一种生成光环的迎宾灯光学系统及其设计方法与流程

本发明涉及灯光美化技术领域，尤其是一种生成光环的迎宾灯光学系统及其设计方法。

背景技术：

光学图案被广泛应用于投影灯、车门灯和迎宾灯。随着汽车技术的不断发展，人们对汽车的人性化以及时尚感有更高的要求。车门灯或是迎宾灯便是汽车中的一个时尚元素之一，当汽车解锁或是车门打开时，便会在后视镜下方或是车门下方的地面上产生图案或是文字，不仅可以起到照明的作用，而且还增加了汽车的时尚感。

目前的光学系统在照射面上产生图案，通常采用投影，例如专利一种投影灯（申请号：201410482547.X）。此专利是利用投影原理把光斑成像在一个指定的平面上，此方案是目前获得各种光斑最为常用的方法。此系统主要包括光源，透镜和印刷层。光源发出的灯光经透镜射出，然后通过印刷层后将图案投射至接收面。一种车门投影灯及其应用（申请号 201110318149.0）。此专利是利用同样是利用投影的方法，光源照射到印有图案的菲林上，然后通过投影透镜组把图案投射到接收面上。一种汽车激光迎宾灯（申请号：201510811326.7）。此专利也是利用投影的方法，不同的是图案是设置在衍射元件上。以上三种产生光斑的方式都是利用投影的原理，把印刷层（或是菲林，或是衍射元件）上的图案投影到接收面上。前两种图案是把图案设置在印刷层和菲林上，光线经过印刷层或是菲林时会产生较大的光能量损失；第三种方案把图案设置在稍衍射元件上，虽然光线经过衍射元件后的能量较前两种方案有较大的提升，但是还是需要依托投影系统实现图案的放大，使得系统尺寸较大。

现在也有通过自由曲面透镜形成光斑的做法，原理是光源发出的光经自由曲面可直径实现不同形状的光斑，但是自由曲面加工复杂，而且造价昂贵。

菲涅尔折射光学元件是目前常见的光学器件，其设计简易、尺寸轻巧，便于安装，如能把菲涅尔折射光学元件用于迎宾灯的光学系统，将有利于此类灯具的设计和制造。

技术实现要素：

本发明提出一种生成光环的迎宾灯光学系统及其设计方法，能以类菲涅尔折射光学元件来在照射面上生成光环图案，并能通过以特定照明光源及类菲涅尔透镜阵列的组合结构来在照射面上生成形如奥迪商标的四环图案。

本发明采用以下技术方案。

一种生成光环的迎宾灯光学系统及其设计方法，能以类菲涅尔透镜的光学聚焦折射在照射面上生成环形光斑，所述迎宾灯光学系统包括照射面和光学阵列，所述光学阵列由若干光学组件组成；所述光学组件包括光源和圆形的折射透镜，折射透镜与照射面平行，所述光源位于折射透镜受光面旁侧，各光学组件的折射透镜受光面位于同一平面上；所述光源出射光为平行光。

所述折射透镜的出光面上设有i个截面呈锯齿形状的同心齿环，齿环圆心与折射透镜的圆心重合，所述锯齿形状的齿形倾角为α，齿高为h，各齿形的齿宽相同且均为p，第i环的齿形斜面中点到中心轴的径向距离为r_i，锯齿形状的齿底位于同一平面。

当光源出射光垂直于折射透镜受光面，折射透镜的材料折射率为n，透镜受光面与照射面之间的距离为WD，要求透镜对光源出射光进行聚焦折射使之在照射面上形成半径为R的正圆形的环形光斑时，

所述第i齿环的锯齿形状的齿形的计算方程为；

公式1 ；

第i齿环的锯齿形状中，锯齿一边垂直于透镜受光面；锯齿另一边为与透镜受光面成角度设置的斜面边，斜面边与透镜受光面的夹角为齿形倾角，所述第i齿环的齿形倾角计算方程为；

公式2 ；

第i齿环的齿高计算方程为；

公式3 。

当要求光学阵列生成四个环形光斑，且环形光斑在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内光源出射光方向朝光学阵列的中心处小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加。

所述生成四环图案的光学阵列的光学组件还内设遮光板以削减光斑叠加部分的光强；所述遮光板为以不透明吸光材料制作的扇形板；所述遮光板置于光源和折射透镜受光面之间，扇形遮光板的顶点位于折射透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处。

所述扇形遮光板数量为两个以上，各扇形遮光板彼此成角度地设于透镜受光面上。

所述光源为半导体激光器或是LED光源。

所述折射透镜的出光面的齿形坐标点集合的计算方法依次分为以下步骤；

A1、确认所需生成环形光斑的半径R，按迎宾灯的尺寸，设定透镜受光面与照射面之间的距离WD的数值；

A2、按光源出射光的波长，确定折射透镜的材料折射率n的值；

A3、根据所需生成的环形光斑数量，确定组成光学阵列的光学组件数量，环形光斑数即为光学组件数量；

A4、根据迎宾灯的尺寸、光学组件数量来确定折射透镜的直径，再根据实际加工需要确定每个折射透镜上的同心齿环数量i，按各同心齿环均匀布满折射透镜的出光面来进行设计并计算，从而确定各同心齿环的齿宽p；

A5、按公式1计算出各同心齿环截面上齿形斜面中点到透镜中心轴的距离；

A6、按公式2计算出各同心齿环截面上齿形的齿形倾角；

A7、按公式3计算出各同心齿环截面上齿形的齿高；

A8、以折射透镜的受光面为X轴，折射透镜的中心轴为Y轴，求出齿形坐标点集合。

所述生成四环图案的光学阵列的光环图案调整方法依次包括以下步骤；

B1、调整各光学组件内光源出射光方向，使之朝光学阵列的中心处小幅偏移，从而让各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；

B2、微调各光学组件内光源出射光方向，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上的叠加范围达到所需值；

B3、把扇形遮光板彼此成角度地放于透镜受光面上，扇形遮光板的顶点位于折射透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处；

B4、调整扇形遮光板的数量和位置，使环形光斑叠加处的光强削减至与环形光斑其它部位相近或相同；

B5、把扇形遮光板固定于透镜受光面。

本发明通过类菲涅尔折射光学元件获得光环图案；光学系统包括光源组件、类菲涅尔折射光学元件以及遮光板组成，可以获得较高的光学效率；光源光线经类菲涅尔折射光学元件直接产生光斑图案，没有损耗，能够以较低的功耗实现更高的亮度，同时产品尺寸轻巧，便于安装，而且由于结构精简，使得此产品的抗震性能更好。

当本发明用于生成奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内光源出射光方向朝光学阵列的中心处小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；该设计使得本发明的光学图案易于调节，仅需对光源出光方向进行微调即可，而且产品结构十分紧凑，更适用于汽车。

本专利通过类菲涅尔折射光学元件直接产生光斑图案，无需制作印刷层、菲林或是衍射元件，也无需微型投影镜头。该新型照明器具有图像清晰，能量利用率高，图像焦深大，成本低等优点

由于本专利以透镜聚焦生成环形光斑，光斑形状由聚焦光路形成，且聚焦光路长，因此对照射面的距离要求并不严格，即使因车辆行驶或车停于不平路面而使照射面距离有所偏离或倾斜，所生成的环形光斑的俯视向形状也不易产生过大形变。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明光学组件的剖切示意图；

附图3是本发明光学组件直线排列时，遮光板在折射透镜上的分布示意图；

附图4是本发明光学组件矩形排列时，遮光板在折射透镜上的分布示意图；

附图5是本发明所生成形如奥迪商标的四环图案的示意图；

附图6是本发明所生成形如奥迪商标的四环图案的光斑三维示意图；

图中：1-遮光板；2-折射透镜；3-光源；4-环形光斑；5-环形光斑的叠加范围；6-照射面；7-齿环；8-光学阵列；9-光学组件。

具体实施方式

如图1-6所示，一种生成光环的迎宾灯光学系统及其设计方法，能以类菲涅尔透镜的光学聚焦折射在照射面上生成环形光斑4，所述迎宾灯光学系统包括照射面6和光学阵列8，所述光学阵列8由若干光学组件9组成；所述光学组件9包括光源3和圆形的折射透镜2，折射透镜2与照射面6平行，所述光源3位于折射透镜2受光面旁侧，各光学组件9的折射透镜受光面位于同一平面上；所述光源3出射光为平行光。

所述折射透镜2的出光面上设有i个截面呈锯齿形状的同心齿环7，齿环7圆心与折射透镜2的圆心重合，所述锯齿形状的齿形倾角为α，齿高为h，各齿形的齿宽相同且均为p，第i环的齿形斜面中点到中心轴的径向距离为r_i，锯齿形状的齿底位于同一平面。

当光源出射光垂直于折射透镜受光面，折射透镜的材料折射率为n，透镜受光面与照射面之间的距离为WD，要求透镜对光源出射光进行聚焦折射使之在照射面上形成半径为R的正圆形的环形光斑时，

所述第i齿环的锯齿形状的齿形的计算方程为；

公式1 ；

第i齿环的锯齿形状中，锯齿一边垂直于透镜受光面；锯齿另一边为与透镜受光面成角度设置的斜面边，斜面边与透镜受光面的夹角为齿形倾角，所述第i齿环的齿形倾角计算方程为；

公式2 ；

第i齿环的齿高计算方程为；

公式3 。

当要求光学阵列生成四个环形光斑4，且环形光斑在同一直线上排列并叠加成形如奥迪商标的四环图案时，所述光学阵列由紧密排列于同一直线或紧密排列为矩形的四个光学组件组成；各光学组件内光源出射光方向朝光学阵列的中心处小幅偏移，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加。

所述生成四环图案的光学阵列的光学组件还内设遮光板1以削减光斑叠加部分的光强；所述遮光板1为以不透明吸光材料制作的扇形板；所述遮光板置于光源和折射透镜受光面之间，扇形遮光板1的顶点位于折射透镜2圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处。

所述扇形遮光板数量为两个以上，各扇形遮光板彼此成角度地设于透镜受光面上。

所述光源为半导体激光器或是LED光源。

所述折射透镜的出光面的齿形坐标点集合的计算方法依次分为以下步骤；

A1、确认所需生成环形光斑的半径R，按迎宾灯的尺寸，设定透镜受光面与照射面之间的距离WD的数值；

A2、按光源出射光的波长，确定折射透镜的材料折射率n的值；

A3、根据所需生成的环形光斑数量，确定组成光学阵列的光学组件数量，环形光斑数即为光学组件数量；

A4、根据迎宾灯的尺寸、光学组件数量来确定折射透镜的直径，再根据实际加工需要确定每个折射透镜上的同心齿环数量i，按各同心齿环均匀布满折射透镜的出光面来进行设计并计算，从而确定各同心齿环的齿宽p；

A5、按公式1计算出各同心齿环截面上齿形斜面中点到透镜中心轴的距离；

A6、按公式2计算出各同心齿环截面上齿形的齿形倾角；

A7、按公式3计算出各同心齿环截面上齿形的齿高；

A8、以折射透镜的受光面为X轴，折射透镜的中心轴为Y轴，求出齿形坐标点集合。

所述生成四环图案的光学阵列的光环图案调整方法依次包括以下步骤；

B1、调整各光学组件内光源出射光方向，使之朝光学阵列的中心处小幅偏移，从而让各光学组件产生的环形光斑在照射面上发生偏移并叠加；

B2、微调各光学组件内光源出射光方向，使各光学组件产生的环形光斑在照射面上的叠加范围5达到所需值；

B3、把扇形遮光板彼此成角度地放于透镜受光面上，扇形遮光板的顶点位于折射透镜圆心处，扇形遮光板的弧位于两光学组件相邻位置的透镜边缘处；

B4、调整扇形遮光板的数量和位置，使环形光斑叠加处的光强削减至与环形光斑其它部位相近或相同；

B5、把扇形遮光板固定于透镜受光面。

实施例1：

奥迪牌的汽车在后视镜下方或是车门下方处设置本发明的迎宾灯，当汽车解锁或是车门打开时，迎宾灯向下投射光斑，会在后视镜下方或是车门下方的地面（照射面）上产生奥迪商标的四环图案，由于此四环图案基于透镜聚焦光路形成，因此对迎宾灯的高度精度要求不高（也就是对透镜受光面与照射面之间的距离精度要求不高），在车辆行驶时或是车辆停于不平的路面时，迎宾灯投射的四环图案的俯视向形状仍能基本保持不变。