CN104100909B - 一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法。在汽车前照灯领域，现有的技术存在对光线控制不够精准和光能利用率低等缺点。本发明包括投射部分和反射部分，在投射部分中，采用抛物面反射器和准直透镜将LED发出的光线准直，再用双排复眼透镜和会聚透镜将光束均匀的成像在数字微镜上，每排复眼透镜由三种不同形状的小透镜组成。本设计方案的有益效果是：控制精准、实现的照明模式多且各种照明模式的效果都好；将远光和近光分开实现，降低散热难度；利用复眼透镜在数字微镜上形成均匀且具有明暗截止线的光斑，节约光能，提高光能利用率；用双排复眼透镜作为均光系统，光程短且均光效果好。

Description

一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车前照灯的技术领域，尤其是一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法。

背景技术

自适应前照灯系统(AFS，AdaptiveFrontLightingSystem)能够根据周边环境的变化适时自动地调节前照灯的光型、光束照射的远近以及亮度的强弱，提供更适合的照明范围、照明距离和照明角度。自适应前照灯配备了远光、近光、弯道、上下坡、城镇道路、高速、雨雪天气等照明模式。弯道照明模式通过控制前照灯水平旋转角度，给弯道提供足够的照明，消除弯道暗区；上下坡照明模式通过控制前照灯垂直偏转角度，增加上坡时的视野或减小下坡时的眩光；城镇道路模式输出更宽阔的光型，提高照明宽度，增大驾驶员视野；高速模式输出更窄而更长的光型，提高照明深度，满足车辆高速行驶的需要；雨雪天气照明模式减小部分区域的照度，减弱因地面积水的反射对人眼产生的眩光。

现有的自适应前照灯有三种实现方案：1.动态AFS；2.静态LED点阵式AFS；3.数字微镜（DMD）AFS。

公开号为CN102069749A的中国专利公开了一种动态AFS，该方案是通过传感器组采集周围环境的变化，然后由步进电机控制前照灯在水平和垂直方向上偏转来实现自适应功能，但是动态AFS除了传统远光、近光外，主要实现弯道和上下坡照明模式，能实现的照明模式少，仍需要和其他的方案配合才能完全实现自适应功能。

公开号为CN103419709A的中国专利公开一种静态LED点阵式AFS，该方案将多颗LED排成LED阵列，通过控制阵列上每颗LED的发光功率来实现不同的照明模式，但是由于LED数量较多，如果一颗LED损坏，那么整个AFS都不能正常工作，并且该方案存在装配调校困难和对光线控制不够精准的缺点。

公开号为CN102705767A的中国专利公开一种数字微镜AFS，在该方案中，光线经过矩形导光管均光后，均匀的照射到数字微镜元件上，通过控制数字微镜元件上微镜的翻转位置（±12°）和翻转频率来实现不同的照明模式。但是该方案存在以下缺陷：（1）近光和远光都通过数字微镜元件来实现，但是近光需要光束较宽且照度分布相对均匀，而远光则需要光线集中，射程更远。例如，在欧洲颁布的自适应前照灯标准“UNIFORMPROVISIONSCONCERNINGTHEAPPROVALOFADAPTIVEFRONT-LIGHTINGSYSTEMS(AFS)FORMOTORVEHICLES(ECER123)”中，HV点在近光时照度值要小于0.7lux，而在远光时照度值至少需要38.4lux。所以当光源和透镜的各项参数都不变时，仅仅通过数字微镜元件上微镜来实现近光和远光会造成光利用率低、散热难度大、远近光效果都不好等缺陷。(2)对于近光、高速、城镇道路和雨雪天气照明模式都需要在光屏上形成一个具有清晰明暗截止线的光斑，而在该方案中数字微镜元件上形成的是一个16：9或4:3的矩形光斑，通过计算可知，数字微镜元件上只有51.88％或53.6％的微镜处于“ON”态(+12°)，有将近一半的微镜都处于“OFF”态(-12°)，这样不仅加大了数字微镜元件芯片的工作量而且浪费了大量的光能。(3)矩形导光管光程长、均光效果差，会增加系统的体积、降低控制的精准度。

因此在自适应前照灯技术中迫切需要一种实现照明模式多且各种模式效果都好、控制精准、光能利用率高、散热难度小、以及均光系统光程短且均光效果好的光学方案。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法。

一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法，包括投射部分和反射部分，在弯道和上下坡时，用步进电机控制车灯在水平和垂直方向偏转一定的角度；投射部分用于实现近光、高速、城镇道路和雨雪天气照明功能；反射部分用于实现远光功能。

在投射部分中，采用抛物面反射器和准直透镜将LED发出的光线准直，光线再经过双排复眼透镜以后照射到数字微镜元件上。

建立xyz坐标系，z轴平行于地面且指向汽车正前方，x轴平行于地面且垂直z轴，y轴垂直于地面；选用半发散角为θ的LED光源二作为投射部分的光源，抛物面反射器的反射面满足：x²+z²＝2py(-2p≤x≤2p， $\frac{p+2{\mathrm{ptan}}^2\mathrm{\θ}-2p\tan \mathrm{\θ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}}{2}\≤y\≤2p,$ z≤0)。

LED光源二位于抛物面焦点(0,0)上，焦距为f₁的半圆形准直透镜位于(0,0)上，其光轴与y轴重合。

每排复眼透镜都由M行×N列小透镜单元组成，每个小透镜单元的两个折射面分别是平面和曲率半径为r的球面，折射率为n，其焦距为f2＝r/(n-1)，前排和后排透镜的间距等于f2；每排复眼透镜中有三种形状的小透镜，第一行透镜是将矩形透镜左下方去掉一个梯形得到，第二行到第M-1行透镜是将矩形透镜左下方和右上方分别去掉一个梯形得到，最后一行透镜是将矩形透镜右上方去掉一个梯形得到。

每个小透镜的长和较短的宽分别为和，且比值为16:4.5或4:1.5；小透镜中倾斜部分的角度为45度或135度或215度。

用一个复合抛物面聚光器、弯型导光管和平凸透镜二将数字微镜元件处于“OFF”态的微镜所反射的光线收集并投射到配光屏幕的右下方。

本设计方法与现有技术相比的有益效果是：控制精准、实现的照明模式多且各种照明模式的效果都好；将远光和近光分开实现，降低散热难度；利用复眼透镜在数字微镜元件上形成均匀且具有明暗截止线的光斑，节约光能，提高光能利用率；用双排复眼透镜作为均光系统，光程短且均光效果好。

附图说明

图1是自适应前照灯的示意图。

图2是投射部分的示意图。

图3是复眼透镜中三种不同形状小透镜的示意图。

图4是8×6的复眼透镜阵列的示意图。

图5是双排复眼透镜的示意图。

图6是数字微镜元件上均匀且具有明暗截止线的光斑图。

图7是距离车灯25米远的配光屏幕上形成的近光光型图。

图中1.投射部分，2.反射部分，3.自由曲面，4.反光镜，5.LED光源一，6.抛物面反射器，7.LED光源二，8.准直透镜，9.前排复眼透镜，10.后排复眼透镜，11.会聚透镜，12.数字微镜元件，13.复合抛物面聚光器，14.弯型导光管，15平凸透镜一，16.平凸透镜二，17配光屏幕，18.复眼透镜第一行中的一个小透镜，19.复眼透镜中间部分的一个小透镜，20.复眼透镜最后一行中的一个小透镜，21.8×6的复眼透镜阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实例讲述具体实施方案。

图1是自适应前照灯的示意图。由投射部分和反射部分组成，在弯道和上下坡时，用步进电机控制车灯在水平和垂直方向偏转一定的角度；投射部分含有数字微镜和复眼透镜，用于实现近光、高速、城镇道路和雨雪天气照明功能；反射部分含有LED光源和自由曲面反射器，用于实现远光功能。在反射部分中，LED光源一均匀分布在圆柱形灯座上，圆柱形灯座的前端有一个反光镜，可以将不经过反射器直接出射的光线反射到反射器上。

图2是投射部分的示意图。在投射部分的反射器设计中，建立坐标系，轴平行于地面且指向汽车正前方，轴平行于地面且垂直轴，轴垂直于地面；选用半发散角为的LED光源二作为投射部分的光源，抛物面反射器的曲面满足：（，，），为了节省空间，将抛物线后部LED光线不能达到的部分和抛物线右半部分裁减去。LED光源二位于抛物线焦点（0,，0）上，焦距为的半圆形准直透镜位于(0,,0)上，其光轴与轴重合，用来将不能发射到反射器表面的光束准直。

准直光线经过双排复眼透镜后照射到数字微镜元件上，在数字微镜元件上形成一个均匀且有明暗截止线的光斑。数字微镜元件中处于“ON态”的微镜将光线照射到25米远的屏幕上；数字微镜元件中处于“OFF”态微镜不能将光线反射到屏幕上，用复合抛物面聚光器（CPC）、弯型导光管和平凸透镜二将其收集起来后投射到25米远配光屏幕的右下方。该系统实现四种照明模式，分别自适应前照灯标准“UNIFORMPROVISIONSCONCERNINGTHEAPPROVALOFADAPTIVEFRONT-LIGHTINGSYSTEMS(AFS)FORMOTORVEHICLES（ECER123）”中的ClassC（近光）、ClassV（城镇道路）、ClassE（高速）和ClassW（雨雪天气）。

采用双排复眼透镜，每排复眼透镜都由行×列小透镜单元组成。图3是复眼透镜中三种不同形状小透镜的示意图。第一行小透镜是将矩形透镜左下方裁剪去一个梯形得到，如图3左上角（a）所示。第二行到第M-1行小透镜是将矩形透镜左下方和右上方分别裁剪去一个梯形得到，如图3右上角（b）所示。最后一行透镜是将矩形透镜右上方裁剪去一个梯形得到，如图3左下（c）所示。小透镜中倾斜部分的角度为45度或135度或225度。

图4是一个8×6的复眼透镜阵列的示意图。每个小透镜单元的两个折射面分别是平面和曲率半径为r的球面，折射率为n，其焦距为，前排和后排透镜的间距；每个小透镜的长和较短的宽分别为和，且为了与数字微镜元件匹配，小透镜长和较短的宽的比值取4:1.5。虽然本实施例中，小透镜的长宽比是4:1.5，但小透镜的长宽比取16:4.5也是可以的。

图5是双排复眼透镜的示意图，光线经过反射器和准直透镜后平行的照射到双排复眼透镜上，前排复眼透镜将光源分为许多小光源，后排复眼透镜再将这些小光源成像，最后通过会聚透镜后，小光源的像叠加在数字微镜元件上。

图6是数字微镜元件上均匀且具有明暗截止线的光斑图，数字微镜元件上的光斑均匀且具有明暗截止线，左侧截止线先水平再倾斜45度，右侧截止线水平。

图7是车灯在25米远的配光屏幕上形成的近光光型图，在图中，近光光型有着清晰的明暗截止线且各个特殊点（如B50L、75R等）和特殊区域（如Ⅰ区、Ⅲ区等）都符合自适应前照灯标准“UNIFORMPROVISIONSCONCERNINGTHEAPPROVALOFADAPTIVEFRONT-LIGHTINGSYSTEMS(AFS)FORMOTORVEHICLES（ECER123）”。对于高速、城镇道路和雨雪天气照明功能，通过控制数字微镜元件上微镜的翻转位置（±12°）和翻转频率同样可以实现。

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 (1)

1.一种基于复眼透镜的自适应前照灯设计方法，包括投射部分和反射部分，在弯道和上下坡时，用步进电机控制车灯在水平和垂直方向偏转一定的角度，其特征是：投射部分用于实现近光、高速、城镇道路和雨雪天气照明功能；反射部分用于实现远光功能；

在投射部分中，采用抛物面反射器和准直透镜将LED发出的光线准直；光线再经过双排复眼透镜以后照射到数字微镜元件上；

建立xyz坐标系，z轴平行于地面且指向汽车正前方，x轴平行于地面且垂直z轴，y轴垂直于地面；选用半发散角为θ的LED光源二作为投射部分的光源，抛物面反射器的反射面满足： $x^2+z^2=2py(-2p\≤x\≤2p,\frac{p+2{\mathrm{ptan}}^2\mathrm{\θ}-2ptan\mathrm{\θ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}}{2}\≤y\≤2p,$ $z\≤0);$

LED光源二位于抛物面焦点上，焦距为f₁的半圆形准直透镜位于上，其光轴与y轴重合；

每排复眼透镜都由M行×N列小透镜单元组成，每个小透镜单元的两个折射面分别是平面和曲率半径为r的球面，折射率为n，其焦距为f2＝r/(n-1)，前排和后排透镜的间距等于f2；每排复眼透镜中有三种形状的小透镜，第一行透镜是将矩形透镜左下方去掉一个梯形得到，第二行到第M-1行透镜是将矩形透镜左下方和右上方分别去掉一个梯形得到，最后一行透镜是将矩形透镜右上方去掉一个梯形得到；

每个小透镜的长和较短的宽分别为和且比值为16:4.5或4:1.5；小透镜中倾斜部分的角度为45度或135度或215度；

用一个复合抛物面聚光器、弯型导光管和平凸透镜二将数字微镜元件处于“OFF”态的微镜所反射的光线收集并投射到配光屏幕的右下方。