[發明專利]用于LED摩托車遠光燈的自由曲面光學透鏡

無效

• 申請號: 201210237905.1
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN102777856A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 黃華茂;陳贊吉;鐘炯生;王洪
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;F21W101/027;F21W101/10;F21Y101/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

1.用于LED摩托車遠光燈的自由曲面光學透鏡，其特征在于所述透鏡的內側是一圓柱狀空腔，圓柱狀空腔底部為開口，開口供LED進入并安裝于該空腔內；透鏡包括入射面及出射面，透鏡的內側是入射面，入射面由空腔頂部的平面和腔壁的柱面構成；透鏡外側頂部的自由曲面和圓環平面構成所述出射面，透鏡外側的側面為全反射自由曲面；LED光源中心部分的光經過透鏡時，在透鏡內側腔頂的平面和透鏡外側頂部的自由曲面發生兩次折射，再出射到照明面上；LED光源外圍部分的光經過透鏡時，先在透鏡內側腔壁的柱面入射面進行折射，再在透鏡外側的側面的全反射自由曲面上發生全反射，接著又在透鏡外側頂部的圓環平面出射面產生折射，最后出射到照明面上。

2.根據權利要求1所述用于LED摩托車遠光燈的自由曲面光學透鏡，其特征在于透鏡的自由曲面形狀確定如下：

以LED光源為坐標原點O建立坐標系，LED底面所在平面為XOY平面，過原點并與平面XOY垂直的軸為Z軸，其中平面XOZ為水平面，與Z軸交點為o，且平行于平面XOY的平面為照明面，點o為照明面的中心點；根據摩托車前照燈遠光燈在照明面上照度分布特征，把照明面上的照明區域設定為以照明面中心點為圓心的圓形區域，然后對該圓形區域進行環帶劃分成n等份，根據能量守恒定律對光源立體角劃分成n等份，最后運用折反射定律通過數值計算即得到反射器的自由曲面。

3.根據權利要求2所述用于LED摩托車遠光燈的自由曲面光學透鏡，其特征在于透鏡的形狀確定如下：

（1）目標照明面距LED的距離為d，對于遠光燈，目標照明區域是圓形，其半徑為r；LED光源的總光通量為Q，中心光強為I₀＝Q/π，坐標系中θ為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角，為出射光線與Z軸正方向的夾角；該光學透鏡關于Z軸旋轉軸對稱，以XOZ所在平面來確定，對照明面的坐標進行離散化，首先把圓半徑r等分成n份，r_i表示等分后半徑r的第i份，其中，0≤i≤n；然后同樣以照明面中心點為圓心，分別以r_i為半徑畫圓，將照明區域劃分為圓形環帶區域；在目標照明區域上，每一份圓形環帶區域的能量為：

EQ=E·ki·2·π·∫ri-1rirdr]]>

式中，E·k_i表示照度值，根據國標GB5948-1998要求，常量E為預設照度值，結合變量k_i用來控制照明面上指定區域的照度值大小，用以形成預定的照度分布，其中，0≤k(i)≤1；k_i的取值大小需根據照明面上照度要求設定，對于最亮區域k_i的取值范圍為0.9?-?1，對于邊緣區域k_i的取值范圍為0?-?0.1；

（2）對應于目標照明區域的環帶劃分，將光源中心部分的立體角進行離散化，即把分成n份，表示的第i份，與r_i一一對應；在光線射入透鏡之前，每一份角度內光源的光通量為：

，

同樣，將光源外圍部分的立體角進行離散化，把分成n份，表示的第n份，與r_i一一對應，在光線射入透鏡之前，每一份角度內光源的光通量為：

根據能量守恒有：

E_Q＝E_c＋E_l，

聯合上述各式，得到對應的和；

（3）由折反射定律求出所述曲面上點的法向量，利用這個法向量求得切線，通過求切線與入射光線的交點得到曲線上點的坐標，折反射定律的矢量形式表示為：

[1+n2-2·n·(Out→·In→)]12·N→=Out→-n·In→]]>

其中，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為單位法向量，n為透鏡折射率；

先確定的是透鏡的計算初始點，初始點的確定如下：設初始點的值為0°，選取透鏡內側的空腔頂部平面高度，該平面的高度決定了整個透鏡的尺寸，根據這個平面的高度選取合適的透鏡厚度；由這兩個初始值進行計算可得到第一直線和第一自由曲線，這兩條線段在XOZ平面上，第一直線表示的是透鏡內側空腔頂部的平面在XOZ平面上的直線，第一自由曲線表示的是透鏡外側頂部的自由曲面在XOZ平面上的曲線，且該第一直線和第一自由曲線的最后一個點對應的值都為60°；

接著計算透鏡的外圍部分，同樣在XOZ平面上，過第一直線的最后一個點作與第一直線垂直的第二直線，第二直線與X軸相交，交點值的大小即為透鏡內側空腔的口徑大小，此點對應的值為90°，該第二直線表示的是透鏡內側腔壁的柱面在XOZ平面上的直線；過第一自由曲線最后一個點作與X軸平行的第三直線，該第三直線表示的是透鏡外側的頂部圓環平面在XOZ平面上的直線；透鏡外圍部分自由曲面初始點的值設為90°，通過計算可得到一條位于XOZ平面上的第二自由曲線，該第二自由曲線表示的是透鏡外側的全反射自由曲面的自由曲面在XOZ平面上的曲線；

（4）將得到的離散點坐標分別導入到機械建模軟件，擬合成五條位于XOZ平面上的線段，其中三條為直線，兩條為自由曲線；使這五條線段合為一條連續的分段曲線，然后使該曲線繞Z軸旋轉360°，即得透鏡的形狀。