CN203162833U - 一种用于led摩托车近光灯的自由曲面光学透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，所述透镜的内侧是一具有空腔，使用时LED从该开口端进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光会聚到水平面以下的照明面上。本实用新型结构简单，体积小，不需要其它的辅助装置进行配光，提高了光能利用率，眩光效应低，达到GB5948-1998的配光要求。

Description

一种用于LED摩托车近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摩托车近光灯的自由曲面光学透镜。

背景技术

发光二极管（LED）具有体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点，近年来在照明领域中被广泛的应用，在车用照明中的应用也越来越普遍。但是，由于LED发光特性不同于传统光源，为了满足配光标准，提高系统性能，需针对LED来进行二次光学设计，从而实现前照灯照明系统的最优化。

对于道路安全来说，摩托车前照灯的性能尤其重要，在设计上，国家标准GB5948-1998对摩托车前照灯的配光要求做了规定。对于近光灯，国标要求在车灯前25m远的照明面上产生一水平线和水平线右侧向上15°的明暗截止线，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。

实用新型内容

针对LED摩托车前照灯设计面临的主要问题，本实用新型提供了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，该透镜制作安装方便，体积小，眩光效应低，光能利用率高，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，有效地减小了自由曲面仿真建模时产生的误差，同时也很好地提高了透镜的光学精度和工作效率。

本实用新型采用如下技术方案：

用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，所述透镜的内侧是一具有空腔，与空腔顶部正对的是开口端，使开口端供LED进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的所述自由曲面和透镜外侧的顶部平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进行折射，再在透镜外侧的外围自由曲面上发生全反射，接着又在透镜外侧的顶部平面出射产生折射，最后出射到照明面上；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光进行折射、反射和折射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光进行折射、反射和折射，然后会聚到水平面以下的照明面上。

进一步的，自由曲面透镜的形状确定如下：

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（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近光灯在照明面上照度分布特征（如GB5948-1998），把照明面上的照明区域设定为以照明面的中心点为圆心，圆心左侧边线为水平线和圆心右侧边线为水平线向上15°斜线的部分圆形（即195°的扇形），然后对该部分圆形进行环带划分，再然后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透镜的自由曲面。

根据国标GB5948-1998，摩托车前照灯近光灯绝大部分的光照射在水平面以下的照明面上，仅在右侧存在与水平线向上成15°的照明区域。因此，所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要将射向水平面以上的光进行折反射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要将向水平面以下扩散的光进行折反射，然后会聚到水平面以下的照明面上。

透镜的上部分和透镜的下部分的形状由如下确定：

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，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，

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YOZ所在平面为例。

对于近光灯，如前文所述设定其目标照明区域是部分圆形。

对于透镜的上部分，设照明面上部分圆形的半径为r_up；对照明面的坐标进行离散化，首先把圆半径r_up等分成n份，r_i表示等分后半径r_up的第i份，其中0＜i≤m；然后同样以照明面中心点为圆心，分别以r_i为半径画圆，将照明区域划分为部分圆形环带区域。在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

$E_{\mathrm{up}}=E_u\·k_i\·{\∫}_{r_{i-1}}^{r_i}\mathrm{rdr}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\mathrm{d\θ}$

式中，E_u·k_i表示照度值，根据国标要求，故设置常量E_u为预设照度值，结合变量k_i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。k_i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k_i的取值范围为0.9 - 1，对于边缘区域k_i的取值范围为0 - 0.1。

另外，由于LED并非理想的点光源，但可以将LED视为近似点光源，因此对于透镜上部分的自由曲面，θ的取值范围不一定为0°- 195°，经过在计算中反复仿真模拟调整，θ的取值范围可以取-4°- 202°，就能在照明面上产生Y轴左侧为水平线和Y轴右侧为水平线向上15°的明暗截止线。

那么，对于透镜的下部分，θ的取值范围就为202°- 356°。

同理，对于透镜的下部分，设照明面上的部分圆形的半径为r_down。对照明面的坐标进行离散化，即把圆半径r_down等分成m份，r_j表示等分后半径r_down的第j份，其中，0＜j≤m，最后将照明区域划分为部分圆形环带区域。在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

$E_{\mathrm{down}}=E_d\·k_j\·{\∫}_{r_{j-1}}^{r_j}\mathrm{rdr}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2}\mathrm{d\θ}$

式中，常量E_d为预设照度值，变量k_j为照度控制参数。E_d和k_j的取值与上文所述的E_u和k_i同理。

需要注意的是，透镜的尺寸与照明面的位置、照明区域的半径以及透镜内侧空腔的口径有关。此处，为了使透镜上、下两部分美观协调，具有整体性，可以采取透镜上部分的照明区域半径大于透镜下部分的照明区域半径，或者增大透镜上部分的空腔口径。

2、利用能量守恒定律将光源立体角进行划分。

对应于目标照明区域的环带划分，将光源的立体角进行离散化。

对于透镜的上部分，将光源中心部分的立体角进行离散化（此例中设置为

），即把

分成n份，

表示的第i份，

与r_i一一对应。同样，将光源外围部分的立体角进行离散化（此例中

设置为

），把

分成n份，

表示

的第i份，与r_i一一对应。

对于透镜的上部分，在光线射入透镜之前，光源中心部分的每一份角度内光源的光通量E_uc和光源外围部分的每一份角度内光源的光通量E_ul的总光通量为：

如前文所述，上式θ的取值范围都为-4°- 202°。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：

$E_{\mathrm{up}}=E_{\mathrm{uc}}+E_{\mathrm{ul}}$

联合上述各式，从而可以求解得到对应的

和

。

同理，对于透镜的下部分，将光源中心部分的立体角进行离散化（此例中

设置为），即把

分成m份，

表示的第j份，

与r_j一一对应。同样，将光源外围部分的立体角进行离散化（此例中设置为

），把

分成n份，

表示

的第i份，

与r_j一一对应。在光线射入透镜之前，光源中心部分的每一份角度内光源的光通量E_dc和光源外围部分的每一份角度内光源的光通量E_dl的总光通量为：

其中，θ的取值范围为202°- 356°。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：

$E_{\mathrm{down}}=E_{\mathrm{dc}}+E_{\mathrm{dl}}$

联合上述各式，也可以求解得到对应的

和。

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：

${[1+n^2-2\·n\·(\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}})]}^{\frac{1}{2}}\·\stackrel{\→}{N}=\stackrel{\→}{\mathrm{Out}}-n\·\stackrel{\→}{\mathrm{In}}$

其中，

为入射光线单位向量，

为出射光线单位向量，

为单位法向量，n为透镜折射率。

对于透镜的上部分，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

值为0°，然后选取透镜内侧的空腔顶部自由曲面高度（该点与底面的距离），该高度决定了整个透镜的尺寸，接着再根据这个自由曲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自由曲线和第一直线，由于以YOZ所在平面为例，因此这两条线段在YOZ平面上。第一自由曲线表示的是透镜上部分内侧空腔顶部的自由曲面，第一直线表示的是透镜上部分外侧顶部的平面，且该第一自由曲线和第一直线的最后一个点对应的

值都为60°。

接着计算透镜的外围部分，同样在XOZ平面上，过第一自由曲线的最后一个点作与Y轴垂直的第二直线，第二直线与 内侧空腔的口径大小，此点对应的

值为90°，该第二直线表示的是透镜上部分内侧腔壁的柱面。透镜外围部分自由曲面初始点的

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YOZ平面上的第二自由曲线，该第二自由曲线表示的是透镜上部分外侧外围的自由曲面。

同理，对于透镜的下部分，根据上面已选定的透镜腔顶自由曲面高度和透镜厚度，可以计算得到透镜中心部分的第三自由曲线和第三直线，第三自由曲线表示的是透镜下部分内侧空腔顶部的自由曲面，第三直线表示的是透镜下部分外侧顶部的平面（其实第三直线等价于第一直线1，即我们将透镜上、下两部分的出射面设置为同一平面）。接着再求得透镜外围部分的第使直线和第四自由曲线，第使直线表示的是透镜下部分内侧腔壁的柱面，第四自由曲线表示的是透镜下部分外侧外围的自由曲面。

正如前文所述，为了使透镜上、下两部分美观协调，具有整体性，可以采取透镜上部分的空腔口径大于透镜下部分的空腔口径。

4、利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

将得到的透镜上、下两部分的离散点坐标分别导入到机械建模软件，拟合成八条位于YOZ平面上的线段，其中四条为直线，四条为自由曲线。在线与线的交接处做适当的处理和相应的连接，使透镜上部分的四条线段合为一条连续的分段曲线，然后使该曲线绕Z轴正方向旋转94°，再绕Z轴负方向旋转112°（即θ取-4°- 202°），即可加工成透镜上部分的实体模型。同理，使透镜下部分的四条线段合为一条连续的分段曲线，然后使该曲线绕Z轴正方向旋转68°，再绕Z轴负方向旋转86°（即θ取202°- 356°），即可加工成透镜下部分的实体模型。通过对透镜上、下两部分进行加工拟合，最终得到LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜模型。

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，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率。透镜的体积小，眩光效应低，达到GB5948-1998的配光要求，且透镜的外形设计便于散热装置和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，不仅便于仿真建模，而且所建模型的光学精度高。

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为实施方式中照明系统坐标系示意图。

图3为实施方式中光线经过透镜配光的示意图。

图4为实施方式中近光灯透镜上部分的三维立体正视示意图。

图5为实施方式中近光灯透镜上部分的二维正视示意图。

图6为实施方式中近光灯透镜上部分的三维立体侧视示意图。

图7为实施方式中近光灯透镜下部分的三维立体正视示意图。

图8为实施方式中近光灯透镜下部分的二维正视示意图。

图9为实施方式中近光灯透镜下部分的三维立体侧视示意图。

图10为实施方式中近光灯透镜的三维立体侧视示意图。

图11为实施方式中近光灯透镜的三维立体仰视示意图。

图12为实施方式中近光灯透镜的三维立体后视示意图。

具体实施方式

以上内容已经对本实用新型作了充分的说明，以下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摩托车灯近光灯光学透镜，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。

本实例中用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜由透明材料制成，透明材料可为PMMA或PC或光学玻璃。所述透镜的内侧是一空腔，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自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即出射面。LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的自由曲面入射面和透镜外侧顶部的平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平面出射面产生折射，最后出射到照明面上。

对于近光灯，国标要求在车灯前25m远的照明面上产生一左侧为水平线和右侧为水平线向上15°的明暗截止线，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。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部分圆形环带划分，如图1所示。

然后运用能量守恒定律，对光源立体角进行划分，每一份立体角内的能量相对应于照明面上部分圆形环带的能量，如图2所示为照明系统坐标系示意图，以LED光源为坐标原点O建立坐标系，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，

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YOZ所在平面为例，透镜配光原理示意图如图3所示，LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的自由曲面入射面和透镜外侧顶部的平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平面出射面产生折射，最后出射到照明面上。透镜的上部分主要将射向水平面以上的光折反射照向水平面以下的照明面上，透镜的下部分则主要将向水平面以下扩散的光折反射会聚到水平面以下的照明面上。在图3中，1和5分别为透镜上部分和下部分内侧腔顶的自由曲面，2和6分别为透镜上部分和下部分外侧顶部的平面，3和7分别为透镜上部分和下部分内侧腔壁的柱面，4和8为透镜上部分和下部分外侧外围的自由曲面，其中，1、2、5和6构成透镜的中心部分，3、4、7和8构成透镜的外围部分。

对于透镜的上部分，根据设定的初始条件、目标照明区域划分的环带分布以及相应的通过能量守恒定律进行划分的光源立体角，运用折反射定律求出入射光线所作用在自由曲面上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所求线段上点的坐标。由这一系列计算出来的点可以拟合出四条位于XOZ平面上的线段，其中两条为直线，两条为自由曲线。然后在线与线的交接处做适当的处理和相应的连接，使这四条线段合为一条连续的分段曲线，然后使该曲线绕Z轴正方向（顺时针）旋转94°，再绕Z轴负方向（逆时针）旋转112°，即可加工成透镜上部分的实体模型。如图4所示，其中，虚线表示的曲线9为透镜上部分在YOZ平面上的自由曲线。图5和图6所示为分别透镜上部分的三维立体正视示意图和三维立体侧视示意图。

同理，对于透镜的下部分，根据设定的初始条件、目标照明区域划分的环带分布以及相应的通过能量守恒定律进行划分的光源立体角，运用折反射定律也可求出在YOZ平面上的四条线段。将这四条线段合为一条连续的分段曲线，然后使该曲线绕Z轴正方向（顺时针）旋转68°，再绕Z轴负方向（逆时针）旋转86°，即可加工成透镜下部分的实体模型。如图7所示，其中，虚线表示的曲线10为透镜下部分在YOZ平面上的自由曲线。图8和图9所示分别为透镜下部分的三维立体正视示意图和三维立体侧视示意图。

最后，为了使透镜上、下两部分美观协调，具有整体性，通过对透镜上、下两部分进行加工拟合，最终得到LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜模型。如图8、图9和图10所示，分别为近光灯透镜的三维立体侧视示意图、仰视示意图和后视示意图。

以上对本实用新型所提供的LED摩托车近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。根据照明需要，透镜可以以LED为轴心微向下倾斜。本实用新型中应用了各种整体和分离的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摩托车近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具有空腔，与空腔顶部正对的是开口端，开口端供LED进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光进行折射、反射和折射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光进行折射、反射和折射，然后会聚到水平面以下的照明面上；LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的所述自由曲面和透镜外侧的顶部平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进行折射，再在透镜外侧的外围自由曲面上发生全反射，接着又在透镜外侧的顶部平面出射产生折射，最后出射到照明面上。

2.根据权利要求1所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，所述自由曲面光学透镜的形状确定如下：

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；首先根据摩托车前照灯近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部分圆形即195°的扇形，扇形以照明面的中心点为圆心、以圆心左侧水平线为左侧边线、以圆心右侧与水平线向上成15°的斜线为右侧边线，对该部分圆形进行环带划分成n等份，对光源立体角进行n等份划分，最后运用折反射定律得到透镜的 自由曲面。

3.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，所述点O与点o间的距离为25m。

4.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，透镜上部分的照明区域半径大于透镜下部分的照明区域半径，透镜上部分的空腔口径大于透镜下部分的空腔口径。

5.根据权利要求1～4任一项所述的用于LED摩托车近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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