用于LED摩托车前照灯光学透镜自由曲面的形成方法

摘要

本发明公开了一种用于LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括同一所述前照灯里的远光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法，所述光学透镜为类平凸透镜，光学透镜的平面为光入射面、其多段式自由曲面为光出射面，光学透镜处于光反射器的前面，本发明通过采用以照明面中心点为中心的椭圆形区域和半圆形区域进行多环带划分，分别计算出某一环带所对应的光学透镜的多段式自由曲面上对应的一段自由曲线，然后将得出的各段自由曲线组合，然后由所得到的组合多段式自由曲线得出自由曲面模型的方法，解决了现有摩托车透镜照明技术存在透镜厚度过高及光学效率过低的缺陷，简便可靠、成熟可行。

说明书

技术领域

本发明涉及LED摩托车灯照明技术领域，特别涉及一种用于LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和整车配置需求，车灯照明行业内对GB5948-1998《摩托车白炽丝光源前照灯配光性能》要求予以修订的呼声强烈。经过专家组的讨论决定，将制定强制性国家标准，标准名称暂定为“发射对称近光和/或远光的机动车前照灯配光性能”，标准批准发布后，将设置实施过渡期，并逐步替代现行的摩托车前照灯标准GB5948-1998《摩托车白炽丝光源前照灯配光性能》。

摩托车前照灯新国家标准中的光型及照度要求不同于GB5948-1998，新国家标准的即将发布意味着依据GB5948-1998设计的摩托车前照灯将会被淘汰，其使用的光学设计也不再适用于新的国家标准。尤其对于使用LED光源的摩托车前照灯，由于LED芯片的发光模型近似为余弦辐射体，光学特性不同于传统摩托车的白炽丝光源，使LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂的光学设计问题。而现有的摩托车透镜前照灯存在厚度过高或者光学效率不高的问题。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供了摩托车用的LED前照灯，该LED摩托车前照灯包括远光灯和近光灯，能满足新的国家标准对摩托车用LED前照灯的配光要求，解决了使用LED光源的光学设计问题。

本发明采用如下技术方案：

用于LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括同一所述前照灯里的远光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法，所述光学透镜为类平凸透镜，光学透镜的平面为光入射面、其多段式自由曲面为光出射面，光学透镜处于光反射器的前面，

所述远光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面平行设置，以LED芯片发光面的中心点为坐标原点O₁建立直角坐标系，LED芯片发光面所在平面为X₁O₁Y₁平面,过原点O₁并与X₁O₁Y₁平面垂直的轴为Z₁轴，其中X₁O₁Y₁平面为水平面，在坐标原点O₁前方距离25米处、与Z₁轴交点为o₁且平行于X₁O₁Y₁平面的平面设为照明面，点o₁为照明面中心，将照明面上的照明区域设定为以照明面中心点o₁为中心的椭圆形区域，然后对该椭圆形区域进行多环带划分，然后将各环带进行网格划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，之后计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线绕Z₁轴旋转360°组成自由曲面模型；

所述近光灯用光学透镜的多段式自由曲面的形成方法为：将光学透镜的平面与LED芯片发光面垂直设置，光反射器采用部分椭球面形的光反射器，以光反射器的外侧焦点为坐标原点O₂建立直角坐标系，以过点O₂并平行于光学透镜的平面平行的平面为X₂O₂Y₂平面，过原点O₂并与X₂O₂Y₂平面垂直的轴为Z₂轴，其中X₂O₂Y₂平面为水平面，在坐标原点O₂前方距离25米处、与Z₂轴交点为o₂且平行于X₂O₂Y₂平面的平面设为照明面，点o₂为照明面的中心点，把照明区域设为以照明面的中心点o₂为圆心的半圆形区域，对该半圆形区域进行多环带划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线绕Z₂轴旋转360°组成自由曲面模型。

进一步地，所述对该椭圆形区域进行多环带划分的步骤具体包括：按椭圆区域的长半轴a分成n份，然后将短半轴b按长半轴划分的相同比例分成n份，以a_j，b_j表示划分后长轴a的第j份，然后以照明面中心点o₁为中心，分别以a₁+a₂+...+a_j-1,b₁+b₂+...+b_j-1为长短轴做椭圆，然后以a₁+a₂+...+a_j,b₁+b₂+...+b_j为长短轴作椭圆，两椭圆中心区域为该环带区域。

进一步地，所述将各环带区域进行网格划分的步骤具体包括：首先把某一环带区域的长半轴a和短半轴b分别等分为n份，以a₁和b_i表示等分后长半轴a的第i份和短半轴的第i份，以照明面中心点o₁为中心，将环带区域划等分成m份椭圆形环带区域，然后将环带上任意一点和点o₁的连线与x轴的夹角α等分成m份，以α_j表示等分后α的第j份，以点o₁为端点，与x轴的夹角为α_j的射线束将每一份椭圆形环带区域再细分为m份，这样将环带区域划分从mxn个小格子。

进一步地，所述对该半圆形区域进行多环带划分的步骤具体包括：首先把半圆形区域的圆半径r等分成n份，以r_j表示等分后半径的第j份，然后以照明面中心点o₂为圆心，分别以r₁+r+...+r_j-1和r₁+r+...+r_j为半径画圆，将该半圆形区域划分为半圆形环带区域。

进一步地，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分的步骤具体包括：把出射光线L₁与Z₁轴正方向的夹角Φ分成n份，有Φ_j表示Φ的第j份,Φ_j与所述环带划分的a_j和b_j一一对应，Φ_j-1与Φ_j夹角的光通量等于a_j-1、b_j-1与a_j、b_j表示环带的能量，把出射光线L₁在X₁O₁Y₁平面上的投影与X₁轴的夹角θ分成m份，用θ_j表示θ的第j份，θ_j与所述网格划分的α_j一一对应，将Φ_j和θ_j带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于每一小网格区域的能量，算出对应的Φ_j和θ_j数值。

进一步地，所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分的步骤具体包括：把出射光线L₂与Z₂轴正方向的夹角Φ′分成n份，用Φ′_j表示Φ′的第j份，Φ′_j与所述环带划分的r_j一一对应，Φ_j-1与Φ_j夹角的光通量等于r_j-1与r_j表示环带的能量.将Φ′_j带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一份圆形环带区域的能量，算出对应的Φ′_j数值。

进一步地，所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线组成自由曲面模型的步骤具体包括：先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ₁、Φ₂...Φ_n，然后分别设定远光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到各段曲线，最后用简单的线段填充分裂部分即可得出多段式自由曲线。

进一步地，所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线组成自由曲面模型的步骤具体包括：先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ′₁、Φ′₂...Φ′_n，然后设定近光灯用光学透镜的平面与LED芯片发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到各段曲线，最后用简单的线段填充分裂部分即可得出多段式自由曲线。

相比现有技术，本发明所提供的技术方案适用于使用LED光源的摩托车前照灯新国家标准，克服了当前LED光源应用于摩托车前照灯时要面临更加复杂光学设计的问题、解决了现有的摩托车透镜前照灯存在厚度过高或者光学效率不高的缺陷、简便可靠、成熟可行。

附图说明

图1是本发明实施例的远光灯用光学透镜主视示意图。

图2是图1中A-A向剖视示意图。

图3是本发明实施例的近光灯用光学透镜主视示意图。

图4是图3中B-B向剖视示意图。

图5是本发明实施例的远光灯与照明面之间关系的示意图。

图6是本发明实施例的近光灯与照明面之间关系的示意图。

图7是本发明实施例的远光灯出射光线关系的示意图。

图8是本发明实施例的远光灯出射光线关系的示意图。

图中：1-远光灯用光学透镜；11-平面；12-多段式自由曲面；13-LED芯片；14-照明面；15-椭圆形区域；2-近光灯用光学透镜；21-平面；22-多段式自由曲面；23-光反射器；24-LED芯片；25-照明面；26-半圆形区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明提供的用于LED摩托车前照灯用光学透镜自由曲面的形成方法，包括同一个所述前照灯里的远光灯用光学透镜1的多段式自由曲面的形成方法和近光灯用光学透镜2的多段式自由曲面的形成方法，所述远光灯用光学透镜1、近光灯用光学透镜2均为类平凸透镜，所述远光灯用光学透镜1和近光灯用光学透镜2的平面11、21为光入射面、两者的多段式自由曲面12、22为光出射面，远光灯用光学透镜1和近光灯用光学透镜2分别处于LED芯片13、14前面(见图1至图4)，具体而言：

所述远光灯用光学透镜1的多段式自由曲面12的形成方法为：将远光灯用光学透镜的1平面11与LED芯片13发光面平行设置，以LED芯片13发光面的中心点为坐标原点O₁建立直角坐标系，LED芯片13发光面所在平面为X₁O₁Y₁平面,过原点O₁并与X₁O₁Y₁平面垂直的轴为Z₁轴，其中X₁O₁Y₁平面为水平面，在坐标原点O₁前方距离25米处、与Z₁轴交点为o₁且平行于X₁O₁Y₁平面的平面设为照明面14，点o₁为照明面14中心，将照明面14上的照明区域设定为以中心点o₁为中心的椭圆形区域15，然后对该椭圆形区域15进行多环带划分，然后将各环带进行网格划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，之后计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线12，然后由得出的这些多段式自由曲线绕Z₁轴旋转360°组成自由曲面模型(见图5和图7)。

近光灯用光学透镜2的多段式自由曲面22的形成方法为：将近光灯用光学透镜2的平面21与LED芯片24发光面垂直设置，光反射器23采用部分椭球面形的光反射器，以光反射器23的外侧焦点为坐标原点O₂建立直角坐标系，以过点O₂并平行于近光灯用光学透镜2的平面21平行的平面为X₂O₂Y₂平面，过原点O₂并与X₂O₂Y₂平面垂直的轴为Z₂轴，其中X₂O₂Y₂平面为水平面，在坐标原点O₂前方距离25米处、与Z₂轴交点为o₂且平行于X₂O₂Y₂平面的平面设为照明面25，点o₂为照明面25的中心点，把照明区域设为以照明面25的中心点o₂为圆心的半圆形区域26，对该半圆形区域26进行多环带划分，运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分，计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线22绕Z₂轴旋转360°组成自由曲面模型(见图6和图8)。

另外，在对于远光灯用光学透镜1的多段式自由曲面12形成方法中：

所述对该椭圆形区域15进行环带划分的步骤具体包括：按椭圆区域的长半轴a分成n份，然后将短半轴b按长半轴划分的相同比例分成n份，以a_j，b_j表示划分后长轴a的第j份，然后以照明面中心点o₁为中心，分别以a₁+a₂+...+a_j-1,b₁+b₂+...+b_j-1为长短轴做椭圆，然后以a₁+a₂+...+a_j,b₁+b₂+...+b_j为长短轴作椭圆，两椭圆中心区域为该环带区域。

所述将各环带区域进行网格划分的步骤具体包括：首先把某一环带区域的长半轴a和短半轴b分别等分为n份，以a₁和b_i表示等分后长半轴a的第i份和短半轴的第i份，以照明面中心点o₁为中心，将环带区域划等分成m份椭圆形环带区域，然后将环带上任意一点和点o₁的连线与x轴的夹角α等分成m份，以α_j表示等分后α的第j份，以点o₁为端点，与x轴的夹角为α_j的射线束将每一份椭圆形环带区域再细分为m份，这样将环带区域划分从mxn个小格子。

所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分的步骤具体包括：把出射光线L₁与Z₁轴正方向的夹角Φ(Φ可设置为0°≤Φ≤60°)分成n份，有Φ_j表示Φ的第j份,Φ_j与所述环带划分的a_j和b_j一一对应，Φ_j-1与Φ_j夹角的光通量等于a_j-1、b_j-1与a_j、b_j表示环带的能量。把出射光线L₁在X₁O₁Y₁平面上的投影与X₁轴的夹角θ(θ可设置为0°≤θ≤360°)分成m份，用θ_j表示θ的第j份，θ_j与所述网格划分的α_j一一对应，将Φ_j和θ_j带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于每一小网格区域的能量，算出对应的Φ_j和θ_j数值。

所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线组成自由曲面模型的步骤具体包括：先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ₁、Φ₂...Φ_n，然后分别设定远光灯用光学透镜1的平面与LED芯片13发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h＝8mm，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到各段曲线，最后用简单的线段填充分裂部分即可得出多段式自由曲线12。

在对于近光灯用光学透镜2的多段式自由曲面22形成方法中：

所述运用能量守恒定律建立环带能量对应立体角能量关系，然后将光源立体角按照明要求进行相等数量的多份划分的步骤具体包括：是把出射光线L₂与Z₂轴正方向的夹角Φ′(Φ′可设置为0°≤Φ′≤60°)分成n份，用Φ′_j表示Φ′的第j份，Φ′_j与所述环带划分的r_j一一对应，Φ_j-1与Φ_j夹角的光通量等于r_j-1与r_j表示环带的能量.将Φ′_j带入光通量公式，再将每一角度内光通量等于所述每一份圆形环带区域的能量，算出对应的Φ′_j数值。

所述计算任一段自由曲线时先设定初始点，然后运用折射定律通过迭代数值计算得出该段曲线，然后通过简单的线段连接各段曲线形成一条多段式自由曲线，然后由得出的这些多段式自由曲线组成自由曲面模型的步骤具体包括：是先分别设各线段初始点夹角Φ为0′、Φ′₁、Φ′₂...Φ′_n，然后设定近光灯用光学透镜2的平面21与LED芯片24发光面之间的距离，即确定了光入射面的位置，然后再根据这个距离选取合适的透镜厚度h＝8mm，确定这个值为每段曲线的距离底面的初始距离，根据迭代便可分别进行计算得到各段曲线，最后用简单的线段填充分裂部分即可得出多段式自由曲线22。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。