一种led汽车前雾灯用的光学透镜设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LED汽车照明领域，特别涉及用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透 镜设计方法。
【背景技术】
[0002] 发光二极管（LED)具有寿命长、效率高、响应快、体积小等优点，近年来被广泛的 应用于车灯照明领域。随着LED技术的不断革新，LED车灯将是今后车辆照明应用的发展 趋势。但是LED应用于汽车前雾灯仍然具有较大的挑战性，光能利用率还需进一步提高。
[0003] 联合国欧洲经济委员会汽车法规（ECE R19 Revl5)对汽车前雾灯的配光性能做了 非常详细的定义和要求。最初的前雾灯，也就是"B"级前雾灯只可装用GB15766. 1或R37 规定的光源。而"F3"级前雾灯相对"B"级来说，提高了配光性能，增加光束的宽度，提高了 H - H线以下的最小光强值，同时增大了控制前方地面的最大光强要求，H - H线以上则减低 了模糊光的光强值以提高能见度。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜设计方法，该光学透 镜体积小，安装方便，能有效地控制LED发出的发散光，能量利用率高，眩光低，同时能满足 ECE R19 Revl5对"F3"级汽车前雾灯的配光要求。
[0005] 本发明采用以下技术方案。
[0006] LED汽车前雾灯用的自由曲面光学透镜，所述透镜内侧有一个空腔，该空腔可用于 放置LED光源，LED光源正对着透镜空腔发光。从LED光源发出的光线分为两部分分别通过 该光学透镜两个不同的自由曲面，实现配光要求。以所述透镜朝向照明面的一侧作为顶部。 LED中心部分的光线，发散角范围是0~科,该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆球面，进 入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部的自由曲面发生折射，形成出射 光，照射到照明面上；LED边缘部分的光线，发散角范围是钭~；Γ/2,该部分光线先在空腔 内壁的柱面发生折射进入透镜，然后在透镜外侧的自由曲面发生全反射，最后在透镜上部 的圆环平面产生折射，照射到照明面上。
[0007] 进一步的，透镜的自由曲面形状确定如下：
[0008] 1.设定初始条件并对LED光源发光立体角进行均匀划分
[0009] 建立以LED光源为坐标原点0的坐标系，LED光源发光面所在平面为xoy平面，过 原点并与x〇y平面垂直的轴为z轴，以z轴正方向为光轴方向。与z轴交点为0'且平行于 平面xoy的平面为目标照明面，点(V为目标照明面的中心点。LED光源总光通量为Φ，中 心光强为I 0= Φ/ π 〇
[0010] 设光源与照明面的距离为Η，将LED光源发光立体角进行角度等份划分，其中炉为 出射光线与Z轴的夹角，Θ为出射光线在xoy平面上的投影与X轴的夹角。将光源中心部 分的立体角朽等分成m份，对于每一个汽，都将Θ。等分成n份，即对于第i，j份，可以表 示成朽W和0c(i，j)数组。
[0011] 同样，将光源边缘部分的立体角趴等分成m份，对于每一个趴，都将叭等分成η 份，即对于第i，j份，可以表示成A⑴和Mi，j)数组。由微分学原理可知，!!!和!!的数值 越大，计算的精度会越高。
[0012] 2.利用能量守恒将照明区域进行划分
[0013] 根据汽车前雾灯在照明面上的照度分布特性，可以把照明面上的照明区域设定为 水平线以下Γ的矩形区域，配光光型范围较广，光能主要集中在中间左右10°位置部分。 对应于光源立体角的划分，目标照明面的直角坐标也相应的在y方向上分成m份，对于每 一份y，都将X方向分成η份，在目标照明面直角坐标系中得到与光源立体角中数组AW和 9 cQ，j)⑴和 9e(i，j)--对应的 y。⑴和 xji, j)、ye(i)和 xe(i, j)数组。
[0014] 先考虑光源中心部分光线。由于照明区域为水平线以下Γ的矩形区域，该矩形区 域只关于y轴对称，对X轴不对称，故在计算透镜顶部自由曲面时需分开两部分：θ = 0~ JT和θ = π~231。以照明区域X轴方向每条长矩形区域为研究对象，考虑Θ =〇~JT 部分，假设矩形区域的平均照度为Εν，则有
[0016] 式中a，b为照明矩形照明区域的长和宽。
[0017] 对于照明区域X轴方向第i条长矩形区域，根据能量守恒定律可得：
[0019] 由以上两式可以得到％(/)与y。⑴的对应关系。接着，以照明区域的每一小方格 作为研究对象，根据能量守恒可以得到下式：
[0021] 式中，Ε。·1^表示第i行j列网格的照度值，根据汽车前雾灯的标准要求，预设照 度值E。，设置照度控制因子& ,来控制照明面上指定区域的照度值大小。由以上三式可得 到Mi，j)与的关系，即找到了所设计透镜上每个立体角元与照明面上网格之间 的能量守恒关系。
[0022] 对于θ = π~2 π部分，只需将以上积分式中对Θ的积分范围改为π~2 π 贝1J可求出氣(轉与yc(i)、Qc(i, j)与xc(i, j)的对应关系。
[0023] 同样地，考虑LED光源边缘光线时，H勺积分范围为死~ τ /2，Θ也分为θ = 〇~ Ji和0 = jt~2jt两部分计算，运用以上方法可求出％(/)与yji)、j)与Xf;(i，j) 的对应关系。
[0024] 3.计算自由曲面离散点坐标
[0025] 由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求 切平面与入射光线的交点得到曲面上点的坐标，所述的折反射定律公式如下：
[0027] 式中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，夏_为自由曲面在某一点 上的单位法向量，η为折射率，当发生全反射时，η = 1。
[0028] 先确定初始点，设初始点的免值为0°，与原点的距离为h，该距离决定了整个透 镜的厚度。出射光的单位向量可由於和Θ表示，由能量守恒定律得到了死〇_)与y e(i)、 9ji，j)与的对应关系，即入射光线与出射光线的对应关系，从而可以得到出射光 线的方向向量。通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的 法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由 前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出 透镜顶部自由曲面离散点的坐标。
[0029] 接着计算透镜外侧全反射自由曲面。此时初始点的臀值为90°，坐标为（d，0, 0)， d和朽的大小决定了透镜的直径。同样地，从初始点开始，由前一点的切平面与下一点的法 向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出透镜外侧全反射自由曲面离散 点的坐标。
[0030] 4.利用机械建模软件将得到的点拟合为曲面
[0031] 将计算得到的离散点坐标分别导入机械建模软件中，通过线性插值拟合或取样插 值得到两个自由曲面，再利用机械建模软件添加透镜内侧空腔的球面和柱面，最后通过放 样曲面和实体组合得到自由曲面透镜模型。
[0032] 进一步的，〇?, S45% 45''<代￡90''； d = 8mm;所述原点0与点0，的距离为 25m〇
[0033] 所述用于LED汽车前雾灯的自由曲面光学透镜，可以由PC或PMM或光学玻璃制 成。
[0034] 与现有技术相比，本发明的优点有：
[0035] 本发明的透镜结构使得LED光源发出的光能量全部经自由曲面透镜折反射后出 射，不需要其它元件辅助配光，减少了系统的光能损耗，提高了光能利用率。透镜的内侧是 一个空腔，便于LED光源和散热系统的安装。透镜的体积小，眩光效应低，且达到了 ECE R19 Revl5 "F3"级汽车前雾灯的配光要求。
【附图说明】
[0036] 图1为实施方式中汽车前雾灯光学系统坐标示意图。
[0037] 图2为实施方式中LED光源发光立体角的球坐标示意图。
[0038] 图3为实施方式中光学系统配光原理的二维示意图。
[0039] 图4为实施方式中目标照明区域划分示意图。
[0040] 图5为实施方式中透镜的三维立体正视示意图。
[0041] 图6为实施方式中透镜的三维立体仰视示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细的描述，但本发明的实施和保护 不限于此。
[0043] 1.建立坐标系和设定初始条件并对LED光源发光立体角进行均匀划分
[0044] 首先，如图1所示，建立以LED光源发光面101的中心为坐标原点0的坐标系，LED 光源发光面所在平面为x〇y平面，过原点并与x〇y平面垂直的轴为z轴，以z轴正方向为光 轴方向。与z轴交点为0'(原点0与点0'间的距离为25m)且平行于平面xoy的平面为 目标照明面200,点0'为目标照明面的中心点。如图2所示，P为LED出射光线与z轴的 夹角，Θ为出射光线在xoy平面上的投影与X轴的夹角。将光源中心部分的立体角氰(此 例中％设置为 45°)等分成m份，对于每一个L将Θ。等分成n份，即对于第i， j份，可以表示成A⑴和Mi，j)数组。
[0045] 同样，将光源边缘部分的立体角A (此例中设置为45" <r/>,.^90")等分成m份， 对于每一个供，，都将叭等分成η份，即对于第i，j份，可以表示成死(〇和Mi，j)数组。
[0046] 如图3中光学系统配光原理二维示意图所示，透镜300内侧有一个空腔，该空腔可 用于放置LED光源100，LED光源正对着透镜空腔发光。以所述透镜朝向照明面的一侧作为 顶部。从LED光源发出的光线分为两部分分别通过该光学透镜两个不同的自由曲面，实现 配光要求。LED中心部分光线，发散角范围是Q~_ ,该部分光线先经过空腔内壁顶部的圆 球面301，进入透镜内部时，光线方向不发生变化，然后在透镜外侧顶部的自由曲面303发 生折射，形成出射光，照射到照明面200上；LED边缘部分的光线，发散角范围是％Γ/2, 该部分光线先在空腔内壁的柱面302发生折射进入透镜，然后再透镜外侧的自由曲面304 发生全反射，最后在透镜上部的圆环平面305产生折射，照射到照明面200上。
[0047] 2.对目标照明区域进行划分
[0048] 根据汽车前雾灯在照明面上的照度分布特性，可以把照明面上的照明区域设定为 水平线以下Γ的矩形区域，如图4所示。配光光型范围较广，光能主要集中在中间左右 10°位置部分。对应于光源立体角的划分，目标照明面的直角坐标也相应的在y方向上分 成m份，对于每一份y，都将X方向分成η份，在目标照明面直角坐标系中得到与光源立体角 中数组死⑴和Θ c(i, j)、％(丨)和Θ e(i,