用于LED汽车远光灯的自由曲面光学透镜

摘要

本发明公开了一种用于LED汽车远光灯的自由曲面光学透镜，由透明材料制成，透明材料为PC或PMMA或光学玻璃，透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中心设有一供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，所述的入射面由所述柱面和位于柱面顶部的自由曲面构成；透镜的外侧面是自由曲面，透镜的顶面是平面即所述的出射面。由于LED光源发光效率高及采用自由曲面透镜，从光源射出的光线几乎可以全部被收集利用，故能量利用率很高，同时，LED光源光型，发光方向都可以控制。透镜的底面中部设有一供LED安装于其内的空腔，使LED光源易于安装，透镜的体积小，留出大量的空间有利于散热装置的安装。点亮LED光源，光线经过透镜后出射，可以得到椭圆形光型和满足国家标准GB25991-2010的照度分布。

主权项

1.用于LED汽车远光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于透镜包括入射面及出射面，所述透镜的底面中心设有一供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，所述的入射面由所述柱面和位于柱面顶部的自由曲面构成；透镜的外侧面为另一自由曲面，透镜的顶面是平面即所述的出射面；透镜的自由曲面形状限定如下：以LED光源为坐标原点建立坐标系，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，对光源立体角进行划分，根据汽车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征，运用能量守恒定律，把照明面上的照明区域进行椭圆形环带划分，然后运用折反射定律通过数值计算限定最后的自由曲面透镜；位于透镜外侧的自由曲面和位于内腔的自由曲面的形状限定如下：设定初始条件并对光源立体角均匀划分，目标照明面距LED的距离为d，对于远光灯，设定其目标照明区域是椭圆形，其长半轴为a，短半轴为b；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；每一份角内的每一份θ角内光源的光通量为：确定柱面顶部的自由曲面、透镜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的值限定透镜底部口径的大小；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，a_i表示等分后长半轴a的第i份，b_i表示等分后短半轴b的第i份，α的取值范围为0～2π；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；对于柱面顶部的自由曲面，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：$E_l=\delta \left(k\right)·{\int }_{-u}^u{\int }_0^{-v}[S(x(i+1,j),y(i+1,j))-S(x(i,j),y(i,j))]·\mathrm{dxdy},$式中，S(x(i,j),y(i,j))表示水平线下方的部分椭圆环带区域面积函数，u表示椭圆长半轴，v取表示椭圆短半轴，与其对应的α的取值范围为π～2π，δ(k)表示照度值，根据国标GB25991-2010远光灯的照明面上区域的照度值预设照度E，结合δ(k)函数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，对于照明面上的不同区域有$\delta \left(k\right)=t·\frac{i-k}{i}·E,$式中，k用于配合i形成递减分式数列，使照度E呈递减趋势，其取值为k=1,2,...,i，即k为1～i之间的整数；0≤t≤2，t取值大小对照明面上指定区域进行加强或者减弱；对于透镜外侧面的自由曲面，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：$E_r=\delta \left(k\right)·{\int }_{-u}^u{\int }_0^{-v}[S(x(i+1,j),y(i+1,j))-S(x(i,j),y(i,j))]·\mathrm{dxdy}$式中，S(x(i,j),y(i,j))对应的是水平线下方部分椭圆环带区域的面积函数，u表示椭圆长半轴，v表示椭圆短半轴；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=E_l+E_r，联合上述各式，得到对应的x(i,j)和y(i,j)数组；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表示为：${[1+n^2-2·n·\left(\overrightarrow{\mathrm{Out}·}\overrightarrow{\mathrm{In}}\right)]}^{\frac{1}{2}}·\overrightarrow{N}=\overrightarrow{\mathrm{Out}}-n·\overrightarrow{\mathrm{In}},$其中n为透镜折射率，光线经过透镜外侧面的自由曲面时发生全反射，此时n取值为1；光线经过柱面顶部的自由曲面时发生折射，n的取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；确定三个初始点，这些初始点的位置限定整个透镜的尺寸，由这三个初始点分别限定二条边界曲线，再由边界曲线的上的每一个点为初始点限定出内腔及透镜外侧面的自由曲面。