一种面光源矩形光斑透镜设计方法及一种车灯与流程

本发明涉及车灯。

背景技术：

车灯包括长条形的散热器、与散热器配合的面罩、若干光源和与所述光源对应的透镜。透镜对光源进行配光，不但可以改变光源出射光线的光型，而且可以提高光光效。现有车灯透镜由于设计的缺陷，使得车灯的光效偏低，而且光型差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种面光源矩形光斑透镜设计方法及车灯，透过设计合理的透镜自由曲面，提高光效。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种面光源矩形光斑透镜设计方法，包括以下步骤：

(1)空间直角坐标系下，设定面光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；

(2)设定系统能守恒，即光线入射到自由曲面透镜发生折射时没有能损失，也就是光源的输出等于目标照明面接收到能；设环形光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是设光源的光通量为Q，LED光源为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，因面光源与单纯点光源有区别，设面光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；

目标照明面上照度由中心向边缘递减，

其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；

(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和矩形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；矩形照明面x等分为i份，y等分为j份，假定光源球面与矩形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：

目标照明面上区域(x1-x2,y1-y2)的入射光通量为：

Q1-2＝E*(x2y2-x1y1)；

由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；

(4)设定透镜下表面为一长方形平面，光线到达自由曲面前经过平面的折射，然后经过自由曲面的折射，最终到达目标照明面，应用两次Snell定律可得到自由曲面透镜点坐标与出射光线，入射光线之间的关系；

Snell定律矢量形式如下：

其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线失量，I为入射光线失量，N为折射面的法向失量；

(5)应用4阶Runge-Kutta方法迭代计算自由曲面透镜点坐标，

其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面透镜第n个点坐标；

其中是步骤4得到的在处自由曲面透镜点坐标与目标照明面射光线，入射光线的关系式；

(6)将自由曲面透镜点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面透镜模型。

作为改进，将自有曲面透镜模型导入到lucidshape中做光学模拟，修正面光源修正因子。

为解决上述技术问题，本发明另一技术方案是：一种车灯，包括长条形的散热器、与散热器配合的面罩、若干光源和与所述光源对应的透镜；所述散热器包括安装板和设在安装板两侧的侧板，所述侧板和安装板围成用于容纳光源的容置空间，所述侧板的内侧面设有用于安装面罩的滑槽，所述滑槽贯穿所述侧板的两端，所述侧板的外侧面从前往后呈向外扩张的第一弧形面，其中一个侧板的后端与上导风板连接，另一个侧板的后端与下导风板连接，所述上导风板与侧板弧形过渡，上导风板从前往后呈向内收拢的第二弧形面，所述下导风板与侧板弧形过渡，下导风板从前往后呈向内收拢的第三弧形面；所述安装板的背面设有若干散热片，从安装板的两侧往中间的散热片的长度逐渐减小，所述上导风板比与其相邻的散热片的长度更长，所述下导风板比与其相邻的散热片的长度更长；

所述透镜的设计方法，包括以下步骤：

(1)空间直角坐标系下，设定面光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；

(2)设定系统能守恒，即光线入射到自由曲面透镜发生折射时没有能损失，也就是光源的输出等于目标照明面接收到能；设光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是设光源的光通量为Q，LED光源为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，因面光源与单纯点光源有区别，设面光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；

目标照明面上照度由中心向边缘递减，

其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；

(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和矩形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；矩形照明面x等分为i份，y等分为j份，假定光源球面与矩形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：

目标照明面上区域(x1-x2,y1-y2)的入射光通量为：

Q1-2＝E*(x2y2-x1y1)；

由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；

(4)设定透镜下表面为一长方形平面，光线到达自由曲面前经过平面的折射，然后经过自由曲面的折射，最终到达目标照明面，应用两次Snell定律可得到自由曲面透镜点坐标与出射光线，入射光线之间的关系；

Snell定律矢量形式如下：

其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线失量，I为入射光线失量，N为折射面的法向失量；

(5)应用4阶Runge-Kutta方法迭代计算自由曲面透镜点坐标，

其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面透镜第n个点坐标；

其中是步骤4得到的在处自由曲面透镜点坐标与目标照明面射光线，入射光线的关系式；

(6)将自由曲面透镜点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面透镜模型。

作为改进，所述安装板的背面两侧设有凸起，所述安装板的正面于所述凸起位置设有螺栓槽。安装板上可以通过螺栓将LED基板锁紧在安装板上。

作为改进，所述侧板内设有与所述滑槽连通的用于设置密封条的密封槽。

作为改进，所述面罩包括弧形的挡风部和设在挡风部两侧的连接部，所述连接部呈凹形，其包括与滑槽配合的第一竖条、与挡风部连接的第二竖条和连接第一竖条和第二竖条的横条，第一竖条、第二竖条和横条共同围成衔接槽；所述侧板的前端与滑槽之间的部分形成衔接部，所述衔接部设于衔接槽内；所述挡风部与侧板呈弧形过渡。面罩连接部的设计使面罩与散热器的衔接位过渡更平滑，吗，挡风部的弧线能够延续到散热器的挡板，面罩与散热器浑然一体，减少风阻。

作为改进，所述下导风板及与其连接的侧板的外侧面为粗化面；所述上导风板及与其连接的侧板的外侧面为光滑面。

作为改进，所述上导风板的末端上翘。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、侧板外侧面呈弧形，与前面的弧形面罩配合，使整个灯具呈前面小后面大的弧形结构，具有导风作用，有效的减小风阻；上导风板和下导风板与侧板弧形过渡，延续车灯表面的流线型设置；上导风板较长，具有良好的导风作用；下导风板较短，能够将车灯下部的气流导到散热器的背部，形成旋风，由于散热器背面的散热片长短不一，使散热器的背面形成凹弧形，该旋风在凹弧形内短暂停留，因此能够将位置中间位置的散热片的热量带走，从而起到提高散热效率的目的。

2、通过合理的透镜自由曲面的设计，照度最大值分布于中心，整体呈正态分布，目标照明面内光通量利用率93％。

附图说明

图1为车灯立体图。

图2为车灯内部结构示意图。

图3为透镜立体图。

图4为散热器与面罩配合的示意图。

图5为散热面的端面示意图。

图6为图4的A处放大图。

图7为矩形光源被球面包围。

图8为光源与目标照明面之间的关系图。

图9为X方向光型归一化分布图。

图10为Y方向光型归一化分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，一种车灯，包括散热器1、与散热器1配合的面罩2、若干光源4和与所述光源4对应的透镜3。所述散热器1呈长条形，由铝合金一体拉伸成型。散热器1主要包括安装板14和设在安装板14两侧的侧板11，所述侧板11和安装板14围成用于容纳光源的容置空间16；光源可以包括LED基板、LED灯珠和透镜，由于散热器1呈长条形，容置空间16也为长条形的凹槽，在容置空间16内可以安装多个发光单元，这些发光单元组合形成光源；所述安装板14的背面两侧设有凸起，该凸起能够增强安装板14的强度，另外，安装板14的正面于所述凸起位置设有螺栓槽141，螺栓槽141贯穿安装板14的两端，LED基板可以通过螺栓固定在安装板14上，由于螺栓槽141为长条形槽，因此可以适用不同长度的发光单元的拼接安装。所述侧板11的内侧面设有用于安装面罩2的滑槽111，所述滑槽111贯穿所述侧板11的两端，面罩2可以从散热器1的一端滑入形成快速连接；所述侧板11内设有与所述滑槽111连通的用于设置密封条的密封槽112，该密封槽112呈半圆形且位于滑槽111的后侧。如图3所示，所述面罩2包括弧形的挡风部21和设在挡风部21两侧的连接部22，所述连接部22呈凹形，其包括与滑槽111配合的第一竖条221、与挡风部21连接的第二竖条222和连接第一竖条221和第二竖条22的横条223，第一竖条221、第二竖条222和横条223共同围成衔接槽224；所述侧板11的前端与滑槽111之间的部分形成衔接部113，所述衔接部113设于衔接槽224内；所述挡风部21与侧板11呈弧形过渡。当第一竖条221滑入滑槽111后，第一竖条221的一侧压紧密封条，使面罩2与散热器1的连接是密封的，防止水汽从二者连接处进入容置空间16内；另外，连接部22呈凹形，延长了水汽进入容置空间16的路径，进一步提升车灯的防水性能。所述侧板11的外侧面从前往后呈向外扩张的第一弧形面，位于散热器1上部的侧板11的后端与上导风板12的前端连接，所述上导风板12与侧板11弧形过渡，且上导风板12呈弧形设计，上导风板12从前往后呈向内收拢的第二弧形面，上导风板12的末端微微上翘，使散热器1造型更动感，而且流线型，配合上导风板12及与其连接的侧板11的表面为光滑面，有效减小风阻。位于散热器1下部的侧板11的后端与下导风板13的前端连接，所述下导风板13与侧板11弧形过渡，下导风板13从前往后呈向内收拢的第三弧形面，所述下导风板13及与其连接的侧板11的外侧面为粗化面。所述安装板14的背面设有若干散热片15，从安装板14的两侧往中间的散热片15的长度逐渐减小，所述上导风板12比与其相邻的散热片15的长度更长，所述下导风板13比与其相邻的散热片15的长度更长，在散热器1的背面形成凹弧形。

本发明的侧板11外侧面呈弧形，与前面的弧形面罩2配合，使整个灯具呈前面小后面大的弧形结构，具有导风作用，有效的减小风阻；上导风板12和下导风板13与侧板11弧形过渡，延续车灯表面的流线型设置；上导风板12较长，具有良好的导风作用；下导风板13较短，能够将车灯下部的气流导到散热器1的背部，形成旋风，由于散热器1背面的散热片15长短不一，使散热器1的背面形成凹弧形，该旋风在凹弧形内短暂停留，因此能够将位置中间位置的散热片15的热量带走，从而起到提高散热效率的目的；导风板也是散热片15，具有散热功能。

如图3所示，透镜3大体呈矩形，其入射面为平面，出射面为自由曲面，透镜的设计方法，包括以下步骤：

(1)空间直角坐标系下，设定面光源的中心位于坐标的原点，目标照明面为T，垂直于Z轴，距离光源面25米；

(2)设定系统能守恒，即光线入射到自由曲面透镜发生折射时没有能损失，也就是光源的输出等于目标照明面接收到能；如图7所示，设光源被半径为r的球面包围，其中光源外围的球表面上一面积元的立体角是

设光源的光通量为Q，LED光源为朗伯光源，中心光强为I0的余弦分布，因面光源与单纯点光源有区别，设面光源修正因子为kl，其中k为修正因子，l为长度，E为目标照明面的照度，为出射光线与光源中心轴的夹角；

目标照明面上照度由中心向边缘递减，

其中E0为中心最大照度，a为照度衰减因子；

(3)因为系统能量守恒，光源与目标照明面之间存在一定的拓扑关系，即光源外围的球表面上一面积元所对应的光线与目标照明面的某一面积元的映射关系；光源球面和矩形照明面均匀离散化，其中等分为i份，θ等分为j份；矩形照明面x等分为i份，y等分为j份；如图8所示，假定光源球面与矩形照明面之间的映射关系一一对应，则与光源中心轴夹角到的出射光通量为：

目标照明面上区域(x1-x2,y1-y2)的入射光通量为：

Q1-2＝E*(x2y2-x1y1)；

由能量守恒定律可以推导出目标照明面点坐标与出射光线角坐标之间的关系；

(4)设定透镜下表面为一长方形平面，光线到达自由曲面前经过平面的折射，然后经过自由曲面的折射，最终到达目标照明面，应用两次Snell定律可得到自由曲面透镜点坐标与出射光线，入射光线之间的关系；

Snell定律矢量形式如下：

其中，n0为出射率，ni为入射率，O为出射光线失量，I为入射光线失量，N为折射面的法向失量；

(5)应用4阶Runge-Kutta方法迭代计算自由曲面透镜点坐标，

其中，n＝0,1,2…，N-1，ρn为自由曲面透镜第n个点坐标；

其中是步骤4得到的在处自由曲面透镜点坐标与目标照明面射光线，入射光线的关系式；

(6)将自由曲面透镜点坐标文件导入结构软件中拟合自由曲面转换成实体，得到自由曲面透镜模型；

(7)将自有曲面透镜模型导入到lucidshape中做光学模拟，修正面光源修正因子。

如图9、10所示，透镜通过光型归一化分布显示照度最大值分布于中心，整体呈正态分布，目标照明面内光通量利用率93％，符合设计预期目标。