Led摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及LED摩托車燈照明技術領域，特別涉及LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡的設計方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的不斷發展和整車配置需求，車燈照明行業內對GB5948-1998《摩托車白熾絲光源前照燈配光性能》要求予以修訂的呼聲強烈。經過專家組的討論決定，將制定強制性國家標準，標準名稱暫定為“發射對稱近光和/或遠光的機動車前照燈配光性能”，標準批準發布后，將設置實施過渡期，并逐步替代現行的摩托車前照燈標準GB5948-1998《摩托車白熾絲光源前照燈配光性能》。
[0003]摩托車前照燈新國家標準中的光型及照度要求不同于GB5948-1998，新國家標準的即將發布意味著依據GB5948-1998設計的摩托車前照燈將會被淘汰，其使用的光學設計也不再適用于新的國家標準。尤其對于使用LED光源的摩托車前照燈，由于LED芯片的發光模型近似為余弦輻射體，光學特性不同于傳統摩托車的白熾絲光源，使LED光源應用于摩托車前照燈時要面臨更加復雜的光學設計問題。而現有的摩托車透鏡前照燈存在色溫偏高或者光學效率不高的問題。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述存在的問題，提供了摩托車用的LED前照燈，該LED摩托車前照燈包括遠光燈和近光燈，能滿足新的國家標準對摩托車用LED前照燈的配光要求，解決了使用LED光源的光學設計問題。
[0005]本發明采用如下技術方案。
[0006]LED摩托車前照燈用自由曲面集成光學透鏡的設計方法，所述自由曲面集成光學透鏡集包括位于同一前照燈中的遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡，所述遠光燈用光學透鏡和近光燈用光學透鏡均各自由入射面、側反射面及出射面構成;所述入射面由凸型面與圓柱面構成;所述出射面為凹形自由曲面，把朝向照明面一側的面即出射面稱為光學透鏡的頂部；
[0007]所述遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定如下:
[0008]將光學透鏡的底部平面與LED芯片發光面平行設置，以LED芯片發光面的中心點為坐標原點O1建立直角坐標系，LED芯片發光面所在平面為X1O1Y1平面，過原點O1并與X1O1Y1平面垂直的軸為，其中X1O1Y1平面為水平面，在坐標原點⑴前方距離25米處、與交點為01且平行于X1O1Y1平面的平面設為照明面，點01為照明面中心，將照明面上的照明區域設定為以照明面中心點O1為中心的橢圓形區域，對該橢圓形區域進行多環帶劃分，然后將各環帶進行網格劃分，運用能量守恒定律建立環帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求相應地進行與網格相等數量的劃分，LED芯片發光經所述入射面及側反射面轉化后為平行光線，將在曲面的入射角度轉化為距中心點距離，之后計算任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區域通過迭代數值計算得出該曲線，然后由得出的這些自由曲線繞Z1軸旋轉360°組成凹形自由曲面形狀；
[0009]所述近光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定如下:
[0010]將光學透鏡的底部平面與LED芯片發光面垂直設置，近光燈的光反射器采用部分橢球面形的光反射器，以光反射器的外側焦點為坐標原點O2建立直角坐標系，以過點O2并平行于光學透鏡的底部平面平行的平面為X2O2Y2平面，過原點O2并與X2O2Y2平面垂直的軸為Z2軸，其中X2O2Y2平面為水平面，在坐標原點02前方距尚2 5米處、與Z2軸交點為02且平行于X2O2Y2平面的平面設為照明面，點02為照明面的中心點，把照明區域設為以照明面的中心點02為圓心的半圓形區域，對該半圓形區域進行多環帶劃分，運用能量守恒定律建立環帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分，光反射器反射的光線經入射面及側反射面轉化為平行光線，將入射角度轉化為距中心點距離，計算任一段自由曲線時先設定初始點，然后運用折射定律反向對應照射區域通過迭代數值計算得出該曲線，然后由得出的自由曲線繞Z2軸旋轉360°組成近光燈用光學透鏡自由曲面形狀。
[0011]進一步的，所述對該橢圓形區域進行多環帶劃分具體包括:按橢圓區域的長半軸a分成η份，然后將短半軸b按長半軸劃分的相同比例分成η份，以apbj表示劃分后長軸a的第j份，j = l?n，然后以照明面中心點01為中心，分別以ai+a2+...+aj-ι,bi+b2+...+bj—1為長短軸做橢圓，然后以ai+a2+...+aj，bi+b2+...+bj為長短軸作橢圓，兩橢圓中心區域為該環帶區域。
[0012]進一步的，所述對該半圓形區域進行多環帶劃分具體包括:首先把半圓形區域的圓半徑r等分成η份，以^表示等分后半徑的第j份，j = l?n，然后以照明面中心點02為圓心，分別以n+r+...+η—!和n+r+...+η為半徑畫圓，將該半圓形區域劃分為半圓形環帶區域。
[0013]進一步的，在所述遠光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定中，所述運用能量守恒定律建立環帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:把出射光線Li與Zi軸正方向的夾角Φ分成η份，有Φ j表示Φ的第j
份，Φ j與所述環帶劃分的-aj和-bj--對應，Φ j-1與Φ j夾角的光通量等于_aj-1、-bj-1與-
aj、_bj表示環帶的能量，把出射光線面上的投影與XJi的夾角Θ分成m份，用θ」表不Θ的第j份，與所述網格劃分的-aj 對應，將i>j和Qj帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于每一小網格區域的能量，算出對應的Φ j和Θ j數值。
[0014]進一步的，在所述近光燈用光學透鏡的凹形自由曲面的形狀確定中，所述運用能量守恒定律建立環帶能量對應立體角能量關系，然后將光源立體角按照明要求進行相等數量的多份劃分具體包括:把出射光線L2與Z2軸正方向的夾角φ7分成η份，用j表不的第j份，j與所述環帶劃分的-rj--對應，i>j-1與i>j夾角的光通量等于rj-ι與rj表示環帶的能量.將Φ、帶入光通量公式，再將每一角度內光通量等于所述每一份圓形環帶區域的能量，算出對應的Φ。數值。進一步的，所述凸型面為以LED為焦點的凸型曲面，將光線準直平行，凸型面寬度L由收集的光線角度β，60° 2β2 30°，。
[0015]進一步的，所述圓柱面的半徑等于凸型面的寬度L，圓柱面將光線偏折至側反射面。
[0016]進一步的，所述側反射面入射光線為經過圓柱面偏折的光線，反射光線為平行光線，根據折射定律，再通過迭代數值計算得出側反射面曲線。
[0017]與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果:
[0018]本發明所提供的技術方案適用于使用LED光源的摩托車前照燈新國家標準，克服了當前LED光源應用于摩托車前照燈時要面臨更加復雜光學設計的問題、解決了現有的摩托車透鏡前照燈存在色溫偏高或者光學效率不高的缺陷、簡便可靠、成熟可行。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例的遠光燈用光學透鏡主視示意圖。
[0020]圖2是圖1中A-A向剖視示意圖。
[0021 ]圖3是本發明實施例的近光燈用光學透鏡主視示意圖。<