自由曲面汽车前照灯光学透镜设计方法

基金项目 院 广 东省 重 大 科 技 专 项计 划 (2009A080301013,2010A080402009) 曰 广 东省 战略 性新 型产 业 专 项 资 金 LED 产 业 项 目 作者简介 院 王 洪 (1964-) 袁 男 袁 教授 袁 博 士 生 导 师 袁 主要从事光学 系 统 设计 , 微 纳 光电材料与器件 袁 光通信 网络 与器件方面的研究 遥 Email: phhwang@ (2011A081301004,2012A080302003,2012A080304015)曰广州市重大科技专项计划(2010U1- D00221, 2011Y5-00006)
计算 过 程 中 袁 先 能 量 守 恒 定 理 袁 将 LED 芯片的发 光 立 体 角 和 照 明 面上的 照 明 区 域 进行 划 分 袁 从而在 照 明 面和 透 镜 的自 由 曲 面 间 建立 起 了 对 应 关 系 袁 再 基
置 为光学 系 统 坐 标 的 原 点 袁 LED 中 心 光 强 的方 向 为
提出了一种自由曲面 LED 汽车前照灯光学透镜的设计方法。 计。文中根据 LED 汽车前照灯的配光特性， 首先由能量守恒原理， 在接收屏上的坐标和透镜自由曲面上的坐标之间建立能量的一一对应关系， 基于非 并使用三 成像光学理论， 采用照度优化设计法， 运用数值计算求解出光学透镜 曲面各个点坐标的坐标值， 维模型软件制作出透镜光学模型。通过蒙特卡洛模拟法来追迹光线仿真， 最后的配光效果完全满足 《汽车 可达到 91%。 用 LED 前照灯》 (GB25991-2010)标准， 系统的光学效率得到显著提高， 关键词 院 LED； 前照灯； 数值计算； 自由曲面 中图分类号 院 O434.19 文献标志码 院 A 文章编号 院 1007-2276(2014)05-1529-06
1.1 近 光 灯 自 由曲 面透 镜 设计 芯片出 射 的光分成 三 束 袁 一 束 光在面 1 发 生 折 射后 出 射 到 目 标 面 曰 另 一 束 光在面 2 发 生 折 射 和在出 射 平面发 生 折 射后 出 射 到 目 标 面 曰 还 有 一 束 光在面 3 发 生反射 和在 入 尧 出 射 平面发 生 两次 折 射后 出 射 到 发出的光 合理 地 分 配 到接 收 屏 上 袁 从而 达 到国家 汽 车 照 明 标准 规 定 的光 斑 分 布 遥 接 收 屏 遥 通过 这 三 个 自 由 曲 面的作 用 袁 将 LED 芯片 如 图 1 所示 袁 在 近 光 灯 透 镜 的 设计 中 袁 将 LED
乙 乙
2 1
圆
员
I0 cos 窑 sin 窑 d d
(2)
的 x (i,j)和 y (i,j)数组[2-3,7]遥
角 度 等分成 j 份袁形成一系列环带区域袁这样就 得到 1.1.2 接 收 屏 上能 量分 配 文 中 根据 国家 标准 (GB25991-2010) 来进行 光学 系 统 的 设计 遥 这 里 把 该 标准 的要求 简 化 为 图 3 所示 ( 以 车辆 右 行 标准 为 例 ) 院 (1) ZONE 玉 的 配 光要 求 是照 明 宽 度 要广 阔 和 (2) ZONE 芋 的 配 光要求 是照度 要 较 小 袁 具 有左 (3) ZONE 郁 的 配 光要求 是照度 要 较大 袁 主要 是 了 (i)和 (i,j)的数组[3-4]遥
图 2 LED 光 源 空 间 坐 标 图 Fig.2 LED lighting source space coordinate
Z 轴的正方向袁
是 Z 轴 与 LED 发 出 的 光 线 的 夹
员
角 袁 为 X 轴 与 出 射 光 投 射 在 XOY 面 的 夹 角 遥 因 此袁 对于任意的由 能量袁有院 袁 圆袁
图 1 近 光 灯 透 镜 配 光 示意 图 Fig.1 Light distribution schematic diagram of low-beam lens
着 半 导 体 材料及 封 装 工 艺 的发展 袁 大 功 率 白 光 LED
汽 车 前 照 灯 的 光 学 设计 与 以 往 的 光 源 光学 系 统 设 计 不同 [2,6]遥 文 中从 最 新出 台 的 叶 汽 车 用 LED 前 照 灯 曳 渊 GB25991-2010 冤 国家 标准 出发 袁 在分 析 LED 前 照 灯 设计 方 法 的基 础 上 袁 提出 了 LED 汽 车 透 镜 的 设计 方 法 袁 该 设计 方 法是 基 于 数 值 计算 的 遥 在 透 镜 的 设计 和
有 寿 命 长 尧 体积 小 尧 响应 快 尧 耗 电 量低 尧 色 温 更 接 近 自
然光 尧 抗 震 能 力 强 和高 效 节 能 等 优 点 [2]遥 近 年 来 袁 随 的光通 量 得到 了 快速 提高 袁 使 LED 在 汽 车 照 明 领域 的 应用 也 在 逐渐 扩 大 袁 从信号 指 示 灯 到现在的 汽 车 前 照 灯 袁 这 反 映 了 LED 将 会 成为 汽 车 照 明 领域 的新 型 光 源 主 流 的发展 趋 势 [1,3-5]遥
收稿日期 院 2013-09-10 曰
修订日期 院 2013-10-22
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红外与激光工程
第 43 卷
0 引 言
汽 车 前 照 灯 系 统 主要 用于 夜 晚 或 恶劣 环 境 下 的 道 路 照 明 袁 对 汽 车 的 行 驶 安 全 至 关 重要 遥 夜 间行 车 时 袁 前 照 灯 不 仅 要 照 亮 前 方 道 路 袁 为 驾驶 员 提 供 一 个 明 亮 开 阔 的视 野 袁 还 要 避免给 迎 面 来 车 的 驾驶 员造 成 眩 光 [1]遥 因 此 袁 一 种 性能 良好 的 前 照 灯 系 统 对 减 少 夜 间 交 通事 故 的发 生 和 促 进行 车 安 全 具 有 十 分 积 极 的作 用 遥 与 传统 的 前 照 灯 光 源 相 比 袁 发光 二 极 管 (LED) 具
光学 系 统 坐 标 系 如 图 2 所示 袁 其中 以 LED 的 位
于 非 成 像 光学 理 论 袁 通过 数 值 计算 求 解 出自 由 曲 面 仿真 并 对 仿真 结 果 进行 分 析 遥
光学 透 镜 的实 体模 型 袁 最 后 建立 光学 系 统 进行 光学
1 设计 原理
家 标准 要求 近 光 灯 不 会 使 道 路上其 他 车辆 的 驾驶 者 能提 供 良好 的路面 照 明 曰 远 光 灯 是 指 当 车辆 前 方 无 其 他 道 路 使 用 者 时 袁 所 使 用 的 远 距离照 明 光 束 遥 近 光 要 用于 野 外或高 速 公 路 照 明 [1,3-5]遥 灯 主要 用于 城 市 街 道 或 乡 间小 道 的 照 明 袁 远 光 灯 主 产生 炫 目 的 感 觉 袁 它 要求 有良好 的 明暗 截 止 线 袁 同 时 LED 汽 车 前 照 灯 主要 包括 近 光 灯 和 远 光 灯 遥 国
Design method of LED headlamp freeform optical lens
Wang Hong, Chen Zanji, Wu Heng, Ge Peng
(Engineering Research Center for Optoelectronics of Guangdong Province, School of Science, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Different from the light distribution characteristics of the traditional light source, LED light characteristics are more complex, the second optical design for LED used in automotive lighting needs to be done. According to the light distribution characteristics of LED automobile headlamp, a freeform optical lens design method for LED headlamp was presented in this paper. By establishing one -to -one relationship between the coordinates of point on the receiving surface and the coordinates of point on the freeform surface of lens according to energy conservation principle, determining the mapping relationship between the energy and the lens, and applying the illumination optimization method, the coordinates of point on the freeform surface of lens was solved out with numerical methods based on non -imaging optics theory, then modeling software was used to establish an optical model for the freeform optical lens. Through tracing the light with Monte Carlo simulation method, the final effect of light distribution fully meets the Automotive headlamps with LED light sources and/or LED modules (GB25991-2010) standards. The simulation results show that the optical efficiency is improved greatly and can be up to 91%. Key words: light emitting diode; headlamps; numerical calculation; freeform surface
第 43 卷第 5 期 Vol.43 No.5
Infrared and Laser Engineering
红外与激光工程
2014 年 5 月
May 2014
自 由曲 面 LED 汽 车前照灯 光 学 透 镜 设计 方法
王 吴 洪， 陈赞吉， 葛 衡， 鹏 ( 华 南 理 工 大 学 理学 院 广 东 省 光电工程技术研究中 心 ，广 东 广 州 510640) 摘 为了将 LED 应用于汽车照明中需对 LED 进行二次光学设 要 院 由于 LED 配光特性不同于传统光源，
对 汽 车 前 照 灯 的 光 斑 也 有 特 别 的 要 求 袁 导 致 LED
传统 光 源 不同 袁 另 外 根据 国家 汽 车 行 业 相 应 标准 袁
LED 芯片的发光 模 型 为 朗 伯 体 袁 其发光 特 性与
1.1.1 光 源 立 体 角 均匀 划 分 光学 模 型 的 时 候 可以 把 LED 设 成 点 光 源 袁 该 发光 模 述如下院 型 为 半 球 型 发光 袁 近 似 为 朗 伯 余 弦 体 袁 光 强 分 布 可 描 I ( )= I0 窑cos (1) 相 对 于 整个 光学 系 统 LED 体积 是 很 小 的 袁 建立
员
袁
圆
所 决定的立体角内
第5期
王
洪 等 院 自 由 曲 面 LED 汽 车 前 照 灯 光 学 透 镜 设 计 方 法
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耘越
值 范围 为 园 ~ 仔 /2 遥 角度
考虑 到 具 体 设计 袁 的 取值 范围 为 0~ 仔袁 的 取 然 后 对 LED 发光立 体 角进行 划 分 袁 在 等分成 i 份袁对于每一个 袁都在 方 向按 方向按