CN111322580B - 一种基于自由曲面透镜的激光车灯及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光车灯，包括激光转化白光系统和白光汇聚系统，激光转化白光系统包括激光光源、第一透镜和黄磷荧光片，白光汇聚系统包括第二透镜和一自由曲面透镜，所述的自由曲面透镜、第二透镜、黄磷荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。本发明采用自由曲面对光线进行整形，与普通透镜相比，在保持相同整形效果的前提下，减小了透镜的使用数量和透镜的厚度：并采用四个激光二极管作为光源，大幅增加了车灯的亮度。

Description

一种基于自由曲面透镜的激光车灯及其设计方法
技术领域
本发明属于照明领域，涉及激光车灯，尤其是一种基于自由曲面透镜的激光车灯及其设计方法。
背景技术
汽车前照灯的发展经历了白炽灯、卤素灯、氙气大灯、LED、激光的发展历程，其中LED是目前最常用的汽车车灯的光源，激光是近些年出现的新型车灯光源，与LED车灯相比，激光车灯具有发散角小、照射距离远、功率要求低、亮度大的优势。本发明所设计的激光车灯用于越野车、工程车、抢修车灯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。
CN108443823A公开了一种自由曲面反光激光车灯，包括自由曲面反光碗、第一外壳体、第二外壳体和激光光源，自由曲面反光碗、第一外壳体和第二外壳体共同构成容置激光光源的腔体，激光光源包括支架、散热装置、激光芯片和可调节遮光板，支架与第一外壳体固定连接，散热装置固定在支架上，激光芯片设置在散热装置上，且激光芯片的激光出射表面镀有荧光粉层，可调节遮光板设置在激光芯片的前方。本发明通过在激光芯片的激光出射表面镀有荧光粉层，使得激光芯片可以发射白光，该激光车灯通过可调节遮光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。
CN108443823A所提出的激光车灯仅使用单个灯珠，仅在激光发光面前面涂有荧光粉，因为经过荧光粉之后产生的白光是一个半球形的面光源，如果不加汇聚透镜，会损失所产生白光的部分能量。本发明所提出的激光车灯，利用4颗灯珠，而且使用了汇聚透镜进行光源的汇聚，光源能量利用率90％以上。本发明所使用的自由曲面透镜是经过对光源及接收面之间映射关系的计算及优化得到。由于采用了四个灯珠，并保证了光源的利用率，所得到激光车灯亮度更大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种新的基于自由曲面透镜的激光车灯的设计方法，利用试验方法得到激光驱动白光光源的光源特性，利用自由曲面实现照射距离远、功率要求低、亮度大的激光车灯。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种基于自由曲面透镜的激光车灯，包括激光转化白光系统和白光汇聚系统，激光转化白光系统包括激光光源、第一透镜和黄磷荧光片，白光汇聚系统包括第二透镜和一自由曲面透镜，所述的自由曲面透镜、第二透镜、黄磷荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。
而且，自由曲面透镜后表面与激光光源的间距、自由曲面透镜后表面与第一透镜后表面的间距、自由曲面透镜后表面与第二透镜后表面的间距的比例关系约为：4：3.5:1。
而且，所述的激光光源选用四个蓝色激光灯珠，这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。
而且，第二透镜为偶次非球面，面型方程为：
Figure BDA0002387680900000021
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。
而且，自由曲面透镜为奇次多项式非球面，面型方程为：
Figure BDA0002387680900000022
其中c为曲率，k为圆锥系数，C1、C2、C3…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。
激光二极管发出的光经过一面汇聚透镜入射到荧光片上，激光经过荧光片的折射、吸收、散射、转换成白光后出射。从荧光片出射的光经过第二面汇聚透镜后，入射到激光车灯的自由曲面透镜后出射。
为了进行光学设计和仿真，需要对激光光源特性进行研究，搭建合理的检测平台，通过不同的光学探头检测不同的光源特性参数，如光功率、光通量、光源尺寸等如图7所示。由于荧光粉发光机理比较复杂，在光学仿真软件中不易精确建立仿真模型，本发明采用机器视觉的方法研究荧光片前后光斑的形状和大小，为后续的光学设计提供理论依据。搭建机器视觉检测平台，如图2所示。经过机器视觉检测后，得出光源模型的形状和大小。
对于自由曲面透镜的设计采用直接计算与优化算法相结合的方式。首先将光源近似为点光源，将未知透镜的左表面近似为平面，利用网格映射法求解透镜的右表面，由此来得到自由曲面的初始面型。然后根据激光车灯的结构建立合理的光学模型，将光源设置为面光源，同时优化透镜的左右表面，得到最后的透镜面型。
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用自由曲面对光线进行整形，与普通透镜相比，在保持相同整形效果的前提下，减小了透镜的使用数量和透镜的厚度：并采用四个激光二极管作为光源，大幅增加了车灯的亮度。
附图说明
图1为激光车灯的结构示意图；
图2为荧光片前后光源尺寸检测示意图；
图3为光学设计原理图；
图4为能量映射原理图；
图5为透镜离散点计算流程图；
图6为光学仿真结果图；图中(a)为光线追迹；(b)为25m处接收面照度分布；
图7为激光光源参数检测平台；
图8(a)为透镜实物；图8(b)为激光车灯整体图；
图9为激光车灯组件光学实验图。
图中标号：1为自由曲面透镜，2为第二透镜，3为荧光片，4为第一透镜，5为激光光源，6为光功率计。
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。
本发明的具体实施步骤为：
1.设计激光转化白光系统和白光汇聚系统；
2.测试激光光源的相关特性；
3.计算自由曲面初始面型；
4.利用仿真软件进行透镜面型优化。
本发明实施过程中提及的设计激光转化白光系统和白光汇聚系统的具体实施步骤为：
(1)激光转化白光系统由激光光源5，第一透镜4，荧光片3组成，激光经过汇聚透镜汇聚后打在荧光片上，荧光片把激光转化为白光。激光光源采用波长为450nm的四芯激光二极管，对比一芯激光二极管，四芯激光二极管的能量更高，利用一片汇聚透镜将四个灯珠的光汇聚到荧光片上。
(2)白光汇聚系统由第二透镜2和自由曲面透镜1组成，其中自由曲面透镜是需要通过本发明的方法设计的。被荧光片转换出来的白光发散角较大，需要在荧光片后面放一面汇聚透镜，尽可能的把白光收敛，为后续自由曲面的设计提供了条件。在汇聚透镜后就是设计好的自由曲面透镜，自由曲面透镜按照设计要求对白光做最后的整形。
(3)将以上的激光光源、透镜、荧光片组合起来，在安装时注意要精确摆放各个光学元件之间的相互位置。最后的激光车灯整体结构如图1所示。
自由曲面透镜、第二透镜、荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列。自由曲面透镜后表面与激光光源的间距为150.9mm，自由曲面透镜后表面与第一透镜后表面的间距为128.6mm，自由曲面透镜后表面与第二透镜后表面的间距为38.2mm。
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 BDA0002387680900000051
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，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。
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
自由曲面透镜为奇次多项式非球面，面型方程为
Figure BDA0002387680900000052
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，C1、C2…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。
前表面及后表面参数表：
k -11.92245080448119 0.1490762472270748
r 28.31388759635761 34.67303309656834
c<sub>1</sub> 0.0000000000000000 0.006687921843203048
c<sub>2</sub> -0.005211820595001850 0.007340351476217834
c<sub>3</sub> 3.104592236238902e-005 0.0001800083007960758
c<sub>4</sub> 3.686887267654061e-007 2.699547605246439e-006
c<sub>5</sub> -2.876311540157628e-008 3.913287589710831e-009
c<sub>6</sub> -1.752628142975679e-009 -2.306191828909533e-009
c<sub>7</sub> 7.010099549321910e-011 -1.601180800134051e-010
c<sub>8</sub> -2.949947655990832e-013 -2.100025034825285e-012
c<sub>9</sub> 7.203578787970923e-014 1.527785223059003e-013
c<sub>10</sub> -1.169319218916498e-014 7.997513360234483e-015
c<sub>11</sub> 6.103348440700590e-017 8.815720493135993e-017
c<sub>12</sub> 2.423800305014053e-018 3.053161357384934e-018
本发明实施过程中提及的测试激光光源的相关特性的具体实施步骤为：
(1)在搭建好激光车灯的整体结构后，在上面增加相应的光学探头，如光功率计6、光通量计、照度计等，实现对光源的光学特性参数的检测，如图7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)本发明采用机器视觉的方法研究荧光片前后光源形状和大小，给激光车灯的激光转化白光系统供电，搭建机器视觉检测平台，如图2所示。经过机器视觉检测平台检测后发现，荧光片前后的光斑形状不变，只是荧光片出射后的光斑尺寸略大于入射光斑，光学系统设计可将光源视为尺寸为3mm×3mm的朗伯光源。
(3)根据(1)和(2)就可以获得光源的尺寸和能量参数，具体参数见(1)和(2)，为后续光学元件的设计提供了依据。
本发明实施过程中提及的计算自由曲面初始面型的具体实施步骤为：
(1)以点光源为坐标原点O，以透镜的光轴为Z轴建立直角坐标系，光学设计原理如图3所示。光源近似为点光源，点光源的角度为0～90°，对光源角度进行离散化用γi(i＝0,1,2,……，m)表示，其中γm＝90°。光源角度为γi的入射光线为ri，经过已知透镜后的矢量为vi，入射到未知透镜表面的Pi点，Pi处的法矢量为Ni，最终入射到接收面的Ti，其中Ti＝(L,yi)，其中L为接收面与光源之间的距离。
根据数学关系，入射光线矢量ri为
ri＝[cos(γi)sin(γi)]T (1)
若已知透镜的左表面法矢量为N0，n1为已知透镜折射率，则出射光线ui为
Figure BDA0002387680900000061
(2)利用相同的原理可以求得经过已知透镜的出射光线的矢量vi，如公式(3)所示，其中N1为已知透镜右表面的法矢量，同时利用光线追迹可求得透镜出射点的坐标Qi。
Figure BDA0002387680900000062
首先利用网格映射法，光源角度γi～γi+1之间的球面映射为接收面处半径yi～yi+1的环形平面如图4所示，设球面半径为R，目标面半径为Rr，即球面的能量分布映射为圆环能量分布，满足下面等式(4)，化简后为(5)，可求得接收面上的光线坐标Ti(L,yi)。
Figure BDA0002387680900000071
Figure BDA0002387680900000072
未知透镜上P0点是已知点，P0处的法矢量Np0＝[01]。利用二维几何构造法(2DGCM)计算透镜的离散点Pi(i＝1,2,……，m)，令直线矢量
Figure BDA0002387680900000073
与Pi-1处的法矢量垂直，即满足
Figure BDA0002387680900000074
则出射光线矢量wi为
Figure BDA0002387680900000075
根据折射定律，求得Pi的法矢量Npi，其中n2为未知透镜折射率：
Figure BDA0002387680900000076
计算流程如图5所示，依次计算得到透镜截面曲线上所有的离散点坐标Pi和其对应的法矢量Npi。将离散点进行拟合旋转得到透镜的初始面型。
本发明实施过程中提及的利用仿真软件进行透镜面型优化的具体实施步骤为：
(1)根据激光车灯的整体结构在光学仿真软件中建立合理的模型，上面得到的初始面型是基于点光源的，现在需要在模型中建立利用机器视觉方法测到的面光源。
(2)把透镜的左侧也设置为自由曲面，设置合理的变量，同时优化左右两个表面，最终优化结构如图6所示，可以实现25m以外直径为3m的均匀光斑，符合设计要求。
为了证明该方法的可行性，按照本发明设计自由曲面的方法，将自由曲面设计并制造出来，如图8所示，设置激发功率为13W，光学实验结果如图9所示，距离激光车灯5m处的光斑直径为0.6m，距离激光车灯25m处的光斑直径为3m，照度为113lux。目前市面上的氙气车灯，35W的电功率下，25m处照度约为100lux，对比于本论文所设计的激光车灯相当于13W电功率下所能达到的照度。
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)

1.一种基于自由曲面透镜的激光车灯，包括激光转化白光系统和白光汇聚系统，激光转化白光系统包括激光光源、第一透镜和黄磷荧光片，其特征在于：白光汇聚系统包括第二透镜和一自由曲面透镜，所述的自由曲面透镜、第二透镜、黄磷荧光片、第一透镜、激光光源由前至后依次排列；
自由曲面透镜后表面与激光光源的间距、自由曲面透镜后表面与第一透镜后表面的间距、自由曲面透镜后表面与第二透镜后表面的间距的比例关系约为：4：3.5:1；
所述激光光源选用四个蓝色激光灯珠，这四个灯珠的中心连线为一个正方形，几何中心在光轴上；
所述第一透镜为球面透镜；
所述第二透镜为偶次非球面，面型方程为：
Figure FDA0003810431330000011
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；
所述自由曲面透镜为奇次多项式非球面，面型方程为：
Figure FDA0003810431330000012
其中c为曲率，k为圆锥系数，C1、C2、C3…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；
所述自由曲面透镜的拟光源采用机器视觉比较法得到；
所述拟光源为3mm*3mm的朗伯矩形；
所述机器视觉比较法是通过测量荧光片前后的光源形状与尺寸，确定光源自由曲面透镜的参数；
所述自由曲面透镜的设计采用直接计算与优化算法相结合的方式，首先将光源近似为点光源，将未知透镜的左表面近似为平面，利用网格映射法求解透镜的右表面，由此来得到自由曲面的初始面型，然后根据激光车灯的结构建立光学模型，将光源设置为3mm*3mm的朗伯矩形面光源，同时优化透镜的左右表面，得到最后的透镜面型；
所述自由曲面初始面型计算的具体实施步骤为：
(1)以点光源为坐标原点O，以透镜的光轴为Z轴建立直角坐标系，光源近似为点光源，点光源的角度为0～90°，对光源角度进行离散化用γi，i＝0,1,2,……，m，其中γm＝90°，光源角度为γi的入射光线为ri，经过已知透镜后的矢量为vi，入射到未知透镜表面的Pi点，Pi处的法矢量为Ni，最终入射到接收面的Ti，其中Ti＝(L,yi)，其中L为接收面与光源之间的距离，yi为纵向坐标；
根据数学关系，入射光线矢量ri为
ri＝[cos(γi) sin(γi)]T (1)
若已知透镜的左表面法矢量为N0，n1为已知透镜折射率，则出射光线ui为
Figure FDA0003810431330000021
(2)利用相同的原理可以求得经过已知透镜的出射光线的矢量vi，如公式(3)所示，其中N1为已知透镜右表面的法矢量，同时利用光线追迹可求得透镜出射点的坐标Qi；
Figure FDA0003810431330000022
首先利用网格映射法，光源角度γi～γi+1之间的球面映射为接收面处半径yi～yi+1的环形平面，设球面半径为R，目标面半径为Rr，即球面的能量分布映射为圆环能量分布，满足下面等式(4)，化简后为(5)，可求得接收面上的光线坐标Ti(L,yi)，
Figure FDA0003810431330000023
Figure FDA0003810431330000024
未知透镜上P0点是已知点，P0处的法矢量Np0＝[01]，利用二维几何构造法计算透镜的离散点Pi(i＝1,2,……，m)，令直线矢量
Figure FDA0003810431330000025
与Pi-1处的法矢量垂直，即满足
Figure FDA0003810431330000026
则出射光线矢量wi为
Figure FDA0003810431330000027
根据折射定律，求得Pi的法矢量Npi，其中n2为未知透镜折射率：
Figure FDA0003810431330000031
依次计算得到透镜截面曲线上所有的离散点坐标Pi和其对应的法矢量Npi，将离散点进行拟合旋转得到透镜的初始面型。
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