CN104737058B - 定义非球面透镜的方法以及用于包括该透镜的机动车辆的前照灯的照明模块 - Google Patents

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Abstract

一种用于定义具有确定光轴的非球面透镜(120)的方法，所述透镜(120)包括能够接收从被安置在位于光轴(x)上的透镜(120)的焦点(F)处的光源(110)发出的光通量的入射面(121)以及已经穿过透镜(120)的光通量的射线自其射出的出射面(122)，通过将直线围绕垂直于透镜(120)的光轴(x)的垂直轴(z)旋转来获得所述入射面(121)，而在将曲母线(124)围绕光轴(x)旋转之后获得所述出射面(122)；计算所述曲母线(124)以将从所述出射面(122)射出的射线定向在平行于光轴(x)的方向上，其特征在于，其包括：利用围绕透镜(120)中平面(PM)为中心的基本平坦区域(126)来构成入射面(121)，随后从透镜(120)的中平面(PM)开始，针对透镜(120)的每个径向截面调节该变化，直至在透镜(120)边沿(123)处获得圆柱形外形。

Description

定义非球面透镜的方法以及用于包括该透镜的机动车辆的前 照灯的照明模块
技术领域
本发明的技术领域是机动车照明领域。
本发明尤其涉及投射系统或前照灯，其包括能够形成近光、远光、防雾光等的照明模块。
本发明特别涉及一种包括单一光源的照明模块，尤其是与非球面投射透镜相关联的发光二极管或LED(“发光二极管”的英语首字母缩写)，还涉及一种用于定义这样的透镜的方法。
背景技术
在现有技术中，光分布的形式由反射器和遮光器来定义，以便于形成近光及其分界线。
用于定义光分布的形式的遮光器的使用降低了前照灯的性能，这是因为大部分的光通量(-50％)被遮挡。
此外，遮光器是应当被机械地集成在前照灯中的部件，其形式和光学特性(尤其是反射方面)非常精确。
发明内容
本发明提出了一种照明模块，其中，投射到车辆前方的光束的形式完全由透镜的几何形状以及光源与透镜的相对位置来定义，而无需使用遮光器或其它遮挡元件。
为此目的，本发明的第一目的在于提供一种用于定义具有确定光轴的非球面透镜的方法，该透镜包括入射面，其能够接收来自被安置在位于光轴上的透镜焦点处的光源的光通量，以及出射面，已经穿过透镜的光通量射线自其射出，通过将直线围绕垂直于透镜光轴的垂直轴旋转来获得所述入射面，而在将曲母线围绕光轴旋转之后获得所述出射面；计算所述曲母线以将从所述出射面射出的射线定向在平行于光轴的方向上，其特征在于，其包括：利用围绕透镜的中平面为中心的基本平坦区域来构成入射面，随后从透镜的中平面开始，针对透镜的每个径向截面调节该变化，直至在透镜边沿处获得圆柱形外形。
根据特征，入射面的变化对应于非球面透镜的方程，其通过下列在圆柱坐标下的方程被表达为与光轴的距离的函数：
其中：R是透镜的曲率半径；
K是锥度；
α1r2+α2r4+α3r6+…：多项式对应于校正系数，其被确定用于调节该基本平坦区域成圆柱形外形。
本发明的第三目的在于提供一种能够生成光束的照明模块，所述照明模块包括光源和投射透镜，所述透镜利用上述方法来获得。
本发明的第三目的在于提供一种机动车辆的前照灯，其特征在于，其包括至少一个上述照明模块，并且其特征在于，通过沿着垂直于光轴的方向移动光源并且使光源围绕光轴旋转以获得蝴蝶翅状的光束分布来获得近光，在旋转之后，该光束分布的轮廓的一部分定义了近光的常规分界线。
同样地，有利的是，该透镜是用于形成近光的光束的完整形态的唯一作用者，而无需使用遮光器或另一遮挡单元。
提高了前照灯的性能：提高了能量效率(未使用遮光器)，并且更好地掌握了对光束形式的控制(光分布和光束均匀性)。
模块的机械装置得以简化：相对于传统构思，减少了部件的数量。
减小了模块的尺寸：没有反射器汇集器。
附图说明
在对照附图，阅读以下对示例性但非限制性的实现方式之一的描述的过程中，本发明的其它目的、特征和优点将显现。
在附图中：
-图1是根据现有技术的光学模块的垂直轴向横截面示意图；
-图2是图1的光学模块的前视图，没有透镜，其中遮光器所处位置能够获得“近光”型光束；
-图3示出了公知型的非球面透镜；
-图4是非球面透镜的剖视图，示出了根据透镜曲率射出的射线的方向；
-图5示出了用于定义具有平坦入射面的非球面透镜的出射面的方法；
-图6示出了由图5的透镜投射在屏幕上的光束的分布；
-图7示出了用于定义具有圆柱形入射面的非球面透镜(环形非球面透镜)的出射面的方法；
-图8示出了由图7的透镜投射在屏幕上的光束的分布；
-图9示出了从图7的透镜发出的用于形成近光的光束的分布；
-图10示出了由根据本发明的方法定义的透镜对分布的垂直放大在光束上的效果；
-图11示出了当围绕图10的透镜的光轴旋转光束以获得近光的常规分界线时获得光分布；
-图12示出了根据本发明的方法所定义的透镜的入射面的中心区域的变化形式，以形成近光的聚焦区域；
-图13示出了根据本发明的方法所定义的透镜的变化入射面产生的光聚焦区域；以及
-图14示出了根据本发明的用于机动车辆的前照灯的照明模块的实现方式。
在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
对于示出光分布的附图，黑色区域对应于强光聚焦的区域。
具体实施方式
下文参考图1来描述现有技术的机动车辆的前照灯的照明模块1。
其包括：椭球形反射器20、安置在反射器20对面的会聚透镜40、以及安置在反射器20内用于产生多条光线的至少一个光源10。
反射器20、透镜40以及光源10被装配用于将光束投射到模块1的外部。
光源10被安置在反射器20的第一焦点F1上。例如，由卤素灯、氙气灯或一个或多个LED来实现光源。
由光源10产生的光线被反射器20反射，并且聚焦在第二焦点F2上。会聚透镜40被安置在反射器对面，以使得其焦点与焦点F2重合。
这样的布局能够产生“远光”型的光束。
为了从该布局获得“近光或近距离照射光”型的光束，光学模块1还包括可移动的遮光器30，其被布置在焦点F2附近。遮光器30阻挡约50％的光通量(图2)。
来自焦点F2的光线穿过透镜40，其被计算为以使得射线平行于光轴“x”从透镜射出(参见图1)。
图3示出了非球面透镜的例子。其特征在于，通过下列在圆柱坐标下的方程来计算的垂度(flèche)z(r)：
其中：R是透镜的曲率半径；
K是锥度；
r是垂度与光轴之间的距离；
α1r2+α2r4+α3r6+…：关于“r”或α1、α2、α3……的多项式是确定的系数，其用于改变透镜的垂度z(r)，并因此改变发出的射线的方向。
对于接近透镜光轴x的参数r的低值，可以由“锥形”曲线来定义透镜。
如图4中所示，透镜的曲率C(以虚线表示)由校正因子逐渐校正(以虚线表示的曲率C1)。
曲率C对应于锥形外形的透镜的方程(1)的一部分：在靠近透镜的光轴处，光线r1在平行于光轴x的方向上(以粗线表示)射出：在靠近光轴处，曲率C和C1汇合在一起。随着远离光轴，射线r1逐渐偏离该方向(以细线表示的射线r2)。
校正系数逐渐地使得曲率C变形，以使得所有射线平行于方向x(以虚线表示的射线r3)射出。
被认为是光轴x的射线的出射面的曲率被称为“曲母线”。
对于出射面，应当理解为射线离开、即射出所经过的表面，而对于入射面，则为由光源生成的光束进入所经过的表面。
图5示出了一种用于定义非球面透镜50的出射面52的方法。
透镜的入射面51是平坦的。
通过将曲母线53围绕对应于透镜光轴x的旋转轴54旋转来获得出射面52。
图6示出了当光源55被安置在位于光轴x上的透镜50的焦点F5处时，投射在参考系XYZ的垂直平面YZ上的光束的分布，其中，光轴x也是旋转轴54，垂直平面YZ被安置在与非球面透镜50相距25m处(屏幕)。
同样获得了“远光”型光束。
当如图1所示地将遮光器放置在靠近透镜50的焦点F5处时，获得“近光或近距离照射光”光束。
该光束聚焦于轴Y和轴Z的相交处。
图7示出了一种用于定义环形透镜70的方法，该环形透镜70通过被用于定义图5的非球面透镜的同一曲母线73来获得。在该情况下，通过将曲母线73围绕旋转轴74旋转，并将入射面71的直母线76围绕垂直轴“z”旋转来获得环形透镜70，其中，垂直轴“z”垂直于光轴x，光轴x经过透镜70的焦点F7。透镜70的入射面71不再是平面，而是柱面。
图8示出了当光源75被放置在位于光轴x上的、透镜70的焦点F7处时，投射在参考系XYZ的垂直平面YZ上的光束的分布，其中，光轴x也是旋转轴74，垂直平面YZ被安置在与非球面透镜70相距25m处(屏幕)。
图9示出了当光源75沿着垂直轴z向上垂直移动时，从环形透镜70发出的光束的分布。这能够形成分界线，这是形成近光所必需的。
从环形透镜70发出的光束是大光束并且散焦。
在现有技术中，通常借助于反射器20(图1)来获得非常靠近轴的不大的聚焦区域。
另一方面，从环形透镜发出的光束不具有能够照亮车辆近处和中等距离处的足够的垂直分布。
下文将描述一种用于定义根据本发明的透镜的方法。
根据本发明的透镜的入射面的曲母线由变化函数来确定。
直到距其光轴的确定距离“d”，透镜的性能等于经典非球面透镜，即从透镜离开的射线与该透镜的光轴平行的透镜(与该轴的角度为零)。超过该距离“d”，方程(1)的校正系数被衰减，从而光线以大于零的角度从透镜射出。参数的衰减由非球面校正多项式来精确定义：
α1r2+α2r4+α3r6+…
从透镜的中平面PM起，对该透镜的每个径向截面施加该变化。
对光束的影响是对分布的垂直放大，这形成了图10所示的效果。
随后，为呈蝴蝶翅状的外围形式确定方向，该外围形式被正确地定向后，则能够更好地照亮近距离或中等距离的道路。
图11示出了当沿着反三角方向围绕透镜光轴旋转光束，即为获得近光的常规分界线(左侧的水平分界线，而对于靠左行驶的国家则向右倾斜)而朝向底部向光分布左侧旋转时获得的光分布。
如图12所示，形成透镜120的入射面的中心区域126的变化形式，以便于形成近光的聚焦区域。
使得在光轴x附近的入射面121变平(聚焦性能如同在非球面透镜中一样)，并且使得该平面形式逐渐变化为圆柱形式，以符合环形透镜的入射面121，即，直至边沿123的圆柱形外形。
图13示出了由变化的入射面121产生的聚焦区域130。
其与图11的分布的聚焦区域重叠。
图14示出了用于机动车辆的前照灯的根据本发明的照明模块100的优选实现方式。
模块100包括光源110，其包括安装在印刷电路112上的功率LED以及例如上述定义方法所定义的透镜120。根据本发明的这种模块100能够在不需要椭球形反射器或可移动遮光器的情况下生成远光。

Claims (4)

1.一种用于定义具有确定光轴的非球面透镜(120)的方法，所述透镜(120)包括能够接收从被安置在位于光轴(x)上的所述透镜(120)的焦点(F)处的光源(110)发出的光通量的入射面(121)以及已经穿过所述透镜(120)的所述光通量的射线自其射出的出射面(122)，通过将直母线围绕垂直于所述透镜(120)的所述光轴(x)的垂直轴(z)旋转来获得所述入射面(121)，而在将限定所述光轴(x)的出射面的曲率的曲母线(124)围绕所述光轴(x)旋转之后获得所述出射面(122)；计算所述曲母线(124)以将从所述出射面(122)射出的所述射线定向在平行于所述光轴(x)的方向上，其特征在于，其包括：利用以所述透镜(120)的中平面(PM)为中心的基本平坦区域(126)来构成所述入射面(121)，随后从所述透镜(120)的所述中平面(PM)开始，针对所述透镜(120)的每个径向截面调节变化，直至在所述透镜(120)的入射面(121)的边沿(123)处获得圆柱形外形。
2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，入射面(121)的变化对应于所述非球面透镜(120)的方程(z(r))，其通过下列在圆柱坐标下的方程被表达为与所述光轴(x)的距离(r)的函数：
z ( r ) = r 2 R ( 1 + 1 - ( 1 + κ ) r 2 R 2 ) + α 1 r 2 + α 2 r 4 + α 3 r 6 + ...
其中：R是所述透镜的曲率半径；
K是锥度；
r是垂度与光轴之间的距离；
α1r2+α2r4+α3r6+...：多项式对应于校正系数，其被确定用于调节所述基本平坦区域成所述圆柱形外形。
3.一种能够生成光束的照明模块(100)，所述照明模块(100)包括光源(110)以及投射透镜(120)，所述透镜(120)利用前述权利要求中的任一项所述的方法来获得。
4.一种机动车辆的前照灯，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求3所述的照明模块(100)，并且其特征在于，通过沿着垂直于所述光轴(x)的方向(z)移动所述光源(110)并且使所述光源(110)围绕所述光轴(x)旋转以获得蝴蝶翅状的光束分布来获得近光，在旋转之后，所述光束分布的轮廓的一部分定义近光的常规分界线。
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