一種led汽車前霧燈用的光學透鏡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及LED汽車照明領域，特別涉及用于LED汽車前霧燈的自由曲面光學 透鏡。
【背景技術】
[0002] 發光二極管(LED)具有壽命長、效率高、響應快、體積小等優點，近年來被廣泛的應 用于車燈照明領域。隨著LED技術的不斷革新，LED車燈將是今后車輛照明應用的發展趨勢。 但是LED應用于汽車前霧燈仍然具有較大的挑戰性，光能利用率還需進一步提高。
[0003] 聯合國歐洲經濟委員會汽車法規(ECE R19 Revl5)對汽車前霧燈的配光性能做了 非常詳細的定義和要求。最初的前霧燈，也就是"B"級前霧燈只可裝用GB15766.1或R37規定 的光源。而"F3"級前霧燈相對"B"級來說，提高了配光性能，增加光束的寬度，提高了H-H線 以下的最小光強值，同時增大了控制前方地面的最大光強要求，H-H線以上則減低了模糊光 的光強值以提高能見度。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型提供了一種用于LED汽車前霧燈的自由曲面光學透鏡，該光學透鏡體 積小，安裝方便，能有效地控制LED發出的發散光，能量利用率高，眩光低，同時能滿足ECE R19 Revl5對"F3"級汽車前霧燈的配光要求。
[0005] 本實用新型采用以下技術方案。
[0006] -種LED汽車前霧燈用的光學透鏡，所述光學透鏡內側有一個空腔，該空腔可用于 放置LED光源;LED光源正對著透鏡空腔發光；以所述光學透鏡朝向照明面的一側作為頂部； 所述光學透鏡的空腔頂部為圓球面，圓球面為球面形狀的一部分，空腔內側壁為柱面;光學 透鏡的外側頂部中間為頂部自由曲面，光學透鏡的外側為全反射自由曲面，光學透鏡的外 側頂部的邊緣為圓環平面;從LED光源發出的光線分為兩部分，LED中心部分光線先經過空 腔內壁頂部的圓球面，進入透鏡內部時，光線方向不發生變化，然后在透鏡外側的頂部自由 曲面發生折射，形成出射光，照射到照明面上;LED光源邊緣部分的光線先在空腔內壁的柱 面發生折射進入透鏡，然后在透鏡外側的所述全反射自由曲面發生全反射，最后在透鏡上 部的圓環平面產生折射，照射到照明面上。
[0007] 進一步地，透鏡的頂部自由曲面形狀和全反射自由曲面形狀限定如下：
[0008] 以LED光源為坐標原點0的坐標系，LED光源發光面所在平面為xoy平面，過原點并 與xoy平面垂直的軸為z軸，以z軸正方向為光軸方向；與z軸交點為且平行于平面xoy的平 面為目標照明面，點亇為目標照明面的中心點；LED光源總光通量為Φ，中心光強為Ι〇=Φ/ π；
[0009] 光源與照明面的距離為Η，將LED光源發光立體角進行角度等份劃分，其中免為出 射光線與Z軸的夾角，Θ為出射光線在xoy平面上的投影與X軸的夾角；將光源中心部分的立 體角％等分成 m份，每一份表示為死(0，1 = 1~〇1，每一個A對應的出射光線在XOy平面上的投 影與X軸的夾角Θ。也相應等分成η份，每一份表示為0。( i，j)，j = 1~η，即對于第i、j份，表示 成死(0和0c(i，j)數組；
[0010]同樣，將光源邊緣部分的立體角A等分成m份，對于每一個P都將等分成n份， 即對于第i、j份，表示成和9e(i，j)數組；
[0011]把照明面上的照明區域設定為水平線以下1°的矩形區域，光能主要集中在中間左 右10°位置部分;對應于光源立體角的劃分，目標照明面的直角坐標也相應的在y方向上分 成m份，對于每一份y，都將X方向分成η份，在目標照明面直角坐標系中得到與光源立體角中 數組負(0和(i，j)、代⑴和θ0(i，j)--對應的yc(i)和xc(i，j)、y e(i)和xe(i，j)數組；
[0012] 對于LED光源中心部分光線，由于照明區域為水平線以下1°的矩形區域，該矩形區 域只關于y軸對稱，對X軸不對稱，故在確定透鏡頂部自由曲面時需分開兩部分:θ = 〇~π和Θ =π~231;以照明區域X軸方向每條長矩形區域為研究對象，考慮θ = 〇~π部分，假設矩形區 域的平詢照庶為匕，_有
[0014] 式中a，b為照明矩形照明區域的長和寬；
[0015] 對于照明區域X軸方向第i條長矩形區域，根據能量守恒定律可得：
[0017]由以上兩式得到死(0與yc( i)的對應關系，接著，以照明區域的每一小方格作為研 究對象，根據能量守恒得到下式：
[0019] 式中，Eo · 表示第i行j列
網格的照度值，根據汽車前霧燈的標準要求，預設照 度值Eo,設置照度控制因子來控制照明面上指定區域的照度值大小；由以上三式得到0。 (i，j)與x c(i，j)的關系，即找到了所述透鏡上每個立體角元與照明面上網格之間的能量守 恒關系；
[0020] 對于Θ = 31~231部分，只需將以上積分式中對Θ的積分范圍改為31~231則可獲得朽(1) 與7。(1)、9。(1，」）與1。(1，」）的對應關系；
[0021] 同樣地，考慮LED光源邊緣光線時，浐的積分范圍為朽，θ也分為θ = 〇~π和Θ =jt~2π兩部分計算，運用前述方式獲得％(〇與70(；〇、0(3(；[，j)與Xe(i, j)的對應關系；
[0022] 由折反射定律確定所述曲面上點的法向量，利用這個法向量獲得切平面，通過求 切平面與入射光線的交點得到曲面上點的坐標，所述的折反射定律公式如下：
[0024]式中，瓦為入射光線單位向量，函為出射光線單位向量，友為自由曲面在某一點 上的單位法向量，η為折射率，當發生全反射時，n = l;
[0025] 先確定初始點，設初始點的供值為0°，與原點的距離為h，該距離決定了整個透鏡 的厚度；出射光的單位向量由切和Θ表示，由能量守恒定律得到了代(0與y c(i)、(i，j)與X。 (i，j)的對應關系，即入射光線與出射光線的對應關系，從而得到出射光線的方向向量;通 過初始點的坐標和與其對應的出射光線的單位向量，得到初始點的法向向量，從而確定該 點的切平面，該切平面與第二點的入射光線相交從而確定第二點，由前一點的切平面與下 一點的法向量所在的直線相交得出下一點，通過迭代獲得透鏡頂部自由曲面離散點；
[0026] 接著確定透鏡外側的全反射自由曲面，此時初始點的夢值為90°，坐標為(d，0，0)， d和朽的大小決定了透鏡的直徑;同樣地，從初始點開始，由前一點的切平面與下一點的法 向量所在的直線相交得出下一點，通過迭代獲得透鏡外側全反射自由曲面離散點；由離散 點進一步得到兩個自由曲面，再結合空腔的圓球面和柱面，最后得到自由曲面透鏡結構。
[0027] 進一步地，〇°5死<45% 45° .<外S9.0:';.d = 8mm;所述原點0與點的距離為25m。
[0028] 所述用于LED汽車前霧燈的自由曲面光學透鏡，可以由PC或PMMA或光學玻璃制成。
[0029] 與現有技術相比，本實用新型的優點有：
[0030] 本實用新型的透鏡結構簡單緊湊，所限定的結構使得LED光源發出的光能量全部 經自由曲面透鏡折反射后出射，不需要其它元件輔助配光，減少了系統的光能損耗，提高了 光能利用率。透鏡的內側是一個空腔，便于LED光源和散熱系統的安裝。透鏡的體積小，眩光 效應低，且達到了ECE R19 Revl5"F3"級汽車前霧燈的配光要求。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為實施方式中汽車前霧燈光學系統坐標示意圖。
[0032]圖2為實施方式中LED光源發光立體角的球坐標示意圖。
[0033]圖3為實施方式中光學系統配光原理的二維示意圖。
[0034]圖4為實施方式中目標照明區域劃分示意圖。
[0035]圖5為實施方式中透鏡的三維立體正視示意圖。
[0036]圖6為實施方式中透鏡的三維立體仰視示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細的描述，但本實用新型的實 施和保護不限于此。
[0038] 1.建立坐標系和設定初始條件并對LED光源發光立體角進行均勻劃分
[0039]首先，如圖1所示，建立以LED光源發光面101的中心為坐標原點0的坐標系，LED光 源發光面所在平面為x〇y平面，過原點并與x〇y平面垂直的軸為z軸，以z軸正方向為光軸方 向。與z軸交點為亇（原點0與點亇間的距離為25m)且平行于平面xoy的平面為目標照明面 200,點為目標照明面的中心點。如圖2所示，為LED出射光線與z軸的夾角，Θ為出射光線 在xoy平面上的投影與X軸的夾角。將光源中心部分的立體角K此例中趴設置為 〇°^死5；45°)等分成 111份，對于每一個1，都將0。等分成11份，即對于第1，_]_份，可以表示成 朽⑴和9 c(i，j)數組。
[0040] 同樣，將光源邊緣部分的立體角A (此例中氕設置為450 <氕S 900)等分成m份， 對于每一個，都將Θθ等分成η份，即對于第i，j份，可以表示成此⑴和0 (3〇，」)數組。
[0041] 如圖3中光學系統配光原理二維示意圖所示，透鏡300內側有一個空腔，該空腔可 用于放置LED光源100，LED光源正對著透鏡空腔發光。以所述透鏡朝向照明面的一側作為頂 部。從LED光源發出的光線分為兩部分分別通過該光學透鏡兩個不同的自由曲面，實現配光 要求。LED中心部分光線，發散角范圍是〇~熱，該部分光線先經過空腔內壁頂部的圓球面 301，進入透鏡內部時，光線方向不發生變化，然后在透鏡外側頂部的自由曲面303發生折 射，形成出射光，照射到照明面200上;LED邊緣部分的光線，發散角范圍是_~疋/:2,該部分 光線先在空腔內壁的柱面302發生折射進入透鏡，然后再透鏡外側的自由曲面304發生全反 射，最后在透鏡上部的圓環平面305產生折射，照射到照明面200上。
[0042] 2.對目標照明區域進行劃分
[0043] 根據汽車前霧燈在照明面上的照度分布特性，可以把照明面上的照明區域設定為 水平線以下1°的矩形區域，如圖4所示。配光光型范圍較廣，光能主要集中在中間左右10°位 置部分。對應于光源立體角的劃分，目標照明面的直角坐標也相應的在y方向上分成m份，對 于每一份y，都將X方向分成η份，在目標照明面直角坐標系中得到與光源立體角中數組死仿 和9 c(i，j)、ft_〇'#P9e(i，j)-