CN106907650A - 一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，迎宾灯光学元件为距离照射面预设间距范围的光学阵列，光学阵列由若干光学组件组成；光学组件包括光源和圆形的光环生成透镜，子光源为点光源；各光学组件的光环生成透镜受光面位于同一平面上；所述子光源的出射光线经光环生成透镜折射后在照射面上生成圆环形光斑；当子光源与光环生成透镜光轴的相对位置变化时，光学组件生成的圆环形光斑在照射面上的位置发生变化，使各光学组件生成的环形光斑图案相互组合；本发明能以类菲涅尔折射光学元件来在照射面上生成光环图案，并能通过调整子光源位置使生成的光环图案相互组合，在照射面上生成形如奥迪商标的四环图案。

Description

一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及灯光美化技术领域，尤其是一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法。

背景技术

汽车迎宾灯是一种用于夜间打开车门时照亮车门周围地面的光学照明器（或照明灯具）。汽车迎宾灯照射在地面时可以显示轿车的品牌标志(LOGO)。汽车迎宾灯可以同时具有照明与宣传公司品牌的功能。目前汽车迎宾灯市场上已经逐渐得到推广使用。将来可望成为各种轿车与运动型多用途汽车的标配功能部件。

迄今为止，几乎所有迎宾灯的光学系统均由点光源，准直物镜，成像镜头或非成像光学元件等构成。也就是说，照明光源的设计均采用准直光束，准直光束照射幻灯片经投影镜头而成像，或准直光束照射非成像折射或衍射光学元件产生期待的光学照明图案；但这样的设计将削减光束强度或是增加灯具复杂度，对于汽车灯具此类对照明能力和抗震性能要求严格的设备而言存在不利因素；如能设计一种无须准直光束（平行光）的迎宾灯，将有利于此类迎宾灯的设计和制造。

发明内容

本发明提出一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，无须准直透镜对光束平行准直，能直接以点光源折射光在照射面上生成光环图案，并能通过组合结构来在照射面上生成形如奥迪商标的四环图案。

本发明采用以下技术方案。

一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，所述迎宾灯光学元件为距离照射面预设间距范围的光学阵列；所述光学阵列由若干光学组件组成；所述光学组件包括子光源和圆形的光环生成透镜；所述子光源为点光源；各光学组件的光环生成透镜受光面位于同一平面上；所述子光源的出射光线经光环生成透镜折射后在照射面上生成圆环形光斑；当子光源与光环生成透镜光轴的相对位置变化时，光学组件生成的圆环形光斑在照射面上的位置发生变化。

所述光环生成透镜的出光面上设有i个截面呈锯齿形状的同心齿环；齿环圆心与光环生成透镜的圆心重合，各齿环齿形宽度相同；齿环的锯齿形状中，锯齿一边垂直于光环生成透镜受光面；锯齿另一边为与光环生成透镜受光面成角度设置的斜面边。

所述同心齿环各齿环齿形的计算方法为；设当子光源光线在第i环齿形折射时，以i为各齿环参数下标，子光源光线在齿形中点处受光面的入射角为α_i，在齿形中点处受光面的折射角为β_i，在齿形中点处出光面的折射角为γ_i；设齿形高度为h_i，齿形宽为p，齿形中点到光环生成透镜中心轴的径向距离为r_i，齿形斜面与光环生成透镜受光面的齿形倾角为θ_i；光环生成透镜材料折射率为n时；

该齿形处各参数的关系以公式1表述为；

该齿形处各参数的关系以公式2表述为；

由公式1、公式2可知齿形倾角θ以公式3表述为；

设子光源与光环生成透镜受光面的垂直距离为l ，子光源光线经光环生成透镜折射后在距离WD的照射面上形成半径为d的光环；

则有公式4；和公式5；

由于各齿环齿形宽度相同，可得公式6；以及公式7；

至此得知第i环齿形的r_i、h_i、θ_i参数，明确第i环齿形形状。

当要求光学阵列生成四个环形光斑，且环形光斑在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内子光源位置相对光环生成透镜光轴进行小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加。

所述生成四环图案的光学阵列的光学组件还内设遮光板以削减光斑叠加部分的光强；所述遮光板为以不透明吸光材料制作的扇形板；所述遮光板置于光源和光环生成透镜受光面之间，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处。

所述扇形遮光板数量为两个以上，各扇形遮光板彼此成角度地设于透镜受光面上。

所述子光源为半导体激光器或是LED光源。

所述光环生成透镜的出光面的齿形坐标点集合的计算方法依次分为以下步骤；

A1、确认所需生成环形光斑的半径d和透镜受光面与照射面之间的距离WD；

A2、按光源出射光的中心波长，确定光环生成透镜的材料折射率n的值；

A3、根据所需生成的环形光斑数量，确定组成光学阵列的光学组件数量，环形光斑数即为光学组件数量；

A4、根据迎宾灯的尺寸、光学组件数量来确定光环生成透镜的直径，再根据实际加工需要确定每个光环生成透镜上的各同心齿环的齿宽p，按各同心齿环均匀布满光环生成透镜的出光面来进行设计并计算齿环数量i，同时设定子光源的位置位于光环生成透镜的光轴上；

A5、按公式6计算出各同心齿环截面上齿形斜面中点到透镜中心轴的距离；

A6、按公式3计算出各同心齿环截面上齿形的齿形倾角θ；

A7、计算子光源光线在齿形中点处受光面的入射角α_i，按公式7计算出各同心齿环截面上齿形的齿高；

A8、计算光环生成透镜出光面的齿形坐标点集合。

所述生成四环图案的光学阵列的光环图案调整方法依次包括以下步骤；

B1、确认各光学组件内子光源初始位的中心发光矢量沿系统光轴后，调整各光学组件内子光源的位置，使之小幅偏离光环生成透镜的光轴，从而让各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；

B2、微调各光学组件内子光源的位置，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上的叠加范围达到所需值；

B3、把扇形遮光板彼此成角度地放于透镜受光面上，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处；

B4、调整扇形遮光板的数量和位置，使环形光斑叠加处的光强削减至与环形光斑其它部位相近或相同；

B5、把扇形遮光板固定于光环生成透镜受光面。

本发明采用的光环生成透镜为类菲涅尔折射光学元件，通过类菲涅尔折射光学元件获得光环图案，可以获得较高的光学效率；光源光线经类菲涅尔折射光学元件直接产生光斑图案，没有损耗，能够以较低的功耗实现更高的亮度，同时产品尺寸轻巧，便于安装，而且由于结构精简，使得此产品的抗震性能更好。

本发明中，当要求光学阵列生成四个环形光斑，且环形光斑在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内子光源位置相对光环生成透镜光轴进行小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；该设计使得本发明的光学图案易于调节，仅需对子光源位置进行微调即可，而且调整结构简单紧凑，抗震性能更好，更适用于汽车灯这样需要抗震的产品。

本发明通过类菲涅尔折射光学元件直接产生光斑图案，无需制作印刷层、菲林或是衍射元件，也无需微型投影镜头。该新型照明器具有图像清晰，能量利用率高，图像焦深大，成本低等优点。

由于本专利以透镜聚焦生成环形光斑，光斑形状由聚焦光路形成，且聚焦光路长，因此对照射面的距离要求并不严格，即使因车辆行驶颠簸或车停于不平路面而使照射面距离有所偏离或倾斜，所生成的环形光斑的俯视向形状也不易产生过大形变。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图（各光学组件直线排列）；

附图2是本发明光学组件的剖切示意图；

附图3是本发明光环生成透镜齿环处的光线折射示意图；

附图4是本发明光学组件直线排列时，遮光板在光环生成透镜上的分布示意图；

附图5是本发明光学组件矩形排列时，遮光板在光环生成透镜上的分布示意图；

附图6是本发明在照射面上所生成形如奥迪商标的四环图案的示意图；

附图7是本发明在照射面上所生成形如奥迪商标的四环图案的光强度三维示意图；

附图8是本发明的另一示意图（各光学组件矩形排列）；

图中：1-遮光板；2-光环生成透镜；3-子光源；4-环形光斑；5-环形光斑的叠加范围；6-照射面；7-齿环；8-光学阵列；9-光学组件。

具体实施方式

如图1-7所示，一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，所述迎宾灯光学元件为距离照射面预设间距范围的光学阵列；所述光学阵列由若干光学组件组成；所述光学组件包括子光源3和圆形的光环生成透镜2；所述子光源3为点光源；各光学组件的光环生成透镜受光面位于同一平面上；所述子光源3的出射光线经光环生成透镜折射后在照射面6上生成圆环形光斑；当子光源3与光环生成透镜2光轴的相对位置变化时，光学组件9生成的圆环形光斑在照射面上的位置发生变化。

所述光环生成透镜的出光面上设有i个截面呈锯齿形状的同心齿环7；齿环7圆心与光环生成透镜2的圆心重合，各齿环7齿形宽度相同；齿环的锯齿形状中，锯齿一边垂直于光环生成透镜受光面；锯齿另一边为与光环生成透镜受光面成角度设置的斜面边。

所述同心齿环7各齿环齿形的计算方法为；设当子光源光线在第i环齿形折射时，以i为各齿环参数下标，子光源光线在齿形中点处受光面的入射角为α_i，在齿形中点处受光面的折射角为β_i，在齿形中点处出光面的折射角为γ_i；设齿形高度为h_i，齿形宽为p，齿形中点到光环生成透镜中心轴的径向距离为r_i，齿形斜面与光环生成透镜受光面的齿形倾角为θ_i；光环生成透镜材料折射率为n时；

该齿形处各参数的关系以公式1表述为；

该齿形处各参数的关系以公式2表述为；

由公式1、公式2可知齿形倾角θ以公式3表述为；

设子光源与光环生成透镜受光面的垂直距离为l ，子光源光线经光环生成透镜折射后在距离WD的照射面上形成半径为d的光环；

则有公式4；和公式5；

由于各齿环齿形宽度相同，可得公式6；以及公式7；

至此得知第i环齿形的r_i、h_i、θ_i参数，明确第i环齿形形状。

当要求光学阵列生成四个环形光斑4，且环形光斑4在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件9组成；各光学组件9内子光源3位置相对光环生成透镜光轴进行小幅偏移，使各光学组件9产生的环形光斑4在照射面6上发生偏移并叠加。

所述生成四环图案的光学阵列的光学组件还内设遮光板1以削减光斑叠加部分5的光强；所述遮光板1为以不透明吸光材料制作的扇形板；所述遮光板置于光源和光环生成透镜受光面之间，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处。

所述扇形遮光板数量为两个以上，各扇形遮光板彼此成角度地设于透镜受光面上。

所述子光源为半导体激光器或是LED光源。

所述光环生成透镜的出光面的齿形坐标点集合的计算方法依次分为以下步骤；

A1、确认所需生成环形光斑的半径d和透镜受光面与照射面之间的距离WD；

A2、按光源出射光的中心波长，确定光环生成透镜的材料折射率n的值；

A3、根据所需生成的环形光斑数量，确定组成光学阵列的光学组件数量，环形光斑数即为光学组件数量；

A4、根据迎宾灯的尺寸、光学组件数量来确定光环生成透镜的直径，再根据实际加工需要确定每个光环生成透镜上的各同心齿环的齿宽p，按各同心齿环均匀布满光环生成透镜的出光面来进行设计并计算齿环数量i，同时设定子光源的位置位于光环生成透镜的光轴上；

A5、按公式6计算出各同心齿环截面上齿形斜面中点到透镜中心轴的距离；

A6、按公式3计算出各同心齿环截面上齿形的齿形倾角θ；

A7、计算子光源光线在齿形中点处受光面的入射角α_i，按公式7计算出各同心齿环截面上齿形的齿高；

A8、计算光环生成透镜出光面的齿形坐标点集合。

所述生成四环图案的光学阵列的光环图案调整方法依次包括以下步骤；

B1、确认各光学组件内子光源初始位的中心发光矢量沿系统光轴后，调整各光学组件内子光源的位置，使之小幅偏离光环生成透镜的光轴，从而让各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；

B2、微调各光学组件内子光源的位置，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上的叠加范围达到所需值；

B3、把扇形遮光板彼此成角度地放于透镜受光面上，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处；

B4、调整扇形遮光板的数量和位置，使环形光斑叠加处的光强削减至与环形光斑其它部位相近或相同；

B5、把扇形遮光板固定于光环生成透镜受光面。

实施例1：

奥迪牌的汽车在后视镜下方或是车门下方处设置本发明的迎宾灯，当汽车解锁或是车门打开时，迎宾灯的光学组件内的子光源发光，子光源光线直接在光环生成透镜处折射使迎宾灯向下投射光斑，各光学组件生成的环形光斑相互叠加，在后视镜下方或是车门下方的地面（照射面）上产生奥迪商标的四环图案，由于此四环图案基于透镜聚焦光路形成，因此对迎宾灯的高度精度要求不高（也就是对透镜受光面与照射面之间的距离精度要求不高），在车辆行驶时或是车辆停于不平的路面时，迎宾灯投射的四环图案的俯视向形状仍能基本保持不变。

当需对迎宾灯生成的光环的叠加效果进行调整时，只需对各光学组件内的子光源位置进行微调，使子光源与光环生成透镜光轴的距离发生改变即可。

Claims (7)

1.一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述迎宾灯光学元件为距离照射面预设间距范围的光学阵列；所述光学阵列由若干光学组件组成；所述光学组件包括子光源和圆形的光环生成透镜；所述子光源为点光源；各光学组件的光环生成透镜受光面位于同一平面上；所述子光源的出射光线经光环生成透镜折射后在照射面上生成圆环形光斑；当子光源与光环生成透镜光轴的相对位置变化时，光学组件生成的圆环形光斑在照射面上的位置发生变化；

所述光环生成透镜的出光面上设有i个截面呈锯齿形状的同心齿环；齿环圆心与光环生成透镜的圆心重合，各齿环齿形宽度相同；齿环的锯齿形状中，锯齿一边垂直于光环生成透镜受光面；锯齿另一边为与光环生成透镜受光面成角度设置的斜面边；

所述同心齿环各齿环齿形的计算方法为；设当子光源光线在第i环齿形折射时，以i为各齿环参数下标，子光源光线在齿形中点处受光面的入射角为α_i，在齿形中点处受光面的折射角为β_i，在齿形中点处出光面的折射角为γ_i；设齿形高度为h_i，齿形宽为p，齿形中点到光环生成透镜中心轴的径向距离为r_i，齿形斜面与光环生成透镜受光面的齿形倾角为θ_i；光环生成透镜材料折射率为n时；

该齿形处各参数的关系以公式1表述为；

该齿形处各参数的关系以公式2表述为；

由公式1、公式2可知齿形倾角θ以公式3表述为；

设子光源与光环生成透镜受光面的垂直距离为l ，子光源光线经光环生成透镜折射后在距离WD的照射面上形成半径为d的光环；

则有公式4；和公式5；

由于各齿环齿形宽度相同，可得公式6；以及公式7；

至此得知第i环齿形的r_i、h_i、θ_i参数，明确第i环齿形形状。

2.根据权利要求1所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：当要求光学阵列生成四个环形光斑，且环形光斑在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内子光源位置相对光环生成透镜光轴进行小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加。

3.根据权利要求2所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述生成四环图案的光学阵列的光学组件还内设遮光板以削减光斑叠加部分的光强；所述遮光板为以不透明吸光材料制作的扇形板；所述遮光板置于光源和光环生成透镜受光面之间，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处。

4.根据权利要求3所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述扇形遮光板数量为两个以上，各扇形遮光板彼此成角度地设于透镜受光面上。

5.根据权利要求4所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述子光源为半导体激光器或是LED光源。

6.根据权利要求5所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述光环生成透镜的出光面的齿形坐标点集合的计算方法依次分为以下步骤；

A1、确认所需生成环形光斑的半径d和透镜受光面与照射面之间的距离WD；

A2、按光源出射光的中心波长，确定光环生成透镜的材料折射率n的值；

A3、根据所需生成的环形光斑数量，确定组成光学阵列的光学组件数量，环形光斑数即为光学组件数量；

A4、根据迎宾灯的尺寸、光学组件数量来确定光环生成透镜的直径，再根据实际加工需要确定每个光环生成透镜上的各同心齿环的齿宽p，按各同心齿环均匀布满光环生成透镜的出光面来进行设计并计算齿环数量i，同时设定子光源的位置位于光环生成透镜的光轴上；

A5、按公式6计算出各同心齿环截面上齿形斜面中点到透镜中心轴的距离；

A6、按公式3计算出各同心齿环截面上齿形的齿形倾角θ；

A7、计算子光源光线在齿形中点处受光面的入射角α_i，按公式7计算出各同心齿环截面上齿形的齿高；

A8、计算光环生成透镜出光面的齿形坐标点集合。

7.根据权利要求5所述的一种产生光环组合图案的迎宾灯光学元件及其设计方法，其特征在于：所述生成四环图案的光学阵列的光环图案调整方法依次包括以下步骤；

B1、确认各光学组件内子光源初始位的中心发光矢量沿系统光轴后，调整各光学组件内子光源的位置，使之小幅偏离光环生成透镜的光轴，从而让各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；

B2、微调各光学组件内子光源的位置，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上的叠加范围达到所需值；

B3、把扇形遮光板彼此成角度地放于透镜受光面上，扇形遮光板的顶点位于光环生成透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处；

B4、调整扇形遮光板的数量和位置，使环形光斑叠加处的光强削减至与环形光斑其它部位相近或相同；

B5、把扇形遮光板固定于光环生成透镜受光面。