CN105351885A - 一种led汽车前雾灯用的光学透镜设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法，所述透镜内侧有一个用于放置LED光源的空腔，LED光源正对着透镜空腔发光；LED中心部分的光线，该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆球面，进入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部中间的自由曲面发生折射，形成出射光，照射到照明面上；LED边缘部分的光线，该部分光线先在透镜空腔内壁的柱面发生折射进入透镜，然后在透镜外侧的全反射自由曲面发生全反射，最后在透镜顶部边缘的圆环平面产生折射，照射到照明面上。本发明的透镜结构简单紧凑，体积小，光能利用率高，眩光效应低，且达到了ECE？R19？Rev15“F3”级汽车前雾灯的配光要求。

Description

一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法

技术领域

本发明涉及LED汽车照明领域，特别涉及用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜设计方法。

背景技术

发光二极管(LED)具有寿命长、效率高、响应快、体积小等优点，近年来被广泛的应用于车灯照明领域。随着LED技术的不断革新，LED车灯将是今后车辆照明应用的发展趋势。但是LED应用于汽车前雾灯仍然具有较大的挑战性，光能利用率还需进一步提高。

联合国欧洲经济委员会汽车法规(ECER19Rev15)对汽车前雾灯的配光性能做了非常详细的定义和要求。最初的前雾灯，也就是“B”级前雾灯只可装用GB15766.1或R37规定的光源。而“F3”级前雾灯相对“B”级来说，提高了配光性能，增加光束的宽度，提高了H‐H线以下的最小光强值，同时增大了控制前方地面的最大光强要求，H‐H线以上则减低了模糊光的光强值以提高能见度。

发明内容

本发明提供了一种用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜设计方法，该光学透镜体积小，安装方便，能有效地控制LED发出的发散光，能量利用率高，眩光低，同时能满足ECER19Rev15对“F3”级汽车前雾灯的配光要求。

本发明采用以下技术方案。

LED汽车前雾灯用的自由曲面光学透镜，所述透镜内侧有一个空腔，该空腔可用于放置LED光源，LED光源正对着透镜空腔发光。从LED光源发出的光线分为两部分分别通过该光学透镜两个不同的自由曲面，实现配光要求。以所述透镜朝向照明面的一侧作为顶部。LED中心部分的光线，发散角范围是该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆球面，进入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部的自由曲面发生折射，形成出射光，照射到照明面上；LED边缘部分的光线，发散角范围是该部分光线先在空腔内壁的柱面发生折射进入透镜，然后在透镜外侧的自由曲面发生全反射，最后在透镜上部的圆环平面产生折射，照射到照明面上。

进一步的，透镜的自由曲面形状确定如下：

1.设定初始条件并对LED光源发光立体角进行均匀划分

建立以LED光源为坐标原点O的坐标系，LED光源发光面所在平面为xoy平面，过原点并与xoy平面垂直的轴为z轴，以z轴正方向为光轴方向。与z轴交点为O′且平行于平面xoy的平面为目标照明面，点O′为目标照明面的中心点。LED光源总光通量为Φ，中心光强为I₀＝Φ/π。

设光源与照明面的距离为H，将LED光源发光立体角进行角度等份划分，其中为出射光线与z轴的夹角，θ为出射光线在xoy平面上的投影与x轴的夹角。将光源中心部分的立体角等分成m份，对于每一个都将θ_c等分成n份，即对于第i，j份，可以表示成和θ_c(i,j)数组。

同样，将光源边缘部分的立体角等分成m份，对于每一个都将θ_e等分成n份，即对于第i，j份，可以表示成和θ_e(i,j)数组。由微分学原理可知，m和n的数值越大，计算的精度会越高。

2.利用能量守恒将照明区域进行划分

根据汽车前雾灯在照明面上的照度分布特性，可以把照明面上的照明区域设定为水平线以下1°的矩形区域，配光光型范围较广，光能主要集中在中间左右10°位置部分。对应于光源立体角的划分，目标照明面的直角坐标也相应的在y方向上分成m份，对于每一份y，都将x方向分成n份，在目标照明面直角坐标系中得到与光源立体角中数组和θ_c(i,j)、和θ_e(i,j)一一对应的y_c(i)和x_c(i,j)、y_e(i)和x_e(i,j)数组。

先考虑光源中心部分光线。由于照明区域为水平线以下1°的矩形区域，该矩形区域只关于y轴对称，对x轴不对称，故在计算透镜顶部自由曲面时需分开两部分：θ＝0～π和θ＝π～2π。以照明区域x轴方向每条长矩形区域为研究对象，考虑θ＝0～π部分，假设矩形区域的平均照度为E_v，则有

式中a，b为照明矩形照明区域的长和宽。

对于照明区域x轴方向第i条长矩形区域，根据能量守恒定律可得：

由以上两式可以得到与y_c(i)的对应关系。接着，以照明区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

式中，E₀·k_i,j表示第i行j列网格的照度值，根据汽车前雾灯的标准要求，预设照度值E₀，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。由以上三式可得到θ_c(i,j)与x_c(i,j)的关系，即找到了所设计透镜上每个立体角元与照明面上网格之间的能量守恒关系。

对于θ＝π～2π部分，只需将以上积分式中对θ的积分范围改为π～2π则可求出与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系。

同样地，考虑LED光源边缘光线时，的积分范围为θ也分为θ＝0～π和θ＝π～2π两部分计算，运用以上方法可求出与y_e(i)、θ_e(i,j)与x_e(i,j)的对应关系。

3.计算自由曲面离散点坐标

由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折反射定律公式如下：

${\[1+n^2-2\·n\·(\stackrel{\→}{Out}\·\stackrel{\→}{In})\]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{Out}-n\·\stackrel{\→}{In}$

式中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量，n为折射率，当发生全反射时，n＝1。

先确定初始点，设初始点的值为0°，与原点的距离为h，该距离决定了整个透镜的厚度。出射光的单位向量可由和θ表示，由能量守恒定律得到了与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系，即入射光线与出射光线的对应关系，从而可以得到出射光线的方向向量。通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜顶部自由曲面离散点的坐标。

接着计算透镜外侧全反射自由曲面。此时初始点的值为90°，坐标为(d,0,0)，d和的大小决定了透镜的直径。同样地，从初始点开始，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜外侧全反射自由曲面离散点的坐标。

4.利用机械建模软件将得到的点拟合为曲面

将计算得到的离散点坐标分别导入机械建模软件中，通过线性插值拟合或取样插值得到两个自由曲面，再利用机械建模软件添加透镜内侧空腔的球面和柱面，最后通过放样曲面和实体组合得到自由曲面透镜模型。

进一步的，d＝8mm；所述原点O与点O′的距离为25m。

所述用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜，可以由PC或PMMA或光学玻璃制成。

与现有技术相比，本发明的优点有：

本发明的透镜结构使得LED光源发出的光能量全部经自由曲面透镜折反射后出射，不需要其它元件辅助配光，减少了系统的光能损耗，提高了光能利用率。透镜的内侧是一个空腔，便于LED光源和散热系统的安装。透镜的体积小，眩光效应低，且达到了ECER19Rev15“F3”级汽车前雾灯的配光要求。

附图说明

图1为实施方式中汽车前雾灯光学系统坐标示意图。

图2为实施方式中LED光源发光立体角的球坐标示意图。

图3为实施方式中光学系统配光原理的二维示意图。

图4为实施方式中目标照明区域划分示意图。

图5为实施方式中透镜的三维立体正视示意图。

图6为实施方式中透镜的三维立体仰视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述，但本发明的实施和保护不限于此。

1.建立坐标系和设定初始条件并对LED光源发光立体角进行均匀划分

首先，如图1所示，建立以LED光源发光面101的中心为坐标原点O的坐标系，LED光源发光面所在平面为xoy平面，过原点并与xoy平面垂直的轴为z轴，以z轴正方向为光轴方向。与z轴交点为O′(原点O与点O′间的距离为25m)且平行于平面xoy的平面为目标照明面200，点O′为目标照明面的中心点。如图2所示，为LED出射光线与z轴的夹角，θ为出射光线在xoy平面上的投影与x轴的夹角。将光源中心部分的立体角(此例中设置为)等分成m份，对于每一个都将θ_c等分成n份，即对于第i，j份，可以表示成和θ_c(i,j)数组。

同样，将光源边缘部分的立体角(此例中设置为)等分成m份，对于每一个都将θ_e等分成n份，即对于第i，j份，可以表示成和θ_e(i,j)数组。

如图3中光学系统配光原理二维示意图所示，透镜300内侧有一个空腔，该空腔可用于放置LED光源100，LED光源正对着透镜空腔发光。以所述透镜朝向照明面的一侧作为顶部。从LED光源发出的光线分为两部分分别通过该光学透镜两个不同的自由曲面，实现配光要求。LED中心部分光线，发散角范围是该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆球面301，进入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部的自由曲面303发生折射，形成出射光，照射到照明面200上；LED边缘部分的光线，发散角范围是该部分光线先在空腔内壁的柱面302发生折射进入透镜，然后再透镜外侧的自由曲面304发生全反射，最后在透镜上部的圆环平面305产生折射，照射到照明面200上。

2.对目标照明区域进行划分

根据汽车前雾灯在照明面上的照度分布特性，可以把照明面上的照明区域设定为水平线以下1°的矩形区域，如图4所示。配光光型范围较广，光能主要集中在中间左右10°位置部分。对应于光源立体角的划分，目标照明面的直角坐标也相应的在y方向上分成m份，对于每一份y，都将x方向分成n份，在目标照明面直角坐标系中得到与光源立体角中数组和θ_c(i,j)、和θ_e(i,j)一一对应的y_c(i)和x_c(i,j)、y_e(i)和x_e(i,j)数组。

先考虑光源中心部分光线。由于照明区域为水平线以下1°的矩形区域，该矩形区域只关于y轴对称，对x轴不对称，故在计算透镜顶部自由曲面时需分开两部分：θ＝0～π和θ＝π～2π。以照明区域x轴方向每条长矩形区域为研究对象，考虑θ＝0～π部分，假设矩形区域的平均照度为E_v，则有

式中a，b为照明矩形照明区域的长和宽。

对于照明区域x轴方向第i条长矩形区域，根据能量守恒定律可得：

由以上两式可以得到与y_c(i)的对应关系。接着，以照明区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：

式中，E₀·k_i,j表示第i行j列网格的照度值，根据汽车前雾灯的标准要求，预设照度值E₀，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。由以上三式可得到θ_c(i,j)与x_c(i,j)的关系，即找到了所设计透镜上每个立体角元与照明面上网格之间的能量守恒关系。

对于θ＝π～2π部分，只需将以上积分式中对θ的积分范围改为π～2π则可求出与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系。

同样地，考虑LED光源边缘光线时，的积分范围为θ也分为θ＝0～π和θ＝π～2π两部分计算，运用以上方法即可求出与y_e(i)、θ_e(i,j)与x_e(i,j)的对应关系。

3.由折反射定律计算出自由曲面上离散点的坐标

由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折反射定律公式如下：

${\[1+n^2-2\·n\·(\stackrel{\→}{Out}\·\stackrel{\→}{In})\]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{Out}-n\·\stackrel{\→}{In}$

式中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量，n为折射率，当发生全反射时，n＝1。

先确定初始点，设初始点的值为0°，与原点的距离为h，该距离决定了整个透镜的厚度。出射光的单位向量可由和θ表示，由能量守恒定律得到了与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系，即入射光线与出射光线的对应关系，从而可以得到出射光线的方向向量。通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜顶部自由曲面离散点的坐标。

接着计算透镜外侧全反射自由曲面。此时初始点的值为90°，坐标为(d,0,0)，d和的大小决定了透镜的直径。同样地，从初始点开始，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜外侧全反射自由曲面离散点的坐标。

4.利用机械建模软件将得到的点拟合为曲面

将计算得到的离散点坐标分别导入机械建模软件中，通过线性插值拟合或取样插值得到两个自由曲面303、304，再利用机械建模软件添加透镜内侧空腔的球面301和柱面302，最后通过放样曲面和实体组合制作出自由曲面透镜的实体模型300，如图5所示。图6所示为透镜的三维立体仰视示意图。

以上对本发明所提供的LED汽车前雾灯自由曲面光学透镜进行了详细介绍，LED光源发出的光能量全部经该自由曲面透镜折反射后出射，不需要其它元件辅助配光，减少了系统的光能损耗，提高了光能利用率。透镜的内侧是一个空腔，便于LED光源和散热系统的安装。透镜的体积小，眩光效应低，同时能达到了ECER19Rev15“F3”级汽车前雾灯的配光要求。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 (4)

1.一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法，其特征在于所述透镜内侧有一个空腔，该空腔可用于放置LED光源，LED光源正对着透镜空腔发光；以所述透镜朝向照明面的一侧作为顶部，从LED光源发出的光线分为两部分分别通过该光学透镜两个不同的自由曲面，LED中心部分的光线，发散角范围是该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆球面，进入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部中间的自由曲面发生折射，形成出射光，照射到照明面上；LED边缘部分的光线，发散角范围是该部分光线先在透镜空腔内壁的柱面发生折射进入透镜，然后在透镜外侧的全反射自由曲面发生全反射，最后在透镜顶部边缘的圆环平面产生折射，照射到照明面上；

透镜的自由曲面形状确定如下：

(1)建立以LED光源为坐标原点O的坐标系，LED光源发光面所在平面为xoy平面，过原点并与xoy平面垂直的轴为z轴，以z轴正方向为光轴方向；与z轴交点为O′且平行于平面xoy的平面为目标照明面，点O′为目标照明面的中心点；LED光源总光通量为Φ，中心光强为I₀＝Φ/π；

设光源与照明面的距离为H，将LED光源发光立体角进行角度等份划分，其中为出射光线与z轴的夹角，θ为出射光线在xoy平面上的投影与x轴的夹角；将光源中心部分的立体角等分成m份，每一份表示为i＝1～m，每一个对应的出射光线在xoy平面上的投影与x轴的夹角θ_c也相应等分成n份，每一份表示为θ_c(i,j)，j＝1～n，即对于第i、j份，表示成和θ_c(i,j)数组；

同样，将光源边缘部分的立体角等分成m份，对于每一个都将θ_e等分成n份，即对于第i、j份，表示成和θ_e(i,j)数组；

(2)把照明面上的照明区域设定为水平线以下1°的矩形区域，光能主要集中在中间左右10°位置部分；对应于光源立体角的划分，目标照明面的直角坐标也相应的在y方向上分成m份，对于每一份y，都将x方向分成n份，在目标照明面直角坐标系中得到与光源立体角中数组和θ_c(i,j)、和θ_e(i,j)一一对应的y_c(i)和x_c(i,j)、y_e(i)和x_e(i,j)数组；

先考虑LED光源中心部分光线，由于照明区域为水平线以下1°的矩形区域，该矩形区域只关于y轴对称，对x轴不对称，故在确定透镜顶部自由曲面时需分开两部分：θ＝0～π和θ＝π～2π；以照明区域x轴方向每条长矩形区域为研究对象，考虑θ＝0～π部分，假设矩形区域的平均照度为E_v，则有

式中a，b为照明矩形照明区域的长和宽；

对于照明区域x轴方向第i条长矩形区域，根据能量守恒定律可得：

由以上两式得到与y_c(i)的对应关系，接着，以照明区域的每一小方格作为研究对象，根据能量守恒得到下式：

式中，E₀·k_i,j表示第i行j列网格的照度值，根据汽车前雾灯的标准要求，预设照度值E₀，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；由以上三式得到θ_c(i,j)与x_c(i,j)的关系，即找到了所透镜上每个立体角元与照明面上网格之间的能量守恒关系；

对于θ＝π～2π部分，只需将以上积分式中对θ的积分范围改为π～2π则可求出与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系；

同样地，考虑LED光源边缘光线时，的积分范围为θ也分为θ＝0～π和θ＝π～2π两部分计算，运用前述方法获得与y_e(i)、θ_e(i,j)与x_e(i,j)的对应关系；

(3)由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折反射定律公式如下：

${\[1+n^2-2\·n\·(\stackrel{\→}{Out}\·\stackrel{\→}{In})\]}^{1/2}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{Out}-n\·\stackrel{\→}{In},$

式中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量，n为折射率，当发生全反射时，n＝1；

先确定初始点，设初始点的值为0°，与原点的距离为h，该距离决定了整个透镜的厚度；出射光的单位向量由和θ表示，由能量守恒定律得到了与y_c(i)、θ_c(i,j)与x_c(i,j)的对应关系，即入射光线与出射光线的对应关系，从而得到出射光线的方向向量；通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜顶部自由曲面离散点的坐标；

接着确定透镜外侧的全反射自由曲面，此时初始点的值为90°，坐标为(d,0,0)，d和的大小决定了透镜的直径；同样地，从初始点开始，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得出下一点，通过计算机迭代得出透镜外侧全反射自由曲面离散点的坐标；

(4)将步骤(3)得到的离散点坐标分别导入机械建模软件中，通过线性插

值拟合或取样插值得到两个自由曲面，再利用机械建模软件添加透镜内侧空

腔的球面和柱面，最后通过放样曲面和实体组合得到自由曲面透镜结构。

2.根据权利要求1所述的一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法，其特征在于，d＝8mm；所述原点O与点O′的距离为25m。

3.根据权利要求1所述的一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法，其特征在于，用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜由PC或PMMA或光学玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种LED汽车前雾灯用的光学透镜设计方法，其特征在于，所述m和n的数值越大，获得的透镜精度会越高。