CN103363444A - Led汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，LED汽车前照灯中LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，所述自由曲面微透镜阵列由若干个自由曲面微透镜紧凑排列布满整个所述平行光束的截面构成；所有自由曲面微透镜为一体形成；所述自由曲面微透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面。本发明不需要挡光板进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率；采用自由曲面光学设计，可以有效控制光线走向，抑制眩光效应，同时又能达到国家标准GB25991-2010对汽车用LED前照灯的配光要求。

Description

LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列

技术领域

本发明涉及LED汽车前照灯照明技术领域，特别涉及用于LED汽车前照灯的自由曲面光学微透镜阵列。

背景技术

LED光源是一种新型高效光源，根据研究表明，LED具有其它光源不能替代的优越性能，可为汽车前照灯开辟巨大的应用空间。尤其是LED光源具有小巧、坚固、长寿、节能、平面化、适合机电一体智能化等诸多优点，满足了人们对汽车前照灯安全、舒适、豪华、节能、环保与多功能等方面的要求。这些特点使得LED光源成为目前国内外竞相研发的一个热点。

由于LED相比于其他光源，发光特性有很大的差别，芯片阵列的排布和灯具结构的设计都会影响到最终效果，使LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂的光学设计问题。目前，使用得比较广泛的是投射式LED前照灯设计，这种光学设计可以形成很好的光型效果，但在近光灯设计时还需加上挡光板，整个光学系统复杂，光能利用率较低。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供了LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，该自由曲面光学微透镜阵列将LED芯片发出的光经过准直后进行配光，产生的光型能满足国家标准GB25991-2010对汽车用LED前照灯的配光要求，而且不需要挡光板，解决了投射式LED前照灯设计光能利用率较低的问题。本发明采用如下技术方案：

LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，LED汽车前照灯中LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，所述自由曲面微透镜阵列由若干个自由曲面微透镜紧凑排列布满整个所述平行光束的截面构成。

进一步改进的，所有自由曲面微透镜为一体形成。

进一步改进的，所述自由曲面微透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面。

进一步改进的，所述自由曲面微透镜的入射面为矩形平面。

进一步改进的，所述自由曲面微透镜的出射面即自由曲面确定如下：

LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，在该光束的截面内选取一个微小矩形区域，该微小矩形区域长为a，宽为b，该微小矩形区域内的照度视为等照度，该微小矩形区内的光经过透镜在照明面上形成一个等照度的光斑，根据能量守恒定律有：

E_o·S_o＝E_v·S_v，

E_o表示出射平行光束在微小矩形区内的照度值，S_o表示该微小矩形区的面积；E_v表示照明面上光斑的照度值，S_v表示该光斑的面积，则E_v表示为：

E_v＝E_o·t，

式中t为微小矩形区域的面积S_o与光斑的面积S_v的比值；

然后，依据对LED汽车前照灯的配光要求，照明面上要形成一个非等照度的光斑，令整个LED汽车前照灯的光轴为z轴，那么xoy平面为照明面，对照明区域进行网格划分，即在x轴的方向上均匀划分成m列，在y轴的方向上均匀划分成n行，对每一小格进行编号，其中第i列第j行小格的编号为G_(i,j)，则照明面上第i列的能量为：

$Q_{(i,0)}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)},$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(i,0)},$

上面两式中，S_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的面积；根据LED汽车前照灯的配光要求设置照度控制因子k_(i,j)来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成满足要求的照度分布，则E_v·k_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的照度值，k_(i,j)的取值大小根据照明面上照度要求进行设定，对于照度越大的区域k_(i,j)的取值越大，对于照度越小的区域k_(i,j)的取值越小；

照明面上第j行的能量为：

$Q_{(0,j)}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)},$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(0,j)},$

然后对应于照明面上的网格划分，通过能量守恒定律对出射平行光束的微小矩形区域进行网格划分，首先对该微小矩形区域进行列划分，对应于照明面上第i列的能量分布，根据能量守恒定律，该微小矩形区域第i列的能量为：

E_o·b·p_i＝Q_(i,0)，

式中，p_i为该微小矩形区域第i列的宽度，联合上述几式可求解出p_i；

同理，对该微小矩形区域进行行划分，根据能量守恒定律，该矩形小区域第j行的能量为：

E_o·a·q_j＝Q_(0,j)，

式中，q_j为该微小矩形区域第j行的宽度，联合上述几式可求解出q_j；由这两个等式计算得到的p_i和q_j完成该微小矩形区域的网格划分，同样的，对每一小格进行编号，第i列第j行小格的编号为g_(i,j)；

最后，根据照明区域和光束截面微小矩形区域的网格划分，利用折射定律计算微透镜的自由曲面。微透镜对入射到微小矩形区域的光线进行配光，使照明面上形成满足照明标准的光斑，微小矩形区域内g_(i,j)与照明面上G_(i,j)相对应。

将该自由曲面设为微透镜的出射面，做成一个入射面为平面的微透镜，再对若干个这样的微透镜进行阵列排布，排列布满整个入射平行光束的截面，并组合成一个实体，即可得到LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明提供了LED汽车前照灯用自由曲面微透镜阵列，该自由曲面光学微透镜阵列将LED芯片发出的光经过准直后进行配光，不需要挡光板进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率；采用自由曲面光学设计，可以有效控制光线走向，抑制眩光效应，同时又能达到国家标准GB25991-2010对汽车用LED前照灯的配光要求，而且自由曲面微透镜阵列的每一个微透镜都是独立的，而且能形成多种形状的光斑，设计灵活性高。

附图说明

图1为实施方式中LED汽车前照灯的配光原理示意图。

图2a为实施方式中LED汽车前照灯的抛物面反射准直器示意图；

图2b为实施方式中LED汽车前照灯的全反射透镜准直器示意图。

图3为实施方式中近光灯的照明区域网格划分示意图。

图4为实施方式中平行光束内的微小矩形区域网格划分示意图。

图5为实施方式中照明区域和微小矩形区域的能量对应示意图。

图6为实施方式中微透镜自由曲面的示意图。

图7a、图7b分别为实施方式中微透镜实体的两种不同视角的三维示意图。

图8为实施方式中自由曲面微透镜阵列的三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的LED汽车前照灯用的自由曲面光学微透镜阵列100配光原理如图1所示（图中箭头表示光束的方向）。由于国家标准GB25991-2010对LED汽车前照灯的近光和远光都进行了配光要求，特别对近光的要求比较严苛，则该具体实施方式以近光的设计为例进行说明。

首先，LED光源发出的光要进行准直处理，准直的效果可以通过反射或者折射等方式达到，如图2a、图2b所示，光线经过准直后以平行光束射出。

然后，对照明区域进行网格划分，如图3所示。依据国家标准GB25991-2010对LED汽车前照灯近光的配光要求，照明面上要形成一个非等照度的不对称光斑。先设定整个光学系统的光轴为z轴，那么xoy平面为照明面。对照明区域进行网格划分，在x轴的方向上均匀划分成m列，在y轴的方向上均匀划分成n行，对每一小格进行编号，例如第i列第j行小格的编号为G_(i,j)。当然，网格划分得越小，即m和n的数值越大，计算的精度会越高。照明面上第i列的能量为：

$Q_{(i,0)}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)}$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(i,0)}$

上面两式中，E_v表示照明面上光斑的平均照度值，S_v表示该光斑的面积，S_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的面积；根据国家标准GB25991-2010，设置照度控制因子k_(i,j)来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成满足标准的照度分布，则E_v·k_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的照度值，k_(i,j)的取值大小需根据照明面上照度要求进行设定，如对于照度越大的区域k_(i,j)的取值越大，对于照度越小的区域k_(i,j)的取值越小。

同理，照明面上第j行的能量为：

$Q_{(0,j)}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)}$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{j-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(0,j)}$

接着，对应于照明面上的网格划分，通过能量守恒定律对入射平行光束的一个小区域进行网格划分，为了方便计算，该小区域设定为长为a（如8mm），宽为b（如4mm）的矩形。根据能量守恒关系计算完成该微小矩形区域的网格划分。例如，对应于照明面上第i列的能量分布，根据能量守恒定律，该微小矩形区域第i列的能量为：

E_o·b·p_i＝Q_(i,0)

式中，E_o表示出射平行光束某一小区域内的照度值，p_i为该微小矩形区域第i列的宽度，联合上述几式可求解出p_i。

同理，对该微小矩形区域进行行划分，根据能量守恒定律，该微小矩形区域第j行的能量为：

E_o·a·q_j＝Q_(0,j)

式中，q_j为该微小矩形区域第j行的宽度，联合上述几式可求解出q_j。由这两个等式计算得到的p_i和q_j可以完成该微小矩形区域的网格划分。同样的，对每一小格进行编号，例如第i列第j行小格的编号为g_(i,j)，如图4所示，其中虚线边框为入射平行光束的范围。

最后，根据照明区域和微小矩形区域的网格划分，可以利用折射定律计算微透镜的自由曲面，微透镜对入射到微小矩形区域的光线进行配光，使照明面上形成满足照明标准的光斑，微小矩形区域内g_(i,j)与照明面上G_(i,j)相对应，如图5所示。

在迭代计算时，首先需要确定一个计算的起始点，例如，以微小矩形区域内g_(1,1)的中心点为起始点，g_(1,1)对应着照明面上G_(1,1)，通过g_(1,1)中心点的坐标和G_(1,1)中心点的坐标可以得到出射光线的方向向量，利用折射定律计算可以得出g_(1,1)中心点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与入射到g_(1,2)中心点的光线相交从而确定下一个计算点，通过这个计算点的坐标和G_(1,2)中心点的坐标可以得到下一个出射光线的方向向量，再通过上述的计算方法求出该点的切平面和再下一个计算点，以此类推，通过计算机迭代可得出所有计算点的坐标，由这一系列计算点可拟合成微透镜的自由曲面1011，如图6所示。

将该自由曲面1011设为微透镜的出射面，做成一个入射面为平面1012的微透镜101，如图7a、图7b所示。对该微透镜进行阵列排布，排列布满整个入射平行光束的截面，并组合成一个实体模型，即可得到LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列100，如图8所示。

以上对本发明所提供的LED汽车前照灯用自由曲面微透镜阵列进行了详细介绍，该自由曲面光学微透镜阵列将LED芯片发出的光经过准直后进行配光，不需要挡光板进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率，配光性能好；采用自由曲面光学设计，可以有效控制光线走向，抑制眩光效应，同时又能达到国家标准GB25991-2010对汽车用LED前照灯的配光要求，而且自由曲面微透镜阵列的每一个微透镜都是独立的，而且能形成多种形状的光斑，设计灵活性高。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.LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，LED汽车前照灯中LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，其特征在于，所述自由曲面微透镜阵列由若干个自由曲面微透镜紧凑排列布满整个所述平行光束的截面构成。

2.根据权利要求1所述的LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，其特征在于所有自由曲面微透镜为一体形成。

3.根据权利要求1所述的LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，其特征在于所述自由曲面微透镜的入射面为平面，出射面为自由曲面。

4.根据权利要求3所述的LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，其特征在于所述自由曲面微透镜的入射面为矩形平面。

5.根据权利要求4所述的LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列，其特征在于所述自由曲面微透镜的出射面即自由曲面确定如下：

LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，在该光束的截面内选取一个微小矩形区域，该微小矩形区域长为a，宽为b，该微小矩形区域内的照度视为等照度，该微小矩形区内的光经过透镜在照明面上形成一个等照度的光斑，根据能量守恒定律有：

E_o·S_o＝E_v·S_v，

E_o表示出射平行光束在微小矩形区内的照度值，S_o表示该微小矩形区的面积；E_v表示照明面上光斑的照度值，S_v表示该光斑的面积，则E_v表示为：

E_v＝E_o·t，

式中t为微小矩形区域的面积S_o与光斑的面积S_v的比值；

然后，依据对LED汽车前照灯的配光要求，照明面上要形成一个非等照度的光斑，令整个LED汽车前照灯的光轴为z轴，那么xoy平面为照明面，对照明区域进行网格划分，即在x轴的方向上均匀划分成m列，在y轴的方向上均匀划分成n行，对每一小格进行编号，其中第i列第j行小格的编号为G_(i,j)，则照明面上第i列的能量为：

$Q_{(i,0)}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)},$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(i,0)},$

上面两式中，S_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的面积；根据LED汽车前照灯的配光要求设置照度控制因子k_(i,j)来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成满足要求的照度分布，则E_v·k_(i,j)表示照明面上G_(i,j)的照度值，k_(i,j)的取值大小根据照明面上照度要求进行设定，对于照度越大的区域k_(i,j)的取值越大，对于照度越小的区域k_(i,j)的取值越小；

照明面上第j行的能量为：

$Q_{(0,j)}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_v\·k_{(i,j)}\·S_{(i,j)},$

同时，上述等式要满足：

$E_v\·S_v=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{(0,j)},$

然后对应于照明面上的网格划分，通过能量守恒定律对出射平行光束的微小矩形区域进行网格划分，首先对该微小矩形区域进行列划分，对应于照明面上第i列的能量分布，根据能量守恒定律，该微小矩形区域第i列的能量为：

E_o·b·p_i＝Q_(i,0)，

式中，p_i为该微小矩形区域第i列的宽度，联合上述几式可求解出p_i；

同理，对该微小矩形区域进行行划分，根据能量守恒定律，该矩形小区域第j行的能量为：

E_o·a·q_j＝Q_(0,j)，

式中，q_j为该微小矩形区域第j行的宽度，联合上述几式可求解出q_j；由这两个等式计算得到的p_i和q_j完成该微小矩形区域的网格划分，同样的，对每一小格进行编号，第i列第j行小格的编号为g_(i,j)；

最后，根据照明区域和光束截面微小矩形区域的网格划分，利用折射定律计算微透镜的自由曲面。

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