长半轴、bi为短半轴画椭圆,则将照明区域划分为n份椭圆形环带区域;将角α等分成m份,αj表示等分后α的第j份,0≤α≤360°;在照明面上,以点o为端点,与X轴的夹角为αj的射线束将每一份椭圆形环带区域再细分为m份;目标照明区域被划分成m×n个小格子,每一个小格子内的能量为:
E Q = E · k i · ∫ α j - 1 α j 1 2 · ( a i 2 · b i 2 cos 2 α · b i 2 + sin 2 α · a i 2 - a i - 1 2 · b i - 1 2 cos 2 α · b i - 1 2 + sin 2 α · a i - 1 2 ) dα
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,常量E为预设照度值,变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤ki≤1,ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,对于最亮区域ki的取值范围为0.9-1,对于边缘区域ki的取值范围为0-0.1;
对应于目标照明区域的环带划分,将参与反射的光源立体角进行离散化,即把角
Figure FDA0000401304470000028
分成n份,
Figure FDA0000401304470000029
表示
Figure FDA00004013044700000210
的第i份,
Figure FDA0000401304470000027
与ai和bi对应;把角θ分成m份,θj表示θ的第j份,θj与αj对应;在反射前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure FDA0000401304470000021
另外,直接照射在照明面上对应的小格子内的光通量为:
Figure FDA0000401304470000022
根据能量守恒有:
EQ=Er+Et
联合上述各式得到对应的
Figure FDA00004013044700000211
和θj
由折反射定律得出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,
Figure FDA0000401304470000024
为入射光线单位向量,
Figure FDA0000401304470000025
为出射光线单位向量,
Figure FDA0000401304470000026
为单位法向量,在反射光学系统中n=1;
通过上述的计算,首先确定的是反射器的计算初始点,即反射器底面口径,这个初始点的位置决定整个反射器的尺寸;由这个初始点获得反射器底面的边界曲线,再由这条边界曲线的上的每一个点作为初始点,获得出反射器的整个自由曲面。
2.根据权利要求1所述的用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于将得到的离散点坐标导入到机械建模软件,通过放样拟合可得到反射器的自由曲面形状。
3.根据权利要求1所述的用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于所述点O与点o间的距离为25m。
4.根据权利要求1所述的用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于所述和θ的取值范围分别为
Figure FDA0000401304470000032
和0°≤θ≤360°。
5.根据权利要求1~4任一项所述的用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学反射器,其特征在于反射器由电镀塑胶材料制成。
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