CN106439689A - 远近光一体式汽车led前照灯的光学系统 - Google Patents

远近光一体式汽车led前照灯的光学系统 Download PDF

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Abstract

远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，包括两模组光源同时开启的远光灯和单模组的近光灯两个部分，近光灯光路系统由白光LED光源近光模组（1）、空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）、投光透镜（3）和光阑板（4）组成，远光光路系统由空间自由曲面改进的椭球面反射器（5）、白光LED光源远光模组（6）以及叠加的近光光路系统组成，其特征在于：所述白光LED光源远光模组（6）从第一焦点处出发会聚到第二焦点处，经过投光透镜（3），与近光光路的光共同形成远光光束，两种模式的切换形成远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统。本发明，较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，提高了光能利用率。

Description

远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种给机动车驾驶员提供道路照明的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统。
技术背景
目前机动车使用的前照灯近光系统能够为机动车驾驶员提供道路照明。根据国内外前照灯标准，近光系统应在避免对道路对面来车驾驶员造成眩光的情况下，提供足够水平宽度的道路照明照亮相邻车道，并同时能照明车道远处，给驾驶员判断路面情况提供方便。
我国所采用的车灯标准GB4599-2007《汽车前照灯配性能》是参考欧洲经济委员会的相关法规《E/ECE/324 Addendum 1:Regulations No.1 and No.2》。针对汽车用LED前照灯，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2011年01月10日发布，2012年01月01日实施新的汽车用LED前照灯国标GB25991-2010，根据国标标准，机动车前照灯近光系统需要在车灯前方25米处形成一个水平扩展达到7920mm，垂直扩展达到1250mm的矩形光斑；同时，在光斑的右半部分，在矩形光斑基础上叠加了与水平方向成15°的矩形光斑。整个光斑的上沿要在测试屏幕上形成一条清晰的截止线，即截止线的左半部分水平，右半部分与水平方向成15°；同时，截止线的转折处下方应有一块合适的亮区特殊点照明。
现行的汽车前照灯近光系统主要以卤钨灯和氙灯作为光源，采用的光学系统包括二次曲面反射器-挡板-透镜系统和自由曲面反射器，存在如下问题：1．使用卤钨灯作为光源，要能够产生满足要求的照度，其功率要求非常高，并且车灯所使用的卤钨灯有严格的光源标准和分类，因而系统的运行成本很高；2．前照灯系统需要在夜晚长时间运行，卤钨灯的寿命相对较短，因而需要机场频繁更换灯泡，维护成本也较高； 3.无论是采用二次曲面反射器-挡板-透镜系统还是采用自由曲面反射器，光源出射的光线都有相当一部分被挡板或者铝帽遮挡和吸收，使整体的光学系统效率受到很大限制；4．采用自由曲面反射器实现的光斑截止线通常不够清晰，存在光斑毛刺；5.难以做到智能智慧照明。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于LED光源的远近光一体式汽车前照灯的光学系统，是使用若干颗LED芯片COB封装的高功率白光LED作为光源，两模组组合远近光光路,实现一体式汽车LED前照灯远近光灯的照明，也为进一步的智能智慧照明提供了研究基础。
本发明的技术方案是：远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，包括两模组光源同时开启的远光灯和单独的近光灯两个部分，近光灯光路系统由白光LED光源近光模组、空间自由曲面组合改进的椭球面反射器、投光透镜和光阑板组成，远光光路系统由空间自由曲面改进的椭球面反射器、白光LED光源远光模组以及叠加的近光光路系统组成，远光光源散热器和近光光源散热器组成白光LED光源远光模组、白光LED光源近光模组的散热系统，白光LED光源近光模组的光源几何中心置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第一焦点处，光阑板置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第二焦点附近，同时光阑板位于投光透镜的前焦点附近，白光LED光源远光模组的光源几何中心置于空间自由曲面改进的椭球面反射器的第一焦点处，空间自由曲面组合改进的椭球面反射器和空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第二焦点近似重合；其特征在于：所述白光LED光源近光模组发出的光从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，经过光阑板，让大部分的光进入投光透镜投射出去照明，并且形成15°斜线或者45°台阶式的截止线的近光光束；所述白光LED光源远光模组从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，同时光阑板移开，经过投光透镜投射出去，与近光光路的光共同形成远光光束，两种模式的切换形成远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统。
所述白光LED光源近光模组和白光LED光源远光模组为若干颗大功率LED芯片COB封装的有特定阵列分布的白光LED光源模组，光源功率大小5-20W，白光LED光源近光模组的发光面法线根据空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的特征平行于或者垂直于椭球面反射器对称轴，白光LED光源远光模组的发光面法线垂直于椭球面反射器的对称轴。
所述空间自由曲面组合改进的椭球面反射器是适应于白光LED光源近光模组结构的多曲面组合，长度为20-100 mm，口径为30-150mm的，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
所述的光阑板是15度斜刀口光阑板，或者45度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面。
所述的投光透镜的前焦点在空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第二焦点附近并向前离焦1-8mm，投光透镜的相对孔径等于或大于椭球面反射器出射光束的相对孔径。
所述的椭球面反射器是适应于白光LED光源远光模组和白光LED光源近光模组结构的多曲面组合，每个椭球面反射器第一焦点为10-50 mm，第二焦点为15-100mm，口径为25mm-141mm的半口径，长度为12.5mm-100mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率高达95%以上，空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第二焦点与空间自由曲面组合改进的椭球面反射器的第二焦点的几何中心重合。
由白光LED光源近光模组和白光LED光源远光模组同时开启，光阑板移开时，两光路有效的组合出射的是远光光束；单近光光路白光LED光源近光模组开启，保持光阑板位置，出射的是近光光束。
由两白光LED光源近光模组和白光LED光源远光模组的近光光源散热器和远光光源散热器的结合，既对其中每一个模组散热，也能同时对两模组散热。
本发明，采用两模组白光LED光源，一体式远近光结构，能够发出完全满足国内外相关前照灯远近光标准的照明光束，并提供足够的路面照度和较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，以排除行车干扰和帮助机动车驾驶者及时看清前方的（或前面的）路面状况。降低了系统的能耗，通过光学设计使系统发出满足要求的光斑，并且提高其对光能的利用率。仅以能耗15-20W的LED光源（组）实现对于基于传统55W及以上光源卤钨灯和氙灯的远光系统的替代，以能耗10-15W的LED光源（组）实现对于基于传统55W及以上光源卤钨灯和氙灯的近光系统的替代，并且所实现照明效果更优于传统前大灯的光学系统。
附图说明
图1是本发明远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统结构示意图。
图2是本发明两白光LED模组同时开启，投射光束为远光光束的光路示意图。
图3是本发明近光光学系统结构示意图。
图4是本发明近光光学系统的光路图。
图中：1白光LED光源近光模组、2空间自由曲面组合改进的近光椭球面反射器、3投光透镜、4光阑板、5空间自由曲面组合改进的远光椭球面反射器、6白光LED光源远光模组、7远光光源散热器、8近光光源散热器。
具体实施方式
远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，包括两模组光源同时开启的远光灯和单独的近光灯两个部分，近光灯光路系统包括白光LED光源近光模组1、空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2、投光透镜3和光阑板4组成，远光光路系统包括空间自由曲面改进的椭球面反射器5、白光LED光源远光模组6以及叠加的近光光路系统组成，远光光源散热器7和近光光源散热器8组成远光白光LED光源远光模组6、白光LED光源近光模组1的散热系统，白光LED模组I1的光源几何中心置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2的第一焦点处，光阑板4置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2的第二焦点附近，同时光阑板4位于投光透镜3的前焦点附近，白光LED光源远光模组6的光源几何中心置于空间自由曲面改进的椭球面反射器5的第一焦点处，空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2和空间自由曲面组合改进的椭球面反射器5的第二焦点近似重合；所述白光LED光源近光模组1发出的光从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，经过光阑板4，让大部分的光进入投光透镜3投射出去照明，并且形成15°斜线或者45°台阶式的截止线的近光光束；所述白光LED光源远光模组6从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器2的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，同时光阑板4移开，经过投光透镜3投射出去，与近光光路的光共同形成远光光束，两种模式的切换形成远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统。
实施例1：
如图1所示，是本发明远近光一体式汽车LED前照灯光学系统结构图，图2是远光投射光束的光路图，图3所示是本发明近光光学系统结构图，图4是近光光学系统光路图；采用大功率多芯片COB封装的6~15W白光LED光源近光模组1和多芯片COB封装的4~12W白光LED光源远光模组6作为光源，空间自由曲面组合改进的近光椭球面反射器2的长度为40mm，口径为60mm，第一焦距为9mm，第二焦距为39mm，第一焦点位置与白光LED光源近光模组1的几何中心重合，光阑板4是15度斜刀口光阑板，或者45度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面，位于空间自由曲面组合改进的近光椭球面反射器2的第二焦点附近，投光透镜3的前焦点在椭球面反射器2的第二焦点附近，投光透镜3的口径为60mm，前焦距为37mm；空间自由曲面组合改进的近光椭球面反射器5长度为30mm，口径为34mm的半口径，第一焦距为9mm，第二焦距为50mm，第一焦点与白光LED光源远光模组6的几何中心重合，第二焦点与空间自由曲面组合改进的近光椭球面反射器2的第二焦点重合。
按照国标GB4599-2007《汽车前照灯配性能》规定的汽车前照灯的远近光系统的25m远处光学测试屏上的测试要求；将远近光一体式汽车LED前照灯的远近光光学系统光源LED点亮，在25m远测试屏观察光照度分布，并做微调，满足汽车前照灯远近光照明的要求，其它关键点也满足要求。
本发明有以下特点：
1.远近光一体式的汽车LED前照灯，结构紧凑，体积小；
2.远近光一体式的汽车LED前照灯远近光自动切换，有利于实现智能智慧照明；
3.自己封装的白光LED作为光源，功率小，系统能耗小，寿命长；
4.远近光一体式的汽车LED前照灯远近光光型分布合理，均匀，投光透镜形成的近光截止线清晰，结构简单易于调试且效果好，安装和维护方便；
5.远近光一体式的汽车LED前照灯，光通量利用率高，整灯能耗小；
6.远近光一体式的汽车LED前照灯可以替代高能耗的传统光源卤钨灯和氙灯。

Claims (7)

1.远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，包括两模组光源同时开启的远光灯和单独的近光灯两个部分，近光灯光路系统由白光LED光源近光模组（1）、空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）、投光透镜（3）和光阑板（4）组成，远光光路系统由空间自由曲面改进的椭球面反射器（5）、白光LED光源远光模组（6）以及叠加的近光光路系统组成，远光光源散热器（7）和近光光源散热器（8）组成白光LED光源远光模组（6）、白光LED光源近光模组（1）的散热系统，白光LED光源近光模组（1）的光源几何中心置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的第一焦点处，光阑板（4）置于空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的第二焦点附近，同时光阑板（4）位于投光透镜（3）的前焦点附近，白光LED光源远光模组（6）的光源几何中心置于空间自由曲面改进的椭球面反射器（5）的第一焦点处，空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）和空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（5）的第二焦点近似重合；其特征在于：所述白光LED光源近光模组（1）发出的光从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，经过光阑板（4），让大部分的光进入投光透镜（3）投射出去照明，并且形成15°斜线或者45°台阶式的截止线的近光光束；所述白光LED光源远光模组（6）从空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的第一焦点处出发会聚到第二焦点处，同时光阑板（4）移开，经过投光透镜（3）投射出去，与近光光路的光共同形成远光光束，两种模式的切换形成远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统。
2.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：所述白光LED光源近光模组（1）和白光LED光源远光模组（6）为若干颗大功率LED芯片COB封装的有特定阵列分布的白光LED光源模组，光源功率大小5-20W，白光LED光源近光模组（1）的发光面法线根据空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的特征平行于或者垂直于椭球面反射器（2）对称轴，白光LED光源远光模组（6）的发光面法线垂直于椭球面反射器（5）的对称轴。
3.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：所述椭球面反射器（2）是适应于白光LED光源近光模组（1）结构的多曲面组合，长度为20-100mm，口径为30-150mm的，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
4.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：所述的光阑板（4）是15度斜刀口光阑板，或者45度斜线过度的台阶式刀口光阑板，刀口中心位于与主光线光轴相交，而且主光线光轴垂直于刀口面。
5.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：所述的投光透镜（4）的前焦点在椭球面反射器（2）的第二焦点附近并向前离焦1-8mm，投光透镜（3）的相对孔径等于或大于椭球面反射器（2）出射光束的相对孔径。
6.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：所述的椭球面反射器（5）是适应于白光LED光源远光模组（6）结构的多曲面组合，每个椭球面反射器第一焦点为10-50 mm，第二焦点为15-100mm，口径为25mm-141mm的半口径，长度为12.5mm-100mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率高达95%以上，空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（2）的第二焦点与空间自由曲面组合改进的椭球面反射器（5）的第二焦点的几何中心重合。
7.根据权利要求1所述的远近光一体式汽车LED前照灯的光学系统，其特征在于：由白光LED光源近光模组（1）和白光LED光源远光模组（6）同时开启，光阑板（4）移开时，两光路有效的组合出射的是远光光束；单近光光路白光LED光源近光模组（1）开启，保持光阑板（4）位置，出射的是近光光束。
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