[发明专利]用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜

权利要求书

1.用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于所述透镜的内侧是一圆柱状空腔，圆柱状空腔底部为开口，开口供LED进入并安装于该空腔内；透镜包括入射面及出射面，透镜的内侧是入射面，入射面由空腔顶部的平面和腔壁的柱面构成；透镜外侧顶部的自由曲面和圆环平面构成所述出射面，透镜外侧的侧面为全反射自由曲面；LED光源中心部分的光经过透镜时，在透镜内侧腔顶的平面和透镜外侧顶部的自由曲面发生两次折射，再出射到照明面上；LED光源外围部分的光经过透镜时，先在透镜内侧腔壁的柱面入射面进行折射，再在透镜外侧的侧面的全反射自由曲面上发生全反射，接着又在透镜外侧顶部的圆环平面出射面产生折射，最后出射到照明面上。

2.根据权利要求1所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于透镜的自由曲面形状确定如下：

以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴，其中平面XOZ为水平面，与Z轴交点为o，且平行于平面XOY的平面为照明面，点o为照明面的中心点；根据摩托车前照灯远光灯在照明面上照度分布特征，把照明面上的照明区域设定为以照明面中心点为圆心的圆形区域，然后对该圆形区域进行环带划分成n等份，根据能量守恒定律对光源立体角划分成n等份，最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。

3.根据权利要求2所述用于LED摩托车远光灯的自由曲面光学透镜，其特征在于透镜的形状确定如下：

（1）目标照明面距LED的距离为d，对于远光灯，目标照明区域是圆形，其半径为r；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；该光学透镜关于Z轴旋转轴对称，以XOZ所在平面来确定，对照明面的坐标进行离散化，首先把圆半径r等分成n份，r_i表示等分后半径r的第i份，其中，0≤i≤n；然后同样以照明面中心点为圆心，分别以r_i为半径画圆，将照明区域划分为圆形环带区域；在目标照明区域上，每一份圆形环带区域的能量为：

EQ=E·ki·2·π·∫ri-1rirdr]]>

式中，E·k_i表示照度值，根据国标GB5948-1998要求，常量E为预设照度值，结合变量k_i用来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，其中，0≤k(i)≤1；k_i的取值大小需根据照明面上照度要求设定，对于最亮区域k_i的取值范围为0.9 - 1，对于边缘区域k_i的取值范围为0 - 0.1；

（2）对应于目标照明区域的环带划分，将光源中心部分的立体角进行离散化，即把分成n份，表示的第i份，与r_i一一对应；在光线射入透镜之前，每一份角度内光源的光通量为：

，

同样，将光源外围部分的立体角进行离散化，把分成n份，表示的第n份，与r_i一一对应，在光线射入透镜之前，每一份角度内光源的光通量为：

根据能量守恒有：

E_Q＝E_c＋E_l，

联合上述各式，得到对应的和；

（3）由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切线，通过求切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律的矢量形式表示为：

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

其中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量，n为透镜折射率；

先确定的是透镜的计算初始点，初始点的确定如下：设初始点的值为0°，选取透镜内侧的空腔顶部平面高度，该平面的高度决定了整个透镜的尺寸，根据这个平面的高度选取合适的透镜厚度；由这两个初始值进行计算可得到第一直线和第一自由曲线，这两条线段在XOZ平面上，第一直线表示的是透镜内侧空腔顶部的平面在XOZ平面上的直线，第一自由曲线表示的是透镜外侧顶部的自由曲面在XOZ平面上的曲线，且该第一直线和第一自由曲线的最后一个点对应的值都为60°；

接着计算透镜的外围部分，同样在XOZ平面上，过第一直线的最后一个点作与第一直线垂直的第二直线，第二直线与X轴相交，交点值的大小即为透镜内侧空腔的口径大小，此点对应的值为90°，该第二直线表示的是透镜内侧腔壁的柱面在XOZ平面上的直线；过第一自由曲线最后一个点作与X轴平行的第三直线，该第三直线表示的是透镜外侧的顶部圆环平面在XOZ平面上的直线；透镜外围部分自由曲面初始点的值设为90°，通过计算可得到一条位于XOZ平面上的第二自由曲线，该第二自由曲线表示的是透镜外侧的全反射自由曲面的自由曲面在XOZ平面上的曲线；

（4）将得到的离散点坐标分别导入到机械建模软件，拟合成五条位于XOZ平面上的线段，其中三条为直线，两条为自由曲线；使这五条线段合为一条连续的分段曲线，然后使该曲线绕Z轴旋转360°，即得透镜的形状。