[发明专利]LED汽车近光灯光学透镜

说明书

技术领域

本发明涉及LED车灯领域，具体涉及用于LED汽车前照灯照明的近光灯光学透镜。

背景技术

与传统的前照灯光源相比，发光二极管(LED)具有寿命长、体积小、响应快、耗电量低、色温更接近自然光、抗震能力强和高效节能等优点。近年来，随着半导体材料及封装工艺的发展，大功率白光LED的光通量得到了快速提高，使LED在汽车照明领域的应用也在逐渐扩大，从信号指示灯到现在的汽车前照灯，这反映了一种主流的发展趋势：LED将逐渐取代传统的白炽灯和卤钨灯，成为汽车照明领域的新型光源。由于目前LED汽车前照灯系统存在系统的光效低，散热设计不完善及远近光切换不方便等问题，使LED应用于汽车前照灯面临诸多的困难。

在汽车前照灯的设计上，国家标准GB25991-2010对汽车前照灯的配光图形做了规定，目的是防止汽车前照灯干扰对面驶来车辆而造成交通事故。对近光灯来说，要求在车灯前25m远的照明面上产生一水平线和水平线右侧向上15°的明暗截止线。近光照明面可分为四个区域：ZONE I为具有较大扩散、均匀度良好的基底配光，满足整个路面范围内的最低照明需求；ZONE II、III、IV为具有光能量较为集中、射程较远的中心配光，满足本车道和右边路面(以车辆右行标准为例)较远处的照明需求。在I，II，III和IV区内，应无影响良好可见度的横向照度变化。对远光灯来说，则要求在车灯前25m远的照明面上的规定区域照度达标。

LED前照灯的光学设计形式有折射式、反射式和混合式3种。折射式LED前照灯模块通常由光源、配光透镜构成，从光源发出的光线经过配光透镜后，在接受屏上达到预定的光型，通过透镜的配光，可以有效的减小眩光效应，而且光学系统也具有较高的能量利用率；反射式LED前照灯一般由光源与反射器构成，用单一的反射器完成所有的配光任务，这种前照灯虽然光能利用率高，但眩光效应较难控制，对设计、加工过程要求极高；混合式LED前照灯融折射式、反射式优点于一体，可以形成很好的光型效果，但在近光灯设计时还需加上挡板，整个光学系统复杂，光能利用率较低。

发明内容

针对LED前照灯设计面临的主要问题，本发明提供了一种LED汽车近光灯光学透镜，该透镜体积小，眩光效应低，光能利用率高，安装方便，并能产生满足国标GB25991-2010的配光要求的光型和照度分布。本发明采用如下技术方案：

一种用于LED汽车照明的自由曲面透镜由透明材料制成，透明材料可为PC或PMMA，透镜包括入射面及出射面。所述透镜的底面中心设有一供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是部分球面，另一部分是部分柱面，部分柱面的顶部是自由曲面，构成所述的入射面；部分球面、部分柱面的外侧面分别是两个不同的自由曲面，透镜的顶面是平面，透镜的顶部平面和部分球面外侧面的自由曲面构成所述的出射面。

自由曲面透镜的形状的确定如下：

LED光源为坐标原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面垂直XOY的轴为z轴。首先对光源立体角进行划分，然后根据汽车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征(如GB25991-2010)，运用能量守恒定律，把照明面上的照明区域进行环带划分，然后运用折反射定律通过数值计算即得到最后的自由曲面透镜。

所述的构成透镜的自由曲面有三个，具体确定如下：

1.设定初始条件并对光源立体角均匀划分。

首先目标照明面与LED的距离为d，对于近光灯，目标照明区域是部分椭圆，其长半轴为a，短半轴为b，并在水平线上方存在与水平线成15°的照明区域；LED光源的总光通量为Q，中心光强为I₀＝Q/π。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，为出射光线与Z轴正方向的夹角。对光源的立体角进行离散化，把等分成i份，对于每一个都将θ等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了和θ(i，j)的数组。i，j取值的大小决定了计算的精确度，理论上而言，i，j的取值越大最后的结果越精确。

以每一份角内的每一份θ角内光源的能量为研究对象，每一小份立体角内的光通量为：

需要注意的是在计算部分球面的外侧面的自由曲面时的取值范围为而在计算部分柱面的顶部的自由曲面、部分柱面的外侧面的自由曲面时对应的的取值范围分别为0～ω，其中ω的值影响透镜底部口径的大小。

2.利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分