[发明专利]一种汽车前照灯光学系统

权利要求书

1.一种汽车前照灯光学系统，包括LED光源、反射部分和透镜，其特征在于：所述反射部分包括位于LED光源上方的第一反射镜、位于第一反射镜下方的反射板、位于反射板前方的挡板和位于挡板前面下方的第二反射镜；所述第一反射镜包括把LED光源光线汇聚反射到透镜的第一主反射镜以及把LED光源光线汇聚反射到第二反射镜进而反射到透镜的第一辅反射镜；通过挡板后方的反射板把被挡板遮挡的部分光线二次反射到透镜，以得到具有明暗截止线的近光灯光型；

所述第一反射镜呈椭球形，所述LED光源以与光轴垂直的方式设置在椭球的第一焦点处，所述第一反射镜为椭球形上半部分并且截至于第二焦点处；

所述挡板设置在椭球形第一反射镜的第二焦点处，所述挡板左侧为水平的直线，右侧为一条向上成45°斜线至水平线垂直距25cm转向水平的折线；

所述透镜的自由曲面设计方法：

汽车近光灯的光型可以分为四个区域，第一区域、第二区域、第三区域、第四区域，每个区域都有相应的照度要求值，第三区域为眩光区，其最大照度不能超过0.7lux，在设计自由曲面透镜时将从椭球第二焦点发出的光线按照角度分为三个部分分别投射到配光屏幕上的除第三区域外的其他三个区域，这样就可以形成特定的光线分布情况；

经过区域划分之后，根据能量守恒定律可以建立经过椭球第一反射镜后的能量与照射到配光屏幕的能量的关系等式：

设给定光分布为P₀，光源的中心光强为I₀，考虑与LED光源法向方向夹角为θ₁的光线的方向的光入射到的配光屏幕距LED光源法向方向距离为r₁的位置，与轴线夹角小于θ₁的光入射的位置坐标也小于r₁，将第一部分光线θ₁等分成i份，对应每一个θ₁在距离为r₁的位置上都分成了i份，这样就得到了数组θ₁(i)和r₁(i)，那么第一区域出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为：

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_1\left(i\right)}{I}_{0}cos\mathrm{\θ}sin\mathrm{\θ}\·d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{r_1\left(i\right)}{P}_0\·r\·dr---\left(1\right)$

角度为θ₁～θ₂之间的光线入射到配光屏幕的距离为r₁～r₂的位置，将这部分光线等分成j份，对应每一个角度在半径上都分成了j份，则出射光和屏幕上的照度的能量守恒表达式为：

$2\mathrm{\π}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_2\left(j\right)}{I}_{0}cos\mathrm{\θ}sin\mathrm{\θ}\·d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_{r_1}^{r_2\left(j\right)}{P}_0\·r\·dr---\left(2\right)$

同理，可得第三区域能量守恒表达式为：

$2\mathrm{\π}{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_2}^{{\mathrm{\θ}}_3\left(k\right)}{I}_{0}cos\mathrm{\θ}sin\mathrm{\θ}\·d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_{r_2}^{r_3\left(k\right)}{P}_0\·r\·dr---\left(3\right)$

通过这三个表达式，可以分别得到各区域半径与出射光角度之间的关系式如下：

$r_1\left(i\right)=\sqrt{\frac{I_0}{P_0}\·{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\left(i\right)}---\left(4\right)$

$r_2\left(j\right)=\sqrt{\frac{I_0}{P_0}\·\left({\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2\right(j)-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1)+r_1^2}---\left(5\right)$

$r_3\left(k\right)=\sqrt{\frac{I_0}{P_0}\·\left({\sin }^2{\mathrm{\θ}}_3\right(k)-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2)+r_2^2}---\left(6\right)$

根据椭球第一反射镜的特性，光源位置在第一反射镜第一焦点时，光线将从第一反射镜的第二焦点处射出，因而可将第二焦点出射的光线看作是一点光源出射，以椭球第一反射镜的第二焦点为原点建立坐标系，设置透镜的后截距f＝15mm，自由曲面透镜有两个面，第一面为一柱面，第二面为自由曲面，在第一面应用折射定律：

$\frac{sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{sin\θ}}^{\′}}=\frac{n^{\′}}{n}---\left(7\right)$

光线从空气入射到自由曲面介质中，空气的折射率为n＝1，而自由曲面透镜使用材料PC制成，折射率n'＝1.591，第一折射点A点坐标值可求得为(f·tan(θ),f)，且折射光线AB的斜率值为cot(θ')，利用点斜式即可得到AB的直线方程；

光线在经过自由曲面透镜第二面时发生折射，折射定律的矢量形式可表示为：

其中：n为自由曲面介质折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在光线入射点的单位法向量；在计算第二面面型时，首先确定一个计算的初始点，设光线经过第一面折射后入射到自由曲面上的点B坐标为(x,z)，光线经过透镜折射后投射到屏幕上的点C坐标为(r,H)，其中H＝25m，r根据能量守恒定律由式(4)、(5)、(6)决定；于是，入射光线AB与出射光线BC的单位向量均可求得，再利用折射定律式(8)即可得到B点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与下一点的经过第一面折射后入射到自由曲面上的光线相交从而确定自由曲面的下一点；由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交得到下一点，通过计算机迭代即可得到各点的坐标，从而确定了自由曲面上的每个点的坐标；

r为光线照射位置距LED光源法向方向的距离，θ为光线与LED光源法向方向的夹角，θ₁(i)为将角度θ₁等分后第i份对应光线与LED光源法向方向的夹角，r₁(i)为与LED光源法向方向夹角为θ₁(i)的光线照射位置与LED光源法向方向的距离，θ₂(j)为将角度θ₂等分后第j份对应光线与LED光源法向方向的夹角，r₂(j)为与LED光源法向方向夹角为θ₂(j)的光线照射位置与LED光源法向方向的距离，θ₃(k)为将角度θ₃等分后第k份对应光线与LED光源法向方向的夹角，r₃(k)为与LED光源法向方向夹角为θ₃(k)的光线照射位置与LED光源法向方向的距离,k表示将第三部分光线θ₃等分后的第k份，n'表示透镜的折射率，θ'表示光线经过透镜折射后与入射点处法向方向的夹角，H表示LED光源距离目标照射面的距离。