CN115574286B - 一种车用自由曲面符号投影照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用自由曲面符号投影照明装置，属于非成像光学技术领域。照明装置由照明光源和自由曲面透镜组构成，其中自由曲面透镜组包含一个用于调控光束强度和波前的光束准直自由曲面透镜和一个自由曲面阵列透镜。由照明光源出射的光线经过光束准直自由曲面透镜的折射后变为能量均匀分布的平行光，后经自由曲面阵列透镜偏折后在目标面上形成预定的符号照明光斑。该车用自由曲面符号投影照明装置结构简单，且其中的自由曲面透镜光滑连续，易于加工；该装置能够投影出高质量的复杂光斑，能量利用率高，投影效果好，实用性强，应用范围广。

Description

一种车用自由曲面符号投影照明装置

技术领域

本发明涉及非成像光学及照明技术领域，尤其涉及一种车用自由曲面符号投影照明装置。

背景技术

随着科技的发展，智能汽车离我们越来越近，智能驾驶、人机交互等新兴技术逐步成为智能汽车的重要发展方向。符号投影即在观察位置处投影出特定的符号，是汽车人机交互的重要方向之一，而现有的汽车图案投影技术一般直接通过光阑挡光来实现，光阑通过阻止部分光束的传播来实现图案投影，这无疑意味着有大量的光源能量被浪费，同时利用也难以达到很好的投影效果。

CN201822024127.3提出了一种用于图形符号投影到投影面上的照明光学装置，该照明装置包括会聚透镜和成形光的结构，成形光的结构沿投影方向设置在会聚透镜的下游并且邻接于会聚透镜，同时成形光的结构的耦合输出面具有对应于图形符号的横截面形状，该装置通过TIR（TIR＝“Total Internal Reflection，全内反射”）汇聚透镜来进行匀光，之后通过遮暗的方式实现图案投影，该装置中遮暗的图案投影方式会降低光能利用率，同时无法实现边界清晰以及复杂的图案投影。

CN201811224209.0提出了一种利用MEMS扫描镜对投影光束进行反射的车灯投影装置，该装置包括一光源、合束镜、整形柱面镜和MEMS扫描镜，其中光源产生投影光束，之后合束镜将相同方向或不同方向的投影光束合成一束光，再经过整形柱面镜后到达MEMS扫描镜，MEMS扫描镜按照一定规则转动对投影光束进行反射，并以扫描的方式在投影区域投出一个投影图案。该装置需要用到多透镜组合以及MEMS扫描镜的共同作用来实现图案投影，结构复杂且对扫描装置的扫描精度要求较高。

为进一步提高图案投影在车灯照明中的应用，解决智能汽车中人机交互这一难题，非常有必要提出一种结构简单、高效节能、投影效果好的符号投影装置。光学自由曲面是一类不具有轴旋转对称或平移对称的光学曲面，其灵活的面形结构可突破传统光学系统理念创造全新的结构形式，可在有效提高系统性能的同时极大地简化系统结构、减少光学元件数量，可实现具有高性能和新功能的轻小型光束调控系统，在高效节能照明、激光束整形等尖端国防和民用领域均具有重要应用价值。自由曲面以其灵活的面型结构的优势在图案投影方面具有巨大的应用潜力，其调控原理意味着忽略菲涅尔反射的影响后，所有的光线均被调控至目标投影区域，在提高投影系统能量利用率方面具有巨大的应用价值，同时自由曲面投影装置结构简单，便于使用时的安装调整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种车用自由曲面符号投影照明装置。本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种车用自由曲面符号投影照明装置，其包含照明光源和一个自由曲面透镜组，其中自由曲面透镜组包含沿光路顺次设置的光束准直自由曲面透镜和自由曲面阵列透镜；光束准直自由曲面透镜包含入射面和出射面，其中入射面和出射面均为自由曲面，不具有旋转对称性；自由曲面阵列透镜包含入射面和出射面，其中入射面是平面，出射面是自由曲面且不具有旋转对称性；所述光束准直自由曲面透镜用于光束准直，其将照明光源发出的光束偏折为光照强度分布均匀的平行光，并垂直照射到自由曲面阵列透镜的入射面上；平行光再经自由曲面阵列透镜偏折后在目标照明面上产生预定的符号照明光斑；

所述的自由曲面阵列透镜的出射面由周期性阵列排布的若干完全相同的自由曲面单元组成；所述的自由曲面单元将能量分布均匀的平行光束整形为目标图案照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列透镜的入射面入射光束不发生偏折作用。

进一步的，所述的自由曲面透镜组按如下步骤设计：

1）根据初始设计参数对光束准直自由曲面透镜及自由曲面阵列透镜进行初始设计；

2）根据斯涅耳定律、能量守恒定律以及等光程原理设计光束准直自由曲面透镜，将照明光源的出射光束整形为光强分布均匀的平行光，所述光束准直自由曲面透镜的光轴与照明光源的光轴重合；

3）根据能量守恒定律以及斯涅耳定律设计自由曲面阵列透镜；

4）将光束准直自由曲面透镜与自由曲面阵列透镜建模，得到自由曲面透镜组。

更进一步的，自由曲面阵列透镜的设计，包括如下步骤：

3.1）自由曲面阵列透镜的尺寸为k*k，其中包含m*m个相同的自由曲面透镜单元，m为大于1的整数，所设计的每个自由曲面透镜单元的口径为k/m；

3.2）建立能量守恒关系式：

，

其中， I(x,y)为光源的强度分布，此处的 I(x,y)为正方形分布的均匀照明光束，光束口径大小为k/m， E(t _x ,t _y )为目标照明面上目标照明区域的照度分布，即最终的目标照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，；

3.3）化简上式得到方程：

其中 z _xx 、 z _yy 分别为P点的坐标 z关于 x和 y的二阶偏导数， z _xy 为P点的坐标z关于 x和 y的二阶混合偏导数，系数 B _i 表示为 z _x 、  z _y 、 z、  x 以及  y的函数，其中 B ₁ 为 z _xx z _yy -z _xy ² 项的系数方程， B ₂ 为 z _xx 项的系数方程， B ₃ 为 z _yy 项的系数方程， B ₄ 为 z _xy 项的系数方程， B ₅ 为常数项方程，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；

3.4）建立边界条件；

3.5）将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1) 本发明采用了自由曲面光束调控技术，克服了现有技术中难以实现精细图案投影，图案边界模糊的技术问题，从而得到了精细复杂，具有锐利边界的投影图案。

2）本发明克服了现有技术中光束能量浪费的问题，本发明在忽略菲涅尔反射的情况下可以将所有的入射光能量分配到目标图案当中，具有很高的能量利用率。

3）本发明采用了自由曲面阵列透镜作为图案投影透镜，克服了现有技术中对系统对准精度要求高，装调困难等问题，本发明中自由曲面阵列透镜中的每一个阵列单元均能在目标照明面上产生预定的图案投影，因此对到达阵列透镜上的光束均匀度要求不高，因此系统的安装调整容错率，高安装调整方便。

4)本发明采用了自由曲面透镜作为光束准直透镜，克服了现有技术中对光源旋转对称性的要求，本发明的照明光源可以是LED光源，也可以是功率较大的具有其他光强分布的非旋转对称光源。

附图说明

图1为本发明车用自由曲面符号投影照明装置光路结构图。

图2为本发明光束准直自由曲面透镜的结构示意图。

图3为本发明自由曲面阵列透镜的结构示意图。

图4为本发明自由曲面透镜组结构示意图。

图5为光束准直自由曲面透镜光线追迹结果图。

图6为自由曲面透镜组光线追迹结果图。

图中，1-照明光源；2-光束准直自由曲面透镜；3-自由曲面阵列透镜；4-自由曲面透镜组；5-第一入射面；6-第一出射面；7-第二入射面；8-第二出射面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图进一步说明，本法发明主要由一个自由曲面透镜组构成，其中自由曲面透镜组包含一个用于光束准直匀化的自由曲面透镜和一个用于产生图案投影的自由曲面阵列透镜。

如图1-图4，本发明实施例提供的车用自由曲面符号投影照明装置；该投影装置包含照明光源1和一个自由曲面透镜组4，其中自由曲面透镜组4包含光束准直自由曲面透镜2和自由曲面阵列透镜3；来自照明光源1的光束经光束准直自由曲面透镜2偏折后变为光照强度分布均匀的平行光，平行光再经自由曲面阵列透镜3偏折后在目标照明面上产生定向照明分布，见附图1。

本实施例的光束准直自由曲面透镜2包含第一入射面5和第一出射面6，其中第一入射面5和第一出射面6均为自由曲面，不具有旋转对称性。光束准直自由曲面透镜2用于光束准直，其将照明光源发出的光束偏折为光照强度分布均匀的平行光，并垂直照射到自由曲面阵列透镜3的入射面上。

本实施例的自由曲面阵列透镜3包含第二入射面7和第二出射面8，其中第二入射面7是平面，第二出射面8是自由曲面且不具有旋转对称性；平行光再经自由曲面阵列透镜3偏折后在目标照明面上产生预定的符号照明光斑；所述的自由曲面阵列透镜的出射面由周期性阵列排布的若干完全相同的自由曲面单元组成；所述的自由曲面单元将能量分布均匀的平行光束整形为目标图案照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列透镜的入射面入射光束不发生偏折作用。

在本实施例中，自由曲面透镜组4的设计方法如下：

（1）光束准直自由曲面透镜2的设计

根据初始设计参数对光束准直自由曲面透镜及自由曲面阵列透镜进行设计；根据斯涅耳定律、能量守恒定律以及等光程原理设计光束准直自由曲面透镜，将照明光源的出射光束整形为光强分布均匀的平行光，所述光束准直自由曲面透镜的光轴与照明光源的光轴重合。

（2）自由曲面阵列透镜3的设计

根据能量守恒定律以及斯涅耳定律设计自由曲面阵列透镜，所述的自由曲面阵列透镜的出射面由阵列排布的若干自由曲面单元组成；所述的自由曲面单元将能量分布均匀的平行光束整形为目标图案照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列透镜的入射面为平面，对入射光束不发生偏折作用。

（3）将光束准直自由曲面透镜与自由曲面阵列透镜建模，得到自由曲面透镜组。

实施例：光源为具有朗伯光强分布的白光LED，发光强度分布满足I(φ)=cosφ，照明装置的高度为10mm，即入射LED光源距离光学系统出射面的距离为10mm，投影距离为500mm，即光源距离目标投影面的距离为500mm，投影图案的大小为300*300mm，图案与背景的照度比为2.5：1，在本实施例中，投影图案为符号“ZJ1”字母，同时根据不同的应用需求，该投影图案可以灵活多变。字头曲面透镜组所用材料的折射率的1.4936，透镜周围介质为空气，自由曲面透镜组的总长度小于10mm,口径大小为4mm。

本实施例的光束准直自由曲面透镜2的设计如下：

根据斯涅耳定律、能量守恒定律以及等光程原理设计用于光束准直的自由曲面透镜，将照明光源的出射光束整形为光强分布均匀的平行光，所述光束准直自由曲面透镜的光轴与照明光源的光轴重合；

建立能量守恒关系式：

其中，为照明光源的强度分布，为自曲面阵列透镜入射面上的目标照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，是极坐标系中的方位角，是极角；、，其中为入射到光束准直自由曲面透镜的光束的最大发散角。

建立等光程原理关系式：OPL=|OP|+n|PQ|+|QT|，其中，OPL 是某一根光线从光源到某一波前的光程，|OP|是该光线从光源出发到自由曲面入射面之间的距离，|PQ|是该光线在自由曲面入射面和出射面上的交点之间的距离， |QT|是该光线在出射面和某一波前的交点的距离，n是透镜材料的折射率，n=1.49386。

联立上述能量守恒关系式和等光程原理关系式得到如下二阶非线性偏微分方程

其中， r是光线在光束准直自由曲面透镜入射面上和出射面上落点之间的距离，是极坐标系中的方位角，是极角，、分别是 r 在和方向的一阶偏导数，、分别是 r在和方向的二阶偏导数，是 r在和两个方向的二阶混合偏导数， A _i 是、、 r、以及的函数，i=1,...,5，其中 A ₁ 是项的系数方程， A ₂ 是项的系数方程， A ₃ 是项的系数方程， A ₄ 是项的系数方程， A ₅ 是常数项方程。

建立边界条件：

其中，表示入射到自由曲面光束的范围，表示自曲面阵列透镜入射面上的照明区域，和分别为区域和的边界。

利用差分替代微分法和牛顿迭代法将上述二阶非线性偏微分方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型。

本实施例的自由曲面阵列透镜3的设计如下：

根据能量守恒定律以及斯涅耳定律设计自由曲面阵列透镜，所述的自由曲面阵列透镜由沿着两个相互垂直的方向阵列排布的16个相同的自由曲面单元组成；所述的自由曲面阵列模块中的自由曲面单元将能量分布均匀的平行光束整形为目标图案照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列透镜的入射面为平面，对入射光束不发生偏折作用，出射面为自由曲面；

建立能量守恒关系式，在不考虑能量损失的情况下，由光源出射的任意一条细光束经自由曲面透镜偏折后其所有能量被传输至照明面上的目标照明区域，即自由曲面对细光束的偏折满足以下能量关系式，其中， I(x,y)为光源的强度分布； E(t _x ,t _y )为目标照明面上目标照明区域的照度分布，此处即为“ZJU”字母符号，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，；

化简上式进一步得到方程：

其中 z _xx 、 z _yy 分别为P点的坐标 z关于 x和 y的二阶偏导数， z _xy 为P点的坐标z关于 x和 y的二阶混合偏导数，系数 B _i 表示为 z _x 、  z _y 、 z、  x 以及  y的函数，其中 B ₁ 为 z _xx z _yy -z _xy ² 项的系数方程， B ₂ 为 z _xx 项的系数方程， B ₃ 为 z _yy 项的系数方程， B ₄ 为 z _xy 项的系数方程， B ₅ 为常数项方程，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程。

自由曲面在满足上述能量传输方程的同时还要保证光束的边界光线经自由曲面偏折后入射到目标照明区域的边界，即满足以下的边界条件

其中，表示光束准直自由曲面透镜的出射光束的范围，即入射到自由曲面阵列透镜上的光束的范围，表示目标照明面上的照明区域，和分别为区域和的边界。

将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需的自由曲面单元的面型。

将准直自由曲面透镜与自由曲面阵列透镜建模，得到自由曲面透镜投影模块，见附图2、附图3和附图4，其中附图2为用于光束准直和匀化的自由曲面透镜2，附图3为产生符号投影的自由曲面阵列透镜3，附图4为该车用自由曲面符号投影照明装置的整体模型。光束准直自由曲面透镜2的第一入射面5和第一出射面6均为自由曲面，不具有旋转对称性；自由曲面阵列透镜3的第二入射面7是平面，第二出射面8是自由曲面，有4*4个自由曲面单元阵列排布构成，出射面不具有旋转对称性；所述光束准直自由曲面透镜2将照明光源发出的光束偏折为光照强度分布均匀的平行光，并垂直照射到自由曲面阵列透镜3的入射面上，平行光再经自由曲面阵列透镜3偏折后在目标照明面上产生预定的“ZJU”符号照明光斑。

对准直自由曲面透镜进行光线追迹，得到其出射光线在任意平面处的照度分布见附图5，由附图5可见具有朗伯体分布的光束经准直自由曲面透镜2后，被整形为均匀的方形光斑，且为平行准直光束。对自由曲面透镜组模型进行追迹光线，在目标照明面上得到照度分布图见附图6，由附图6可见入射光束经本发明提出的符号投影照明装置整形后变为目标面上的具有“ZJU”字母样式的图案分布。该照度分布图清楚地表明，本发明提出的车用自由曲面符号投影照明装置实现了目标照明要求，有效的模拟出了自然光照射的边界较为清晰的均匀照明光斑。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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 (7)

1.一种车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，包含照明光源和一个自由曲面透镜组，其中自由曲面透镜组包含沿光路顺次设置的光束准直自由曲面透镜和自由曲面阵列透镜；光束准直自由曲面透镜包含入射面和出射面，其中入射面和出射面均为自由曲面，不具有旋转对称性；自由曲面阵列透镜包含入射面和出射面，其中入射面是平面，出射面是自由曲面且不具有旋转对称性；所述光束准直自由曲面透镜用于光束准直，其将照明光源发出的光束偏折为光照强度分布均匀的平行光，并垂直照射到自由曲面阵列透镜的入射面上；平行光再经自由曲面阵列透镜偏折后在目标照明面上产生预定的符号照明光斑；

所述的自由曲面阵列透镜的出射面由周期性阵列排布的若干完全相同的自由曲面单元组成；所述的自由曲面单元将能量分布均匀的平行光束整形为目标图案照明分布，所述自由曲面单元的光轴与照明光源的光轴平行，所述自由曲面阵列透镜的入射面入射光束不发生偏折作用；

所述的自由曲面透镜组按如下步骤设计：

1）根据初始设计参数对光束准直自由曲面透镜及自由曲面阵列透镜进行初始设计；

2）根据斯涅耳定律、能量守恒定律以及等光程原理设计光束准直自由曲面透镜，将照明光源的出射光束整形为光强分布均匀的平行光，所述光束准直自由曲面透镜的光轴与照明光源的光轴重合；

所述的步骤2）包括如下步骤：

2.1）建立能量守恒关系式：

其中，为照明光源的强度分布，为自曲面阵列透镜入射面上的目标照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，是极坐标系中的方位角，是极角；、，其中为入射到光束准直自由曲面透镜的光束的最大发散角；

2.2）建立等光程原理关系式；

2.3）联立能量守恒关系式和等光程原理关系式得到如下二阶非线性偏微分方程：

其中，r是光线在光束准直自由曲面透镜入射面上和出射面上落点之间的距离，是极坐标系中的方位角，是极角，、分别是r 在和方向的一阶偏导数，、分别是r在和方向的二阶偏导数，是r在和两个方向的二阶混合偏导数，A _i 是、、r、以及的函数，i=1,...,5，其中A ₁ 是项的系数方程，A ₂ 是项的系数方程，A ₃ 是项的系数方程，A ₄ 是项的系数方程，A ₅ 是常数项方程；

2.4）建立边界条件；

2.5）利用差分替代微分法和牛顿迭代法将二阶非线性偏微分方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合得到所需光束准直自由曲面透镜的面型；

3）根据能量守恒定律以及斯涅耳定律设计自由曲面阵列透镜；

4）将光束准直自由曲面透镜与自由曲面阵列透镜建模，得到自由曲面透镜组。

2.根据权利要求1所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，所述的步骤2.2）中的等光程原理关系式为：

OPL=|OP|+n|PQ|+|QT|

其中，OPL是某一根光线从光源到某一波前的光程，|OP|是该光线从照明光源出发到光束准直自由曲面透镜入射面之间的距离，|PQ|是该光线在光束准直自由曲面透镜入射面和出射面上的交点之间的距离，|QT|是该光线在出射面和某一波前的交点的距离，n是透镜材料的折射率。

3.根据权利要求1所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，所述的步骤2.4）中的边界条件为：

其中，表示入射到自由曲面光束的范围，表示自曲面阵列透镜入射面上的照明区域，和分别为区域和的边界。

4.根据权利要求1所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，所述自由曲面阵列透镜的设计方法，包括如下步骤：

3.1）自由曲面阵列透镜的尺寸为k*k，其中包含m*m个相同的自由曲面透镜单元，m为大于1的整数，所设计的每个自由曲面透镜单元的口径为k/m；

3.2）建立能量守恒关系式：

其中，I(x，y)为光源的强度分布，此处的I(x,y)为正方形分布的均匀照明光束，光束口径大小为k/m，E(t _x ，t _y )为目标照明面上目标照明区域的照度分布，即最终的目标照度分布，J(T)为位置矢量T的Jacobi矩阵，；

3.3）化简上式得到方程：

其中z _xx 、z _yy 分别为P点的坐标z关于x和y的二阶偏导数，z _xy 为P点的坐标z关于x和y的二阶混合偏导数，系数B _i 表示为z _x 、z _y 、z、x 以及 y的函数，其中B ₁ 为z _xx z _yy -z _xy ² 项的系数方程，B ₂ 为z _xx 项的系数方程，B ₃ 为z _yy 项的系数方程，B ₄ 为z _xy 项的系数方程，B ₅ 为常数项方程，入射光束的内部光线应满足上述能量传输方程；

3.4）建立边界条件；

3.5）将上述能量传输方程和边界条件联立求解，得到一组离散数据点，通过对该组数据点进行曲面拟合即可得到所需自由曲面单元的面型。

5.根据权利要求4所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，步骤3.2）中目标照度分布为均匀分布、图案分布或者用户指定的其他照度分布。

6.根据权利要求4所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，步骤3.4中的边界条件为：

其中，表示光束准直自由曲面透镜的出射光束的范围，即入射到自由曲面阵列透镜上的光束的范围，表示目标照明面上的照明区域，和分别为区域和的边界。

7.根据权利要求1所述的车用自由曲面符号投影照明装置，其特征在于，所述照明光源为白光LED光源、激光二极管光源。

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