CN103206669A - 用于汽车led倒车灯的非成像光学透镜 - Google Patents

Abstract

用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，涉及非成像光学照明领域，包括成倒锥形的全反射面；上边缘与全反射面下边缘密接的半球形面；上边缘与半球形面上边缘通过斜平面密接的环凹弧形面，圆锥面两端边缘分别与半球形面上边缘和环凹弧形面上边缘密接；下边缘与半球形面上边缘和全反射面下边缘的交接处密接的圆柱面；边缘与圆柱面上边缘密接并呈内凹形的透射面；下边缘与全反射面上边缘密接的大圆环面；上边缘与大圆环面上边缘密接的环弧形面；下边缘与环弧形面下边缘密接的小圆环面；边缘与小圆环面上边缘密接的球面，球面的个数根据小圆环面的直径而定。本发明实现了对LED光源发出的所有光线的有效控制，配光性能好，光能利用率高。

Description

用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜

技术领域

本发明涉及非成像光学照明技术领域，具体涉及一种用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜。

背景技术

LED具有体积小、寿命长、显色性好、节能高效、抗震性好等特点，使其在汽车照明领域具有无可比拟的优势。汽车倒车灯用于车辆后方道路的照明，并且警告其他使用道路者，车辆正在或即将倒车。目前，LED在汽车倒车灯领域还未普及，仅有少数高档汽车的倒车灯采用LED光源，如图8所示，为现有汽车倒车灯采用自由曲面反光腔11和配光镜12的组合形式进行配光的结构示意图，LED光源发出的光线先经过反光腔11，再经过配光镜12进行配光作用，这种配光方式存在着两方面不足：一是反光腔11不能对LED光源中心部分的光线进行精确控制，没有充分利用中心处的光线，造成了能源的浪费，能量利用率较低；二是反光腔11和配光镜12需要相互精确地配合，在装配中容易产生误差，造成配光性能的不准确。上述这些因素使LED在汽车倒车灯领域的普及发展受到了极大的制约。

发明内容

为了解决现有采用反光腔和配光镜对汽车倒车灯进行配光而存在的能量利用率低、配光性能不准确的问题，本发明提供一种用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，该透镜通过机械一体化加工成型，包括：

成倒锥形的全反射面；

上边缘与所述全反射面下边缘密接的半球形面；

上边缘与所述半球形面上边缘通过圆锥面密接的环凹弧形面，所述圆锥面两端边缘分别与所述半球形面上边缘和所述环凹弧形面上边缘密接；

下边缘与所述半球形面和全反射面的交接处密接的圆柱面；

边缘与所述圆柱面上边缘密接在一起并呈内凹形的透射面；

下边缘与所述全反射面上边缘密接的大圆环面；

上边缘与所述大圆环面上边缘密接的环弧形面；

下边缘与所述环弧形面下边缘密接的小圆环面；

边缘与所述小圆环面上边缘密接在一起的球面，所述球面的个数根据所述小圆环面的直径而定。

所述大圆环面与小圆环面的直径在同一条直线上，两者的直径不同而高度相同。

所述全反射面的上边缘为倒锥形的小直径端，下边缘为倒锥形的大直径端。

本发明的有益效果是：

一、本发明采用由透射面和全反射面组成的全反射元件，对LED光源发出的全部光线实现有效控制，提高配光性能和光能利用率；

二、本发明将准直结构与配光结构合为一体，采用机械一体化加工成型，消除了装配误差；

三、本发明应用非成像光学原理及斯涅尔定律对透镜的各个面进行光学设计，实现了对LED光源发出的所有光线的有效控制。

附图说明

图1为本发明的用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜的平面结构示意图；

图2为本发明的非成像光学透镜中的透射面3的设计原理图；

图3为本发明的非成像光学透镜中的全反射面5的设计原理图；

图4为本发明的非成像光学透镜中的球面6的设计原理图；

图5为本发明的非成像光学透镜中的环弧形面7的设计原理图；

图6为本发明的非成像光学透镜中的环凹弧形面2的设计原理图；

图7为本发明的用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜的立体结构示意图；

图8为现有倒车灯采用反光腔和配光镜组合配光的结构示意图。

图中：1、半球形面，2、环凹弧形面，3、透射面，4、圆柱面，5、全反射面，6、球面，7、环弧形面，8、圆锥面，9、大圆环面，10、小圆环面，11、反光腔，12、配光镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜采用旋转对称结构，采用机械一体化加工成型，LED光源位于透镜的下端中心位置，该透镜包括由透射面3和全反射面5组成的准直结构，透射面3和全反射面5将LED倒车灯发出的朗伯分布的光准直成平行光出射；由多个球面6密接组成的配光结构，配光结构将通过准直结构出射的平行光进行整形，并满足配光光型；半球形面1、环凹弧形面2和环弧形面7是为了满足LED倒车灯最小可见角而设计的，其中半球形面1为球面，LED倒车灯发出的光经过半球形面1后不改变方向，然后再通过环凹弧形面2将光线折射到与z轴30°～45°的空间区域，环弧形面7将通过准直结构出射的一部分平行光发散到与z轴0～30°的空间区域，最终满足几何可见度的要求。

本实施方式中的全反射面5成倒锥形，半球形面1上边缘与全反射面5下边缘密接在一起，环凹弧形面2上边缘与半球形面1上边缘通过圆锥面8密接在一起，圆锥面8的两端边缘分别与半球形面1上边缘和环凹弧形面2上边缘密接在一起，透射面3和圆柱面4设置在透镜内腔中，圆柱面4下边缘与半球形面1上边缘和全反射面5下边缘的交接处密接在一起，透射面3成内凹形，其边缘与圆柱面4上边缘密接在一起，大圆环面9下边缘与全反射面5上边缘密接在一起，环弧形面7上边缘与大圆环面9上边缘密接在一起，其下边缘与小圆环面10下边缘密接在一起，大圆环面9与小圆环面10的直径在同一条直线上，它们的高度相同而直径不同，球面6边缘与小圆环面10上边缘密接在一起，球面6的个数根据小圆环面10的直径而定，本实施方式所说的密接意思为该透镜中面与面之间是通过机械一体化加工成型。

假设本发明的非成像光学透镜整体所用材料的折射率为n，如图2所示，透射面3的具体设计方法如下：设透射面3上某一曲线上的点P₁的坐标为(x₁,z₁)，i₁为入射光线I与x轴夹角，α₁为点P₁处的切线T₁与x轴夹角，θ₁为透射面3所能控制的入射光线I的最小角度，在点P₁前取一点P₁'(x₁-△x,z₁-△z)，其中△x,△z均为很小的量，可以认为点P₁＇处切线的切向量与点P₁处切线的切向量相同，点P₁可以看作是该点处入射光线I与P₁＇处的切线的交点，根据斯涅尔定律有：

只要给定起始点P₁₀(x₁₀,z₁₀)，经过反复迭代计算即可得到透射面3上各点坐标，然后再确定透射面3的面型，其中曲线上的终点记为P_1end(x_1end,z_1end)。

如图3所示，全反射面5的具体设计方法如下：设全反射面5上某一曲线上的点P₂的坐标为(x₂,z₂)，i₂为入射光线I与x轴夹角，r为入射光线I经过圆柱面4折射后进入透镜的折射光线R与x轴夹角，α₂为点P₂处的切线T₂与x轴夹角，θ₁为透射面3所能控制的入射光线I的最小角度，θ₂为全反射面5所能控制的入射光线I的最小角度，在点P₂前取一点P₂＇(x₂-Δx，z₂-Δz)，其中△x,△z均为很小的量，可以认为点P₂＇处切线的切向量与点P₂处切线的切向量相同，P₂为该点处折射光线R与P₂＇处的切线的交点，根据斯涅尔定律有：

$\left\{\begin{array}{c}\sin i_2=n\sin r\\ {\mathrm{\θ}}_1\≤i_2\≤{\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{r}{2}\\ x_{20}=x_{1\mathrm{end}}\\ Z_{20}=x_{20}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.;$

只要给出全反射面5的起始点P₂₀（x₂₀,z₂₀），经过反复迭代计算即可得到全反射面5上各点坐标，然后再确定全反射面5的面型，其中曲线上的终点记为P_2end(x_2end,z_2end)，起始点P₂₀与终点P_1end均在圆柱面4上，它们在x轴上的坐标相等。

如图4所示，球面6的具体设计方法如下：每个球面6的曲率半径均为R₃，在x方向上球面6的直径为L_x，在y方向上球面6的直径为L_y，平行光线H垂直入射到球面6上，设x方向上平行光线H入射角为β_x，经过球面6后出射光线W与z轴夹角为θ_x，在x方向上则有：

$\left\{\begin{array}{c}n\sin {\mathrm{\β}}_x=\sin ({\mathrm{\β}}_x+{\mathrm{\θ}}_x)\\ \frac{L_x}{2R_3}={\sin \mathrm{\β}}_x\end{array}\right.;$

同样的在y方向上：

$\left\{\begin{array}{c}n\sin {\mathrm{\β}}_y=\sin ({\mathrm{\β}}_y+{\mathrm{\θ}}_y)\\ \frac{L_y}{2R_3}={\sin \mathrm{\β}}_y\end{array}\right.;$

只要给定θ_x、θ_y和L_x，即可计算得到R₃和L_y，即可确定球面6的面型。

如图5所示，环弧形面7的具体设计方法如下：经过全反射面5出射的平行光H中的一部分经过环弧形面7后发散到与z轴成0～30°的空间区域，满足0～30°空间区域的最小可见角的要求，设环弧形面7上某一曲线上的点P₄的坐标为（x₄,z₄），ψ为出射光线K与z轴的夹角，α₄为P₄处的切线T₄与x轴的夹角，根据斯涅尔定律有：

只要给定起始点P₄₀(x₄₀,z₄₀)，经过反复迭代计算即可得到环弧形面7上各点坐标，然后再确定环弧形面7的面型，起始点P₄₀与终点P_2end在z轴上的坐标相等，其中曲线上的终点记为P_4end(x_4end,z_4end)。

如图6所示，环凹弧形面2的具体设计方法如下：入射光线I经过半球形面1后不发生偏折，在环凹弧形面2处发生折射，形成出射光线D，环凹弧形面2将入射光线I折射到与z轴成30°～45°的空间区域，满足30°～45°空间区域的最小可见角的要求，半球形面1为半径为R₆的球面，设环凹弧形面2上某一曲线上的点P₅的坐标为（x₅,z₅），i₅为入射光线I与x轴夹角，β为出射光线D与z轴的夹角，α₅为P₅处的切线T₅与x轴的夹角，θ₂为全反射面5所能控制的入射光线I的最小角度，根据斯涅尔定律有：

只要给定起始点P₅₀(x₅₀,z₅₀)，经过反复迭代计算即可得到环凹弧形面2上各点坐标，然后再确定环凹弧形面2的面型，通过求出的半球形面1的半径R₆，确定半球形面1的面型。

本实施方式中的非成像光学透镜中，采用OSRAM公司的LCWW5SM芯片作为光源，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为透镜材料，其波长在546.1nm时折射率n=1.49，透射面3所能控制的入射光线最小角度θ₁为60°，全反射面5所能控制的入射光线最小角度θ₂为30°；根据《汽车及挂车倒车灯配光性能》（GB15235-2007）要求，选择θ_x=45°，θ_y=10°；考虑透镜尺寸及加工等因素，L_x确定为4mm；给定透射面3起始点坐标P₁₀(3,0)以及球面6起始点横坐标x₄₀=5mm；迭代计算得到用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，其整体结构如图7所示，该透镜高7.96mm，直径为12.36mm。

采用4个LED与该透镜结合作为汽车倒车灯，在TracePro软件中对设计结果进行模拟仿真；各测试点的发光强度值如表一所示，模拟结果均符合GB15235-2007的要求，其中基准轴线方向发光强度为261cd。

表一

Claims (3)

1.用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，其特征在于，该透镜通过机械一体化加工成型，包括：

成倒锥形的全反射面（5）；

上边缘与所述全反射面（5）下边缘密接的半球形面（1）；

上边缘与所述半球形面（1）上边缘通过圆锥面（8）密接的环凹弧形面（2），所述圆锥面（8）两端边缘分别与所述半球形面（1）上边缘和所述环凹弧形面（2）上边缘密接；

下边缘与所述半球形面（1）和全反射面（5）的交接处密接的圆柱面（4）；

边缘与所述圆柱面（4）上边缘密接在一起并呈内凹形的透射面（3）；

下边缘与所述全反射面（5）上边缘密接的大圆环面（9）；

上边缘与所述大圆环面（9）上边缘密接的环弧形面（7）；

下边缘与所述环弧形面（7）下边缘密接的小圆环面（10）；

边缘与所述小圆环面（10）上边缘密接在一起的球面（6），所述球面（6）的个数根据所述小圆环面（10）的直径而定。

2.根据权利要求1所述的用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，其特征在于，所述大圆环面（9）与小圆环面（10）的直径在同一条直线上，两者的直径不同而高度相同。

3.根据权利要求1所述的用于汽车LED倒车灯的非成像光学透镜，其特征在于，所述全反射面（5）的上边缘为倒锥形的小直径端，下边缘为倒锥形的大直径端。

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