LED汽车近光灯光学透镜

摘要

本发明公开LED汽车近光灯光学透镜，包括入射面及出射面，所述透镜的底面中心设有用于容纳LED的空腔，所述空腔的腔壁包括部分球面、部分柱面和部分柱面的顶部的自由曲面，构成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外侧面和所述部分柱面的外侧面分别是两个不同的自由曲面，透镜的顶部是平面，透镜的顶部平面和部分球面外侧面的自由曲面构成所述的出射面。该透镜体积小，眩光效应低，光能利用率高，安装方便，并能产生满足国标GB25991-2010的配光要求的光型和照度分布。

主权项

LED汽车近光灯光学透镜，包括入射面及出射面，所述透镜的底面中心设有用于容纳LED的空腔，其特征在于所述空腔的腔壁包括部分球面、部分柱面和部分柱面的顶部的自由曲面，构成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外侧面和所述部分柱面的外侧面分别是两个不同的自由曲面，透镜的顶部是平面，透镜的顶部平面和部分球面外侧面的自由曲面构成所述的出射面；自由曲面的形状由如下方法确定：以LED光源为坐标原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面垂直XOY的轴为z轴；首先对光源立体角进行划分，然后根据汽车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征，运用能量守恒定律，将照明面上的照明区域进行环带划分，然后运用折反射定律通过数值计算即得到最后的自由曲面；透镜的三个所述自由曲面的确定如下：（1）设定初始条件并对光源立体角均匀划分，首先目标照明面与LED的距离为d，对于近光灯，目标照明区域是部分椭圆，其长半轴为a，短半轴为b，并在水平线上方存在与水平线成15°的照明区域；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；对光源的立体角进行离散化，把等分成i份，对于每一个都将θ等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了和θ(i,j)的数组；i和j取值的大小取决于精度要求，i和j的取值越大越精确；每一份角内的每一份θ角内光源的能量对应的光通量为：在确定所述部分球面的外侧面的自由曲面时的取值范围为而在确定所述部分柱面的顶部的自由曲面、所述部分柱面的外侧面的自由曲面时对应的的取值范围分别为0~ω其中ω的值影响透镜底部口径的大小；（2）利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分，对应于光源立体角的环带划分方式，照明面的直角坐标也相应的划分为椭圆形环带区域，椭圆长半轴a，短半轴b分别在x，y方向上分成i份，形成的椭圆可以表示为：$\left\{\begin{array}{c}x=a_i·\cos \alpha \\ y=b_i·\sin \alpha \end{array}\right.$式中，α的取值范围为对于每一个i，都将α分成j份，在接收屏直角坐标系中得到与光源立体角中θ(i)和数组一一对应的a_i，b_i，x(i,j)和y(i,j)数组；对于部分柱面的顶部的自由曲面和部分球面的外侧面的自由曲面，在目标照明区域上，每一份θ角所对应的是部分椭圆围成的环带区域，该环带区域的总能量为：$E_l=\delta \left(k\right)·\underset{S1}{\int \int }[S(x(i+1,j),y(i+1,j))-S(x(i,j),y(i,j))]·\mathrm{dxdy},$式中，S(x(i,j),y(i,j))表示包括水平线上方的部分椭圆环带区域面积，与其对应的α的取值范围为δ(k)表示照度值；由于国标GB25991‑2010近光灯的照明面上ZONE Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域的照度值各不相同，故预设照度E，照度控制因子ξ，这里ξ用来控制接收屏上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，因此对于照明面上的不同区域有δ(k)=E·ξ(k)    k=1,2,3,4其中0≤ξ(k)≤1，k的取值与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域一一对应，且ξ(k)值各不相同；对于所述部分柱面的外侧面的自由曲面，每一份θ角所对应的是半椭圆围成的环带区域，该环带区域的总能量为：$E_r=\delta \left(k\right)·\underset{S2}{\int \int }[S(x(i+1,j),y(i+1,j))-S(x(i,j),y(i,j))]·\mathrm{dxdy}$式中，S(x(i,j),y(i,j))对应的是水平线下方半椭圆环带区域的面积，与其对应的α的取值范围为0~π，δ(k)表示照度值；从光源发出的光全部投射到照明面上，则环带区域与光源立体角间由能量守恒定律：E_total=2E_l+E_r联合上述各式，从而得到对应的x(i,j)和y(i,j)数组；（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平面，通过求切平面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：$\sqrt{1+n^2-2·n·(\overrightarrow{\mathrm{Out}}·\overrightarrow{\mathrm{In}})}·\overrightarrow{N}=\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n·\overrightarrow{\mathrm{In}}$其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，光线经过部分柱面的外侧面的自由曲面时发生全反射，此时n取值为1，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；首先需要确定三个初始点，这些初始点的位置决定整个透镜的尺寸，由这三个初始点分别算出三条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点得出整个自由曲面；所述部分柱面的顶部的自由曲面和部分球面的外侧面的自由曲面计算方法相同，所对应的部分椭圆的参数α的取值范围为所述的部分椭圆包括水平线上方的部分椭圆区域面积，所述部分球面的外侧面的自由曲面对应的光源立体角的取值范围为而所述部分柱面的顶部的自由曲面所对应的光源立体角的取值范围为0~ω；所述部分柱面的外侧面的自由曲面与前述两个自由曲面的计算方法一样，不同之处在于它所对应的水平线下半椭圆的参数α的取值范围为0~π，对应的光源立体角的取值范围为其中ω的值影响透镜底部口径的大小。