专利名称：Led汽车近光灯光学透镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及LED车灯领域，具体涉及用于LED汽车前照灯照明的近光灯光学透镜。
背景技术：
与传统的前照灯光源相比，发光二极管(LED)具有寿命长、体积小、响应快、耗电量低、色温更接近自然光、抗震能力强和高效节能等优点。近年来，随着半导体材料及封装工艺的发展，大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽车照明领域的应用也在逐渐扩大，从信号指示灯到现在的汽车前照灯，这反映了一种主流的发展趋势LED将逐渐取代传统的白炽灯和卤钨灯，成为汽车照明领域的新型光源。由于目前LED汽车前照灯系统存在系统的光效低，散热设计不完善及远近光切换不方便等问题，使LED应用于汽车前 照灯面临诸多的困难。在汽车前照灯的设计上，国家标准GB25991-2010对汽车前照灯的配光图形做了规定，目的是防止汽车前照灯干扰对面驶来车辆而造成交通事故。对近光灯来说，要求在车灯前25m远的照明面上产生一水平线和水平线右侧向上15°的明暗截止线。近光照明面可分为四个区域Z0NE I为具有较大扩散、均匀度良好的基底配光，满足整个路面范围内的最低照明需求；Z0NE II、III、IV为具有光能量较为集中、射程较远的中心配光，满足本车道和右边路面(以车辆右行标准为例)较远处的照明需求。在I，II，III和IV区内，应无影响良好可见度的横向照度变化。对远光灯来说，则要求在车灯前25m远的照明面上的规定区域照度达标。LED前照灯的光学设计形式有折射式、反射式和混合式3种。折射式LED前照灯模块通常由光源、配光透镜构成，从光源发出的光线经过配光透镜后，在接受屏上达到预定的光型，通过透镜的配光，可以有效的减小眩光效应，而且光学系统也具有较高的能量利用率；反射式LED前照灯一般由光源与反射器构成，用单一的反射器完成所有的配光任务，这种前照灯虽然光能利用率高，但眩光效应较难控制，对设计、加工过程要求极高；混合式LED前照灯融折射式、反射式优点于一体，可以形成很好的光型效果，但在近光灯设计时还需加上挡板，整个光学系统复杂，光能利用率较低。
实用新型内容针对LED前照灯设计面临的主要问题，本实用新型提供了一种LED汽车近光灯光学透镜，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。本实用新型采用如下技术方案一种用于LED汽车照明的自由曲面透镜由透明材料制成，透明材料可为PC或PMMA，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部分球面，另一部分是部分柱面，部分柱面的顶部是自由曲面，构成所述的入射面；部分球面、部分柱面的外侧面分别是两个不同的自由曲面，透镜的顶面是平面，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。自由曲面透镜的形状的确定如下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(如GB25991-2010)，运用能量守恒定律，把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。所述的构成透镜的自由曲面有三个，具体确定如下I.设定初始条件并对光源立体角均匀划分。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Itl = Q/^。坐标系中9为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，炉为出射光线与Z轴正方向的夹角。对光源的立体角进行离散化，把炉等分成i份，对于每一个0，都将e等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了MO和e a，j)的数组。i，j取值的大小决定了计算的精确度，理论上而言，i，j的取值越大最后的结果越精确。以每一份炉角内的每一份0角内光源的能量为研究对象,每一小份立体角内的光通量为
Ktai = L , I。1O cos 炉.sin (p dcpdO需要注意的是在计算部分球面的外侧面的自由曲面时m的取值范围为^而
iP^ ，
在计算部分柱面的顶部的自由曲面、部分柱面的外侧面的自由曲面时对应的炉的取值范围分别为0 其中《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
(x = a, -Cosor^
[y = bt sin a
^ 15式中，a的取值范围为0 T +
o对于每一个i，都将a分成j份，在接收屏直角坐标系中得到与光源立体角中
0(i)和炉0+,/)数组--对应的ai; bi； 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e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 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))表示包括水平线上方的部分椭圆环带区域面积，与其对
^ 15一
应的a的取值范围为+6 (k)表示照度值。由于国标GB25991-2010近光灯
o的照明面上ZONEI、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I，这里I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8 (k) = E I (k) k = 1,2,3,4其中0≤Uk)≤l，k的取值与I、II、III、IV区域——对应，且Uk)值各不相同，需在计算中多次调整以达到最优结果。对于部分柱面的外侧面的自由曲面，每一份0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
权利要求1.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。
2.根据权利要求I所述的LED汽车近光灯光学透镜，其特征在于透镜的三个所述自由曲面的形状确定如下 (1)设定初始条件并对光源立体角均匀划分， 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Itl = Q/;坐标系中0为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，供为出射光线与Z轴正方向的夹角；对光源的立体角进行离散化，把P等分成i份，对于每一个^，都将9等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了 WO和e (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P角内的每一份0角内光源的能量对应的光通量为
专利摘要本实用新型公开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。
文档编号F21V5/04GK202511191SQ20112038495
公开日2012年10月31日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者吴衡, 杨洁, 王洪, 黄华茂 申请人:华南理工大学