CN111219679B - 一种用于汽车照明的矩阵式led像素灯光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统，包括光源底座、矩阵式LED芯片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、外玻璃及控制系统；其中第二透镜、第三透镜、第四透镜组成一个矫正相差及消色差透镜组；矩阵式LED光源芯片光源，经过透镜正畸、消除色散色差、校正像差、放大、成像等过程，将LED芯片的每一颗发光光源颗粒成像在接收面上，并且每颗LED颗粒受控制系统控制，可以实现单独的开关和亮度变化，可以呈现出各种照明图像。本发明主要利用透镜组系统，将LED芯片颗粒作为像素点，放大成像和使用，通过集成门电路控制系统实现对像素图案精确控制，在自适应汽车前照灯照明系统中具有很好的应用前景。

Description

一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统

技术领域

本发明属于汽车照明技术领域，具体涉及一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统。

背景技术

近年来，随着汽车技术的发展，尤其是自动驾驶的发展，人们在对汽车灯光的要求不仅仅是美观与照明，更希望可以实现更多的功能，自从自适应前照灯的发展和使用，灯光安全日趋重要，同时也是汽车的卖点之一。其中,智能大灯系统很贴合智能汽车发展的要求,发展较为迅速。随着在车灯领域的渗透率提高和智能汽车概念的普及,多家厂商推出搭配系统的矩阵大灯,集成摄影头,可检测到其他车辆或障碍,控制并形成多个阴影区,在夜间行驶时,矩阵大灯会全程使用远光灯,自动识别迎面而来的车辆,通过设计的光形规避掉对向来车的区域或部分区域,避免对面车辆受到远光的干扰,防止炫目,通过光形的设计完全实现了哪里需要就照哪里的目的。

但是现有智能灯的解决方案主要是通过对光源使用透镜或光导进行简单的放大或角度调控，存在光效利用率极低，可控性差等缺点，同时随着对自适应灯光功能的增多，这些方法又使出射光型存在较大的色散和色差。而且光效利用率低导致企业不得不增加LED芯片单颗功率，这就又造成了散热突出问题，增加企业成本，同时又降低了灯具使用寿命，增加了维修成本。

上述一些方式，要么像素不够高,要么价格贵,要么系统组成复杂、体积较大。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统，用于解决系统组成复杂、体积较大、像素不够高、成本高以及光效利用率低的技术问题。

本发明所述的一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统，采用反向设计的方法，设计包括光源底座、矩阵式LED芯片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、外玻璃以及门电路控制系统，其中第二透镜、第三透镜、第四透镜组成一个矫正相差及消色差透镜组，将照射面设为物方，LED芯片所在位置设置为像方，整体设计完成后，物方即为LED照射接收面，可以更好的做到对LED芯片的成像。

本发明光学系统从LED方向到照射面分别设置为第一透镜，第二透镜，第三透镜和第四透镜及光阑，外玻璃设置在第四透镜的左侧。

进一步地，所述透镜的面均为标准面。

进一步地，所述第一透镜像侧面为凸面，物侧面为凸面。

进一步地，所述第二透镜像侧面为凸面，物侧面为凹面。

进一步地，所述第三透镜像侧面为凹面，物侧面为凹面。

进一步地，所述第四透镜像侧面为凹面，物侧面为凸面。

进一步地，所述光阑设置再第四透镜的凸面位置。

进一步地，所述透镜组成的光学系统视场角为21.5Deg。

所述LED光源发出的光线朝透镜组件方向；

采用三片式组合透镜组成矫正相差及消色差透镜组，透镜之间设置有空气间隔。

所述矩阵式LED光源芯片为固定大小、只需改变单颗出光面的大小，即可改变出射光型像素值；

所述LED光源为单颗高像素LED芯片，其单个像素出光面开关、亮暗可控；

所述LED光源包括近光灯和远光灯光源；

实现近光灯照明时，控制部分出光面关闭，根据法规要求点亮相应出光面并调整亮度；实现远光灯照明时，所有出光面全部打开，根据法规要求调整亮度。

所述控制系统为集成式门电路控制系统，单个门电路最多可以控制12个出光面的开关和亮暗。

本发明系统的工作原理为：矩阵式LED芯片经过透镜正畸、消除色散色差、校正像差、放大、成像等一系列光学系统，将芯片形状进行成像，经过集成门电路控制系统的和PWM调制分别对芯片中单颗LED开关和亮暗进行控制，使出射光型各点符合国家法规值。(中华人民共和国国家标准GB 25991-2010汽车用LED前照灯)

本发明的有益效果：

1、本发明针对汽车前照灯，尤其是自适应前照灯等应用，针对目前市场现有技术进行改进和创新，利用成像系统对LED颗粒形状进行成像，并且LED亮度可控，可以使其在车灯的国家法规要求进行适应和匹配，既能达到符合法规要求，又能在自适应方面实现精确控制，同时还可以提高光利用效率，比现有汽车自适应前照灯有更好的发展方向。

2、本发明解决现有技术中存在的系统组成复杂、体积较大、像素不够高和成本高的技术问题。

3、本发明解决自适应前照灯光学系统的光效利用率低的问题，同时又创新了自适应前照灯在人车交流的应用，使用集成式单颗高像素矩阵LED芯片实现车灯光型像素化，同时又解决了色差、球差等一系列影响出射光型的问题。实现单颗LED开关可控、单颗LED亮度可控。

4、本发明芯片尺寸大小固定，只需改变单颗LED大小，即可改变出射光型像素值。

5、光学系统为多用系统，芯片大小不变，透镜组即不需要改变，减少开发成本。

6、目前现有车灯技术无法实现高像素成像，本发明可实现单颗LED对应单颗像素点，实现高像素成像照明。

7、采用三片式组合透镜组成矫正相差及消色差透镜组，既能有效消除色差，同时也能对像差进行校正。

8、在车灯应用上本发明的光效利用率可以有明显提高，同时还能实现明暗截止线清晰，单颗像素亮度可控，可以匹配国家标准规定，实现法规要求。

附图说明

图1为本发明光学系统结构示意图；

图2为本发明光学系统立体结构图；

图3为本发明光学系统实施示意图；

图4为本发明光学系统像差分析图；

图5为本发明光学系统场曲分析图；

图6为本发明光学系统畸变分析图；

图7为本发明光学系统轴向色差分析图；

图8为本发明光学系统垂向色差分析图；

图9为本发明矩阵式LED芯片结构示意图；

图10为本发明控制系统单个门电路控制示意图；

图11为本发明近光灯点亮示意图；

图12为本发明远光灯点亮示意图；

图13为本发明远光灯点亮时，根据对面来车智能灯光规避来车示意图。

图中数字标记解释如下：

1-光源底座，2-矩阵式LED芯片，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第三透镜，6-透镜组，7-第四透镜，8-光阑，9-外玻璃，10-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图2所示，其为本发明的结构示意图，一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统由光源底座1、矩阵式LED芯片2、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜7、光阑8、外玻璃9组成。

如图3所示为本发明的光学系统实施示意图，所述系统采用反向设计方法，将LED芯片所在位置设置为像面S1，光照接收面设置为物面S13。从像面至物面即S1至S13共13个面。

所述S1即LED芯片出光面，其长度为32mm，宽度为21mm。本发明实施例的矩阵式LED芯片结构如图9所示。

所述S2为第一透镜像方面。

所述S3为第一透镜物方面。

所述S4为第二透镜像方面。

所述S5为第二透镜物方面。

所述S6为第三透镜像方面。

所述S7为第三透镜物方面。

所述S8为第四透镜像方面。

所述S9为第四透镜物方面。

所述S10为光阑。

所述S11为外玻璃像方面。

所述S12为外玻璃镜像方面。

所述S13为物方面。

本发明实施例的控制系统为集成式门电路控制系统，单个门电路最多可以控制12个出光面的开关和亮暗，本发明的控制系统结构示意图如图10所示。

所述S10为光阑，其净直径为18.28mm。所述光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。

所述光阑可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏，其作用可分两方面,限制光束或限制视场大小，其为一种现有技术。本实施例所述光阑为视场光阑或孔径光阑。所述光阑设置在所述第四透镜的两个面之间，距离物方面2.4mm，将从所述第四透镜光束进行限制。

所述光阑用于校正场曲、像散。(此处光阑仅仅有助于校正场曲、像散，属于辅助作用)

所述第二透镜、第三透镜、第四透镜组成一个矫正相差及消色差透镜组，用于矫正像差、像散、场曲畸变和消除色散。

所述第一透镜用于辅助矫正像差、像散、场曲畸变。

所述表面均为标准面球面。

表1为各个透镜的物理参数。

表1

表面编号	曲率半径	中心厚度	折射率/阿贝数	有效径
					S1	无限	/	/	32.04
S2	-38.307	42.35	/	39.25
					S3	8.358	19.20	1.834/37.229	39.54
S4	-5.423	3.16	/	28.93
					S5	-13.995	14.10	1.910/35.256	24.52
S6	7.119	8.44	/	21.14
					S7	-6.240	5.0	1.946/17.944	19.12
S8	91.633	18.94	/	18.32
					S9	5.195	11.21	1.834/37.229	18.21
S10	无限	-2.4	/	18.29
					S11	无限	0.5	/	20.24
S12	无限	2	1.517/64.212	25.14
					S13	无限	/	/	1858.55

图4为本发明光学系统像差分析图，显示了所述光学系统存在的像差都在可接受范围之内；

图5为本发明光学系统场曲分析图，显示了所述光学系统的场曲控制在正负0.1毫米之内，对场曲的改善已经达到及其优秀的水平；

图6为本发明光学系统畸变分析图，显示了所述光学系统的畸变控制在1％之内，人眼可识别畸变要大于3％，因此对于LED的投影失真几乎可以消除；

图7为本发明光学系统轴向色差分析图，图8为本发明光学系统垂向色差分析图，所述光学系统的色差被控制在一个及其小的数值内，所述透镜组对色差消除起到一定作用，可以对LED的投影颜色失真度达到很好的消除作用。

所述LED光源发出的光线朝透镜组件方向；

所述LED光源为单颗高像素LED芯片，其单个像素出光面开关、亮暗可控。

具体的，当近光灯开启时，如图11所示，法规要求光照位置出光面发光，实现近光灯光型；当远光灯开启时，如图12所示，法规要求光照位置出光面发光，实现远光灯光型。当对面有来车时，如图13所示，可根据识别对面车辆位置信息，将照射到对面车辆的像素点出光面关闭，且暗区可以随着对面车辆的位置而改变，实现智能照明，安全驾驶。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统，其特征在于，包括光源底座(1)、矩阵式LED芯片(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(7)、光阑(8)、外玻璃(9)以及控制系统(10)；其中第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(7)组成一个矫正像差及消色差透镜组(6)；所述光学系统从LED芯片灯光出射方向到照射面依次分别为第一透镜，第二透镜，第三透镜和第四透镜及光阑，外玻璃设置在第四透镜的左侧；所述矩阵式LED芯片发光经过透镜正畸、消除色散色差、校正像差、放大、成像处理，将芯片灯光形状进行成像，经过控制系统的PWM调制分别对芯片中单颗LED开关和亮暗进行控制；

所述光源底座(1)长度为40mm-60mm，宽度为30mm-50mm，主要材质为铝合金，光源部分贴有PCB板，背部为针状散热装置；

所述矩阵式LED芯片(2)长度为32mm，宽度为21mm，芯片上可集成20*30—40*60颗发光面像素颗粒，像素大小可根据需求进行分布；LED光源发出的光线朝透镜组件方向；

所述第一透镜像侧面为凸面，物侧面为凸面，第一透镜(3)直径为39.54mm，中心厚度19.20mm，像方曲率半径为-38.307mm，物方曲率半径为8.358mm，材料为H-ZLAF53B玻璃；

所述第二透镜像侧面为凸面，物侧面为凹面，其直径为28.93mm，中心厚度14.10mm，像方曲率半径为-5.423mm，物方曲率半径为-13.995mm，材料为H-ZLAF53A玻璃；

所述第三透镜像侧面为凹面，物侧面为凹面，其直径为21.14mm，中心厚度5.0mm，像方曲率半径为7.119mm，物方曲率半径为-6.240mm，材料为H-ZF88玻璃；

所述第四透镜像侧面为凹面，物侧面为凸面，其直径为18.32mm，中心厚度11.21mm，像方曲率半径为91.633mm，物方曲率半径为5.195mm，材料为H-ZLAF53B玻璃；

所述光阑(8)直径为18.29mm；所述外玻璃(9)直径为25.14mm，中心厚度2mm，材料为H-ZF88玻璃；

所述透镜组内有空气间隔，其中第二透镜(4)和第三透镜(5)之间空气间隔为8.44mm，第三透镜(5)和第四透镜(7)之间空气间隔为18.94mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于汽车照明的矩阵式LED像素灯光学系统，其特征在于，所述控制系统为集成式门电路控制系统，单个门电路最多可以控制12个出光面的开关和亮暗；所述光学系统视场角为21.5Deg。

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