CN102367939A - 折转式汽车led前照灯近光光学系统 - Google Patents
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Abstract
折转式汽车LED前照灯近光光学系统，包括白光LED模组（1）、非球面抛物面准直反射器（2）、第二抛物面反射器（3）、光阑板（4）和投光透镜（5）组成，其特征在于：所述LED模组（1）光源发出的光经过非球面抛物面准直反射器（2）的第一焦点处，再经过第二抛物面反射器（3），将光束主光线折转45度形成第二焦点，在第二焦处放置光阑板（4），投光透镜（5）的前焦点与第二抛物面反射器（3）焦点重合或少许离焦，光束经投光透镜（5）投射出去照明，形成LED汽车前照灯近光灯照明系统。本发明能够发出完全满足国内外相关前照灯近光标准的照明光束，并提供足够的路面照度和较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，仅以能耗5-15W的LED光源（组）实现对于基于传统55W及以上光源卤钨灯和氙灯的近光系统的替代，并且所实现照明效果更优于传统前大灯近光光学系统。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种给机动车驾驶员提供道路照明的基于LED为光源的汽车前照灯的近光光学系统。
背景技术
目前机动车使用的前照灯近光系统能够为机动车驾驶员提供道路照明。根据国内外前照灯标准，近光系统应在避免对道路对面来车驾驶员造成眩光的情况下，提供足够水平宽度的道路照明照亮相邻车道，并同时能照明车道远处，给驾驶员判断路面情况提供方便。
我国所采用的车灯标准GB4599-2007《汽车前照灯配性能》是参考欧洲经济委员会的相关法规《E/ECE/324 Addendum 1:Regulations No.1 and No.2》。根据国标标准，机动车前照灯近光系统需要在车灯前方25米处形成一个水平扩展达到7920mm，垂直扩展达到1250mm的矩形光斑；同时，在光斑的右半部分，在矩形光斑基础上叠加了与水平方向成15°的矩形光斑。整个光斑的上沿要在测试屏幕上形成一条清晰的截止线，即截止线的左半部分水平，右半部分与水平方向成15°；同时，截止线的转折处下方应有一块合适的亮区特殊点照明。
现行的汽车前照灯近光系统主要以卤钨灯和氙灯作为光源，采用的光学系统包括二次曲面反射器-挡板-透镜系统和自由曲面反射器，存在如下问题：1．使用卤钨灯作为光源，要能够产生满足要求的照度，其功率要求非常高，并且车灯所使用的卤钨灯有严格的光源标准和分类，因而系统的运行成本很高；2．前照灯系统需要在夜晚长时间运行，卤钨灯的寿命相对较短，因而需要机场频繁更换灯泡，维护成本也较高； 3. 无论是采用二次曲面反射器-挡板-透镜系统还是采用自由曲面反射器，光源出射的光线都有相当一部分被挡板或者铝帽遮挡和吸收，使整体的光学系统效率受到很大限制；4．采用自由曲面反射器实现的光斑截止线通常不够清晰，存在光斑毛刺。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种折转式汽车LED前照灯近光光学系统，是使用单颗或多颗高功率白光LED模组作为光源，通过非球面抛物面准直反射器、第二抛物面反射器，以光轴为中心水平刀口和15度斜刀口光阑板，投光透镜，实现汽车前照灯近光灯的照明。
本发明提供的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，包括白光LED模组、非球面抛物面准直反射器、第二抛物面反射器、光阑板和投光透镜组成，白光LED模组光源几何中心置于非球面抛物面准直反射器的第一焦点处，第二抛物面反射器位于非球面抛物面准直反射器的下方，第二抛物面反射器的前方设有投光透镜，光阑板位于投光透镜的前焦点附近，其特征在于：所述LED模组光源发出的光经过非球面抛物面准直反射器的第一焦点处，再经过第二抛物面反射器，将光束主光线折转45度形成第二焦点，在第二焦处放置光阑板，投光透镜的前焦点与第二抛物面反射器焦点重合或少许离焦，光束经投光透镜投射出去照明，形成LED汽车前照灯近光灯照明系统。
所述的白光LED模组为大功率多芯片单颗封装的10W白光LED，或采用多颗白光LED阵列的光源模组，光源功率大小5-15W，白光LED光源模组的发光面法线垂直于第一抛物面反射器对称轴。
所述的非球面抛物面准直反射器的长度为20-100 mm，口径为30-150mm的半口径，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
所述的第二抛物面反射器是45度折转离轴抛物面反射器或全反射棱镜，其45度折转离轴抛物面反射器对称轴平行于非球面抛物面准直反射器对称轴，其长度为20-100 mm，口径为50-300 mm，焦距为18-105 mm。
所述的投光透镜的前焦点在第二抛物面反射器焦点附近并向前离焦7mm，棱镜的入射面与折转点，以及投光透镜的光轴重合，投光透镜的相对口径与第二抛物面反射器出射光束的相对口径相当。
所述的光阑板是以光轴为中心的水平刀口和15度斜刀口的光阑板。
本发明，能够发出完全满足国内外相关前照灯近光标准的照明光束，并提供足够的路面照度和较好地避免眩光对于异侧车道车辆驾驶员的影响，以排除行车干扰和帮助机动车驾驶者及时看清前方的（或前面的）路面状况。降低了系统的能耗，通过光学设计使系统发出满足要求的光斑，并且提高其对光能的利用率。仅以能耗5-15W的LED光源（组）实现对于基于传统55W及以上光源卤钨灯和氙灯的近光系统的替代，并且所实现照明效果更优于传统前大灯近光光学系统。
附图说明
图1是本发明经抛物面准直，再经离轴抛物面聚焦的近光光学系统的结构示意图。
图2是本发明经椭球面会聚，再经平面折转的近光光学系统的结构示意图。
图3是本发明经抛物面准直，再经离轴抛物面聚焦的近光光学系统的光路图。
图4是本发明经椭球面会聚，再经平面折转的近光光学系统的光路图。
图5是国标GB4599-2007《汽车前照灯配性能》规定的汽车前照灯的近光系统的25m远处光学测试屏示意图。
图6是分别对应于图1和图2基于LED光源的汽车前照灯的近光光学系统在测试屏上形成的照度平面分布剃度图。
图中：1．LED光源、2．非球面抛物面准直反射器、3．第二抛物面反射器、4．光阑板、5．投光透镜。
具体实施方式
折转式汽车LED前照灯近光光学系统，包括白光LED模组1、非球面抛物面准直反射器2、第二抛物面反射器3、光阑板4和投光透镜5组成，白光LED光源1几何中心置于非球面抛物面准直反射器2的第一焦点处，第二抛物面反射器3位于非球面抛物面准直反射器2的下方，第二抛物面反射器3的前方设有投光透镜5，光阑板4位于投光透镜5的前焦点附近，白光LED模组1光源发出的光经过非球面抛物面准直反射器2的第一焦点处，再经过第二抛物面反射器3，将光束主光线折转45度形成第二焦点，在第二焦处放置光阑板4，投光透镜5的前焦点与第二抛物面反射器3焦点重合或少许离焦，光束经投光透镜投射出去照明，形成LED汽车前照灯近光灯照明系统。
实施例1：
如图1、图2所示的，是本发明经抛物面准直，再经半抛物面聚焦的近光光学系统的结构示意图；采用大功率多芯片单颗封装的10W白光LED1作为光源，型号CREE XML；45度折转离轴抛物面反射器2长度为45mm，口径为60mm的一半，焦距为5mm，光束进入口径为长度为50mm，口径为204mm，焦距为52mm的，第二抛物面反射器抛物面的一部份，即为45度折转离轴抛物面反射器，在这离轴抛物面的焦点处放置光阑板4，投光透镜5的口径为80mm，曲率半径为45mm，前焦点为67mm，投光透镜5的前焦点在45度折转离轴抛物面反射器2焦点附近并向前离焦5-10mm，45度折转离轴抛物面反射器4口径方向与以光轴为中心水平刀口和15度斜刀口的光阑板4折转点，以及与投光透镜5的光轴重合。
实施例2：
如图3、图4所示，是本发明经椭球面会聚，再经平面折转的近光光学系统的结构示意图；采用大功率多芯片单颗封装的10W白光LED作为光源，型号CREE XML；非球面抛物面准直反射器2采用椭球面反射器，其长度为60mm，口径为60mm的一半，第一焦距为8mm，第二焦距为112mm，光束进入口径为长度为61.8mm，边长为30.9mm等腰直角的全反射棱镜，45度全反射折转光束，光束折转后的第二焦点处放置光阑板4，投光透镜的口径为80mm，曲率半径为50mm，前焦点为80mm，投光透镜的前焦点在全反射棱镜焦点附近并向前离焦7mm，棱镜的入射面与以光轴为中心水平刀口和15度斜刀口的光阑板4折转点，以及与投光透镜5的光轴重合。
由图5所示，是国标GB4599-2007《汽车前照灯配性能》规定的汽车前照灯的近光系统的25m远处光学测试屏示意图；将实施例1或2组合好的汽车LED前照灯的近光光学系统光源LED点亮，在25m远测试屏观察光照度分布，并做微调，以满足汽车前照灯近光照明的要求，75R和50R的照度可以达到lx,其它关键点也满足要求。
由图6知，是分别对应于图1和图3的基于LED光源的汽车前照灯的近光光学系统在测试屏上形成的照度平面分布剃度图。
本发明有以下特点：
1.用LED作为光源，功率小，系统能耗小，寿命长；
2.如图1所示结构利用两个抛物面的组合，通过LED光源的准直与再会聚得到适当光束口径的光束，与投光投光透镜的相对孔径的匹配形成汽车LED近光灯照明光束，光通量利用率高，整灯能耗小；
3. 如图3所示结构利用椭球面与平面反射的组合，位于椭球面第一焦点处的LED光源会聚到第二焦点处形成适当光束口径的光束，与投光投光透镜的相对孔径的匹配形成汽车LED近光灯照明光束，光通量利用率高，整灯能耗小；
4、两种类似结构的汽车LED前照灯结构紧凑，安装和维护方便；
5.可采用大功率单颗多芯片封装的LED光源，仅一颗10W的LED就可以在目标照明面上实现给定的照度分布和照度要求，从而可以替代高能耗的传统光源卤钨灯和氙灯。
Claims (6)
1.折转式汽车LED前照灯近光光学系统，包括白光LED模组（1）、非球面抛物面准直反射器（2）、第二抛物面反射器（3）、光阑板（4）和投光透镜（5）组成，白光LED模组（1）的光源几何中心置于非球面抛物面准直反射器（2）的第一焦点处，第二抛物面反射器（3）位于非球面抛物面准直反射器（2）的下方，第二抛物面反射器（3）的前方设有投光透镜（5），光阑板（4）位于投光透镜（5）的前焦点附近，其特征在于：所述LED模组（1）光源发出的光经过非球面抛物面准直反射器（2）的第一焦点处，再经过第二抛物面反射器（3），将光束主光线折转45度形成第二焦点，在第二焦处放置光阑板（4），投光透镜（5）的前焦点与第二抛物面反射器（3）焦点重合或少许离焦，光束经投光透镜（5）投射出去照明，形成LED汽车前照灯近光灯照明系统。
2.根据权利要求1所述的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，其特征在于：所述的白光LED模组（1）为大功率多芯片单颗封装的10W白光LED，或采用多颗白光LED阵列的模组，光源功率大小5-15W，白光LED光源模组的发光面法线垂直于非球面抛物面准直反射器（2）对称轴。
3.根据权利要求1所述的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，其特征在于：所述的非球面抛物面反射器（2）的长度为20-100 mm，口径为30-150mm的半口径，第一焦距为5-50mm，内表面采用高反射率镜面镀膜，反射率达到95%以上。
4.根据权利要求1所述的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，其特征在于：所述的第二抛物面反射器（3）是45度折转离轴抛物面反射器或全反射棱镜，其45度折转离轴抛物面反射器对称轴平行于非球面抛物面准直反射器（2）对称轴，其长度为20-100 mm，口径为50-300 mm，焦距为18-105 mm。
5.根据权利要求1所述的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，其特征在于：所述的投光透镜（5）的前焦点在第二抛物面反射器（3）焦点附近并向前离焦7mm，棱镜的入射面与折转点，以及投光透镜（5）的光轴重合，投光透镜（5）的相对口径与第二抛物面反射器（3）出射光束的相对口径相当。
6.根据权利要求1所述的折转式汽车LED前照灯近光光学系统，其特征在于：所述的光阑板（4）是以光轴为中心的水平刀口和15度斜刀口光阑板。
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