CN116626893A - Led近光微透镜阵列光学系统设计方法、车灯及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车灯领域，公开了一种LED近光微透镜阵列光学系统、车灯及车辆，包括以下步骤：S1、对车灯所形成的平行光源面进行划分，S2、根据车灯所产生的入射光线、出射光线以及法线建立对应的入射矢量出射矢量和法线矢量S3、根据入射矢量出射矢量和法线矢量之间的对应关系构建直角坐标系；S4、获取直角坐标系中的车灯探照面上点t和光源面点s的坐标，并根据snell定律计算自由曲面偏微分分量和的关系式，以能够得到曲面上个点的坐标数值，同时获取明暗截止线的位置以建立三维模型。本发明采用上述方法设计出的微透镜阵列式透镜，能够满足小尺寸的设计要求，且光学利用率高。

Description

LED近光微透镜阵列光学系统设计方法、车灯及车辆
技术领域
本发明涉及照明技术领域，尤其是涉及一种LED近光微透镜阵列光学系统。另外，本发明还涉及一种车灯及车辆。
背景技术
随着汽车车灯小型化、扁平化的发展趋势，传统的光学系统已经不能够满足全新的造型开发需求，同时第三代半导体的发展，汽车的光源不再是传统的卤素灯、氙气灯，其发光特性具有更高的角均匀性和面均匀性，为车灯创新性的设计提供了更多的可能性。
中国专利，申请号CN103363444B，公开了一种LED汽车前照灯用自由曲面微透镜阵列，LED光源发出的光经过准直后以平行光束射出，所述自由曲面微透镜阵列由若干个自由曲面微透镜紧凑排列布满整个所述平行光束的截面构成。
中国专利，申请号CN103363418B，公开了一种LED汽车照明用微透镜阵列型前照灯，包括LED芯片、铝基板和散热器，还包括准直器和自由曲面微透镜阵列，LED芯片焊接在铝基板上，铝基板、准直器和自由曲面微透镜阵列安装于散热器上，LED芯片的发光面朝向准直器的入射面，光线经准直器后以平行光束出射，并垂直入射自由曲面微透镜阵列的入射面。
但传统的LED近光灯设计方法通常采用反射式或者透射式，明暗截止线通过拦截的方式实现，光学系统整体尺寸偏大，且光学利用率较低。
自由曲面微透镜阵列的设计思路虽然已经在有些应用上得到了推广，但是没有提出一个完整的设计方法，CN103363444B《LED汽车前照灯用的自由曲面微透镜阵列》和CN103363418B《LED汽车照明用的微透镜阵列型前照灯》提出了一种自由曲面微透镜应用于前照灯的设计方法，设计方法过于复杂。
有鉴于此，需要一种自由曲面微透镜阵列的设计方法，以解决上述问题。
发明内容
针对上述所要解决的技术问题，本发明第一方面提供了一种LED近光微透镜阵列光学系统，能够使得设计的光学系统具有体积小，光学利用率高的特点，且设计方法简单。
本发明第二方面提供了一种车灯，具有体积小，光学利用率高的特点。
本发明第三方面提供了一种车辆，具有体积小，光学利用率高的特点。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种LED近光微透镜阵列光学系统，包括以下步骤：
S1、对车灯所形成的平行光源面进行划分，
S2、根据车灯所产生的入射光线、出射光线以及法线建立对应的入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>
S3、根据入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>之间的对应关系构建直角坐标系；
S4、获取直角坐标系中的车灯探照面上点t和光源面点s的坐标，并根据snell定律计算自由曲面偏微分分量和的关系式，以能够得到曲面上个点的坐标数值，同时获取明暗截止线的位置以建立三维模型。
优选地，所述入射矢量为入射光线照射到所述车灯的微透镜自由曲面P上的一点p时，此时入射方向的单位矢量为/>
进一步优选地，所述出射矢量为所述车灯的微透镜自由曲面P上的点p至所述车灯探照面T上的点t时，此时出射方向的单位矢量为/>
优选地，根据所述Snell定律，所述入射矢量、出射矢量以及法线矢量之间的关系如下：
其中，nI为入射光的介质折射率，/>为法线矢量；/>为入射矢量；/>为出射矢量。
进一步优选地，在S1中，将平行光源面均匀划分等分区域，各单位区域的面积为As，照度为Es，且各单位区域为等照度面，所述平行光源面所能够产生的总能量为Φs，可以表示为Φs＝∫Es*dAs。
优选地，设定所述车灯能探照面的单位面积为At，照度为Et，则所述平行光源面和所述车灯探照面的能量对应关系为：∫ES*dAS＝∫Et*dAt。
进一步优选地，所述微透镜自由曲面P上，经过p点的相互垂直的两个切线矢量分别为pθ和pφ，则经过p点的法线矢量为：/>
本发明第二方面提供了一种一种车灯，采用了本发明第一方面所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，所述包括准直透镜和微透镜结构，所述微透镜结构设置在所述准直透镜的出光面上。
本发明第三方面提供了一种车辆，采用了本发明第二方面所述的车灯。
通过上述优选技术方案，本发明的LED近光微透镜阵列光学系统通过根据平行光源面的定义，将平行光源面进行等能划分，并根据所建立的入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>之间的对应关系，建立坐标系，得到车灯探照面上点t和平行光源面上点s的坐标，根据snell定律，计算微透镜自由曲面偏微分分量和的关系式，计算得到微透镜自由曲面上各点的坐标点数值，最后获取明暗截止线的位置，并根据计算得到的数值，建立3D模型，采用此方法设计出的微透镜阵列式透镜，能够满足小尺寸的设计要求，且光学利用率高。
本发明的其他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
图1为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统的基础光路图；
图2为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统采用反射镜所形成的远光光型图；
图3为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统采用透镜所形成的远光光型图；
图4为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统的第一种组合方式的立体图；
图5为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统的第二种组合方式的立体图；
图6为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统的第三种组合方式的立体图；
图7为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统的第四种组合方式的立体图；
图8为本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统所形成的近光照明模拟图。
附图标记
1准直透镜2微透镜结构
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明具体实施方式的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，参见图1，其光源可采用的Micro led和/或Mini led和/或Led等，通过采用上述的光源，能够发出具有扩散性的入射光线。
具体地，该设计方法包括以下步骤：
S1、对车灯所形成的平行光源面进行划分，
S2、根据车灯所产生的入射光线、出射光线以及法线建立对应的入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>
S3、根据入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>之间的对应关系构建直角坐标系；
S4、获取直角坐标系中的车灯探照面上点t和光源面点s的坐标，并根据snell定律计算自由曲面偏微分分量和的关系式，以能够得到曲面上个点的坐标数值，同时获取明暗截止线的位置以建立三维模型。
具体地，入射矢量为入射光线照射到车灯的微透镜自由曲面P上的一点p时，此时入射方向的单位矢量为/>出射矢量/>为车灯的微透镜自由曲面P上的点p至车灯探照面T上的点t时，此时出射方向的单位矢量为/>
更具体地，根据所述Snell定律，入射矢量、出射矢量以及法线矢量之间的关系如下：
其中，nI为入射光的介质折射率，/>为法线矢量；/>为入射矢量；/>为出射矢量。
另外，在S1中，将平行光源面均匀划分等分区域，各单位区域的面积为As，照度为Es，且各单位区域为等照度面，平行光源面所能够产生的总能量为Φs，可以表示为Φs＝∫Es*dAs。
设定所述车灯探照面的单位面积为At，照度为Et，则平行光源面和车灯探照面的能量对应关系为：∫ES*dAS＝∫Et*dAt。
参见图3，在理想状态下，光源发出的光通过准直透镜1后，能够完全平行出射。光在均匀介质中到达微透镜自由曲面P上的p点，此时，入射方向的单位矢量为从微透镜自由曲面出射的光到达探照面T上t点(xt,yt,zt)的出射单位矢量为/>由Snell定律，有以下关系式：/>其中nI为入射光/>的介质折射率，/>为法线矢量。
并且图3中为平行光源面与车灯探照面的对应方式，阴影部分对应能量相等，假设光线入射到自由曲面光学器件并发生折射时没有能量损失，同时光线在介质中的吸收可忽略不计，则光线的传播遵守能量守恒定律，即光源的输出等于目标照明面T内的能量。
参见图4至图5，其中，图4为平行光源面的拓扑结构图，图5为被照面拓扑结构图。图4中，平行光源面上的点s(xs,ys,zs)发出的光线，通过微透镜自由曲面之后到达探照面T上的t点，区域As’的总光通量和对应探照面上区域At’的总光通量相等，即∫EAs′*dAs′＝∫EAt′*dAt′，EAs′为区域As’的总光通量，EAt′为区域At’的总光通量。
具体地，下面结合图3至图5来对整体设计方案进行进一步的阐述，理想状态下，光源所发出的入射光线首先通过准直透镜1后，能够完全平行出射。且光在均匀介质中到达微透镜自由曲面上的p点，此时，入射方向的单位矢量为从微透镜自由曲面出射的光到达探照面T上t点的出射单位矢
量为
p点在所建立的直角坐标系上的投影为p′，单位失量和/>可以分别表示为：
由(1)式可以得到，平行入射到微透镜自由曲面的方向矢量可以表示为(0,0,1)，由微分几何可知，曲面上一点处的法线矢量等于在曲面上经过此点的两条曲线切线矢量的乘积。因此，在微透镜自由曲面上，经过p点的相互垂直的两个切线矢量分别由pθ和pφ来表示，则经过P点的法线矢量/>为：
结合公式(1)、(2)能够得到法线矢量的表达方式如下所示：
其中，Nx,Ny,Nz分别为法线矢量在坐标轴x，y，z方向上的分量。
更具体地，为了建立入射光矢量出射光矢量/>和法线矢量/>的偏微分方程，需要满足三者之间联系的Snell方程，假设三者在微透镜光学系统中满足镜面透射的条件，由Snell定律，有以下关系式：
出射光的介质为空气，折射率可近似为1，即nO≈1，当nO≈1时，上式可简化为：
通过公式(6)，并结合公式(1)至(3)，能够获得关于微透镜自由曲面上点直线半径ρ的两个偏微分分量ρθ和ρφ，对ρ、ρθ和ρφ的偏微分方程进行求解，由于该偏微分方程作用本领域技术人员常用的计算公式，因此在此并未示出。因此，通过求解就能够得到车灯探照面T上的t点与平行光源面对应点s的坐标值，并能够根据计算得到的坐标值，同时获取明暗截止线的位置以形成如图7所示的照明区域，同时根据做坐标值以及照明区域建立3D模型以形成最终的图8近光照明模拟图。
参见图2，本发明的一种车灯，采用了本发明第一方面所述的一种LED近光微透镜阵列光学系统，其包括准直透镜1和微透镜结构2，且微透镜结构2设置在准直透镜1的出光面上。
本发明的一种车辆，采用了本发明第二方面所述的车灯，因此也具有上述优点。
在本发明的描述中，参见术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对车灯所形成的平行光源面进行划分，
S2、根据车灯所产生的入射光线、出射光线以及法线建立对应的入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>
S3、根据入射矢量出射矢量/>和法线矢量/>之间的对应关系构建直角坐标系；
S4、获取直角坐标系中的车灯探照面上点t和平行光源面点s的坐标，并根据snell定律计算自由曲面偏微分分量和的关系式，以能够得到曲面上个点的坐标数值，同时获取明暗截止线的位置以建立三维模型。
2.根据权利要求1所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于,所述入射矢量为入射光线照射到所述车灯的微透镜自由曲面P上的一点p时，此时入射方向的单位矢量为/>
3.根据权利要求2所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，所述出射矢量为所述车灯的微透镜自由曲面P上的点p至所述车灯探照面T上的点t时，此时出射方向的单位矢量为/>
4.根据权利要求1所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，根据所述Snell定律，所述入射矢量、出射矢量以及法线矢量之间的关系如下：
其中，nI为入射光的介质折射率，/>为法线矢量；/>为入射矢量；/>为出射矢量。
5.根据权利要求1所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，在S1中，将平行光源面均匀划分等分区域，各单位区域的面积为As，照度为Es，且各单位区域为等照度面，所述平行光源面所能够产生的总能量为Φs，可以表示为Φs＝∫Es*dAs。
6.根据权利要求5所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，设定所述车灯能探照面的单位面积为At，照度为Et，则所述平行光源面和所述车灯探照面的能量对应关系为：∫ES*dAS＝∫Et*dAt。
7.根据权利要求3所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，所述微透镜自由曲面P上，经过p点的相互垂直的两个切线矢量分别为pθ和pφ，则经过p点的法线矢量为：/>
8.一种车灯，采用权利要求1至7中任一项所述的LED近光微透镜阵列光学系统设计方法，其特征在于，所述包括准直透镜和微透镜结构，所述微透镜结构设置在所述准直透镜的出光面上。
9.一种车辆，其特征在于，采用权利要求8所述的车灯。
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