CN105589991A - Led摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，透镜包括同一所述前照灯里的远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜，所述远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜均由入射面(凸型面与圆柱面)、侧面(侧反射面)及出射面(凹形自由曲面)构成。本发明所提供的技术方案适用于使用LED光源的摩托车前照灯新国家标准，克服了当前LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂光学设计的问题、解决了现有的摩托车透镜前照灯存在色温偏高或者光学效率不高的缺陷、简便可靠、成熟可行。

Description

LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法
技术领域
本发明涉及LED摩托车灯照明技术领域，特别涉及LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展和整车配置需求，车灯照明行业内对GB5948-1998《摩托车白炽丝光源前照灯配光性能》要求予以修订的呼声强烈。经过专家组的讨论决定，将制定强制性国家标准，标准名称暂定为“发射对称近光和/或远光的机动车前照灯配光性能”，标准批准发布后，将设置实施过渡期，并逐步替代现行的摩托车前照灯标准GB5948-1998《摩托车白炽丝光源前照灯配光性能》。
摩托车前照灯新国家标准中的光型及照度要求不同于GB5948-1998，新国家标准的即将发布意味着依据GB5948-1998设计的摩托车前照灯将会被淘汰，其使用的光学设计也不再适用于新的国家标准。尤其对于使用LED光源的摩托车前照灯，由于LED芯片的发光模型近似为余弦辐射体，光学特性不同于传统摩托车的白炽丝光源，使LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂的光学设计问题。而现有的摩托车透镜前照灯存在色温偏高或者光学效率不高的问题。
发明内容
本发明针对上述存在的问题，提供了摩托车用的LED前照灯，该LED摩托车前照灯包括远光灯和近光灯，能满足新的国家标准对摩托车用LED前照灯的配光要求，解决了使用LED光源的光学设计问题。
本发明采用如下技术方案。
LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，所述自由曲面集成光学透镜集包括位于同一前照灯中的远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜，所述远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜均各自由入射面、侧反射面及出射面构成；所述入射面由凸型面与圆柱面构成；所述出射面为凹形自由曲面，把朝向照明面一侧的面即出射面称为光学透镜的顶部；
所述远光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定如下：
将光学透镜的底部平面与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O1并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Y1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为照明面中心，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，对该椭圆形区域进行多环带划分，然后将各环带进行网格划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求相应地进行与网格相等数量的划分，LED芯片发光经所述入射面及侧反射面转化后为平行光线，将在曲面的入射角度转化为距中心点距离，之后计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的这些自由曲线绕Z1轴旋转360°组成凹形自由曲面形状；
所述近光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定如下：
将光学透镜的底部平面与LED芯片发光面垂直设置，近光灯的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底部平面平行的平面为X2O2Y2平面，过原点O2并与X2O2Y2平面垂直的轴为Z2轴，其中X2O2Y2平面为水平面，在坐标原点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，把照明区域设为以照明面的中心点o2为圆心的半圆形区域，对该半圆形区域进行多环带划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，光反射器反射的光线经入射面及侧反射面转化为平行光线，将入射角度转化为距中心点距离，计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的自由曲线绕Z2轴旋转360°组成近光灯用光学透镜自由曲面形状。
进一步的，所述对该椭圆形区域进行多环带划分具体包括：按椭圆区域的长半轴a分成n份，然后将短半轴b按长半轴划分的相同比例分成n份，以aj，bj表示划分后长轴a的第j份，j＝1～n，然后以照明面中心点o1为中心，分别以a1+a2+...+aj-1,b1+b2+...+bj-1为长短轴做椭圆，然后以a1+a2+...+aj,b1+b2+...+bj为长短轴作椭圆，两椭圆中心区域为该环带区域。
进一步的，所述对该半圆形区域进行多环带划分具体包括：首先把半圆形区域的圆半径r等分成n份，以rj表示等分后半径的第j份，j＝1～n，然后以照明面中心点o2为圆心，分别以r1+r+...+rj-1和r1+r+...+rj为半径画圆，将该半圆形区域划分为半圆形环带区域。
进一步的，在所述远光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定中，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：把出射光线L1与Z1轴正方向的夹角Φ分成n份，有Φj表示Φ的第j份,Φj与所述环带划分的-aj和-bj一一对应，Φj-1与Φj夹角的光通量等于-aj-1、-bj-1与-aj、-bj表示环带的能量，把出射光线L1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带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于每一小网格区域的能量，算出对应的Φj和θj数值。
进一步的，在所述近光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定中，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：把出射光线L2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，Φj-1与Φj夹角的光通量等于rj-1与rj表示环带的能量.将Φ′j带入光通量公式，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。进一步的，所述凸型面为以LED为焦点的凸型曲面，将光线准直平行，凸型面宽度L由收集的光线角度β，60°≥β≥30°，。
进一步的，所述圆柱面的半径等于凸型面的宽度L，圆柱面将光线偏折至侧反射面。
进一步的，所述侧反射面入射光线为经过圆柱面偏折的光线，反射光线为平行光线，根据折射定律，再通过迭代数值计算得出侧反射面曲线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明所提供的技术方案适用于使用LED光源的摩托车前照灯新国家标准，克服了当前LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂光学设计的问题、解决了现有的摩托车透镜前照灯存在色温偏高或者光学效率不高的缺陷、简便可靠、成熟可行。
附图说明
图1是本发明实施例的远光灯用光学透镜主视示意图。
图2是图1中A-A向剖视示意图。
图3是本发明实施例的近光灯用光学透镜主视示意图。
图4是图3中B-B向剖视示意图。
图5是本发明实施例的远光灯与照明面之间关系的示意图。
图6是本发明实施例的近光灯与照明面之间关系的示意图。
图7是本发明实施例的远光灯出射光线关系的示意图。
图8是本发明实施例的近光灯出射光线关系的示意图。
图中：1-远光灯用光学透镜；11-1远光灯用光学透镜入射凸型面；11-2远光灯用光学透镜入射圆柱面；12-远光灯用光学透镜凹形自由曲面；13-远光灯LED芯片；14-远光灯照明面；15-椭圆形区域；2-近光灯用光学透镜；21-1近光灯用光学透镜入射凸型面；22-近光灯用光学透镜凹形自由曲面；23-光反射器；24-近光灯LED芯片；25-近光灯照明面；26-半圆形区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1至图4所示，用于LED摩托车前照灯的自由曲面光学透镜，包括所述同一个前照灯里的远光灯用光学透镜1和近光灯用光学透镜2，所述远光灯用光学透镜1、近光灯用光学透镜2均为类凸凹透镜，所述远光灯用光学透镜1的面(11-1,11-2)和近光灯用光学透镜2的面(21-1,21-2)为光入射面，两者的凹形自由曲面(12、22)为光出射面，远光灯用光学透镜1和近光灯用光学透镜2分别处于LED芯片(13、24)前面。
对于远光灯用光学透镜凹形自由曲面12，具体而言：
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O1并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Y1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为照明面中心，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多环带划分，然后将各环带进行网格划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，经入射面及侧反射面转化为平行光线，将入射角度转化为距中心点距离，之后计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的这些自由曲线12绕Z1轴旋转360°组成远光灯用光学透镜的凹形自由曲面12；参见见图5和图7。
所述近光灯用光学透镜2的凹形自由曲面22的形状确定如下：将近光灯用光学透镜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的外侧焦点为坐标原点O2建立直角坐标系，以过点O2并平行于近光灯用光学透镜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X2O2Y2平面为水平面，在坐标原点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25，点o2为照明面25的中心点，把照明区域设为以照明面25的中心点o2为圆心的半圆形区域26，对该半圆形区域26进行多环带划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，经入射面及侧反射面转化为平行光线，将入射角度转化为距中心点距离，计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的自由曲线绕Z2轴旋转360°组成近光灯用光学透镜凹形自由曲面22。参见图6和图8。
具体而言，针对远光灯用光学透镜1的凹形自由曲面12：
所述对该椭圆形区域15进行环带划分具体包括：按椭圆区域的长半轴a分成n份，然后将短半轴b按长半轴划分的相同比例分成n份，以aj，bj表示划分后长轴a的第j份，然后以照明面中心点o1为中心，分别以a1+a2+...+aj-1,b1+b2+...+bj-1为长短轴做椭圆，然后以a1+a2+...+aj,b1+b2+...+bj为长短轴作椭圆，两椭圆中心区域为该环带区域。
所述将各环带区域进行网格划分具体包括：首先把某一环带区域的长半轴a和短半轴b分别等分为n份，以a1和bi表示等分后长半轴a的第i份和短半轴的第i份，以照明面中心点o1为中心，将环带区域划等分成m份椭圆形环带区域，然后将环带上任意一点和点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，这样将环带区域划分从mxn个小格子。
所述运用能量守恒定律建立环带能量反向对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：把出射光线L1与Z1轴正方向的夹角Φ(Φ可设置为0°≤Φ≤60°)分成n份，有Φj表示Φ的第j份,Φj与所述环带划分的-aj和-bj一一对应，Φj-1与Φj夹角的光通量等于-aj-1、-bj-1与-aj、-bj表示环带的能量。把出射光线L1在X1O1Y1平面上的投影与X1轴的夹角θ(θ可设置为0°≤θ≤360°)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带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于每一小网格区域的能量，算出对应的Φj和θj数值。
所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该曲线，，然后由得出的这些自由曲线组成自由曲面模型具体包括：先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ1、Φ2...Φn，然后分别设定远光灯用光学透镜1的平面与LED芯片13发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h＝8mm，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到曲线12。
具体而言，针对近光灯用光学透镜2的凹形自由曲面22：
所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：是把出射光线L2与Z2轴正方向的夹角Φ′(Φ′可设置为0°≤Φ′≤60°)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，Φj-1与Φj夹角的光通量等于-rj-1与-rj表示环带的能量.将Φ′j带入光通量公式，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。
所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的这些自由曲线组成自由曲面模型具体包括：是先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ′1、Φ′2...Φ′n，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，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h＝8mm，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到曲线22。
显然，所述凸型面的作用是将光线准直平行，凸型面宽度L由收集的光线角度β，60°≥β≥30°。所述圆柱面的半径等于凸型面的宽度L，圆柱面将光线偏折至侧反射面。而所述侧反射面入射光线为经过所述圆柱面偏折的光线，反射光线为平行光线，根据折射定律，再通过迭代数值计算得出侧反射面曲线，在此无需再展开说明。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述自由曲面集成光学透镜包括位于同一前照灯中的远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜，所述远光灯用光学透镜和近光灯用光学透镜均各自由入射面、侧反射面及出射面构成；所述入射面由凸型面与圆柱面构成；所述出射面为凹形自由曲面，把朝向照明面一侧的面即出射面称为光学透镜的顶部；
所述远光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定如下：
将光学透镜的底部平面与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O1并与X1O1Y1平面垂直的轴为Z1轴，其中X1O1Y1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为照明面中心，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，对该椭圆形区域进行多环带划分，然后将各环带进行网格划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求相应地进行与网格相等数量的划分，LED芯片发光经所述入射面及侧反射面转化后为平行光线，将在曲面的入射角度转化为距中心点距离，之后计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的这些自由曲线绕Z1轴旋转360°组成凹形自由曲面形状；
所述近光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定如下：
将光学透镜的底部平面与LED芯片发光面垂直设置，近光灯的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底部平面平行的平面为X2O2Y2平面，过原点O2并与X2O2Y2平面垂直的轴为Z2轴，其中X2O2Y2平面为水平面，在坐标原点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，把照明区域设为以照明面的中心点o2为圆心的半圆形区域，对该半圆形区域进行多环带划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，光反射器反射的光线经入射面及侧反射面转化为平行光线，将入射角度转化为距中心点距离，计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律反向对应照射区域通过迭代数值计算得出该曲线，然后由得出的自由曲线绕Z2轴旋转360°组成近光灯用光学透镜自由曲面形状。
2.如权利要求1所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述对该椭圆形区域进行多环带划分具体包括：按椭圆区域的长半轴a分成n份，然后将短半轴b按长半轴划分的相同比例分成n份，以aj，bj表示划分后长轴a的第j份，j＝1～n，然后以照明面中心点o1为中心，分别以a1+a2+...+aj-1,b1+b2+...+bj-1为长短轴做椭圆，然后以a1+a2+...+aj,b1+b2+...+bj为长短轴作椭圆，两椭圆中心区域为该环带区域。
3.如权利要求1所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述对该半圆形区域进行多环带划分具体包括：首先把半圆形区域的圆半径r等分成n份，以rj表示等分后半径的第j份，j＝1～n，然后以照明面中心点o2为圆心，分别以r1+r+...+rj-1和r1+r+...+rj为半径画圆，将该半圆形区域划分为半圆形环带区域。
4.如权利要求1所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：在所述远光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定中，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：把出射光线L1与Z1轴正方向的夹角Φ分成n份，有Φj表示Φ的第j份,Φj与所述环带划分的-aj和-bj一一对应，Φj-1与Φj夹角的光通量等于-aj-1、-bj-1与-aj、-bj表示环带的能量，把出射光线L1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带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于每一小网格区域的能量，算出对应的Φj和θj数值。
5.如权利要求1所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：在所述近光灯用光学透镜的凹形自由曲面的形状确定中，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分具体包括：把出射光线L2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，Φj-1与Φj夹角的光通量等于rj-1与rj表示环带的能量.将Φ′j带入光通量公式，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.如权利要求1所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述凸型面为以LED为焦点的凸型曲面，将光线准直平行，凸型面宽度L由收集的光线角度β，60°≥β≥30°，。
7.如权利要求6所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述圆柱面的半径等于凸型面的宽度L，圆柱面将光线偏折至侧反射面。
8.如权利要求1～7任一项所述的LED摩托车前照灯用自由曲面集成光学透镜的设计方法，其特征在于：所述侧反射面入射光线为经过圆柱面偏折的光线，反射光线为平行光线，根据折射定律，再通过迭代数值计算得出侧反射面曲线。
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