[发明专利]一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光学透镜领域，具体涉及一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法。

背景技术

半导体照明被公认为新一代的绿色照明光源。2007年起，美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展LED照明成为全球产业的焦点。LED有许多优点，首先是潜在高光效。根据LED的光谱，可以计算出LED的辐射光效理论上可以达到为350—370Lm／W左右。另外，LED还具有体积小、寿命长、无汞害、高节能、光谱窄、开关时间短等优点。LED的这些优点，使其得到了广泛的运用。在视觉领域，LED已被大量运用于显示屏、建筑照明、装饰照明、信号照明和汽车照明等。在非视觉领域，LED已开始被用于农作物补光研究、创伤治疗的研究等。

大功率LED已经被大量运用于汽车照明中。汽车前照灯是汽车车灯中结构和功能最为复杂的灯具，无论设计、制造等方面，都可以代表整台汽车的照明技术。LED的综合性能在这里得到了充分体现：LED的色温高，更接近于日光水平；LED约十万小时的寿命，降低了维修维护费用并提高安全性；LED的小尺寸可以为设计提供便利，更容易增加个性造型。目前，LED已经在汽车照明的多个方面取得了广泛应用，被汽车行业和照明行业公认为车灯光源市场的发展趋势。

目前出现的前照灯多采反射式曲面进行配光。本发明提供了一种配合LED前照灯获得近光光斑的自由曲面透镜的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜的设计方法。实现本发明的技术基础是自由曲面加工检测技术和透镜注塑成型技术。汽车前照灯近光光斑一般有两种类型。在轮廓如图8所示的配光测试屏上，要求光源产生明显的明暗截止线。第一种光斑其水平部分在V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线。第二种光斑明暗截止线水平部分也在V-V线左侧，右侧为向上成45°的斜线至水平线垂直距离25cm转向水平的折现。

本发明提出的获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线，具体设计步骤如下：

(1)对近光光斑进行区域划分，将近光光斑划分为多个区域。划分时以光斑测试屏中心为起点，以V-V线上半部为起始线沿逆时针旋转，将起始线转过270°所辖的区域划分为一个区域，该区域为矩形区域的四分之三部分，接下来把剩下的90°区域划分为多个三角形区域和四边形区域，并把划分得到的三角区域和四边形区域还原成矩形区域，然后确定还原矩形区域的尺寸和转过的角度；

(2) 根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程，对于该单自由曲面，其过程如下：

设一束光从空间点光源                                                发出的光入射到某光学表面的点上，后折射或反射到目标面上。设入射光单位矢量，出射光单位矢量及法向矢量,当光经过的介质的折射率为n时，则三者满足斯涅耳折射定律：

           （1）

光学面一点到原点的距离认为控制在毫米级别，可以认为透镜的大小忽略不计，即，这样，任意一条照射到受照面上的光线都可以认为由原点直接出发的，所以有：

           （2）

由上式可知，出射光线由受照面上的点唯一确定。当光源置于原点时则有：

           （3）

光源空间光能量空间分布与照度面上的照度对应关系的如下所示：

           （4）

其中：I为光强，E为照度，ds为面积微元，为立体角微元。将光源球表面划分为经线和纬线方向，利用上述方程分别建立对应关系。假设直角坐标系（）与球坐标()的关系为：

            （5）

设入射光线、折射光线、出射光线分别为：。令出射光线照在受照面点上，则有：

       （6）

设所求自由曲面为z=z(x,y)，令F（x,y,z）=z(x,y)-z，综合前面多个式子，可以求出入射光线、折射光线和出射光线发生折射处的法矢分别为N₁、N₂，根据矢量形式的折射定律有：

          （7）

则N₁中：

      （8）