一种用于矩形车灯造型的LED准直均匀照明结构及其实现方法与流程

本发明属于led车灯照明领域，具体涉及一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构及其实现方法。

背景技术：

聚光器一般是一个圆形结构，在两个垂直维度的聚光性能一致，当应用于细长型造型时，有效利用率低，且需要多颗led。通常使用的聚光器在设计过程中，由于造型原因，使用的有效区域为内切矩形，因此聚光器的实际使用效率较低。聚光器覆盖的长度为矩形区域的长边，长度有限，长度受限于聚光器的半径，因此，需要多颗led去满足造型。

申请号为2014108405398的发明申请，公开了一种led远程照明光学准直系统，包括led面光源、非球面透镜以及菲涅尔透镜，所述非球面透镜位于所述led面光源和菲涅尔透镜之间，所述led面光源、非球面透镜以及菲涅尔透镜的中心共线，所述led面光源与所述非球面透镜的距离为0—1000mm。

申请号为2014800657365的发明申请公开了一种led光源自动照明装置，具有一个有多个边的细长的光准直器/混合器/积分器，其具有接收透镜和输出透镜，这两者都具有泄露防护部件，其中接收部泄露防护部件嵌套在输出部泄露防护部件内。所述的细长的积分器具有方形的输入截面和六边形或八边形的输出截面，并逐渐变细使得输入截面小于输出截面。

申请号为2016110803161的发明申请，公开了一种带有折射透镜和反射器的led准直照明光学装置，包括折射透镜、反射器、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面、第九曲面、第十曲面、第十一曲面和第十二曲面，第一曲面为旋转对称自由曲面，第二曲面为半圆装平面，第三曲面为旋转对称自由曲面，第四曲面和第五曲面均为圆柱面，第六曲面为非旋转对称自由曲面，第八曲面和第九曲面均为反射自由曲面。

技术实现要素：

为解决以上问题，提供一种满足于造型的光照，在不增加led颗数的设置，不增加成本的基础上提高光通量利用率，本发明提供了一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构及其实现方法，其技术方案具体如下：

一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于包括有：以led光源的光学中心为中心设置的透镜(1)及布设于透镜前端的准直齿(2)；

所述透镜(1)的入射面由纵向准直面沿横向的半圆弧扫掠生成；光线的出射面由横向的发散面沿着垂直方向拉伸而成。然后依工艺要求宽度包成实体。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述的形成矩形造型宽度方向聚焦准直的第一自由曲面由5段连续的曲面段构成；

第一段曲面段为以光学中心为中心设置的菲涅尔面段；

第二、三段自由曲面段为对称设置于第一段自由曲面段两端的直边段；

第四、五段自由曲面段为对称设置于第二、三段自由曲面段两端的抛物线段；

光线经由菲涅尔面段聚焦形成第一平行光；经由直线段和抛物线段的共同作用准直成第二平行光，第一平行光与第二平行光构成照度光。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述的形成矩形造型长度方向发散的第二自由曲面包括有沿光线传播方向依次设置的球面及曲线出射面；在曲线出射面的上方设置准直齿(2)；

光线经由球面后再到达曲线出射面完成长度方向的光线发散，完成发散的光再经由准直齿准直成平行光。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述准直齿由中心设置区及对称接续在中心设置区两端的侧段设置区构成；

所述的中心设置区设置为菲涅尔面；

所述的侧段设置区设置为齿度渐变的锯齿面。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述抛物线段的焦点由直边段两端点的折射光线的反向延长线交点确定。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述的曲线出射面用以发散0°—60°照度内的光线，

所述角度的上限值根据led半衰角及透镜与准直齿的距离，可作±[0°，10°]范围内的微调。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，其特征在于：

所述的曲线出射面由第一曲线出射面、第二曲线出射面及第三曲线出射面构成，

所述第一曲线出射面用以发散0°—15°照度内的光线；

所述第二曲线出射面用以发散15°—30°照度内的光线；

所述第三曲线出射面用以发散30°—60°照度内的光线。

一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明的实现方法，其特征在于：

所述的实现方法通过对车灯造型的纵向聚焦准直及横向发散准直实现；

包括如下步骤：

s1：根据工艺要求，以led的光学中心为中心设置菲涅尔面；

s2：以菲涅尔面的两个端点为起点，设置符合工艺要求的直边；

s3：对菲涅尔面及直边构成的轮廓进行光线追迹，用以确定光线经过直边两端点的路径；

s4：将经过直边两端点的光线反向延长，确定反向延长线的交点；

s5：设置反向延长线的交点为抛物线的焦点，以此确定抛物线；

s6：将所述的抛物线，直边及菲涅尔面绕垂直方向的半圆扫掠形成入射面；

s7：利用光线追迹，设计出用以横向发散led光照度的自由曲面；并设置配合该自由曲面、用以光线准直的准直齿。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明的实现方法，其特征在于：

步骤s7还包括：在led光源与用以横向发散led光照度的自由曲面之间设置一个圆，光线经由该圆后到达自由曲面。

根据本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明的实现方法，其特征在于：

步骤s7中，所述的用以发散led光照度的自由曲面由以光轴为中心向两边依次对称设置的第一曲面段、第二曲面段及第三曲面段构成，

所述第一曲面段用以发散0°—15°照度内的光线；

所述第二曲面段用以发散15°—30°照度内的光线；

所述第三曲面段用以发散30°—60°照度内的光线。

本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构及其实现方法，提供了一种满足于造型的光照，在不增加led颗数的设置、不增加成本的基础上、提高光通量利用率。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为本发明的结构示意剖视图；

图3为本发明的结构示意图底视图；

图4为本发明中的横向发散准直光线图；

图5为本发明中的纵向聚焦准直光线剖视图。

图中，1为透镜；2为准直齿。

具体实施方式

下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构及其实现方法作进一步具体说明。

如图2、3、4、5所示的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明结构，包括有：以led光源的光学中心为中心设置的透镜(1)及布设于透镜前端的准直齿(2)；

所述透镜(1)的入射面由纵向准直面沿横向的半圆弧扫掠生成；光线的出射面由横向的发散面沿着垂直方向拉伸而成。然后依工艺要求宽度包成实体。

其中，

所述的形成矩形造型宽度方向聚焦准直的第一自由曲面由5段连续的曲面段构成；

第一段曲面段为以光学中心为中心设置的菲涅尔面段；

第二、三段自由曲面段为对称设置于第一段自由曲面段两端的直边段；

第四、五段自由曲面段为对称设置于第二、三段自由曲面段两端的抛物线段；

光线经由菲涅尔面段聚焦形成第一平行光；经由直线段和抛物线段的共同作用准直成第二平行光，第一平行光与第二平行光构成照度光。

其中，

所述的形成矩形造型长度方向发散的第二自由曲面包括有沿光线传播方向依次设置的球面及曲线出射面；在曲线出射面的上方设置准直齿(2)；

光线经由球面后再到达曲线出射面完成长度方向的光线发散，完成发散的光再经由准直齿准直成平行光。

其中，

所述准直齿由中心设置区及对称接续在中心设置区两端的侧段设置区构成；

所述的中心设置区设置为菲涅尔面；

所述的侧段设置区设置为齿度渐变的锯齿面。

其中，

所述抛物线段的焦点由直边段两端点的折射光线的反向延长线交点确定。

其中，

所述的曲线出射面用以发散0°—60°照度内的光线，

所述角度的上限值根据led半衰角及透镜与准直齿的距离，可作±[0°，10°]范围内的微调。

其中，

所述的曲线出射面由第一曲线出射面、第二曲线出射面及第三曲线出射面构成，

所述第一曲线出射面用以发散0°—15°照度内的光线；

所述第二曲线出射面用以发散15°—30°照度内的光线；

所述第三曲线出射面用以发散30°—60°照度内的光线。

如图1所示的一种用于矩形车灯造型的led准直均匀照明的实现方法，

通过对车灯造型的纵向聚焦准直及横向发散准直实现；

包括如下步骤：

s1：根据工艺要求，以led的光学中心为中心设置菲涅尔面；

s2：以菲涅尔面的两个端点为起点，设置符合工艺要求的直边；

s3：对菲涅尔面及直边构成的轮廓进行光线追迹，用以确定光线经过直边两端点的路径；

s4：将经过直边两端点的光线反向延长，确定反向延长线的交点；

s5：设置反向延长线的交点为抛物线的焦点，以此确定抛物线；

s6：将所述的抛物线，直边及菲涅尔面绕垂直方向的半圆扫掠形成入射面；

s7：利用光线追迹，设计出用以横向发散led光照度的自由曲面；并设置配合该自由曲面、用以光线准直的准直齿。

其中，

步骤s7还包括：在led光源与用以横向发散led光照度的自由曲面之间设置一个圆，光线经由该圆后到达自由曲面。

其中，

步骤s7中，所述的用以发散led光照度的自由曲面由以光轴为中心向两边依次对称设置的第一曲面段、第二曲面段及第三曲面段构成，

所述第一曲面段用以发散0°—15°照度内的光线；

所述第二曲面段用以发散15°—30°照度内的光线；

所述第三曲面段用以发散30°—60°照度内的光线。

原理阐述

为提高聚光器的能量利用效率和减少led颗数，本发明在横向对光束进行了二次发散，用以减少led使用颗数；在纵向通过准直光束的方式减少能量浪费。其基本组成元素是一个横向发散，纵向准直的透镜和一个准直齿。横向发散、纵向准直的透镜造型多变，主要目的是加大led的发散角度。准直齿靠近led的一面是很多的准直折面，而另一面则可以是任何的形状，可以是平面也可以是曲面，可以通过设计光学花纹达到法规的要求。

所述的透镜和准直齿可以设置为两个分开的结构，也可以在这两个光学零件的侧面设置连接结构，为更好地控制光线折射，在led发散角度大的区域可以把自由曲面分段靠近led，本技术方案旨在把led的光通量集中在细长型矩形的发光面上，在横向首先通过自由曲面，更改led的发光方向，在小角度的区域增大光线的折射，在大角度的区域逐渐减小光线的偏折角度，使led在各角度的光照强度一致，然后通过准直齿，把发射光折射成平行光；其次，在纵向设计了聚光结构，把led的发散光先聚焦准直在较短的区域。具体如下：

纵向的设计主要作用是实现对于能量的汇聚。

设计步骤：

1.选中led的光学中心，以光学中心为中心设计菲涅尔面(菲涅尔面的大小，视输入条件定)，把led的散射光线汇聚起来。

2.以聚光器的两个边缘为起点做符合加工要求的直边(拔模角度)。

3.设置材料属性，对上述轮廓进行光线追迹。

4.选中折边两端的的折射光线，反向延长交于一点。

5.以该点为焦点，设置抛物线，抛物线的焦距具体灯具的开口宽度定。

6.以led的光学点为中心，平面对称做另一边的抛物线

7.把3段结构无重合的连接起来就是x向的刨面图。

横向设计：

横向的设计思路是：通过空气与材质的折射率不同，增大光线的发散角度。考虑到只有光线从光密介质进入光疏介质时，折射角才会增大，而且，以圆心为端点的光线透过圆时，光线的传播路径不会发生改变。所以，在设计时，首先在光线入射端设计一个圆，让光线进入光密介质，然后当光线从光密介质出射时，把出射面设计成自由曲线，增大光线的发散角度。

对于很多led，半衰角通常是30度，led小角度的能量较大，随着扩散角度增大，能量减小。于是对于出射面进行了分段设计：在led出射光小角度区域，设计一段自由曲线，该段曲线是为了增大led的发散角度，该自由曲线在设计时，小角度的区域，光线折射角度大，然后逐渐减小，自由曲线关于led光学中心对称。

做两个夹角为θ的平面截断上图中3号自由曲线，保留相互连接的部分，然后对截下来的曲线进行倒圆角(圆角的大小通过模拟做微调)。然后做第二段自由曲线，该段自由曲线的趋势是逐渐减小折射光的偏折角度。先做一边，然后以led光学中心作出对称数据。通过光学模拟，评估出合适的第二段曲线截断点。用截断点截断曲线，借助光线模拟方式，设计第三段区域的平面截断曲线。透镜部分的雏形设计完成以后，开始设计与之匹配的准直齿。准直齿与透镜的距离需要视情况而定，对于同一个透镜，两者的距离越大，光束横向扩散距离越长，因此，透镜的3段具体设计需要通过输入的条件进行设计，而准直齿也需要借助光线追迹分区进行设计。

准直齿的设计原则就是把透镜折射出的光线，通过折射，改变成平行光。中间区域的准直齿设计了菲涅尔面，两边的准直齿借助光线的折射原理和全反射原理。