本發(fā)明涉及LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及LED汽車后霧燈光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面反射鏡的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
LED光源相比于傳統(tǒng)光源，具有體積小、熱耗低、節(jié)能環(huán)保、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，使用冷發(fā)光技術(shù)，顯色性好，無(wú)頻閃。近年來(lái)，隨著LED制造成本的減低和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，LED在車用照明中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，LED車燈將是今后車輛照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11554-2008對(duì)汽車用LED后霧燈的配光要求，在目標(biāo)照明面上的一個(gè)菱形范圍內(nèi)需滿足特定的照度要求。目前LED后霧燈的設(shè)計(jì)方法使用比較廣泛的是直射式和透過(guò)式。直射式光能利用率較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)答，易于設(shè)計(jì)，但光源可直接被看到，所以點(diǎn)燈效果不佳，光源直射容易對(duì)車后方人造成影響。透過(guò)式又稱為折射式，透過(guò)式的光能利用率較低，而且要求控制精確度很高，具有相對(duì)復(fù)并實(shí)現(xiàn)LED汽車后霧燈的配光仍然具有較大的挑戰(zhàn)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)LED汽車后霧燈直射式和透過(guò)式的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種LED汽車后霧燈用的自由曲面光學(xué)反射鏡的設(shè)計(jì)方法，該自由曲面發(fā)射鏡體積小，光源的發(fā)光面垂直向上安裝，眩光效應(yīng)低，同時(shí)能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11554-2008對(duì)汽車用LED后霧燈的配光要求。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。LED光源的發(fā)光面垂直于光軸方向向上發(fā)光，在該自由曲面反射鏡上發(fā)生反射，最后出射到照明面上。自由曲面反射鏡的構(gòu)建過(guò)程如下：1.設(shè)定初始條件并對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域進(jìn)行均勻劃分以LED光源發(fā)光面的中心為原點(diǎn)O，發(fā)光面所在平面為XOY平面，過(guò)原點(diǎn)O與XOY平面垂直的軸為z軸建立空間立體坐標(biāo)系。LED光源的發(fā)光方向沿z軸正方向。與Y軸交點(diǎn)為o且平行于平面XOZ的平面為目標(biāo)照明面，點(diǎn)o為目標(biāo)照明面的中心點(diǎn)。設(shè)目標(biāo)照明面與原點(diǎn)的距離為H，為了滿足菱形范圍內(nèi)的照明要求，我們可以在目標(biāo)照明面上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為W的矩形光斑。針對(duì)后霧燈的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)配光性能，最終所要得到的光斑形狀具有對(duì)稱性，因此設(shè)計(jì)時(shí)取沿x軸正方向的矩形作為研究對(duì)象，則其為面積為L(zhǎng)/2×W/2的矩形。建立了正半軸的模型后，通過(guò)作對(duì)稱可得到完整反射鏡模型。對(duì)正半軸矩形進(jìn)行區(qū)域均勻劃分。首先，沿x軸方向?qū)/2等分成m份，沿z軸將W/2等分為n份，從而得到目標(biāo)平面上的離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組，分別為x(m)和z(n)。由此便將目標(biāo)照明面矩形劃分成為m×n份網(wǎng)格。2.劃分光源立體角，根據(jù)能量守恒定律建立映射關(guān)系將LED光源發(fā)光立體角進(jìn)行角度劃分，其中α為出射光線與X軸組成的平面與XOZ平面的夾角，β為出射光線與X軸的夾角。則通過(guò)α和β可以確定光源發(fā)出的每條光線的方向矢量，即為了建立光源立體角與目標(biāo)照明面的映射關(guān)系，在α角上劃分為m份，在β角上劃分為n份。設(shè)LED光源總光通量為Φ，則光源中心光強(qiáng)為I0＝Φ/π，其他方向光線強(qiáng)度與中心光強(qiáng)的關(guān)系為I(i,j)＝I0cosαsinβ?；诹Ⅲw角元?jiǎng)澐址绞?，相鄰兩個(gè)α角內(nèi)的總能量為：對(duì)應(yīng)在目標(biāo)照明面上的矩形內(nèi)，設(shè)目標(biāo)照明面的平均照度為Ev，并設(shè)對(duì)應(yīng)的照明區(qū)域?yàn)檠豿軸方向的條狀矩形區(qū)域，則根據(jù)能量守恒定律有：而每一小份立體角內(nèi)的光通量為：則由能量守恒定律有：其中，Δx＝xt(j+1)-xt(j)是目標(biāo)照明面上左右相鄰兩個(gè)點(diǎn)x軸坐標(biāo)的差值，Δz＝zt(i+1)-zt(i)是上下相鄰兩點(diǎn)間z軸坐標(biāo)的差值，兩者相乘即每一個(gè)小格的面積。由上面關(guān)系式可以得到α角、β角與目標(biāo)照明面點(diǎn)坐標(biāo)(xt,H,zt)的關(guān)系式。3.計(jì)算自由曲面反射鏡離散點(diǎn)坐標(biāo)折反射定律的矢量形式表示為：式中n為光源周圍介質(zhì)的折射率，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為自由曲面在某一點(diǎn)上的單位法向量。在反射鏡設(shè)計(jì)中，n＝1，上式變形為：由步驟1和2中所確定的α和β可以求出入射光線的單位向量和與之對(duì)應(yīng)的出射光線的方向向量。由步驟1和2中所確定的α和β可以求出入射光線的單位向量和與之對(duì)應(yīng)的出射光線的方向向量。應(yīng)用折反射公式，通過(guò)初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對(duì)應(yīng)的出射光線的單位向量，可以得到初始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面，該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)。由前一點(diǎn)的切平面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得出自由曲面上離散點(diǎn)的坐標(biāo)。4.利用機(jī)械建模軟件將離散坐標(biāo)點(diǎn)擬合為曲面將計(jì)算所得的離散點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入機(jī)械建模軟件中，可通過(guò)線性插值擬合或取樣插值得到自由曲面反射鏡模型，最后通過(guò)鏡像獲得完整的對(duì)稱模型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有：LED光源垂直向上發(fā)光，光源不會(huì)直接照射到車后方人眼睛，減低了眩光效應(yīng)，同時(shí)又能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11554-2008對(duì)汽車用LED后霧燈的配光要求。該反射鏡只在Z軸的上方，相對(duì)于直射式的設(shè)計(jì)方法，體積減小一半，而且安裝方便，散熱空間較大。本發(fā)明中的自由曲面反射鏡具有對(duì)稱性，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作效率高。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施方式中的后霧燈光學(xué)系統(tǒng)坐標(biāo)示意圖。圖2為實(shí)施方式中LED光源發(fā)光立體角表示示意圖。圖3為實(shí)施方式中光學(xué)系統(tǒng)原理的二維示意圖。圖4為實(shí)施方式中光源立體角與目標(biāo)照明面能量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。圖5為實(shí)施方式中自由曲面反射鏡三維立體示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，需指出的是，以下若無(wú)未特別詳細(xì)說(shuō)明之過(guò)程，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。1.建立坐標(biāo)系并設(shè)定初始條件如圖1所示，以LED發(fā)光面101的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，發(fā)光面所在平面為XOY平面，LED光源的發(fā)光方向?yàn)閦軸正半軸建立三維空間立體坐標(biāo)系。與Y軸交點(diǎn)為o且平行于平面XOZ的平面為目標(biāo)照明面200，點(diǎn)o為目標(biāo)照明面的中心點(diǎn)。如圖2所示，α為L(zhǎng)ED光源出射光線102與X軸組成的平面與XOZ平面的夾角，β為出射光線與X軸的夾角，則通過(guò)α和β可以確定光源發(fā)出的每條光線的方向矢量，即如圖3中光學(xué)系統(tǒng)原理的二維示意圖所示，LED光源100垂直于光軸方向向上發(fā)光，在自由曲面反射鏡300上發(fā)生反射，最后出射到照明面200上。2.對(duì)目標(biāo)照明區(qū)域和LED光源發(fā)光立體角進(jìn)行劃分設(shè)目標(biāo)照明面201的中心o與原點(diǎn)O的距離為H，針對(duì)后霧燈的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)配光性能，最終所要得到的光斑形狀具有對(duì)稱性，因此設(shè)計(jì)時(shí)取沿x軸正方向的矩形作為研究對(duì)象，則其為面積為L(zhǎng)/2×W/2的矩形。建立了正半軸的模型后，通過(guò)作對(duì)稱可得到完整反射鏡模型。對(duì)正半軸矩形進(jìn)行區(qū)域均勻劃分。首先，沿x軸方向?qū)/2等分成m份，沿z軸將W/2等分為n份，從而得到目標(biāo)平面上的離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)組，分別為x(m)和z(n)。由此便將目標(biāo)照明面矩形劃分成為m×n份網(wǎng)格，如圖4所示。對(duì)應(yīng)于照明區(qū)域在x正半軸的劃分，光源立體角α角上劃分為m份，在β角上劃分為n份，如圖4所示。設(shè)LED光源總光通量為Φ，光源的中心光強(qiáng)為I0＝Φ/π，則相鄰兩個(gè)α角內(nèi)所有有光線的總能量為：對(duì)應(yīng)在目標(biāo)照明面上的矩形內(nèi)，設(shè)目標(biāo)照明面的平均照度為Ev，并設(shè)對(duì)應(yīng)的照明區(qū)域?yàn)檠豿軸方向的條狀矩形區(qū)域，則根據(jù)能量守恒定律有：每一小份立體角內(nèi)的光通量為：則由能量守恒定律有：以上各式中，Δx＝xt(j+1)-xt(j)是目標(biāo)照明面上左右相鄰兩個(gè)點(diǎn)x軸坐標(biāo)的差值，Δz＝zt(i+1)-zt(i)是上下相鄰兩點(diǎn)間z軸坐標(biāo)的差值，兩者相乘即每一個(gè)小格的面積。由上面關(guān)系式可以得到α角、β角與目標(biāo)照明面點(diǎn)坐標(biāo)(xt,H,zt)的關(guān)系式。3.計(jì)算自由曲面反射鏡離散點(diǎn)坐標(biāo)折反射定律的矢量形式表示為：式中n為光源周圍介質(zhì)的折射率，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為自由曲面在某一點(diǎn)上的單位法向量。在反射鏡設(shè)計(jì)中，n＝1，上式變形為：由步驟1和2中所確定的α和β可以求出入射光線的單位向量和與之對(duì)應(yīng)的出射光線的方向向量。應(yīng)用折反射公式，通過(guò)初始點(diǎn)的坐標(biāo)和與其對(duì)應(yīng)的出射光線的單位向量，可以得到初始點(diǎn)的法向向量，從而確定該點(diǎn)的切平面，該切平面與第二點(diǎn)的入射光線相交從而確定第二點(diǎn)。由前一點(diǎn)的切平面與下一點(diǎn)的法向量所在的直線相交可得出下一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代可得出自由曲面上離散點(diǎn)的坐標(biāo)。4.利用機(jī)械建模軟件將離散坐標(biāo)點(diǎn)擬合為曲面將計(jì)算所得的離散點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入機(jī)械建模軟件中，可通過(guò)線性插值擬合或取樣插值得到自由曲面300，最后通過(guò)鏡像獲得完整的對(duì)稱模型，如圖5所示。本發(fā)明可以使LED光源垂直向上發(fā)光，光源不會(huì)直接照射到車后方人眼睛，減低了眩光效應(yīng)，同時(shí)又能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11554-2008對(duì)汽車用LED后霧燈的配光要求。該反射鏡只在Z軸的上方，相對(duì)于直射式的設(shè)計(jì)方法，體積減小一半，而且安裝方便，散熱空間較大。本發(fā)明中的自由曲面反射鏡具有對(duì)稱性，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作效率高。