专利名称：用于led摩托车近光灯的自由曲面光学透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED摩托车灯照明技术领域，特别涉及用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜。
背景技术：
发光二极管(LED )具有体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点，近年来在照明领域中被广泛的应用，在车用照明中的应用也越来越普遍。但是，由于LED发光特性不同于传统光源，为了满足配光标准，提高系统性能，需针对LED来进行二次光学设计，从而实现前照灯照明系统的最优化。对于道路安全来说，摩托车前照灯的性能尤其重要，在设计上，国家标准GB5948-1998对摩托车前照灯的配光要求做了规定。对于近光灯，国标要求在车灯前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，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。
发明内容
针对LED摩托车前照灯设计面临的主要问题，本发明提供了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，该透镜制作安装方便，体积小，眩光效应低，光能利用率高，并能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的照度分布。本发明运用旋转轴对称LED照明系统的设计方法，有效地减小了自由曲面仿真建模时产生的误差，同时也很好地提高了透镜的光学精度和工作效率。本发明采用如下技术方案用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，所述透镜的内侧是一具有空腔，与空腔顶部正对的是开口端，使用时LED从该开口端进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的所述自由曲面和透镜外侧的顶部平面出射面发生两次折射，再出射到照明面上；LED光源外围部分的光经过透镜时，先在透镜内侧腔壁的柱面进行折射，再在透镜外侧的外围自由曲面上发生全反射，接着又在透镜外侧的顶部平面出射产生折射，最后出射到照明面上；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光进行折射、反射和折射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光进行折射、反射和折射，然后会聚到水平面以下的照明面上。进一步的，自由曲面透镜的形状确定如下以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴，其中平面XOZ为水平面。与Z轴交点为0(点O与点O间的距离为25m)且平行于平面XOY的平面为照明面，点ο为照明面的中心点。首先根据摩托车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征(如GB5948-1998)，把照明面上的照明区域设定为以照明面的中心点为圆心，圆心左侧边线为水平线和圆心右侧边线为水平线向上15°斜线的部分圆形(S卩195°的扇形)，然后对该部分圆形进行环带划分，再然后运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，最后运用折反射定律通过数值计算即得到透镜的自由曲面。根据国标GB5948-1998，摩托车前照灯近光灯绝大部分的光照射在水平面以下的照明面上，仅在右侧存在与水平线向上成15°的照明区域。因此，所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要将射向水平面以上的光进行折反射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要将向水平面以下扩散的光进行折反射，然后会聚到水平面以下的照明面上。透镜的上部分和透镜的下部分的形状由如下确定I、设定初始条件并对目标照明区域进行环带划分。首先目标照明面距LED的距离为d=25m，LED光源的总光通量为Q，中心光强为·。坐标系中Θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，W为出射光线与Z轴
正方向的夹角。由于该光学系统关于Z轴旋转轴对称，因此可以考虑二维情况，以YOZ所在平面为例。对于近光灯，如前文所述设定其目标照明区域是部分圆形。对于透镜的上部分，设照明面上部分圆形的半径为rup ;对照明面的坐标进行离散化，首先把圆半径rup等分成η份，T1表示等分后半径rup的第i份,其中O < i彡η ;然后同样以照明面中心点为圆心，分别以A为半径画圆，将照明区域划分为部分圆形环带区域。在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为
权利要求
1.1.用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于所述透镜的内侧是一具有空腔，与空腔顶部正对的是开口端，使用时LED从该开口端进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的所述自由曲面和透镜外侧的顶部平面出射面发生两次折射，再出射到照明面上；LED光源外围部分的光经过透镜时，先在透镜内侧腔壁的柱面进行折射，再在透镜外侧的外围自由曲面上发生全反射，接着又在透镜外侧的顶部平面出射产生折射，最后出射到照明面上；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光进行折射、反射和折射，然后照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光进行折射、反射和折射，然后会聚到水平面以下的照明面上。
2.根据权利要求I所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，所述自由曲面光学透镜的形状确定如下 以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴，其中平面XOZ为水平面；与Z轴交点为O，且平行于平面XOY的平面为照明面，点ο为照明面的中心点；首先根据摩托车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征，把照明面上的照明区域设定为部分圆形即195°的扇形，扇形以照明面的中心点为圆心、以圆心左侧水平线为左侧边线、以圆心右侧与水平线向上成15°的斜线为右侧边线，对该部分圆形进行环带划分成η等份，对光源立体角进行η等份划分，最后运用折反射定律通过数值计算即得到透镜的自由曲面。
3.根据权利要求I所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，其特征在于透镜的上部分和透镜的下部分的形状由如下确定 (I)目标照明面距LED的距离为d，LED光源的总光通量为Q，中心光强为Itl = 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，供为出射光线与Z轴正方向的夹角；以YOZ所在平面来确定，对于透镜的上部分，设照明面上部分圆形的半径为rup ;对照明面的坐标进行离散化，首先把圆半径rup等分成η份，r,表示等分后半径rup的第i份，其中O < i < η ;然后同样以照明面中心点为圆心，分别以&为半径画圆，将照明区域划分为部分圆形环带区域，在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为Eu =Eu Iii Vrdrf1 θup u ' V1 Jfii 式中，Eu · ki表示照度值，根据国标要求，故设置常量Eu为预设照度值，结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，其中，O ^ki ^ Lki的取值大小需根据照明面上照度要求设定，如对于最亮区域h的取值范围为O. 9-1，对于边缘区域k i的取值范围为0-0. I ； 同理，对于透镜的下部分，照明面上的部分圆形的半径为rd_ ;对照明面的坐标进行离散化，即把圆半径rd_等分成m份,rj表示等分后半径r d_的第j份,其中,O < j < m,最后将照明区域划分为部分圆形环带区域；在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为
4.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，所述点O与点ο间的距离为25m。
5.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，对于透镜上部分的自由曲面，Θ的取值范围为-4° -202° ;对于透镜的下部分，Θ的取值范围为 202。- 356。。
6.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，0°<<p<60° ^ O0Sh <60。，61。<%<90。。
7.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，透镜上部分的照明区域半径大于透镜下部分的照明区域半径，透镜上部分的空腔口径大于透镜下部分的空腔口径。
8.根据权利要求I 7任一项所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于，所述透镜由PMMA或PC或光学玻璃制成。
全文摘要
本发明公开了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学透镜，所述透镜的内侧是一具有空腔，使用时LED从该开口端进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧为所述入射面，入射面由所述空腔顶部的自由曲面和腔壁的柱面构成；而透镜外侧的顶部平面即为所述出射面，透镜外侧的侧面为外围自由曲面；所述透镜分为上、下两部分，透镜上部分主要用于将LED光源射向水平面以上的光照向水平面以下的照明面上；透镜下部分则主要用于将LED光源向水平面以下扩散的光会聚到水平面以下的照明面上。本发明结构简单，体积小，不需要其它的辅助装置进行配光，提高了光能利用率，眩光效应低，达到GB5948-1998的配光要求。
文档编号F21W101/10GK102901043SQ201210237619
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者黄华茂, 陈赞吉, 贺威, 王洪 申请人:华南理工大学