CN102901044A - 一种获得led前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法 - Google Patents

一种获得led前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法 Download PDF

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龙天光
刘木清
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Abstract

本发明涉及一种获得LED前照灯近光配光透镜的设计方法。对近光光斑进行区域划分，将前照灯测试屏上的近光光斑划分为多个个区域，把划分的三角区域和四边形还原成矩形区域，并确定矩形区域的尺寸和转过的角度。根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程。根据前照灯近光光斑的区域划分参数设置微分方程的初始条件，利用MATLAB解出自由曲面的解集，将得到的点云导入Rhino和Imageware中进行处理，得到完整的曲面。再将得到的完整曲面导入Tracepro中进行延伸、切割、旋转和组合，得到方形透镜，然后加上全反射外围。利用本发明方法组合的透镜的光斑基本聚焦于同一位置，能够弥补单个LED功率过小的缺陷，满足不同功率的要求。

Description

一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法
技术领域
本发明属于光学透镜领域，具体涉及一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法。
背景技术
半导体照明被公认为新一代的绿色照明光源。2007年起，美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展LED照明成为全球产业的焦点。LED有许多优点，首先是潜在高光效。根据LED的光谱，可以计算出LED的辐射光效理论上可以达到为350—370Lm／W左右。另外，LED还具有体积小、寿命长、无汞害、高节能、光谱窄、开关时间短等优点。LED的这些优点，使其得到了广泛的运用。在视觉领域，LED已被大量运用于显示屏、建筑照明、装饰照明、信号照明和汽车照明等。在非视觉领域，LED已开始被用于农作物补光研究、创伤治疗的研究等。
大功率LED已经被大量运用于汽车照明中。汽车前照灯是汽车车灯中结构和功能最为复杂的灯具，无论设计、制造等方面，都可以代表整台汽车的照明技术。LED的综合性能在这里得到了充分体现：LED的色温高，更接近于日光水平；LED约十万小时的寿命，降低了维修维护费用并提高安全性；LED的小尺寸可以为设计提供便利，更容易增加个性造型。目前，LED已经在汽车照明的多个方面取得了广泛应用，被汽车行业和照明行业公认为车灯光源市场的发展趋势。
目前出现的前照灯多采反射式曲面进行配光。本发明提供了一种配合LED前照灯获得近光光斑的自由曲面透镜的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜的设计方法。实现本发明的技术基础是自由曲面加工检测技术和透镜注塑成型技术。汽车前照灯近光光斑一般有两种类型。在轮廓如图8所示的配光测试屏上，要求光源产生明显的明暗截止线。第一种光斑其水平部分在V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线。第二种光斑明暗截止线水平部分也在V-V线左侧，右侧为向上成45°的斜线至水平线垂直距离25cm转向水平的折现。
本发明提出的获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线，具体设计步骤如下：
(1)对近光光斑进行区域划分，将近光光斑划分为多个区域。划分时以光斑测试屏中心为起点，以V-V线上半部为起始线沿逆时针旋转，将起始线转过270°所辖的区域划分为一个区域，该区域为矩形区域的四分之三部分，接下来把剩下的90°区域划分为多个三角形区域和四边形区域，并把划分得到的三角区域和四边形区域还原成矩形区域，然后确定还原矩形区域的尺寸和转过的角度；
(2) 根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程，对于该单自由曲面，其过程如下：
设一束光从空间点光源                                                发出的光入射到某光学表面的
Figure 512541DEST_PATH_IMAGE002
点上，后折射或反射到目标面
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE003
上。设入射光单位矢量
Figure 757708DEST_PATH_IMAGE004
，出射光单位矢量及法向矢量
Figure 523670DEST_PATH_IMAGE006
,当光经过的介质的折射率为n时，则三者满足斯涅耳折射定律：
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE007
           （1）
光学面一点到原点的距离认为控制在毫米级别，可以认为透镜的大小忽略不计，即，这样，任意一条照射到受照面上的光线都可以认为由原点直接出发的，所以有：
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE009
           （2）
由上式可知，出射光线由受照面上的点
Figure 680293DEST_PATH_IMAGE010
唯一确定。当光源置于原点时则有：
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE011
           （3）
光源空间光能量空间分布与照度面上的照度对应关系的如下所示：
Figure 723292DEST_PATH_IMAGE012
           （4）
其中：I为光强，E为照度，ds为面积微元，为立体角微元。将光源球表面划分为经线和纬线方向，利用上述方程分别建立对应关系。假设直角坐标系（）与球坐标(
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE015
)的关系为：
Figure 452662DEST_PATH_IMAGE016
            （5）
设入射光线、折射光线、出射光线分别为：
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE017
。令出射光线
Figure 361843DEST_PATH_IMAGE018
照在受照面点
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE019
上，则有：
Figure 948814DEST_PATH_IMAGE020
       （6）
设所求自由曲面为z=z(x,y)，令F（x,y,z）=z(x,y)-z，综合前面多个式子，可以求出入射光线、折射光线和出射光线发生折射处的法矢分别为N1、N2，根据矢量形式的折射定律有：
          （7）
则N1 中：
Figure 2012103590340100002DEST_PATH_IMAGE023
      （8）
如图2所示，N2为（0，0，1），结合前面的式子（7），可以得到入射光线矢量和出射光线的矢量关系。接下来以（4）式为基础，通过经纬网格能量映射，可得出射点的坐标
Figure 703591DEST_PATH_IMAGE019
可由入射光线唯一确定，然后综合前面的式子可得到z=z(x,y)函数的数值解。
(3)根据划分光斑的尺寸设置偏微分方程的初始条件，再利用MATLAB解方程组；
(4)将得到的点云解集导入Rhino和Imageware中进行处理，得到完整的曲面；然后再将得到的完整曲面导入Tracepro中进行延伸、切割、旋转和组合，得到方形透镜，然后加上全反射外围。全反射外围可以是抛物面，也可以是椭球面，根据设计经验进行合理选择。
(5)将所使用的LED模型导入Tracepro中，设置透镜的参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析并修正透镜中心和LED光源之间的距离。
另外，该透镜能够在一定范围内进行组合而保持光斑重合，从而实现不同功率不同照度的要求。由于该透镜是非对称方形透镜，组合时要求透镜的走向保持一致，且组合为矩形组合，以保证光斑重叠。
本发明的优点在于：根据能量分布区域的对应，计算时先划分光斑区域，再还原成矩形区域，设计透镜时根据还原区域先组合再切割，可通过建模计算软件顺利实现。在此基础上，进行直射式配光，能减少传统反射式配光带来的能量损失。该方法设计所得透镜能够在一定范围内进行组合而保持光斑重合，从而实现不同功率、不同照度的要求，有利于实现模块化LED前照灯、模块化透镜组。
附图说明
图1是LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应示意图。
图2是光线折射矢量图。
图3是光线折射实物图。
图4是rhino中获得的点云示意图。
图5是imageware中获得的曲面示意图。
图6是tracepro中获得的透镜本体示意图。
图7是透镜本体加上全反射外围示意图。
图8是前照灯光斑区域划分示意图。
图9是透镜本体组合示意图。
图10是所得透镜进行光线追迹之后在测试屏上的照度图。
图中标号：1是对应于角度为270°的光斑区域7的自由曲面，2是对应于角度为10°的光斑区域8的自由曲面，3是对应于角度为20°的光斑区域9的自由曲面，4是对应于角度为60°的光斑区域10的自由曲面，5是全反射曲面，6是底面出射平面，7是角度为270°的光斑区域，8是角度为10°的光斑区域，9是角度为20°的光斑区域，10是角度为60°的光斑区域。
具体实施方式
为了进一步对发明进行说明，下面结合图1—图10进行说明。然而所述实例仅为提供说明与解释之用，不能用来限制本发明专利的保护范围。
实施例1：一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，其特征在于：根据LED前照灯的近光光斑区域划分获得所需的自由曲面透镜区域形状及面积分布，该方法设计的透镜能够在一定范围内大量的集成而保持光斑重合，从而实现不同功率不同照度的要求。其实现包括以下步骤：
步骤（1）首先对近光光斑进行区域划分，如图8所示，划分时以光斑测试屏中心为起点，以V-V线上半部为起始线沿逆时针旋转，划出的区域分别为角度为270°的光斑区域7，角度为10°的光斑区域8，角度为20°的光斑区域9和角度为60°的光斑区域10。将划分的右上角三角区域和四边形区域还原成矩形区域，确定矩形区域的尺寸和转过的角度。
步骤（2）根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程，如图1和图2所示。其原理基于LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律，推导过程如下：
假设一束光从空间点光源
Figure 474418DEST_PATH_IMAGE001
发出的光入射到某光学表面的
Figure 397375DEST_PATH_IMAGE002
点上，后折射或反射到目标面
Figure 638957DEST_PATH_IMAGE003
上。设入射光单位矢量
Figure 647364DEST_PATH_IMAGE004
，出射光单位矢量
Figure 638454DEST_PATH_IMAGE005
及法向矢量
Figure 415917DEST_PATH_IMAGE006
,当光经过的介质的折射率为n时，则三者满足斯涅耳折射定律：
Figure 834260DEST_PATH_IMAGE007
           （1）
实际运用中，光学面一点到原点的距离可以认为控制在毫米级别，可以认为透镜的大小忽略不计，即
Figure 64385DEST_PATH_IMAGE008
，这样，任意一条照射到受照面上的光线都可以认为由原点直接出发的，所以有：
Figure 859165DEST_PATH_IMAGE009
           （2）
由上式可知，出射光线由受照面上的点
Figure 428818DEST_PATH_IMAGE010
唯一确定。当光源置于原点时则有：
           （3）
光源空间光能量空间分布与照度面上的照度对应关系的如下所示：
Figure 1062DEST_PATH_IMAGE012
           （4）
其中I为光强，E为照度，ds为面积微元，
Figure 333954DEST_PATH_IMAGE013
为立体角微元。将光源球表面划分为经线和纬线方向，利用上述方程分别建立对应关系。假设直角坐标系（
Figure 820430DEST_PATH_IMAGE014
）与球坐标(
Figure 846155DEST_PATH_IMAGE015
)的关系为：
Figure 50871DEST_PATH_IMAGE016
            （5）
设入射光线、折射光线、出射光线分别为：
Figure 187455DEST_PATH_IMAGE017
。令出射光线
Figure 522578DEST_PATH_IMAGE018
照在受照面点
Figure 719204DEST_PATH_IMAGE019
上，则有：
Figure 411217DEST_PATH_IMAGE020
       （6）
设所求自由曲面为z=z(x,y)，令F（x,y,z）=z(x,y)-z，综合前面多个式子，可以求出入射光线、折射光线和出射光线发生折射处的法矢分别为N1、N2，根据矢量形式的折射定律有：
Figure 148228DEST_PATH_IMAGE021
          （7）
则N1
Figure 609297DEST_PATH_IMAGE022
中：
Figure 976824DEST_PATH_IMAGE023
      （8）
如图2所示，N2为（0，0，1），结合前面的式子（7），可以得到入射光线矢量
Figure 890554DEST_PATH_IMAGE024
和出射光线的矢量
Figure 368939DEST_PATH_IMAGE018
关系。接下来以（4）式为基础，通过经纬网格能量映射，可得出射点的坐标
Figure 950093DEST_PATH_IMAGE019
可由入射光线
Figure 222943DEST_PATH_IMAGE024
唯一确定，然后综合前面的式子可得到z=z(x,y)函数的数值解。
步骤（3）根据划分光斑的尺寸设置偏微分方程的初始条件，再利用MATLAB解方程组。
步骤（4）将得到的点云导入Rhino和Imageware中进行处理，得到完整的曲面，如图4和图5所示。
步骤（5）再将得到的完整曲面导入Tracepro中进行延伸、切割、旋转和组合，得到方形透镜，然后加上全反射外围，如图6和图7所示。全反射外围可以是抛物面，也可以是椭球面，根据设计经验进行合理选择。
步骤（6）最后将所使用的LED模型导入Tracepro中，设置透镜的参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析（图10）并修正透镜中心和LED光源之间的距离。
该方法得到的全反射曲面5能控制杂散光，使其从底面出射，提高透镜效率。
该方法得到的透镜能够根据LED的尺寸，调整LED到透镜中心的距离，得到较满意的光斑，同时也需要调整全发射曲面的高度。
该方法得到的透镜能够在一定范围内进行组合而保持光斑重合，如图9所示，透镜包括4个自由曲面组成的透镜曲面本体，透镜曲面本体的四周为垂直折射面。所述垂直折射面的外围是可将光线反射至底部的全反射曲面，本体的底部是平面。该模组采用6个透镜实体进行组合，该组合为矩形组合，且透镜的指向保持一致，底面处于同一平面上，所述透镜实体未加全反射外围，此处仅作说明用。组合是为了实现不同功率不同照度的要求。由于该透镜是非对称方形透镜，组合时要求透镜的走向保持一致，且组合最好为矩形组合，以保证光斑重叠。

Claims (1)

1.一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线，其特征在于具体设计步骤如下：
(1)对近光光斑进行区域划分，将近光光斑划分为多个区域；划分时以光斑测试屏中心为起点，以V-V线上半部为起始线沿逆时针旋转，将起始线转过270°所辖的区域划分为一个区域，该区域为矩形区域的四分之三部分，接下来把剩下的90°区域划分为多个三角形区域和四边形区域，并把划分得到的三角区域和四边形区域还原成矩形区域，然后确定还原矩形区域的尺寸和转过的角度；
(2) 根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程，对于该单自由曲面，其过程如下：
设一束光从空间点光源                                                发出的光入射到某光学表面的
Figure 481445DEST_PATH_IMAGE002
点上，后折射或反射到目标面
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE003
上；设入射光单位矢量
Figure 344359DEST_PATH_IMAGE004
，出射光单位矢量
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE005
及法向矢量
Figure 438173DEST_PATH_IMAGE006
,当光经过的介质的折射率为n时，则三者满足斯涅耳折射定律：
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE007
           （1）
光学面一点到原点的距离认为控制在毫米级别，认为透镜的大小忽略不计，即
Figure 375036DEST_PATH_IMAGE008
，这样，任意一条照射到受照面上的光线都认为由原点直接出发的，所以有：
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE009
           （2）
由上式可知，出射光线由受照面上的点
Figure 534753DEST_PATH_IMAGE010
唯一确定；当光源置于原点时则有：
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE011
           （3）
光源空间光能量空间分布与照度面上的照度对应关系的如下所示：
Figure 884963DEST_PATH_IMAGE012
           （4）
其中：I为光强，E为照度，ds为面积微元，
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE013
为立体角微元；将光源球表面划分为经线和纬线方向，利用上述方程分别建立对应关系；假设直角坐标系（
Figure 788328DEST_PATH_IMAGE014
）与球坐标(
Figure DEST_PATH_IMAGE015
)的关系为：
Figure 845277DEST_PATH_IMAGE016
            （5）
设入射光线、折射光线、出射光线分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；令出射光线
Figure 910316DEST_PATH_IMAGE018
照在受照面点
Figure 2012103590340100001DEST_PATH_IMAGE019
上，则有：
Figure 747822DEST_PATH_IMAGE020
       （6）
设所求自由曲面为z=z(x,y)，令F（x,y,z）=z(x,y)-z，求出入射光线、折射光线和出射光线发生折射处的法矢分别为N1、N2，根据矢量形式的折射定律有：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
          （7）
则N1 中：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
      （8）
N2为（0，0，1），结合前面的式子（7），得到入射光线矢量和出射光线的矢量关系；接下来以（4）式为基础，通过经纬网格能量映射，得出射点的坐标
Figure 360474DEST_PATH_IMAGE019
可由入射光线唯一确定，然后综合前面的式子可得到z=z(x,y)函数的数值解；
(3)根据划分光斑的尺寸设置偏微分方程的初始条件，再利用MATLAB解方程组；
(4)将得到的点云解集导入Rhino和Imageware中进行处理，得到完整的曲面；然后再将得到的完整曲面导入Tracepro中进行延伸、切割、旋转和组合，得到方形透镜，然后加上全反射外围；全反射外围为抛物面或椭球面，根据设计经验进行合理选择；
(5)将所使用的LED模型导入Tracepro中，设置透镜的参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析并修正透镜中心和LED光源之间的距离。
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