一种车辆近光灯及其设计方法

本发明涉及车灯优化设计，具体涉及一种车辆近光灯及其设计方法。

背景技术：

1、车辆近光灯是车辆在夜间安全行驶的重要照明设备，led凭其效率高、能耗低、体积小、寿命长等诸多优点，成为新一代具有竞争力的车辆近光灯光源。

2、现有的led近光灯光学系统主要采用由led、椭球反射器、光型挡板、非球面透镜组成的近光结构，利用光型挡板遮挡光线形成几何非对称的近光光型。针对目前现有的近光结构，要形成合乎法规的近光光型需要用到反射器或者光型挡板，一方面使得结构复杂，占用空间比较大；另一方面光型挡板会对光能造成较大浪费，光源的光能利用率低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种车辆近光灯及其设计方法，本发明的车辆近光灯包括led光源和近光透镜，近光透镜为平凸形自由曲面透镜，包括靠近led光源的平面以及远离led光源的自由曲面；该自由曲面的设计方法是在平面折射光线的基础上，根据网格划分、平面迭代方法计算外表面型面数据点云，之后再进行曲面拟合形成透镜外表面。本发明车辆近光灯采用无挡板直接投射式结构，led发出的光线经过透镜折射后即可形成设计预期的近光光型，透镜自由曲面可实现光能的近光光型分配，使led光源发出的光线经过平面折射后，再经外表面折射至配光屏幕上形成近光截止线光型，实现较高光能利用率。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种车辆近光灯，包括：led光源和近光透镜，所述近光透镜为平凸形自由曲面透镜，包括靠近led光源的平面以及远离led光源的自由曲面外表面。

4、作为优选的技术方案，还设有透镜支架和散热器，所述led光源和近光透镜均固定在透镜支架上，所述led光源设置在近光透镜焦距中心处，所述散热器设置在led光源底部。

5、作为优选的技术方案，所述散热器包括底板和若干个散热板，所述led光源固定在底板的上方，散热板垂直均匀安装在底板的下方，所述透镜支架和散热器采用一体式结构。

6、本发明还提供一种基于上述车辆近光灯的设计方法，所述近光透镜内表面为平面，外表面为自由曲面，自由曲面的设计方法是在平面折射光线的基础上，根据网格划分、平面迭代方法计算外表面型面数据点云，再进行曲面拟合形成透镜外表面。

7、作为优选的技术方案，自由曲面外表面的设计步骤具体包括：

8、根据光源与目标平面能量对应关系，划分光源的能量区域及近光灯光型的面积区域；

9、对光源的能量区域及近光灯光型的面积区域进行面元分割；

10、面元划分采用比例加权，通过面元面积的调整实现面元光照度的调节；

11、计算经近光透镜内表面折射后的入射光线矢量，确定透镜微元每个边缘点的入射与出射光线矢量；

12、利用平面迭代法构建透镜的自由曲面，拟合形成透镜型面，并构建透镜实体；

13、对构建透镜实体的进行光学仿真，根据仿真数据进行比例加权系数的调整，直到仿真数据达到预设的法规要求。

14、作为优选的技术方案，所述根据光源与目标平面能量对应关系，划分光源的能量区域及近光灯光型的面积区域，具体步骤包括：

15、针对预设光型的几何特点，将led光源的能量划分为ω1、ω2、ω3、ω4四个大区，对应的，将近光灯光型的面积划分为四个大区s1、s2、s3、s4，其相互之间的能量对应关系为：

16、作为优选的技术方案，对光源的能量区域及近光灯光型的面积区域进行面元分割，具体步骤包括：

17、分别对ω1与s1、ω2与s2、ω3与s3、ω4与s4进行面元划分，根据led光源的光强分布，将ω1、ω2、ω3、ω4按经线与纬线方向划分为若干光通量相等的角元；

18、s1、s2、s3、s4采用中心辐射式划分，利用射线与围矩线将s1、s2、s3、s4的各个区域划分为与角元个数相等的面元。

19、作为优选的技术方案，所述面元划分采用比例加权，通过面元面积的调整实现面元光照度的调节，具体包括：

20、设定比例加权因子wi,j与wi，由wi,jd得到新的围矩线间距离，由wiδ得到新的射线间夹角，其中d与δ为常量，从而实现面元面积的调整。

21、作为优选的技术方案，计算经近光透镜内表面折射后的入射光线矢量，确定透镜微元每个边缘点的入射与出射光线矢量，具体包括：

22、获取近光透镜内表面的法向量，确定透镜材料，基于snell定律计算初始出射光线矢量。

23、作为优选的技术方案，所述利用平面迭代法构建透镜的自由曲面，具体包括：

24、设定i0、o0以及p0分别为初始入射光线、出射光线以及初定透镜大小坐标点，qi,j是近光灯配光的几何特征的微元边缘点，与坐标点pi,j确定出射光线矢量oi,j；

25、透镜的所有坐标点利用初始坐标点p0全部迭代求得，其过程为：

26、利用p0,i点的坐标与法向矢量确定p0,i点的切面方程，并将下一个入射光线矢量i0,i+1与该切面方程的交点确定为自由曲面透镜第二点p0,i+1坐标，由于p0,i+1坐标确定，则经过p0,i+1点的入射光线i0,i+1与出射光线矢量o0,i+1确定，利用snell定律确定p0,i+1点法向矢量n0,i+1，继而确定p0,i+1点的切面方程，snell定律公式如下：

27、

28、其中，为内表面的入射光线矢量，为内表面的出射光线矢量，n为透镜材料的折射率，为外表面型面点的切面法向矢量；

29、延经线方向迭代求得自由曲面的第一条曲线；

30、先确定y轴方向的曲线，再以该曲线各结点坐标作为基点，通过纬线方向的切平面分别向x轴的正、负轴方向迭代，从而确定所有自由曲面网格结点，即透镜型面点，当所有透镜型面点都确定之后，利用曲面放样形成自由曲面表面。

31、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

32、(1)本发明将近光透镜的内表面设计为一平面，led发出的光线透过该平面时首先发生折射，起到一定的收光作用，根据网格划分、平面迭代方法计算外表面型面数据点云，之后再进行曲面拟合形成透镜外表面，即自由曲面，其自由曲面的型面计算是在内表面折射的基础上进行的，能够最大化的提高近光灯的光能利用效率。

33、(2)本发明的车辆近光灯结构中的近光透镜采用平凸形自由曲面透镜，可以减少现有led近光灯光学系统中的椭圆反射器和光型挡板，使得车辆近光灯装置更加简化，在不需要挡板的前提下，能够形成具有明显截止线的光型，因为不需要挡板，所以光源能量能够有效利用，在达到车辆近光灯标准的前提下具有更高的能量利用效率。

技术特征：

1.一种车辆近光灯，其特征在于，包括：led光源和近光透镜，所述近光透镜为平凸形自由曲面透镜，包括靠近led光源的平面以及远离led光源的自由曲面外表面。

2.根据权利要求1所述的车辆近光灯，其特征在于，还设有透镜支架和散热器，所述led光源和近光透镜均固定在透镜支架上，所述led光源设置在近光透镜焦距中心处，所述散热器设置在led光源底部。

3.根据权利要求2所述的车辆近光灯，其特征在于，所述散热器包括底板和若干个散热板，所述led光源固定在底板的上方，散热板垂直均匀安装在底板的下方，所述透镜支架和散热器采用一体式结构。

4.一种基于上述权利要求1-3任一项所述车辆近光灯的设计方法，其特征在于，所述近光透镜内表面为平面，外表面为自由曲面，自由曲面的设计方法是在平面折射光线的基础上，根据网格划分、平面迭代方法计算外表面型面数据点云，再进行曲面拟合形成透镜外表面。

5.根据权利要求4所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，自由曲面外表面的设计步骤具体包括：

6.根据权利要求5所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，所述根据光源与目标平面能量对应关系，划分光源的能量区域及近光灯光型的面积区域，具体步骤包括：

7.根据权利要求5所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，对光源的能量区域及近光灯光型的面积区域进行面元分割，具体步骤包括：

8.根据权利要求5所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，所述面元划分采用比例加权，通过面元面积的调整实现面元光照度的调节，具体包括：

9.根据权利要求5所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，计算经近光透镜内表面折射后的入射光线矢量，确定透镜微元每个边缘点的入射与出射光线矢量，具体包括：

10.根据权利要求5所述的车辆近光灯的设计方法，其特征在于，所述利用平面迭代法构建透镜的自由曲面，具体包括：

技术总结
本发明公开了一种车辆近光灯及其设计方法，该车辆近光灯包括LED光源和近光透镜，近光透镜为平凸形自由曲面透镜，包括靠近LED光源的平面以及远离LED光源的自由曲面；该自由曲面的设计方法是在平面折射光线的基础上，根据网格划分、切面迭代方法计算外表面型面数据点云，之后再进行曲面拟合形成透镜外表面。本发明车辆近光灯采用无挡板直接投射式结构，LED发出的光线经过透镜折射后即可形成设计预期的近光光型，透镜自由曲面可实现光能的近光光型分配，使LED光源发出的光线经过平面折射后，再经外表面折射至配光屏幕上形成近光截止线光型，实现较高光能利用率。

技术研发人员：张晋勇,成超,司徒毅
受保护的技术使用者：广东轻工职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1