專利名稱：一種獲得led前照燈近光光斑的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)透鏡領(lǐng)域，具體涉及一種獲得LED前照燈近光光斑的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體照明被公認(rèn)為新一代的綠色照明光源。2007年起，美國、歐盟、日本及中國臺(tái)灣等國家和地區(qū)已陸續(xù)宣布將逐步淘汰白熾燈，發(fā)展LED照明成為全球產(chǎn)業(yè)的焦點(diǎn)。LED有許多優(yōu)點(diǎn)，首先是潛在高光效。根據(jù)LED的光譜，可以計(jì)算出LED的輻射光效理論上可以達(dá)到為350— 370Lm / W左右。另外，LED還具有體積小、壽命長(zhǎng)、無汞害、高節(jié)能、光譜窄、開關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。LED的這些優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛的運(yùn)用。在視覺領(lǐng)域，LED已被大量運(yùn)用于顯示屏、建筑照明、裝飾照明、信號(hào)照明和汽車照明等。在非視覺領(lǐng)域，LED已開始被 用于農(nóng)作物補(bǔ)光研究、創(chuàng)傷治療的研究等。大功率LED已經(jīng)被大量運(yùn)用于汽車照明中。汽車前照燈是汽車車燈中結(jié)構(gòu)和功能最為復(fù)雜的燈具，無論設(shè)計(jì)、制造等方面，都可以代表整臺(tái)汽車的照明技術(shù)。LED的綜合性能在這里得到了充分體現(xiàn)LED的色溫高，更接近于日光水平；LED約十萬小時(shí)的壽命，降低了維修維護(hù)費(fèi)用并提高安全性；LED的小尺寸可以為設(shè)計(jì)提供便利，更容易增加個(gè)性造型。目前，LED已經(jīng)在汽車照明的多個(gè)方面取得了廣泛應(yīng)用，被汽車行業(yè)和照明行業(yè)公認(rèn)為車燈光源市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前出現(xiàn)的前照燈多采反射式曲面進(jìn)行配光。本發(fā)明提供了一種配合LED前照燈獲得近光光斑的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種獲得LED前照燈近光光斑的自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)基礎(chǔ)是自由曲面加工檢測(cè)技術(shù)和透鏡注塑成型技術(shù)。汽車前照燈近光光斑一般有兩種類型。在輪廓如圖8所示的配光測(cè)試屏上，要求光源產(chǎn)生明顯的明暗截止線。第一種光斑其水平部分在V-V線的左側(cè)，右側(cè)為與水平線成15°的斜線。第二種光斑明暗截止線水平部分也在V-V線左側(cè)，右側(cè)為向上成45 °的斜線至水平線垂直距離25cm轉(zhuǎn)向水平的折現(xiàn)。本發(fā)明提出的獲得LED前照燈近光光斑的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V線的左側(cè)，右側(cè)為與水平線成15°的斜線，具體設(shè)計(jì)步驟如下
(1)對(duì)近光光斑進(jìn)行區(qū)域劃分，將近光光斑劃分為多個(gè)區(qū)域。劃分時(shí)以光斑測(cè)試屏中心為起點(diǎn)，以V-V線上半部為起始線沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將起始線轉(zhuǎn)過270°所轄的區(qū)域劃分為一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域的四分之三部分，接下來把剩下的90°區(qū)域劃分為多個(gè)三角形區(qū)域和四邊形區(qū)域，并把劃分得到的三角區(qū)域和四邊形區(qū)域還原成矩形區(qū)域，然后確定還原矩形區(qū)域的尺寸和轉(zhuǎn)過的角度；
(2)根據(jù)LED光源外圍球表面的能量輻射分布和矩形光斑的區(qū)域?qū)?yīng)及斯涅耳折射定律列寫偏微分方程，對(duì)于該單自由曲面，其過程如下
設(shè)一束光從空間點(diǎn)光源發(fā)出的光入射到某光學(xué)表面的g點(diǎn)上，后折射或反射到目標(biāo)
面f上。設(shè)人射光單位矢量I；
權(quán)利要求
1. 一種獲得LED前照燈近光光斑的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V線的左側(cè)，右側(cè)為與水平線成15°的斜線，其特征在于具體設(shè)計(jì)步驟如下 (1)對(duì)近光光斑進(jìn)行區(qū)域劃分，將近光光斑劃分為多個(gè)區(qū)域；劃分時(shí)以光斑測(cè)試屏中心為起點(diǎn)，以V-V線上半部為起始線沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，將起始線轉(zhuǎn)過270°所轄的區(qū)域劃分為一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域的四分之三部分，接下來把剩下的90°區(qū)域劃分為多個(gè)三角形區(qū)域和四邊形區(qū)域，并把劃分得到的三角區(qū)域和四邊形區(qū)域還原成矩形區(qū)域，然后確定還原矩形區(qū)域的尺寸和轉(zhuǎn)過的角度； (2)根據(jù)LED光源外圍球表面的能量輻射分布和矩形光斑的區(qū)域?qū)?yīng)及斯涅耳折射定律列寫偏微分方程，對(duì)于該單自由曲面，其過程如下 設(shè)一束光從空間點(diǎn)光源-發(fā)出的光入射到某光學(xué)表面的;點(diǎn)上，后折射或反射到目標(biāo)面-上；設(shè)入射光單位矢量I1 = Unit(^s)，出射光單位矢量Sui = Umt(J-P)及法向矢量M，當(dāng)光經(jīng)過的介質(zhì)的折射率為η時(shí)，則三者滿足斯涅耳折射定律 [l + n2 - 2n{Out ·η! )^ - Oui-nln( !) 光學(xué)面一點(diǎn)到原點(diǎn)的距離認(rèn)為控制在毫米級(jí)別，認(rèn)為透鏡的大小忽略不計(jì)，即I-P^t ,這樣，任意一條照射到受照面上的光線都認(rèn)為由原點(diǎn)直接出發(fā)的，所以有cZi = Unit (I- ) = Unit (l(x,y,z))(2 ) 由上式可知，出射光線由受照面上的點(diǎn)唯一確定；當(dāng)光源置于原點(diǎn)時(shí)則有 In = Unii (p- s.) = Unit (ρ (θ, φ)) 光源空間光能量空間分布與照度面上的照度對(duì)應(yīng)關(guān)系的如下所示 ff Ι(Ιη(θ,φ)') Ω= ff _E(t(x,y,z))ds(4) JJnJJy(o) 其中1為光強(qiáng)，E為照度，ds為面積微元， ζ 為立體角微元；將光源球表面劃分為經(jīng)線和緯線方向，利用上述方程分別建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；假設(shè)直角坐標(biāo)系(U，2)與球坐標(biāo)(P，u，v )的關(guān)系為 X = ρ sin ^ sm V ^ y= pcosu(5)Z= ρ smu cos V 設(shè)入射光線、折射光線、出射光線分別為 和爲(wèi)；令出射光線爲(wèi)照在受照面點(diǎn)I (x,yjt)上，則有:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種獲得LED前照燈近光配光透鏡的設(shè)計(jì)方法。對(duì)近光光斑進(jìn)行區(qū)域劃分，將前照燈測(cè)試屏上的近光光斑劃分為多個(gè)個(gè)區(qū)域，把劃分的三角區(qū)域和四邊形還原成矩形區(qū)域，并確定矩形區(qū)域的尺寸和轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)LED光源外圍球表面的能量輻射分布和矩形光斑的區(qū)域?qū)?yīng)及斯涅耳折射定律列寫偏微分方程。根據(jù)前照燈近光光斑的區(qū)域劃分參數(shù)設(shè)置微分方程的初始條件，利用MATLAB解出自由曲面的解集，將得到的點(diǎn)云導(dǎo)入Rhino和Imageware中進(jìn)行處理，得到完整的曲面。再將得到的完整曲面導(dǎo)入Tracepro中進(jìn)行延伸、切割、旋轉(zhuǎn)和組合，得到方形透鏡，然后加上全反射外圍。利用本發(fā)明方法組合的透鏡的光斑基本聚焦于同一位置，能夠彌補(bǔ)單個(gè)LED功率過小的缺陷，滿足不同功率的要求。
文檔編號(hào)F21W101/10GK102901044SQ20121035903
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者龍?zhí)旃? 劉木清 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)