[實用新型]用于投射式LED汽車近光燈的自由曲面透鏡

有效

• 申請號: 201320031045.6
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN203082793U
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 王洪;王麗君;陳贊吉;葛鵬
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04;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.用于投射式LED汽車近光燈的自由曲面透鏡，其特征在于該自由曲面透鏡由透明材料制成，自由曲面透鏡由兩個面構成，即入射面和出射面，其中入射面為圓形平面，出射面為自由曲面。

2.根據權利要求1所述的用于投射式LED汽車近光燈的自由曲面透鏡，其特征在于，所述自由曲面的形狀確定如下：

以投射式LED汽車近光燈的橢球反射器的第二焦點為坐標原點建立直角坐標系，以過原點并平行于自由曲面透鏡入射面的平面為XOY平面，以所述自由曲面透鏡厚度方向所在直線為Z軸，在XOY平面選取一條過原點的直線為X軸，由于該自由曲面透鏡是以Z軸為旋轉軸對稱的，所以為了描述的簡潔性，以下的計算選擇在XOZ平面內進行；

目標照明面與所述坐標原點距離為H，且目標照明面根據汽車用LED前照燈的國家標準GB25991-2010分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區，每個區域都有對應的照度要求值，Ⅲ區為眩光區，其最大照度不能超過0.7lx，將橢球反射器的第二焦點發出的光線按照角度θ₁、θ₂、θ₃分為3個部分分別投射到照明面上的除Ⅲ區以外的其他3個區域；

根據所述國家標準的要求給定整個照明面的光分布為P₀，光源的中心光強為I₀，從橢球反射器第二焦點發出的光與Z軸方向夾角為θ₁的那部分光線入射到透鏡后照射在離照明面中心距離為r₁的位置，與Z軸線夾角小于θ₁的那部分光線經透鏡后照射在照明面的位置與照明面中心距離小于r₁，將第一部分光線對應的角度θ₁等分成i份，每一個θ₁在半徑r₁上也相應的分成i份,這樣相應的得到了數組θ₁(i)和數組r₁(i)，那么第一區域出射光和照明面上的照度的能量守恒表達式為：

2π∫0θ1(i)I0cosθsinθ·dθ=2π∫0r1(i)P0·r·dr---(1);]]>

同理，從橢球反射器第二焦點發出的光與Z軸方向夾角為θ₁～θ₂之間的那部分光線入射到透鏡后照射在離照明面中心距離為r₁~r₂的位置，將這部分光線等分成j份，對應每一個角度在半徑上也分成j份，這樣相應的得到了數組θ₂(j)和數組r₂(j)，則該區域出射光和照明面上的照度的能量守恒表達式為：

2π∫θ1θ2(j)I0cosθsinθ·dθ=2π∫r1r2(j)P0·r·dr---(2);]]>

同理，從橢球反射器第二焦點發出的光與Z軸方向夾角為θ₂～θ₃之間的那部分光線入射到透鏡后照射在離照明面中心距離為r₂～r₃的位置，將這部分光線等分成ｋ份，對應每一個角度在半徑上也分成ｋ份，這樣就得到了數組θ₃(k)和數組r₃(k)，可得該區域出射光和照明面上的照度的能量守恒表達式為

2π∫θ2θ3(k)I0cosθsinθ·dθ=2π∫r2r3(k)P0·r·dr---(3);]]>

通過上述三個表達式，分別得到各區域半徑與出射光角度之間的關系式如下：

r1(i)=I0P0·sin2θ1(i)---(4)]]>

r2(j)=I0P0·(sin2θ2(j)-sin2θ1)+r12---(5)]]>

r3(k)=I0P0·(sin2θ3(k)-sin2θ2)+r22---(6);]]>

由折射定律得出所述自由曲面上點的法向量，利用這個法向量得到切平面，通過確定切平面與下一點的經過透鏡入射面折射后入射到自由曲面上的光線的交點得到自由曲面上點的坐標，由前一點的切平面與下一點的法向量所在的直線相交得到下一點，通過迭代得到自由曲面在坐標平面上的曲線各點的坐標，將得到的點坐標擬合成曲線后，繞Z軸旋轉360°即得到最終的透鏡自由曲面。

3.根據權利要求2所述的用于投射式LED汽車近光燈的自由曲面透鏡，其特征在于，

設置自由曲面透鏡入射面與橢球反射器第二焦點的距離f＝10mm，則自由曲面透鏡入射面根據折射定律有：

sinθsinθ′=n′n---(7)]]>

光線從空氣入射到自由曲面介質中，空氣的折射率為n=1，而自由曲面透鏡使用材料PMMA制成，折射率n′=1.4935；θ為入射光線的角度即從橢球反射器第二焦點發出的光與Z軸方向夾角，θ′為折射光線的角度即經過自由曲面透鏡入射面后折射的光與Z軸方向夾角，入射光線與自由曲面透鏡入射面的交點坐標值為(f·tan(θ),f),且折射光線的斜率值為cot(θ′)，利用點斜式即可得到折射光線的方程；

光線在經過自由曲面透鏡的出射面時又發生折射，折射定律的矢量形式表示為

[1+n2-2n(Out→·In→)]1/2·N→=Out→-n·In→---(8),]]>

其中：n為自由曲面介質折射率，為入射光線單位向量，為出射光線單位向量，為自由曲面在光線入射點的單位法向量；

在確定自由曲面形狀時，首先確定一個初始點，該初始點設置在Z軸上，數值大小為自由曲面透鏡的厚度h與透鏡入射面與橢球反射器第二焦點的距離f的和，即初始點的坐標為（0，h+f）；設入射光線與自由曲面透鏡入射面的交點A坐標為（x′,f)，光線經過入射面折射后照射到自由曲面上的點B坐標為(x,z),光線經過透鏡折射后投射到照明面上的點C坐標為(r,H)，其中H=25m，r根據能量守恒定律由式（4）、（5）、（6）決定；于是能得到入射光線與出射光線的單位向量，再利用折射定律（式8）即得到B點的法向向量，從而確定該點的切平面，該切平面與下一點的經過入射面折射后入射到自由曲面上的光線相交從而確定自由曲面的下一點；由前一點的切平面與下一點的法向量所在的直線相交得到下一點，通過機迭代即得到各點的坐標；將得到的點坐標擬合成曲線后，繞Z軸旋轉360°即得到最終的透鏡自由曲面。