Led摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，透鏡包括同一所述前照燈里的遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡，所述遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡均由入射面(凸型面與圓柱面)、側面(側反射面)及出射面(凹形自由曲面)構成。本實用新型所提供的技術方案適用于使用LED光源的摩托車前照燈新國家標準，克服了當前LED光源應用于摩托車前照燈時要面臨更加復雜光學設計的問題、解決了現(xiàn)有的摩托車透鏡前照燈存在色溫偏高或者光學效率不高的缺陷、簡便可靠、成熟可行。
【專利說明】
LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及LED摩托車燈照明技術領域，特別涉及LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷發(fā)展和整車配置需求，車燈照明行業(yè)內對GB5948-1998《摩托車白熾絲光源前照燈配光性能》要求予以修訂的呼聲強烈。經過專家組的討論決定，將制定強制性國家標準，標準名稱暫定為“發(fā)射對稱近光和/或遠光的機動車前照燈配光性能”，標準批準發(fā)布后，將設置實施過渡期，并逐步替代現(xiàn)行的摩托車前照燈標準GB5948-1998《摩托車白熾絲光源前照燈配光性能》。
[0003]摩托車前照燈新國家標準中的光型及照度要求不同于GB5948-1998，新國家標準的即將發(fā)布意味著依據GB5948-1998設計的摩托車前照燈將會被淘汰，其使用的光學設計也不再適用于新的國家標準。尤其對于使用LED光源的摩托車前照燈，由于LED芯片的發(fā)光模型近似為余弦輻射體，光學特性不同于傳統(tǒng)摩托車的白熾絲光源，使LED光源應用于摩托車前照燈時要面臨更加復雜的光學設計問題。而現(xiàn)有的摩托車透鏡前照燈存在色溫偏高或者光學效率不高的問題。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型針對上述存在的問題，提供了摩托車用的LED前照燈，該LED摩托車前照燈包括遠光燈和近光燈，能滿足新的國家標準對摩托車用LED前照燈的配光要求，解決了使用LED光源的光學設計問題。
[0005]本實用新型采用如下技術方案。
[0006]LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，所述自由曲面集成光學透鏡集包括位于同一前照燈中的遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡，所述遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡均各自由入射面、側反射面及出射面構成;所述入射面由凸型面與圓柱面構成;所述出射面為凹形自由曲面，把朝向照明面一側的面即出射面稱為為光學透鏡的頂部；
[0007]所述遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定如下:
[0008]將光學透鏡的底部平面與LED芯片發(fā)光面平行設置，以LED芯片發(fā)光面的中心點為坐標原點O1建立直角坐標系，LED芯片發(fā)光面所在平面為X1O1Y1平面，過原點O1并與X1O1Y1平面垂直的軸為，其中X1O1Y1平面為水平面，在坐標原點⑴前方距離25米處、與交點為01且平行于X1O1Y1平面的平面設為照明面，點01為照明面中心，將照明面上的照明區(qū)域設定為以照明面中心點O1為中心的橢圓形區(qū)域，對該橢圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分，然后將各環(huán)帶進行網格劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求相應地進行與網格相等數量的劃分，LED芯片發(fā)光經所述入射面及側反射面轉化后為平行光線，將在曲面的入射角度轉化為距中心點距離，之后獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代數值得出該曲線，然后由得出的這些自由曲線繞冗工軸旋轉360°組成凹形自由曲面形狀；
[0009]所述近光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定如下:
[0010]將光學透鏡的底部平面與LED芯片發(fā)光面垂直設置，近光燈的光反射器采用部分橢球面形的光反射器，以光反射器的外側焦點為坐標原點O2建立直角坐標系，以過點O2并平行于光學透鏡的底部平面平行的平面為X2O2Y2平面，過原點O2并與X2O2Y2平面垂直的軸為Z2軸，其中X2O2Y2平面為水平面，在坐標原點02前方距尚2 5米處、與Z2軸交點為02且平行于X2O2Y2平面的平面設為照明面，點02為照明面的中心點，把照明區(qū)域設為以照明面的中心點02為圓心的半圓形區(qū)域，對該半圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分，光反射器反射的光線經入射面及側反射面轉化為平行光線，將入射角度轉化為距中心點距離，獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代數值獲得得出該曲線，然后由得出的自由曲線繞Z2軸旋轉360°組成近光燈用光學透鏡自由曲面形狀。
[0011]進一步的，所述對該橢圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分具體包括:按橢圓區(qū)域的長半軸a分成η份，然后將短半軸b按長半軸劃分的相同比例分成η份，以apbj表示劃分后長軸a的第j份，j = l?n，然后以照明面中心點01為中心，分別以ai+a2+...+aj-1,bi+b2+...+bj—1為長短軸做橢圓，然后以ai+a2+...+aj，bi+b2+...+bj為長短軸作橢圓，兩橢圓中心區(qū)域為該環(huán)帶區(qū)域。
[0012]進一步的，所述對該半圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分具體包括:首先把半圓形區(qū)域的圓半徑r等分成η份，以^表示等分后半徑的第j份，j = l?n，然后以照明面中心點02為圓心，分別以n+r+...+η—!和n+r+...+η為半徑畫圓，將該半圓形區(qū)域劃分為半圓形環(huán)帶區(qū)域。
[0013]進一步的，在所述遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定中，所述運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:把出射光線Li與Zi軸正方向的夾角Φ分成η份，有Φ j表示Φ的第j
份，Φ j與所述環(huán)帶劃分的-aj和-bj--對應，Φ j-1與Φ j夾角的光通量等于_aj-1、-bj-1與-
aj、_b諫示環(huán)帶的能量，把出射光線L^X1O1Y1平面上的投影與的夾角Θ分成m份，用θ」表不Θ的第j份，與所述網格劃分的-aj 對應，將i>j和Qj帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于每一小網格區(qū)域的能量，算出對應的和Θ」數值。
[0014]進一步的，在所述近光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定中，所述運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:把出射光線L2與Z2軸正方向的夾角φ7分成η份，用j表不的第j份，j與所述環(huán)帶劃分的-rj--對應，i>j-1與i>j夾角的光通量等于與rj表示環(huán)帶的能量.將Φ、帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于所述每一份圓形環(huán)帶區(qū)域的能量，算出對應的Φ、數值。
[0015]進一步的，所述凸型面為以LED為焦點的凸型曲面，將光線準直平行，凸型面寬度L由收集的光線角度β，60° 2 30°。
[0016]進一步的，所述圓柱面的半徑等于凸型面的寬度L，圓柱面將光線偏折至側反射面。
[0017]進一步的，所述側反射面入射光線為經過圓柱面偏折的光線，反射光線為平行光線，根據折射定律，再通過迭代數值獲得得出側反射面曲線。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術效果:
[0019]本實用新型所提供的技術方案適用于使用LED光源的摩托車前照燈新國家標準，克服了當前LED光源應用于摩托車前照燈時要面臨更加復雜光學設計的問題、解決了現(xiàn)有的摩托車透鏡前照燈存在色溫偏高或者光學效率不高的缺陷、簡便可靠、成熟可行。
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型實施例的遠光燈用光學透鏡主視示意圖。
[0021]圖2是圖1中A-A向剖視示意圖。
[0022]圖3是本實用新型實施例的近光燈用光學透鏡主視示意圖。
[0023]圖4是圖3中B-B向剖視示意圖。
[0024]圖5是本實用新型實施例的遠光燈與照明面之間關系的示意圖。
[0025]圖6是本實用新型實施例的近光燈與照明面之間關系的示意圖。
[0026]圖7是本實用新型實施例的遠光燈出射光線關系的示意圖。
[0027]圖8是本實用新型實施例的近光燈出射光線關系的示意圖。
[0028]圖中:1_遠光燈用光學透鏡；11-1遠光燈用光學透鏡入射凸型面；11-2遠光燈用光學透鏡入射圓柱面；12-遠光燈用光學透鏡凹形自由曲面；13-遠光燈LED芯片；14-遠光燈照明面；15-橢圓形區(qū)域;2-近光燈用光學透鏡；21-1近光燈用光學透鏡入射凸型面;22-近光燈用光學透鏡凹形自由曲面;23-光反射器;24-近光燈LED芯片;25-近光燈照明面;26-半圓形區(qū)域。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的說明，需要說明的是，附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制;對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
[0030]如圖1至圖4所示，用于LED摩托車前照燈的自由曲面光學透鏡，包括所述同一個前照燈里的遠光燈用光學透鏡I和近光燈用光學透鏡2，所述遠光燈用光學透鏡1、近光燈用光學透鏡2均為類凸凹透鏡，所述遠光燈用光學透鏡I的面(11-1，11-2)和近光燈用光學透鏡2的面(21-1，21-2)為光入射面，兩者的凹形自由曲面(12、22)為光出射面，遠光燈用光學透鏡I和近光燈用光學透鏡2分別處于LED芯片(13、24)前面。
[0031 ] 對于遠光燈用光學透鏡凹形自由曲面12，具體而言:
[0032]將光學透鏡的平面與LED芯片發(fā)光面平行設置，以LED芯片發(fā)光面的中心點為坐標原點O1建立直角坐標系，LED芯片發(fā)光面所在平面為X1O1Y1平面，過原點O1并與X1O1Y1平面垂直的軸為，其中X1O1Y1平面為水平面，在坐標原點⑴前方距離25米處、與交點為01且平行于X1O1Y1平面的平面設為照明面，點01為照明面中心，將照明面上的照明區(qū)域設定為以照明面中心點01為中心的橢圓形區(qū)域，然后對該橢圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分，然后將各環(huán)帶進行網格劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分，經入射面及側反射面轉化為平行光線，將入射角度轉化為距中心點距離，之后獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代數值獲得得出該曲線，然后由得出的這些自由曲線12繞2:軸旋轉360°組成遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面12;參見見圖5和圖7。
[0033]所述近光燈用光學透鏡2的凹形自由曲面22的形狀確定如下:將近光燈用光學透鏡2的平面21與LED芯片24發(fā)光面垂直設置，光反射器23采用部分橢球面形的光反射器，以光反射器23的外側焦點為坐標原點O2建立直角坐標系，以過點O2并平行于近光燈用光學透鏡2的平面21平行的平面為X2O2Y2平面，過原點O2并與X2O2Y2平面垂直的軸為Z2軸，其中X2O2Y2平面為水平面，在坐標原點02前方距尚25米處、與Z2軸交點為02且平行于X2O2Y2平面的平面設為照明面25，點O2為照明面25的中心點，把照明區(qū)域設為以照明面25的中心點O2為圓心的半圓形區(qū)域26，對該半圓形區(qū)域26進行多環(huán)帶劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分，經入射面及側反射面轉化為平行光線，將入射角度轉化為距中心點距離，獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代數值獲得得出該曲線，然后由得出的自由曲線繞Z2軸旋轉360°組成近光燈用光學透鏡凹形自由曲面22。參見圖6和圖8。
[0034]具體而言，針對遠光燈用光學透鏡I的凹形自由曲面12:
[0035]所述對該橢圓形區(qū)域15進行環(huán)帶劃分具體包括:按橢圓區(qū)域的長半軸a分成η份，然后將短半軸b按長半軸劃分的相同比例分成η份，以apbj表示劃分后長軸a的第j份，然后以照明面中心點οι為中心，分別以ai+a2+...+aj-1,bi+b2+...+bj—1為長短軸做橢圓，然后以ai+a2+...+aj,bi+b2+...+bj為長短軸作橢圓，兩橢圓中心區(qū)域為該環(huán)帶區(qū)域。
[0036]所述將各環(huán)帶區(qū)域進行網格劃分具體包括:首先把某一環(huán)帶區(qū)域的長半軸a和短半軸b分別等分為η份，以adPh表示等分后長半軸a的第i份和短半軸的第i份，以照明面中心點01為中心，將環(huán)帶區(qū)域劃等分成m份橢圓形環(huán)帶區(qū)域，然后將環(huán)帶上任意一點和點01的連線與X軸的夾角α等分成m份，以A表示等分后α的第j份，以點O1為端點，與X軸的夾角為Ctj的射線束將每一份橢圓形環(huán)帶區(qū)域再細分為m份，這樣將環(huán)帶區(qū)域劃分從mxn個小格子。
[0037]所述運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量反向對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:把出射光線L1與ZJi正方向的夾角Φ(Φ可設置為0° < Φ < 60°)分成η份，有Φ」表不Φ的第j份，Φ」與所述環(huán)帶劃分的-aj和-bj對應，Φ j-1與Φ j夾角的光通量等于-aj—1、_bj—I與-aj、_bj表不環(huán)帶的能量。把出射光線Li在X1O1Y1平面上的投影與&軸的夾角θ(θ可設置為0° < Θ < 360°)分成m份，用~表示Θ的第j份，
與所述網格劃分的-aj 對應，將和Qj帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于每一小網格區(qū)域的能量，算出對應的Φ j和Gj數值。
[0038]所述獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律通過迭代數值獲得得出該曲線，然后由得出的這些自由曲線組成自由曲面模型具體包括:先分別設各線段初始點夾角Φ為V、OhO2...Φη，然后分別設定遠光燈用光學透鏡I的平面與LED芯片13發(fā)光面之間的距離，即確定了光入射面的位置，然后再根據這個距離選取合適的透鏡厚度h =8mm，確定這個值為每段曲線的距離底面的初始距離，根據迭代便可分別進行獲得得到曲線12。
[0039]具體而言，針對近光燈用光學透鏡2的凹形自由曲面22:
[0040]所述運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:是把出射光線!^與辦軸正方向的夾角Φ1Φ'可設置為0° < Φ7 < 60°)分成η份，用j表不的第j份，j與所述環(huán)帶劃分的-rj對應，Φ j-1與Φ j夾角的光通量等于_1>1與-rj表示環(huán)帶的能量.將Φ' j帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于所述每一份圓形環(huán)帶區(qū)域的能量，算出對應的Φ、數值。
[0041 ]所述獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律通過迭代數值獲得得出該曲線，然后由得出的這些自由曲線組成自由曲面模型具體包括:是先分別設各線段初始點夾角φ為0\φ、、φ S...φ\，然后設定近光燈用光學透鏡2的平面21與LED芯片24發(fā)光面之間的距離，即確定了光入射面的位置，然后再根據這個距離選取合適的透鏡厚度h= 8mm，確定這個值為每段曲線的距離底面的初始距離，根據迭代便可分別進行獲得得到曲線22。
[0042]顯然，所述凸型面的作用是將光線準直平行，凸型面寬度L由收集的光線角度β，60° 2 β 2 30°。所述圓柱面的半徑等于凸型面的寬度L，圓柱面將光線偏折至側反射面。而所述側反射面入射光線為經過所述圓柱面偏折的光線，反射光線為平行光線，根據折射定律，再通過迭代數值獲得得出側反射面曲線，在此無需再展開說明。
[0043]本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，其特征在于:所述自由曲面集成光學透鏡包括位于同一前照燈中的遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡，所述遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡均各自由入射面、側反射面及出射面構成;所述入射面由凸型面與圓柱面構成;所述出射面為凹形自由曲面。2.根據權利要求1所述的LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，其特征在于所述遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀限定如下: 把朝向照明面一側的面即出射面稱為光學透鏡的頂部;將光學透鏡的底部平面與LED芯片發(fā)光面平行設置，以LED芯片發(fā)光面的中心點為坐標原點O1建立直角坐標系，LED芯片發(fā)光面所在平面為X11Y1平面，過原點O1并與X1O1Y1平面垂直的軸為ZjiJ，其中X1O1Y1平面為水平面，在坐標原點(^前方距離25米處、與ZJi交點為01且平行于X1O1Y1平面的平面設為照明面，點01為照明面中心，將照明面上的照明區(qū)域設定為以照明面中心點01為中心的橢圓形區(qū)域，對該橢圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分，然后將各環(huán)帶進行網格劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求相應地進行與網格相等數量的劃分，LED芯片發(fā)光經所述入射面及側反射面轉化后為平行光線，將在曲面的入射角度轉化為距中心點距離，之后確定任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代限定該曲線形狀，然后由得出的這些自由曲線繞Z1軸旋轉360°組成凹形自由曲面形狀； 所述近光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定如下: 將光學透鏡的底部平面與LED芯片發(fā)光面垂直設置，近光燈的光反射器米用部分橢球面形的光反射器，以光反射器的外側焦點為坐標原點O2建立直角坐標系，以過點O2并平行于光學透鏡的底部平面平行的平面為X2O2Y2平面，過原點O2并與X2O2Y2平面垂直的軸為辦軸，其中X2O2Y2平面為水平面，在坐標原點02前方距尚25米處、與Z2軸交點為02且平行于X2O2Y2平面的平面設為照明面，點O2為照明面的中心點，把照明區(qū)域設為以照明面的中心點O2為圓心的半圓形區(qū)域，對該半圓形區(qū)域進行多環(huán)帶劃分，運用能量守恒定律建立環(huán)帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分，光反射器反射的光線經入射面及側反射面轉化為平行光線，將入射角度轉化為距中心點距離，獲得任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區(qū)域通過迭代限定曲線形狀，然后由得出的自由曲線繞Z2軸旋轉360°組成近光燈用光學透鏡自由曲面形狀。3.如權利要求1所述的LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，其特征在于:所述凸型面為以LED為焦點的凸型曲面，將光線準直平行，凸型面寬度L由收集的光線角度β，60。>β> 30° ο4.如權利要求2所述的LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，其特征在于:所述圓柱面的半徑等于凸型面的寬度L，圓柱面將光線偏折至側反射面。5.如權利要求1?4任一項所述的LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡，其特征在于:所述側反射面入射光線為經過圓柱面偏折的光線，反射光線為平行光線，側反射面的曲線形狀根據折射定律和迭代限定。
【文檔編號】F21W101/027GK205451061SQ201521002798
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月5日
【發(fā)明人】王洪, 王翔, 葛鵬
【申請人】中山市華南理工大學現(xiàn)代產業(yè)技術研究院