CN103383094A - 一种led摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法 - Google Patents

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一种LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法。本发明目的是解决现有技术存在缺乏较为成熟的能够适应摩托车前照灯新国家标准要求的设计方法的缺陷。技术方案要点：包括同一个前照灯里的远光灯和近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法，光学透镜为处于光反射器的前面的平凸透镜，特征是：建立直角坐标系，在坐标原点前方距离25米处设立照明面，分别确定照明面中心点为中心的椭圆形区域和圆形区域，对椭圆形区域进行网格划分和对圆形区域进行环带划分，运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，计算出光学透镜的自由曲面上的自由曲线，由自由曲线得到自由曲面模型。

Description

一种LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法
技术领域
本发明涉及摩托车照明灯灯具的设计方法，具体是一种远光灯和近光灯为一体结构的LED摩托车前照灯用的光学透镜自由曲面的形成方法。
背景技术
普遍使用的传统摩托车前照灯，结构一般由灯罩、灯壳、反射器、灯丝灯泡、灯座、防尘盖、灯光调整螺钉等组成。灯泡内有两条灯丝，一条为远光灯丝，一条为近光灯丝。为了解决传统灯丝灯泡的前照灯存在照明耗电耗能较大、断电情况下照明持续时间短、灯泡寿命短等问题，目前已经开始采用具有节能、环保、体积小、响应快、寿命长以及抗震能力强等优良特性的LED光源的前车灯，并且将成为今后发展的趋势。摩托车前照灯的新国家标准中目前已添加了使用LED光源摩托车前照灯的相关条款，针对LED光源特点，新国家标准对光斑形状及光照强度方面有了不同的要求和规定，如何更好的适应新国家标准的新要求来设计摩托车前照灯，成为业界研究和探索的迫切课题。
中国专利申请第201210359034.0 号公开的一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，方法特点是：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。这一前照灯光学透镜自由曲面的设计方法，可以适用于汽车前照灯的近光灯使用，但不适用于摩托车前照灯的近光灯设计要求，而且方法比较繁琐和复杂，给设计上增加了难度。
发明内容
为了克服现有缺乏LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的较为成熟的、能够适应摩托车前照灯新国家标准要求的设计方法，汽车前照灯光学透镜自由曲面的设计方法不适用于摩托车前照灯设计要求、且方法比较繁琐和复杂的缺陷，本发明的目的是提供一种创新的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，可以克服现有技术的缺陷。
本发明其技术问题所采用的技术方案是：一种LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括所述同一个前照灯里的远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法，所述光学透镜为平凸透镜，光学透镜的平面为光入射面、其自由曲面为光出射面，光学透镜处于光反射器的前面，其特征是：
远光灯用光学透镜的自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面平行设置，以LED芯片发光面的中心点为坐标原点O1建立直角坐标系，LED芯片发光面所在平面为X1O1Y1平面，过原点并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Z1平面为水平面，在坐标原点O1前方距离25米处、与Z1轴交点为o1且平行于X1O1Y1平面的平面设为照明面，点o1为照明面的中心点，将照明面上的照明区域设定为以照明面中心点o1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，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜的自由曲面上的一系列自由曲线，然后由这些自由曲线组成自由曲面模型；
近光灯用光学透镜的自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面垂直设置，光反射器采用部分椭球面形的光反射器，以光反射器的外侧焦点为坐标原点O2建立直角坐标系，以过点O2并平行于光学透镜的平面平行的平面为X2O2Y2平面，过原点O2并与X2O2Y2平面垂直的轴为Z2轴，其中X2O2Z2平面为水平面，在点O2前方距离25米处、与Z2轴交点为o2且平行于X2O2Y2平面的平面设为照明面，点o2为照明面的中心点，把照明面上的照明区域设定为以照明面的中心点o2为圆心的圆形区域，然后对该圆形区域进行环带划分，再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜的自由曲面上的一条自由曲线，将自由曲线绕Z2轴旋转360°得到自由曲面模型。
上述技术方案所述远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中对该椭圆形区域进行网格划分，可以是首先把椭圆形区域的椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份，以aj和bj分别表示等分后长半轴a的第j份和短半轴b的第j份，然后以照明面中心点o1为中心，将照明区域划分为n份椭圆形环带区域，然后将照明面上任意一点和点o1的连线与X轴的夹角α等分成m份，以αj表示等分后α的第j份，以点o1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，这样将该椭圆形区域划分成m×n个小格子。
上述技术方案所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中对该圆形区域进行环带划分，可以是首先把圆形区域的圆半径r等分成n份，以rj表示等分后半径r的第j份，然后以照明面中心点o2为圆心，分别以rj为半径画圆，将该圆形区域划分为圆形环带区域。
上述技术方案所述远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，可以是把出射光线G1与Z1轴正方向的夹角φ分成n份（φ可以设置为0°≤φ≤60°），用φj表示φ的第j份，φj与所述网格划分的aj和bj一一对应，把出射光线G1在X1O1Y1平面上的投影与X1轴的夹角θ分成m份（θ可以设置为0°≤θ≤360°），用θj表示θ的第j份，θj与所述网格划分的αj一一对应，将φj和θj代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一个小网格区域的能量，算出对应的φj和θj数值。
上述技术方案所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，可以是把出射光线G2与Z2轴正方向的夹角φ'分成n份（φ'可以设置为0°≤φ'≤60°），用φ'j表示φ'的第j份，φ'j与所述环带划分的rj一一对应，将φ'j代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一份圆形环带区域的能量，算出对应的φ'j数值。
上述技术方案所述远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面上的一系列自由曲线，可以是先设初始点的夹角φ值为0°，然后设定远光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ的值（如设夹角θ为0°），通过改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面上的一条自由曲线；再通过分别固定不同的夹角θ的值（0°≤θ≤360°），并改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），便可分别进行计算得到自由曲面上的一系列自由曲线。
上述技术方案所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法中运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面上的一条自由曲线，可以是先设初始点的夹角φ'值为0°，然后设定近光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ'的值（如设夹角θ'为0°），通过改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面上的一条自由曲线。
本发明的有益效果：上述技术方案是一种符合摩托车前照灯新国家标准要求的比较简便、而且比较成熟可行的摩托车前照灯光学透镜自由曲面设计方法，可以作为摩托车前照灯的新设计提供关键性的设计依据。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明一种实施例的远光灯与照明面之间关系的示意图。
图2是本发明一种实施例的近光灯与照明面之间关系的示意图。
图3是本发明一种实施例的远光灯出射光线坐标关系的示意图。
图4是本发明一种实施例的近光灯出射光线坐标关系的示意图。
图中：1、远光灯用光学透镜；11、平面；12、自由曲面；13、光反射器；14、LED芯片；15、照明面；16、椭圆形区域；2、近光灯用光学透镜；21、平面；22、自由曲面；23、光反射器；24、LED芯片；25、照明面；26、圆形区域。
具体实施方式
参照图1～图4，本LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括所述同一个前照灯里的远光灯用光学透镜1自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜2自由曲面的形成方法，所述光学透镜1、2均为平凸透镜，光学透镜1、2的平面11、21为光入射面、其自由曲面12、22为光出射面，光学透镜1、2分别处于光反射器13、23的前面，其特征是：
远光灯用光学透镜1的自由曲面12的形成方法为：将光学透镜1的平面11与LED芯片14发光面平行设置，以LED芯片14发光面的中心点为坐标原点O1建立直角坐标系，LED芯片14发光面所在平面为X1O1Y1平面，过原点并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Z1平面为水平面，在坐标原点O1前方距离25米处、与Z1轴交点为o1且平行于X1O1Y1平面的平面设为照明面15，点o1为照明面15的中心点，将照明面15上的照明区域设定为以照明面中心点o1为中心的椭圆形区域16，然后对该椭圆形区域16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，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜1的自由曲面12上的一系列自由曲线，然后由这些自由曲线组成自由曲面模型；
近光灯用光学透镜2的自由曲面22的形成方法为：将光学透镜2的平面21与LED芯片24发光面垂直设置，光反射器23采用部分椭球面形的光反射器，以光反射器23的外侧焦点25为坐标原点O2建立直角坐标系，以过点O2并平行于光学透镜2的平面21平行的平面为X2O2Y2平面，过原点O2并与X2O2Y2平面垂直的轴为Z2轴，其中X2O2Z2平面为水平面，在点O2前方距离25米处、与Z2轴交点为o2且平行于X2O2Y2平面的平面设为照明面26，点o2为照明面26的中心点，把照明面26上的照明区域设定为以照明面26的中心点o2为圆心的圆形区域27，然后对该圆形区域27进行环带划分，再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜2的自由曲面22上的一条自由曲线，将自由曲线绕Z2轴旋转360°得到自由曲面模型。
另外，对于远光灯用光学透镜1的自由曲面12形成方法：
所述对该椭圆形区域16进行网格划分，是首先把椭圆形区域16的椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份，以aj和bj分别表示等分后长半轴a的第j份和短半轴b的第j份，然后以照明面中心点o1为中心，将照明区域划分为n份椭圆形环带区域，然后将照明面上任意一点和点o1的连线与X轴的夹角α等分成m份，以αj表示等分后α的第j份，以点o1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，这样将该椭圆形区域16划分成m×n个小格子。
所述运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，是把出射光线G1与Z1轴正方向的夹角φ分成n份（φ可以设置为0°≤φ≤60°），用φj表示φ的第j份，φj与所述网格划分的aj和bj一一对应，把出射光线G1在X1O1Y1平面上的投影与X1轴的夹角θ分成m份（θ可以设置为0°≤θ≤360°），用θj表示θ的第j份，θj与所述网格划分的αj一一对应，将φj和θj代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一个小网格区域的能量，算出对应的φj和θj数值。
所述运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面上的一系列自由曲线，是先设初始点的夹角φ值为0°，然后设定远光灯用光学透镜1的平面11与LED芯片14发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ的值（如设夹角θ为0°），通过改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面上的一条自由曲线；再通过分别固定不同的夹角θ的值（0°≤θ≤360°），并改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），便可分别进行计算得到自由曲面12上的一系列自由曲线，然后由这些自由曲线组成远光灯用光学透镜1的自由曲面12模型。
对于近光灯用光学透镜2的自由曲面22形成方法：
所述对该圆形区域26进行环带划分，是首先把圆形区域26的圆半径r等分成n份，以rj表示等分后半径r的第j份，然后以照明面中心点o2为圆心，分别以rj为半径画圆，将该圆形区域26划分为圆形环带区域。
所述运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，是把出射光线G2与Z2轴正方向的夹角φ'分成n份（φ'可以设置为0°≤φ'≤60°），用φ'j表示φ'的第j份，φ'j与所述环带划分的rj一一对应，将φ'j代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一份圆形环带区域的能量，算出对应的φ'j数值。
所述运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面的一条自由曲线，是先设初始点的夹角φ'值为0°，然后设定近光灯用光学透镜2的平面21与LED芯片24发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ'的值（如设夹角θ'为0°），通过改变夹角φ的值（夹角φ由0°增加到60°），以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面22上的一条自由曲线，将自由曲线绕Z轴旋转360°得到近光灯用光学透镜2的自由曲面22模型。

Claims (7)

1.一种LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括所述同一个前照灯里的远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法，所述光学透镜为平凸透镜，光学透镜的平面为光入射面、其自由曲面为光出射面，光学透镜处于光反射器的前面，其特征是：
远光灯用光学透镜的自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面平行设置，以LED芯片发光面的中心点为坐标原点O1建立直角坐标系，LED芯片发光面所在平面为X1O1Y1平面，过原点并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Z1平面为水平面，在坐标原点O1前方距离25米处、与Z1轴交点为o1且平行于X1O1Y1平面的平面设为照明面，点o1为照明面的中心点，将照明面上的照明区域设定为以照明面中心点o1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，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜的自由曲面上的一系列自由曲线，然后由这些自由曲线组成自由曲面模型；
近光灯用光学透镜的自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面垂直设置，光反射器采用部分椭球面形的光反射器，以光反射器的外侧焦点为坐标原点O2建立直角坐标系，以过点O2并平行于光学透镜的平面平行的平面为X2O2Y2平面，过原点O2并与X2O2Y2平面垂直的轴为Z2轴，其中X2O2Z2平面为水平面，在点O2前方距离25米处、与Z2轴交点为o2且平行于X2O2Y2平面的平面设为照明面，点o2为照明面的中心点，把照明面上的照明区域设定为以照明面的中心点o2为圆心的圆形区域，然后对该圆形区域进行环带划分，再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，然后运用折射定律通过数值计算得到光学透镜的自由曲面上的一条自由曲线，将自由曲线绕Z2轴旋转360°得到自由曲面模型。
2.按权利要求1所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的对该椭圆形区域进行网格划分，是首先把椭圆形区域的椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成n份，以aj和bj分别表示等分后长半轴a的第j份和短半轴b的第j份，然后以照明面中心点o1为中心，将照明区域划分为n份椭圆形环带区域，然后将照明面上任意一点和点o1的连线与X轴的夹角α等分成m份，以αj表示等分后α的第j份，以点o1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，这样将该椭圆形区域划分成m×n个小格子。
3.按权利要求1所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的对该圆形区域进行环带划分，是首先把圆形区域的圆半径r等分成n份，以rj表示等分后半径r的第j份，然后以照明面中心点o2为圆心，分别以rj为半径画圆，将该圆形区域划分为圆形环带区域。
4.按权利要求1、2或3所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述散热器采用热管散热器远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，是把出射光线G1与Z1轴正方向的夹角φ分成n份，用φj表示φ的第j份，φj与所述网格划分的aj和bj一一对应，把出射光线G1在X1O1Y1平面上的投影与X1轴的夹角θ分成m份，用θj表示θ的第j份，θj与所述网格划分的αj一一对应，将φj和θj代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一个小网格区域的能量，算出对应的φj和θj数值。
5.按权利要求1、2或3所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，是把出射光线G2与Z2轴正方向的夹角φ'分成n份，用φ'j表示φ'的第j份，φ'j与所述环带划分的rj一一对应，将φ'j代入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一份圆形环带区域的能量，算出对应的φ'j数值。
6.按权利要求1、2或3所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述远光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面上的一系列自由曲线，是先设初始点的夹角φ值为0°，然后设定远光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ的值，通过改变夹角φ的值，以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面上的一条自由曲线；再通过分别固定不同的夹角θ的值，并改变夹角φ的值，便可分别进行计算得到自由曲面上的一系列自由曲线。
7.按权利要求1、2或3所述的LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，其特征是所述近光灯用光学透镜自由曲面的形成方法的运用折射定律通过数值计算得到光学透镜自由曲面上的一条自由曲线，是先设初始点的夹角φ'值为0°，然后设定近光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，接着再根据这个距离选取合适的透镜厚度；固定夹角θ'的值，通过改变夹角φ的值，以上确定的初始值代入折射定律的矢量公式进行计算，得到光出射面即自由曲面上的一条自由曲线。
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