CN106051586B - 一种前照灯 - Google Patents

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Abstract

一种前照灯，包括光源、反光杯、透镜和挡光板，所述光源为环形光源，所述光源位于反光杯的焦点f1处，所述挡光板位于反光杯另一焦点f1'处，所述透镜的焦点f2与反光杯焦点f1'重合；反光杯的反射面为自由曲面，根据透镜的位置和曲面，设计反光杯的自由曲面，使反光杯反射的光线更多的进入透镜，提高光利用率。

Description

一种前照灯
技术领域
本发明涉及前照灯，尤其是具有远光和近光功能的摩托车前照灯。
背景技术
按照规定，摩托车和汽车的前照灯必须具备近光和远光功能。为实现前照灯的近光和远光功能，一般的前照灯包括透镜、反光杯和挡光板，通过挡光板的切换，可以形成近光光型的出光和远光光型的出光。反光杯用于反射光源的光线，使光线入射到透镜，透镜对发光角度进行收缩，提高前照灯的亮度。如中国专利公开号为205065542的一种集远近光于一体的前照灯，包括LED基板、位于所述LED基板上表面的第一LED光源、位于所述LED基板下表面的第二LED光源、与第一LED光源配光的上反射器、与第二LED光源配光的下反射器、散热器和位于光源前方的透镜；所述散热器上设有容置腔体，所述上反射器和下反射器位于所述容置腔体内；所述的散热器的顶部设有安装板，所述安装板上设有供上反射器和下反射器反射出光的出光孔；其特征在于：所述LED基板与散热器为一体结构，所述透镜安装在透镜支架上，透镜支架固定在安装板上；所述透镜支架包括套环和与所述套环后端连接的若干支撑脚，所述套环的前端设有向内延伸的压环，所述套环内壁设有向内的凸块，凸块与压环形成夹持机构；所述透镜底部边缘设有向外延伸的凸缘，所述凸缘设于压环与凸块之间。反光杯由自由曲面形成的反光面，该自由曲面与透镜配合设计是提高前照灯光效的关键因素，然而现有技术中的反光杯与透镜之间的配合设计无法提高前照灯的光效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种前照灯，通过反光杯与透镜的合理配合设计，前照灯的出光光型更好，光利用率更高。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种前照灯，包括光源、反光杯、透镜和挡光板，所述光源为环形光源，所述光源位于反光杯的焦点f1处，所述挡光板位于反光杯另一焦点f1'处，所述透镜的焦点f2与反光杯焦点f1'重合；反光杯的反射面为自由曲面，其设计方法包括以下步骤：
(1)空间直角坐标系下，设定环形光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；
(2)设定系统能量守恒，光线入射到自由曲面反光杯，再入射到自由曲面透镜发生折射时没有能量损失，也就是光源的输出能量等于目标照明面接收到能量；设环形光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是设环形光源的光通量为Q，为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，设环形光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；
目标照明面上照度由中心向边缘递减，
其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；
(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和椭圆形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；椭圆照明面径向等分为i份，方位角等分为j份，假定光源球面与椭圆形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：
目标照明面上区域(r1-r2)的入射光通量为：
由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；
(4)设定光线经过反光杯反射后，经过透镜折射，最终到达目标照明面，其中透镜下表面为一圆形平面，忽略平面的折射作用，经过自由曲面透镜的折射，最终到达目标照明面；自由曲面透镜设为一旋转非球面透镜，其焦点位于自由曲面反光杯的焦点上，自由曲面透镜应用一次snell定律矢量形式得到自由曲面透镜点坐标与目标照明面入射光线，透镜入射光线之间的关系；自由曲面反光杯应用一次n0＝-ni的Snell定律矢量形式得到自由曲面反光杯点坐标与目标照明面入射光线，光源入射光线之间的关系；
自由曲面透镜方程：
去掉高阶项得：
其中r为基圆半径，k为圆锥系数k≠0，z0是透镜下表面的z坐标，r和k确定后，自由曲面透镜即确定；
Snell定律矢量形式如下：
其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线失量，I为入射光线失量，N为折射面的法向失量；
(5)应用4阶Runge‐Kutta方法迭代计算自由曲面反光杯的点坐标：
其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面反光杯第n个点坐标；
其中是步骤4得到的在处自由曲面反光杯点坐标与目标照明面射光线，入射光线的关系式；
(6)将自由曲面反光杯点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面反光杯模型。
作为改进，将透镜和反光杯导入到lucidshape中做光学模拟，修正面光源修正因子和目标照明面照度修正因子，可以得到较为理想的结果。
作为改进，所述环形光源为H7光源。
作为改进，所述反光杯的外壁设有安装板，所述透镜安装在透镜支架上，所述透镜支架包括第一安装座和设置在第一安装座底部的两个支撑脚，所述支撑脚固定在所述安装板上。
作为改进，所述安装板上设有用于驱动挡光板的驱动机构。
作为改进，所述挡光板通过第二安装座固定在安装板上，所述挡光板呈L形，包括挡光部和连接部，所述挡光部与连接部连接的一端枢接所述第二安装座上；所述驱动机构包括电磁线圈和设于电磁线圈内的铁芯，所述铁芯的一端设有限位环，铁芯的另一端与连接部连接。当电磁线圈通电后，产生磁场，磁场将铁芯驱动并向一侧移动，铁芯拉动连接部，从而驱动挡光部旋转，起到挡光的作用，光源的光线经过挡光板整形形成近光光型；铁芯复位后将挡光板撤离，从而形成远光光型。
作为改进，所述驱动机构通过第三安装座固定在安装板上。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
本发明通过合理的对反光杯自由曲面和透镜的设计，使反光杯反射的光线更多的进入透镜，从而提高光利用率。
附图说明
图1为本发明前照灯结构示意图。
图2为环形光源被球面包围。
图3为光源与目标照明面之间的关系图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种前照灯，包括光源4、反光杯1、透镜2和挡光板3，所述光源为环形光源，所述光源4位于反光杯1的焦点f1处，所述挡光板3位于反光杯1另一焦点f1'处，所述透镜2的焦点f2与反光杯焦点f1'重合。所述环形光源为H7光源。所述反光杯1的外壁设有安装板6，所述透镜2安装在透镜支架上，所述透镜支架包括第一安装座和设置在第一安装座底部的两个支撑脚，所述支撑脚固定在所述安装板6上。所述挡光板3通过第二安装座固定在安装板6上，所述挡光板3呈L形，包括挡光部31和连接部32，所述挡光部31与连接部32连接的一端枢接所述第二安装座上。所述安装板上设有用于驱动挡光板的驱动机构5，所述驱动机构5通过第三安装座固定在安装板6上；所述驱动机构5包括电磁线圈和设于电磁线圈内的铁芯，所述铁芯的一端设有限位环，铁芯的另一端与连接部32连接；当电磁线圈通电后，产生磁场，磁场将铁芯驱动并向一侧移动，铁芯拉动连接部32，从而驱动挡光部31旋转，起到挡光的作用，光源的光线经过挡光板整形形成近光光型；铁芯复位后将挡光板撤离，从而形成远光光型。
反光杯的反射面为自由曲面，其设计方法包括以下步骤：
(1)空间直角坐标系下，设定环形光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；
(2)设定系统能量守恒，光线入射到自由曲面反光杯，再入射到自由曲面透镜发生折射时没有能量损失，也就是光源的输出能量等于目标照明面接收到能量；如图2所示，设环形光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是设环形光源的光通量为Q，为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，设环形光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；
目标照明面上照度由中心向边缘递减，
其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；
(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和椭圆形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；椭圆照明面径向等分为i份，方位角等分为j份；如图3所示，假定光源球面与椭圆形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：
目标照明面上区域(r1-r2)的入射光通量为：
由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；
(4)设定光线经过反光杯反射后，经过透镜折射，最终到达目标照明面，其中透镜下表面为一圆形平面，忽略平面的折射作用，经过自由曲面透镜的折射，最终到达目标照明面；自由曲面透镜设为一旋转非球面透镜，其焦点位于自由曲面反光杯的焦点上，自由曲面透镜应用一次snell定律矢量形式得到自由曲面透镜点坐标与目标照明面入射光线，透镜入射光线之间的关系；自由曲面反光杯应用一次n0＝-ni的Snell定律矢量形式得到自由曲面反光杯点坐标与目标照明面入射光线，光源入射光线之间的关系；
自由曲面透镜方程：
去掉高阶项得：
其中r为基圆半径，k为圆锥系数k≠0，z0是透镜下表面的z坐标，r和k确定后，自由曲面透镜即确定；
Snell定律矢量形式如下：
其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线失量，I为入射光线失量，N为折射面的法向失量；
(5)应用4阶Runge‐Kutta方法迭代计算自由曲面反光杯的点坐标：
其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面反光杯第n个点坐标；
其中是步骤4得到的在处自由曲面反光杯点坐标与目标照明面射光线，入射光线的关系式；
(6)将自由曲面反光杯点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面反光杯模型；
(7)将透镜和反光杯导入到lucidshape中做光学模拟，修正面光源修正因子和目标照明面照度修正因子，得到较为理想的结果。
经过本发明涉及的前照灯，其远光灯测试数据如下表：
经过本发明涉及的前照灯，其近光灯测试数据如下表：

Claims (7)

1.一种前照灯，包括光源、反光杯、透镜和挡光板，其特征在于：所述光源为环形光源，所述光源位于反光杯的焦点f1处，所述挡光板位于反光杯另一焦点f1'处，所述透镜的焦点f2与反光杯焦点f1'重合；反光杯的反射面为自由曲面，其设计方法包括以下步骤：
(1)空间直角坐标系下，设定环形光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；
(2)设定系统能量守恒，光线入射到自由曲面反光杯，再入射到自由曲面透镜发生折射时没有能量损失，也就是光源的输出能量等于目标照明面接收到能量；设环形光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是设环形光源的光通量为Q，为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，设环形光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；
目标照明面上照度由中心向边缘递减，
其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；
(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和椭圆形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；椭圆照明面径向等分为i份，方位角等分为j份，假定光源球面与椭圆形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：
目标照明面上区域(r1-r2)的入射光通量为：
由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；
(4)设定光线经过反光杯反射后，经过透镜折射，最终到达目标照明面，其中透镜下表面为一圆形平面，忽略平面的折射作用，经过自由曲面透镜的折射，最终到达目标照明面；自由曲面透镜设为一旋转非球面透镜，其焦点位于自由曲面反光杯的焦点上，自由曲面透镜应用一次snell定律矢量形式得到自由曲面透镜点坐标与目标照明面入射光线，透镜入射光线之间的关系；自由曲面反光杯应用一次n0＝-ni的Snell定律矢量形式得到自由曲面反光杯点坐标与目标照明面入射光线，光源入射光线之间的关系；
自由曲面透镜方程：
去掉高阶项得：
其中r为基圆半径，k为圆锥系数k≠0，z0是透镜下表面的z坐标，r和k确定后，自由曲面透镜即确定；
Snell定律矢量形式如下：
其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线矢量，I为入射光线矢量，N为折射面的法向矢量；
(5)应用4阶Runge‐Kutta方法迭代计算自由曲面反光杯的点坐标：
其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面反光杯第n个点坐标；
其中是步骤4得到的在处自由曲面反光杯点坐标与目标照明面入射光线的关系式；
(6)将自由曲面反光杯点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面反光杯模型。
2.根据权利要求1所述的一种前照灯，其特征在于：将透镜和反光杯导入到lucidshape中做光学模拟，修正面光源修正因子和目标照明面照度修正因子。
3.根据权利要求1所述的一种前照灯，其特征在于：所述环形光源为H7光源。
4.根据权利要求1所述的一种前照灯，其特征在于：所述反光杯的外壁设有安装板，所述透镜安装在透镜支架上，所述透镜支架包括第一安装座和设置在第一安装座底部的两个支撑脚，所述支撑脚固定在所述安装板上。
5.根据权利要求4所述的一种前照灯，其特征在于：所述安装板上设有用于驱动挡光板的驱动机构。
6.根据权利要求5所述的一种前照灯，其特征在于：所述挡光板通过第二安装座固定在安装板上，所述挡光板呈L形，包括挡光部和连接部，所述挡光部与连接部连接的一端枢接在所述第二安装座上；所述驱动机构包括电磁线圈和设于电磁线圈内的铁芯，所述铁芯的一端设有限位环，铁芯的另一端与连接部连接。
7.根据权利要求6所述的一种前照灯，其特征在于：所述驱动机构通过第三安装座固定在安装板上。
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Granted publication date: 20190111

Pledgee: China Co. truction Bank Corp Guangzhou green finance reform and innovation pilot area Huadu Branch

Pledgor: GUANGDONG RAYTON INTELLIGENT OPTO. Co.,Ltd.

Registration number: Y2019440000323

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Denomination of invention: A headlamp

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Granted publication date: 20190111

Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou green finance reform and innovation pilot zone Huadu Branch

Pledgor: GUANGDONG RAYTON INTELLIGENT OPTO. Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980033678

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