一种机动车辆照明装置的光学系统及机动车辆照明装置的制作方法

1.本实用新型涉及车辆照明技术领域，具体而言，涉及一种机动车辆照明装置的光学系统及机动车辆照明装置。


背景技术：

2.随着汽车的不断发展，车灯在道路行驶安全中扮演着重要角色。汽车车灯类别有很多，其主要分为：照明灯和信号灯两大类。然而不同类别车灯的光型要求不同，其中汽车前照灯主要是由：近光灯，远光灯组成。依据汽车法规要求，近光光型在明区和暗区有一个相对清晰的明暗截止线，其目的是为了降低会车时灯光影响对向车辆驾驶员视觉，减小安全事故发生概率。
3.随着科技的发展，为了更好的解决汽车夜间行驶的安全，adb(adaptive driving beam)自适应远光灯诞生了。adb是一种能够根据路况自适应变换光型的智能远光控制系统。它将一个完整的远光光斑通过特殊的光学模组、电子控制变成由多个光学照明分区组合成的远光光斑。当车载传感器检测并识别到交通环境中出现车辆、行人等目标时，行车电脑可控制adb系统屏蔽目标所在分区的出射光或者减小分区内的照明亮度，从而避免对被照目标造成眩光，同时保证司机视野内的其余部分达到理想的照明效果，确保夜间良好的行车视野。此技术可有效提升交通安全和舒适性。
4.此外，由于传统交通开始朝智能交通乃至高等级无人驾驶过渡，道路车辆与交通环境的互动(即v2x)越来越重要。行驶车辆与其余交通参与者的沟通交流在未来智能交通时代也能成就更安全和流畅的交通环境。通过调整adb系统的像素大小和像素数量，汽车车灯可在地面上投影信息，如行车状态，行车打算，警示信息，人行横道等，使得所有附近交通参与者都能接收到这些信息，达成与周边道路使用者的交流。同时，该车灯还能具备车载传感器检测到的危险障碍物通过投影进行标记，于道路上投影车宽线和行驶预测线等信息用于辅助通过复杂道路等功能提高驾驶安全与舒适性。在像素足够的情况下，前文提到的屏蔽照明目标的功能也能得到更好的应用，如精确屏蔽来车挡风玻璃、行人脸部等。
5.此类包含多像素的adb系统被称为高分辨率汽车前大灯，或者像素大灯和数字灯光。由于矩阵式led的分辨率有限，在车辆行驶过程中遇到需要关闭的某些区域时暗区过大，可能导致安全隐患；并且不能实现投影图像的功能。借鉴投影机原理引入了高分辨率车灯。现有的高分辨率车灯投影系统均按照投影芯片本身的长宽比进行投影设计，因此大多只能实现投影效果，无法广泛应用于汽车照明。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于针对现有技术的高分辨率车灯无法满足在水平方向有较大视场，而垂直方向视场较小的问题，提供一种机动车辆照明装置的光学系统及机动车辆照明装置，可实现分辨率投影技术满足投影需求和照明需求，使得物方经过该透镜后在水平、垂直方向分别有不同的放大或者压缩率，从而达到对于投影芯片长宽比的重构型成像，
解决了高分辨率车灯难以达到照明需求的问题。
7.本实用新型通过以下技术方案实现：
8.一种机动车辆照明装置的光学系统，包括：
9.可调制的像素芯片；
10.失真镜头，所述像素芯片出射的光由失真镜头整形为任意比例的光型；
11.所述失真镜头内包含至少一个变曲率透镜。
12.可选地，所述变曲率透镜的面型曲率从水平方向到垂直方向路径上是变化的，各个方向曲率不同；
13.所述变曲率透镜依据微分原理实现各个区域的面型与像素芯片的每个区域一一对应。
14.可选地，所述变曲率透镜的面型曲率:水平方向曲率为以垂直方向曲率的n倍，n大于1。
15.可选地，所述变曲率透镜的面型曲率：水平方向中心曲率为垂直方向曲率的1倍，水平方向从中心到边缘为垂直方向曲率的以1到1+n倍曲率变化，n大于0。
16.可选地，所述变曲率透镜面型从中心向四周分隔为第一区域和第二区域，所述第一区域的水平方向曲率等于垂直方向曲率，且在各自方向上保持不变；所述第二区域的水平方向从中心到边缘以1+n倍曲率变化，垂直方向从中心到边缘以1+m倍曲率变化，n、m均大于0。
17.可选地，所述像素芯片为micro-led、dmd、lcos、lcd中任意一种微像素芯片。
18.本实用新型还提供一种机动车辆照明装置，包括如前面所述的机动车辆装置的光学系统。
19.本实用新型的技术方案至少具有如下有益效果：
20.本实用新型的光学系统，由至少含有一个变曲率透镜，使得透镜各经度方向上的曲率及曲率变化度均可不一致，从而达到对汽车照明区域及能量分布的按需调节。该光学系统中可对任意投影芯片均可进行适配，对投影芯片的出射光进行整形，使得汽车前照灯的照明符合法规和要求，同时能实现路面投影功能，促进行车与其余道路使用者的交流，也能使驾驶人员直接从路面获取信息，实现对驾驶者的辅助；
21.本实用新型的光学系统可根据具体设计要求以及系统元件计算和调整其中透镜的曲率和曲率变化度，从而实现照明范围内各方向的失真率调节以实现预设汽车照明效果，并提高能量利用率和系统光学效率。
附图说明
22.图1为本实用新型的机动车辆照明装置的光学系统的原理简图；
23.图2为本实用新型的实施例3的光型图；
24.图3为本实用新型的实施例1的光型图；
25.图4为本实用新型的实施例2的光型图；
26.图5为本实用新型的实施例1的光学系统垂直方向剖面的光路图；
27.图6为本实用新型的实施例1的光学系统水平方向剖面的光路图；
28.图7为本实用新型的实施例3的光型仿真图；
29.图8为本实用新型的实施例1的光型仿真图；
30.图9为本实用新型的实施例2的光型仿真图。
31.图标：14-像素芯片，13-镜头组，12-变曲率透镜，8、9、10、11-光路。
具体实施方式
32.汽车照明需要在水平方向有较大视场，而垂直方向视场较小。现有可实现高分辨率投影的技术在长宽比上不能满足相应要求。同时，汽车照明需要在车灯正前方达到一定亮度要求，而周边区域则可保持或逐渐降低亮度。因此，在整个照明区域内的光能量分布可以是均匀分布，也可以是由中心部分向四周逐渐降低的分布形式。如从现有大部分投影芯片去实现中间亮度大而四周亮度小的能量分布会损失大量光能，导致车灯系统光效低，不利于车载应用。
33.参照图1，本实用新型的机动车辆照明装置的光学系统，包括可调制的像素芯片14和失真镜头，像素芯片14出射的光由失真镜头整形为任意比例的光型。像素芯片14为micro-led、dmd、lcos、lcd中任意一种微像素芯片。失真镜头内包含至少一个变曲率透镜12，变曲率透镜12的面型曲率从水平方向到垂直方向路径上是变化的，各个方向曲率不同，这里的各个方向是指在水平方向与垂直方向之间的各个方向，从而形成一个变曲率结构。且变曲率透镜12依据微分原理实现各个区域的面型与像素芯片14的每个区域一一对应。最后，通过这样的光学系统，呈现出的光型即如图1-3所示，该透镜首先可使得物方经过该透镜后在水平、垂直方向分别有不同的放大(或者压缩率)，从而达到对于投影芯片长宽比的重构型成像。
34.此外，除了对长宽比进行重构，由于透镜每条经线均采用特殊计算和设计而非传统球面和常用非球面，具备变曲率，因而在任意方向上均可对成像的放大或压缩率进行自由调整。典型的应用场景可为：将被均匀照明的投影芯片实现中心部分无失真或较小失真率，沿四周或仅水平发散的方向逐渐放大失真率，将其拉伸至法规要求的照明范围。此时由于中间部分失真率小，出射光能量集中，而由于四周放大率增大，等量光能需要照亮更大的区域导致周围部分平均亮度减小，从而达到汽车照明中前述提到的中心部分亮度较高，而周围部分亮度较低的照明光分布。
35.下面结合具体的实施方式，对本实用新型的具体实施方式，进行详细阐述：
36.实施例1
37.机动车辆照明装置的光学系统，包括可调制的像素芯片14和失真镜头，像素芯片14出射的光由失真镜头整形为任意比例的光型。像素芯片14为micro-led、dmd、lcos、lcd中任意一种微像素芯片。失真镜头内包含至少一个变曲率透镜12，变曲率透镜12的面型曲率:水平方向中心曲率为垂直方向曲率的1倍，水平方向从中心到边缘为垂直方向曲率的以1到1+n倍曲率变化。
38.实现此类光型的一种实现方式如图5-6所示，图6是一个光学系统的水平方向剖面的光路图，图5是垂直方向剖面的光路图。图中14代表像素芯片，13代表镜头组，12代表变曲率透镜，8、9、10、11代表光路。
39.当光经过像素芯片14后，通过镜头组13再由变曲率透镜12对光进行整形，形成8、9、10、11光路。其中变曲率透镜12可以在镜头组13前面，也可以在镜头组13内，也可以在镜
头组13后面，本实用新型不对镜头组13做具体限定，本领域的技术人员能够根据光型需求，设计对应的镜头组13来调节光型。
40.依据像素芯片14的长宽比例以及水平和垂直方向需要投影的fov角，依据光路可逆原理计算出透镜水平方向和垂直方向整形的比例。根据几何光学成像关系，水平方向和垂直方向像方焦距fh、fv。
41.依据公式:
42.f＝r1*r2/(n-1)(r2-r1)，
43.其中：f为焦距，n为折射率，r1为物方的曲率半径，r2为像方的曲率半径
44.可计算出曲率半径。
45.并透过算法精准优化水平到垂直方向面型变化，实现变曲率效果。
46.如图3所述光型可以由：垂直方向成像光路8，保证垂直方向不失真，水平方向光路9、10、11依据需要控制水平方向曲率实现中心光路9失真率极小，中心到边缘变失真为光路10、11。
47.图3光型为该透镜系统仅在水平方向都具备变失真率，而垂直方向不进行失真整形时的效果，仿真效果如图8所示。实现此光型意图在中心部分保留高分辨率以便使光学能量集中在汽车行驶方向，并确保该方向路面投影清晰。该光学系统一开始便根据汽车照明法规中的视场要求确定像方垂直方向的放大(或压缩)率，并始终保持该方向无失真。该光型在垂直方向始终保持分辨率一致，而水平方向分辨率由中心到两侧可逐渐降低，实现预设照明及路面投影效果。
48.实施例2
49.本实施例的目的在于，实现如图4所示光型，本实施例与实施例1的区别在于：
50.变曲率透镜12面型从中心向四周分隔为第一区域和第二区域，第一区域的水平方向曲率等于垂直方向曲率，且在各自方向上保持不变；第二区域的水平方向从中心到边缘以1+n倍曲率变化，垂直方向从中心到边缘以1+m倍曲率变化，n、m均大于0。如图4所示，第一区域为粗框线所包含的区域，第二区域为粗框线以外的区域。
51.图4光型为该透镜系统在水平及垂直方向都具备不同变失真率时的效果，仿真效果如图9所示。此光型的高分辨率投影区域(即第一区域)为中心部分，对应交通照明区域的汽车正前方位置。该区域内任一像素点失真率极小，通过控制此区域内的像素点开关可实现清晰的车前路面图案投影。同时，该区域包含了对于行驶汽车来说道路上其余交通参与者最集中，各类其他因素(如交通指示牌，障碍物等)最多的区域，照明情况复杂，因而密集的像素点有利于对该区域内的不同元素进行精准防眩光调整或者亮度调节；此光型的非高分辨率投影区域(即第二区域)内任一像素点，其失真可按照坐标不同而变化。此行驶区域脱离汽车行驶方向，可以无需精确照明，同时也无需在该区域进行复杂信息投影，因此像素点可适当放大，以牺牲部分精准度来获得更大照明范围。
52.该光型的另一个好处为，当投影芯片本身出射光为均匀分布时，通过变失真调节，中心部分因为像素点小所以照明能量集中，而周边区域由于像素点大，同样的能量需要覆盖更大的区域，因此能量相对分散，从而实现现有大部分车灯中心亮度较高而四周亮度较低的能量分布，无需通过灰度调节，损失投影芯片上部分像素亮度来实现该分布，大幅提高能量利用率及照明效率。
53.实施例3
54.本实施例的目的在于，实现如图2所示光型，本实施例与实施例1的区别在于：
55.所述变曲率透镜12的面型曲率:水平方向曲率为以垂直方向曲率的n倍，n大于1。
56.水平方向及垂直方向均保持放大率(或压缩率)不变，仅改变投影芯片成像的长宽比而保持各方向失真率恒定，从而实现照明能量均匀分布的失真类型，仿真效果如图7所示。