一種產生光環組合圖案的迎賓燈光學元件及其設計方法與流程
2023-10-04 18:33:39 2
本發明涉及燈光美化技術領域，尤其是一種產生光環組合圖案的迎賓燈光學元件及其設計方法。
背景技術：
汽車迎賓燈是一種用於夜間打開車門時照亮車門周圍地面的光學照明器（或照明燈具）。汽車迎賓燈照射在地面時可以顯示轎車的品牌標誌(LOGO)。汽車迎賓燈可以同時具有照明與宣傳公司品牌的功能。目前汽車迎賓燈市場上已經逐漸得到推廣使用。將來可望成為各種轎車與運動型多用途汽車的標配功能部件。
迄今為止，幾乎所有迎賓燈的光學系統均由點光源，準直物鏡，成像鏡頭或非成像光學元件等構成。也就是說，照明光源的設計均採用準直光束，準直光束照射幻燈片經投影鏡頭而成像，或準直光束照射非成像折射或衍射光學元件產生期待的光學照明圖案；但這樣的設計將削減光束強度或是增加燈具複雜度，對於汽車燈具此類對照明能力和抗震性能要求嚴格的設備而言存在不利因素；如能設計一種無須準直光束（平行光）的迎賓燈，將有利於此類迎賓燈的設計和製造。
技術實現要素：
本發明提出一種產生光環組合圖案的迎賓燈光學元件及其設計方法，無須準直透鏡對光束平行準直，能直接以點光源折射光在照射面上生成光環圖案，並能通過組合結構來在照射面上生成形如奧迪商標的四環圖案。
本發明採用以下技術方案。
一種產生光環組合圖案的迎賓燈光學元件及其設計方法，所述迎賓燈光學元件為距離照射面預設間距範圍的光學陣列；所述光學陣列由若干光學組件組成；所述光學組件包括子光源和圓形的光環生成透鏡；所述子光源為點光源；各光學組件的光環生成透鏡受光面位於同一平面上；所述子光源的出射光線經光環生成透鏡折射後在照射面上生成圓環形光斑；當子光源與光環生成透鏡光軸的相對位置變化時，光學組件生成的圓環形光斑在照射面上的位置發生變化。
所述光環生成透鏡的出光面上設有i個截面呈鋸齒形狀的同心齒環；齒環圓心與光環生成透鏡的圓心重合，各齒環齒形寬度相同；齒環的鋸齒形狀中，鋸齒一邊垂直於光環生成透鏡受光面；鋸齒另一邊為與光環生成透鏡受光面成角度設置的斜面邊。
所述同心齒環各齒環齒形的計算方法為；設當子光源光線在第i環齒形折射時，以i為各齒環參數下標，子光源光線在齒形中點處受光面的入射角為αi，在齒形中點處受光面的折射角為βi，在齒形中點處出光面的折射角為γi；設齒形高度為hi，齒形寬為p，齒形中點到光環生成透鏡中心軸的徑向距離為ri，齒形斜面與光環生成透鏡受光面的齒形傾角為θi；光環生成透鏡材料折射率為n時；
該齒形處各參數的關係以公式1表述為；
該齒形處各參數的關係以公式2表述為；
由公式1、公式2可知齒形傾角θ以公式3表述為；
設子光源與光環生成透鏡受光面的垂直距離為l ，子光源光線經光環生成透鏡折射後在距離WD的照射面上形成半徑為d的光環；
則有公式4；和公式5；
由於各齒環齒形寬度相同，可得公式6；以及公式7；
至此得知第i環齒形的ri、hi、θi參數，明確第i環齒形形狀。
當要求光學陣列生成四個環形光斑，且環形光斑在同一直線上排列併疊加成形如奧迪商標的四環圖案時，所述光學陣列由緊密排列於同一直線或緊密排列為矩形的四個光學組件組成；各光學組件內子光源位置相對光環生成透鏡光軸進行小幅偏移，使各光學組件產生的環形光斑在照射面上發生偏移併疊加。
所述生成四環圖案的光學陣列的光學組件還內設遮光板以削減光斑疊加部分的光強；所述遮光板為以不透明吸光材料製作的扇形板；所述遮光板置於光源和光環生成透鏡受光面之間，扇形遮光板的頂點位於光環生成透鏡圓心處，扇形遮光板的弧位於兩光學組件相鄰位置的透鏡邊緣處。
所述扇形遮光板數量為兩個以上，各扇形遮光板彼此成角度地設於透鏡受光面上。
所述子光源為半導體雷射器或是LED光源。
所述光環生成透鏡的出光面的齒形坐標點集合的計算方法依次分為以下步驟；
A1、確認所需生成環形光斑的半徑d和透鏡受光面與照射面之間的距離WD；
A2、按光源出射光的中心波長，確定光環生成透鏡的材料折射率n的值；
A3、根據所需生成的環形光斑數量，確定組成光學陣列的光學組件數量，環形光斑數即為光學組件數量；
A4、根據迎賓燈的尺寸、光學組件數量來確定光環生成透鏡的直徑，再根據實際加工需要確定每個光環生成透鏡上的各同心齒環的齒寬p，按各同心齒環均勻布滿光環生成透鏡的出光面來進行設計並計算齒環數量i，同時設定子光源的位置位於光環生成透鏡的光軸上；
A5、按公式6計算出各同心齒環截面上齒形斜面中點到透鏡中心軸的距離；
A6、按公式3計算出各同心齒環截面上齒形的齒形傾角θ；
A7、計算子光源光線在齒形中點處受光面的入射角αi，按公式7計算出各同心齒環截面上齒形的齒高；
A8、計算光環生成透鏡出光面的齒形坐標點集合。
所述生成四環圖案的光學陣列的光環圖案調整方法依次包括以下步驟；
B1、確認各光學組件內子光源初始位的中心發光矢量沿系統光軸後，調整各光學組件內子光源的位置，使之小幅偏離光環生成透鏡的光軸，從而讓各光學組件產生的環形光斑在照射面上發生偏移併疊加；
B2、微調各光學組件內子光源的位置，使各光學組件產生的環形光斑在照射面上的疊加範圍達到所需值；
B3、把扇形遮光板彼此成角度地放於透鏡受光面上，扇形遮光板的頂點位於光環生成透鏡圓心處，扇形遮光板的弧位於兩光學組件相鄰位置的透鏡邊緣處；
B4、調整扇形遮光板的數量和位置，使環形光斑疊加處的光強削減至與環形光斑其它部位相近或相同；
B5、把扇形遮光板固定於光環生成透鏡受光面。
本發明採用的光環生成透鏡為類菲涅爾折射光學元件，通過類菲涅爾折射光學元件獲得光環圖案，可以獲得較高的光學效率；光源光線經類菲涅爾折射光學元件直接產生光斑圖案，沒有損耗，能夠以較低的功耗實現更高的亮度，同時產品尺寸輕巧，便於安裝，而且由於結構精簡，使得此產品的抗震性能更好。
本發明中，當要求光學陣列生成四個環形光斑，且環形光斑在同一直線上排列併疊加成形如奧迪商標的四環圖案時，所述光學陣列由緊密排列於同一直線或緊密排列為矩形的四個光學組件組成；各光學組件內子光源位置相對光環生成透鏡光軸進行小幅偏移，使各光學組件產生的環形光斑在照射面上發生偏移併疊加；該設計使得本發明的光學圖案易於調節，僅需對子光源位置進行微調即可，而且調整結構簡單緊湊，抗震性能更好，更適用於汽車燈這樣需要抗震的產品。
本發明通過類菲涅爾折射光學元件直接產生光斑圖案，無需製作印刷層、菲林或是衍射元件，也無需微型投影鏡頭。該新型照明器具有圖像清晰，能量利用率高，圖像焦深大，成本低等優點。
由於本專利以透鏡聚焦生成環形光斑，光斑形狀由聚焦光路形成，且聚焦光路長，因此對照射面的距離要求並不嚴格，即使因車輛行駛顛簸或車停於不平路面而使照射面距離有所偏離或傾斜，所生成的環形光斑的俯視向形狀也不易產生過大形變。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步詳細的說明：
附圖1是本發明的示意圖（各光學組件直線排列）；
附圖2是本發明光學組件的剖切示意圖；
附圖3是本發明光環生成透鏡齒環處的光線折射示意圖；
附圖4是本發明光學組件直線排列時，遮光板在光環生成透鏡上的分布示意圖；
附圖5是本發明光學組件矩形排列時，遮光板在光環生成透鏡上的分布示意圖；
附圖6是本發明在照射面上所生成形如奧迪商標的四環圖案的示意圖；
附圖7是本發明在照射面上所生成形如奧迪商標的四環圖案的光強度三維示意圖；
附圖8是本發明的另一示意圖（各光學組件矩形排列）；
圖中：1-遮光板；2-光環生成透鏡；3-子光源；4-環形光斑；5-環形光斑的疊加範圍；6-照射面；7-齒環；8-光學陣列；9-光學組件。
具體實施方式
如圖1-7所示，一種產生光環組合圖案的迎賓燈光學元件及其設計方法，所述迎賓燈光學元件為距離照射面預設間距範圍的光學陣列；所述光學陣列由若干光學組件組成；所述光學組件包括子光源3和圓形的光環生成透鏡2；所述子光源3為點光源；各光學組件的光環生成透鏡受光面位於同一平面上；所述子光源3的出射光線經光環生成透鏡折射後在照射面6上生成圓環形光斑；當子光源3與光環生成透鏡2光軸的相對位置變化時，光學組件9生成的圓環形光斑在照射面上的位置發生變化。
所述光環生成透鏡的出光面上設有i個截面呈鋸齒形狀的同心齒環7；齒環7圓心與光環生成透鏡2的圓心重合，各齒環7齒形寬度相同；齒環的鋸齒形狀中，鋸齒一邊垂直於光環生成透鏡受光面；鋸齒另一邊為與光環生成透鏡受光面成角度設置的斜面邊。
所述同心齒環7各齒環齒形的計算方法為；設當子光源光線在第i環齒形折射時，以i為各齒環參數下標，子光源光線在齒形中點處受光面的入射角為αi，在齒形中點處受光面的折射角為βi，在齒形中點處出光面的折射角為γi；設齒形高度為hi，齒形寬為p，齒形中點到光環生成透鏡中心軸的徑向距離為ri，齒形斜面與光環生成透鏡受光面的齒形傾角為θi；光環生成透鏡材料折射率為n時；
該齒形處各參數的關係以公式1表述為；
該齒形處各參數的關係以公式2表述為；
由公式1、公式2可知齒形傾角θ以公式3表述為；
設子光源與光環生成透鏡受光面的垂直距離為l ，子光源光線經光環生成透鏡折射後在距離WD的照射面上形成半徑為d的光環；
則有公式4；和公式5；
由於各齒環齒形寬度相同，可得公式6；以及公式7；
至此得知第i環齒形的ri、hi、θi參數，明確第i環齒形形狀。
當要求光學陣列生成四個環形光斑4，且環形光斑4在同一直線上排列併疊加成形如奧迪商標的四環圖案時，所述光學陣列由緊密排列於同一直線或緊密排列為矩形的四個光學組件9組成；各光學組件9內子光源3位置相對光環生成透鏡光軸進行小幅偏移，使各光學組件9產生的環形光斑4在照射面6上發生偏移併疊加。
所述生成四環圖案的光學陣列的光學組件還內設遮光板1以削減光斑疊加部分5的光強；所述遮光板1為以不透明吸光材料製作的扇形板；所述遮光板置於光源和光環生成透鏡受光面之間，扇形遮光板的頂點位於光環生成透鏡圓心處，扇形遮光板的弧位於兩光學組件相鄰位置的透鏡邊緣處。
所述扇形遮光板數量為兩個以上，各扇形遮光板彼此成角度地設於透鏡受光面上。
所述子光源為半導體雷射器或是LED光源。
所述光環生成透鏡的出光面的齒形坐標點集合的計算方法依次分為以下步驟；
A1、確認所需生成環形光斑的半徑d和透鏡受光面與照射面之間的距離WD；
A2、按光源出射光的中心波長，確定光環生成透鏡的材料折射率n的值；
A3、根據所需生成的環形光斑數量，確定組成光學陣列的光學組件數量，環形光斑數即為光學組件數量；
A4、根據迎賓燈的尺寸、光學組件數量來確定光環生成透鏡的直徑，再根據實際加工需要確定每個光環生成透鏡上的各同心齒環的齒寬p，按各同心齒環均勻布滿光環生成透鏡的出光面來進行設計並計算齒環數量i，同時設定子光源的位置位於光環生成透鏡的光軸上；
A5、按公式6計算出各同心齒環截面上齒形斜面中點到透鏡中心軸的距離；
A6、按公式3計算出各同心齒環截面上齒形的齒形傾角θ；
A7、計算子光源光線在齒形中點處受光面的入射角αi，按公式7計算出各同心齒環截面上齒形的齒高；
A8、計算光環生成透鏡出光面的齒形坐標點集合。
所述生成四環圖案的光學陣列的光環圖案調整方法依次包括以下步驟；
B1、確認各光學組件內子光源初始位的中心發光矢量沿系統光軸後，調整各光學組件內子光源的位置，使之小幅偏離光環生成透鏡的光軸，從而讓各光學組件產生的環形光斑在照射面上發生偏移併疊加；
B2、微調各光學組件內子光源的位置，使各光學組件產生的環形光斑在照射面上的疊加範圍達到所需值；
B3、把扇形遮光板彼此成角度地放於透鏡受光面上，扇形遮光板的頂點位於光環生成透鏡圓心處，扇形遮光板的弧位於兩光學組件相鄰位置的透鏡邊緣處；
B4、調整扇形遮光板的數量和位置，使環形光斑疊加處的光強削減至與環形光斑其它部位相近或相同；
B5、把扇形遮光板固定於光環生成透鏡受光面。
實施例1：
奧迪牌的汽車在後視鏡下方或是車門下方處設置本發明的迎賓燈，當汽車解鎖或是車門打開時，迎賓燈的光學組件內的子光源發光，子光源光線直接在光環生成透鏡處折射使迎賓燈向下投射光斑，各光學組件生成的環形光斑相互疊加，在後視鏡下方或是車門下方的地面（照射面）上產生奧迪商標的四環圖案，由於此四環圖案基於透鏡聚焦光路形成，因此對迎賓燈的高度精度要求不高（也就是對透鏡受光面與照射面之間的距離精度要求不高），在車輛行駛時或是車輛停於不平的路面時，迎賓燈投射的四環圖案的俯視向形狀仍能基本保持不變。
當需對迎賓燈生成的光環的疊加效果進行調整時，只需對各光學組件內的子光源位置進行微調，使子光源與光環生成透鏡光軸的距離發生改變即可。