CN102705767A - 一种自适应前照灯设计方案 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应前照灯设计方案，主要由光源、聚光元件、数字微镜元件、导光管、聚光器和透镜组成，光源发出的光线经聚光元件汇聚后进入第一导光管，经第一导光管匀光后，光线通过中继透镜照射到数字微镜元件上，被数字微镜元件向一侧反射的光线通过投影透镜在配光屏幕上形成照明光斑，被数字微镜元件向另一侧反射的光线被聚光器汇聚后，进入第二导光管，从第二导光管出射的光线再次进入第一导光管。本设计方法既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便控制照明光斑的形状及配光屏幕上各点照度，可以容易地实现自适应前照灯的各种照明模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车前照灯的技术领域，尤其是一种自适应前照灯设计方案。
背景技术
传统的汽车前照灯***主要是由近光灯、远光灯等模块组合而成，其光束都是固定的，只能简单的在远光灯、近光灯之间切换，实现的功能少，可靠性低，不能满足越来越高的汽车行驶安全要求，实际使用中传统的前照灯存在着诸多缺点，例如，汽车在转弯时，由于前照灯的角度受到限制，存在照明暗区，会影响司机对弯道上障碍物的判断；车辆高速行驶的时候，由于照射距离有限，影响驾驶员对前方障碍物的可视性，不能保证安全制动距离，降低了车辆行驶的主动安全性；对于城市公路来说，照明条件较好，且车流人流密度都比较大，此时传统前照灯容易产生炫目。为此国外提出了自适应前照灯的概念，可以方便智能的实现远光、近光、高速道路照明、城市道路照明和弯道照明等不同功能，由于需要实现的功能太多，光学设计复杂，不易于实现，目前的设计方法尚不成熟。
专利号为“US 6,497,503B 1”，名称为“Headlamp system with selectable beam pattern”的美国专利，提出利用数字微镜元件来设计自适应前照灯，但其仅利用了微镜向一侧翻转时反射的光能，微镜向另一侧翻转时反射的光能就损失掉，光能没有得到充分利用。
A.Günther的论文“Optical concept for an active headlamp with a DMD array”，发表在Proceedings of SPIE 7003，70032D(2008)，把微镜向一侧翻转时反射的光能投影到配光屏幕，而微镜向另一侧翻转反射的光能直接被吸收掉，光能没有得到充分利用。
Chuan-Cheng Hung等人的论文“Optical design of automotive headlight systemincorporating digital micromirror device’’，发表在Applied Optics，Vol.49，Issue 22，pp.4182-4187(2010)，提出通过自由曲面反射器收集被数字微镜元件向两侧翻转后反射出的光线，再通过投影透镜到配光屏幕上，其缺点是该自由曲面设计极为复杂，难以实现自适应前照灯的多种光斑，只能简单实现传统远光灯、近光灯，且自由曲面加工困难，导致成本上升。
申请号为“201210028112.9”，名称为“一种基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯设计方法”的中国专利，以及申请号为“201220033860.1”，名称为“基于数字微镜元件的自适应汽车前照灯装置”的中国专利，提出将微镜向一侧反射的光线在配光屏幕上形成主照明光斑，利用第二导光管收集微镜向另一侧反射的光线，在配光屏幕上形成辅助光斑，并与主光斑叠加，但该辅助光斑的形状和位置固定，且照度难以控制，会导致叠加光斑部分的照度太高，容易产生炫目，并且光斑形状和照度分布的控制算法过于复杂，导致成本上升。
因此在利用数字微镜元件的自适应前照灯技术中，迫切需要一种既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便控制照明光斑的形状及配光屏幕上各点照度的光学设计方案，以降低成本。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种自适应前照灯设计方案。
本发明通过下述方案来解决上述问题：
一种自适应前照灯设计方案，主要由光源、聚光元件、数字微镜元件、导光管、聚光器和透镜组成，光源发出的光线经聚光元件汇聚后进入第一导光管，经第一导光管匀光后，出射的光线通过中继透镜照射到数字微镜元件上，被数字微镜元件向一侧反射的光线通过投影透镜在配光屏幕上形成照明光斑，被数字微镜元件向另一侧反射的光线被聚光器汇聚后，进入第二导光管，第二导光管的出射端耦合到第一导光管的入射端，从第二导光管出射的光线再次进入第一导光管。
数字微镜元件(Digital Micro mirror Device)，简称为DMD，它在一个芯片上集成了大量的微镜，由微控制器控制，在电子开关的作用下，每个微镜都可独立高频翻转到正向、反向两个位置，微控制器通过脉冲宽度大小来控制每个微镜翻转后保持的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。通过一定的微镜阵列组合就可以实现期望的光斑效果。
DMD芯片上微镜的翻转由微控制器来控制，微控制器收集各种信号，然后给DMD芯片输送一定的控制信号，从而产生相应的光斑。光源发出的总光通量是可以调整的，在不同情况下，光源发出的总光通量不一样。
本设计方案既能充分利用数字微镜元件向两侧反射的光线，又能方便控制照明光斑的形状及配光屏幕上各点照度，可以非常方便地实现自适应前照灯的各种照明模式。和现有技术相比，本发明取消了辅助光斑，将第二导光管出射光线耦合到第一导光管中，在算法的实现上更容易，从而降低了电路成本。
附图说明
图1是光路示意图。
图2是另一幅实际光路示意图。
图3是城镇道路模式配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示光斑。
图4是高速道路模式配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示光斑。
图5是近光灯配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示光斑。
图中1.光源和聚光元件，2.第一导光管，3.中继透镜，4.数字微镜元件，5.微镜，6.聚光器，7.第二导光管，8.投影透镜，9.配光屏幕。
具体实施方式
下面结合附图和实例讲述具体实施方案。
下文中所述的标准具体指国家标准《GB 4599-2007汽车用灯丝灯泡前照灯》。
图1是一个实施例，聚光元件采用椭圆型反光碗，光源发出的光线经聚光元件汇聚后进入第一导光管，经第一导光管匀光后，出射的光线通过透镜照射到数字微镜元件上，微镜在±12度两个位置快速翻转，虚线位置表示角度为0度，微镜翻转-12度后，反射的光线被聚光器收集后，通过第二导光管再次进入第一导光管。微镜翻转+12度后，反射的光线通过投影透镜投射到配光屏幕上，产生照明光斑。
在具体实施中，改变翻转方向也是可以的，比如：微镜翻转+12度后，反射的光线被聚光器收集后，通过第二导光管再次进入第一导光管，微镜翻转-12度后，反射的光线通过投影透镜投射到配光屏幕上，产生照明光斑。采用其他角度的数字微镜元件也是可以的，比如微镜的翻转角度为±10度。
图2中，是一个实际光路的示意图，光源发出的光线经椭圆型反光碗汇聚后进入第一导光管，经第一导光管匀光后，出射的光线通过透镜照射到数字微镜元件上，其中微镜翻转-12度后，反射的光线被聚光器收集后，通过第二导光管再次进入第一导光管。微镜翻转+12度后，反射的光线通过投影透镜投射到配光屏幕上，产生照明光斑。
图3是城镇道路模式配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示被照亮的部分，即照明光斑。
图4是高速道路模式配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示被照亮的部分，即照明光斑。
图5是近光灯配光示意图，矩形表示整个配光屏幕，阴影部分表示被照亮的部分，即照明光斑。
对于图1中的实施例，配光屏幕上照明光斑形状由数字微镜元件上翻转至+12度位置的微镜构成的区域形状确定，照明光斑在配光屏幕上每一点的照度大小，受与其对应的微镜在+12度位置停留时间与-12度位置停留时间的比值的影响，该比值越大，对应配光屏幕上点的照度越大，当微镜一直停留在+12度位置时，其对应配光屏幕上点的照度值最大，当微镜一直停留在-12度位置时，其对应配光屏幕上点的照度值为零。通过控制每个微镜的翻转情况，就可以实现对照明光斑的形状及照度的控制。
光源可根据需要自动调整总的光通量，如：高速公路上需要的照度较大，光源功率增加，发出的总光通量增加，城镇道路及黄昏时需要的照度较低，光源功率下降，发出的总光通量减少。
通过改变投影透镜位置及焦距，可改变配光屏幕的大小，整个配光屏幕越大越好，屏幕越大则照明范围越大。
如：光源为HID灯泡，额定功率为35W，光通量为35001m，聚光器为椭圆型反光碗，第一导光管横截面型为矩形，尺寸为2X0.82X0.41厘米，聚光器为复合抛物面聚光器，第二导光管横截面型为圆形，中继透镜为一凸透镜，数字微镜元件的型号为DLP1700，配光屏幕在距投影透镜25米远处，配光屏幕上可照明的范围为一个矩形。通过电路控制灯泡发光强弱。
复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator)，简称CPC，是一种根据边缘光学原理设计的非成像聚光器，入射光在CPC中通过几次反射到达接收表面，达到最大理论聚光比，性能非常接近于理想聚光器。也可以使用汇聚透镜来作为聚光器。
数字微镜元件由微控制器控制，微控制器接收传感器采集的环境光强、车速、转向、道路状况以及GPS等信号，经过控制逻辑和算法，产生控制命令给数字微镜元件，实现对数字微镜元件上每个微镜的独立控制，同时配合改变光源功率，从而到达预期的照明效果。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效，以及部分的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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 (1)
1.一种自适应前照灯设计方案，主要由光源、聚光元件、数字微镜元件、导光管、聚光器和透镜组成，光源发出的光线经聚光元件汇聚后进入第一导光管，经第一导光管匀光后，出射的光线通过中继透镜照射到数字微镜元件上，被数字微镜元件向一侧反射的光线通过投影透镜在配光屏幕上形成照明光斑，被数字微镜元件向另一侧反射的光线被聚光器汇聚后，进入第二导光管，其特征为：第二导光管的出射端耦合到第一导光管的入射端，从第二导光管出射的光线再次进入第一导光管。
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