CN111999887A - 一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，通过对现有的厚壁件的准直孔改为扩散孔，或者将准直面改为扩散面，通过扩散孔、扩散面对光的打散的作用，使得原本准直孔的由于倒角引起暗区的区域被扩散孔打散后的光所覆盖，并且此对暗区的覆盖是经过前期设计的精确计算得出的，所以能很好地改善和解决常规光学结构暗区及不均匀问题。通过前期的一次的理论和模拟微调结合的设计，设计结果更加精确，且无需后期额外附加设计或工艺调整、模具可行性也会极大提高；最终的光学效果也会更可控更均匀。

Description

一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计 方法

技术领域

本发明涉及汽车车灯照明技术领域，尤其涉及一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法。

背景技术

目前使用厚壁件作为车灯的光学系统是很常见的，但是基于当前制造加工工艺的精度限制，所有厚壁件涉及开孔位置的边缘位置都需留有一定倒角来满足加工需求，上述的开孔通常都是具有准直效果的准直孔用以将各个方向入射至准直孔的光线进行准直成为平行光实现均匀出射，然而一方面上述的该开孔位置的边缘位置留有的倒角会造成准直系统缺陷，打到倒角处的光会折射或打到其他区域，而未准直到对应出光面，使得其对应的出光面区域出现明显的暗区，造成厚壁件均匀性降低的现象，另一方面虽对厚壁件的准直孔进行设计优化将准直孔入光面设计为部分或全部添加圆柱形条纹面，或在准直孔入光面添加皮纹能有所改善均匀性，然而前者的改善方法的添加圆柱形条纹面会存在着由于多个圆柱形条纹面的多级链接导致的不可控的问题，并且相邻的每两个圆柱形条纹面之间还是会有倒角，仍可能会带来暗区及不均匀问题，最终点亮效果仍然存在一定缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，通过对现有的厚壁件的准直孔改为扩散孔，或者将准直面改为扩散面，通过扩散孔、扩散面对光的打散的作用，使得原本准直孔的由于倒角引起暗区的区域被扩散孔打散后的光所覆盖，并且此对暗区的覆盖是经过前期设计的精确计算得出的，所以能很好地改善和解决常规光学结构暗区及不均匀问题。本发明提供一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在得到车灯造型输入后，由给定的厚壁件宽度和使用光源的数量确定单个准直器宽度s大小，作为一切设计的初始选定基准的光源1的位置D、根据焦距及光源位置D得出的侧壁2、和厚壁件的一次准直结构的宽度t，默认单个准直器宽度s、光源位置D、侧壁2、厚壁件一次准直结构的宽度t为已知参数，厚壁件在车身坐标系X轴的行车方向的最大垂直长度为已知数值，进而得到厚壁件单个准直器的轮廓外形；

步骤二：根据步骤一中已知参数得到F点和G点，在FG连线的中点下方附近预设取点E1，DE1连线为行车方向，预设DE1值；

步骤三：预设CD的取值，由D便得到预设的C的位置，以C为球心，以CE1为半径，做球面，得到球面弧6b’；

步骤四：以得出的球面弧6b’为基础，通过光学折射定律及应用积分原理计算得出扩散面整面6a’；

步骤五：由扩散孔的扩散面的两个端点需要分别位于DF和DG上，得到DF与6a’的交点X1，DG与6a’的交点Y1，扩散面整面6a’中过两个交点X1和Y1的曲面段弧X1Y1为扩散孔入光面6a1，扩散孔入光面6a1为扩散面，过X1做竖直线与球面弧6b’交于A1，过Y1做竖直线与球面弧6b’交于B1，弧A1B1为扩散孔出光面6b1，扩散孔出光面6b1为球面性质的，由此得到扩散孔61，即A1B1Y1X1，扩散孔61为通过预设值得到的第一次的设计结果；

步骤六：已知一次准直结构的宽度t，对于包含一次准直结构的厚壁件的单个准直器的设计，最终精确的结果存在X1Y1长度＝A1B1长度＝一次准直结构的宽度t，由步骤五得到的第一次结果的扩散孔61的X1Y1长度＝A1B1长度＝u，但是其数值u≠一次准直结构的宽度t，数值间存在比例关系，比例系数为(t/u)；

步骤七：等比例缩放扩散孔61，缩放比例系数即t/u，XY的水平距离值等于t，并保证等比例缩放后的X点位于DF连线、等比例缩放后的Y点位于DG连线，得到等比例缩放后的扩散孔6，以及扩散孔6的扩散孔入光面6a，即弧XY，扩散孔入光面6a为扩散面，同时得到扩散孔6的扩散孔出光面6b，即弧AB，扩散孔出光面6b为球面，扩散孔6为对第一次通过预设值得出的设计结果进行等比例缩放使扩散孔的车身坐标系Y向宽度，即XY水平距离等于一次准直结构宽度的第二次设计结果；

步骤八：针对步骤七得出的扩散孔6，保证扩散孔最窄处的开孔距离v大于2mm，若步骤7得出的扩散孔6的上述v不满足大于2mm这个条件，则对扩散孔6进行尺寸微调，在保证X、Y仍然在DF、DG连线上这一基础上，调大AX、BY的长度直至使v满足大于2mm；

步骤九：针对步骤七、八中得到的扩散孔6，由之前得到的A点，折射后的光线打到扩散孔出光面6b的左端点A点后出射的，上述从A点出射的光线的反向延长线是过C点的，由此θ1的角度值是等于∠ACD的值的，

其中AB＝t为已知的，并且扩散孔6为经过等比例缩放得出的第二次设计结果，在理论设计上为精确值，而由上述步骤7-8得出的球面性质的扩散孔出光面6b可知道其球面半径值，即AC＝扩散孔出光面6b的球面半径值，为已知值的，由此便能得到∠ACD的数值，进而得到θ1＝∠ACD；光源D发出的光，打到扩散孔入光面6a后发生折射，折射后的光线打到扩散孔出光面6b后出射，所述打到扩散孔出光面(6b)的每一处位置点的散射角度都为能够计算得出的已知值，所述散射角度的范围0～θ1，并进入光学模拟阶段；

步骤十：进入光学模拟，初次改善阶段先通过模拟后的均匀性和暗区改善实际情况进行分析，对从球面性质的扩散孔出光面6b出射的光的出射角θ进行相应调整，θ1＝∠ACD＝arcsin((AB/2)/AC)，AB长度值为t，需与厚壁件一次准直结构的宽度相同，由此需要调整的是AC长度值，通过调整C点的位置，即调整理论设计时预设的CD的值实现对AC长度值的调整，由此实现对θ1的调整，对θ1的调整的原理适用于所有的扩散孔出光面6b的出射角θ；

步骤十一：针对步骤十的情况分析进行相应的调整，进行微调，对于CD值进行设计微调的操作，再次得到新的扩散孔出光面和扩散孔入光面，以及得到新的扩散孔62；

步骤十二：对步骤十一中得到的新的未比例缩放前的扩散孔62和新的未比例缩放前的扩散孔63进行比例缩放，使得此进行比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度等于一次准直结构宽度t；

步骤十三：减小CD且未比例缩放前的扩散孔62，其中其车身坐标系Y向宽度＝u2，且u2≠u，弧A2B2的弧中点仍为E1，还示出了模拟阶段比例缩放后的扩散孔6’，其车身坐标系Y向宽度＝t，弧A’B’的弧中点为E’；第二次理论精确设计结果的经等比例缩放后的扩散孔6和第三次进入模拟微调后的经等比例缩放后的扩散孔6’的对比图，扩散孔6的扩散孔最窄处开口距离v与扩散孔6’的扩散孔最窄处开口距离v’存在不同；上述增大CD且新的未比例缩放前的扩散孔63的具体操作设计原理与扩散孔62一致；

步骤十四：对于步骤十一到十三得到的新的扩散孔再次进入光学模拟，进行第二次的模拟步骤和模拟评判分析，根据此次以新的扩散孔进行模拟的暗区解决情况，决定是否再进行微调，其中若此次暗区解决情况达到最优效果，则以此次的扩散孔作为最终设计结果，若此次暗区解决情况未达到最优效果或仍存在缺陷，则再次进行调整CD值、对扩散孔进行微调、对再次微调后的扩散孔的厚壁件进行第三次光学模拟和模拟评判分析，根据评判结果是否已达到最优效果决定设计完成或再次微调；以此类推，直至得到最优效果解决暗区问题实现均匀性要求。

进一步改进在于：所述步骤十中出射角θ的情况分为三种：一是发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟存在暗区改善不足问题，即仍存在暗区问题，则需要增大光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，增大θ需通过减小CD值实现；二是发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟暗区改善过度，原本的暗区处问题有所解决，但出现了出光面的中间区域偏暗的问题，扩散孔出光面的中心区域的原来近似准直的能量过度发散导致中心区域能量不够，整体能效降低；或由于扩散孔出光面6b的出射角θ过大导致原本暗区周边区域过分亮，上述都会出现最终整体存在不均匀问题，则需要减小光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，减小θ需通过增大CD值实现；三是发现暗区改善适度和刚好，整体均匀，则无需进一步调整。

进一步改进在于：所述步骤十一中新的扩散孔出光面、扩散孔入光面、扩散孔的定性的尺寸变化和带来的区别具体如下：对于暗区改善不足的情况则进行减小CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C’点，进行将CD减小到C’D的操作后，再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b2和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a2，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔62，6a2的曲率大于6a1，6b2的曲率大于6b1，(A2B2宽度＝X2Y2宽度)<(A1B1宽度＝X1Y1宽度)；对于暗区改善过度的情况则进行增大CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C3点，进行将CD增大到C3D的操作后，再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b3和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a3，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔63，6a3的曲率小于6a1，6b3的曲率小于6b1，(A3B3宽度＝X3Y3宽度)>(A1B1宽度＝X1Y1宽度)。进一步改进在于：所述光源实际的放置位置为D2，即一次准直结构的焦点，由于D1D2＝D1D，即D2处的光源1发出的光的光路和能量等效为从D虚设一个虚拟光源的发出的光的光路和能量，即在实际设计时会将光源1的实焦点位置D2等效为虚焦点位置D。

对于上述描述的都为采用球面性质的扩散孔出光面6b的设计原理，在实际光学的工程设计中，由于球面半径远大于球面6b到光源1的距离，几何学上可将球面6b看做等效近似平面6c进行计算，即实际的光学设计中还存在另一种情况，即扩散孔出光面采用等效近似平面6c进行设计，采用等效近似平面6c进行设计的设计原理和过程和上述采用球面6b的设计方法基本是一致的，唯一的区别只是在取得球面性质的扩散孔出光面6b的两个端点A和B后，取A和B连线所在平面作为扩散孔出光面，后续的或其它的设计原理和步骤概念与所述权利要求3的步骤1-15的扩散孔出光面为球面性质的6b的设计概念本质是一致的。

进一步改进在于：所述使用等效近似平面6c进行设计时与使用球面6b进行设计时的一处区别之处，即光线经过等效近似平面6c后出射角度的光学原理，光线从光源1出射经过扩散面6a进入扩散孔6，其中扩散孔中的介质为空气，设空气的折射率为n1，设厚壁件的介质折射率为n2，n2＞n1，光线来到平面6c出射并进入厚壁件，以左侧端点A点处的角度θ2进行说明，θ1和θ2满足折射定律：

已知θ1、n1、n2值，扩散孔6的扩散孔出光面的扩散角θ2的值计算得知，且θ2≠θ1。

进一步改进在于：所述步骤十二的微调减小CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔62或微调增大CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔63，由于其车身坐标系Y向宽度不等于之前第一次设计结果的扩散孔61的车身坐标系Y向宽度u，而最终比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度仍为t，因此比例缩放的系数会变化，由此原来的扩散孔最窄处开口距离会发生变化，若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’小于2mm，则需进一步对v’进行调整，调整措施为调大DE’的值，使其满足v’≥2mm，调整时DE’的为满足v’≥2mm的进行的增大或减小的尺寸变化相对于CD或球面半径的CE’来说是及其微小的变化，在工程设计中可以忽略不计，并不存在对出射角θ的影响以及不会对设计的改善暗区的最终效果存在影响；若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’不小于2mm，则无需对v’进行进一步的调整。

本发明的有益效果是：通过对现有的厚壁件的准直孔改为扩散孔，或者将准直面改为扩散面，使得原本准直孔的由于倒角引起暗区的区域被扩散孔打散后的光所覆盖，并且此对暗区的覆盖是经过前期设计的精确计算得出的，所以能很好地改善和解决常规光学结构暗区及不均匀问题；通过前期的一次的理论和模拟微调结合的设计，设计结果更加精确，且无需后期额外附加设计或工艺调整、模具可行性也会极大提高；最终的光学效果也会更可控更均匀。

附图说明

图1是本发明的设计初始的厚壁件单个准直器的已知参数图。

图2是本发明的包含一次准直结构的厚壁件初始设计的俯视图。

图3是本发明的包含一次准直结构的厚壁件初始设计的左视图。

图4是本发明的包含一次准直结构的厚壁件的光源实焦点位置D2和其等效的虚焦点位置D的对比示意图。

图5是本发明的球面6b’和扩散面6a’设计过程图。

图6是本发明的扩散孔61设计过程示意图。

图7是本发明的第一次设计结果值的X1Y1长度u与一次准直结构的宽度t的对比关系图。

图8是本发明的对第一次理论预设设计结果的扩散孔61进行等比例缩放得到第二次理论精确设计结果的扩散孔6的设计过程示意图。

图9是本发明的扩散孔6的最窄处开口距离v的示意图。

图10是本发明的扩散孔6的左端点A点处的出射角θ1及其取值原理示意图。

图11是本发明的进入模拟后对于暗区改善不足情况的进一步改进示意图。

图12是本发明的图11的区域K1的局部放大图。

图13是本发明的进入模拟后对于暗区改善过度情况的进一步改进示意图。

图14是本发明的图13的区域K2的局部放大图。

图15是本发明的进入模拟后调整CD后的未比例缩放前的扩散孔62和比例缩放后的扩散孔6’的示意图。

图16是本发明的进入模拟前的未进行微调CD操作的第二次理论精确设计结果的扩散孔6和进入模拟后进行微调CD操作的扩散孔6’的关系对比图。

图17是本发明的图15与图16的结合示意图。

图18是本发明的步骤五中扩散面的的端点不在DF、DG连线上的第一种情况的示意图。

图19是本发明的步骤五中扩散面的的端点不在DF、DG连线上的第二种情况的示意图。

图20是本发明的不包含一次准直，仅具有二次准直的厚壁件的初始条件示意图。

图21是本发明将球面6b等效近似为平面6c的做法的示意图。

图22是本发明的等效近似为平面6c的出射角θ2的值与球面6b的出射角θ1的值之间的微变化关系的示意图。

图23是本发明的图22的等效近似为平面6c的出射角θ2的值与球面6b的出射角θ1的值之间的微变化关系的局部放大图。

图24是本发明一次准直设计原理和方法的示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步的详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

本实施例提供一种对于包含一次准直和二次准直的厚壁件的设计方法。

1.(图1～图4所示)在得到客户的车灯造型输入后，由客户给定的厚壁件宽度和使用光源的数量可以确定单个准直器宽度s大小(s＝厚壁件宽度/光源数量)；作为一切设计的初始选定基准的光源1的位置D、根据焦距及光源位置D可以得出的侧壁2、和厚壁件的一次准直结构的宽度t，在本发明的设计原理和方法中，默认单个准直器宽度s、光源位置D、侧壁2、厚壁件一次准直结构的宽度t为已知参数。厚壁件在车身坐标系X轴的行车方向的最大垂直长度在得到客户输入和确定上述已知参数后同样是行业内容易得出的一个数据值，由此厚壁件单个准直器的轮廓外形便得到。

结合图2和图3需指出说明一点，对于包含一次准直结构的厚壁件，光源实际的放置位置为图3的D2，即一次准直结构的焦点，由于D1D2＝D1D，即D2处的光源1发出的光的光路和能量等效为从D虚设一个虚拟光源的发出的光的光路和能量，即在实际设计时会将光源1的实焦点位置D2等效为虚焦点位置D。

2.由步骤1的已知参数易得到F点和G点，在FG连线的中点下方附近预设取点E1，DE1连线为行车方向，工程师预设DE1值，如图5所示。

3.工程师根据经验预设CD的取值，由D便得到预设的C的位置，以C为球心，以CE1为半径，做球面，得到球面弧6b’，如图5所示。

4.通过以上述得出的球面弧6b’为基础，通过光学折射定律及应用积分原理(通过软件)计算得出扩散面整面6a’，如图5所示。

5.由扩散孔的扩散面的两个端点需要分别位于DF和DG上，得到DF与6a’的交点X1，DG与6a’的交点Y1，扩散面整面6a’中过两个交点X1和Y1的曲面段(即弧X1Y1)为扩散孔入光面6a1，扩散孔入光面6a1为扩散面，过X1做竖直线与球面弧6b’交于A1，过Y1做竖直线与球面弧6b’交于B1，弧A1B1为扩散孔出光面6b1，扩散孔出光面6b1为球面性质的，由此得到扩散孔61(A1B1Y1X1)，扩散孔61为通过预设值得到的第一次的设计结果，是仍需要进行调整和完善的，如图6所示。

结合图18和图19，此处需要解释说明下为什么需要扩散面的两个端点是位于DF、DG连线上，由于如果设计的扩散面的的端点不在DF、DG连线上，则会出现如图18的光源打出的光一部分会打到21、22上的光会打入相邻的准直结构而导致光效降低和不可控性，其中F1F两点之间的区域为21，G1G两点之间的区域为22；另一种情况是如图19的光源打出的光的一部分由于扩散孔对部分光路的遮挡，使得本应打到23、24面并准直到出光面局部区域一31、出光面局部区域二32区域的光会被遮挡，重新出现新的暗区和不均匀问题，虽然扩散孔具有扩散光的作用，但此两个区域举例扩散孔扩散光的作用范围较远，能起到的缓解暗区的作用也是有限或存在不足的，其中F2F两点之间的区域为23，G2G两点之间的区域为24。基于上述两种扩散面两个端点不在DF、DG连线的风险描述，因此本设计的扩散孔的扩散面的两个端点需要分别位于DF和DG上。

6.已知一次准直结构的宽度t，对于包含一次准直结构的厚壁件的单个准直器的设计，其理论设计最终精确的结果应存在X1Y1长度＝A1B1长度＝一次准直结构的宽度t，由上一步得到的第一次结果的扩散孔61的X1Y1长度＝A1B1长度＝u，但是其数值u≠一次准直结构的宽度t，数值间存在比例关系，比例系数为(t/u)，如图7所示。

7.等比例缩放扩散孔61，缩放比例系数即t/u，图8中的D点和X1点的水平距离、D点和Y1点的水平距离由u/2等比例缩放为t/2，XY的水平距离值等于t，并保证等比例缩放后的X点位于DF连线、等比例缩放后的Y点位于DG连线，得到等比例缩放后的扩散孔6，以及扩散孔6的扩散孔入光面6a(即弧XY)，扩散孔入光面6a为扩散面，同时得到扩散孔6的扩散孔出光面6b(即弧AB)，扩散孔出光面6b为球面。扩散孔6为对第一次通过预设值得出的设计结果进行等比例缩放使扩散孔的车身坐标系Y向宽度(即XY水平距离)等于一次准直结构宽度的第二次设计结果，在理论设计上第二次设计结果为理论精确的，但是对于实际的工程应用是仍需要进一步的光学模拟和调整完善的，如图8所示。

8.针对步骤7得出的扩散孔6，需保证如图9中的扩散孔最窄处的开孔距离v需要大于2mm。若步骤7得出的扩散孔6的上述v不满足大于2mm这个条件，则需要对扩散孔6进行尺寸微调，在保证X、Y仍然在DF、DG连线上这一基础上，调大AX、BY的长度直至使v满足大于2mm。此时的扩散孔6为在理论设计上精确的第二次设计结果，但是对于实际的工程应用是仍需要进一步的光学模拟和调整完善的。

9.针对步骤7-8得出的扩散孔6，如下几个参数和数值也可得到。由之前得到的A点，结合图10的单拿出来扩散孔6的放大图和局部光路图，光源D发出的光(举其中一条光线为例)，打到扩散孔入光面6a后发生折射，折射后的光线打到扩散孔出光面6b的左端点A点后出射的，上述从A点出射的光线的反向延长线是过C点的，由此θ1的角度值是等于∠ACD的值的，

其中AB＝t为已知的，并且扩散孔6为经过等比例缩放得出的第二次设计结果，在理论设计上为精确值，而由上述步骤7-8得出的球面性质的扩散孔出光面6b可知道其球面半径值，即AC＝扩散孔出光面6b的球面半径值，为已知值的，由此便能得到∠ACD的数值，进而得到θ1＝∠ACD；光源D发出的光，打到扩散孔入光面6a后发生折射，折射后的光线打到扩散孔出光面6b后出射，所述打到扩散孔出光面6b的每一处位置点的散射角度都为能够计算得出的已知值，所述散射角度的范围0～θ1。

10.上述步骤1-9的将原来的准直孔在本发明改为了做成扩散孔，由于扩散孔自身存在的扩散光的作用，理论上必然能大幅度减少背景技术的暗区问题，实现解决和改善暗区，但是对于如何能够使暗区完全被解决和改善，使得出光面完全均匀，仅仅采用扩散孔的大概念，或是基于此技术的如上述步骤描述的通过预设值得到的第一次的设计结果(理论初始结果，理论需进一步改善的)、经过等比例缩放得出的第二次设计结果(理论精确结果，但实际工程应用仍需进一步光学模拟和调整完善的)仍是不足够的，即接下来为考虑如何使暗区完全均匀，更大程度的改善措施需要进入光学模拟阶段。

11.进入光学模拟，初次改善阶段需先通过模拟后的均匀性和暗区改善实际情况进行分析，根据具体的不同情况进行对从球面性质的扩散孔出光面6b出射的光的出射角进行相应调整。对于扩散孔出光面6b上的各个实现光线出射的点的出射角θ而言，其具有原理通用性，此处以A点的出射角θ1为例，如上述的描述θ1＝∠ACD＝arcsin((AB/2)/AC)，AB长度值为t，需与厚壁件一次准直结构的宽度相同，由此需要调整的是AC长度值，进一步而言是通过调整C点的位置，即调整理论设计时预设的CD的值实现对AC长度值的调整，由此实现对θ1的调整，对θ1的调整的原理适用于所有的扩散孔出光面6b的出射角θ，更具体而言存在如下三种情况：

11-1.发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟存在暗区改善不足问题，即仍存在暗区问题，则需要增大光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，增大θ需通过减小CD值实现。

11-2.发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟暗区改善过度，原本的暗区处问题有所解决，但出现了出光面的中间区域偏暗的问题，扩散孔出光面的中心区域的原来近似准直的能量过度发散导致中心区域能量不够，整体能效降低；或由于扩散孔出光面6b的出射角θ过大导致原本暗区周边区域过分亮，上述都会出现最终整体存在不均匀问题，则需要减小光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，减小θ需通过增大CD值实现。

11-3.发现暗区改善适度和刚好，整体均匀，则无需进一步调整。

12.针对步骤11的情况分析进行相应的调整，根据设计经验进行微调，具体而言即对于CD值进行设计微调的操作，会再次得到新的扩散孔出光面和扩散孔入光面，以及得到相较于扩散孔6略有微调的新的扩散孔，其中上述的新的扩散孔出光面、扩散孔入光面、扩散孔的设计原理和方法和上述的理论设计阶段的原理和方法是一致的，此处不再赘述，此处主要描述新的扩散孔出光面、扩散孔入光面、扩散孔的定性的尺寸变化和带来的区别，具体如下：

12-1.如图11、12所示，对于11-1的暗区改善不足的情况则进行减小CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C’点，进行将CD减小到C’D的操作后，会再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b2(即弧A2B2)和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a2(即弧X2Y2)，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61(A1B1Y1X1)略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔62(A2B2Y2X2)，6a2的曲率大于6a1，6b2的曲率大于6b1，(A2B2宽度＝X2Y2宽度)<(A1B1宽度＝X1Y1宽度)，图12中实线是模拟后减小CD值得到的改进后的扩散孔62，包含扩散孔入光面6a2、扩散孔出光面6b2；虚线是模拟前的未经比例缩放的扩散孔61，包含扩散孔入光面6a1、扩散孔出光面6b1。

12-2.如图13、14所示，对于11-2的暗区改善过度的情况则进行增大CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C3点，进行将CD增大到C3D的操作后，会再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b3(即弧A3B3)和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a3(即弧X3Y3)，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61(A1B1Y1X1)略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔63(A3B3Y3X3)，6a3的曲率小于6a1，6b3的曲率小于6b1，(A3B3宽度＝X3Y3宽度)>(A1B1宽度＝X1Y1宽度)，图14中实线为模拟后增大CD值得到的改进后的扩散孔63，包含扩散孔入光面6a3、扩散孔出光面6b3；虚线为模拟前的未经比例缩放的扩散孔61，包含扩散孔入光面6a1、扩散孔出光面6b1。

13.对步骤12得到的新的未比例缩放前的扩散孔62(A2B2Y2X2)和新的未比例缩放前的扩散孔63(A3B3Y3X3)，如上述设计思路一样需要进行比例缩放，使得此进行比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度等于一次准直结构宽度t。

此处需注意的一点是，无论是微调减小CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔62还是微调增大CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔63，由于其的车身坐标系Y向宽度不等于上述的之前第一次设计结果的扩散孔61的车身坐标系Y向宽度u，而最终比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度仍为t，因此比例缩放的系数会变化，由此原来的扩散孔最窄处开口距离会发生变化，若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’小于2mm，则需进一步对v’进行调整使其满足v’≥2mm，若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’不小于2mm，则无需对v’进行进一步的调整。

对于上述扩散孔最窄处开口距离v’小于2mm的情况的具体调整措施为调大DE’的值，使v’≥2mm。调整时DE’的为满足v’≥2mm的进行的增大或减小的尺寸变化相对于CD或球面半径的CE’来说是及其微小的变化，在工程设计中可以忽略不计，并不存在对出射角θ的影响以及不会对设计的改善暗区的最终效果存在影响。

14.针对步骤13的理论描述，结合图15和图16对上述的减小CD且未比例缩放前的扩散孔62进行具体化的举例描述，对上述的增大CD且未比例缩放前的扩散孔63的具体操作设计原理与62一致，故不再赘述。

图15中示出减小CD且未比例缩放前的扩散孔62(A2B2Y2X2)，其中其车身坐标系Y向宽度＝u2，且u2≠u，弧A2B2的弧中点仍为E1，还示出了模拟阶段比例缩放后的扩散孔6’(A’B’YX)，其车身坐标系Y向宽度＝t，弧A’B’的弧中点为E’。图16示出第二次理论精确设计结果的经等比例缩放后的扩散孔6(ABYX)和第三次进入模拟微调后的经等比例缩放后的扩散孔6’(A’B’YX)的对比图，扩散孔6(ABYX)的扩散孔最窄处开口距离v与扩散孔6’(A’B’YX)的扩散孔最窄处开口距离v’存在不同，扩散孔6的扩散孔出光面的弧AB的中点E和扩散孔6’的扩散孔出光面的弧A’B’的中点E’的位置对比关系图中也可示。

15.对于步骤12～14得到的新的扩散孔(例如减小CD后的新扩散孔6’、增大CD后的新扩散孔6”，其中6”如步骤14中所述的原理和6’是相同的，只是操作不同于6’的减小CD，而是增大CD，由于原理一致因此并未重复细节描述，并且也未示于图中)，再次进入光学模拟，进行第二次的模拟步骤和模拟评判分析，根据此次以新的扩散孔进行模拟的暗区解决情况，决定是否再进行微调，其中若此次暗区解决情况达到最优效果，则以此次的扩散孔作为最终设计结果，若此次暗区解决情况未达到最优效果或仍存在缺陷，则再次进行调整CD值、对扩散孔进行微调、对再次微调后的扩散孔的厚壁件进行第三次光学模拟和模拟评判分析，根据评判结果是否已达到最优效果决定设计完成或再次微调。以此类推，直至得到最优效果解决暗区问题实现均匀性要求。

对于上述描述的都为采用球面性质的扩散孔出光面6b的设计原理，而在实际光学的工程设计中，由于球面半径远大于球面6b到光源1的距离，因此，几何学上可将球面6b看做等效近似平面6c进行计算，即实际的光学设计中还存在另一种情况，即扩散孔出光面采用等效近似平面6c进行设计。

采用等效近似平面6c进行设计的设计原理和过程和上述采用球面6b的设计方法基本是一致的，唯一的区别只是在取得球面性质的扩散孔出光面6b的两个端点A和B后，取A和B连线所在平面(如图21中的等效近似平面6c)作为扩散孔出光面。后续的或其它的设计原理和步骤概念与前述的步骤1-15的扩散孔出光面为球面性质的6b的设计概念是一致的，故不再赘述。

在此描述一处区别之处，即光线经过等效近似平面6c后出射角度的光学原理。光线从光源1出射经过扩散面6a进入扩散孔6，其中扩散孔中的介质为空气，设空气的折射率为n1，设厚壁件的介质折射率为n2，n2＞n1，光线来到平面6c出射并进入厚壁件，以左侧端点A点处的角度θ2进行说明，θ1和θ2满足折射定律：

式中θ1前文已描述其取值和如何得到的，此时为已知值、n1、n2值均为已知，因此此处扩散孔6的扩散孔出光面(即将球面6b等效为所述扩散孔出光面等效近似平面6c)的扩散角θ2的值可计算得知。

实施例二：

本实施例提供一种不包含一次准直，仅具有二次准直的厚壁件的设计方法，其整体设计原理和步骤与上述包含一次准直和二次准直的厚壁件是一样的，所不同的几处概念如下描述：

如图20所示，区别于包含一次准直和二次准直的厚壁件的第一条，本案例默认为已知参数的包括单个准直器宽度s、光源位置D、侧壁2，不包含一次准直厚壁件宽度。

作为一切设计的初始选定基准的光源1的位置即为实际位置，同时无需采用虚焦点的概念。

设计中无需进行比例缩放(包括理论设计和进入模拟后微调的设计)，但扩散孔最窄开口v还是需要保证≥2mm，即理论设计阶段第一次做出扩散孔61后若v<2mm则保证X1、Y1位置不变仍在DF、DG连线上，调大X1A1、Y1B1，并保证弧A1B1仍为球面，使v≥2mm。进入光学模拟后对CD进行微调后的扩散孔同样无需进行比例缩放，但仍要保证v≥2mm，同时通过对微调措施是否解决暗区情况的评判分析，决定是否再进行微调，以此类推，直至得到最优效果解决暗区问题实现均匀性要求。

实施例三：

如图24，本实施例提供一种一次准直处的将现有技术的准直面设计为扩散面的设计方法，一次准直针对的是光线从空气通过光学面进入介质的概念及使用此概念的光学结构，一次准直的扩散面的设计原理和方法与上述二次准直时扩散孔的扩散面的设计原理和方法本质上是一致的，在此不做详细描述，在此仅支出几点区别点和注意点：

设计过程中，对应上述二次准直的过A点处的球面6b在一次准直为球面12d，理论上12d的位置应该是与图24中的12d为平行偏移且过W点的球面圆弧，图24的如此的以平行偏移的位置示出对于设计原理是等效和无影响的、也能便于显示与理解。

由得到的12d为基础通过光学折射定律及应用积分原理计算得出的变形例扩散面为12b。需指出，二次准直的所示扩散面6a为凸面，而一次准直的所示变形例扩散面12b为凹面，这是由于光线是由空气进入介质或介质进入空气所决定的。

一次准直的设计同样需要如二次准直一样的经理论设计、微调、模拟微调，直至得到最优效果，在次不再赘述。

Claims (7)

1.一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：、

步骤一：在得到车灯造型输入后，由给定的厚壁件宽度和使用光源的数量确定单个准直器宽度s大小，作为一切设计的初始选定基准的光源1的位置D、根据焦距及光源位置D得出的侧壁2、和厚壁件的一次准直结构的宽度t，默认单个准直器宽度s、光源位置D、侧壁2、厚壁件一次准直结构的宽度t为已知参数，厚壁件在车身坐标系X轴的行车方向的最大垂直长度为已知数值，进而得到厚壁件单个准直器的轮廓外形；

步骤二：根据步骤一中已知参数得到F点和G点，在FG连线的中点下方附近预设取点E1，DE1连线为行车方向，预设DE1值；

步骤三：预设CD的取值，由D便得到预设的C的位置，以C为球心，以CE1为半径，做球面，得到球面弧6b’；

步骤四：以得出的球面弧6b’为基础，通过光学折射定律及应用积分原理计算得出扩散面整面6a’；

步骤五：由扩散孔的扩散面的两个端点需要分别位于DF和DG上，得到DF与6a’的交点X1，DG与6a’的交点Y1，扩散面整面6a’中过两个交点X1和Y1的曲面段弧X1Y1为扩散孔入光面6a1，扩散孔入光面6a1为扩散面，过X1做竖直线与球面弧6b’交于A1，过Y1做竖直线与球面弧6b’交于B1，弧A1B1为扩散孔出光面6b1，扩散孔出光面6b1为球面性质的，由此得到扩散孔61，即A1B1Y1X1，扩散孔61为通过预设值得到的第一次的设计结果；

步骤六：已知一次准直结构的宽度t，对于包含一次准直结构的厚壁件的单个准直器的设计，最终精确的结果存在X1Y1长度＝A1B1长度＝一次准直结构的宽度t，由步骤五得到的第一次结果的扩散孔61的X1Y1长度＝A1B1长度＝u，但是其数值u≠一次准直结构的宽度t，数值间存在比例关系，比例系数为(t/u)；

步骤七：等比例缩放扩散孔61，缩放比例系数即t/u，XY的水平距离值等于t，并保证等比例缩放后的X点位于DF连线、等比例缩放后的Y点位于DG连线，得到等比例缩放后的扩散孔6，以及扩散孔6的扩散孔入光面6a，即弧XY，扩散孔入光面6a为扩散面，同时得到扩散孔6的扩散孔出光面6b，即弧AB，扩散孔出光面6b为球面，扩散孔6为对第一次通过预设值得出的设计结果进行等比例缩放使扩散孔的车身坐标系Y向宽度，即XY水平距离等于一次准直结构宽度的第二次设计结果；

步骤八：针对步骤七得出的扩散孔6，保证扩散孔最窄处的开孔距离v大于2mm，若步骤7得出的扩散孔6的上述v不满足大于2mm这个条件，则对扩散孔6进行尺寸微调，在保证X、Y仍然在DF、DG连线上这一基础上，调大AX、BY的长度直至使v满足大于2mm；

步骤九：针对步骤七、八中得到的扩散孔6，由之前得到的A点，折射后光线打到扩散孔出光面6b的左端点A点后出射的，上述从A点出射的光线的反向延长线是过C点的，由此θ1的角度值是等于∠ACD的值的，

其中AB＝t为已知的，并且扩散孔6为经过等比例缩放得出的第二次设计结果，在理论设计上为精确值，而由上述步骤7-8得出的球面性质的扩散孔出光面6b可知道其球面半径值，即AC＝扩散孔出光面6b的球面半径值，为已知值的，由此便能得到∠ACD的数值，进而得到θ1＝∠ACD；光源D发出的光，打到扩散孔入光面6a后发生折射，折射后的光线打到扩散孔出光面6b后出射，所述打到扩散孔出光面(6b)的每一处位置点的散射角度都为能够计算得出的已知值，所述散射角度的范围0～θ1，并进入光学模拟阶段；

步骤十：进入光学模拟，初次改善阶段先通过模拟后的均匀性和暗区改善实际情况进行分析，对从球面性质的扩散孔出光面6b出射的光的出射角θ进行相应调整，θ1＝∠ACD＝arcsin((AB/2)/AC)，AB长度值为t，需与厚壁件一次准直结构的宽度相同，由此需要调整的是AC长度值，通过调整C点的位置，即调整理论设计时预设的CD的值实现对AC长度值的调整，由此实现对θ1的调整，对θ1的调整的原理适用于所有的扩散孔出光面6b的出射角θ；

步骤十一：针对步骤十的情况分析进行相应的调整，进行微调，对于CD值进行设计微调的操作，再次得到新的扩散孔出光面和扩散孔入光面，以及得到新的扩散孔62；

步骤十二：对步骤十一中得到的新的未比例缩放前的扩散孔62和新的未比例缩放前的扩散孔63进行比例缩放，使得此进行比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度等于一次准直结构宽度t；

步骤十三：减小CD且未比例缩放前的扩散孔62，其中其车身坐标系Y向宽度＝u2，且u2≠u，弧A2B2的弧中点仍为E1，还示出了模拟阶段比例缩放后的扩散孔6’，其车身坐标系Y向宽度＝t，弧A’B’的弧中点为E’；第二次理论精确设计结果的经等比例缩放后的扩散孔6和第三次进入模拟微调后的经等比例缩放后的扩散孔6’的对比图，扩散孔6的扩散孔最窄处开口距离v与扩散孔6’的扩散孔最窄处开口距离v’存在不同；上述增大CD且新的未比例缩放前的扩散孔63的具体操作设计原理与扩散孔62一致；

步骤十四：对于步骤十一到十三得到的新的扩散孔再次进入光学模拟，进行第二次的模拟步骤和模拟评判分析，根据此次以新的扩散孔进行模拟的暗区解决情况，决定是否再进行微调，其中若此次暗区解决情况达到最优效果，则以此次的扩散孔作为最终设计结果，若此次暗区解决情况未达到最优效果或仍存在缺陷，则再次进行调整CD值、对扩散孔进行微调、对再次微调后的扩散孔的厚壁件进行第三次光学模拟和模拟评判分析，根据评判结果是否已达到最优效果决定设计完成或再次微调；以此类推，直至得到最优效果解决暗区问题实现均匀性要求。

2.如权利要求1所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述步骤十中出射角θ的情况分为三种：一是发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟存在暗区改善不足问题，即仍存在暗区问题，则需要增大光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，增大θ需通过减小CD值实现；二是发现包含理论设计的扩散孔6的厚壁件在光学模拟暗区改善过度，原本的暗区处问题有所解决，但出现了出光面的中间区域偏暗的问题，扩散孔出光面的中心区域的原来近似准直的能量过度发散导致中心区域能量不够，整体能效降低；或由于扩散孔出光面6b的出射角θ过大导致原本暗区周边区域过分亮，上述都会出现最终整体存在不均匀问题，则需要减小光线从球面性质的扩散孔出光面6b的出射角θ，减小θ需通过增大CD值实现；三是发现暗区改善适度和刚好，整体均匀，则无需进一步调整。

3.如权利要求1所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述步骤十一中新的扩散孔出光面、扩散孔入光面、扩散孔的定性的尺寸变化和带来的区别具体如下：对于暗区改善不足的情况则进行减小CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C’点，进行将CD减小到C’D的操作后，再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b2和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a2，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔62，6a2的曲率大于6a1，6b2的曲率大于6b1，(A2B2宽度＝X2Y2宽度)<(A1B1宽度＝X1Y1宽度)；对于暗区改善过度的情况则进行增大CD值的设计微调操作，即球心位置从C点变化到C3点，进行将CD增大到C3D的操作后，再次得到新的未比例缩放前的扩散孔出光面6b3和新的未比例缩放前的扩散孔入光面6a3，以及得到相较于上述未经比例缩放的第一次结果的扩散孔61略有微调的新的未比例缩放前的扩散孔63，6a3的曲率小于6a1，6b3的曲率小于6b1，(A3B3宽度＝X3Y3宽度)>(A1B1宽度＝X1Y1宽度)。

4.如权利要求1所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述光源实际的放置位置为D2，即一次准直结构的焦点，由于D1D2＝D1D，即D2处的光源1发出的光的光路和能量等效为从D虚设一个虚拟光源的发出的光的光路和能量，即在实际设计时会将光源1的实焦点位置D2等效为虚焦点位置D。

5.如权利要求1所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述球面性质的扩散孔出光面6b在实际光学的工程设计中，由于球面半径远大于球面6b到光源1的距离，几何学上将球面6b看做等效近似平面6c进行计算，即扩散孔出光面采用等效近似平面6c进行设计，采用等效近似平面6c进行设计的设计原理和过程和上述采用球面6b的设计方法中的区别为在取得球面性质的扩散孔出光面6b的两个端点A和B后，取A和B连线所在平面作为扩散孔出光面。

6.如权利要求5所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述使用等效近似平面6c进行设计时与使用球面6b进行设计时的一处区别之处，即光线经过等效近似平面6c后出射角度的光学原理，光线从光源1出射经过扩散面6a进入扩散孔6，其中扩散孔中的介质为空气，设空气的折射率为n1，设厚壁件的介质折射率为n2，n2＞n1，光线来到平面6c出射并进入厚壁件，以左侧端点A点处的角度θ2进行说明，θ1和θ2满足折射定律：

已知θ1、n1、n2值，扩散孔6的扩散孔出光面的扩散角θ2的值计算得知，且θ2≠θ1。

7.如权利要求1所述的一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的设计方法，其特征在于：所述步骤十二的微调减小CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔62或微调增大CD得到的新的未比例缩放前的扩散孔63，由于其车身坐标系Y向宽度不等于之前第一次设计结果的扩散孔61的车身坐标系Y向宽度u，而最终比例缩放后的扩散孔6’的车身坐标系Y向宽度仍为t，因此比例缩放的系数会变化，由此原来的扩散孔最窄处开口距离会发生变化，若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’小于2mm，则需进一步对v’进行调整，调整措施为调大DE’的值，使其满足v’≥2mm，若此步骤进行比例缩放后的扩散孔最窄处开口距离v’不小于2mm，则无需对v’进行进一步的调整。

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