CN202813210U - 一种用于led摩托车远光灯的自由曲面光学透镜 - Google Patents

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CN202813210U CN2012203328866U CN201220332886U CN202813210U CN 202813210 U CN202813210 U CN 202813210U CN 2012203328866 U CN2012203328866 U CN 2012203328866U CN 201220332886 U CN201220332886 U CN 201220332886U CN 202813210 U CN202813210 U CN 202813210U
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黄华茂
陈赞吉
钟炯生
王洪
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Abstract

本实用新型提供了一种用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,所述透镜的内侧是一圆柱状空腔,圆柱状空腔底部为开口,开口供LED进入并安装于该空腔内;透镜包括入射面及出射面,透镜的内侧是入射面,入射面由空腔顶部的平面和腔壁的柱面构成;透镜外侧顶部的自由曲面和圆环平面构成所述出射面,透镜外侧的侧面为全反射自由曲面;本实用新型不需要其它的辅助装置进行配光,减少了损耗,提高了光能利用率,本实用新型结构简单、体积小,眩光效应低,达到GB5948-1998的配光要求。

Description

一种用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜
技术领域
本实用新型涉及LED摩托车灯照明技术领域,特别涉及用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜。
背景技术
发光二极管(LED)具有节能、高效及环保等诸多优点,是继白炽灯、卤钨灯和高强度气体放电灯之后的第四代车用光源。近年来, 随着LED技术的不断进步和应用上的普及,LED在车用照明中的应用也越来越普遍。但是,使LED应用于前照灯时还要面临复杂的光学设计。
在摩托车前照灯的设计上,国家标准GB5948-1998对摩托车前照灯的配光要求做了规定,对于远光灯,国标要求在车灯前25m远的照明面上规定区域的照度值达标,该照度值是由中间向两边近似逐步减小。
实用新型内容
本实用新型提供了用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,该透镜体积小,能量利用率高,眩光效应低,制作安装方便,并能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的照度分布。本实用新型运用旋转轴对称LED照明系统的设计方法,既有效地提高了工作效率,同时也很好地减小了自由曲面仿真建模时产生的误差,使透镜具有更高的光学精度。
本实用新型采用如下技术方案:
一种用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,所述透镜的内侧是一圆柱状空腔,圆柱状空腔底部为开口,开口供LED进入并安装于该空腔内;透镜包括入射面及出射面,透镜的内侧是入射面,入射面由空腔顶部的平面和腔壁的柱面构成;透镜外侧顶部的自由曲面和圆环平面构成所述出射面,透镜外侧的侧面为全反射自由曲面;LED光源中心部分的光经过透镜时,在透镜内侧腔顶的平面和透镜外侧顶部的自由曲面发生两次折射,再出射到照明面上;LED光源外围部分的光经过透镜时,先在透镜内侧腔壁的柱面入射面进行折射,再在透镜外侧的侧面的全反射自由曲面上发生全反射,接着又在透镜外侧顶部的圆环平面出射面产生折射,最后出射到照明面上。
进一步的,透镜的自由曲面形状确定如下:
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面,与Z轴交点为o,且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点;根据摩托车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征,把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为圆心的圆形区域,然后对该圆形区域进行环带划分成n等份,根据能量守恒定律对光源立体角划分成n等份,最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。
进一步的,透镜的形状确定如下:
(1)目标照明面距LED的距离为d,对于远光灯,目标照明区域是圆形,其半径为r;LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π,坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA0000186898851
为出射光线与Z轴正方向的夹角;该光学透镜关于Z轴旋转轴对称,以XOZ所在平面来确定,对照明面的坐标进行离散化,首先把圆半径r等分成n份,ri表示等分后半径r的第i份,其中, 0<i≤n;然后同样以照明面中心点为圆心,分别以ri为半径画圆,将照明区域划分为圆形环带区域;在目标照明区域上,每一份圆形环带区域的能量为:
E Q = E · k i · 2 · π · ∫ r i - 1 r i rdr
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,常量E为预设照度值,结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤k(i)≤1;ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1,对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1;
(2)对应于目标照明区域的环带划分,将光源中心部分的立体角
Figure BDA0000186898853
进行离散化,即把
Figure BDA0000186898854
分成n份,
Figure BDA0000186898855
表示
Figure BDA0000186898856
的第i份,
Figure BDA0000186898857
与ri一一对应;在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure BDA0000186898858
同样,将光源外围部分的立体角
Figure BDA0000186898859
进行离散化,把
Figure BDA00001868988510
分成n份,
Figure BDA00001868988511
表示
Figure BDA00001868988512
的第n份,
Figure BDA00001868988513
与ri一一对应,在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure BDA00001868988514
根据能量守恒有:
EQ=Ec+El
联合上述各式,得到对应的
Figure BDA00001868988515
Figure BDA00001868988516
(3)由折反射定律求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,
Figure BDA00001868988518
为入射光线单位向量,
Figure BDA00001868988519
为出射光线单位向量,
Figure BDA00001868988520
为单位法向量,n为透镜折射率;
先确定的是透镜的计算初始点,初始点的确定如下:设初始点的
Figure BDA00001868988521
值为0°,选取透镜内侧的空腔顶部平面高度,该平面的高度决定了整个透镜的尺寸,根据这个平面的高度选取合适的透镜厚度;由这两个初始值进行计算可得到第一直线和第一自由曲线,这两条线段在XOZ平面上,第一直线表示的是透镜内侧空腔顶部的平面在XOZ平面上的直线,第一自由曲线表示的是透镜外侧顶部的自由曲面在XOZ平面上的曲线,且该第一直线和第一自由曲线的最后一个点对应的
Figure BDA00001868988522
值都为60°;
接着计算透镜的外围部分,同样在XOZ平面上,过第一直线的最后一个点作与第一直线垂直的第二直线,第二直线与X轴相交,交点值的大小即为透镜内侧空腔的口径大小,此点对应的
Figure BDA00001868988523
值为90°,该第二直线表示的是透镜内侧腔壁的柱面在XOZ平面上的直线;过第一自由曲线最后一个点作与X轴平行的第三直线,该第三直线表示的是透镜外侧的顶部圆环平面在XOZ平面上的直线;透镜外围部分自由曲面初始点的
Figure BDA00001868988524
值设为90°,通过计算可得到一条位于XOZ平面上的第二自由曲线,该第二自由曲线表示的是透镜外侧的全反射自由曲面的自由曲面在XOZ平面上的曲线;
(4)将得到的离散点坐标分别导入到机械建模软件,拟合成五条位于XOZ平面上的线段,其中三条为直线,两条为自由曲线;使这五条线段合为一条连续的分段曲线,然后使该曲线绕Z轴旋转360°,即得透镜的形状。
进一步的,, 
Figure BDA00001868988526
;所述点O与点o间的距离为25m。
所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,可以由PMMA或PC或光学玻璃制成。
与现有技术相比,本实用新型的优点有:LED光源发出的光能量仅经自由曲面透镜折反射后出射,不需要其它的辅助装置进行配光,减少了损耗,提高了光能利用率。透镜的体积小,眩光效应低,且达到GB5948-1998的配光要求。另外,透镜的内侧是一圆柱状空腔,便于散热装置和LED光源的安装,有利于提高整个灯具的散热效率。本实用新型利用旋转轴对称LED照明系统设计方法,不仅方便于仿真建模,而且有效地减小了仿真误差,提高了工作效率。本实用新型中的远光灯透镜外表面为自由曲面,使整个车灯的外观造型更具灵活性,符合现代车灯设计的美观化和流线型的要求。
附图说明
图1为实施方式中照明面上目标区域环带划分示意图。
图2为实施方式中LED光源球坐标示意图。
图3为实施方式中光线经过透镜配光的示意图。
图4为实施方式中远光灯透镜的二维正视示意图。
图5为实施方式中远光灯透镜的三维立体正视示意图。
图6为实施方式中远光灯透镜的三维立体仰视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型公开LED摩托车灯远光灯光学透镜,该透镜体积小,眩光效应低,光能利用率高,安装方便,能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的光型和照度分布。
本实施中一种用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜由透明材料制成,透明材料可为PC或PMMA或光学玻璃。所述透镜的内侧是一圆柱状空腔,照明时需将LED安装于该空腔内。透镜包括入射面及出射面。透镜的内侧是入射面,即入射面由空腔顶部的平面和腔壁的柱面构成;而透镜外侧的顶部自由曲面和圆环平面即出射面。LED光源中心部分的光经过透镜时,在透镜内侧腔顶的平面入射面和透镜外侧顶部的自由曲面出射面发生两次折射,再出射到照明面上;LED光源外围部分的光经过透镜时,先在透镜内侧腔壁的柱面入射面进行折射,再在透镜外侧外围的自由曲面上发生全反射,接着又在透镜外侧顶部的圆环平面出射面产生折射,最后出射到照明面上。
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面。与Z轴交点为o(点O与点o间的距离为25m)且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点。首先根据摩托车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征(根据GB5948-1998),把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为圆心的圆形区域,然后对该圆形区域进行环带划分,再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分,最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。对于远光灯,国标要求在车灯前25m远的照明面上规定区域的照度值达标,该照度值是由中间向两边近似逐步减小。根据国标的配光要求的光型和照度分布,把照明面上的照明区域进行圆形环带划分,如图1所示。
1、设定初始条件并对目标照明区域进行环带划分。
首先目标照明面距LED的距离为d=25m,对于远光灯,设定其目标照明区域是圆形,其半径为r;LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA00001868988527
为出射光线与Z轴正方向的夹角。由于该光学系统关于Z轴旋转轴对称,因此可以考虑二维情况,以XOZ所在平面为例。
对照明面的坐标进行离散化,首先把圆半径r等分成n份,ri表示等分后半径r的第i份,其中,0<i≤n;然后同样以照明面中心点为圆心,分别以ri为半径画圆,将照明区域划分为圆形环带区域。在目标照明区域上,每一份圆形环带区域的能量为:
E Q = E · k i · 2 · π · ∫ r i - 1 r i rdr
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,故设置常量E为预设照度值,结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤k(i)≤1。ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,如对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1,对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1。
2、利用能量守恒定律将光源立体角进行划分。
如图2所示为LED光源球坐标图,按照球坐标图示将LED光源立体角进行划分。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure BDA00001868988529
为出射光线与Z轴正方向的夹角。
对应于目标照明区域的环带划分,将光源中心部分的立体角进行离散化(此例中
Figure BDA00001868988530
设置为),即把
Figure BDA00001868988532
分成n份,
Figure BDA00001868988533
表示
Figure BDA00001868988534
的第i份,
Figure BDA00001868988535
与ri一一对应。在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure BDA00001868988536
同样,将光源外围部分的立体角进行离散化(此例中
Figure BDA00001868988537
设置为
Figure BDA00001868988538
),把
Figure BDA00001868988539
分成n份,表示
Figure BDA00001868988541
的第n份,
Figure BDA00001868988542
与ri一一对应。在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
那么,不考虑光在通过透镜和传播过程中的能量损失,根据能量守恒有:
EQ=Ec+El
联合上述各式,从而可以求解得到对应的
Figure BDA00001868988544
Figure BDA00001868988545
3、由折反射定律求出自由曲面上的点坐标
由折反射定律求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式可表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,
Figure BDA00001868988547
为入射光线单位向量,
Figure BDA00001868988548
为出射光线单位向量,
Figure BDA00001868988549
为单位法向量,n为透镜折射率。
在计算中,我们先计算透镜的中心部分,首先需要确定的是透镜的计算初始点,初始点的确定如下:先设初始点的
Figure BDA00001868988550
值为0°,然后选取透镜内侧的空腔顶部平面高度(底面与顶面的距离),该平面的高度决定了整个透镜的尺寸,接着再根据这个平面的高度选取合适的透镜厚度。由这两个初始值进行计算可得到第一直线和第一自由曲线,由于以XOZ所在平面为例,因此这两条线段在XOZ平面上。第一直线表示的是透镜内侧空腔顶部的平面,第一自由曲线表示的是透镜外侧顶部的自由曲面,且该第一直线和第一自由曲线的最后一个点对应的
Figure BDA00001868988551
值都为60°。如图3所示,LED光源中心部分的光经过透镜时,在透镜内侧腔顶的平面入射面和透镜外侧顶部的自由曲面出射面发生两次折射,再出射到照明面上;LED光源外围部分的光经过透镜时,先在透镜内侧腔壁的柱面入射面进行折射,再在透镜外侧外围的自由曲面上发生全反射,接着又在透镜外侧顶部的圆环平面出射面产生折射,最后出射到照明面上。在图3中,1为透镜内侧腔顶的平面,2为透镜外侧顶部的自由曲面,3为透镜内侧腔壁的柱面,4为透镜外侧外围的自由曲面,5为透镜外侧顶部的圆环平面出射面,其中,1和2构成透镜的中心部分,3、4和5构成透镜的外围部分。
接着计算透镜的外围部分,同样在XOZ平面上,过第一直线的最后一个点作与第一直线垂直的第二直线,第二直线与X轴相交,交点值的大小即为透镜内侧空腔的口径大小,此点对应的
Figure BDA00001868988552
值为90°,该第二直线表示的是透镜内侧腔壁的柱面。过第一自由曲线最后一个点作与X轴平行的第三直线,该第三直线表示的是透镜外侧的顶部圆环平面。透镜外围部分自由曲面初始点的
Figure BDA00001868988553
值设为90°,数值的大小略比透镜内侧空腔的口径稍大即可,然后通过计算可得到一条位于XOZ平面上的第二自由曲线,该第二自由曲线表示的是透镜外侧外围的自由曲面。
如图4所示。图5和图6所示分别为透镜的三维立体正视示意图和三维立体仰视示意图,其中,2和5构成透镜的出射面,1和3构成透镜的入射面,4为光线发生全反射的自由曲面。
4、利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面
将得到的离散点坐标分别导入到机械建模软件,拟合成五条位于XOZ平面上的线段,其中三条为直线,两条为自由曲线。在线与线的交接处做适当的处理和相应的连接,使这五条线段合为一条连续的分段曲线,然后使该曲线绕Z轴旋转360°,即可加工成透镜的实体模型,最终得到LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜模型。
以上对本实用新型所提供的LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜进行了详细介绍,使用该透镜时应将LED安装于透镜内侧的圆柱状空腔内,该位置安装方便且利于散热。本实用新型中应用了各种模型图对具体实施方式进行了阐述,以上所述仅为本实用新型较佳可行的实施例子而已。对于本领域的技术人员,依据本实用新型的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改善之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,其特征在于所述透镜的内侧是一圆柱状空腔,圆柱状空腔底部为开口,开口供LED进入并安装于该空腔内;透镜包括入射面及出射面,透镜的内侧是入射面,入射面由空腔顶部的平面和腔壁的柱面构成;透镜外侧顶部的自由曲面和圆环平面构成所述出射面,透镜外侧的侧面为全反射自由曲面;LED光源中心部分的光经过透镜时,在透镜内侧腔顶的平面和透镜外侧顶部的自由曲面发生两次折射,再出射到照明面上;LED光源外围部分的光经过透镜时,先在透镜内侧腔壁的柱面入射面进行折射,再在透镜外侧的侧面的全反射自由曲面上发生全反射,接着又在透镜外侧顶部的圆环平面出射面产生折射,最后出射到照明面上。
2.根据权利要求1所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,其特征在于透镜的自由曲面形状确定如下:
以LED光源为坐标原点O建立坐标系,LED底面所在平面为XOY平面,过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴,其中平面XOZ为水平面,与Z轴交点为o,且平行于平面XOY的平面为照明面,点o为照明面的中心点;根据摩托车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征,把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为圆心的圆形区域,然后对该圆形区域进行环带划分成n等份,根据能量守恒定律对光源立体角划分成n等份,最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。
3.根据权利要求2所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,其特征在于透镜的形状确定如下:
(1)目标照明面距LED的距离为d,对于远光灯,目标照明区域是圆形,其半径为r;LED光源的总光通量为Q,中心光强为I0=Q/π,坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角,
Figure FDA0000186898841
为出射光线与Z轴正方向的夹角;该光学透镜关于Z轴旋转轴对称,以XOZ所在平面来确定,对照明面的坐标进行离散化,首先把圆半径r等分成n份,ri表示等分后半径r的第i份,其中,0<i≤n;然后同样以照明面中心点为圆心,分别以ri为半径画圆,将照明区域划分为圆形环带区域;在目标照明区域上,每一份圆形环带区域的能量为:
E Q = E · k i 2 · π · ∫ r i - 1 r i rdr
式中,E·ki表示照度值,根据国标GB5948-1998要求,常量E为预设照度值,结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小,用以形成预定的照度分布,其中,0≤k(i)≤1;ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定,对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1,对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1;
(2)对应于目标照明区域的环带划分,将光源中心部分的立体角
Figure FDA0000186898843
进行离散化,即把
Figure FDA0000186898844
分成n份,
Figure FDA0000186898845
表示的第i份,
Figure FDA0000186898847
与ri一一对应;在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure FDA0000186898848
同样,将光源外围部分的立体角
Figure FDA0000186898849
进行离散化,把
Figure FDA00001868988410
分成n份,
Figure FDA00001868988411
表示
Figure FDA00001868988412
的第n份,与ri一一对应,在光线射入透镜之前,每一份角度内光源的光通量为:
Figure FDA00001868988414
根据能量守恒有:
E Q = E c + E l
联合上述各式,得到对应的
Figure FDA00001868988416
(3)由折反射定律求出所述曲面上点的法向量,利用这个法向量求得切线,通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标,折反射定律的矢量形式表示为:
[ 1 + n 2 - 2 · n · ( Out → · In → ) ] 1 2 · N → = Out → - n · In →
其中,
Figure FDA00001868988419
为入射光线单位向量,
Figure FDA00001868988420
为出射光线单位向量,
Figure FDA00001868988421
为单位法向量,n为透镜折射率;
先确定的是透镜的计算初始点,初始点的确定如下:设初始点的
Figure FDA00001868988422
值为0°,选取透镜内侧的空腔顶部平面高度,该平面的高度决定了整个透镜的尺寸,根据这个平面的高度选取合适的透镜厚度;由这两个初始值进行计算可得到第一直线和第一自由曲线,这两条线段在XOZ平面上,第一直线表示的是透镜内侧空腔顶部的平面在XOZ平面上的直线,第一自由曲线表示的是透镜外侧顶部的自由曲面在XOZ平面上的曲线,且该第一直线和第一自由曲线的最后一个点对应的
Figure FDA00001868988423
值都为60°;
接着计算透镜的外围部分,同样在XOZ平面上,过第一直线的最后一个点作与第一直线垂直的第二直线,第二直线与X轴相交,交点值的大小即为透镜内侧空腔的口径大小,此点对应的
Figure FDA00001868988424
值为90°,该第二直线表示的是透镜内侧腔壁的柱面在XOZ平面上的直线;过第一自由曲线最后一个点作与X轴平行的第三直线,该第三直线表示的是透镜外侧的顶部圆环平面在XOZ平面上的直线;透镜外围部分自由曲面初始点的
Figure FDA00001868988425
值设为90°,通过计算可得到一条位于XOZ平面上的第二自由曲线,该第二自由曲线表示的是透镜外侧的全反射自由曲面的自由曲面在XOZ平面上的曲线;
(4)将得到的离散点坐标分别导入到机械建模软件,拟合成五条位于XOZ平面上的线段,其中三条为直线,两条为自由曲线;使这五条线段合为一条连续的分段曲线,然后使该曲线绕Z轴旋转360°,即得透镜的形状。
4.根据权利要求3所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,其特征在于
Figure FDA00001868988426
, 
Figure FDA00001868988427
;所述点O与点o间的距离为25m。
5.根据权利要求1~4任一项所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜,其特征在于所述透镜由PMMA或PC或光学玻璃制成。
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