CN112628682B - 用于led光源的投影镜头、系统及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及照明技术领域，提供一种用于LED光源的投影镜头、系统及车辆，所述投影镜头包括：从物侧至像侧沿一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和出光光阑，每个透镜分别具有朝向所述物侧的物侧面和朝向所述像侧的像侧面，所述第一透镜具有正折射光焦度，且所述第一透镜的物侧面和像侧面均是凸面的球面，所述第二透镜具有负折射光焦度，且所述第二透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；所述第三透镜具有正折射光焦度，且所述第三透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；所述投影镜头的分辨率不小于所述LED光源的物理分辨率，所述投影镜头的畸变小于5％，所述投影镜头的最大半视场角是4°。所述投影镜头能够同时满足LED光源对照明和成像的需求。

Description

用于LED光源的投影镜头、系统及车辆
技术领域
本发明涉及照明技术领域，特别涉及一种用于LED光源的投影镜头、系统及车辆。
背景技术
ADB(Adaptive Driving Beam，自适应远光系统)通过前视摄像头或雷达等传感器对外部驾驶环境的分析识别，智能控制大灯的照明光束，能够在夜间提升驾驶安全。
实现ADB的一种常用方案是基于有限数量(<100)的可单独控制点亮状态的多个LED实现，将多个有大间距的LED在硅胶导光柱出光面形成小间距的LED阵列虚像，然后通过投影二次光学使得每个LED可控制的照明宽度在1°以上。但是这种技术仅涉及到照明，不考虑成像，所以该方案中单片投影透镜更多的是考虑球差，其它像差基本不控制。对于投射光型的锐度、分辨率、像差特性等光学特征要求基本没有，因为其不影响照明效果和ADB独立点亮分区的控制。
实现ADB的一种方案是使用小间距(100μm级)LED阵列的像素LED光源，直接采用成像投影镜头和电子控制LED亮度状态实现所需的大灯配光需求，另外高像素的LED光源在车前近场也可投射简单的图像符号信息，用于光信息的表达和交互。然而，像素LED光源目前基本采用传统成像光学的投影方案，考虑到多种像差和热影响，基本全是玻璃透镜。一般是由一组透镜组成(镜片个数≥5)，而玻璃非球面对材质和加工工艺的要求较高，因此这种镜头虽然光学分辨率高，但成本、重量也高。另外，LED芯片之间的小间距(>10um)在投影时在前方路面会放大，造成暗带，影响视觉感知和驾驶安全。
因此目前使用的单片投影透镜或成像投影镜头均不能同时满足高像素LED光源构成的大灯对照明和成像的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于LED光源的投影镜头，以满足LED光源构成的大灯对照明和成像的需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于LED光源的投影镜头，所述用于LED光源的投影镜头包括：从物侧至像侧沿一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和出光光阑，每个透镜分别具有朝向所述物侧的物侧面和朝向所述像侧的像侧面，所述第一透镜具有正折射光焦度，且所述第一透镜的物侧面和像侧面均是凸面的球面，所述第二透镜具有负折射光焦度，且所述第二透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；所述第三透镜具有正折射光焦度，且所述第三透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；所述投影镜头的分辨率不小于所述LED光源的物理分辨率，所述投影镜头的畸变小于5％，所述投影镜头的最大半视场角是4°。
进一步的，所述第一透镜的物侧面的曲率半径是-37.221mm，所述第一透镜的像侧面的曲率半径是20mm；所述第二透镜的物侧面为具有凹面的非球面且曲率半径是-29.827mm，所述第二透镜的像侧面为具有凹面的非球面且曲率半径是-18.073mm；所述第三透镜的物侧面为具有凸面的非球面且曲率半径是-36.994mm，所述第三透镜的像侧面为具有凸面的非球面且曲率半径是28.417mm；所述出光光阑的口径大小为41mm；所述出光光阑到所述第三透镜的像侧面的距离为-7.305mm，所述第三透镜的像侧面到所述第三透镜的物侧面的距离为17.665mm，所述第三透镜的物侧面到所述第二透镜的像侧面的距离为8.16mm，所述第二透镜的像侧面到所述第二透镜的物侧面的距离为10mm，所述第二透镜的物侧面到所述第一透镜的像侧面的距离为1.101mm，所述第一透镜的像侧面到所述第一透镜的物侧面的距离为12.487mm，所述第一透镜的物侧面到所述LED光源的表面的距离为6.389mm。
进一步的，所述第一透镜的物侧面的折射率为1.519，所述第一透镜的像侧面的折射率为64.21；所述第二透镜的物侧面的折射率为1.586，所述第二透镜的像侧面的折射率为29.93；以及所述第三透镜的物侧面的折射率为1.492，所述第三透镜的像侧面的折射率为57.33。
进一步的，所述投影镜头满足：tanθ>1，其中，θ为所述投影镜头对所述LED光源的最大收光角的半场角。
进一步的，所述第一透镜为由玻璃材质组成的透镜，所述第二透镜和所述第三透镜中至少一者为由塑料材质组成的透镜。
进一步的，所述第二透镜和所述第三透镜均为由塑料材质组成的透镜；和/或所述投影镜头的总长度不大于60mm。
相对于现有技术，本发明实施例所述的用于LED光源的投影镜头具有以下优势：
(1)本发明实施例所述的用于LED光源的投影镜头的分辨率不小于所述LED光源的物理分辨率，能够对LED光源发出的光进行无损的投影显示，且畸变和半视场角的设置，使得投影镜头能够对LED光源信息成像，因而能够同时满足照明和成像需求。
(2)采用塑料材质组成的透镜，在减轻投影镜头的重量的同时，降低了成本。
本发明的另一目的在于提出一种用于LED光源的系统，以满足LED光源构成的大灯对照明和成像的需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于LED光源的系统，所述用于LED光源的系统包括：上述的用于LED光源的投影镜头；以及LED光源。
进一步的，所述LED光源中包含的LED发光芯片的个数至少大于1000。
本发明的另一目的在于提出一种车辆，以满足LED光源构成的大灯对照明和成像的需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种车辆，所述车辆包括用于LED光源的系统。
所述用于LED光源的系统、所述车辆与上述用于LED光源的投影镜头相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的用于LED光源的投影镜头的结构示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的投影镜头的场曲和畸变曲线示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的投影镜头的MTF(Modulation TransferFunction，调制传递函数)曲线示意图；以及
图4示出了根据本发明一实施例的用于LED光源的系统的结构框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明实施例提供一种用于LED光源的投影镜头，所述投影镜头适用于车辆照明行业的千级或万级像素白光LED光源。所述千级或万级像素白光LED光源是指一颗LED上有成千上万个细小的白光LED发光芯片(芯片大小是微米级的)，每颗白光LED发光芯片可单独控制亮灭和亮度调节。通过像素白光LED光源可以将要照明的大灯光型(如远光或近光强度分布)信息进行像素化(这里，大灯光型的像素个数不大于白光LED发光芯片的个数)，使得像素化后的强度分布信息与LED发光芯片的发光状态一一对应起来，然后通过投影镜头将LED发光芯片的发光状态投射出去，最终在路面上形成由LED发光芯片状态形成的大灯光强分布信息，且亮度可通过脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)调制。
图1示出了根据本发明一实施例的用于LED光源的投影镜头的结构示意图。如图1所示，所述用于LED光源的投影镜头可以包括：从物侧至像侧沿一光轴依次设置的第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130和出光光阑STO，每个透镜分别具有朝向所述物侧的物侧面和朝向所述像侧的像侧面，其中所述物侧是指LED光源侧。
第一透镜110可以具有正(+)折射光焦度，且第一透镜的物侧面S6和像侧面S5均可以是凸面的球面。第二透镜120具有负(-)折射光焦度，且第二透镜的物侧面S4和/或像侧面S3是非球面，即，第二透镜120至少有一个表面是非球面。第三透镜130具有正(+)折射光焦度，且第三透镜130的物侧面S2和/或像侧面S1是非球面，即，第三透镜130至少有一个表面是非球面。
投影透镜的分辨率不小于LED光源的物理分辨率，所述物理分辨率是指LED光源中LED发光芯片的芯片分辨率(即，单位量度内LED发光芯片的数量的一半)，以能够将LED光源表达的大灯光型和强度分布信息精确的投射出去。所述投影镜头的畸变小于5％，以使得投射出去的影像或光线产生的偏移可以忽略。所述投影镜头的最大半视场是4°，在实际设置过程中，可以将所述LED光源表面的最高半高度看作是2mm。
本发明实施例所述的用于LED光源的投影镜头的分辨率小于所述LED光源的物理分辨率，能够对LED光源发出的光进行无损的投影显示，且畸变和半视场角的设置，使得投影镜头能够对LED光源信息成像，因而能够同时满足照明和成像需求。
在一可选是实施例中，第一透镜110可以是由玻璃材质组成的透镜。第一透镜110是三个透镜中最靠近LED光源的透镜，玻璃材质的耐高温性可以有益于第一透镜的使用寿命。
第二透镜120和第三透镜130中至少一者可以是由塑料材质组成的透镜。优选的，第二透镜和第三透镜可以均为由塑料材质组成的透镜。采用塑料材质组成的透镜，在减轻投影镜头的重量的同时，降低了成本。
进一步可选的，本发明实施例提供的用于LED光源的投影镜头的总长度可以不大于60mm，从而方便用于车辆的大灯系统。
进一步可选的，投影镜头对LED光源的最大收光角的半场角θ可以满足以下条件：tanθ>1。这样的设置可以提高对LED光源发出的光的利用率。
在一可选实施例中，用于LED光源的投影镜头中，第一透镜110是由玻璃材质组成的透镜，第二透镜120和第三透镜130均为由塑料材质组成的透镜。第一透镜110物侧面S6的曲率半径可以是-37.221mm，所述第一透镜的像侧面S5的曲率半径可以是20mm。第二透镜120的物侧面S4可以为具有凹面的非球面且曲率半径可以是-29.827mm，第二透镜120的像侧面S3可以为具有凹面的非球面且曲率半径可以是-18.073mm。第三透镜130的物侧面S2可以为具有凸面的非球面且曲率半径可以是-36.994mm，第三透镜130的像侧面S1可以为具有凸面的非球面且曲率半径可以是28.417mm。光阑STO的口径大小可以为41mm。其中，曲率半径为正数表示朝向像侧弯曲，曲率半径为负数表示朝向物侧弯曲。出光光缆的表面可以是球面类型的，其曲率半径可以认为是无穷。
出光光阑STO到第三透镜130的像侧面S1的距离可以为-7.305mm，第三透镜130的像侧面S1到第三透镜130的物侧面S2的距离可以为17.665mm。第三透镜130的物侧面S2到第二透镜120的像侧面S3的距离可以为8.16mm，第二透镜120的像侧面S3到第二透镜120的物侧面S4的距离可以为10mm。第二透镜120的物侧面S4到第一透镜110的像侧面S5的距离可以为1.101mm，第一透镜110的像侧面S5到第一透镜110的物侧面S6的距离可以为12.487mm，第一透镜110的物侧面S6到LED光源的表面S7的距离可以为6.389mm。上述对于距离的描述中是以第三透镜130的像侧面S1的表面顶点为圆心的，出光光阑STO到第三透镜130的像侧面S1的距离为负数，则表明，出光光阑STO比第三透镜130的像侧面S1更远离像侧。
第一透镜110的物侧面S6的折射率可以为1.519，第一透镜110的像侧面S5的折射率可以为64.21。第二透镜120的物侧面S4的折射率可以为1.586，第二透镜120的像侧面S3的折射率可以为29.93。第三透镜130的物侧面S2的折射率可以为1.492，第三透镜130的像侧面S1的折射率可以为57.33。
表1中列出了用于LED光源的投影镜头的具体结构参数。其中厚度D为从像侧起排序的当前面到下一面的距离。
表1
Figure BDA0002225660710000081
在该实施例中，第二透镜和第三透镜可以都是塑料透镜，其可以模压成型的方式实现。第二透镜和第三透镜的四个面均为非球面。可选的，非球面方程可以使用以下公式：
Figure BDA0002225660710000082
其中，z为从透镜的顶点到光轴方向的距离，c为透镜的基本曲率，r：朝向垂直于光轴的方向的距离，k：二次圆锥常数，αι皆为非球面系数，ρ为径向坐标，N为设置的项数，i为下标系数。
可以理解，非球面方程也可以使用任意其它合适的公式，本发明实施例并不限制于此。
第二透镜和第三透镜的四个面可以均为扩展奇次非球面透镜，共有20项，对应的非球面系数如表2所示：
表2
Figure BDA0002225660710000091
Figure BDA0002225660710000092
基于表1和表2示出的参数得到的投影镜头的光学总长度TTL是55.8mm，其中所述光学总长度是指从第三透镜表面顶点到LED光源表面的距离，且整个镜头的有效焦距是28.5mm。图2示出了基于表1和表2示出的参数得到的投影镜头的场曲和畸变曲线示意图，从图中可知，场曲很小，且投影镜头的最大畸变小于1％，满足要求。图3示出了基于表1和表2示出的参数得到的投影镜头的MTF曲线示意图。如图3所示，在整个视场中，投影镜头在分辨率0.4lp/mm分辨率下，MTF大于0.45，这对于大部分LED光源来说是满足的。
相应的，本发明实施例还提供一种用于LED光源的系统，该系统可以组成车辆用的大灯。如图4所示，所述用于LED光源的系统可以包括：根据本发明任意实施例所述的用于LED光源的投影镜头410；以及LED光源420。如上文所述，LED光源420可以是车辆照明行业的千级或万级像素白光LED光源。所述千级或万级像素白光LED光源是指一颗LED上有成千上万个细小的白光LED发光芯片(芯片大小是微米级的)，每颗白光LED发光芯片可单独控制亮灭和亮度调节。通过像素白光LED光源可以将要照明的大灯光型(如远光或近光强度分布)信息进行像素化(这里，大灯光型的像素个数不大于白光LED发光芯片的个数)，使得像素化后的强度分布信息与LED发光芯片的发光状态一一对应起来，然后通过投影镜头将LED发光芯片的发光状态投射出去，最终在路面上形成由LED发光芯片状态形成的大灯光强分布信息，且亮度可通过脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)调制。
可选的，白光LED发光芯片的个数可以至少大于1000，以保证信息经白光LED光源像素化后能够再现信息的完整性。
相应的，本发明实施例还提供一种车辆，所述车辆可以包括根据本发明任意实施例所述的用于LED光源的系统。
可以理解，本发明实施例提供的用于LED光源的投影镜头是3片式玻塑混合的投影镜头。在可选情况下，根据不同的F数和LED光源尺寸，可以用4片或5片透镜不同的光学结构来实现投影照明功能，本发明实施例并不特定限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于LED光源的投影镜头，其特征在于，所述用于LED光源的投影镜头包括：从物侧至像侧沿一光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和出光光阑，每个透镜分别具有朝向所述物侧的物侧面和朝向所述像侧的像侧面，
所述第一透镜具有正折射光焦度，且所述第一透镜的物侧面和像侧面均是凸面的球面，
所述第二透镜具有负折射光焦度，且所述第二透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；
所述第三透镜具有正折射光焦度，且所述第三透镜的物侧面和/或像侧面是非球面；
所述投影镜头的分辨率不小于所述LED光源的物理分辨率，所述投影镜头的畸变小于5％，所述投影镜头的最大半视场角是4°；
所述投影镜头满足：tanθ>1，其中，θ为所述投影镜头对所述LED光源的最大收光角的半场角。
2.根据权利要求1所述的用于LED光源的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜的物侧面的曲率半径是-37.221mm，所述第一透镜的像侧面的曲率半径是20mm；
所述第二透镜的物侧面为具有凹面的非球面且曲率半径是-29.827mm，所述第二透镜的像侧面为具有凹面的非球面且曲率半径是-18.073mm；
所述第三透镜的物侧面为具有凸面的非球面且曲率半径是-36.994mm，所述第三透镜的像侧面为具有凸面的非球面且曲率半径是28.417mm；
所述出光光阑的口径大小为41mm；
所述出光光阑到所述第三透镜的像侧面的距离为-7.305mm，所述第三透镜的像侧面到所述第三透镜的物侧面的距离为17.665mm，所述第三透镜的物侧面到所述第二透镜的像侧面的距离为8.16mm，所述第二透镜的像侧面到所述第二透镜的物侧面的距离为10mm，所述第二透镜的物侧面到所述第一透镜的像侧面的距离为1.101mm，所述第一透镜的像侧面到所述第一透镜的物侧面的距离为12.487mm，所述第一透镜的物侧面到所述LED光源的表面的距离为6.389mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于LED光源的投影镜头，其特征在于，
所述第一透镜的物侧面的折射率为1.519，所述第一透镜的像侧面的折射率为64.21；
所述第二透镜的物侧面的折射率为1.586，所述第二透镜的像侧面的折射率为29.93；以及
所述第三透镜的物侧面的折射率为1.492，所述第三透镜的像侧面的折射率为57.33。
4.根据权利要求1或2所述的用于LED光源的投影镜头，其特征在于，所述第一透镜为由玻璃材质组成的透镜，所述第二透镜和所述第三透镜中至少一者为由塑料材质组成的透镜。
5.根据权利要求4所述的用于LED光源的投影镜头，其特征在于，
所述第二透镜和所述第三透镜均为由塑料材质组成的透镜；和/或
所述投影镜头的总长度不大于60mm。
6.一种用于LED光源的系统，其特征在于，所述用于LED光源的系统包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的用于LED光源的投影镜头；以及
LED光源。
7.根据权利要求6所述的用于LED光源的系统，其特征在于，所述LED光源中包含LED发光芯片的个数至少大于1000。
8.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括用于LED光源的系统。
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