CN216896898U - 基于超透镜的汽车投影灯 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及基于超透镜的汽车投影灯，包括：阵列光源或单个LED光源，所述阵列光源用于生成包括预设图形和/或色彩特征的光线；至少一个超透镜阵列，用于对来自所述阵列光源的光线调制，并于目标位置形成具有所述预设图形和/或色彩特征的照明区域。在典型方案中，包括沿光路方向依次设置的：准直超透镜阵列，包括准直超透镜单元；投射超透镜阵列，包括投射超透镜单元；通过对阵列光源之中各光源单元的亮度、颜色的控制，可以形成带有图形特征的光线信号，并由超透镜阵列投射至目标位置。通过对阵列光源的适时调节，可以实现投射形状可变、多色彩且色彩可变的图像。
Description
技术领域
本申请涉及汽车灯具领域，具体涉及一种基于超透镜的汽车投影灯。
背景技术
汽车投影灯或称车外氛围灯，可以用来投射各种图案，越来越多的汽车品牌喜欢在汽车车身上安装氛围灯，可以在车身周围的地面上投射各种图案，提高品牌的辨识度；还可以起到一定的照明作用，照亮车辆周边环境中的地面区域，为离开车辆的人提供辅助，在恶劣天气更有安全性。
现有的汽车投影灯较多的基于微透镜阵列技术，在公开文献CN113625510A中，包含LED光源，和全反射准直透镜,聚焦透镜,遮光平面，投影透镜和光学元件。成像原理是将微透镜阵列中每个小透镜对应的图像投影在地面的同一位置。该方案中将单个光源准直后通过遮光片形成图案，无法实现复杂、动态图形的显示，也不能实现多种颜色的显示，结构复杂，鲁棒性较差；现有技术中整体产品形态通常为圆筒状，长度往往超过4cm，因其体积，在现有车辆上加装时需要进行较大的车门、底盘结构改动，也不方便拆除，当加装至底盘时，会减小车辆的最小离地间隔，影响车身的可通过性，也非常容易损坏。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本申请第一方面提供了一种基于超透镜的汽车投影灯，用以实现投影多色彩、动态及复杂图形的作用，包括：
阵列光源，包括多个光源单元，所述阵列光源用于生成包括图形和/或色彩特征的光线；
至少一个超透镜装置，用于对来自所述阵列光源的光线调制，并于目标位置形成具有所述图形和/或色彩特征的照明区域；
其中，所述超透镜装置为超透镜或多个超透镜组成的阵列；所述超透镜包括基底以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成。
优选地，所述至少一个超透镜装置包括沿光路方向依次设置的：
准直超透镜装置，包括准直超透镜或其组成的阵列；以及投射超透镜装置，包括投射超透镜或其组成的阵列；
其中，所述准直超透镜装置基于其中纳米结构的相位分布配置为：将来自对应光源单元的光线准直，并输入至对应投射超透镜装置；以及
其中，所述投射超透镜装置基于其中纳米结构的相位分布配置为：基于来自对应准直超透镜装置的光线在目标位置投影形成照明区域。
优选地，所述至少一个超透镜装置包括双侧超透镜阵列，所述双侧超透镜阵列包括双侧超透镜单元；
其中，所述双侧超透镜单元包括可透过目标波段光线的基底，所述基底的两侧表面分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述双侧超透镜单元靠近光源单元的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源单元的光线准直；
其中，所述双侧超透镜单元靠近目标位置的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的光线，生成投射至目标位置的照明区域。
优选地，还包括长焦距聚焦超透镜，设置在所述至少一个超透镜装置与目标位置之间。
优选地，还包括分束器或偏折器，用于对所述至少一个超透镜装置输出的光线进行分束或偏折。
优选地，所述分束器或偏折器为棱镜。
优选地，所述至少一个超透镜装置其中之一与所述棱镜一体地构成。
优选地，所述分束器为分束超透镜；
所述偏折器为偏折超透镜。
优选地，所述光源单元包括垂直腔面发射激光器。
优选地，所述光源单元为LED。
本申请第二方面提供了另一种基于超透镜的汽车投影灯，以实现易于拆装，不影响车身结构的作用，包括光源单元以及至少一个超透镜装置；其中，所述至少一个超透镜装置用于对来自所述光源单元的光线调制，并于目标位置形成照明区域；
其中，所述超透镜装置为超透镜或多个超透镜组成的阵列；所述超透镜包括基底以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成。
优选地，所述至少一个超透镜装置包括准直超透镜和投射超透镜阵列；
所述准直超透镜，基于其中纳米结构的相位分布配置为：将来自光源单元的光线准直，并输入至投射超透镜阵列；
所述投射超透镜阵列，基于其中纳米结构的相位分布配置为：将准直后的光线投射至目标位置形成照明区域。
基于以上技术方案，本申请实现的优点和效果至少有：
通过对阵列光源之中各光源单元的亮度、颜色的控制，可以形成带有图形特征的光线信号，并由超透镜阵列投射至目标位置。通过对阵列光源的适时调节，可以实现投射形状可变、多色彩且色彩可变的图像。
采用了超表面透镜，整体零件较少，且不需要传统光学元件极高的装配精度，整体鲁棒性较佳。可直接贴装于车门或汽车底盘，尤其可以安装于现有缝隙沟槽内，不用破坏汽车原本的结构，对汽车通过性的影响也较小。
附图说明
图1为本公开结构及光路示意图(多超透镜阵列方案)；
图2为本公开结构及光路示意图(双侧超透镜阵列方案)；
图3为本公开中增加了远距离投影的结构及光路示意图；
图4为本公开中增加了分束投影的结构及光路示意图；
图5为结构单元排布图；
图6为纳米结构示意图；
图7本公开中另一种结构及其光路示意图。
1LED阵列，2超透镜阵列；11LED光源单元；21准直超透镜阵列；22投射超透镜阵列；23双侧超透镜阵列；24长焦距聚焦超透镜；25准直超透镜；3棱镜；4待照明区域。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。
具体实施方式
将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
本公开的技术思想之一在于，有鉴于微透镜阵列成本高，体积重量大，且需要较高的安装精度的特性，本公开采用超透镜或其阵列取代现有技术中的微透镜阵列和/或其它光学透镜组。其主要特征可由图7示例性地表示：
如图7可见，包括有一个LED光源11，准直超透镜25(阵列)和投射超透镜阵列22。其中，准直超透镜尽可能的减少光的损失并均匀的把光投射到投射超透镜阵列22上。并由投射超透镜阵列22通过投影形成照明区域。
如图7中的投影装置相比现有技术结构简单，具备更好的鲁棒性，整体厚度较薄，结合晶圆级封装的工艺可进一步减小其体积，可直接贴装于车门或汽车底盘，尤其可以安装于现有缝隙沟槽内，不用破坏汽车原本的结构，对汽车通过性的影响也较小。本实施例用于实现单色光的照亮，并可以增加遮光部件实现对于特定图案的投影。
本公开第二方面提供了如下实施例，示例性的，如图1所示，包括：
阵列光源1，包括多个光源单元，所述阵列光源用于生成包括预设图形和/或色彩特征的光线；
至少一个超透镜阵列2，用于对来自所述阵列光源的光线调制，并于目标位置形成具有所述预设图形和/或色彩特征的照明区域。
对于上述实施例的补充说明包括：
阵列光源1可选包括不同颜色的LED组成，可以按照特定的方式排布，例如按照汽车品牌logo的方式排列等。也可以选用可调节的LED阵列，可以依据程序的控制显示所需图形，并包括有控制单元，控制单元依照实际需求可与汽车的控制模块相连接，由用户操作并控制显示何种图案。
上述的超透镜阵列2由多个超透镜单元组成。超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本例中，纳米结构是全介质结构单元，在目标波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
上述多个超透镜单元，基于其中纳米结构的相位调制，相同地或不同地构成。同理，各超透镜阵列2也相同或者不同地构成，以实现不同的功能。示例性的，一个超透镜单元包括：
基底，以及
阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成。
如图6所示出的，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。示例性的，当投影灯应用于需要防止炫光以保障行车安全的场景时，可采用偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构。
对于上述的结构单元，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图5所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。
如图5左侧中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
如图5右侧中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
本实施例及以下其他实施例中，涉及超表面的各种元件，如各种超透镜及各种阵列，基于其表面纳米结构的相位分布，其光相位至少满足如下公式：
其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，
为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。超透镜的相位可以通过高次多项式表达，其中高次多项式包括偶次多项式和奇次多项式。本申请实施例中，相比公式(1)、(2)、(3)、(7)、和(8)，公式(4)、(5)和公式(6)不仅能够对满足偶次多项式的相位进行优化，还能够对满足奇次多项式的相位进行优化且不破坏超透镜相位的旋转对称性，显著地提高了超透镜的优化自由度。需要注意的是，公式(1)、(2)、(3)、(7)和(8)中，a1小于零；而公式(4)、(5)和(6)中，a2小于零。
在优选实施例中，如图1所示，包括沿光路方向依次设置的：
准直超透镜阵列21，包括准直超透镜单元；以及
投射超透镜阵列22，包括投射超透镜单元；
其中，所述准直超透镜单元基于其中纳米结构的相位分布配置为：将来自对应光源单元的光线准直，并输入至对应投射超透镜单元；以及
其中，所述投射超透镜单元基于其中纳米结构的相位分布配置为：基于来自对应准直超透镜单元的光线在目标位置投影形成照明区域。
上述准直超透镜阵列21和投射超透镜阵列22可以以晶圆级封装的形式构成，以保证较佳的对准精度，防止成像的畸变。
在优选实施例中，光源阵列1与准直超透镜阵列21、投射超透镜阵列22可以一并采用晶圆级封装的形式构成。
在优选实施例中，如图2所示，所述至少一个超透镜阵列包括双侧超透镜阵列23，所述双侧超透镜23阵列包括双侧超透镜单元；
其中，所述双侧超透镜单元包括可透过目标波段光线的基底，所述基底的两侧表面分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述双侧超透镜单元靠近光源单元的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源单元的光线准直；
其中，所述双侧超透镜单元靠近目标位置的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的光线，生成投射至目标位置的照明区域。
在优选实施例中，光源阵列1与双侧超透镜23可以采用晶圆级封装的形式构成。
上述的双侧超透镜单元的基底可以是平板状的透明基底，也可以是棱镜形状或有角度的基底，可以在实现上述双功能的同时，实现折射、分束等附加功能。
在优选实施例中，如图3所示，还包括长焦距聚焦超透镜24，设置在所述至少一个超透镜阵列与目标位置之间。对于上述汽车投影灯，通常投影区域相对较大，平均分配到每个区域的亮度有限，一般用于照亮投影汽车周围。本实施例提供一种包含超透镜阵列的远距离照明的汽车投影灯，具体的为在上述超透镜阵列后方加一个长焦距的聚焦超透镜。焦距约等于安置氛围灯的位置到待照明目标区域的距离。从超透镜阵列出射的光通过聚焦超透镜到待照明的目标区域，目标区域上光斑的每个点均受到光源所有点发出的光线照射，同时，光源上每个发出的光束又都会重叠到照明光斑上的同一视场范围，得到一个光斑。
根据对照明区域的不同要求(出射光线的角度)，可以在超透镜阵列后添加一个是光线分束或角向偏折的光学元件，例如超透镜阵列，棱镜，枕形透镜。当此光学元件设计选择超透镜阵列时，可以将此超透镜跟投影超透镜相结合设计在一个超透镜阵列上。以楔形棱镜为例，示例性的，如图4所示，为使用棱镜方案的示意图。
在优选实施例中，所述至少一个超透镜阵列其中之一与所述棱镜一体地构成。也就是说，将棱镜作为基底，将超表面直接刻蚀或以粘贴、键合等形式结合于棱镜的一个面上。
在优选实施例中，选用一个单独的超透镜作为分束器或偏折器。
应理解的是，在上述的各种超透镜阵列之中，其中的各超透镜单元可以是公用同一基底，也就是在同一基底表面采用光刻等工艺刻蚀出不同区域的超表面单元；也可以是使用不同基底制作并且进行拼接形成阵列。
在优选实施例中，所述光源单元包括垂直腔面发射激光器，采用VCSEL阵列投射照明区域。
上述实施例及其优选实施例中，基于超透镜阵列的投影灯结构简单，成本更低，设计紧凑更加小巧可以占用更小的安装空间，在安装位置上拥有更多的选择性。而且，基于超透镜阵列的投影灯可以多色投影，通过控制LED阵列上灯的颜色灵活进行不同图案不同颜色的投影。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，包括：
阵列光源，包括多个光源单元，所述阵列光源用于生成包括图形和/或色彩特征的光线；
至少一个超透镜装置，用于对来自所述阵列光源的光线调制，并于目标位置形成具有所述图形和/或色彩特征的照明区域；
其中，所述超透镜装置为超透镜或超透镜组成的阵列；所述超透镜包括基底以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成。
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述至少一个超透镜装置包括沿光路方向依次设置的：
准直超透镜装置，包括准直超透镜或其组成的阵列；以及
投射超透镜装置，包括投射超透镜或其组成的阵列；
其中，所述准直超透镜装置基于其中纳米结构的相位分布配置为：将来自对应光源单元的光线准直，并输入至对应投射超透镜装置；以及
其中，所述投射超透镜装置基于其中纳米结构的相位分布配置为：基于来自对应准直超透镜装置的光线在目标位置投影形成照明区域。
3.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述至少一个超透镜装置包括双侧超透镜阵列，所述双侧超透镜阵列包括双侧超透镜单元；
其中，所述双侧超透镜单元包括可透过目标波段光线的基底，所述基底的两侧表面分别设置不同的纳米结构及其组成的结构单元；
其中，所述双侧超透镜单元靠近光源单元的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：对来自光源单元的光线准直；
其中，所述双侧超透镜单元靠近目标位置的一侧，基于该侧纳米结构的相位分布配置为：基于准直后的光线，生成投射至目标位置的照明区域。
4.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，还包括长焦距聚焦超透镜，设置在所述至少一个超透镜装置与目标位置之间。
5.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，还包括分束器或偏折器，用于对所述至少一个超透镜装置输出的光线进行分束或偏折。
6.根据权利要求5所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述分束器或偏折器为棱镜。
7.根据权利要求6所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述至少一个超透镜装置其中之一与所述棱镜一体地构成。
8.根据权利要求5所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述分束器为分束超透镜；
所述偏折器为偏折超透镜。
9.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述光源单元包括垂直腔面发射激光器。
10.根据权利要求1所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述光源单元为LED。
11.一种基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，包括光源单元以及至少一个超透镜装置；其中，所述至少一个超透镜装置用于对来自所述光源单元的光线调制，并于目标位置形成照明区域；
其中，所述超透镜装置为超透镜或多个超透镜组成的阵列；所述超透镜包括基底以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成。
12.根据权利要求11所述的基于超透镜的汽车投影灯，其特征在于，所述至少一个超透镜装置包括准直超透镜和投射超透镜阵列；
所述准直超透镜，基于其中纳米结构的相位分布配置为：将来自光源单元的光线准直，并输入至投射超透镜阵列；
所述投射超透镜阵列，基于其中纳米结构的相位分布配置为：将准直后的光线投射至目标位置形成照明区域。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115079499A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-20 | 常州星宇车灯股份有限公司 | 应用于车灯的动态投影模组及其设计方法 |
| CN116877947A (zh) * | 2023-09-07 | 2023-10-13 | 常州星宇车灯股份有限公司 | 用于实现功能复用的发光装置、光学***及车灯 |
| US11927769B2 (en) | 2022-03-31 | 2024-03-12 | Metalenz, Inc. | Polarization sorting metasurface microlens array device |
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2022
- 2022-03-03 CN CN202220463132.8U patent/CN216896898U/zh active Active
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