CN107588394B - 能实现前照灯ⅲ区配光性能的透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜及其设计方法，其以前表面为沿主光轴外凸的曲面、后表面为垂直于主光轴的平面为基础透镜结构，前表面下部设置一处凹陷结构，凹陷结构包括左右两个平滑曲面，每个平滑曲面为一个直柱面或一个斜柱面，左右两平滑曲面的公共准线是一条凹向内部的平面自由曲线，其位于透镜的纵向横截面上，准线的两端连线与后表面夹角为50‑60度，直柱面母线平行于后表面且向左或右延伸，斜柱面母线向左前下方或右前下方延伸，且与后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45‑50度夹角。本发明通过控制凹陷结构的结构、形状，实现对Ⅲ区光形的控制，从而满足前照灯Ⅲ区法规要求，且结构简单，易于实现，稳定性好。

Description

能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车前照灯透镜及其设计方法，尤其涉及一种能实现Ⅲ区配光性能的前照灯透镜及其设计方法，属于车灯照明技术领域。

背景技术

汽车前照灯法规中对截止线上方区域(即Ⅲ区)有严格的数值要求。目前实现Ⅲ区配光性能较常见的方式是通过面反射和设置透镜皮纹。面反射结构较复杂，有时需要多次反射才可以将光反射到需要的位置，并且由于需要额外增加反射面1，成本也会相应增加，如图1所示。而透镜皮纹虽然无需额外的零部件，只需要在透镜2周围一圈增加颗粒状皮纹3，但由于皮纹结构较小，较容易受其他因素干扰，对Ⅲ区亮度较难控制，并且容易受损，模具寿命也较短，相应结构如图2所示。

发明内容

本发明旨在提供一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜及其设计方法，容易实现，成本低，且稳定性好。

本发明的主要技术方案有：

一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其以前表面为沿主光轴外凸的曲面、后表面为垂直于主光轴的平面为基础透镜结构，所述前表面的下部设置一处凹陷结构，所述凹陷结构包括左右相连的两个平滑曲面，每个所述平滑曲面为一个直柱面或一个斜柱面，左右两个平滑曲面有公共的准线，所述准线是一条凹向基础透镜结构内部的平面自由曲线，所述准线位于所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，所述准线的两端连线与所述后表面的夹角在50-60度范围内，所述直柱面的母线平行于所述后表面且水平向左或向右延伸，所述斜柱面的母线向左前下方或右前下方延伸，且延伸方向与所述后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角。

所述前表面的中心点亦为向前的最凸出点，且位于所述主光轴上。

其前表面和后表面之间交界处设有一圈径向外凸于所述前表面的环形凸台式边框，所述边框的径向外边缘可以设有一处或多处缺口。

所述基础透镜结构优选为左右对称，所述凹陷结构亦为左右对称，所述凹陷结构的左右对称中心平面与所述基础透镜结构的左右对称中心平面重合，所述准线位于左右对称中心平面上。

所述凹陷结构的底部边缘线优选构成所述前表面与所述边框的交界线的一部分。

所述基础透镜结构为球面透镜结构，所述后表面为圆形。

所述准线的上端点位于所述前表面上，所述准线的下端点位于所述前表面与所述边框的交界线的最低点或位于所述基础透镜结构内部、所述最低点的上方其他点。

一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜的设计方法，包括：

步骤(1)，确定一个基础透镜结构，所述基础透镜结构的前表面为沿主光轴外凸的曲面，后表面为垂直于主光轴的平面；

步骤(2)，在所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，确定一条连续光滑的自由曲线段，所述曲线段前高后低且其中部凹向基础透镜结构内部，所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部、该最低点的上方其他位置上，所述曲线段的两端连线与所述后表面的夹角在50-60度范围内，且以所述曲线段为透镜前表面边界线时，光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应；

步骤(3)，以所述曲线段为准线，以平行于所述后表面且水平向左或向右延伸的直线为母线，或以与所述后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角、斜向左前下方或右前下方延伸的直线为母线，形成相应的直柱面或斜柱面，与所述基础透镜结构内部相交的区域切割形成相对于所述前表面的凹陷结构。

所述步骤(2)中，所述自由曲线段的确定过程优选为：先作一条与所述后表面成50-60度角且前高后低的直线段，所述直线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点，在所述直线段上等距离取n个点，将这n个点在所述直线段上的位置作为用于拟合所述自由曲线段的点的初始位置，n为整数，且n≥5，用自由曲线段依次连接这n个点，进行二维光线追击，建立这n个点的位置组合与光线经过所述曲线段射出后形成的光型之间的对应关系，通过调节所述直线段与所述后表面间的夹角粗调光线折射角度，通过调节这n个点偏离各自初始位置的程度微调光线折射角度，直至使光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应，使所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部、该最低点的上方其他位置上。

所述基础透镜结构优选为左右对称，在所述基础透镜结构的左右对称中心平面上确定所述自由曲线段，n优选取5、6或7。

本发明的有益效果是：

与采用面反射实现Ⅲ区配光性能的方式相比，本发明结构简单，无需额外增加零件，成本低；与采用透镜皮纹实现Ⅲ区配光性能的方式相比，本发明结构设计上灵活，易加工，工艺上容易控制，且稳定性好。

在满足法规要求的前提下，采用本发明获得的Ⅲ区亮度较亮，均匀性好，对光源的光利用率更高。

由于可以将所述凹陷结构设计成多种不同的结构、形状，满足Ⅲ区不同光形的需要，因此本发明在透镜上相比于在车灯组件的其他零件上做创新结构设计来实现对Ⅲ区光形的控制更加灵活，设计变换余地更大，且只需考虑透镜一个零件上的光路改变，因此结构设计更为简单易行，效果更为显见、直接。

附图说明

图1为现有的通过面反射实现Ⅲ区配光性能的结构示意图；

图2为现有的通过设置透镜皮纹实现Ⅲ区配光性能的透镜结构示意图；

图3为本发明的所述透镜的一种实施例的前表面正投影结构示意图；

图4为本发明的所述透镜的另一种实施例的前表面正投影结构示意图；

图5是在本发明的所述透镜的一个纵向横截面上光线折射情况示意图；

图6是所述直线段的示意图；

图7是所述直线段和所述曲线段的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，外形大体上与普通透镜类似，其以前表面7为沿主光轴外凸的曲面、后表面8为垂直于主光轴的平面为基础透镜结构，所不同的主要是在所述前表面的下部设置有一处凹陷结构4。所述凹陷结构包括左右相连的两个平滑曲面41、42，每个所述平滑曲面为一个直柱面或一个斜柱面，左右两个平滑曲面有公共的准线44，所述准线是一条凹向基础透镜结构内部的平面自由曲线，所述准线位于所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，所述准线的两端连线与所述后表面的夹角在50-60度范围内，所述直柱面的母线平行于所述后表面且水平向左或向右延伸，所述斜柱面的母线向左前下方或右前下方延伸，且延伸方向与所述后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角。

当左右两个平滑曲面均为所述直柱面时，所述凹陷结构如图3所示。当左右两个平滑曲面均为所述斜柱面时，一个向左前下方延伸，另一个向右前下方延伸，所述凹陷结构如图4所示，左右两个平滑曲面相接处可以设置过渡圆角面，面43是制作所述缺陷时自然形成的工艺表面，无配光要求。

两个平滑曲面41、42是形成前照灯Ⅲ区VV线两侧光型的配光光学表面。通过所述凹陷结构将部分光折射到需要的位置形成Ⅲ区。

通常，所述前表面的中心点亦为向前的最凸出点，且位于所述主光轴上。

所述透镜的前表面和后表面之间交界处设有一圈径向外凸于所述前表面的环形凸台式边框5，主要为了方便所述透镜的安装固定。所述边框的径向外边缘可以设有一处或多处缺口6，用于与支架内设置的凸起相匹配。当所述缺口为多处时，至少有一个所述缺口的结构、形状、大小之一与其他的缺口不同，或者所述缺口沿所述边框非均匀分布，以防止透镜安装在支架内以后发生旋转。所述边框通常具有一定的厚度。

所述基础透镜结构优选为左右对称，所述凹陷结构也可以是左右对称的，这种情况下，所述凹陷结构的左右对称中心平面与所述基础透镜结构的左右对称中心平面重合，所述准线位于左右对称中心平面上。

所述凹陷结构的底部边缘线通常构成所述前表面与所述边框的交界线的一部分。

所述基础透镜结构通常为圆盘状，相应地所述后表面为圆形。

所述基础透镜结构优选为球面透镜结构。

所述准线的上端点位于所述前表面上，所述准线的下端点可以位于所述前表面与所述边框的交界线的最低点，也可以位于所述基础透镜结构内部、该最低点的上方(主要是正上方)其他点。

本发明还公开了一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜的设计方法，包括：

步骤(1)，确定一个基础透镜结构，所述基础透镜结构的前表面为沿主光轴外凸的曲面，后表面为垂直于主光轴的平面；优选采用球面透镜结构。

步骤(2)，如图5所示，在所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，确定一条连续光滑的自由曲线段44，所述曲线段前高后低且其中部凹向基础透镜结构内部，所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部、该最低点的上方(主要是正上方)其他位置上。所述曲线段的两端连线与所述后表面的夹角控制在50-60度范围内，且以所述曲线段为透镜前表面边界线时，光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应；所述曲线段即为前述透镜的所述准线。将所述曲线段的两端连线与后表面的夹具控制在50-60范围，主要是为了其所形成的光形的III区纵向扩散范围。

步骤(3)，以所述曲线段为准线，以平行于所述后表面且水平向左或向右延伸的直线为母线，或以与所述后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角、斜向左前下方或右前下方延伸的直线为母线，形成相应的直柱面或斜柱面，与所述基础透镜结构内部相交的区域切割后形成相对于所述前表面的凹陷结构4。其中，当以平行于所述后表面且分别水平向左和向右延伸的直线为母线时，所获得的左右两个平滑曲面实际上位于同一个柱面上，如图3所示；当以与所述后表面及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角、分别斜向左前下方和右前下方延伸的直线为母线时，所获得的左右两个平滑曲面分别位于一个斜柱面上，如图4所示。根据步骤(3)的拉伸方式所形成的凹陷结构表面，其光型区域的左右边缘角度可以与前照灯Ⅲ区要求光型的左右边缘角度相适应。事实上，左右两侧柱面的母线可以不对称，即一侧的母线平行于后表面且水平向左或右延伸，而另一侧的母线沿与后表面及垂直于后表面的水平面呈45-50度夹角且斜向右前下方或左前下方延伸。但针对中国的前照灯Ⅲ区法规要求，左右两侧柱面的母线优选为相对所述准线所在的纵向横截面左右对称。

如图6、7所示，所述步骤(2)中，所述自由曲线段的确定过程可以为：

先作一条与所述后表面成50-60度夹角θ且前高后低的直线段45，所述直线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点，在所述直线段上等距离取n个点，将这n个点在所述直线段上的位置A1、A2、……、An作为用于拟合所述自由曲线段的点的初始位置，n为自然数，n≥5。图6中n取5。用自由曲线段依次连接这n个点，然后进行二维光线追击，建立这n个点的位置组合(A1＇、A2＇、……、An＇)与光线经过所述曲线段射出后形成的光型之间的对应关系。

通过调节所述直线段与所述后表面间的夹角粗调光线折射角度，通过调节这n个点偏离各自初始位置的程度微调光线折射角度。理论上A1点的偏移方向是沿着所述前表面与所述纵向截面的交线，为了确保所述凹陷结构只占据透镜较小的区域，一般情况下A1点可不做偏移。其他点一般可以选择向上偏移。偏移的结果是要使光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应，同时保证使所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部、该最低点的上方(通常是正上方)其他位置上。

所述基础透镜结构优选为左右对称，并在所述基础透镜结构的左右对称中心平面上确定所述自由曲线段，n取值越大，所述自由曲线段越平滑，但计算量越大。兼顾这两方面，n优选取5、6或7。

适当减少调节的点数，可以简化调节的过程。例如粗调后所述直线段上的位置A1的点在微调时可以保持不动，而以调节其他点的位置为主。以图7所示的曲线段为准线，以与所述后表面呈45-50度夹角、斜向左前下方和右前下方延伸的直线为母线，形成左右两个斜柱面，与所述基础透镜结构内部相交的区域切割后可形成图4所示的凹陷结构。

所述凹陷结构可以随所述透镜本体直接一次模具成型，工艺上易于实现，且由于其位于前照灯照明单元的内侧，不会受损，因此性能稳定，并且无需另外增加其他零件，因此节约成本。

当将所述透镜安装于汽车前照灯上时，应使所述凹陷结构处于所述透镜的底部位置。所述凹陷结构的具体结构、形状(例如与透镜后侧面的夹角)可以根据需要形成的Ⅲ区光形确定。因此通过控制所述凹陷结构的结构、形状，可以实现对Ⅲ区光形的控制，从而满足前照灯Ⅲ区法规要求。

通常所述凹陷结构在所述基础透镜结构的前表面上的开口只占整个前表面面积很小的一部分，具体大小可视实际的外观等需要确定。

本发明所称的左右、上下、前后、水平、纵向等涉及方向的描述都是基于图3、4视角下的相应方向，其中前和后分别是垂直于纸面指向外和指向里的方向。

Claims (10)

1.一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：其以前表面为沿主光轴外凸的曲面、后表面为垂直于主光轴的平面为基础透镜结构，所述前表面的下部设置一处凹陷结构，所述凹陷结构包括左右相连的两个平滑曲面，每个所述平滑曲面为一个直柱面或一个斜柱面，左右两个平滑曲面有公共的准线，所述准线是一条凹向基础透镜结构内部的平面自由曲线，所述准线位于所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，所述准线的两端连线与所述后表面的夹角在50-60度范围内，所述直柱面的母线平行于所述后表面且水平向左或向右延伸，所述斜柱面的母线向左前下方或右前下方延伸，延伸方向与所述后表面以及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角。

2.如权利要求1所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：所述前表面的中心点亦为向前的最凸出点，且位于所述主光轴上。

3.如权利要求2所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：其前表面和后表面之间交界处设有一圈径向外凸于所述前表面的环形凸台式边框，所述边框的径向外边缘设有一处或多处缺口。

4.如权利要求3所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：所述基础透镜结构左右对称，所述凹陷结构左右对称，所述凹陷结构的左右对称中心平面与所述基础透镜结构的左右对称中心平面重合，所述准线位于左右对称中心平面上。

5.如权利要求4所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：所述凹陷结构的底部边缘线构成所述前表面与所述边框的交界线的一部分。

6.如权利要求5所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：所述基础透镜结构为球面透镜结构，所述后表面为圆形。

7.如权利要求3、4、5或6所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜，其特征在于：所述准线的上端点位于所述前表面上，所述准线的下端点位于所述前表面与所述边框的交界线的最低点或位于所述基础透镜结构内部且位于该最低点的上方其他点。

8.一种能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜的设计方法，其特征在于：包括：

步骤(1)，确定一个基础透镜结构，所述基础透镜结构的前表面为沿主光轴外凸的曲面，后表面为垂直于主光轴的平面；

步骤(2)，在所述基础透镜结构的一个纵向横截面上，确定一条连续光滑的自由曲线段，所述曲线段前高后低且其中部凹向基础透镜结构内部，所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部且位于该最低点的上方其他位置上，所述曲线段的两端连线与所述后表面的夹角在50-60度范围内，且以所述曲线段为透镜前表面边界线时，光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应；

步骤(3)，以所述曲线段为准线，以平行于所述后表面且水平向左或向右延伸的直线为母线，或以与所述后表面以及垂直于所述后表面的水平面均呈45-50度夹角、斜向左前下方或右前下方延伸的直线为母线，形成相应的直柱面或斜柱面，与所述基础透镜结构内部相交的区域切割形成相对于所述前表面的凹陷结构。

9.如权利要求8所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述自由曲线段的确定过程为：先作一条与所述后表面成50-60度角且前高后低的直线段，所述直线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点，在所述直线段上等距离取n个点，将这n个点在所述直线段上的位置作为用于拟合所述自由曲线段的点的初始位置，n≥5，用自由曲线段依次连接这n个点，进行二维光线追击，建立这n个点的位置组合与光线经过所述曲线段射出后形成的光型之间的对应关系，通过调节所述直线段与所述后表面间的夹角粗调光线折射角度，通过调节这n个点偏离各自初始位置的程度微调光线折射角度，直至使光线经过所述曲线段射出后形成的光型与前照灯Ⅲ区要求光型的最高和最低角度相对应，并使所述曲线段的上端点位于所述前表面上，下端点位于所述前表面与所述纵向横截面交线的最低点或位于所述基础透镜结构内部且位于该最低点的上方其他位置上。

10.如权利要求9所述的能实现前照灯Ⅲ区配光性能的透镜的设计方法，其特征在于：所述基础透镜结构左右对称，在所述基础透镜结构的左右对称中心平面上确定所述自由曲线段，n取5、6或7。