CN102563493A - 一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法 - Google Patents

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武汉
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朱骞
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Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法，主要由光源、数字微镜元件、导光管、投影透镜组成，光源直接照射或配合镜面照射数字微镜元件，数字微镜元件上含有多个微镜，微镜向一侧翻转后，反射的光通过投影透镜在配光屏幕上形成主光斑，数字微镜元件上微镜向另一侧翻转后，反射出光线，被导光管收集，经过导光管匀光后，通过镜面反射或折射投射到配光屏幕上，形成辅助光斑，两部分光斑叠加形成满足要求的光斑。本设计方法既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便的实现自适应前照灯的各种照明要求，可以实现远光、近光、高速道路照明、弯道照明等不同功能。

Description

一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法
技术领域
本发明涉及一种汽车前照灯的技术领域，尤其是一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法。
背景技术
传统的汽车前照灯系统主要是由近光灯、远光灯等模块组合而成，其光束都是固定的，只能简单的在远光灯、近光灯之间切换，实现的功能少，可靠性低，不能满足越来越高的汽车行驶安全要求，实际使用中传统的前照灯存在着诸多缺点，例如，汽车在转弯时，由于前照灯的角度受到限制，存在照明暗区，会影响司机对弯道上障碍物的判断；车辆高速行驶的时候，由于照射距离有限，影响驾驶员对前方障碍物的可视性，不能保证安全制动距离，降低了车辆行驶的主动安全性；对于城市公路来说，照明条件较好，且车流人流密度都比较大，此时传统前照灯容易产生炫目。为此国外提出了自适应前照灯的概念，可以方便智能的实现远光、近光、高速道路照明、城市道路照明和弯道照明等不同功能，由于需要实现的功能太多，光学设计复杂，不易于实现，目前的设计方法尚不成熟。
专利号为“US 6,497,503 B1”，名称为“Headlamp system with selectable beam pattern”的美国专利，提出利用数字微镜元件来设计自适应前照灯，但其仅利用了数字微镜元件上微镜向一侧翻转时反射的光能，数字微镜元件上微镜向另一侧翻转时反射的光能就损失掉，光能没有得到充分利用。A.Günther的论文“Optical concept for an active headlamp with aDMD array”，发表在Proceedings of SPIE 7003，70032D(2008)，把数字微镜元件上微镜向一侧翻转时反射的光能投影到配光屏幕，而微镜向另一侧翻转反射的光能直接被吸收掉，光能没有得到充分利用。另外，Chuan-Cheng Hung等人的论文“Optical design of automotiveheadlight system incorporating digital micromirror device”，发表在Applied Optics，Vol.49，Issue22，pp.4182-4187(2010)，提出通过自由曲面反射器收集被数字微镜元件向两侧翻转后反射出的光线，再通过投影透镜透射到配光屏幕上，其缺点是该自由曲面设计极为复杂，无法实现自适应前照灯的多种光斑，只能简单实现传统远光灯、近光灯，且自由曲面加工困难，导致成本上升。
因此在数字微镜元件技术中，迫切需要一种既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便的实现自适应前照灯的各种照明要求的光学设计方法。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法。
本发明通过下述方法来解决上述问题：
一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法，主要由光源、数字微镜元件、导光管、投影透镜组成。
光源直接照射或配合镜面照射数字微镜元件，数字微镜元件上含有多个微镜，微镜向一侧翻转后，反射的光通过投影透镜在配光屏幕上形成主光斑，微镜向另一侧翻转后，反射出光线，被导光管收集，经过导光管匀光后，通过镜面反射或折射投射到配光屏幕上，形成辅助光斑，两部分光斑叠加形成满足要求的光斑。
数字微镜元件上所有微镜构成的矩形的长宽比可以为1∶1至5∶1之间，优选的比例为14∶5。
导光管的横截面形状可根据需要而定为多种形状，优选的形状和辅助光斑一致。
数字微镜元件(Digital Micro mirror Device)，简称为DMD，它在一个芯片上集成了大量的微镜，由微控制器控制，在电子开关的作用下，每个微镜都可独立高频翻转到正向、反向两个位置，微控制器通过脉冲宽度大小来控制每个微镜翻转后保持的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。通过一定的微镜阵列组合就可以实现期望的光斑效果。
DMD芯片上微镜的翻转由微控制器来控制，微控制器收集各种信号，然后给DMD芯片输送一定的控制信号，从而产生相应的光斑。
本发明的有益效果是：本设计方法既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便的实现自适应前照灯的各种照明要求，可以实现远光、近光、高速道路照明、弯道照明等不同功能，并且容易加工，成本相对较低。
附图说明
图1是光路示意图，其中微镜翻转+12度后，反射的光线被导光管收集，通过透镜后透射到配光屏幕上，产生辅助光斑，微镜翻转-12度后，反射的光线通过投影透镜投射到配光屏幕上，产生主光斑。
图2是光路示意图，其中微镜翻转-12度后，反射的光线被导光管收集，通过透镜后透射到配光屏幕上，产生辅助光斑，微镜翻转+12度后，反射的光线通过投影透镜投射到配光屏幕上，产生主光斑。
图3是实际光路示意图。
图4是近光灯配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B叠加在A上。
图5是远光灯配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B叠加在A上。
图6是左转弯时照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B叠加在A上。
图7是右转弯时照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B叠加在A上。
图8是高速道路照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B叠加在A上。
图中1.光源，2.数字微镜元件，3.微镜，4.导光管，5.投影透镜，6.投影透镜，7.配光屏幕。
具体实施方式
下面结合附图和实例讲述具体实施方案。
下文中所述的标准具体指国家标准《GB 4599-2007汽车用灯丝灯泡前照灯》。
图1是一个实施例，光源发出光线，照射数字微镜元件，微镜在±12度两个位置快速翻转，虚线位置表示角度为0度，当该微镜翻转至-12度位置，反射的光线经投影透镜投射到配光屏幕上，该部分光线形成主光斑。
微镜翻转至+12度位置，反射的光线被导光管收集，从导光管出射的光线经另一投影透镜投射到配光屏幕上，形成一辅助光斑，该辅助光斑配合主光斑，共同形成符合相应标准的照明光斑。
图2是另一个实施例，当微镜翻转至+12度位置，反射的光线经投影透镜投射到配光屏幕上，形成主光斑；微镜翻转至-12度位置，反射的光线被导光管收集，从导光管出射的光线经另一个投影透镜投射到配光屏幕上，形成一辅助光斑，该辅助光斑配合主光斑，共同形成符合相应标准的照明光斑。
图3中，展现了一个实际光路的示意图，光源发出光线照射到数字微镜元件上面，被数字微镜元件反射的光线，一部分被投影透镜透射到配光屏幕上，形成主光斑，另一部分光线被导光管收集，经导光管匀光后，出射的光线被另一个投影透镜透射到配光屏幕上一固定区域，形成辅助光斑，辅助光斑配合主光斑形成符合标准的照明光斑。
在上述示例中，使用了两个投影透镜，实际应用上仅使用一个比较大的投影透镜也是可以的。
B部分光斑可以根据需要而定为多种形状，如多边形、矩形、三角形和圆形，优选的形状为矩形和圆形。
图4是近光灯配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B部分叠加在A部分上面，共同形成满足标准的近光灯光斑。
图5是远光灯配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B部分叠加在A部分上面，共同形成满足标准的远光灯光斑。
图6是左转弯时照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B部分叠加在A部分上面，共同形成满足标准的照明光斑。
图7是右转弯时照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B部分叠加在A部分上面，共同形成满足标准的照明光斑。
图8是高速道路照明配光示例图，A部分为主光斑，B部分为矩形辅助光斑，B部分叠加在A部分上面，共同形成满足标准的照明光斑。
主光斑的形状及照度分布是可以根据照明需要而做出调整，可以满足远光、近光、高速道路照明和弯道照明等不同照明需要。
对于图1中的实施例，配光屏幕上主光斑形状由数字微镜元件上翻转至-12度位置的微镜构成的区域形状确定，主光斑在配光屏幕上每一点的照度大小，受与其对应的微镜在-12度位置停留时间与+12度位置停留时间的比值的影响，该比值越大，对应配光屏幕上点的照度越大，当微镜一直停留在-12度位置时，其对应配光屏幕上点的照度值最大，当微镜一直停留在+12度位置时，其对应配光屏幕上点的照度值为零。
数字微镜元件上微镜翻转到+12度时，反射的光线全部被导光管收集，用来产生辅助光斑。
根据需要，导光管的截面形状可以为多边形、矩形、三角形和圆形，优选的形状和辅助光斑一致。
数字微镜元件由微控制器控制，微控制器接收传感器采集的环境光强、车速、转向、道路状况以及GPS等信号，经过控制逻辑和算法，产生控制命令给数字微镜元件，实现对数字微镜元件上每个微镜的独立控制，从而到达预期的照明效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效，以及部分的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法，主要由光源、数字微镜元件、导光管、投影透镜组成，光源直接照射或配合镜面照射数字微镜元件，数字微镜元件上含有多个微镜，微镜向一侧翻转后，反射的光通过投影透镜在配光屏幕上形成主光斑，其特征为：微镜向另一侧翻转后，反射出光线，被导光管收集，经过导光管匀光后，通过镜面反射或折射投射到配光屏幕上，形成辅助光斑，两部分光斑叠加形成满足要求的光斑。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法，其特征是：数字微镜元件上所有微镜构成的矩形的长宽比可以为1∶1至5∶1之间，优选的比例为14∶5。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法，其特征是：导光管的横截面形状可根据需要而定为多种形状，优选的形状和辅助光斑一致。
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