CN104075213A - 一种汽车led远光灯的光学结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车LED远光灯的光学结构，包括环形COB封装的LED、铝金属反射器、分束准直透镜，所述铝金属反射器为喇叭形状，所述铝金属反射器小口径端卡在环形COB封装LED上，所述分束准直透镜与铝金属反射器大口径端连接，所述分束准直透镜由多个棱镜环构成的，所述多个棱镜环从铝金属反射器大口径端开始，直到棱镜环达到最大直径结束，分束准直透镜把光线以分光束的形式将不同角度的光线在各个棱镜环内进行全反射，实现把每一分束光线都投射到规定的照明区域，本发明的光能量得到最大程度的利用。
Description
技术领域
本发明涉及汽车远光灯，特别涉及一种汽车LED远光灯的光学结构。
背景技术
半导体发光二极管具有体积小、寿命长、重量轻、结构简单、功率转换效率高、节能环保，亮度高，稳定性好等优点，在照明领域有着广泛的应用。随着每瓦产生的流明数的增加，LED应用到汽车的照明领域也成为了可能。
目前汽车远光灯的光源主要是用卤素灯，氙气灯，而卤素灯、氙气灯因为寿命以及能耗问题，必然会被固体光源所代替。LED作为新兴的节能环保固体光源，是照明领域的宠儿，但是其也有其自身的问题，比如说，散热要求很高，光学设计困难等技术难题一直困扰着LED应用到汽车前照灯。在普通LED灯具上一般会使用一定数量的LED灯珠，或者使用尺寸较大的板上芯片封装(COB)的LED。如果用这样大面积发光的LED去设计车灯光学系统，传统的抛物线反光罩的设计思想几乎是无法实现。因此，人们开始考虑用多个光学系统，对每一个LED灯珠分别准直的办法来实现，也有人直接加大LED的功率，大大提高LED的流明数来实现汽车的远光照明。这些办法，尽管达到用LED代替白炽灯的目的，但是既没有克服LED发光面积较大的短板，也没有发挥出LED光线可控性强其自身的优势，因此通过精细的光学系统设计，可以很大地提升LED远光灯的光电性能。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种汽车LED远光灯的光学结构。
本发明采用如下技术方案：
一种汽车LED远光灯的光学结构，包括环形COB封装的LED、铝金属反射器、分束准直透镜，所述铝金属反射器为喇叭形状，所述铝金属反射器小口径端卡在环形COB封装LED上，所述分束准直透镜与铝金属反射器大口径端连接。
所述铝金属反射器镀介质增反膜，所述介质增反膜包括四层薄膜，所述四层薄膜依次为MgF2-ZnS-MgF2-ZnS薄膜。
所述铝金属反射器对应的锥角为45度。
所述分束准直透镜由多个棱镜环构成的，所述多个棱镜环从铝金属反射器大口径端开始，直到棱镜环达到最大直径结束。
所述分束准直透镜为亚克力材料制成，透光率为91％。
所述环形COB封装的LED的环线宽度小于等于2mm。
所述四层薄膜，各层光学厚度为光学中心波长的四分之一。
所述环形COB封装的LED具体是将多个LED芯片以圆环形状焊接在铝基板上。
所述环形COB封装的LED的半径与铝金属反射器小口径端的半径相等。
所述铝基板为方形，其边长与棱镜环最大直径相等。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过把-90到45度LED的光线反射到90-45度的方向上,使得不容易实现全反射的光线实现全反射，有利于光能量的充分利用；
(2)本发明在灯具的铝金属反射器上镀上4层介质膜，反射率提高到接近100％的极限水平，这样既提高了能量的利用率，有保护了金属表面不受到腐蚀；
(3)本发明的专门设计的光线分束准直机构，采用分束全反射的办法使得LED发出的光线有效投射到规定的照明区域内，在棱镜环上的入射光线与出射光线与界面法线都是小角度，因此光颜色分离量非常小，照度分布也非常均匀。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的COB封装的环形LED结构图；
图3是本发明的COB封装的环形LED发光原理图；
图4是本发明的棱镜环结构；
图中示出：1-环形COB封装的LED；2-铝金属反射器，3-分束准直透镜，4-铝基板，5-LED环，6-LED芯片，7-全反射面，8-等效光源，10-棱镜环反射斜边，11-棱镜环入射直边。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种汽车LED远光灯的光学结构，包括环形COB封装的LED1、铝金属反射器2、分束准直透镜3，所述铝金属反射器2为喇叭形状，所述铝金属反射器2小口径端卡在环形COB封装LED1内侧，所述分束准直透镜3与铝金属反射器2大口径端连接，所述分束准直透镜3由多个棱镜环构成，所述多个棱镜环的排列顺序为，由铝金属反射器2大口径端开始，直到棱镜环的直径与LED铝基板的长度相等结束，所述铝基板4是方形。
如图2所示，所述环形COB封装LED，是将多个LED芯片6以圆环形状焊接在铝基板4上，形成LED环5，本实施例圆环的半径为10mm，圆环线宽度为2mm。COB封装汽车用LED，芯片封装密度大，散热要好。LED封装过程中不需要加入额外的光线角度控制的机构，避免不必要的光能量损失。另外本实施例环形COB封装的LED灯显色效率超过85％的白光LED，以满足道路照明的要求。
所述铝金属反射器2，具体为喇叭形状，是沿着LED的圆环内侧以45度角扩大展开的锥面，所述铝金属反射器小口径端卡在环形COB封装LED的内侧，反射率约为91.6％。
所述铝金属反射器2镀有一层介质增反膜后，反射率约为99％，所述介质增反膜包括四层薄膜，分别为MgF2-ZnS-MgF2-ZnS薄膜。其中MgF2的折射率为1.38，ZnS的折射率为2.35，介质各层的光学厚度为中心波长550nm的四分之一。
所述分束准直透镜3具体由多个棱镜环构成，多个棱镜环从铝金属反射器大口径端开始延伸，达到分束准直透镜最大直径结束，分数准直透镜的小口径与铝金属反射器大口径端连接，所述分束准直透镜的最大口径由车灯具体尺寸决定的，这里实施例按口径为100mm来计算。
把LED芯片发出的光线在平面上按角度来区分，其中向上方向定义为90度的话，向下的方向为-90度；为了方便表示，把LED芯片6凸出在铝基板4上，如图3所示。
其中-90度到-45度方向的光线，先经过铝金属反射器反射到铝基板上，然后被铝基板反射回铝金属反射器上，最后反射到准直透镜的棱镜环上，即经过3次反射后，原来-90度到-45度方向的光线变成90度到45度的光线，反射主要在LED环内侧与铝金属反射器之间进行；
-45度到0度的光线，经过铝金属反射器与铝基板各1次反射，将变成45度到90度的光线，反射在LED环外侧的铝基板和铝金属反射器之间进行；
0度到45度，经过铝金属反射器一次反射，变成90度到45度的光线；
45度到90度的光线，经过分束准直透镜的全反射面，投射到灯具前方照明区域，如图1所示。
所述的分束准直透镜3，由亚克力材料制成，透过率为91％，对每一分光束直接全反射到25米外光斑半径为2.25米的照明区域，计算得到每一光束的角度应该是10.29度，这个角度由两部分构成，一个是有效光源8到全反射面7上所形成的光锥角度；另一部分是由于这个光锥扫过全反射面的宽度所形成的角度，因此如何确定棱镜环与环形COB封装LED环的距离，如图4所示，表1具体是通过光线入射的角度，入射直边角度以及长度，棱镜环反射斜边的角度和与等效光源8的距离位置来确定棱镜环。由于各个参量互为关系函数，如通过棱镜环反射斜边10角度确定光源到棱镜环的距离，进而确定入射光锥，进而确定棱镜环入射直边11长度，进而计算出发射斜边角度，形成一个函数循环。因此不能通过简单函数直接得到分束准直透镜中棱镜环的所有参数，表1中各数值均是经过数值计算的近似值。
表1
| 序号 | 等效光源尺寸 | 光源到棱镜环距离 | 入射直边角度 | 入射直边长度 | 反射斜边角度 |
| 1 | 2.12 | 40 | 176.38 | 5.07 | 43.19 |
| 2 | 2.33 | 35.24 | 169.51 | 4.03 | 39.76 |
| 3 | 2.49 | 31.18 | 163.49 | 3.03 | 36.75 |
| 4 | 2.60 | 27.64 | 158.3 | 2.32 | 34.15 |
| 5 | 2.68 | 24.79 | 153.88 | 1.75 | 31.94 |
| 6 | 2.73 | 22.51 | 150.19 | 1.31 | 30.10 |
| 7 | 2.77 | 20.78 | 147.2 | 0.96 | 28.6 |
| 8 | 2.79 | 19.35 | 144.81 | 0.72 | 27.43 |
| 9 | 2.80 | 18.30 | 143.07 | 0.49 | 26.54 |
| 10 | 2.81 | 17.36 | 141.79 | 0.32 | 25.9 |
| 11 | 2.83 | 135 | 22.5 |
在实际设计工程中，考虑到加工的难度以及精度问题，当计算光入射直边边长小于0.3mm就按0.3mm来执行。所以到数据小于0.3就不再列出，直接按0.3来执行即可。
其中等效光源是LED芯片和它的镜像合起来的等效发光光源，如图4所示；光源到棱镜环距离是指等效光源8的中心到棱镜环入射边中心的距离；入射直边角度，是指棱镜环的入射边线与水平面形成的角度；入射直边长度，是指棱镜环的入射边线的通光线宽；反射斜边角度，是指棱镜环反射边线与水平面所形成的角度。
分束准直透镜就是由这些棱镜环构成，透镜的最大口径由应用结构所决定，这里应用到汽车前照灯中，那么口径约为100mm。
实施例2
本实施例除以下特征外，其余特征均与实施例1相同。
本实施例的环形COB封装LED的圆环半径为8mm，所述分束准直透镜最大口径的半径约为80mm。
在光入射直边长度小于0.2mm后，每一棱镜环直边长度按0.2mm执行，具体各个参数的数值如表2。
表2
在光入射直边长度小于0.2mm后，每一棱镜环直边长度按0.2mm执行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，包括环形COB封装的LED、铝金属反射器、分束准直透镜，所述铝金属反射器为喇叭形状，所述铝金属反射器小口径端卡在环形COB封装LED上，所述分束准直透镜与铝金属反射器大口径端连接。
2.根据权利要求1所述一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述铝金属反射器镀介质增反膜，所述介质增反膜包括四层薄膜，所述四层薄膜依次为MgF2-ZnS-MgF2-ZnS薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述铝金属反射器对应的锥角为45度。
4.根据权利要求1所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述分束准直透镜由多个棱镜环构成的，所述多个棱镜环从铝金属反射器大口径端开始，直到棱镜环达到最大直径结束。
5.根据权利要求1所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述分束准直透镜为亚克力材料制成，透光率为91％。
6.根据权利要求1所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述环形COB封装的LED的环线宽度小于等于2mm。
7.根据权利要求2所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述四层薄膜，各层光学厚度为光学中心波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述环形COB封装的LED具体是将多个LED芯片以圆环形状焊接在铝基板上。
9.根据权利要求8所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述环形COB封装的LED的半径与铝金属反射器小口径端的半径相等。
10.根据权利要求8所述的一种汽车LED远光灯的光学结构，其特征在于，所述铝基板为方形，其边长与棱镜环最大直径相等。
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