[实用新型]一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜

权利要求书

1.一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜，其特征在于：透镜上下两个面都是自由曲面，第一个自由曲面为入射面，替换单自由曲面中的入射平面，第二个自由曲面为出射面，近光灯的芯片放置于椭球反射杯的一个焦点处，挡板放在另一个焦点处，透镜放置于挡板之前，芯片发出的光经反射杯的聚光作用后，从另一个焦点射出，由于挡板的作用，杂散光被遮挡住，聚合的光经过透镜的矫正打在照明面上，每个自由曲面都可以灵活的对光线进行矫正，使照明光斑更加均匀，且曲面外观圆滑。

2.根据权利要求1所述的一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜，其特征在于：透镜的外形结构为凹凸形，第一个自由曲面向透镜内部凹，第二个自由曲面向外凸，整个透镜是由球面透镜中的正负透镜组合而成的胶合透镜由于挡板的作用，光斑会形成一水平线和水平线右侧向上15°的明暗截止线，且两个自由曲面都参与光线矫正，从焦点发出的光线的出光角度和目标平面的映射关系更加准确，无杂散光，截止线更加清晰且无色散现象。

3.根据权利要求1所述的一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜，其特征在于：透镜的上下两个面为自由曲面，两者间的过渡面为圆柱面，圆柱面能与支架相连。

4.根据权利要求1所述的一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜，其特征在于：入射面为自由曲面，其曲面的形状确定如下；

以投射式LED汽车近光灯的椭球反射器的第二焦点为坐标原点建立直角坐标系，以过原点并平行于自由曲面透镜入射面的平面为XOY平面，垂直于芯片发光面的方向为Y轴，以所述自由曲面透镜厚度方向所在直线为Z轴；目标照明面在坐标原点前方25m处，照明面所在平面为xoy平面，照明面的中心为o点；目标照明面根据汽车用LED前照灯的国家标准(GB25991-2010)分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，每个区域都有对应的照度要求值，设定其目标照明区域是半椭圆形，椭圆长半轴为a，短半轴为b；对照明面的坐标进行环形划分，首先把椭圆长半轴a和短半轴b分别等分成3份，a_i和b_i分别表示等分后长半轴a的第i份和短半轴b的第i份，其中0＜i≤3；然后以照明面中心点为中心，分别以a_i为长半轴、b_i为短半轴画椭圆，则将照明区域划分成3份椭圆形环带区域；按芯片的总光通量和芯片的光强分布，设定芯片的光能利用角，设出射光线的中心光强为I₀，其中θ为出射光线与Z轴正方向的夹角，为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，接着再将角度划分，即把角分成n份，表示的第i份，即将截止线下的195°分成195份，不同的对应不同的照明半径R，R的计算表达式为：

将椭球反射器的第二焦点发出的光线按照角度θ₁、θ₂、θ₃分为3个部分分别投射到照明面上对应的三个环带区域；在固定时，即R_i＝r，椭球反射器第二焦点发出的光与Z轴方向夹角为θ₁的那部分光线入射到透镜后照射在离照明面中心距离为r₁的位置，与Z轴线夹角小于θ₁的那部分光线经透镜后照射在照明面的位置与照明面中心距离小于r₁，将第一部分光线对应的角度θ₁等分成i份，每一个θ₁在半径r₁上也相应的分成i份,这样相应的得到了数组θ₁(i)和数组r₁(i)，那么第一区域出射光和照明面上的照度的能量守恒表达式为：

2π∫0θ1(i)I0cosθsinθ·dθ=2π∫0r1(i)P0·r·dr;]]>

同理，从椭球反射器第二焦点发出的光与Z轴方向夹角为θ₁～θ₂之间的那部分光线入射到透镜后照射在离照明面中心距离为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也分成j份，这样相应的得到了数组θ₂(j)和数组r₂(j)，则该区域出射光和照明面上的照度的能量守恒表达式为：

2π∫θ1θ2(j)I0cosθsinθ·dθ=2π∫r1r2(j)P0·r·dr---(2);]]>

同理，从椭球反射器第二焦点发出的光与Z轴方向夹角为θ₂～θ₃之间的那部分光线入射到透镜后照射在离照明面中心距离为r₂～r₃的位置，将这部分光线等分成k份，对应每一个角度在半径上也分成k份，这样就得到了数组θ₃(k)和数组r₃(k)，可得该区域出射光和照明面上的照度的能量守恒表达式为

2π∫θ2θ3(k)I0cosθsinθ·dθ=2π∫r2r3(k)P0·r·dr;]]>

计算上面三个表达式，分别得到各区域半径与出射光角度的关系；改变不同的值，得到不同的照明半径，进而可得到从焦点出射的光线的出光角度与照明面的对应关系；设定第一个自由曲面和第二个自由曲面的角度矫正比为M：N，即设定两个自由曲面各自的矫正角度,可得出经过第一个自由曲面后的出射光线的角度，如已知入射光线的角度为θ_i，则出射光线的角度为Cθ_i，系数C的计算公式为

C＝N/(M+N)；

进而得出第一个自由曲面的入射光线和出射光线的对应关系；为了计算出自由曲面上所有点的坐标，先设定一个起始点和固定角的值，即确定第二焦点与透镜底面中心点的距离，初始点确定后，由折射定律求出初始点的法向量，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第二个点的坐标，折射定律的矢量形式可表示为：

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；通过此迭代计算公式，可依次计算出曲线上其他的点，由此可得到一条完整的自由曲线；通过分别固定不同的角的值，便得到自由曲面出射面上的一系列自由曲线，最后由这些自由曲线组成透镜的第一个自由曲面。

5.根据权利要求4所述的一种LED汽车近光灯的双自由曲面光学透镜，其特征在于：透镜的出射面也为自由曲面，第二个自由曲面的形状确定如下；

由第一个自由曲面的确定过程可得从焦点出射的光线的出光角度和照明面各区域的对应关系，以及第一个自由曲面上离散点的坐标，将第一个自由曲面上的离散点作为光线的出射点，第一个自由曲面上离散点的出射光线即为第二个自由曲面上点的入射光线，第二个自由曲面上离散点与目标平面上对应点的连线即为出射光线，进而得到第二个自由曲面的入射光线和出射光线的对应关系；为了计算出自由曲面上所有点的坐标，先设定一个起始点和固定角的值，即确定透镜中心的厚度，初始点确定后，由折射定律求出初始点的法向量，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第二个点的坐标，通过此迭代计算公式，可依次计算出曲线上其他的点，由此可得到一条完整的自由曲线；通过分别固定不同的角的值，便得到自由曲面出射面上的一系列自由曲线，最后由这些自由曲线组成透镜的第二个自由曲面。