CN103900013A - 双模组光斑叠加式汽车led前照灯的近光光学系统 - Google Patents
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Abstract
双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，包括形成15度斜线或台阶式截止线模组和形成水平截止线模组两个部分，其特征在于：所述白光LED模组Ⅰ（1）发出的光经过多曲面椭球面反射器（2）的第一焦点处汇聚到第二焦点处；所述白光LED模组Ⅱ（6）发出的光经过多椭球面聚焦反射器（7）的第一焦点处汇聚到第二焦点处，形成水平展宽带有水平截止线的较宽的光束，两部分光线合成形成LED汽车前照灯组合式近光灯照明系统。本发明，能够发出完全满足国内外相关前照灯近光标准的照明光束，并提供足够的路面照度和较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，以及时看清前方的路面状况。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种给机动车驾驶员提供道路照明的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统。
背景技术
目前机动车使用的前照灯近光系统能够为机动车驾驶员提供道路照明。根据国内外前照灯标准，近光系统应在避免对道路对面来车驾驶员造成眩光的情况下，提供足够水平宽度的道路照明照亮相邻车道，并同时能照明车道远处，给驾驶员判断路面情况提供方便。
我国所采用的车灯标准GB4599-2007《汽车前照灯配性能》是参考欧洲经济委员会的相关法规《E/ECE/324 Addendum 1:Regulations No.1 and No.2》。针对汽车用LED前照灯，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2011年01月10日发布，2012年01月01日实施新的汽车用LED前照灯国标GB25991-2010，根据国标标准，机动车前照灯近光系统需要在车灯前方25米处形成一个水平扩展达到7920mm，垂直扩展达到1250mm的矩形光斑；同时，在光斑的右半部分，在矩形光斑基础上叠加了与水平方向成15°的矩形光斑。整个光斑的上沿要在测试屏幕上形成一条清晰的截止线，即截止线的左半部分水平，右半部分与水平方向成15°；同时，截止线的转折处下方应有一块合适的亮区特殊点照明。
现行的汽车前照灯近光系统主要以卤钨灯和氙灯作为光源，采用的光学系统包括二次曲面反射器-挡板-透镜系统和自由曲面反射器，存在如下问题：1．使用卤钨灯作为光源，要能够产生满足要求的照度，其功率要求非常高，并且车灯所使用的卤钨灯有严格的光源标准和分类，因而系统的运行成本很高；2．前照灯系统需要在夜晚长时间运行，卤钨灯的寿命相对较短，因而需要机场频繁更换灯泡，维护成本也较高； 3. 无论是采用二次曲面反射器-挡板-透镜系统还是采用自由曲面反射器，光源出射的光线都有相当一部分被挡板或者铝帽遮挡和吸收，使整体的光学系统效率受到很大限制；4．采用自由曲面反射器实现的光斑截止线通常不够清晰，存在光斑毛刺。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于LED光源的汽车前照灯的近光光学系统，是使用若干颗LED芯片COB封装的高功率白光LED作为光源，两模组组合分别形成15度斜或者台阶式截止线以及水平截止线，实现汽车前照灯近光灯的照明。
本发明提出的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，包括形成15度斜线或台阶式截止线模组和形成水平截止线模组两个部分，15度斜线或台阶式截止线模组由白光LED模组Ⅰ、多曲面椭球面反射器、光阑板和投光透镜组成，形成水平截止线模组由多曲面两维非球面抛物面式反射器、白光LED模组Ⅱ和多椭球面聚焦反射器组成，白光LED模组Ⅰ的光源几何中心置于多曲面椭球面反射器的第一焦点处，光阑板置于多曲面椭球面反射器的第二焦点附近，同时光阑板的位于投光透镜的前焦点附近，白光LED模组Ⅱ的光源几何中心置于多椭球面聚焦反射器的第一焦点处，两维非球面抛物面式反射器的焦点位于多椭球面聚焦反射器的第二焦点处，其特征在于：所述白光LED模组Ⅰ发出的光经过多曲面椭球面反射器的第一焦点处汇聚到第二焦点处，经过光阑板，让大部分的光进入投光透镜投射出去照明，并且形成15°斜线或者台阶式的截止线；所述白光LED模组Ⅱ发出的光经过多椭球面聚焦反射器的第一焦点处汇聚到第二焦点处，再经过多曲面两维非球面抛物面式反射器反射后投射出去，形成水平展宽带有水平截止线的较宽的光束，两部分光线合成形成LED汽车前照灯组合式近光灯照明系统。
所述的白光LED模组Ⅰ和白光LED模组Ⅱ为若干颗大功率LED芯片COB封装的有设定阵列分布的白光LED光源模组，光源功率大小5-20W，白光LED光源模组Ⅰ的发光面法向根据多曲面椭球面反射器的特征可以平行于或者垂直于多曲面椭球面反射器对称轴，白光LED光源模组Ⅱ的发光面法线垂直于多椭球面聚焦反射器对称轴。
所述的椭球面反射器的长度为20-100 mm，口径为30-150mm的，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
所述的光阑板是15度斜刀口光阑板，或者15度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面。
所述的投光透镜的前焦点在多曲面椭球面反射器的第二焦点附近并向前离焦1-8mm，投光透镜的相对孔径等于或大于多曲面椭球面反射器出射光束的相对孔径。
所述的多椭球面聚焦反射器由两个椭球面反射器组成，每个椭球面反射器第一焦点为10-50 mm，第二焦点为15-100mm，口径为25mm-141mm的半口径，长度为12.5mm-100mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率高达95%以上，两个椭球面反射器第一焦点连线的中点与白光LED模组Ⅱ的几何中心重合。
所述的多曲面两维非球面抛物面式反射器的焦点位于多椭球面聚焦反射器的第二焦点处，多曲面两维非球面抛物面式反射器的焦点为5-50mm，长度为5-50 mm，口径为（10-100）X（10-100）mm的方形或者矩形的半口径，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
本发明，能够发出完全满足国内外相关前照灯近光标准的照明光束，并提供足够的路面照度和较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，以排除行车干扰和帮助机动车驾驶者及时看清前方的（或前面的）路面状况。降低了系统的能耗，通过光学设计使系统发出满足要求的光斑，并且提高其对光能的利用率。仅以能耗8-15W的LED光源（组）实现对于基于传统55W及以上光源卤钨灯和氙灯的近光系统的替代，并且所实现照明效果更优于传统前大灯近光光学系统。
附图说明
图1是本发明形成15度斜线或带有15度过度斜线的台阶式的截止线模组和水平拓展截止线模组组合成的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统结构示意图。
图2是本发明15度斜线或者台阶式截止线模组结构示意图。
图3是本发明形成水平截止线模组结构示意图。
图4是本发明经白光LED模组Ⅰ的截止线模组的光路图。
图5是本发明白光LED模组Ⅱ的水平拓展截止线模组的光路图。
图6是近光系统的25m远处光学测试屏示意图。
图7是双模组光斑叠加后在测试屏上形成的照度平面分布梯度图。
图中：1白光LED模组Ⅰ、2多曲面椭球面反射器、3光阑板、4投光透镜、5多曲面两维非球面抛物面式反射器、6白光LED模组Ⅱ、7多椭球面聚焦反射器。
具体实施方式
LED光源的汽车前照灯的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，包括15度斜线或带有15度斜线过度的截止线模组和水平拓展截止线模组两个部分，15度斜线或带有15度斜线过度的截止线模组由白光LED模组Ⅰ1、多曲面椭球面反射器2、光阑板3和投光透镜4组成，水平拓展截止线模组由多曲面两维非球面抛物面式反射器5、白光LED模组Ⅱ6和多椭球面聚焦反射器7组成，白光LED模组Ⅰ1的光源几何中心置于椭球面反射器2的第一焦点处，光阑板3置于多曲面椭球面反射器2的第二焦点附近，同时光阑板的3位于投光透镜4的前焦点附近，白光LED模组Ⅱ6的光源几何中心置于多椭球面聚焦反射器7的第一焦点连线的中点处，多曲面两维非球面抛物面式反射器5的焦点位于多椭球面聚焦反射器7的第二焦点连线的中点处，白光LED模组Ⅰ1发出的光经过多曲面椭球面反射器2的第一焦点处汇聚到第二焦点处，经过光阑板3的挡光，大部分光进入投光透镜4投射出去照明，并且形成15°截止线或者带有15度斜线的台阶式截止线，白光LED模组Ⅱ6发出的光经过多椭球面聚焦反射器7的第一焦点处汇聚到第二焦点处，再经过多曲面两维非球面抛物面式反射器5反射后投射出去，形成展宽较大的带有水平截止线的光束，两部分光线合成形成双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统。
实施例1：
如图1所示，是本发明15度斜线或者带有15度过度台阶式的截止线模组和水平拓展截止线模组组成的组合式近光光学系统的结构示意图。
如图2所示，是本发明白光LED模组Ⅰ经多曲面椭球面反射器会聚，再经光阑板和投光透镜投射的近光光学系统的截止线模组的结构示意图。
如图3所示，是本发明形成水平截止线模组结构示意图。白光LED模组6经多椭球面聚焦反射器7会聚，再经两维非球面抛物面反射5的近光光学系统的水平拓展截止线模组的结构示意图。
如图4、图5所示，分别是本发明15度斜线或者带有15度斜线过度的截止线模组和水平拓展截止线模组的光路图；采用大功率多芯片COB封装的6W白光LEDⅠ1和多芯片COB封装的6W白光LEDⅡ6作为光源，LED芯片采用型号CREE XML，多曲面椭球面反射器2的长度为40 mm，口径为60mm，第一焦距为10mm，第二焦距为50mm，第一焦点位置与白光LED模组Ⅰ1的几何中心重合，光阑板3是15度斜刀口光阑板，或者15度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面，位于多曲面椭球面反射器2的第二焦点附近，投光透镜4的前焦点在多曲面椭球面反射器2的第二焦点附近并向前离焦1-8 mm，投光透镜4的口径为60mm，前焦距为33mm，多椭球面聚焦反射器7由两个椭球面反射器组成，每个椭球面反射器长度为30mm，口径为34mm的半口径，第一焦距为12mm，第二焦距为30mm，两个椭球面反射器第一焦点连线的中点与白光LED模组Ⅱ6的几何中心重合，多曲面两维非球面抛物面式反射器5的焦点位于多椭球面聚焦反射器7的第二焦点处附近，长度为12 mm，口径为24X48 mm的矩形口径，焦距为12 mm。
由图6所示，是国标GB4599-2007《汽车前照灯配性能》规定的汽车前照灯的近光系统的25m远处光学测试屏示意图；将实施例组合好的汽车LED前照灯的近光光学系统光源LED点亮，在25m远测试屏观察光照度分布，并做微调，以满足汽车前照灯近光照明的要求，75R和50R的照度可以达到68lx,其它关键点也满足要求。
由图7知，对应于图1基于LED光源的汽车前照灯的近光光学系统的15度斜线或者带有15度斜线过渡台阶式的截止线模组和水平拓展截止线的模组组成的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统在测试屏上形成的照度平面分布梯度图。
本发明有以下特点：1.用LED作为光源，功率小，系统能耗小，寿命长；2.如图1所示结构利用椭球面反射器将LED光源的光会聚到第二焦点后经过光阑和投光透镜形成清晰的截止线，结构简单易于调试且效果好；3.如图2所示结构利用椭球面与抛物面反射的组合，位于椭球面第一焦点处的LED光源会聚到第二焦点处形成适当光束口径的光束，经过两维非球面抛物面式反射器的反射，形成水平拓展截止线的矩形光斑，光通量利用率高，整灯能耗小；4、双模组汽车LED前照灯结构紧凑，安装和维护方便；5.可采用大功率单颗多芯片封装的LED光源，仅仅两模组6 W的LED就可以在目标照明面上实现给定的照度分布和照度要求，从而可以替代高能耗的传统光源卤钨灯和氙灯。
Claims (7)
1.双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，包括形成15度斜线或台阶式截止线模组和形成水平截止线模组两个部分，15度斜线或台阶式截止线模组由白光LED模组Ⅰ（1）、多曲面椭球面反射器（2）、光阑板（3）和投光透镜（4）组成，形成水平截止线模组由多曲面两维非球面抛物面式反射器（5）、白光LED模组Ⅱ（6）和多椭球面聚焦反射器（7）组成，白光LED模组Ⅰ（1）的光源几何中心置于多曲面椭球面反射器（2）的第一焦点处，光阑板（3）置于多曲面椭球面反射器（2）的第二焦点附近，同时光阑板的（3）位于投光透镜（4）的前焦点附近，白光LED模组Ⅱ（6）的光源几何中心置于多椭球面聚焦反射器（7）的第一焦点处，两维非球面抛物面式反射器（5）的焦点位于多椭球面聚焦反射器（7）的第二焦点处，其特征在于：所述白光LED模组Ⅰ（1）发出的光经过多曲面椭球面反射器（2）的第一焦点处汇聚到第二焦点处，经过光阑板（3），让大部分的光进入投光透镜（4）投射出去照明，并且形成15°斜线或者台阶式的截止线；所述白光LED模组Ⅱ（6）发出的光经过多椭球面聚焦反射器（7）的第一焦点处汇聚到第二焦点处，再经过多曲面两维非球面抛物面式反射器（5）反射后投射出去，形成水平展宽带有水平截止线的较宽的光束，两部分光线合成形成LED汽车前照灯组合式近光灯照明系统。
2.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的白光LED模组Ⅰ（1）和白光LED模组Ⅱ（6）为若干颗大功率LED芯片COB封装的有设定阵列分布的白光LED光源模组，光源功率大小5-20W，白光LED光源模组Ⅰ（1）的发光面法向根据多曲面椭球面反射器（2）的特征可以平行于或者垂直于多曲面椭球面反射器（2）对称轴，白光LED光源模组Ⅱ（6）的发光面法线垂直于多椭球面聚焦反射器（7）对称轴。
3.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的椭球面反射器（2）的长度为20-100 mm，口径为30-150mm的，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
4.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的光阑板（3）是15度斜刀口光阑板，或者15度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面。
5.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的投光透镜（4）的前焦点在多曲面椭球面反射器（2）的第二焦点附近并向前离焦1-8mm，投光透镜（4）的相对孔径等于或大于多曲面椭球面反射器（2）出射光束的相对孔径。
6.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的多椭球面聚焦反射器（7）由两个椭球面反射器组成，每个椭球面反射器第一焦点为10-50 mm，第二焦点为15-100mm，口径为25mm-141mm的半口径，长度为12.5mm-100mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率高达95%以上，两个椭球面反射器第一焦点连线的中点与白光LED模组Ⅱ（6）的几何中心重合。
7.根据权利要求1所述的双模组光斑叠加式汽车LED前照灯的近光光学系统，其特征在于：所述的多曲面两维非球面抛物面式反射器（5）的焦点位于多椭球面聚焦反射器（7）的第二焦点处，多曲面两维非球面抛物面式反射器（5）的焦点为5-50mm，长度为5-50 mm，口径为（10-100）X（10-100）mm的方形或者矩形的半口径，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
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