一种近光灯自由曲面的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种近光灯自由曲面的设计方法，包括：以LED点光源为坐标原点建立球坐标系，其中Z轴是发光面的法线方向，XOY平面上方空间是LED发光的半球空间，目标面则是垂直于Z轴的一个平面；获取光源光通量的空间分布；获取目标接受面上的光通分布；判断目标面光型分布是否对称，获取不同的光线传播的能量守恒定律公式；确定光源空间到目标面空间的映射关系；生成能满足该映射关系的自由曲面，进而通过自由曲面设置的近光灯透镜，能够在一定范围内进行组合而保持光斑重合，从而实现不同功率、不同照度的要求。不同照度的要求。不同照度的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种近光灯自由曲面的设计方法


[0001]本专利技术涉及光线透镜领域，特别涉及到一种近光灯自由曲面的设计方法。

技术介绍

[0002]汽车前照灯的发展实际上是一部微缩了的科技发展史，其发展历程可以 从前照灯所用光源的变迁加以追溯。从最早的乙炔前照灯到白炽灯再到现在 仍在使用的卤素灯，用了近百年的时间。早在1912年利用卤钨循环延长光源 寿命的原理就被发现，但直到上个世纪六七十年代，卤钨灯才开始用于汽车 前照灯。卤钨前照灯的优点是灯丝使用寿命长，几乎是白炽灯的4倍。六十 年代后，双灯丝卤钨灯H4也开始使用。七十年代，卤钨灯开始在汽车全封闭 式前照灯中得到应用。高强度气体放电(HID)前照灯。HID具有寿命长、光 照度强、色温高等优点，同时也具有较高的可靠性且不受车上电压波动影响。 因此，能提供更宽更亮的光型，照射更大更远的范围。但同时，高色温、高 亮度也更容易导致眩光，尤其是应用在汽车前照灯中，不能很好地保证夜间 行车的安全性。自1995年起，欧洲法规批准使用这种灯，如今奔驰、宝马、 保时捷和奥迪等高端品牌轿车相继使用了这种前照灯。
[0003]大功率LED已经被大量运用于汽车照明中。汽车前照灯是汽车车灯中结 构和功能最为复杂的灯具，无论设计、制造等方面，都可以代表整台汽车的 照明技术。LED的综合性能在这里得到了充分体现：LED的色温高，更接近 于日光水平；LED约十万小时的寿命，降低了维修维护费用并提高安全性； LED的小尺寸可以为设计提供便利，更容易增加个性造型。目前，LED已经 在汽车照明的多个方面取得了广泛应用，被汽车行业和照明行业公认为车灯 光源市场的发展趋势。
[0004]目前出现的前照灯多采反射式曲面进行配光，本专利技术提供了一种近光灯 自由曲面的设计方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种近光灯自由曲面的设计方法，所述 方法包括：
[0006]S1，以LED点光源为坐标原点建立球坐标系，其中Z轴是发光面的法线 方向，XOY平面上方空间是LED发光的半球空间，目标面则是垂直于Z轴的一 个平面；
[0007]S2，获取光源光通量的空间分布；
[0008]S3，获取目标接受面上的光通分布；
[0009]S4，判断目标面光型分布是否对称，当目标面光型分布对称时，获取目 标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式；
[0010]当目标面光型分布不对称时，获取目标面光型分布对称时的光线传播的 能量守恒定律公式；
[0011]S5，根据不同的光线传播的能量守恒定律公式，确定光源空间到目标面 空间的映射关系；
[0012]S6，生成能满足该映射关系的自由曲面。
[0013]进一步地，所述步骤二中获取光源光通量的空间分布根据以下公式获取：：
[0014]步骤A1，根据以下公式计算光源光通量的空间分布：
[0015][0016]其中，φ
source
代表光源的光通分布，I
s
代表光源的光强分布，θ代表光源 空间的角度，dΩ＝2πsinθdθ代表立体角的微分形式，θmin和θmax代表光源 空间角度的上下限。
[0017]进一步地，所述步骤三中获取目标接受面上的光通分布根据以下公式获 取：
[0018][0019]其中，φ
target
代表目标接受面上的光通分布，E
t
代表照度，y代表目标面 的空间，dA＝2πydy代表目标面空间的微分形式，y
min
和y
max
代表目标面的 空间上下限。
[0020]进一步地，所述步骤四中当目标面光型分布对称时，获取目标面光型分 布对称时的光线传播的能量守恒定律公式，包括：
[0021]步骤A1，光线通过自由曲面从光源空间反射或折射至目标面空间，发生 反射或折射时满足折反射定律，其矢量表达形式为：
[0022][0023]其中，n代表折射率，当光线发生镜面发射时，n＝1，当光线发生折射 时，n的取值视材料而定，代表入射光线方向的单位向量，代表出射光 线方向的单位向量，代表法线方向的单位向量；
[0024]步骤A2，设与X轴夹角的入射光线从O点出射，交自由曲面于点 B(x(i),0,z(i))，经自由曲面折射后来到目标面上点C(x
′
(i),0,D)，D为光源到 目标面的距离,此时入射光线的单位向量为出射光线 的单位向量为根据步骤 公式(3)计算出B点的单位法向量
[0025]步骤A3，根据B点的坐标和B点的单位法向量确定唯一过B点的切线，该 切线与方向的单位入射向量有唯一交点，通过迭代计算得到自由曲线 上所有的离散点，假设光线在自由曲面上反射或折射时没有能量损失，同时 忽略光线在介质中传播的损失，则光线传播符合能量守恒定律，则在此处表 现形式为：φ
source
＝φ
target
(4)。
[0026]进一步地，所述步骤四中当目标面光型分布不对称时，获取目标面光型 分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式，包括：
[0027]步骤A1，光线通过自由曲面从光源空间范数或折射至目标面空间，发生 反射或折射时满足折反射定律，其矢量表达形式为：
中计算得到折射点的单位法 向量，最终求得自由曲线上所有离散点的坐标，并根据所有离散点的坐标形 成一系列的自由曲线，利用所述自由曲线组成自由曲面模型；
[0037]步骤A2，针对公式对应生成的光 源空间到目标面空间的映射关系，根据映射关系在三维坐标系中首先构建一 条初始线P
1.0
～P
3.0
，以这条曲线上的每一个点P
i.0
作为垂直于初始线的方向的 子曲线的起始点，利用通过迭代计算得到整个三维空间的自由曲面的离散点 坐标，并根据所有离散点的坐标形成一系列的自由曲线，利用所述自由曲线 组成自由曲面模型，最终求得自由曲线上所有离散点的坐标，并根据所有离 散点的坐标形成一系列的自由曲线，利用所述自由曲线组成自由曲面模型。
[0038]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种近光灯自由曲 面的设计方法，所述方法包括：以LED点光源为坐标原点建立球坐标系，其 中Z轴是发光面的法线方向，XOY平面上方空间是LED发光的半球空间，目标 面则是垂直于Z轴的一个平面；获取光源光通量的空间分布；获取目标接受 面上的光通分布；判断目标面光型分布是否对称，当目标面光型分布对称时， 获取目标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式；当目标面光型 分布不对称时，获取目标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式； 根据不同的光线传播的能量守恒定律公式，确定光源空间到目标面空间的映 射关系；生成能满足该映射关系的自由曲面，进而通过自由曲面设置的近光 灯透镜，能够在一定范围内进行组合而保持光斑重合，从而实现不同功率、 不同照度的要求，有利于实现模块化LED前照灯、模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近光灯自由曲面的设计方法，其特征在于，所述方法包括：S1，以LED点光源为坐标原点建立球坐标系，其中Z轴是发光面的法线方向，XOY平面上方空间是LED发光的半球空间，目标面则是垂直于Z轴的一个平面；S2，获取光源光通量的空间分布；S3，获取目标接受面上的光通分布；S4，判断目标面光型分布是否对称，当目标面光型分布对称时，获取目标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式；当目标面光型分布不对称时，获取目标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式；S5，根据不同的光线传播的能量守恒定律公式，确定光源空间到目标面空间的映射关系；S6，生成能满足该映射关系的自由曲面。2.根据权利要求1所述的一种近光灯自由曲面的设计方法，其特征在于，所述步骤二中获取光源光通量的空间分布根据以下公式获取：步骤A1，根据以下公式计算光源光通量的空间分布：其中，φ
source
代表光源的光通分布，I
S
代表光源的光强分布，θ代表光源空间的角度，dΩ＝2πsinθdθ代表立体角的微分形式，θmin和θmax代表光源空间角度的上下限。3.根据权利要求1所述的一种近光灯自由曲面的设计方法，其特征在于，所述步骤三中获取目标接受面上的光通分布根据以下公式获取：其中，φ
target
代表目标接受面上的光通分布，E
t
代表照度，y代表目标面的空间，dA＝2πydy代表目标面空间的微分形式，y
min
和y
max
代表目标面的空间上下限。4.根据权利要求1所述的一种近光灯自由曲面的设计方法，其特征在于，所述步骤四中当目标面光型分布对称时，获取目标面光型分布对称时的光线传播的能量守恒定律公式，包括：步骤A1，光线通过自由曲面从光源空间反射或折射至目标面空间，发生反射或折射时满足折反射定律，其矢量表达形式为：其中，n代表折射率，当光线发生镜面发射时，n＝1，当光线发生折射时，n的取值视材料而定，代表入射光线方向的单位向量，代表出射光线方向的单位向量，代表法线方向的单位向量；步骤A2，设与X轴夹角的入射光线从O点出射，交自由曲面于点B(x(i),0,z(i))，经自由曲面折射后来到目标面上点C(x
′
(i),0,D)，D为光源到目标面的距离,此时入射光线的
单位向量为出射光线的单位向量为根据步骤公式(3)计算出B点的单位法向量步骤A3，根据B点的坐标和B点的单位法向量确定唯一过B点的切线，该切线与方向的单位入射向量有唯一交点，通过迭代计算得到自由曲线上所有的离散点，假设光线在自由曲面上反射或折射时没有能量损失，同时忽略光线在介质中传播的损失，则光线传播符合能量守恒定律，则在此处表现形式为：φ
source
＝φ
target
(4)。5.根据权利要求1所述的一种近光灯自由曲面的设计方法，其特征在于，所述步骤四中当目标面光型分布不对称时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王全生，张万路，虞守豪，解凤贤，
申请(专利权)人：江苏鑫蕴模塑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：