一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜的设计方法技术

本发明专利技术提供了一种LED汽车后雾灯用的自由曲面光学反射镜的设计方法，包括：设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分；划分光源立体角，根据能量守恒定律建立映射关系；计算自由曲面反射镜离散点坐标；利用机械建模软件将离散坐标点拟合为曲面。该自由曲面发射镜体积小，光源的发光面垂直向上安装，眩光效应低，同时能满足国家标准GB 11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。本发明专利技术采用如下技术方案。LED光源的发光面垂直于光轴方向向上发光，在该自由曲面反射镜上发生反射，最后出射到照明面上。本发明专利技术中的自由曲面反射镜具有对称性，设计简单，效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜的设计方法
本专利技术涉及LED照明光学系统设计领域，特别涉及LED汽车后雾灯光学系统的自由曲面反射镜的设计方法。
技术介绍
LED光源相比于传统光源，具有体积小、热耗低、节能环保、均匀性好等优点，使用冷发光技术，显色性好，无频闪。近年来，随着LED制造成本的减低和应用技术的不断完善，LED在车用照明中的应用越来越广泛，LED车灯将是今后车辆照明应用的发展趋势。根据国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求，在目标照明面上的一个菱形范围内需满足特定的照度要求。目前LED后雾灯的设计方法使用比较广泛的是直射式和透过式。直射式光能利用率较高，结构简答，易于设计，但光源可直接被看到，所以点灯效果不佳，光源直射容易对车后方人造成影响。透过式又称为折射式，透过式的光能利用率较低，而且要求控制精确度很高，具有相对复并实现LED汽车后雾灯的配光仍然具有较大的挑战性。
技术实现思路
针对LED汽车后雾灯直射式和透过式的光学系统设计问题，本专利技术提供了一种LED汽车后雾灯用的自由曲面光学反射镜的设计方法，该自由曲面发射镜体积小，光源的发光面垂直向上安装，眩光效应低，同时能满足国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。本专利技术采用如下技术方案。LED光源的发光面垂直于光轴方向向上发光，在该自由曲面反射镜上发生反射，最后出射到照明面上。自由曲面反射镜的构建过程如下：1.设定初始条件并对目标照明区域进行均匀划分以LED光源发光面的中心为原点O，发光面所在平面为XOY平面，过原点O与XOY平面垂直的轴为z轴建立空间立体坐标系。LED光源的发光方向沿z轴正方向。与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面，点o为目标照明面的中心点。设目标照明面与原点的距离为H，为了满足菱形范围内的照明要求，我们可以在目标照明面上实现长为L宽为W的矩形光斑。针对后雾灯的国家标准配光性能，最终所要得到的光斑形状具有对称性，因此设计时取沿x轴正方向的矩形作为研究对象，则其为面积为L/2×W/2的矩形。建立了正半轴的模型后，通过作对称可得到完整反射镜模型。对正半轴矩形进行区域均匀划分。首先，沿x轴方向将L/2等分成m份，沿z轴将W/2等分为n份，从而得到目标平面上的离散点坐标数组，分别为x(m)和z(n)。由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格。2.划分光源立体角，根据能量守恒定律建立映射关系将LED光源发光立体角进行角度划分，其中α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角。则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量，即为了建立光源立体角与目标照明面的映射关系，在α角上划分为m份，在β角上划分为n份。设LED光源总光通量为Φ，则光源中心光强为I0＝Φ/π，其他方向光线强度与中心光强的关系为I(i,j)＝I0cosαsinβ。基于立体角元划分方式，相邻两个α角内的总能量为：对应在目标照明面上的矩形内，设目标照明面的平均照度为Ev，并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域，则根据能量守恒定律有：而每一小份立体角内的光通量为：则由能量守恒定律有：其中，Δx＝xt(j+1)-xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值，Δz＝zt(i+1)-zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值，两者相乘即每一个小格的面积。由上面关系式可以得到α角、β角与目标照明面点坐标(xt,H,zt)的关系式。3.计算自由曲面反射镜离散点坐标折反射定律的矢量形式表示为：式中n为光源周围介质的折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量。在反射镜设计中，n＝1，上式变形为：由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量。由步骤1和2中所确定的α和β可以求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量。应用折反射公式，通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，可以得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点。由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出自由曲面上离散点的坐标。4.利用机械建模软件将离散坐标点拟合为曲面将计算所得的离散点坐标导入机械建模软件中，可通过线性插值拟合或取样插值得到自由曲面反射镜模型，最后通过镜像获得完整的对称模型。与现有技术相比，本专利技术的优点有：LED光源垂直向上发光，光源不会直接照射到车后方人眼睛，减低了眩光效应，同时又能达到国家标准GB11554-2008对汽车用LED后雾灯的配光要求。该反射镜只在Z轴的上方，相对于直射式的设计方法，体积减小一半，而且安装方便，散热空间较大。本专利技术中的自由曲面反射镜具有对称性，设计简单，工作效率高。附图说明图1为实施方式中的后雾灯光学系统坐标示意图。图2为实施方式中LED光源发光立体角表示示意图。图3为实施方式中光学系统原理的二维示意图。图4为实施方式中光源立体角与目标照明面能量对应关系图。图5为实施方式中自由曲面反射镜三维立体示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细的描述，需指出的是，以下若无未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。1.建立坐标系并设定初始条件如图1所示，以LED发光面101的中心为坐标原点O，发光面所在平面为XOY平面，LED光源的发光方向为z轴正半轴建立三维空间立体坐标系。与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面200，点o为目标照明面的中心点。如图2所示，α为LED光源出射光线102与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角，则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量，即如图3中光学系统原理的二维示意图所示，LED光源100垂直于光轴方向向上发光，在自由曲面反射镜300上发生反射，最后出射到照明面200上。2.对目标照明区域和LED光源发光立体角进行划分设目标照明面201的中心o与原点O的距离为H，针对后雾灯的国家标准配光性能，最终所要得到的光斑形状具有对称性，因此设计时取沿x轴正方向的矩形作为研究对象，则其为面积为L/2×W/2的矩形。建立了正半轴的模型后，通过作对称可得到完整反射镜模型。对正半轴矩形进行区域均匀划分。首先，沿x轴方向将L/2等分成m份，沿z轴将W/2等分为n份，从而得到目标平面上的离散点坐标数组，分别为x(m)和z(n)。由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格，如图4所示。对应于照明区域在x正半轴的划分，光源立体角α角上划分为m份，在β角上划分为n份，如图4所示。设LED光源总光通量为Φ，光源的中心光强为I0＝Φ/π，则相邻两个α角内所有有光线的总能量为：对应在目标照明面上的矩形内，设目标照明面的平均照度为Ev，并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域，则根据能量守恒定律有：每一小份立体角内的光通量为：则由能量守恒定律有：以上各式中，Δx＝xt(j+1)-xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值，Δz＝zt(i+1)-zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值，两者相乘即每一个小格的面积。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以LED光源发光面的中心为原点O，发光面所在平面为XOY平面，过原点O与XOY平面垂直的轴为z轴建立空间立体坐标系；LED光源的发光方向沿z轴正方向；与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面，点o为目标照明面的中心点；设目标照明面与原点的距离为H，为了满足菱形范围内的照明要求，在目标照明面上实现长为L宽为W的矩形光斑；最终所要得到的光斑形状具有对称性，因此取目标照明面位于x轴正方向的矩形作为研究对象，则其为面积为L/2×W/2的矩形，建立了正半轴的模型后，通过作对称可得到完整反射镜模型；对正半轴矩形进行区域均匀划分，首先，沿x轴方向将L/2等分成m份，沿z轴将W/2等分为n份，从而得到目标平面上的离散点坐标数组，分别为x(m)和z(n)；由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格；(2)将LED光源发光立体角进行角度划分，其中α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角；则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量，即建立光源立体角与目标照明面的映射关系，在α角上划分为m份，在β角上划分为n份；设LED光源总光通量为Φ，则光源中心光强为I0＝Φ/π，其他方向光线强度与中心光强的关系为I(i,j)＝I0cosαsinβ；基于立体角元划分方式，相邻两个α角内的总能量为：Φi=∫αiαi+1∫0pi/2I0·cos(α)·(sin(β))2dαdβ,]]>对应在目标照明面上的矩形内，设目标照明面的平均照度为Ev，并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域，则根据能量守恒定律有：∫αiαi+1∫0pi/2I0·cos(α)·(sin(β))2dαdβ=Ev·L2·Δz,]]>而每一小份立体角内的光通量为：Φi,j=∫αiαi+1∫βi,jβi,jI0·cosα·sin2β·dαdβ,]]>则由能量守恒定律有：∫αiαi+1∫βi,jβi,j+1I0·cosα·sin2β·dαdβ=Ev·Δx·Δz,]]>其中，Δx＝xt(j+1)‑xt(j)是目标照明面上左右相邻两个点x轴坐标的差值，Δz＝zt(i+1)‑zt(i)是上下相邻两点间z轴坐标的差值，两者相乘即每一个小格的面积，由上面关系式得到α角、β角与目标照明面点坐标(xt,H,zt)的关系式；(3)反射定律的矢量形式表示为：式中n为光源周围介质的折射率，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为自由曲面在某一点上的单位法向量，在反射镜设计中，n＝1，上式变形为：由步骤(1)和(2)中所确定的α和β求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量；由步骤(1)和(2)中所确定的α和β求出入射光线的单位向量和与之对应的出射光线的方向向量；应用折反射公式，通过初始点的坐标和与其对应的出射光线的单位向量，得到初始点的法向向量，从而确定该点的切平面，该切平面与第二点的入射光线相交从而确定第二点，由前一点的切平面与下一点的法向量所在的直线相交可得出下一点，通过计算机迭代可得出自由曲面上离散点的坐标；(4)将计算所得的离散点坐标导入机械建模软件中，可通过线性插值拟合或取样插值得到自由曲面反射镜模型，最后通过镜像获得完整的对称模型。...

【技术特征摘要】
1.一种LED汽车后雾灯用的自由曲面反射镜设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)以LED光源发光面的中心为原点O，发光面所在平面为XOY平面，过原点O与XOY平面垂直的轴为z轴建立空间立体坐标系；LED光源的发光方向沿z轴正方向；与Y轴交点为o且平行于平面XOZ的平面为目标照明面，点o为目标照明面的中心点；设目标照明面与原点的距离为H，为了满足菱形范围内的照明要求，在目标照明面上实现长为L宽为W的矩形光斑；最终所要得到的光斑形状具有对称性，因此取目标照明面位于x轴正方向的矩形作为研究对象，则其为面积为L/2×W/2的矩形，建立了正半轴的模型后，通过作对称可得到完整反射镜模型；对正半轴矩形进行区域均匀划分，首先，沿x轴方向将L/2等分成m份，沿z轴将W/2等分为n份，从而得到目标平面上的离散点坐标数组，分别为x(m)和z(n)；由此便将目标照明面矩形划分成为m×n份网格；(2)将LED光源发光立体角进行角度划分，其中α为出射光线与X轴组成的平面与XOZ平面的夹角，β为出射光线与X轴的夹角；则通过α和β可以确定光源发出的每条光线的方向矢量，即建立光源立体角与目标照明面的映射关系，在α角上划分为m份，在β角上划分为n份；设LED光源总光通量为Φ，则光源中心光强为I0＝Φ/π，其他方向光线强度与中心光强的关系为I(i,j)＝I0cosαsinβ；基于立体角元划分方式，相邻两个α角内的总能量为：对应在目标照明面上的矩形内，设目标照明面的平均照度为Ev，并设对应的照明区域为沿x轴方向的条状矩形区域，则根据能量守恒定律有：

【专利技术属性】
技术研发人员：葛鹏，寇灵梅，陈诗阳，李秀丰，王洪，
申请(专利权)人：中山市华南理工大学现代产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44