專利名稱：大功率led汽車前照燈的近光燈光學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車照明 系統，特別涉及一種大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統。
背景技術：
隨著汽車工業的高速發展和LED光效的不斷提高，LED在汽車中的應用也越來越普遍，LED汽車燈具開始進一步普及，與傳統光源相比LED (發光二極管)具有壽命長、可靠耐用、體積小、能耗低、響應快、設計靈活等優點。LED在車內照明裝置及車外信號裝置上已得到廣泛的應用，并且隨著白光LED技術的發展，高功率白光LED的光通量及穩定性問題得以不斷改善，將在車外道路照明方面大展鴻圖。然而，由于LED光源的光強空間分布與傳統的鹵素燈或氙氣燈完全不同，LED光源為單面發光，近似朗伯體分布，而傳統光源為全空間分布，在LED前照燈設計中，不能直接用LED光源替換傳統光源，否則所產生的光型將不能滿足車用照明的性能指標。因此，必須針對LED光源自身的發光特點進行全新設計，以滿足車用照明需求。《汽車用LED照明GB25991-2010》規定前照燈的配光應使其近光具有足夠的照明和不眩目。配光性能應滿足在前照燈基準中心前25m，過HV點的鉛垂配光屏幕上測定，在配光屏上，近光應產生明顯的明暗截止線，其水平部分在v-v線的左側，右側為與水平線向上15度的斜線，或向上成45度斜線至水平線垂直距25cm轉向水平的折線，并且在配光屏幕上規定了關鍵點的照度值。目前LED近光燈的光學設計大都是采用投射式的光學系統，即“LED光源+反光杯+擋板+透鏡”的模式，即利用擋光板遮擋部分光線后在配光屏上形成所需的近光光照度分布，這種設計可能導致整燈尺寸過大，不利于結構設計。而且由于擋光板的設計會浪費相當一部分的光能，將降低系統的出光效率。因此急需一種可以高效的利用LED光源發出的絕大部分光線且尺寸較小的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統。
發明內容
有鑒于此，本發明所要解決的技術問題是提供一種可以高效的利用LED光源發出的絕大部分光線且尺寸較小的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統。該系統大大提高了光學效率。本發明的目的是這樣實現的
本發明提供的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，包括至少兩個能產生相交明暗截止線的相似光學結構，所述相似光學結構包括第一光學結構和第二光學結構，每個光學結構包含LED光源、基座和光學透鏡，所述基座用于固定LED光源和光學透鏡，使LED光源和光學透鏡構成一個封閉的腔體，所述LED光源發出的光線分成兩部分進入光學透鏡，一部分經過光學透鏡的內表面折射，另一部分經過光學透鏡的側表面全反射后在光學透鏡內部形成近似平行光，所述近似平行光經過光學透鏡的自由柱面折射出。
進一步，所述第一光學結構包括第一光學透鏡，所述第一光學透鏡包括第一反射面、第一自由柱面和第一輔助面，所述第一反射面一端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第一反射面另一端設置有第一側表面，所述第一自由柱面和第一輔助面通過與第一側表面連接組成封閉實體，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第一內腔，所述第一內腔包括第一內腔壁和第一內表面，所述第一內腔壁一端與基座連接，所述第一內腔壁另一端與第一內表面連接，所述第一 LED光源發出光線經第一內腔壁折射再經第一反射面反射后形成垂直出射的平行光。進一步，所述第一內表面和第一反射面為自由曲面。進一步，所述第一內腔壁為圓柱面或自由曲面，所述第一自由柱面由若干不規則柱面組成，所述柱面可以一凸一凹交替排布，使整個自由柱面光滑變化；所述第一輔助面是第一自由柱面的一部分。進一步，所述第一反射面的反射面由通過光線追跡計算所形成的自由曲線繞LED光源的中軸回轉形成。 進一步，所述第一反射面的反射面外側設置有反射涂層。進一步，所述第一自由柱面和第一輔助面中每條柱面豎直排列。進一步，所述第二光學結構包括第二光學透鏡，所述第二光學透鏡包括第二反射面和第二自由柱面，所述第二反射面一端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第二反射面另一端設置有第二側表面，所述第二自由柱面與第二側表面連接組成封閉實體，所述第二自由柱面沿中心軸旋轉15°排列，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第二內腔，所述第二內腔包括第二內腔壁和第二內表面，所述第二內腔壁一端與基座連接，所述第二內腔壁另一端與第二內表面連接，所述第二 LED光源發出光線經第二內腔壁折射再經第二反射面反射后形成垂直出射的平行光。進一步，所述第二自由柱面的每個柱面可由兩段曲率半徑不同的弧面組成，也可由兩段曲率半徑相同的弧面組成。進一步，所述第一 LED光源和第二 LED光源分別為大功率LED光源。本發明的優點在于本發明公開一種大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，此系統由兩個相似的光學結構組成，每一個光學結構包含大功率LED光源、基座與光學透鏡。LED光源發出的光線分成兩部分進入光學透鏡，一部分經過它的內表面折射而另一部分經過它的側表面全反射后在它內部形成近似平行光，并利用它自由柱面的折射產生所需的光型。第一個光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的水平明暗截止線光型，第二個光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的傾斜15°明暗截止線光型。整個大功率LED近光燈的光學系統，利用兩個相似光學結構產生的光型疊加形成能夠滿足標準規定的近光光型。LED近光燈至少需要兩個這樣的光學系統單元，本發明提供的系統是針對LED光源朗伯光型而設計，進行適當的空間排布，從而滿足近光配光性能的要求，本系統光的利用率高，而且整個系統的體積小，便于車體的設計。本發明的其它優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其它優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖I為整個光學系統的結構 圖2為光學透鏡的正視示意 圖3為第一光學透鏡的垂直和水平剖面 圖4為第二光學透鏡的垂直與水平剖面； 圖5為第一光學結構在25m配光屏幕的光型；
圖6為第二光學結構在25m配光屏幕的光型；
圖7為整個LED近光燈光學系統在25m配光屏幕的光型。圖中，I表不基座、2a表不第一 LED光源、2b表不第二 LED光源、3表不第一光學透鏡、3a表不第一反射面、3b表不第一自由柱面、3c表不第一輔助面、3d表不第一內腔、3e表不第一內腔壁、3f表不第一內表面、3g表不第一側表面、4表不第二光學透鏡、4a表不第二反射面、4b表示第二自由柱面、5表示兩自由柱面的垂直剖面線、6表示水平剖面線。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。圖I為整個光學系統的結構圖；圖2為單個光學透鏡的示意圖；圖3為光學透鏡的正視示意圖；圖4為單個透鏡的垂直剖面圖和水平剖面圖；圖5為第二光學透鏡的垂直與水平剖面；圖6為第一光學結構在25m配光屏幕的光型；圖7為第二光學結構在25m配光屏幕的光型，如圖所示本發明提供的大功率LED汽車前大燈的近光燈光學系統，包括至少兩個能產生相交明暗截止線的相似光學結構，所述相似光學結構包括第一光學結構和第二光學結構，每個光學結構包含LED光源、基座I和光學透鏡,所述基座I用于固定LED光源和光學透鏡，使LED光源和光學透鏡構成一個封閉的腔體，所述LED光源發出的光線分成兩部分進入光學透鏡，一部分經過光學透鏡的內表面折射，另一部分經過光學透鏡的側表面全反射后在光學透鏡內部形成近似平行光，所述近似平行光經過光學透鏡的自由柱面折射出。該近似平行光通過光學透鏡的折射分別產生具有水平和傾斜15度兩種明暗截止線的光照度分布，所述具有兩種明暗截止線的光照度分布疊加形成滿足國家標準《汽車用LED照明GB 25991-2010》規定的近光光照度分布。第一光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的水平明暗截止線光型，第二光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的傾斜15°明暗截止線光型。整個大功率LED近光燈的光學系統，利用兩個相似光學結構產生的光型疊加形成能夠滿足標準規定的近光光型。如果采用單個總光通量為1501m的LED光源，則LED近光燈至少需要兩個這樣的光學系統單元，進行適當的空間排布，從而滿足近光配光性能的要求。所述第一光學結構包括第一光學透鏡3，所述第一光學透鏡3包括第一反射面3a、第一自由柱面3b和第一輔助面3c，所述第一反射面3a —端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第一反射面3a另一端設置有第一側表面3g，第一側表面3g是連接第一自由柱面和第一反射面的平面，所述第一自由柱面3b和第一輔助面3c通過與第一側表面3g連接組成封閉實體，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第一內腔3d，所述第一內腔3d包括第一內腔壁3e和第一內表面3f，所述第一內腔壁3e 一端與基座連接，所述第一內腔壁3e另一端與第一內表面3f連接，所述第一 LED光源發出光線經第一內腔壁3e折射再經第一反射面3a反射后形成垂直出射的平行光。所述第一內表面3f和第一反射面3a為自由曲面。所述第一內腔壁3e為圓柱面或自由曲面，所述第一自由柱面3b由若干不規則柱面組成。所述第一反射面3a的反射面由通過光線追跡計算所形成的自由曲線繞LED光源的中軸回轉形成。所述第一反射面3a的反射面外側設置有反射涂層。所述第一自由柱面3b和第一輔助面3c中每條柱面豎直排列。所述第二光學結構包括第二光學透鏡4，所述第二光學透鏡4包括第二反射面4a和第二自由柱面4b，所述第二反射面4a —端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第二反射面4a另一端設置有第二側表面，所述第二自由柱面4b與第二側表面連接組成封閉實體，所述第二自由柱面4b沿中心軸旋轉15°排列，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第二內腔，所述第二內腔包括第二內腔壁和第二內表面，所述第二內腔壁一端與基座連接，所述第二內腔壁另一端與第二內表面連接，所述第二 LED光源發出光線經第二內腔壁折射再經第二反射面4a反射后形成垂直出射的平行光。第一光學透鏡3的第一自由柱面3b和第一輔助面3c的每條柱面豎直排列。第二光學透鏡4的自由柱面由一個面組成，且每條柱面沿中心軸旋轉15°排列。兩自由柱面的垂直剖面線5和水平剖面線6的形成機理是相通的，垂直剖面線是根據所需要的光型計算出來的一條自由曲線，而水平剖面線至少由兩段圓弧組成，且每段圓弧的曲率半徑可以不同。如果水平剖面線由兩段不同曲率半徑的圓弧組成，則水平剖面線與水平線將有一個夾角0。如圖4所示，以該圖為方位，虛線表示自由柱面與水平面可以有一個夾角。所述第一 LED光源2a和第二 LED光源2b分別為大功率LED光源。整套光學系統可以高效的利用LED光源發出的絕大部分光線，大大提高系統的光學效率。通過本實施特例設計，單顆LED芯片的光通量僅需4501m即可滿足近光燈標準的要求。以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，包括至少兩個能產生相交明暗截止線的相似光學結構，所述相似光學結構包括第一光學結構和第二光學結構，每個光學結構包含LED光源、基座(I)和光學透鏡，所述基座(I)用于固定LED光源和光學透鏡，使LED光源和光學透鏡構成一個封閉的腔體，其特征在于所述LED光源發出的光線分成兩部分進入光學透鏡，一部分經過光學透鏡的內表面折射，另一部分經過光學透鏡的側表面全反射后在光學透鏡內部形成近似平行光，所述近似平行光經過光學透鏡的自由柱面折射出。
2.根據權利要求I所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一光學結構包括第一光學透鏡(3)，所述第一光學透鏡(3)包括第一反射面(3a)、第一自由柱面(3b)和第一輔助面(3c)，所述第一反射面(3a) —端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第一反射面(3a)另一端設置有第一側表面(3g)，所述第一自由柱面(3b)和第一輔助面(3c)通過與第一側表面(3g)連接組成封閉實體，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第一內腔(3d)，所述第一內腔(3d)包括第一內腔壁(3e)和第一內表面(3f)，所述第一內腔壁(3e) —端與基座連接，所述第一內腔壁(3e)另一端與第一內表面(3f)連接，所述第一 LED光源發出光線經第一內腔壁(3e)折射再經第一反射面(3a)反射后形成垂直出射的平行光。
3.根據權利要求2所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一內表面(3f)和第一反射面(3a)為自由曲面。
4.根據權利要求3所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一內腔壁(3e)為圓柱面或自由曲面，所述第一自由柱面(3b)由若干不規則柱面組成。
5.根據權利要求4所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一反射面(3a)的反射面由通過光線追跡計算所形成的自由曲線繞LED光源的中軸回轉形成。
6.根據權利要求5所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一反射面(3a)的反射面外側設置有反射涂層。
7.根據權利要求6所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一自由柱面(3b)和第一輔助面(3c)中每條柱面豎直排列。
8.根據權利要求7所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第二光學結構包括第二光學透鏡(4)，所述第二光學透鏡(4)包括第二反射面(4a)和第二自由柱面(4b)，所述第二反射面(4a) —端與設置在基座上的LED光源處連接，所述第二反射面(4a)另一端設置有第二側表面，所述第二自由柱面(4b)與第二側表面連接組成封閉實體，所述第二自由柱面(4b)沿中心軸旋轉15°排列，所述封閉實體內部靠近基座的一端還設置有第二內腔，所述第二內腔包括第二內腔壁和第二內表面，所述第二內腔壁一端與基座連接，所述第二內腔壁另一端與第二內表面連接，所述第二 LED光源發出光線經第二內腔壁折射再經第二反射面(4a)反射后形成垂直出射的平行光。
9.根據權利要求8所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一 LED光源(2a)和第二 LED光源(2b)分別為大功率LED光源。
10.根據權利要求9所述的大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，其特征在于所述第一光學透鏡和第二光學透鏡的材料為高透光型材料。
全文摘要
本發明公開了一種大功率LED汽車前照燈的近光燈光學系統，該系統由兩個相似的光學結構組成，每一個光學結構包含大功率LED光源、基座與光學透鏡。LED光源發出的光線分成兩部分進入光學透鏡，一部分經過它的內表面折射而另一部分經過它的側表面全反射后在它內部形成近似平行光，并利用它自由柱面的折射產生所需的光型。第一光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的水平明暗截止線光型，第二光學結構在25m配光屏幕上產生具有清晰的傾斜15°明暗截止線光型，該兩種光型疊加形成能夠滿足標準規定的近光光型。LED近光燈至少需要兩個這樣的光學系統單元，進行適當的空間排布，從而滿足近光配光性能要求。
文檔編號F21W101/10GK102679252SQ20121011577
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者劉顯明, 杜曉晴, 蔡文濤, 陳偉民, 雷小華 申請人:重慶大學