CN114263891B - 一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车照明技术领域，具体为一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，可解决现有透镜设计方法的繁琐和复杂性问题；包括如下步骤：步骤一、以光源作为原点建立二维平面坐标系，包括建立入射光线、出射光线和法线矢量；步骤二、建立光源发出的入射光线经过球面A后出射光线的出射向量方程；步骤三、结合经外部自由曲面后的出射光线为平行光束，由折射定律求出外部自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得过该点的切向方程，通过求过该点的切向方程与经过球面A后的出射光线方程交点得到外部自由曲面上点的坐标；透镜前后表面以双曲面设计来约束光源光线的出射方向，光束准确可控，准直效果好，在目标面光斑均匀性高。

Description

一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法
技术领域
本发明涉及汽车照明技术领域，具体为一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法。
背景技术
车灯透镜在设计时往往会根据造型及光学性能的要求设计相应的光学结构，例如通过透镜对光源发出的光进行折射，以实现所需的光型。现阶段光学透镜的设计方法一般是试错法和在光学软件自动生成的基础上调试生成透镜，这些设计方法操作繁琐，方案复杂，现在的透镜也存在色温偏高和光学效率不高的问题，给行车途中的舒适性和安全性带来很大的困扰。
传统的透镜设计方案已无法满足这些需求，因此需要一种全新的用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，能够实现相应的光学性能要求且造型美观。
发明内容
本发明针对现有的技术问题，提供一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，可解决现有透镜设计方法的繁琐和复杂性问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，包括如下步骤：
步骤一、以光源作为原点建立二维平面坐标系，包括建立入射光线、出射光线和法线矢量；
步骤二、建立光源发出的入射光线经过球面A后出射光线的出射向量方程；
步骤三、结合经外部自由曲面后的出射光线为平行光束，由折射定律求出外部自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得过该点的切向方程，通过求过该点的切向方程与经过球面A后的出射光线方程交点得到外部自由曲面上点的坐标。
作为优选；所述步骤一具体是指：建立坐标系，设光源位于坐标系原点o处，θi是圆A上一点与圆心P点连线和Z轴的夹角，αi是光源发出的光线与Z轴的夹角，βi是经过球面折射后出射光线与Z轴的夹角；
由折射定律：n1·sinγ1＝n2·sinγ2
式中n1是透镜外部介质的折射率，n2是透镜内部介质的折射率；
可得：
Figure BDA0002684672350000021
得到光源发出的一条光线与Z轴的夹角αi，以及该条光线和球面交点与球心连线与Z轴的夹角θi两者与经过球面折射后的出射光线与Z轴的夹角βi的对应关系。
作为优选；所述步骤二具体是指：
光源发出的入射光线经过球面A上一点出射后到达自由曲面B上一点，由入射光线经过球面A后的出射向量方程；
具体为
Figure BDA0002684672350000022
联立所述(1)内的方程
Figure BDA0002684672350000023
得：
Figure BDA0002684672350000024
得到经过球面A上一点和自由曲面B上一点的出射光线方程与光源发出的一条光线与Z轴的夹角αi，以及该条光线和球面交点与球心连线与Z轴的夹角θi两者的对应关系。
作为优选；所述步骤三具体是指：
由折射定律求出所述外部自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得过该点的切向方程，通过求过该点的切向方程与经过球面后的出射光线方程交点得到外部自由曲面上点的坐标，所述的折射定律的矢量形式如下：
Figure BDA0002684672350000031
式中，n2为透镜内部折射率，
Figure BDA0002684672350000032
为入射光线单位向量，/>
Figure BDA0002684672350000033
为出射光线单位向量，
Figure BDA0002684672350000034
自由曲面在某一点的单位法向量，由法向量和切向量的关系得：/>
Figure BDA0002684672350000035
自由曲面B上的切线向量表达式为：/>
Figure BDA0002684672350000036
联立
Figure BDA0002684672350000037
和/>
Figure BDA0002684672350000038
以及/>
Figure BDA0002684672350000039
得：
Figure BDA00026846723500000310
Figure BDA00026846723500000311
其中
Figure BDA00026846723500000312
通过此迭代计算公式，可由计算机迭代得出所有点的坐标，由此可得到一条完整的自由曲线，将所述自由曲线和给定的球面曲线绕轴旋转形成双曲面透镜。
作为优选；所述车灯可以为近光灯、远光灯、前雾灯、角灯或制动灯。
作为优选，所述光源为冷阴极荧光灯、LED光源中的一种。
作为优选，所述光源具有朗伯型或其他任意可测的发光强度分布。
本发明有益效果：本发明的用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，透镜前后表面以双曲面设计来约束光源光线的出射方向，光束准确可控，准直效果好，在目标面光斑均匀性高。
与现有技术相比，本发明提供的一种用于车灯的双曲面准直透镜结构简单，设计合理，相比于传统设计透镜更加小型化，光能可利用率高，配光性能好，外型更加轻薄美观，更加便于加工。
所述外凸自由曲面是基于非成像光学理论，利用能量守恒定律和折射定律，完成所述外凸自由曲面坐标点推导，借助Catia建模软件进行实体建模，以及通过Lighttools软件进行光线追迹，比传统设计方法，大大节省时间，并能使光线进行准确控制，通过设定不同的初始值可以生成不同尺寸的所述双曲准直透镜用于满足不同场合的应用需要。
附图说明
图1为本发明的双曲面准直透镜的正视图。
图2为本发明的双曲面准直透镜的外部自由曲面的坐标系原理图；
图3为本发明的目标平面的照度分布图；
图4为本发明的光源光线经过双曲准直透镜后的光线走势图；
图5为为本发明的目标平面的光强分布图。
标号说明：A、透镜内凸球面折射面；B、透镜外凸自由曲面折射面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种双曲面准直透镜包括前表面球面折射面A和透镜后表面自由曲面折射面B，如图4所示，在原点处的光源发出的光线经过透镜前后表面A和B两次折射后，实现准直出射.透镜的后表面自由曲面坐标点计算如下：
位于原点处的光源距透镜前表面球面A顶点的距离为f＝15mm，双曲面透镜厚度D＝10mm，双曲面透镜半径为R＝13，双曲面透镜前部球面折射面的曲率半径r＝43mm，透镜的折射率n2＝1.492。
在XZ平面，位于原点的光源射出到透镜最边缘处的光线与Z轴的夹角：
Figure BDA0002684672350000051
将α从0～αmax均分成N＝100等份则
Figure BDA0002684672350000052
第i条入射光线与透镜内凸球面的交点为：
Figure BDA0002684672350000061
Figure BDA0002684672350000062
由所述方式一次由计算机迭代计算得到母线上
Figure BDA0002684672350000063
/>
Figure BDA0002684672350000064
100个节点坐标，将以上所述节点坐标导入三维软件中，绕轴线旋转一周，即可得到上述透镜内凸球面A。
第i条入射光线和球面交点与球心连线与Z轴的夹角θi：
Figure BDA0002684672350000065
经过球面折射后的出射光线与Z轴的夹角βi：
Figure BDA0002684672350000066
光源发出的入射光线经过球面A上一点出射后到达自由曲面B上一点，由入射光线经过球面A后的出射向量方程:
Figure BDA0002684672350000067
当所述透镜外凸曲线上节点足够多的时，与该节点相邻的节点可近似认为在同一条切线上：
Figure BDA0002684672350000068
折射定律的矢量形式：
Figure BDA0002684672350000069
其中，
Figure BDA0002684672350000071
由
Figure BDA0002684672350000072
联立(1)(2)(3)(4)可得：
Figure BDA0002684672350000073
Figure BDA0002684672350000074
初始点为所述透镜外凸自由曲面顶点，
Figure BDA0002684672350000075
由所述透镜内凸球面顶点和光源的距离f＝15mm，所述透镜D＝10mm确定。
由所述方式一次由计算机迭代计算得到母线上
Figure BDA0002684672350000076
Figure BDA0002684672350000077
100个节点坐标，将以上所述节点坐标导入三维软件中，绕轴线旋转一周，即可得到上述透镜外凸自由曲面B。
图1为上述计算方式得到的用于车灯的双曲面准直透镜的正视图示
图3和图5分别为一种用于车灯的双曲面准直透镜在距离目标面100mm处形成的效果图，图4为光源光线经过所述一种用于车灯的双曲面准直透镜后的光线走势图，由图3目标平面的照度分布图，可以看出经过一种用于车灯的双曲面准直透镜后的出射光斑均匀性极高。所述由图4和图5可以出经过所述一种用于车灯的双曲面准直透镜后的出射光线完全控制在5度角以内，近似平行光出射。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、以光源作为原点建立二维平面坐标系，包括建立入射光线、出射光线和法线矢量；
步骤二、建立光源发出的入射光线经过球面A后出射光线的出射向量方程；
步骤三、结合经外部自由曲面后的出射光线为平行光束，由折射定律求出外部自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得过该点的切向方程，通过求过该点的切向方程与经过球面A后的出射光线方程交点得到外部自由曲面上点的坐标；
所述步骤一具体是指：建立坐标系，设光源位于坐标系原点o处，θi是圆A上一点与圆心P点连线和Z轴的夹角，αi是光源发出的光线与Z轴的夹角，βi是经过球面折射后出射光线与Z轴的夹角；
由折射定律：n1·sinγ1＝n2·sinγ2
式中n1是透镜外部介质的折射率，n2是透镜内部介质的折射率；
可得：
Figure FDA0003993867040000011
得到光源发出的一条光线与Z轴的夹角αi，以及该条光线和球面交点与球心连线与Z轴的夹角θi两者与经过球面折射后的出射光线与Z轴的夹角βi的对应关系；
所述步骤二具体是指：
光源发出的入射光线经过球面A上一点出射后到达自由曲面B上一点，由入射光线经过球面A后的出射向量方程；
具体为
Figure FDA0003993867040000021
联立所述(1)内的方程
Figure FDA0003993867040000022
得：
Figure FDA0003993867040000023
得到经过球面A上一点和自由曲面B上一点的出射光线方程与光源发出的一条光线与Z轴的夹角αi，以及该条光线和球面交点与球心连线与Z轴的夹角θi两者的对应关系；
所述步骤三具体是指：
由折射定律求出所述外部自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得过该点的切向方程，通过求过该点的切向方程与经过球面后的出射光线方程交点得到外部自由曲面上点的坐标，所述的折射定律的矢量形式如下：
Figure FDA0003993867040000024
式中，n2为透镜内部折射率，
Figure FDA0003993867040000025
为入射光线单位向量，/>
Figure FDA0003993867040000026
为出射光线单位向量，/>
Figure FDA0003993867040000027
自由曲面在某一点的单位法向量，由法向量和切向量的关系得：/>
Figure FDA0003993867040000028
/>
自由曲面B上的切线向量表达式为：
Figure FDA0003993867040000029
联立
Figure FDA00039938670400000210
和/>
Figure FDA00039938670400000211
以及/>
Figure FDA00039938670400000212
得：
Figure FDA00039938670400000213
Figure FDA0003993867040000031
其中
Figure FDA0003993867040000032
通过此迭代计算公式，可由计算机迭代得出所有点的坐标，由此可得到一条完整的自由曲线，将所述自由曲线和给定的球面曲线绕轴旋转形成双曲面透镜。
2.根据权利要求1所述的用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，其特征在于：所述车灯可以为近光灯、远光灯、前雾灯、角灯或制动灯。
3.根据权利要求1所述的用于车灯的双曲面准直透镜设计方法，其特征在于：所述光源为冷阴极荧光灯、LED光源中的一种。
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