一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及L邸照明领域，尤其是一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设 计方法。
【背景技术】
[0002] L邸照明被泛光应用在汽车灯上，而目前最常用的L邸车灯包括汽车前照灯、汽车 信号灯灯常规的车灯。对于越野车的照明灯具，其光效要求比较严格，射出的光线满足半光 强角度在8度圆形光斑。目前普通的光学配件如反光杯、透镜等均不能满足要求，因此需要 专口设计出一款光学配件才能满足越野车的该个光学要求。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学 设计方法，能够设计出满足半光强角度在8度圆形光斑的光学配件。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种满足半光强角度在8度圆形光 斑的光学设计方法，包括W下步骤：
[0005] (1)设计一个反光杯和一个导光柱，所述导光柱置于所述反光杯的中屯、；所述反 光杯的反射面为第二自由曲面，所述导光柱的一端为平面形成入射面，导光柱的另一端呈 凹陷形成出射面，该出射面为第一自由曲面，导光柱的侧面为反射面；
[0006] (2)光线从导光柱的入射面进入经过折射到导光柱侧面的反射面，然后经过反射 到导光柱的第一自由曲面，然后经过折射到反光杯的第二自由曲面，最后出射光线与光轴 平行射出；
[0007] (3)根据能量守恒定律建立经过导光柱和反光杯后的能量与照射到配光屏幕的能 量的关系，调整反光杯的第二自由曲面和导光柱的第一自由曲面，在配光屏幕得到光强角 度在8度圆形光斑。
[000引作为改进，所述反光杯的第二自由曲面的设计方法：
[0009] 光线通过第二自由曲面后准直出射，所W准直光线与中屯、轴平行，0为第二自由 曲面任一点处法线与准直光线的夹角，W为光线从第一自由曲面射出的折射角，因此自由曲 线上的点满足的方程为：
[0010]
【主权项】
1. 一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设计方法，其特征在于， 包括以下步骤： (1) 设id个反光杯和一个导光柱，所述导光柱置于所述反光杯的中心；所述反光杯 的反射面为第二自由曲面，所述导光柱的一端为平面形成入射面，导光柱的另一端呈凹陷 形成出射面，该出射面为第一自由曲面，导光柱的侧面为反射面； (2) 光线从导光柱的入射面进入经过折射到导光柱侧面的反射面，然后经过反射到导 光柱的第一自由曲面，然后经过折射到反光杯的第二自由曲面，最后出射光线与光轴平行 射出； (3) 根据能量守恒定律建立经过导光柱和反光杯后的能量与照射到配光屏幕的能量的 关系，调整反光杯的第二自由曲面和导光柱的第一自由曲面，在配光屏幕得到光强角度在8 度圆形光斑。
2. 根据权利要求1所述的一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设计方法，其特 征在于：所述反光杯的第二自由曲面的设计方法：光线通过第二自由曲面后准直出射，所 以准直光线与中心轴平行，Θ为第二自由曲面任一点处法线与准直光线的夹角，φ为光线 从第一自由曲面射出的折射角，因此自由曲线上的点满足的方程为：
N(x〇，y〇)为（xn，yn)的初始值，该初始值为第一自由曲面得到的值，每次算出的x，y值 带入到下一个（xn，yn)中，通过这种方法获取第二自由曲面上离散点。
3. 根据权利要求2所述的一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设计方法，其特 征在于：所述步骤（3)的具体步骤为： 在配光屏幕上划分区域，根据能量守恒定律建立经过导光柱和反反光杯后的能量与照 射到配光屏幕的能量的关系等式； 设给定光分布为Ptl，光源的中心光强为Itl，考虑方向为Θ i的光入射到的配光屏幕的位 置为A，与轴线夹角小于Q1的光入射的位置坐标也小于ri，将第一部分光线Q1等分成i 份，对应每一个Q1在半径ri上都分成了 i份，这样就得到了数组Θ "。和巧"），那么第 一区域出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为：
角度为G1- Θ 2之间的光线入射到配光屏幕的位置，将这部分光线等分成 j份，对应每一个角度在半径上都分成了 j份，则第二区域出射光和屏幕上的照度的能量守 恒表达式为：
同理，可得第三区域能量守恒表达式为：
通过这三个表达式，可以分别得到各区域半径与出射光角度之间的关系式如下：
导光柱的入射面和第一自由曲面应用折射定律：
光线从空气入射到导光柱的入射面中，空气的折射率为η = 1，而导光柱使用材 料PC制成，折射率η = 1. 591，光线折射到导光柱的第一自由曲面A点坐标值可求得为 (f · tan ( Θ )，f)，光线经折射到反光杯的第二自由曲面B点，且折射光线AB的斜率值为 cot ( Θ '），利用点斜式即可得到AB的直线方程； Θ标示入射角：Θ '表示折射角； 光线在经过导光柱的反射面和反光杯的第二自由曲面时发生反射，折反射定律的矢量 形式可表示为：
(11) 其中：η为第一自由曲面介质折射率，$为入射光线单位向量为出射光线单位向 量，元为自由曲面在光线入射点的单位法向量； 在计算第一自由曲面时，首先确定一个计算的初始点，设光线经过导光柱的入射面折 射和导光柱的反射面反射后入射到第一自由曲面上的点B坐标为（X，ζ)，光线经过导光柱 的第一自由曲面折射后通过反光杯的第二自由曲面准直反射投射到屏幕上的点D坐标为 (r，Η)，其中H = 25m，r根据能量守恒定律由式（7)、（8)、（9)决定；于是，入射光线AB与第 一自由曲面中的出射光线BC的单位向量（出射光线BC由最终出射光线CD根据公式（11)) 均可求得，再利用折射定律式（11))即可得到B点的法向向量，利用准直以及反射定律求得 C点的法向量，从而确定该点的切平面，该切平面与下一点的经过导光柱的入射面折射后入 射到第一自由曲面上的光线相交从而确定第一自由曲面的下一点；由前一点的切平面与下 一点的法向量所在的直线相交得到下一点，通过计算机迭代即可得到各点的坐标，从而确 定了第一自由曲面上的每个点的坐标。
【专利摘要】一种满足半光强角度在8度圆形光斑的光学设计方法，包括以下步骤：(1)设计一个反光杯和一个导光柱，所述导光柱置于所述反光杯的中心；所述反光杯的反射面为第二自由曲面，所述导光柱的一端为平面形成入射面，导光柱的另一端呈凹陷形成出射面，该出射面为第一自由曲面，导光柱的侧面为反射面；(2)光线从导光柱的入射面进入经过折射到导光柱侧面的反射面，然后经过反射到导光柱的第一自由曲面，然后经过折射到反光杯的第二自由曲面，最后出射光线与光轴平行射出；(3)根据能量守恒定律建立经过导光柱和反光杯后的能量与照射到配光屏幕的能量的关系，调整反光杯的第二自由曲面和导光柱的第一自由曲面，在配光屏幕得到光强角度在8度圆形光斑。
【IPC分类】F21W101-02, F21Y101-02, F21V8-00, F21V7-04
【公开号】CN104534407
【申请号】CN201410849031
【发明人】周盛华, 陈焕杰, 石智伟
【申请人】广州市雷腾照明科技有限公司
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月30日