CN111306506B - 基于Fresnel透镜整形的高亮度激光车灯光学系统及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于Fresnel透镜整形的高亮度激光车灯光学系统，由激光转换白光光学系统、配光光学系统和散热系统三部分组成，激光转换白光光学系统包括激光光源、第一透镜和黄磷荧光片，配光光学系统包括第二透镜和一Fresnel透镜，所述Fresnel透镜、第二透镜、荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。本发明使用Fresnel透镜作为光线整形的激光车灯，更加明亮，亮度更均匀，结构薄而轻巧，并且便于加工，成本低，可以满足非成像汽车照明系统的使用。

Description

基于Fresnel透镜整形的高亮度激光车灯光学系统及设计 方法
技术领域
本发明属于非成像汽车照明领域和光学器件设计领域，涉及拟光源和Fresnel透镜的设计技术，尤其是一种基于Fresnel透镜整形的高亮度新型激光车灯光学系统及设计方法。
背景技术
汽车车灯是保证汽车在夜间以及恶劣天气条件下安全行驶的重要部件，目前最常用的是LED作为它的光源。但是，随着人们要求的增大，普通的LED已经不能满足。激光是近年来出现的新型车灯光源，与LED灯相比，激光灯具有发散角小，照射距离远，功率要求低，亮度大，寿命长的优势。
CN109681840A公开了一种新型的激光车灯，包括自由曲面反光罩、远近光切换板、激光光源固定壳体、菲涅尔配光透镜、镜片固定壳体、散热系统和激光光0源，自由曲面反光罩、激光光源固定壳体和镜片固定壳体相互连接，激光车灯包括激光光源固定壳体、散热装置、激光芯片、自由曲面反光罩和可调节远近光切换板，激光芯片与激光光源固定壳体连接，散热装置固定在激光光源固定壳体上，激光芯片的激光通过菲涅尔配光透镜，使其透过的光束照射至黄磷滤镜上，可调节远近光切换板设置在黄磷滤镜的出光的方向。本发明通过在激光芯片出射的蓝色光束与激发黄磷滤镜的荧光粉层出射的黄光混合，得到汽车照明所需要的白光，该激光车灯通过可调节远近光切换板实现了近光照明和远光照明之间的快速转换，具有照明距离远、照明强度高以及能耗低等特点，在雨雪雾天气的穿透力也比现有的汽车车灯穿透效果明显。
CN109681840A提到的菲涅尔配光镜作用仅为对光源的汇聚，光源的整形是通过后面自由曲面反射镜实现。本专利所设计的激光车灯对光源的汇聚是通过一片透镜实现，而菲涅尔配光镜起到对光源的整形作用，相比于CN109681840A，仅靠透镜无反射，结构更简单。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于Fresnel透镜整形的高亮度新型激光车灯光学系统及设计方法，采用Fresnel透镜对光线进行整形，与普通透镜相比，减少了透镜厚度；并采用四个激光二极管作为光源，大幅度增加了车灯的亮度，并降低了成本。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Fresnel透镜整形的高亮度激光车灯光学系统，由激光转换白光光学系统、配光光学系统和散热系统三部分组成，激光转换白光光学系统包括激光光源、第一透镜和黄磷荧光片，配光光学系统包括第二透镜和一Fresnel透镜，所述的Fresnel透镜、第二透镜、荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。
而且，菲涅尔透镜与激光光源的间距、菲涅尔透镜与第一透镜后表面的间距、菲涅尔透镜与荧光片之间的间距、菲涅尔透镜与第二透镜后表面的间距之比为：3～4：2～3：1～2:1。
而且，所述的激光光源选用四个蓝色激光灯珠，四个灯珠的中心连线为一个正方形，几何中心在光轴上。
而且，第一透镜为球面透镜，前、后表面均为球面。
而且，第二个透镜为偶次非球面，面型方程为：
Figure BDA0002383937810000021
其中c为曲率，k为圆锥系数，C4、C6....C20是非球面系数，x为非球面的旋转对称轴，z表示入射光线在非球面上的入射高度。
激光光源通过一块透镜汇聚，使激光照射到黄磷荧光片上。射入荧光片的激光经过黄磷荧光粉的吸收、散射和折射后，产生白光。由于荧光片产生的光的发散角较大，为了提高光的利用率，再使用一块汇聚透镜进行聚光，使大量的光照射到最后一面Fresnel透镜来实现最终的光线准直和配光优化。
车灯照明属于非成像光学系统，需要根据已知光源模型进行设计优化，但是黄磷荧光片发光机理复杂，无法得到相关参数来建立光学模型。本发明采用一种机器视觉比较法来得到一个拟光源对Fresnel透镜进行设计，就是将从荧光片出来的光作为拟光源进行光学仿真。通过大量反复试验，得到光斑最规整，光通量和光功率最大时，荧光片的入射光斑和尺寸，利用机器视觉的方法来求得荧光片出射光斑的尺寸，最后实验结果得出，当使用一个3mm*3mm的朗伯矩形为模拟光源时，最为接近真实效果，精度高，可以满足要求。
在透镜的设计时，需要先得到一个初始面型，才可以在仿真软件中进行建立模型，观察效果。先对计算模型进行了两种近似：光源是点光源，出射光是准直的。本发明Fresnel透镜的设计是采用二维几何构造方法，以点光源为原点O，通过光源的光线向量(也就是汇聚透镜的入射光线向量)，利用Snell定律，得到汇聚透镜的出射向量(也就是Fresnel透镜的入射光线)。再结合已知的Fresnel透镜光线出射向量，采用二维几何构造方法，得到Fresnel透镜有效工作面上的离散点和所对应的法向矢量，经过软件拟合和旋转得到Fresnel透镜三维模型，在光学软件中进行仿真。最后做出样机，对光斑结果进行验证。
本发明所设计的激光车灯用于越野车、工程车、抢修车等需要在夜间工作或旷野等工作场所对远距离巡查、施工等照明需要，安装在汽车的顶部。光源为四个激光二极管，利用Fresnel透镜实现对激光的整形，来提高车灯亮度和均匀性。本发明先提出了一个拟光源的计算设计方法，在此基础上，采用Fresnel透镜二维几何构造设计方法进行设计。
采用拟光源的设计方法，使Fresnel透镜的光线模拟计算更加准确，再结合二维几何构造方法可以使光线准直和分布更加合理高效，光斑效果好。
本发明的优点和积极效果是：
利用本发明提出的激光车灯模型，可以使荧光片的光转换效率提高，并且使用拟光源来建立光学仿真更加准确，为Fresnel透镜的设计和优化提供了一个好的基础，再配合二维几何构造的设计方法，使光线准直和分布更加合理高效，如图7所示。在Fresnel透镜前后设置接受面，了解光斑前后变化，如图8所示，从仿真结果中观察，在25米处(图b)实现直径约为1.7米的光斑，照度可以达到160lux以上，光斑的均匀度和照度等均已满足车灯照明要求。在实际测试中，电流为0.8A时，电功率可以达到12.16W，在25米处实现直径为1.5米的白色光斑(无蓝光泄露现象)，照度达到约170lux，如图11所示。使用Fresnel透镜作为光线整形的激光车灯，更加明亮，亮度更均匀，结构薄而轻巧，并且便于加工，成本低，可以满足非成像汽车照明系统的使用。
附图说明
图1为激光车灯光学系统示意图；
图2为光功率的测量图；
图3为荧光片前后光斑尺寸测量图；
图4为Fresnel透镜设计原理图；
图5为本发明光学系统计算流程图；
图6为Fresnel透镜离散点的计算流程图；
图7为拟光源设计Fresnel透镜原理图；
图8为接受面照度分布其中(a)距离光源40毫米(b)距离光源25米
图9为Fresnel透镜；
图10为Fresnel透镜加工图；
图11为不同距离光斑效果图。
图中：1为Fresnel透镜，2为第二透镜，3为黄磷荧光片，4为第一透镜，5为激光光源，6为光功率计，7为CCD，8为散热片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于Fresnel透镜整形的高亮度新型激光车灯光学系统，如图1所示。此系统由激光转换白光光学系统、配光光学系统和散热系统三部分组成。
激光转换白光光学系统包括激光光源5(选用波长为450nm的四个蓝色激光半导体)、第一透镜4和一片黄磷荧光片3。
配光光学系统包括第二透镜2和一块Fresnel透镜1。
散热系统包括风扇和散热片8。
Fresnel透镜、第二透镜、荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。菲涅尔透镜与激光光源的间距为163.4mm，菲涅尔透镜与第一透镜后表面的间距为141.1mm，菲涅尔透镜与荧光片的间距为60.4mm，菲涅尔透镜与第二透镜后表面的间距为50.7mm。
第一透镜为球面透镜，前、后表面均为球面，朝向激光的一面为前面，半径为335.7mm，朝向荧光片的一面为后面，半径为50.82mm。
第二个透镜为偶次非球面，面型方程为：
Figure BDA0002383937810000041
其中c为曲率(c与曲率半径r的关系为：r＝1/c)，k为圆锥系数，cn是非球面系数(其中，n＝4,6,8…20)，x为非球面的旋转对称轴，z表示入射光线在非球面上的入射高度。
前表面为平面，后表面的参数表如下：
k -0.9675571600811000
r 11.87023860173000
c<sub>4</sub> 0.00011387
c<sub>6</sub> -7.0569e-007
为了增加光斑的亮度，光源选用四个波长为450nm的蓝色激光半导体，这四个灯珠的中心连线为一个正方形，几何中心在光轴上。第一透镜的焦距较短，以缩短车灯整体的长度，不同焦距的透镜得到的光斑不同，通过实验对比，选择使用F数为1.39的透镜，此透镜得到的光斑较为规整。经过大量反复试验，当入射在荧光片的光斑边长约为2.30mm时，光的转换效率是最高的，光通量也最大。射入荧光片的激光经过黄磷荧光粉的吸收、散射和折射后，产生白光。从荧光片出来的光线发散角较大，为了提高光的利用率，用第二透镜汇聚，使尽量多的光照射到最后一面Fresnel透镜上。Fresnel透镜经过光线准直和配光，满足车灯照明的参数要求。
车灯照明属于非成像光学系统，需要根据已知光源模型进行设计优化，但是黄磷荧光片发光机理复杂，无法得到相关参数来建立光学模型。本发明采用一种机器视觉比较法来得到一个拟光源对Fresnel透镜进行设计，就是将从荧光片出来的光作为拟光源进行光学仿真。通过大量反复试验，得到光斑最规整，光通量和光功率最大时，荧光片的入射光斑和尺寸，利用机器视觉的方法来求得荧光片出射光斑的尺寸，
采用机器视觉比较法建立一个拟光源的具体实施步骤为：
(1)当输入电功率一定时，利用光学传感器(光通量计、光功率计6、照度计)检测四个激光二极管照射到荧光片上出来的光通量、光功率、照度等光学参数，如图2所示。激光二极管采用四个灯珠，激发电流0.8A时，激发电功率为12.16W，利用光功率抬头测得激光驱动白光光源的光功率为2.95W，其功率转换效率为26％。利用光通量计测量荧光片后的光通量为950lm。使用照度计探头，在最大电功率为13.77W的情况下，距离荧光片100mm处的照度为21300lux。
(2)利用机器视觉的方法，如图3所示，检测荧光片前后光光斑大小。本发明将相机的芯片CCD7放在荧光片的入射面的位置上，使光线直接照射在芯片上，通过相片中光斑像素数量和芯片总像素的比值来得到入射光斑的尺寸。公式如下
Figure BDA0002383937810000051
其中，Min和Sin表示光斑像素数量和实际尺寸，Mout和Sout表示相机芯片的总像素数量和实际尺寸。
当入射光斑边长为2.30mm时，出射光斑边长尺寸约为2.68mm，满足荧光片发光机理要求，此时的光转换率最高。在光学系统仿真时，拟光源可以为一个朗伯分布的，边长为3mm*3mm的矩形光源。这样最为接近真实效果，精确度高。
(3)根据(1)和(2)即可获得拟光源的尺寸和能量参数，作为后续光学元件的设计依据。
Fresnel透镜的设计的具体实施步骤为：
(1)光学系统中的两片汇聚透镜参数已知，主要对Fresnel透镜进行设计和加工。在透镜的设计时，首先设计一个初始面型，将光源设为点光源。
(2)本发明中Fresnel透镜的设计基于二维几何构造方法，具体原理如图4所示。以点光源为原点O，透镜的光轴为Z轴，过原点垂直与Z轴的为Y轴，建立笛卡尔坐标系。因为光学系统关于Z轴对称，所以只需要计算Y轴正方向的光线矢量路径和Fresnel透镜的有效工作面面型。已知Fresnel透镜的焦距为f，材料折射率为n2。Fresnel透镜的有效的工作面是出射面，上面有n个棱镜单位，变量j代表第j个棱镜单元(1≤j≤n)，每个棱镜单元计算m个采样点，离散点变量为i(1≤i≤m)，最终有效工作面用Bi，j表示。入射面是一个由离散点Ai,j表示的平面。入射到Fresnel透镜的光线，用向量vi,j表示；在Fresnel透镜中的光线，用向量ti,j表示；从Fresnel透镜出来的光线，用向量wi,j表示。点光源光线的物方孔径角为γi,j，最大物方孔径角为γmax＝γ1,1。第二透镜材料的折射率为n1。入射到第二透镜的光线，用向量ri,j表示；在第二透镜中的光线，用向量ui,j表示；从第二透镜出来的光线，用向量vi,j表示。整个计算流程如图5所示。
(3)汇聚透镜光线向量计算。当光线的物方孔径角为γi,j时，入射光线向量ri,j可以用方程(1)得出
ri,j＝[cos(γi,j) sin(γi,j)]T (1)
在第二透镜中的光线向量ui,j可以用方程(2)得出
Figure BDA0002383937810000061
在此公式中，N0表示第二透镜入射面的法向量。
出射光线向量vi,j可以用方程(3)得出
Figure BDA0002383937810000062
在此公式中，N1表示第二透镜出射面的法向量。
所有的物方孔径角光线都可以用以上方程得到所对应的出射光线。
(4)Fresnel透镜光线向量的计算，如图4，6所示。入射到Fresnel透镜的光线的向量即为汇聚透镜的出射光线vi,j。根据光线的最大物方孔径角γmax＝γ1,1，可以求得边缘光线的出射光矢量v1,1，再根据焦距f，可求得Fresnel透镜的入射面边缘点坐标A1,1。
Fresnel透镜的第一个棱镜单元先被计算，入射平面的点是Ai,j(i＝1，j＝1)。入射光线记为vi,j，经过Fresnel透镜的入射平面折射后变为ti,j。透镜工作面的边缘点为Bi,j，Bi,j＝Ai,j，ti,j＝vi,j。它的工作面法向量Ni,j可以用公式(4)得到
Figure BDA0002383937810000071
在此公式中，折射前光线的光学动量p1＝n2ti,j，折射后光线的光学动量p2＝wi,j，wi,j为Fresnel透镜出射光线矢量为已知，其中|t|＝|w|＝1。
光线向量ti,j可以用公式(5)得到
Figure BDA0002383937810000072
N2表示Fresnel透镜入射面的法向量，等于[-1,0]。
第一个棱镜的第二个离散点Bi+1,j可以通过二维几何构造的方法得到。向量
Figure BDA0002383937810000073
垂直于法向量Ni,j，Bi+1,j可以通过公式(6)求得。
Figure BDA0002383937810000074
当j取1时，i依次为1～m，根据相同的计算过程，可以得到Fresnel透镜第一个棱镜单元工作面的离散点Bi，1和法向矢量Ni，1。计算出的面型是一些离散点Bi，1的连线，通过拟合和旋转可以得到第一个棱镜的最终工作面型。使用以上方法，j依次2～n，i依次为1～m，就可以得到Fresnel透镜所有棱镜单元的最终工作面型。
用UG三维建模软件进行拟合得到Fresnel透镜，如图9中所示。将建立的模型导入光学仿真软件，用于点光源下的光线跟踪，如图7所示。从跟踪结果来看，所有的光线都是准直的，这与计算结果是一致的。点光源由3mm×3mm面光源代替，在距光源(面②)40mm(面①)和25米处分别建立两个接收面，两个接收表面上的照明分布如图8所示。从仿真结果中观察，在25米处(图b)实现直径约为1.7米的光斑，照度可以达到160lux以上。光斑的大小、均匀性和照度均满足汽车照明设计要求。
通过不同距离观察光斑效果图，如图11所示，在25米处为直径1.5米的白色光斑，照度约为170lux。光斑的大小、均匀性和照度均满足汽车照明设计要求。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，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Fresnel透镜整形的高亮度新型激光车灯光学系统，由激光转换白光光学系统、配光光学系统和散热系统三部分组成，
所述激光转换白光光学系统包括激光光源、第一透镜和一片黄磷荧光片，所述激光光源选用波长为450nm的四个蓝色激光半导体；
所述配光光学系统包括第二透镜和一块Fresnel透镜；
所述散热系统包括风扇和散热片；
Fresnel透镜、第二透镜、荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列；菲涅尔透镜与激光光源的间距为163.4mm，菲涅尔透镜与第一透镜后表面的间距为141.1mm，菲涅尔透镜与荧光片的间距为60.4mm，菲涅尔透镜与第二透镜后表面的间距为50.7mm；
第一透镜为球面透镜，前、后表面均为球面，朝向激光的一面为前面，半径为335.7mm，朝向荧光片的一面为后面，半径为50.82mm，
第二透镜为偶次非球面，面型方程为：
Figure FDA0003810431490000011
其中c为曲率，k为圆锥系数，cn是非球面系数，x为非球面的旋转对称轴，z表示入射光线在非球面上的入射高度；
前表面为平面，后表面的参数表如下：k为-0.9675571600811000，r为11.87023860173000，c4为0.00011387，c6为-7.0569e-007；
本发明采用一种机器视觉比较法来得到一个拟光源对Fresnel透镜进行设计，就是将从荧光片出来的光作为拟光源进行光学仿真，通过大量反复试验，得到光斑最规整，光通量和光功率最大时，荧光片的入射光斑和尺寸，利用机器视觉的方法来求得荧光片出射光斑的尺寸，
采用机器视觉比较法建立一个拟光源的具体实施步骤为：
(1)当输入电功率一定时，利用光学传感器检测四个激光二极管照射到荧光片上出来的光通量、光功率、照度等光学参数，激光二极管采用四个灯珠，激发电流0.8A时，激发电功率为12.16W，利用光功率探头测得激光驱动白光光源的光功率为2.95W，其功率转换效率为26％，利用光通量计测量荧光片后的光通量为950lm，使用照度计探头，在最大电功率为13.77W的情况下，距离荧光片100mm处的照度为21300lux；
(2)利用机器视觉的方法，检测荧光片前后光光斑大小，将相机的芯片CCD7放在荧光片的入射面的位置上，使光线直接照射在芯片上，通过相片中光斑像素数量和芯片总像素的比值来得到入射光斑的尺寸，公式如下：
Figure FDA0003810431490000021
其中，Min和Sin表示光斑像素数量和实际尺寸，Mout和Sout表示相机芯片的总像素数量和实际尺寸；
当入射光斑边长为2.30mm时，出射光斑边长尺寸约为2.68mm，满足荧光片发光机理要求，此时的光转换率最高；在光学系统仿真时，拟光源为一个朗伯分布的，边长为3mm*3mm的矩形光源，
(3)根据(1)和(2)即可获得拟光源的尺寸和能量参数，作为后续光学元件的设计依据；
Fresnel透镜的设计的具体实施步骤为：
(1)在透镜的设计时，首先设计一个初始面型，将边长为3mm*3mm的矩形光源设为点光源；
(2)本发明中Fresnel透镜的设计基于二维几何构造方法，以点光源为原点O，透镜的光轴为Z轴，过原点垂直与Z轴的为Y轴，建立笛卡尔坐标系，因为光学系统关于Z轴对称，所以只需要计算Y轴正方向的光线矢量路径和Fresnel透镜的有效工作面面型，已知Fresnel透镜的焦距为f，材料折射率为n2，Fresnel透镜的有效的工作面是出射面，上面有n个棱镜单位，变量j代表第j个棱镜单元(1≤j≤n)，每个棱镜单元计算m个采样点，离散点变量为i(1≤i≤m)，最终有效工作面用Bi，j表示，入射面是一个由离散点Ai,j表示的平面，入射到Fresnel透镜的光线，用向量vi,j表示；在Fresnel透镜中的光线，用向量ti,j表示；从Fresnel透镜出来的光线，用向量wi,j表示，点光源光线的物方孔径角为γi,j，最大物方孔径角为γmax＝γ1,1，第二透镜材料的折射率为n1，入射到第二透镜的光线，用向量ri,j表示；在第二透镜中的光线，用向量ui,j表示；从第二透镜出来的光线，用向量vi,j表示，
(3)Fresnel透镜光线向量计算，当光线的物方孔径角为γi,j时，入射光线向量ri,j可以用方程(1)得出
ri,j＝[cos(γi,j)sin(γi,j)]T(1)
在第二透镜中的光线向量ui,j可以用方程(2)得出
Figure FDA0003810431490000031
在此公式中，N0表示第二透镜入射面的法向量，
出射光线向量vi,j可以用方程(3)得出
Figure FDA0003810431490000032
在此公式中，N1表示第二透镜出射面的法向量，
所有的物方孔径角光线都可以用以上方程得到所对应的出射光线，
(4)Fresnel透镜光线向量的计算，入射到Fresnel透镜的光线的向量即为Fresnel透镜的出射光线vi,j，根据光线的最大物方孔径角γmax＝γ1,1，可以求得边缘光线的出射光矢量v1,1，再根据焦距f，可求得Fresnel透镜的入射面边缘点坐标A1,1；
Fresnel透镜的第一个棱镜单元先被计算，入射平面的点是Ai,j(i＝1，j＝1)，入射光线记为vi,j，经过Fresnel透镜的入射平面折射后变为ti,j，透镜工作面的边缘点为Bi,j，Bi,j＝Ai,j，ti,j＝vi,j，它的工作面法向量Ni,j可以用公式(4)得到
Figure FDA0003810431490000033
在此公式中，折射前光线的光学动量p1＝n2ti,j，折射后光线的光学动量p2＝wi,j，wi,j为Fresnel透镜出射光线矢量为已知，其中|t|＝|w|＝1，
光线向量ti,j可以用公式(5)得到
Figure FDA0003810431490000034
N2表示Fresnel透镜入射面的法向量，等于[-1,0]，
第一个棱镜的第二个离散点Bi+1,j可以通过二维几何构造的方法得到，向量
Figure FDA0003810431490000035
垂直于法向量Ni,j，Bi+1,j可以通过公式(6)求得，
Figure FDA0003810431490000036
当j取1时，i依次为1～m，根据相同的计算过程，可以得到Fresnel透镜第一个棱镜单元工作面的离散点Bi，1和法向矢量Ni，1，计算出的面型是一些离散点Bi，1的连线，通过拟合和旋转可以得到第一个棱镜的最终工作面型，使用以上方法，j依次2～n，i依次为1～m，就可以得到Fresnel透镜所有棱镜单元的最终工作面型，
从仿真结果中观察，在25米处实现直径约为1.7米的光斑，照度可以达到160lux以上，在25米处为直径1.5米的白色光斑，照度约为170lux。
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