[发明专利]一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法

权利要求书

1.一种获得LED前照灯近光光斑的自由曲面透镜设计方法，所述近光光斑的水平部分位于V-V线的左侧，右侧为与水平线成15°的斜线，其特征在于具体设计步骤如下：

(1)对近光光斑进行区域划分，将近光光斑划分为多个区域；划分时以光斑测试屏中心为起点，以V-V线上半部为起始线沿逆时针旋转，将起始线转过270°所辖的区域划分为一个区域，该区域为矩形区域的四分之三部分，接下来把剩下的90°区域划分为多个三角形区域和四边形区域，并把划分得到的三角区域和四边形区域还原成矩形区域，然后确定还原矩形区域的尺寸和转过的角度；

(2) 根据LED光源外围球表面的能量辐射分布和矩形光斑的区域对应及斯涅耳折射定律列写偏微分方程，对于该单自由曲面，其过程如下：

设一束光从空间点光源                                                发出的光入射到某光学表面的点上，后折射或反射到目标面上；设入射光单位矢量，出射光单位矢量及法向矢量,当光经过的介质的折射率为n时，则三者满足斯涅耳折射定律：

           （1）

光学面一点到原点的距离认为控制在毫米级别，认为透镜的大小忽略不计，即，这样，任意一条照射到受照面上的光线都认为由原点直接出发的，所以有：

           （2）

由上式可知，出射光线由受照面上的点唯一确定；当光源置于原点时则有：

           （3）

光源空间光能量空间分布与照度面上的照度对应关系的如下所示：

           （4）

其中：I为光强，E为照度，ds为面积微元，为立体角微元；将光源球表面划分为经线和纬线方向，利用上述方程分别建立对应关系；假设直角坐标系（）与球坐标()的关系为：

            （5）

设入射光线、折射光线、出射光线分别为：；令出射光线照在受照面点上，则有：

       （6）

设所求自由曲面为z=z(x,y)，令F（x,y,z）=z(x,y)-z，求出入射光线、折射光线和出射光线发生折射处的法矢分别为N₁、N₂，根据矢量形式的折射定律有：

          （7）

则N₁中：

      （8）

N₂为（0，0，1），结合前面的式子（7），得到入射光线矢量和出射光线的矢量关系；接下来以（4）式为基础，通过经纬网格能量映射，得出射点的坐标可由入射光线唯一确定，然后综合前面的式子可得到z=z(x,y)函数的数值解；

(3)根据划分光斑的尺寸设置偏微分方程的初始条件，再利用MATLAB解方程组；

(4)将得到的点云解集导入Rhino和Imageware中进行处理，得到完整的曲面；然后再将得到的完整曲面导入Tracepro中进行延伸、切割、旋转和组合，得到方形透镜，然后加上全反射外围；全反射外围为抛物面或椭球面，根据设计经验进行合理选择；

(5)将所使用的LED模型导入Tracepro中，设置透镜的参数和追迹的条件以进行光线追迹，对追迹的结果进行分析并修正透镜中心和LED光源之间的距离。