[實用新型]一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡

有效

• 申請號: 201720888533.7
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN207034989U
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 王洪;葛鵬;羅蝶
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F21V5/04
• 分類號: F21V5/04
• 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

1.一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：透鏡上下兩個面都是自由曲面，第一個自由曲面為入射面，替換單自由曲面中的入射平面，第二個自由曲面為出射面，從芯片發出的光線經過兩個自由曲面的矯正達到目標平面上，每個自由曲面都能靈活的對光線進行矯正，使照明光斑更加均勻，且曲面的外觀圓滑。

2.根據權利要求1所述的一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：雙自由曲面透鏡的外形結構為凹凸形，第一個自由曲面向透鏡內部凹，第二個自由曲面向外凸，整個透鏡是由球面透鏡中的正負透鏡組合而成的膠合透鏡。

3.根據權利要求1所述的一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：在相同尺寸下，雙自由曲面透鏡比單透鏡的光效利用率更高，且透鏡的菲涅耳損失更低，雙自由曲面入射面為自由曲面，而非單自由曲面的平面，所以在光源利用角度相同時，曲面的長度更短，而在尺寸相同時，雙自由曲面透鏡的光能利用角度更大。

4.根據權利要求1所述的一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：雙自由曲面透鏡能使透過的光線色溫穩定，光斑均勻，透鏡的外形結構為凹凸形，第一個自由曲面向透鏡內部凹，第二個自由曲面向外凸，整個透鏡是由球面透鏡中的正負透鏡組合而成的膠合透鏡，所以在光線通過雙自由曲面時，不會出現明顯的色散，能很好的穩定光斑的色溫，光斑不會出現明顯的偏藍或偏黃現象，且兩個自由曲面都參與光線矯正，做到芯片的出光角度和目標平面的映射關系更加準確，使照明面上的照度設定值與實際照明值更接近，光斑更均勻。

5.根據權利要求1所述的一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：透鏡的上下兩個面為雙自由曲面，兩者間的過渡面為圓柱面，圓柱面可以方便的與支架相連，方便透鏡的定位，且不會影響光學效果。

6.根據權利要求1所述的一種LED汽車遠光燈的雙自由曲面光學透鏡，其特征在于：根據國家標準中對汽車燈遠光燈照度值的分布要求，設定利用多大角度的芯片出光角，在照明面上確定一個以中心點為中心的橢圓形區域，將橢圓形區域進行環形劃分，即將橢圓區域劃分成n份同心橢圓環，設定橢圓環區域內的照度值，計算出芯片的出光角度和目標照明面的映射關系，由映射關系即得出從芯片發出的光線的矯正角度，預先設定第一個自由曲面和第二個自由曲面的角度矯正比，根據角度矯正比，可確定第一自由曲面和第二自由曲面各自的矯正角度，即可確定兩個自由曲面的出射光線，利用迭代計算公式計算出第一個自由曲面上的點，用第一個自由曲面上的點作為入射光線的起始點，再用迭代公式計算出第二個自由曲面上的點，將兩個曲面上的點導入到三維軟件中，即可得到透鏡實體；

入射面為自由曲面，第一個自由曲面形狀的確定如下；以LED光源發光面的中心點為坐標原點O建立直角坐標系，LED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，其中XOZ平面為水平面，與Z軸交點為o，且平行于XOY平面的平面為照明面xoy平面，點o為照明面的中心點；照明面上的光能分布是由多個LED光源發光的疊加來實現的；首先根據汽車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中心的橢圓形區域，然后對該橢圓形區域進行網格劃分，再運用能量守恒定律對光源立體角進行劃分，最后運用折射定律通過數值計算即得到透鏡的自由曲面，自由曲面形狀具體確定如下：首先目標照明面距LED的距離為d＝25m,芯片的中心點為O，芯片所在的平面為XOY平面，照明面所在的中心點為o，照明面所在的平面為xoy平面，設定其目標照明區域是橢圓形，橢圓長半軸為a，短半軸為b；對照明面的坐標進行環形劃分，首先把橢圓長半軸a和短半軸b分別等分成n份，a_i和b_i分別表示等分后長半軸a的第i份和短半軸b的第i份，其中0＜i≤n；然后以照明面中心點為中心，分別以a_i為長半軸、b_i為短半軸畫橢圓，則將照明區域劃分為n份橢圓形環帶區域；再將角α等分成m份，0≤α≤360°，α_j表示等分后α的第j份；在照明面上，以點o為端點，與X軸的夾角為α_j的射線束將每一份橢圓形環帶區域再細分為m份；這樣，目標照明區域被劃分成m×n個小格子，每一個小格子內的能量為：

Eb=E·ki·∫αj-1αj12·(ai2·bi2cos2α·bi2+sin2α·ai2-ai-12·bi-12cos2α·bi-12+sin2α·ai-12)dα]]>

式中，α為照明面上任意一點和點o的連線與x軸的夾角，E·k_i表示照度值，根據國標GB25991-2010要求，故設置常量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，根據國家標準中對不同區域照度值的不同，設置合適的系數，使光斑照度值既能滿足標準要求，又使光斑均勻，不同區域間照度值過渡平滑，沒有明顯的明暗分界；按芯片的總光通量和芯片的光強分布，設定芯片的光能利用角，再將光能立體角分解為直角坐標系角度，其中為出射光線與Z軸正方向的夾角，θ為出射光線在XOY平面上的投影與X軸的夾角，接著再將角度劃分，即把角分成n份，表示的第i份，與a_i和b_i對應；把角θ分成m份，θ_j表示θ的第j份，θ_j與α_j對應；在反射前，每一份角度內光源的光通量為：

Ed=∫θj-1θj∫φi-1φiI0·cosφ·sinφdφdθ,]]>

根據能量守恒原理，可得

E_b＝E_d，

由上面兩式，計算出目標照明面上各個格點相對應的和θ_j，即光線的出光角度和目標平面的映射關系；設定第一個自由曲面和第二個自由曲面的角度矯正比為U:V，即設定兩個自由曲面各自的矯正角度,可得出經過第一個自由曲面后的出射光線的角度，如已知入射光線的角度為則出射光線的角度為系數C的計算公式為

C＝V/(U+V)

進而得出第一個自由曲面的入射光線和出射光線的對應關系；為了計算出自由曲面上所有點的坐標，先設定一個起始點和固定角θ的值，即確定芯片中心點與透鏡底面中心點的距離，初始點確定后，由折射定律求出初始點的法向量，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第二個點的坐標，折射定律的矢量形式可表示為：

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；通過此迭代計算公式，可依次計算出曲線上其他的點，由此可得到一條完整的自由曲線；通過分別固定不同的角θ的值，并改變角的值，便得到自由曲面出射面上的一系列自由曲線，最后由這些自由曲線組成透鏡的第一個自由曲面。