用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器

摘要

本发明公开了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，反射器的内表面是自由曲面，构成光学反射面；所述反射器的底面设有用于安装LED的开口，与底面正对的一端为所述反射器的光出射口，LED光源发射出的光大部分经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上，另一部分的光则直接出射到照明面上。所述反射器分为上下两部分，反射器内表面上部分的自由曲面主要将射向水平面以上的光反射照向水平面以下的照明面上；反射器内表面下部分的自由曲面则主要将向水平面以下扩散的光反射会聚到水平面以下的照明面上。本发明结构简单、安装方便，光能利用率高；可有效控制光线走向，抑制眩光效应；符合GB5948-1998的配光要求。

权利要求

1.用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，其特征在于反射器的内表面是自由曲面，构成光学反射面；所述反射器的底面设有用于安装LED的开口，LED置于开口的中心处，与底面正对的一端为所述反射器的光出射口，LED光源发射出的光大部分经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上，另一部分的光则直接出射到照明面上；所述反射器分为上下两部分，反射器内表面上部分的自由曲面主要将射向水平面以上的光反射照向水平面以下的照明面上；反射器内表面下部分的自由曲面则主要将向水平面以下扩散的光反射会聚到水平面以下的照明面上；所述自由曲面的形状确定如下：以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过坐标原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴，其中平面XOZ为水平面；与Z轴交点为o且平行于平面XOY的平面为照明面，点o为照明面的中心点，首先根据摩托车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征，把照明面上的照明区域设定为部分圆形即195°的扇形，扇形以照明面的中心点为圆心、以圆心左侧水平线为左侧边线、以圆心右侧与水平线向上程15°的斜线为右侧边线，然后对该部分圆形进行环带划分成n份，再运用能量守恒定律对光源立体角划分成n份，最后通过折反射定律计算即得到反射器的所述自由曲面。

2.根据权利要求1所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，其特征在于所述自由曲面的形状具体确定如下：（1）目标照明面距LED的距离为d，LED光源的总光通量为Q，中心光强为I0=Q/π；坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角， 为出射光线与Z轴正方向的夹角；自由曲面关于YOZ面对称且由在YOZ面上的曲线绕Z轴旋转形成；

对于反射器内表面上部分的自由曲面，照明面上部分圆形的半径为rup；对照明面的坐标进行离散化，把圆半径rup等分成n份，ri表示等分后半径rup的第i份，其中0

同理，对于反射器内表面下部分的自由曲面，设照明面上的部分圆形半径为rdown；对照明面的坐标进行离散化，即把圆半径rdown等分成m份，rj表示等分后半径rdown的第j份，其中0

（2）对应于目标照明区域的环带划分，将光源的立体角进行离散化；

对于反射器内表面上部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角 进行离散化，即把分成n份， 表示 的第i份， 与ri一一对应；在反射前，每一份角度内光源的光通量为：根据能量守恒有：

Eup=Eur，

联合上述各式，得到对应的

对于反射器内表面下部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角 进行离散化，即把 分成m份， 表示 的第j份， 与rj一一对应；在反射前，每一份角度内光源的光通量为：根据能量守恒有：

Edown=Edr

联合上述各式，得到对应的

（3）由折反射定律得到所述自由曲面上点的法向量，利用这个法向量获得切线，通过获得切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律的矢量形式表示为：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，在反射光学系统中n=1；

先分别确定反射器上、下两部分的初始点，即反射器底面口径；由这两个初始点分别获得两条自由曲线，这两条自由曲线均在YOZ平面上；这两个初始点的位置决定整个反射器的尺寸；

（4）将得到的反射器上、下两部分的离散点坐标分别导入到机械建模软件，拟合成两条位于YOZ平面上的自由曲线；然后使反射器内表面上部分的曲线绕Z轴正方向旋转86°，再绕Z轴负方向旋转102°，得到反射器内表面上部分的自由曲面形状；同理，使反射器下部分的曲线绕Z轴正方向旋转78°，再绕Z轴负方向旋转94°，即可得到反射器内表面下部分的自由曲面形状。

3.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，其特征在于所述点O与点o间的距离为25m；对于反射器内表面上部分的自由曲面，θ的取值范围为

4°-192°；对于反射器内表面下部分的自由曲面，θ的取值范围为192°-364°；所述为 为

4.根据权利要求2所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，其特征在于反射器上部分的照明区域半径大于反射器下部分的照明区域半径。

5.根据权利要求2～4任一项所述的用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，其特征在于反射器由电镀塑胶材料制成。

说明书

用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器

技术领域

[0001] 本发明涉及LED摩托车灯照明技术领域，特别涉及用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器。

背景技术

[0002] 发光二极管（LED）具有节能、高效及环保等诸多优点，近年来在照明领域中被广泛的应用。LED是第四代车用光源，具有体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点。随着LED技术的不断进步，LED在车用照明中的应用也越来越普遍。但是LED应用于摩托车前照灯仍然具有挑战性，为了满足配光标准，提高系统性能，需针对LED来进行二次光学设计，从而实现前照灯照明系统的最优化。

[0003] LED车灯的配光效果能否达到国家标准，是影响汽车驾驶员以及路上行人生命安全的关键因素。在摩托车前照灯的设计上，国家标准GB5948-1998对摩托车前照灯的配光要求做了规定。对于近光灯，国家标准要求在车灯前25m远的照明面上产生一左侧为水平线和右侧为水平线向上15°的明暗截止线，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。

发明内容

[0004] 针对LED摩托车前照灯设计面临的主要问题，本发明提供了用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，该反射器体积小，眩光效应低，光能利用率高，制作安装方便，并能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的照度分布。本发明运用旋转轴对称LED照明系统的设计方法，有效地提高了反射器的光学精度和工作效率，同时也很好地减小了自由曲面仿真建模时产生的误差。

[0005] 本发明采用如下技术方案：

[0006] 用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，反射器的内表面是自由曲面，构成光学反射面；所述反射器的底面设有用于安装LED的开口，LED置于开口的中心处，与底面正对的一端为所述反射器的光出射口，LED光源发射出的光大部分经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上，另一部分的光则直接出射到照明面上。

[0007] 进一步的，所述反射器分为上下两部分，反射器内表面上部分的自由曲面主要将射向水平面以上的光反射照向水平面以下的照明面上；反射器内表面下部分的自由曲面则主要将向水平面以下扩散的光反射会聚到水平面以下的照明面上。

[0008] 进一步的，所述自由曲面的形状确定如下：

[0009] 以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过坐标原点并与平面XOY垂直的轴为z轴，其中平面XOZ为水平面；与Z轴交点为o且平行于平面XOY的平面为照明面，点o为照明面的中心点，首先根据摩托车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征，把照明面上的照明区域设定为部分圆形即195°的扇形，扇形以照明面的中心点为圆心、以圆心左侧水平线为左侧边线、以圆心右侧与水平线向上程15°的斜线为右侧边线，然后对该部分圆形进行环带划分成n份，再运用能量守恒定律对光源立体角划分成n份，最后通过折反射定律计算即得到反射器的所述自由曲面。

[0010] 进一步的，所述自由曲面的形状具体确定如下：

[0011] （1）目标照明面距LED的距离为d，LED光源的总光通量为Q，中心光强为I0＝Q/π；坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角， 为出射光线与Z轴正方向的夹角；自由曲面关于YOZ面对称且由在YOZ面上的曲线绕Z轴旋转形成；

[0012] 对于反射器内表面上部分的自由曲面，照明面上部分圆形的半径为rup；对照明面的坐标进行离散化，把圆半径rup等分成n份，ri表示等分后半径rup的第i份，其中0≤i≤n；同样以照明面中心点为圆心，分别以ri为半径画圆，将照明区域划分为部分圆形环带区域；在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

[0013]

[0014] 式中，Eu·ki表示照度值，根据国标要求，常量Eu为预设照度值，变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，其中，0≤ki≤1；ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定，对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1，对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1；

[0015] 同理，对于反射器内表面下部分的自由曲面，设照明面上的部分圆形半径为rdown；对照明面的坐标进行离散化，即把圆半径rdown等分成m份，rj表示等分后半径rdown的第j份，其中0≤j≤m，将照明区域划分为部分圆形环带区域；在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

[0016]

[0017] 式中，常量Ed为预设照度值，变量kj为照度控制参数；Ed和kj的取值与所述的Eu和ki同理；

[0018] （2）对应于目标照明区域的环带划分，将光源的立体角进行离散化；

[0019] 对于反射器内表面上部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角 进行离散化，即把 分成n份， 表示 的第i份， 与ri一一对应；在反射前，每一份角度内光源的光通量为：

[0020]

[0021] 根据能量守恒有：

[0022] Eup＝Eur，

[0023] 联合上述各式，得到对应的 ；

[0024] 对于反射器内表面下部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角 进行离散化，即把 分成m份， 表示 的第j份， 与rj一一对应；在反射前，每一份角度内光源的光通量为：

[0025]

[0026] 根据能量守恒有：

[0027] Edown＝Edr

[0028] 联合上述各式，得到对应的 ；

[0029] （3）由折反射定律得到所述自由曲面上点的法向量，利用这个法向量获得切线，通过获得切线与入射光线的交点得到曲线上点的坐标，折反射定律的矢量形式表示为：

[0030]

[0031] 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，在反射光学系统中n＝1；先分别确定反射器上、下两部分的初始点，即反射器底面口径；由这两个初始点分别获得两条自由曲线，这两条自由曲线均在YOZ平面上；这两个初始点的位置决定整个反射器的尺寸；

[0032] （4）将得到的反射器上、下两部分的离散点坐标分别导入到机械建模软件，拟合成两条位于YOZ平面上的自由曲线；然后使反射器内表面上部分的曲线绕Z轴正方向旋转86°，再绕Z轴负方向旋转102°，得到反射器内表面上部分的自由曲面形状；同理，使反射器下部分的曲线绕Z轴正方向旋转78°，再绕Z轴负方向旋转94°，即可得到反射器内表面下部分的自由曲面形状。

[0033] 进一步的，所述点O与点间o的距离为25m；对于反射器内表面上部分的自由曲面，θ的取值范围为4°- 192°；对于反射器内表面下部分的自由曲面，θ的取值范围为192°- 364°；所述 为 ； 为 。

[0034] 进一步的，反射器上部分的照明区域半径大于反射器下部分的照明区域半径。

[0035] 进一步的，反射器由电镀塑胶材料制成。

[0036] 与现有技术相比，本发明的优点有：LED光源发出的光能量经自由曲面反射器反射后出射，不需要其它的辅助装置进行配光，减少了配光系统对光能的损耗，提高了光能利用率；采用自由曲面反射器，可以有效控制光线走向，抑制眩光效应；同时，反射器的体积小，又能达到GB5948-1998的配光要求。另外，LED光源和散热装置安装方便，有利于提高整个灯具的散热效率。本发明利用旋转轴对称LED照明反射器的形状进行确定，光学精度高，有效地提高了工作效率和减小了仿真误差。

附图说明

[0037] 图1为实施方式中照明面上目标区域环带划分示意图。

[0038] 图2为实施方式中LED光源球坐标示意图。

[0039] 图3为实施方式中光线经过反射器配光的示意图。

[0040] 图4为实施方式中近光灯反射器上部分的三维立体正视示意图。

[0041] 图5为实施方式中近光灯反射器上部分的三维立体侧视示意图。

[0042] 图6为实施方式中近光灯反射器下部分的三维立体正视示意图。

[0043] 图7为实施方式中近光灯反射器下部分的三维立体侧视示意图。

[0044] 图8为实施方式中近光灯反射器的三维立体侧视示意图。

[0045] 图9为实施方式中近光灯反射器的三维立体正视示意图。

[0046] 图10为实施方式中近光灯反射器的三维立体仰视示意图。

具体实施方式

[0047] 以上内容已经对本发明作了充分的说明，以下再结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0048] 本发明公开LED摩托车灯近光灯光学反射器，该反射器体积小，眩光效应低，光能利用率高，安装方便，能产生满足国标GB5948-1998的配光要求的光型和照度分布。对于近光灯，国标要求在车灯前25m远的照明面上产生一左侧为水平线和右侧为水平线向上15°的明暗截止线，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。根据国标的配光要求的光型和照度分布，把照明面上的照明区域进行部分圆形环带划分，如图1所示。

[0049] 一种用于LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器，可由电镀塑胶材料制成，反射器的内表面是自由曲面，构成光学反射面；所述反射器的底面设有用于安装LED的开口，LED置于开口的中心处，与底面正对的一端为所述反射器的光出射口，LED光源发射出的光大部分经过反射器内表面进行反射然后出射到照明面上，另一部分的光则直接出射到照明面上。

[0050] 所述自由曲面的形状确定如下：

[0051] 如图2所示为LED光源球坐标图，以LED光源为坐标原点O建立坐标系，LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴，其中平面XOZ为水平面。与Z轴交点为o（点O与点o间的距离为25m）且平行于平面XOY的平面为照明面，点o为照明面的中心点。首先根据摩托车前照灯近光灯在照明面上照度分布特征（根据GB5948-1998），把照明面上的照明区域设定为以照明面的中心点为圆心，圆心左侧边线为水平线和圆心右侧边线为水平线向上15°斜线的部分圆形（即195°的扇形），然后对该部分圆形进行环带划分，再运用能量守恒定律对光源立体角进行划分，最后运用折反射定律通过数值计算即得到反射器的自由曲面。

[0052] 为了减小反射器的长度，缩小反射器的尺寸，不可能将LED光源所发出的光全部反射到照明面上，需要放走部分能量。同时，由于LED光源与照明面的距离很远，放走的光射在照明面上的照度其实非常小，不影响照明效果。因此，光源直接照射到照明面的角度（即溢散光光角）可以选取60°。

[0053] 根据GB5948-1998，摩托车前照灯近光灯绝大部分的光照射在水平面以下的照明面上，仅在右侧存在与水平线向上成15°的照明区域。因此，所述反射器分为上下两部分，反射器上部分的自由曲面主要将射向水平面以上的光反射照向水平面以下的照明面上；反射器下部分的自由曲面则主要将向水平面以下扩散的光反射会聚到水平面以下的照明面上。如图3所示，从LED光源出射的光线经过反射器内表面的自由曲面后射出，其中，1和2分别为反射器上部分和下部分自由曲面的二维示意图。

[0054] 位于反射器上部分的自由曲面和位于反射器下部分的自由曲面的形状由如下确定：

[0055] 1、设定初始条件并对目标照明区域进行环带划分。

[0056] 首先目标照明面距LED的距离为d＝25m，LED光源的总光通量为Q，中心光强为I0＝Q/π。坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角， 为出射光线与Z轴正方向的夹角。自由曲面关于YOZ对称且为由YOZ面上的曲线旋转形成，因此可以考虑二维情况，以YOZ所在平面为例。

[0057] 对于近光灯，如前文所述设定其目标照明区域是部分圆形。

[0058] 对于反射器上部分的自由曲面，设照明面上部分圆形的半径为rup；对照明面的坐标进行离散化，首先把圆半径rup等分成n份，ri表示等分后半径rup的第i份，其中0≤i≤n；然后同样以照明面中心点为圆心，分别以ri为半径画圆，将照明区域划分为部分圆形环带区域。在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

[0059]

[0060] 式中，Eu·ki表示照度值，根据国标要求，故设置常量Eu为预设照度值，结合变量ki用来控制照明面上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，其中，0≤ki≤1。ki的取值大小需根据照明面上照度要求设定，如对于最亮区域ki的取值范围为0.9 - 1，对于边缘区域ki的取值范围为0 - 0.1。

[0061] 另外，由于LED并非理想的点光源，但可以将LED视为近似点光源，因此对于反射器上部分的自由曲面，θ的取值范围不一定为0°- 195°，经过在计算中反复仿真模拟调整，θ的取值范围可以取4°- 192°，就能在照明面上产生Y轴左侧为水平线和Y轴右侧为水平线向上15°的明暗截止线。

[0062] 那么，对于反射器下部分的自由曲面，θ的取值范围就为192°- 364°。

[0063] 同理，对于反射器下部分的自由曲面，设照明面上的部分圆形半径为rdown。对照明面的坐标进行离散化，即把圆半径rdown等分成m份，rj表示等分后半径rdown的第j份，其中0≤j≤m，最后将照明区域划分为部分圆形环带区域。在目标照明区域上，每一份部分圆形环带区域的能量为：

[0064]

[0065] 式中，常量Ed为预设照度值，变量kj为照度控制参数。Ed和kj的取值与上文所述的Eu和ki同理。

[0066] 需要注意的是，反射器的尺寸与照明区域的半径和反射器底面口径有关。此处，为了使反射器上、下两部分美观协调，具有整体性，可以采取反射器上部分的照明区域半径大于反射器下部分的照明区域半径，同时缩小反射器下部分的底面口径。

[0067] 2、利用能量守恒定律将光源立体角进行划分。

[0068] 对应于目标照明区域的环带划分，将光源的立体角进行离散化。

[0069] 对于反射器上部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角进行离散化（此例中设置为 ），即把 分成n份， 表示 的第i份， 与ri一一对应。则在反射前，每一份角度内光源的光通量为：

[0070]

[0071] 如前文所述，θ的取值范围为4°- 192°。由于LED光源与照明面的距离很远，直接照射在照明面上的照度其实非常小，不影响照明效果，则忽略直接照射到照明面的光通量。另外，不考虑光在反射面上和传播过程中的能量损失，根据能量守恒有：

[0072] Eup＝Eur

[0073] 联合上述各式，从而可以求解得到对应的 。

[0074] 同理，对于反射器下部分的自由曲面，将参与反射的光源立体角进行离散化（此例中 设置为 ），即把 分成m份， 表示 的第j份， 与rj一一对应。则在反射前，每一份角度内光源的光通量为：

[0075]

[0076] 其中，θ的取值范围为192°- 364°。忽略直接照射到照明面的光通量，且不考虑光在反射面上和传播过程中的能量损失，根据能量守恒有：

[0077] Edown＝Edr

[0078] 联合上述各式，也可以求解得到对应的 。

[0079] 3、由折反射定律求出自由曲面上的点坐标

[0080] 由折反射定律求出所述曲面上点的法向量，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点的坐标，折反射定律的矢量形式可表示为：

[0081]

[0082] 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，在反射光学系统中n＝1。

[0083] 在计算中，首先需要分别确定反射器上、下两部分的计算初始点，即反射器底面口径。由这两个初始点分别算出两条自由曲线，由于以YOZ所在平面为例，这两条自由曲线均在YOZ平面上。这两个初始点的位置决定整个反射器的尺寸，正如前文所述，为了使反射器上、下两部分美观协调，具有整体性，可以采取反射器上部分的底面口径大于反射器下部分的底面口径，从而缩小反射器下部分的尺寸。

[0084] 4、利用机械仿真软件将得到的点拟合为曲面

[0085] 将得到的反射器上、下两部分的离散点坐标分别导入到机械建模软件，拟合成两条位于YOZ平面上的自由曲线。然后使反射器上部分的曲线绕Z轴正方向旋转86°，再绕Z轴负方向旋转102°（即θ取4°- 192°），即可得到反射器上部分的自由曲面。同理，使反射器下部分的曲线绕Z轴正方向旋转78°，再绕Z轴负方向旋转94°（即θ取192°-364°），即可得到反射器下部分的自由曲面。在自由曲面基础上，通过放样拟合，加工成反射器的实体模型，最终得到LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器模型。

[0086] 如图4所示，其中，1为反射器上部分自由曲面的三维立体示意图，3为反射器上部分在YOZ平面上的自由曲线。图5所示为反射器上部分的三维立体侧视示意图。

[0087] 如图6所示，其中，2为反射器下部分自由曲面的三维立体示意图，4为反射器下部分在YOZ平面上的自由曲线。图7所示为反射器下部分的三维立体侧视示意图。

[0088] 最后，为了使反射器上、下两部分美观协调，具有整体性，在自由曲面基础上，通过放样拟合，将反射器上、下两部分的自由曲面连接起来，合成一块整体的自由曲面，再通过加工形成反射器的实体模型，最终得到LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器模型。如图8、图9和图10所示，分别为近光灯反射器的三维立体侧视示意图、三维立体正视示意图和三维立体仰视示意图，其中，1为反射器上部分自由曲面的三维立体示意图，2为反射器下部分自由曲面的三维立体示意图。

[0089] 以上对本发明所提供的LED摩托车近光灯的自由曲面光学反射器进行了详细介绍，使用该反射器时应将LED安装于反射器底面中心处，该位置安装方便且利于散热，根据照明需要，反射器可以以LED为轴心微向下倾斜。本发明中应用了各种整体和分离的模型图对具体实施方式进行了阐述，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例子而已。对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改善之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。