專利名稱：Led汽車近光燈光學(xué)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及LED車燈領(lǐng)域，具體涉及用于LED汽車前照燈照明的近光燈光學(xué)透鏡。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的前照燈光源相比，發(fā)光二極管(LED)具有壽命長(zhǎng)、體積小、響應(yīng)快、耗電量低、色溫更接近自然光、抗震能力強(qiáng)和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體材料及封裝工藝的發(fā)展，大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽車照明領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸擴(kuò)大，從信號(hào)指示燈到現(xiàn)在的汽車前照燈，這反映了一種主流的發(fā)展趨勢(shì)LED將逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈和鹵鎢燈，成為汽車照明領(lǐng)域的新型光源。由于目前LED汽車前照燈系統(tǒng)存在系統(tǒng)的光效低，散熱設(shè)計(jì)不完善及遠(yuǎn)近光切換不方便等問(wèn)題，使LED應(yīng)用于汽車前 照燈面臨諸多的困難。在汽車前照燈的設(shè)計(jì)上，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB25991-2010對(duì)汽車前照燈的配光圖形做了規(guī)定，目的是防止汽車前照燈干擾對(duì)面駛來(lái)車輛而造成交通事故。對(duì)近光燈來(lái)說(shuō)，要求在車燈前25m遠(yuǎn)的照明面上產(chǎn)生一水平線和水平線右側(cè)向上15°的明暗截止線。近光照明面可分為四個(gè)區(qū)域Z0NE I為具有較大擴(kuò)散、均勻度良好的基底配光，滿足整個(gè)路面范圍內(nèi)的最低照明需求；Z0NE II、III、IV為具有光能量較為集中、射程較遠(yuǎn)的中心配光，滿足本車道和右邊路面(以車輛右行標(biāo)準(zhǔn)為例)較遠(yuǎn)處的照明需求。在I，II，III和IV區(qū)內(nèi)，應(yīng)無(wú)影響良好可見(jiàn)度的橫向照度變化。對(duì)遠(yuǎn)光燈來(lái)說(shuō)，則要求在車燈前25m遠(yuǎn)的照明面上的規(guī)定區(qū)域照度達(dá)標(biāo)。LED前照燈的光學(xué)設(shè)計(jì)形式有折射式、反射式和混合式3種。折射式LED前照燈模塊通常由光源、配光透鏡構(gòu)成，從光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)配光透鏡后，在接受屏上達(dá)到預(yù)定的光型，通過(guò)透鏡的配光，可以有效的減小眩光效應(yīng)，而且光學(xué)系統(tǒng)也具有較高的能量利用率；反射式LED前照燈一般由光源與反射器構(gòu)成，用單一的反射器完成所有的配光任務(wù)，這種前照燈雖然光能利用率高，但眩光效應(yīng)較難控制，對(duì)設(shè)計(jì)、加工過(guò)程要求極高；混合式LED前照燈融折射式、反射式優(yōu)點(diǎn)于一體，可以形成很好的光型效果，但在近光燈設(shè)計(jì)時(shí)還需加上擋板，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，光能利用率較低。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)LED前照燈設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，該透鏡體積小，眩光效應(yīng)低，光能利用率高，安裝方便，并能產(chǎn)生滿足國(guó)標(biāo)GB25991-2010的配光要求的光型和照度分布。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種用于LED汽車照明的自由曲面透鏡由透明材料制成，透明材料可為PC或PMMA，透鏡包括入射面及出射面。所述透鏡的底面中心設(shè)有一供LED安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是部分球面，另一部分是部分柱面，部分柱面的頂部是自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；部分球面、部分柱面的外側(cè)面分別是兩個(gè)不同的自由曲面，透鏡的頂面是平面，透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面。自由曲面透鏡的形狀的確定如下LED光源為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以LED底面所在平面為XOY平面，過(guò)原點(diǎn)并與平面垂直XOY的軸為z軸。首先對(duì)光源立體角進(jìn)行劃分，然后根據(jù)汽車前照燈近光燈在照明面上照度分布特征(如GB25991-2010)，運(yùn)用能量守恒定律，把照明面上的照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分，然后運(yùn)用折反射定律通過(guò)數(shù)值計(jì)算即得到最后的自由曲面透鏡。所述的構(gòu)成透鏡的自由曲面有三個(gè)，具體確定如下I.設(shè)定初始條件并對(duì)光源立體角均勻劃分。目標(biāo)照明面與LED的距離為d，對(duì)于近光燈，目標(biāo)照明區(qū)域是部分橢圓，其長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，并在水平線上方存在與水平線成15°的照明區(qū)域；LED光源的總光通量為 Q，中心光強(qiáng)為Itl = Q/^。坐標(biāo)系中9為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角，爐為出射光線與Z軸正方向的夾角。對(duì)光源的立體角進(jìn)行離散化，把爐等分成i份，對(duì)于每一個(gè)0，都將e等分成j份，形成一系列角度環(huán)帶區(qū)域，這樣就得到了MO和e a，j)的數(shù)組。i，j取值的大小決定了計(jì)算的精確度，理論上而言，i，j的取值越大最后的結(jié)果越精確。以每一份爐角內(nèi)的每一份0角內(nèi)光源的能量為研究對(duì)象,每一小份立體角內(nèi)的光通量為
Ktai = L , I。1O cos 爐.sin (p dcpdO需要注意的是在計(jì)算部分球面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)m的取值范圍為^而
iP^ ，
在計(jì)算部分柱面的頂部的自由曲面、部分柱面的外側(cè)面的自由曲面時(shí)對(duì)應(yīng)的爐的取值范圍分別為0 其中《的值影響透鏡底部口徑的大小。2.利用能量守恒定律將目標(biāo)照明區(qū)域進(jìn)行環(huán)帶劃分對(duì)應(yīng)于光源立體角的環(huán)帶劃分方式，照明面的直角坐標(biāo)也相應(yīng)的劃分為橢圓形環(huán)帶區(qū)域，橢圓長(zhǎng)半軸a，短半軸b分別在x，y方向上分成i份，形成的橢圓可以表示為
(x = a, -Cosor^
[y = bt sin a
^ 15式中，a的取值范圍為0 T +
o對(duì)于每一個(gè)i，都將a分成j份，在接收屏直角坐標(biāo)系中得到與光源立體角中
0(i)和爐0+,/)數(shù)組--對(duì)應(yīng)的ai; bi； x(i, j)和y(i, j)數(shù)組。對(duì)于部分柱面的頂部的自由曲面和部分球面的外側(cè)面的自由曲面,在目標(biāo)照明區(qū)域上，每一份e角所對(duì)應(yīng)的是部分橢圓圍成的環(huán)帶區(qū)域，該環(huán)帶區(qū)域的總能量為 Ei=5(k)- JJ Is (x(t+h Jl y(t+h J)) - s (x(h j\ y(i, _/))] dxdy
Si式中，S(x(i, j)，y(i，j))表示包括水平線上方的部分橢圓環(huán)帶區(qū)域面積，與其對(duì)
^ 15一
應(yīng)的a的取值范圍為+6 (k)表示照度值。由于國(guó)標(biāo)GB25991-2010近光燈
o的照明面上ZONEI、II、III、IV區(qū)域的照度值各不相同，故預(yù)設(shè)照度E，照度控制因子I，這里I用來(lái)控制接收屏上指定區(qū)域的照度值大小，用以形成預(yù)定的照度分布，因此對(duì)于照明面上的不同區(qū)域有8 (k) = E I (k) k = 1,2,3,4其中0≤Uk)≤l，k的取值與I、II、III、IV區(qū)域——對(duì)應(yīng)，且Uk)值各不相同，需在計(jì)算中多次調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。對(duì)于部分柱面的外側(cè)面的自由曲面，每一份0角所對(duì)應(yīng)的是半橢圓圍成的環(huán)帶區(qū)域，該環(huán)帶區(qū)域的總能量為
權(quán)利要求1.LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，包括入射面及出射面，所述透鏡的底面中心設(shè)有用于容納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頂部的自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外側(cè)面和所述部分柱面的外側(cè)面分別是兩個(gè)不同的自由曲面，透鏡的頂部是平面，透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，其特征在于透鏡的三個(gè)所述自由曲面的形狀確定如下 (1)設(shè)定初始條件并對(duì)光源立體角均勻劃分， 目標(biāo)照明面與LED的距離為d，對(duì)于近光燈，目標(biāo)照明區(qū)域是部分橢圓，其長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，并在水平線上方存在與水平線成15°的照明區(qū)域；LED光源的總光通量為Q，中心光強(qiáng)為Itl = Q/;坐標(biāo)系中0為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角，供為出射光線與Z軸正方向的夾角；對(duì)光源的立體角進(jìn)行離散化，把P等分成i份，對(duì)于每一個(gè)^，都將9等分成j份，形成一系列角度環(huán)帶區(qū)域，這樣就得到了 WO和e (i, j)的數(shù)組；i和j取值的大小取決于精度要求，i和j的取值越大越精確； 每一份P角內(nèi)的每一份0角內(nèi)光源的能量對(duì)應(yīng)的光通量為
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)LED汽車近光燈光學(xué)透鏡，包括入射面及出射面，所述透鏡的底面中心設(shè)有用于容納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頂部的自由曲面，構(gòu)成所述的入射面；空腔的所述部分球面的外側(cè)面和所述部分柱面的外側(cè)面分別是兩個(gè)不同的自由曲面，透鏡的頂部是平面，透鏡的頂部平面和部分球面外側(cè)面的自由曲面構(gòu)成所述的出射面。該透鏡體積小，眩光效應(yīng)低，光能利用率高，安裝方便，并能產(chǎn)生滿足國(guó)標(biāo)GB25991-2010的配光要求的光型和照度分布。
文檔編號(hào)F21V5/04GK202511191SQ20112038495
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者吳衡, 楊潔, 王洪, 黃華茂 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)