CN105371235A - 一种led汽车后雾灯用的自由曲面反射镜的设计方法 - Google Patents

一种led汽车后雾灯用的自由曲面反射镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种LED汽车后雾灯用的自由曲面光学反射镜的设计方法,包括:设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分;划分光源立体角,根据能量守恒定律建立映射关系;计算自由曲面反射镜离散点坐标;利用机械建模软件将离散坐标点拟合为曲面。该自由曲面发射镜体积小,光源的发光面垂直向上安装,眩光效应低,同时能满足国家标准GB?11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。本发明采用如下技术方案。LED光源的发光面垂直于光轴方向向上发光,在该自由曲面反射镜上发生反射,最后出射到照明面上。本发明中的自由曲面反射镜具有对称性,设计简单,效率高的优点。

Description

一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜的设计方法
技术领域
本发明涉及LED照明光学系统设计领域,特别涉及LED汽车后雾灯光学系统的自由曲面反射镜的设计方法。
背景技术
LED光源相比于传统光源,具有体积小、热耗低、节能环保、均匀性好等优点,使用冷发光技术,显色性好,无频闪。近年来,随着LED制造成本的减低和应用技术的不断完善,LED在车用照明中的应用越来越广泛,LED车灯将是今后车辆照明应用的发展趋势。
根据国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求,在目标照明面上的一个菱形范围内需满足特定的照度要求。目前LED后雾灯的设计方法使用比较广泛的是直射式和透过式。直射式光能利用率较高,结构简答,易于设计,但光源可直接被看到,所以点灯效果不佳,光源直射容易对车后方人造成影响。透过式又称为折射式,透过式的光能利用率较低,而且要求控制精确度很高,具有相对复并实现LED汽车后雾灯的配光仍然具有较大的挑战性。
发明内容
针对LED汽车后雾灯直射式和透过式的光学系统设计问题,本发明提供了一种LED汽车后雾灯用的自由曲面光学反射镜的设计方法,该自由曲面发射镜体积小,光源的发光面垂直向上安装,眩光效应低,同时能满足国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。
本发明采用如下技术方案。
LED光源的发光面垂直于光轴方向向上发光,在该自由曲面反射镜上发生反射,最后出射到照明面上。
自由曲面反射镜的构建过程如下:
1.设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分
以LED光源发光面的中心为原点O,发光面所在平面为XOY平面,过原点O与XOY平面垂直的轴为z轴建立空间立体坐标系。LED光源的发光方向沿z轴正方向。与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面,点o为目标照明面的中心点。
设目标照明面与原点的距离为H,为了满足菱形范围内的照明要求,我们可以在目标照明面上实现长为L宽为W的矩形光斑。针对后雾灯的国家标准配光性能,最终所要得到的光斑形状具有对称性,因此设计时取沿x轴正方向的矩形作为研究对象,则其为面积为L/2×W/2的矩形。建立了正半轴的模型后,通过作对称可得到完整反射镜模型。
对正半轴矩形进行区域均匀划分。首先,沿x轴方向将L/2等分成m份,沿z轴将W/2等分为n份,从而得到目标平面上的离散点坐标数组,分别为x(m)和z(n)。由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格。
2.划分光源立体角,根据能量守恒定律建立映射关系
将LED光源发光立体角进行角度划分,其中α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角,β为出射光线与X轴的夹角。则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量,即为了建立光源立体角与目标照明面的映射关系,在α角上划分为m份,在β角上划分为n份。
设LED光源总光通量为Φ,则光源中心光强为I0=Φ/π,其他方向光线强度与中心光强的关系为I(i,j)=I0cosαsinβ。
基于立体角元划分方式,相邻两个α角内的总能量为:
Φ i = ∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β
对应在目标照明面上的矩形内,设目标照明面的平均照度为Ev,并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域,则根据能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β = E v · L 2 · Δ z
而每一小份立体角内的光通量为:
Φ i , j = ∫ α i α i + 1 ∫ β i , j β i , j + 1 I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β
则由能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ β i , j β i , j + 1 I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β = E v · Δ x · Δ z
其中,Δx=xt(j+1)-xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值,Δz=zt(i+1)-zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值,两者相乘即每一个小格的面积。
由上面关系式可以得到α角、β角与目标照明面点坐标(xt,H,zt)的关系式。
3.计算自由曲面反射镜离散点坐标
折反射定律的矢量形式表示为:
式中n为光源周围介质的折射率,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。在反射镜设计中,n=1,上式变形为:
由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量。由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量。应用折反射公式,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自由曲面上离散点的坐标。
4.利用机械建模软件将离散坐标点拟合为曲面
将计算所得的离散点坐标导入机械建模软件中,可通过线性插值拟合或取样插值得到自由曲面反射镜模型,最后通过镜像获得完整的对称模型。
与现有技术相比,本发明的优点有:LED光源垂直向上发光,光源不会直接照射到车后方人眼睛,减低了眩光效应,同时又能达到国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。该反射镜只在Z轴的上方,相对于直射式的设计方法,体积减小一半,而且安装方便,散热空间较大。本发明中的自由曲面反射镜具有对称性,设计简单,工作效率高。
附图说明
图1为实施方式中的后雾灯光学系统坐标示意图。
图2为实施方式中LED光源发光立体角表示示意图。
图3为实施方式中光学系统原理的二维示意图。
图4为实施方式中光源立体角与目标照明面能量对应关系图。
图5为实施方式中自由曲面反射镜三维立体示意图。
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,需指出的是,以下若无未特别详细说明之过程,均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
1.建立坐标系并设定初始条件
如图1所示,以LED发光面101的中心为坐标原点O,发光面所在平面为XOY平面,LED光源的发光方向为z轴正半轴建立三维空间立体坐标系。与Y轴交点为o且平行于平面XOZ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,α为LED光源出射光线102与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角,β为出射光线与X轴的夹角,则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量,即
I n → = ( c o s β , s i n β s i n α , s i n β c o s α )
如图3中光学系统原理的二维示意图所示,LED光源100垂直于光轴方向向上发光,在自由曲面反射镜300上发生反射,最后出射到照明面200上。
2.对目标照明区域和LED光源发光立体角进行划分
设目标照明面201的中心o与原点O的距离为H,针对后雾灯的国家标准配光性能,最终所要得到的光斑形状具有对称性,因此设计时取沿x轴正方向的矩形作为研究对象,则其为面积为L/2×W/2的矩形。建立了正半轴的模型后,通过作对称可得到完整反射镜模型。
对正半轴矩形进行区域均匀划分。首先,沿x轴方向将L/2等分成m份,沿z轴将W/2等分为n份,从而得到目标平面上的离散点坐标数组,分别为x(m)和z(n)。由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格,如图4所示。
对应于照明区域在x正半轴的划分,光源立体角α角上划分为m份,在β角上划分为n份,如图4所示。
设LED光源总光通量为Φ,光源的中心光强为I0=Φ/π,则相邻两个α角内所有有光线的总能量为:
Φ i = ∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β
对应在目标照明面上的矩形内,设目标照明面的平均照度为Ev,并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域,则根据能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β = E v · L 2 · Δ z
每一小份立体角内的光通量为:
Φ i , j = ∫ α i α i + 1 ∫ β i , j β i , j + 1 I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β
则由能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ β i , j β i , j + 1 I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β = E v · Δ x · Δ z
以上各式中,Δx=xt(j+1)-xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值,Δz=zt(i+1)-zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值,两者相乘即每一个小格的面积。
由上面关系式可以得到α角、β角与目标照明面点坐标(xt,H,zt)的关系式。
3.计算自由曲面反射镜离散点坐标
折反射定律的矢量形式表示为:
式中n为光源周围介质的折射率,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。在反射镜设计中,n=1,上式变形为:
由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量。应用折反射公式,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自由曲面上离散点的坐标。
4.利用机械建模软件将离散坐标点拟合为曲面
将计算所得的离散点坐标导入机械建模软件中,可通过线性插值拟合或取样插值得到自由曲面300,最后通过镜像获得完整的对称模型,如图5所示。
本发明可以使LED光源垂直向上发光,光源不会直接照射到车后方人眼睛,减低了眩光效应,同时又能达到国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。该反射镜只在Z轴的上方,相对于直射式的设计方法,体积减小一半,而且安装方便,散热空间较大。本发明中的自由曲面反射镜具有对称性,设计简单,工作效率高。

Claims (2)

1.一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜设计方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)以LED光源发光面的中心为原点O,发光面所在平面为XOY平面,过原点O与XOY平面垂直的轴为z轴建立空间立体坐标系;LED光源的发光方向沿z轴正方向;与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面,点o为目标照明面的中心点;
设目标照明面与原点的距离为H,为了满足菱形范围内的照明要求,在目标照明面上实现长为L宽为W的矩形光斑;最终所要得到的光斑形状具有对称性,因此取目标照明面位于x轴正方向的矩形作为研究对象,则其为面积为L/2×W/2的矩形,建立了正半轴的模型后,通过作对称可得到完整反射镜模型;
对正半轴矩形进行区域均匀划分,首先,沿x轴方向将L/2等分成m份,沿z轴将W/2等分为n份,从而得到目标平面上的离散点坐标数组,分别为x(m)和z(n);由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格;
(2)将LED光源发光立体角进行角度划分,其中α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角,β为出射光线与X轴的夹角;则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量,即建立光源立体角与目标照明面的映射关系,在α角上划分为m份,在β角上划分为n份;
设LED光源总光通量为Φ,则光源中心光强为I0=Φ/π,其他方向光线强度与中心光强的关系为I(i,j)=I0cosαsinβ;
基于立体角元划分方式,相邻两个α角内的总能量为:
Φ i = ∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β ,
对应在目标照明面上的矩形内,设目标照明面的平均照度为Ev,并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域,则根据能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ 0 p i / 2 I 0 · c o s ( α ) · ( s i n ( β ) ) 2 d α d β = E v · L 2 · Δ z ,
而每一小份立体角内的光通量为:
Φ i , j = ∫ α i α i +1 ∫ β i , j β i , j I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β ,
则由能量守恒定律有:
∫ α i α i + 1 ∫ β i , j β i , j + 1 I 0 · c o s α · sin 2 β · d α d β = E v · Δ x · Δ z ,
其中,Δx=xt(j+1)-xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值,Δz=zt(i+1)-zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值,两者相乘即每一个小格的面积,
由上面关系式得到α角、β角与目标照明面点坐标(xt,H,zt)的关系式;
(3)反射定律的矢量形式表示为:
式中n为光源周围介质的折射率,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,在反射镜设计中,n=1,上式变形为:
由步骤(1)和(2)中所确定的α和β求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量;由步骤(1)和(2)中所确定的α和β求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量;应用折反射公式,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可得出下一点,通过计算机迭代可得出自由曲面上离散点的坐标;
(4)将计算所得的离散点坐标导入机械建模软件中,可通过线性插值拟合
或取样插值得到自由曲面反射镜模型,最后通过镜像获得完整的对称模型。
2.根据权利要求1所述的一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜设计方法,其特征在于LED光源的发光面垂直于光轴方向向上发光,在该自由曲面反射镜上发生反射,最后出射到照明面上。
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