CN107990278A - 基于振幅和相位调制的汽车照明系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于振幅和相位调制的汽车照明系统及汽车。所述汽车照明系统包括照明光源发生器、光束整形系统、空间光调制器、空间光调制控制系统和衍射光学元件；所述照明光源发生器用于发出照明光束，所述光束整形系统用于将照明光束整形成发散传播的光束，所述空间光调制器用于对照明光束的振幅进行调制，所述衍射光学元件用于对照明光束的相位进行调制，所述空间光调制控制系统用于控制所述空间光调制器；所述照明光源发生器发出的照明光束依次经过所述空间光调制器和所述衍射光学元件，所述光束整形系统设置于所述照明光源发生器与所述衍射光学元件之间的光路上。所述汽车包括所述汽车照明系统。本发明可实现不同光型的投射。

Description

基于振幅和相位调制的汽车照明系统及汽车

技术领域

本发明涉及光学照明系统，特别涉及基于振幅和相位调制的汽车照明系统以及包括该照明系统的汽车。

背景技术

汽车前灯照明是夜间行驶安全性的重要保证，在汽车前灯照明技术中，智能车灯已经成为一个发展趋势。传统的汽车前灯一个前灯只能投射出固定形状的照明光场，需要采取远光灯与近光灯分来分别实现远光和近光照明，远光灯和近光灯需要两套系统造成资源上的浪费。

而且传统的汽车前灯需要设计两个不同的自由曲面透镜或者反射镜，虽然目前的技术设计自由曲面透镜和反射镜都已经比较成熟，但是它们的设计成本较高，设计自由度低，不易安装和量产速度慢的问题还是明显的。

传统的汽车前灯无法实现一些花样图案的投射，无法满足对此方面有心理预期的一些消费者的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中上述至少一项技术问题，提出基于振幅和相位调制的汽车照明系统以及包括该照明系统的汽车。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于振幅和相位调制的汽车照明系统，包括照明光源发生器、光束整形系统、空间光调制器、空间光调制控制系统和衍射光学元件；所述照明光源发生器用于发出照明光束，所述光束整形系统用于将照明光束整形成发散传播的光束，所述空间光调制器用于对照明光束的振幅进行调制，所述衍射光学元件用于对照明光束的相位进行调制，所述空间光调制控制系统用于控制所述空间光调制器；所述照明光源发生器发出的照明光束依次经过所述空间光调制器和所述衍射光学元件，所述光束整形系统设置于所述照明光源发生器与所述衍射光学元件之间的光路上；通过对照明光束的振幅和相位进行调制以投射出多种光型。

在一些优选的实施方式中，所述照明光源发生器为白光LED光源发生器。

在进一步优选的实施方式中，所述白光LED光源发生器包括LED发光组件和LED驱动电路，所述LED驱动电路用于控制所述LED发光组件的发光强弱。

在一些优选的实施方式中，所述衍射光学元件为二维表面台阶型结构。

在进一步优选的实施方式中，所述二维表面台阶型结构的台阶数为4台阶以上。

在一些优选的实施方式中，所述衍射光学元件的设计优化算法包括迭代优化算法和搜索优化算法。

在一些优选的实施方式中，所述空间光调制器为振幅型空间光调制器。

在进一步优选的实施方式中，所述振幅型空间光调制器为数字微镜装置，可对照明光束的振幅和强度进行调制。

在一些优选的实施方式中，所述LED发光组件的类型包括：由RGB三色芯片组成的白光LED、由蓝光和黄光混合而成的白光LED、由蓝光芯片激发荧光粉形成的白光LED。

在另一方面，本发明还提供一种汽车，所述汽车包括上述任一汽车照明系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

在照明光源发生器与衍射光学元件之间的光路上设置光束整形系统，光束整形系统将入射至衍射光学元件的照明光束整形成发散传播的光束，通过控制空间光调制器对照明光束的振幅进行调制，协同衍射光学元件对照明光束的相位进行调制，可以实现不同光型的投射，从而实现远光灯和近光灯一体化。同时，还可以提供多种照明模式并且可以投射出有利于驾驶员之间信息交流的不同图案。

用衍射光学元件代替传统的自由曲面透镜或反射镜，可使设计和加工更容易，还可以有效降低系统的复杂性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为照明光束的振幅分布坐标面定义图；

图3为本发明的一个变型方式的结构示意图；

图4为空间光调制器调制后的平行光束先后经过衍射光学元件和球面凸透镜的光路图；

图5为空间光调制器调制后的平行光束先后经过衍射光学元件和球面凹透镜的光路图；

图6为本发明25米外的衍射光场的强度分布图；

图7为本发明的DOE的相位分布图；

图8为本发明的计算得到近光光型的振幅分布图；

图9为本发明计算得到的衍射光场的强度分布图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参考图1，基于振幅和相位调制的汽车照明系统包括照明光源发生器1、光束整形系统2、空间光调制器3、空间光调制控制系统4和衍射光学元件5；照明光源发生器1用于发出照明光束，光束整形系统2用于将照明光束整形成发散传播的光束，空间光调制器3用于对照明光束的振幅进行调制，衍射光学元件5用于对照明光束的相位进行调制，空间光调制控制系统4用于控制空间光调制器3；照明光源发生器1发出的照明光束依次经过空间光调制器3和衍射光学元件5，光束整形系统2设置于照明光源发生器1与衍射光学元件5之间的光路上；本发明通过对照明光束的振幅和相位进行调制以投射出多种光型。

光束整形系统2可将照明光束整形成球面波或柱面波，本发明不限于此，其目的是实现大面积和多方向的光场的投射。空间光调制器3置于照明光源发生器1之后。空间光调制控制系统4与空间光调制器3连接，可对空间光调制器3进行特定的控制和驱动。衍射光学元件5置于空间光调制器3之后，可对照明光束的相位进行调制，从而对照明光束进行扩束和整形，使照明光场可以达到近光和远光所要求的范围。

照明光源发生器1发出照明光束，设置在照明光源发生器1与衍射光学元件5之间的光路上的光束整形系统2会将照明光束整形成发散传播的光束。空间光调制控制系统4根据目标光型控制空间光调制器3加载数据，使空间光调制器3调制入射的照明光束的振幅。被调制振幅后的照明光束入射至衍射光学元件5，衍射光学元件5对照明光束的相位进行调制，从而投射出目标光型。

根据上述可知，在照明光源发生器1与衍射光学元件5之间的光路上设置光束整形系统2，将入射至衍射光学元件5的照明光束整形成发散传播的光束，通过控制空间光调制器3对照明光束的振幅进行调制，协同衍射光学元件5对照明光束的相位进行调制，可以实现不同光型的投射，例如实现远光灯和近光灯一体化。同时，还可以提供多种照明模式并且可以投射出有利于驾驶员之间信息交流的不同图案，可满足不同场景如雨天、雾天、霾天和沙尘暴等的照明要求，为智能车灯和炫酷车灯等提供了可靠的硬件平台。用衍射光学元件5代替传统的自由曲面透镜或反射镜对照明光束进行扩束和整形，可使设计和加工更容易，还可以有效降低系统的复杂性。

以下对本发明做进一步的说明：

照明光源发生器1为白光LED光源发生器。LED是半导体二极管的一种，可以直接把电能转化成光能。具体的，白光LED光源发生器1包括LED发光组件11和LED驱动电路12，LED驱动电路12用于控制LED发光组件11的发光强弱，可以实现不同发光强度的照明。

白光LED光源发生器1的LED发光组件11为RGB三色芯片组成的白光LED，相较于传统的卤素灯，LED发出的光更接近于自然光，不易产生视觉疲劳。

光束整形系统2为球面波整形系统，可将照明光束整形成球面波。

空间光调制器3具体为振幅型空间光调制器，更具体的，是数字微镜装置，可对照明光束的振幅和强度进行调制。

空间光调制控制系统4是一个针对空间光调制器3的控制系统，不同的电信号可以控制驱动装置使空间光调制器3加载不同的数据。

衍射光学元件5为二维表面台阶型结构，为相位型衍射元件，是根据国家标准GB25991-2010进行设计的，特定的照明光束透过衍射光学元件5会在目标面上产生满足特定范围的光场分布。衍射光学元件5的设计优化算法包括GS、YG等迭代优化算法、或是模拟退火、遗传算法、粒子群算法等搜索优化算法。具体的，衍射光学元件5的台阶数为4台阶。

白光LED光源发生器1发出的照明光束由光束整形系统2整形成球面波，空间光调制控制系统4控制空间光调制器3对球面波进行振幅调制，被调制振幅的球面波由衍射光学元件5进行相位调制，最后投射至目标面。

不同种光型是这样实现的：国家标准GB 25991-2010所规定的特定的近光灯光场分布是由照明光束的振幅分布协同衍射光学元件5的相位分布通过衍射积分得到的，由于衍射光学元件5的相位分布已经确定，通过迭代算法可以得到照明光束的振幅分布，也即空间光调制器3应该加载的数据。同理，远光灯光场分布和其它图案的光场分布也可由此方法得到，只需要改变空间光调制器3加载不同的数据即可。

具体的，照明光束的振幅分布通过如下方法得到：

坐标面的定义参考图2，DOE(Diffraction Optical Element衍射光学元件5)所在的面为xoy面，目标面(汽车照明系统所照射的面)为ξoζ面，光强和照度存在一个简单的对应关系，为表达方便这里使用光强阐述，根据衍射理论目标面的光强分布可以写成：

其中r为xoy面上的点到(ξ，ζ)点的距离，λ为波长，i为虚数单位，k＝2π/λ为波数，cosθ为倾斜因子，φ(x,y)为满足光场照明范围所设计的DOE的相位分布，为已知量；I(ξ，ζ)为衍射图样的光强分布，预先想要设计的衍射图样也为已知量；求解振幅分布U₁(x,y)是一个求解非线性方程组的问题。得到的振幅分布通过转化就是DMD(数字微镜装置，DigitalMicromirror Device)上需要加载的数据，具体可以采用现有技术中的方法来转化。DMD的每个像素都可以进行特定的振幅调制，被调制过振幅的照明光束透过衍射光学元件5可以产生特定的图样。

本发明还可以这样实现：

参考图3，光束整形系统2包括平面波整形系统21和透镜22。透镜22可以是球面凸透镜或者球面凹透镜，具体根据光源选择即可。透镜22与衍射光学元件5设置在一起，组合成折衍混合透镜6。平面波照射折衍混合透镜6可以起到与球面波直接照射衍射光学元件5相同的作用。参考图4，空间光调制器调制后的平行光束先后经过衍射光学元件5和球面凸透镜221；或者，参考图5，空间光调制器调制后的平行光束先后经过衍射光学元件5和球面凹透镜222。

白光LED光源发生器1发出的照明光束由平面波整形系统21整形成平面波，空间光调制控制系统4控制空间光调制器3对平面波进行振幅调制，被调制振幅的平面波照射至折衍混合透镜6，折衍混合透镜6对平面波进行相位调制，照明光束最后投射至目标面。

以上对本发明进行了说明，但本发明还可以有一些变型的形式，比如：

LED发光组件11还可以是由蓝光和黄光混合而成的白光LED、由蓝光芯片激发荧光粉形成的白光LED，本发明不以此为限；

照明光源发生器1采用卤素灯；

衍射光学元件5的台阶数大于四，比如是8台阶、16台阶；

可以通过设置传感器实现自动控制投射光型，使智能驾驶的照明模块得以实现。

下面以汽车前照灯最难实现的近光光型为例，通过仿真实验复现实际要求的照明光场，其总体流程为：根据实际照明光场的要求来求解空间光调制器3上的振幅分布，通过空间光调制器3调制照明光束，协同衍射光学元件5进行衍射积分数值计算复现实际要求的照明光场。具体如下：

第一步、根据汽车前照灯国家标准GB 25991-2010，仿真得到一块DOE。球面波照射此DOE可以在25米外形成一个7.96m×7.96m的均匀的照明光场，25米外的衍射光场的强度分布如图6所示。DOE的相位分布如图7所示。

第二步、设计空间光调制器3上加载不同数据，以实现投射出不同的图样。这里以近光灯光型为例，计算得到近光光型的振幅分布如图8所示，通过转化就是空间光调制器3上需要加载的数据。

第三步、所求得的近光光型的振幅分布同之前已经设计的DOE的相位分布构成复振幅分布，通过衍射积分的数值计算，得到衍射光场的强度分布，如图9所示。

图9的衍射光场的强度分布与国家标准GB 25991-2010的一致，可见，本发明实现了发明目的。

在另一方面，本发明还提供一种汽车，该汽车包括上述的汽车照明系统。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于振幅和相位调制的汽车照明系统，其特征在于：包括照明光源发生器、光束整形系统、空间光调制器、空间光调制控制系统和衍射光学元件；所述照明光源发生器用于发出照明光束，所述光束整形系统用于将照明光束整形成发散传播的光束，所述空间光调制器用于对照明光束的振幅进行调制，所述衍射光学元件用于对照明光束的相位进行调制，所述空间光调制控制系统用于控制所述空间光调制器；所述照明光源发生器发出的照明光束依次经过所述空间光调制器和所述衍射光学元件，所述光束整形系统设置于所述照明光源发生器与所述衍射光学元件之间的光路上；通过对照明光束的振幅和相位进行调制以投射出多种光型。

2.根据权利要求1所述的汽车照明系统，其特征在于：所述照明光源发生器为白光LED光源发生器。

3.根据权利要求2所述的汽车照明系统，其特征在于：所述白光LED光源发生器包括LED发光组件和LED驱动电路，所述LED驱动电路用于控制所述LED发光组件的发光强弱。

4.根据权利要求1所述的汽车照明系统，其特征在于：所述衍射光学元件为二维表面台阶型结构。

5.根据权利要求4所述的汽车照明系统，其特征在于：所述二维表面台阶型结构的台阶数为4台阶以上。

6.根据权利要求1所述的汽车照明系统，其特征在于：所述衍射光学元件的设计优化算法包括迭代优化算法和搜索优化算法。

7.根据权利要求1所述的汽车照明系统，其特征在于：所述空间光调制器为振幅型空间光调制器。

8.根据权利要求7所述的汽车照明系统，其特征在于：所述振幅型空间光调制器为数字微镜装置，可对照明光束的振幅和强度进行调制。

9.根据权利要求3所述的汽车照明系统，其特征在于：所述LED发光组件的类型包括：由RGB三色芯片组成的白光LED、由蓝光和黄光混合而成的白光LED、由蓝光芯片激发荧光粉形成的白光LED。

10.一种汽车，包括如权利要求1至9任一项所述的汽车照明系统。