CN201992529U - 近光带有明暗截止线的汽车前照灯led光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，主要由透镜、支架总成和LED发光芯片构成，其特征是：所述透镜表面呈非回转非球面曲面，所述透镜由多个不同朝向的表面呈非回转非球面曲面的透镜依次相接组成的透镜组所构成。透镜正前方透镜为主透镜，主透镜周围透镜为辅助透镜。有益效果：LED能通过主透镜实现正向无明显色散的一字形明暗截止线光区，辅助透镜能形成其他朝向无明显色散的一字形明暗截止线光区，明暗截止线的形成不需进行任何光线阻挡。不仅大幅提高了光效，而且还在一定程度上减轻了光学设计人员设计明暗截止线光区的困难，使近光灯的开发变得简单易行。

Description

近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源

技术领域

本实用新型属于汽车灯，尤其涉及一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源。

背景技术

近年来，伴随着大功率白光LED的迅猛发展，高效节能的LED照明已逐渐趋于成熟，汽车照明作为其中一部分，众多业内机构也纷纷开始深入研究大功率白光LED在车灯领域方面的应用，并已推出较成熟产品，LED车灯不仅节能，也使得车灯的外观更加多样、更加时尚。作为汽车前大灯，安全照明是其最主要目的，在城市交通中为了防止会车时前大灯给对方司机造成炫目，世界各国都对会车灯(也即近光灯)有很严格的要求，要求近光灯所发出光线必须形成清晰的明暗截止线，对于该线的形成全世界车灯业绝大多数均采用遮光这一成熟技术。该成熟及惯用技术不可避免的缺陷是对光源所发出光线的利用率从技术上很难突破70％，其中被广泛应用的H4卤素灯泡的近光利用率甚至很难突破50％，高端汽车广泛应用的HID灯泡的近光实际利用率也只有60％上下。可见，汽车近光灯的光学设计是汽车前照灯的核心，也是难点。虽然车灯照明已经进入LED时代，但基本上都局限在信号灯和室内灯的应用上。LED车灯应用在前大灯上，对于如何突破既能实现清晰的明暗截止线又能大幅提高光效，仍是所有业内人士有待解决的难题。虽然已有几款LED前大灯问世，并已进入商用阶段，但近光光形的形成仍以传统的档光板来形成为主。与传统投光灯类似，其光源部分改为大功率白光LED，LED前方放置有档光板，档光板前方安置一枚聚光透镜，以此来形成清晰的明暗截止线。此设计方案在形成明暗截止线时由于仍未摆脱档光设计，所以其对LED发光的利用率难以超过60％。由于目前照明用白光LED的出光量还远未能达到传统光源的水准，为了达到同样的光照强度，必然需要更多的LED来实 现此要求。由于目前LED的光效较低，其发热量会较大，如果LED数量过多或使其功率过大，必然会造成散热难，复杂良好的散热机构又会大幅增加车灯成本，而如果散热不良又会引起LED寿命的大幅降低，所以，用传统的设计方式来实现汽车近光灯以LED为光源的照明，目前还存在一定困难。既能大幅提高LED出光的利用效率，又同时满足汽车前照灯的国际标准是汽车行业亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，LED发光芯片发出的光线通过非球面曲面透镜能实现带明暗截止线的光区，无需进行任何光线遮挡，并可以提高光线的利用率。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，主要由透镜、支架总成和LED发光芯片构成，其特征是：所述透镜表面呈非回转非球面曲面，所述透镜由多个不同朝向的表面呈非回转非球面曲面的透镜依次相接组成的透镜组所构成。透镜正前方透镜为主透镜，主透镜周围透镜为辅助透镜。

所述主透镜区设有1枚主透镜，主透镜为非回转非球面曲面，表面形状以点云形式进行描述，当透镜材质折射率在1.4～2.4区间时，所述点云上各点X、Y、Z三座标测量值范围为：以主透镜中心为座标系原点，X方向座标区间为0mm～+15mm，Y方向座标区间为-12mm～+12mm；Z方向座标区间为-7mm～+7mm。

所述辅助透镜分布为多个不同朝向区域，包括上、下、左、右及左上、右上、左下、右下共计8个方向的辅助透镜区，所述上、下方向各由1枚及以上透镜依次相接构成；所述左、右方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成；所诉左上、右上、左下、右下方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成，辅助透镜各区透镜数量最多不超过10枚，所述上、下、左、右及左上、右上、左下、右下方向的辅助透镜相对主透镜中心水平面或垂直面呈对称设置或非对称设置。

所述支架总成由上、下加强环、覆板、绝缘板和支架正极构成，所述覆板和绝缘板之间设有与置于支架总成中心的LED发光芯片连接的负极导电 层。

所述LED发光芯片数量为1-10颗，分为上下2行线性排布或单独只有上侧1行线性排布。

有益效果：LED能通过主透镜实现正向无明显色散的一字形明暗截止线光区，辅助透镜能形成其他朝向无明显色散的一字形明暗截止线光区，明暗截止线的形成不需进行任何光线阻挡。透镜组群对LED芯片和荧光粉所形成的平面光源所能发出的360°x180°范围内的所有光线均进行了较合理的分配和利用，除被透镜内表面反射损失掉一部分光线外，可用于车灯配光的光线理论上接近100％，，不仅大幅提高了光效，而且还在一定程度上减轻了光学设计人员设计明暗截止线光区的困难，使近光灯的开发变得简单易行。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的透镜正向结构示意图；

图3是本实用新型的透镜左视结构示意图；

图4是明暗截止线形成原理示意图；

图5是整体立体效果示意图；

图6是形成主透镜表面曲面的点云立体分布效果示意图；

图7是形成主透镜表面曲面的点云向YZ平面投影分布示意图；

图8是主透镜水平方向形状变化示意图；

图9是主透镜垂直方向形状变化示意图；

图10是透镜整体形状放大缩小变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。

详见附图，一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，主要由透镜1、支架总成3和LED发光芯片2构成，所述透镜表面呈非回转非球面曲面，所述透镜由多个不同朝向的表面呈非回转非球面曲面的透镜依次相接组成的透镜组所构成。透镜正前方透镜为主透镜1-1，主透镜周围透镜为辅助透镜1-2。所述主透镜区设有1枚主透镜，主透镜为非回转非球面曲面，表面形状以点云形式进行描述，当透镜材质折射率在1.4～2.4区间时，所述点云上各点X、Y、Z三座标测量值范围为：以主透镜中心为座标系原点，X方 向座标区间为0mm～+15mm，Y方向座标区间为-12mm～+12mm；Z方向座标区间为-7mm～+7mm。该点云通过相应软件经过一系列处理后可以生成曲面，尤如汽车外表面形状曲面的生成。

如图2、3所示，所述辅助透镜分布为多个不同朝向区域，包括上、下、左、右及左上、右上、左下、右下共计8个方向的辅助透镜区，所述上、下方向各由1枚及以上透镜依次相接构成；所述左、右方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成；所诉左上、右上、左下、右下方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成，辅助透镜各区透镜数量最多不超过10枚，所述上、下、左、右及左上、右上、左下、右下方向的辅助透镜相对主透镜中心水平面或垂直面或主透镜中心呈对称设置或非对称设置。即，各区域内辅助透镜相对主透镜中心水平面(XY平面)、垂直面(XZ平面)，在水平方向或垂直方向或交叉方向呈对称设置或非对称设置。

所述支架总成由螺钉3-1、上、下加强环3-2、3-3、覆板3-4、绝缘板3-6和支架正极3-7构成，所述覆板和绝缘板之间设有与置于支架总成中心的LED发光芯片连接的负极导电层3-5。所述LED发光芯片数量可设置为1-10颗，分为上下2行线性排布或单独只有上侧1行线性排布。

一、近光水平明暗截止线形成基本原理：

如图4所示，以单色(单一波长)线光源O-A在O-A-O1平面内的光路为例从理论上进行说明。设O点为面光源底边中点，A点为面光源顶边中点，O1为主透镜中心点，O-A如图放置，O点正对主透镜中心点O1。

1.O点所发出的水平光线O-O1经主透镜的非球面曲面折射后，在上下方向不会有任何偏折，会水平射向25m前方屏幕，交屏幕于屏幕中心O11点(法规的HV点)。

2.O点所发出的向上的光线经主透镜非球面曲面上半部任意位置O2折射后也会水平射出，射向屏幕的O22位置。O点所发出的向下的光线经主透镜非球面曲面下半部的任意位置O3折射后，也均会水平射出，射向屏幕的O33位置，O22与O33的距离即为明暗截止线的过度区间。由于主透镜上下方向最大尺寸十分有限(本例为10.2mm)，故O22与O33距离同样十分有限，与法规要求的约300mm区间相比，理论上已形成了清晰的明暗截止线。

3.O点以外的直至顶点A点的任何点所发出的光线(如：A-A1、A-A2、 A-A3)经主透镜偏折后一定会向下偏折，射向明暗截止线的下方(如：A11、A22、A33)，不会超越明暗截止线的高度，故对明暗截止线的形成不会有任何影响。

通过上述对单色线光源在中心垂直平面内的光路说明，从理论上解释了明暗截止线形成的基础原理。

对于透镜折射普遍发生的在白光所包含的波长范围在486nm～656nm区间的所有可见光产生的色散现象，本例为了保证明暗截止线区间内尽量减少色散现象，主透镜对该范围最长波长和最短波长光线的出光方向进行了合理控制，不会出现明显可见的色散现象。

二、透镜说明

透镜形状与折射率存在一一对应关系，对于不同的封装材料，每种材料相对于白光的折射率区间也不同，为了形成清晰的明暗截止线和消除色散现象，透镜的非球面曲面形状设计必须针对不同材料，根据其折射率区间进行相应设计。如某硅胶的折射率区间为：1.40～1.42；某树脂的折射率区间为：1.50～1.52；某玻璃的折射率区间为：1.51～1.53。可选用材料的折射率区间大致分布在1.4～2.4范围内。本例透镜即为根据某玻璃的折射率区间1.51～1.53进行设计，芯片所发出的光线经透镜折射后照射在以主透镜中心为中心的半球面上，形成明暗相间的区域光斑，与图2中透镜各区域分布一一对应。

1.主透镜的功能：可直接形成带水平一字明暗截止线的光斑，用于车灯明暗截止线的设计，亦可在主透镜前方放置聚光或散光透镜，以控制光形的在水平方向的宽度或竖直方向的宽度。

1).本例点云数据说明：

将图6所示点云向YZ平面投影，各点在YZ平面上的投影点如图7所示，以主透镜中心为座标系原点，Y方向在-10mm～+10mm座标区间每隔1mm测量一个点，最宽处21个点；Z方向在-6mm～+6mm座标区间每隔1mm测量一个点，最宽处13个点，各点X方向座标值数据见下表：

由于X座标值关于XZ平面左右对称，故表中只列出Y≥0部分。为了保证形成清晰的明暗截止线，点云中各点加工误差范围应限制在：过各点延曲面法向±0.05mm。

2).主透镜曲面形状与光形的关系：

水平方向控制：

主透镜水平截面形状控制光形的水平方向宽度，如图8所示，主透镜中心水平截面线O-O向内收缩至A-A位置则光形宽度也会随之收窄；反之向外扩展则光形也会随之拉宽。用户可根据自己的需求任意调整曲线O-O以满足 对光形宽度的控制。建议范围：以本例所提供的主透镜曲面形状为标准透镜形状，O-O向内收窄范围取0mm≤a≤2mm，向外扩展可直至成为一条水平直线。

在本例中，当a值取约0.5mm时，光形宽度(≥0.7lux)由左右各29度收窄至26度；反之当O-O外扩至B-B位置，b值约取0.5mm时，光形宽度也同样会拉宽至约左右各32度。

垂直方向控制：

主透镜垂直截面形状控制光形的垂直方向宽度，如图9所示，原理与水平方向大致相同。

3).决定主透镜整体尺寸的主要因素：

为尽量减小LED整体尺寸，主透镜曲面大小根据目前世界机床加工精度情况，已将曲面整体尺寸设计至较小程度，如果再小将会因加工精度难以达到而导致难以形成清晰的明暗截止线和提高加工成本。反之，曲面以主透镜中心连续放大，曲面越大，则对加工精度要求越低，越容易形成清晰的明暗截止线。但另一方面、因为LED形状的增大会使得车灯反射镜的设计尺寸要随之增大，从而导致车灯整体尺寸变大，同时由于LED体积的增大，封装材料收缩的不均匀性也会更加突出而导致曲面成型尺寸精度失控，反而会使得明暗截止线不清晰，所以LED整体尺寸的大小要根据多方面因素综合考虑控制在合理范围内。在合理的范围内(不超过车灯所能容纳范围)放大和缩小理论上几乎不会对光形有任何影响。建议LED透镜群组(不含支架)整体高度控制在15mm～30mm之间，如图10所示。例如本文提供的主透镜曲面高度，放大范围最大不要超过100％。

2.辅助透镜：

上下向辅助透镜：

1).功能：

上下向辅助透镜中各枚单独的透镜个体均可单独形成带清晰明暗截止线的光斑，光线朝向分别为逐渐向上和向下，出光量也分别向上下两侧逐步递减。由于这些透镜所发出的光线分别打向上下两侧，所以无法直接用于形成正前方25m屏幕上的明暗截止线，可以通过反光等形式将其控制到正前方的屏幕上，与主透镜的明暗截止线重合，辅助主透镜共同形成更为明亮的明暗截止线。

2).形状描述：

如图2中所示，上、下向各由1枚及以上透镜次第相接组成，上下两区域辅助透镜可以是关于主透镜中心水平面(XY平面)的对称形状，亦可以是非对称形状，本例为非对称形状。透镜枚数可根据划分精细度需要进行相应调整，较合理范围为上、下两区各4～10枚，划分越细镜头透光率越高，但越细对车灯反射镜设计提出的要求也越高。本例设计取上、下各5枚，各单独透镜所形成明暗截止线的上下方向朝向角度分别为(单位为度)：±35，±50，±65，±80，±90。

左右向辅助透镜：

1).功能：

左右向辅助透镜中各枚单独的透镜个体可形成不超过主透镜中心水平面的单独光斑，光线分别朝向左、右两侧，各光斑光照强度由中心向四周逐渐减弱，上下向最大值中心在靠近光斑中心位置。由于这些透镜所发出的光线分别打向左右两侧，所以也无法直接用于前向照明，需要通过反光等形式将其控制到正前方的屏幕上，该部分光线可以反射至明暗截止线下方的任意区域用于补充光强。

2).形状描述：

如图2中所示，左、右向各由1枚及1枚以上透镜次第相接组成，左右两区域辅助透镜可以是关于过主透镜中心垂直面(XZ平面)的对称形状，亦可以是非对称形状。透镜枚数可根据精细度需要进行相应调整，较合理范围为各2～10枚，划分越细镜头透光率越高，但同样越细对车灯反射镜的设计提出的要求也越高。本例设计取左、右各2枚，各单独透镜所形成明暗截止线的左右方向朝向角度分别为(单位为度)：±50，±90。

3).本例左右辅助透镜近光点灯模拟效果：

角部辅助透镜：

1).功能：

角部辅助透镜中各枚单独透镜个体，均可单独形成自左、右两侧向上下各约35度开始的、分别向上和向下约10度左右的光斑，角部透镜所发出的光线同其他辅助透镜一样，也无法直接用于前向照明，也需要通过反光等形式将其控制到正前方的屏幕上用于补充必要区域的光强。

2).角部辅助透镜的构成：

LED的左上、右上、左下、右下四角分别由1枚或1枚以上透镜次第相接组成，四个角部的透镜左右方向关于主透镜中心垂直面(XZ平面)对称，上下方向可以对称也可以为非对称，四个角也可以是关于主透镜中心轴(X轴)成中心对称。透镜枚数可根据精细度需要进行相应调整，较合理范围为各1～10枚，本设计取1枚。同样，划分越细镜头透光率越高，但越细对车灯反射镜的设计提出的要求也越高。

3.辅助透镜的退化：

该LED光源最主要部分为主透镜，是形成带一字形明暗截止线光区的核心，该部出光总量占整体的47.9％，周围环绕的辅助透镜虽然也可以辅助形成明暗截止线光区，但每个单体透镜的出光量与主透镜相比相差甚远，所以只起到辅助作用。随着LED芯片技术不断发展，芯片所能发出的光量也会逐步提高，当单独用1枚LED的主透镜或几枚LED的主透镜组合即可满足法规对明暗截止线区域照度要求时，周围的辅助透镜所收集的光线不用于辅助形成明暗截止线也可，从而辅助透镜可以局部或全部退化消失，取而代之以其他较简单曲面形式或半球面，然后用传统车灯配光方法对出自该面的光线进行合理处理，以形成更宽、更亮的其它目标区域，使设计更趋于多样化，满足不同的需求。

三、远光说明：

1.点灯：远光点灯时，远、近光电极同时接通电源，内部芯片都点亮。

2.远光点灯时光斑形状与单近光点亮时的光斑近似，只是形成了双倍光斑，增加的光斑与单近光点亮时的光斑以明暗截止线为对称中心近似对称。

3.远光配光方法简介：

通过适当光学形式将主透镜光斑中心的暗区消除即可，例如将辅助透镜区域的光线通过反光镜反射至该暗区，或者在LED前方设置光线偏折聚光透镜，将上部光斑下移，与下部光斑重合等。左右方向光形如果过宽，可以利用前方聚光透镜进行适当汇聚，或者对LED光源透镜直接提出特殊设计要求。

四、系统主要误差：

1.模具加工误差；

2.实际折射率与理论折射率误差；

3.成型收缩的误差；

4.透镜与支架的安装位置误差。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，主要由透镜、支架总成和LED发光芯片构成，其特征是：所述透镜表面呈非回转非球面曲面，所述透镜由多个不同朝向的表面呈非回转非球面曲面的透镜依次相接组成的透镜组所构成，透镜正前方透镜为主透镜，主透镜周围透镜为辅助透镜。

2.根据权利要求1所述的近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，其特征是：所述主透镜区设有1枚主透镜，主透镜为非回转非球面曲面，表面形状以点云形式进行描述，当透镜材质折射率在1.4～2.4区间时，所述点云上各点X、Y、Z三座标测量值范围为：以主透镜中心为座标系原点，X方向座标区间为0mm～+15mm，Y方向座标区间为-12mm～+12mm；Z方向座标区间为-7mm～+7mm。

3.根据权利要求2所述的近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，其特征是：所述辅助透镜分布为多个不同朝向区域，包括上、下、左、右及左上、右上、左下、右下共计8个方向的辅助透镜区，所述上、下方向各由1枚及以上透镜依次相接构成；所述左、右方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成；所述左上、右上、左下、右下方向各由1枚及1枚以上透镜依次相接构成，辅助透镜各区单一透镜数量最多不超过10枚，所述上、下、左、右及左上、右上、左下、右下方向的辅助透镜相对主透镜中心水平面或垂直面呈对称设置或非对称设置。

4.根据权利要求1所述的近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，其特征是：所述支架总成由上、下加强环、覆板、绝缘板和支架正极构成，所述覆板和绝缘板之间设有与置于支架总成中心的LED发光芯片连接的负极导电层。

5.根据权利要求1所述的近光带有明暗截止线的汽车前照灯LED光源，其特征是：所述LED发光芯片数量为1-10颗，分为上下2行线性排布或单独只有上侧1行线性排布。

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