用于汽车前照灯的光学结构、车灯及其车辆

技术领域

本发明涉及汽车照明灯具技术领域，尤其涉及一种用于汽车前照灯的光学结构。

背景技术

随着汽车照明领域的飞速发展，智能化、像素化已经成为车灯未来发展的主流趋势之一，其中以MicroLED为载体的HD(前照灯)像素大灯，具有高像素和低成本的双重优势，成为了极具量产性的优选方案。但是现有的MicroLED像素数最高在万级像素，分辨率低，无法满足高分辨率的路面投影功能；发光面积偏小，导致投射角度偏小，通常作为补光装置，参与远光ADB，用户体验感差；受制于现有方案出光角度小和像素数低的问题，模组往往只能作为辅助辅助装置，参与自适应远近光，或者作为独立投影装置，进行路面信息投影。同一个前灯模组无法同时具备自适应远近光和路面信息投影功能，但用户的期望是一个模组提供更多的功能，即同时具备自适应远近光和路面信息投影功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术的光学结构不满足用户需求，使用场景受限的技术问题，本发明提供一种用于汽车前照灯的光学结构，具备节能、光效高、像素数高、投射角度广和成本低的优势，能够满足用户需求，可同时实现远、近光的高精度控制和路面信息投影功能，适应范围广，实用性良好，自适应远近光的照明功能和路面信息投影功能给驾驶者带来更多的获得感和更好的驾驶体验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于汽车前照灯的光学结构，包括：透镜组件和配置在所述透镜组件后方的光源板；

所述透镜组件中具有光焦度的透镜的数量为四片，分别包括：

第一透镜；

第二透镜，配置在所述第一透镜的后方；

第三透镜，配置在所述第二透镜的后方；

第四透镜，配置在所述第三透镜的后方，所述光源板配置在所述第四透镜的后方；

其中，所述第一透镜上设置有视场光阑，所述第三透镜上设置有渐晕光阑；

进一步，具体地，所述第一透镜为正光焦度的双凸透镜，所述第一透镜具有第一出光面和第一入光面，所述第一出光面和所述第一入光面均为凸面，所述视场光阑与所述第一出光面的外边缘贴合、或所述视场光阑与所述第一入光面的外边缘贴合；

所述第二透镜为负光焦度的弯月透镜，所述第二透镜具有第二出光面和第二入光面，所述第二出光面为凸面，所述第二入光面为凹面；

所述第三透镜为正光焦度的凸透镜，所述第三透镜具有第三出光面和第三入光面，所述第三出光面为曲面或平面，所述第三入光面为曲面，所述渐晕光阑与所述第三入光面的外边缘贴合；

所述第四透镜为正光焦度的凸透镜，所述第四透镜具有第四出光面和第四入光面，所述第四出光面为凸面，所述第四入光面为凹面/凸面。

进一步，具体地，所述光源板上包括m*n颗矩阵式排列的像素，其中m＞3n，n＞130；

每个所述像素中心间距d≤0.035mm；

所述像素采用尺寸为微米级别的Micro LED。

进一步，具体地，所述光学结构满足以下条件式：0.5<|f2/f|<1.5；

其中，f2为所述第一透镜的有效焦距，f为所述光学结构的有效焦距。

进一步，具体地，所述第一透镜的有效通光直径满足以下条件式：1≤D1/D2≤1.5；

其中，D1为所述第一透镜的有效通光直径，D2为所述第二透镜的有效通光直径。

进一步，具体地，所述第二透镜和所述第三透镜有效口径处的边缘距离E2满足以下条件式：2mm≤E2≤5mm。

进一步，具体地，进一步，具体地，所述第一透镜和所述第二透镜为非球面塑胶材质，所述第三透镜和所述第四透镜为光学玻璃材质。

一种车灯，所述车灯采用如上所述的用于汽车前照灯的光学结构。

一种车辆，包括车体，以及至少一个如上的车灯，所述车灯设于所述车体上。

本发明的有益效果是，本发明的用于汽车前照灯的光学结构，光线由光源板发出，经透镜组件射出，在光照面上形成光照区域I，在水平方向投射出的光型角度为|H1-H2|，在竖直方向投射出的光型角度为|V1-V2|，其中，H1≤-20°，H2≥10°，V1≤-5°，V2≥5°，使得透镜组件的出射光线能够同时满足照明和成像的要求，具备节能、光效高、像素数高、投射角度广和成本低的优势，能够满足用户需求，可实现远、近光的高精度控制和路面信息投影功能，适应范围广，实用性良好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一实施例示出的车辆的结构示意图。

图2是本发明一实施例示出的光学结构的结构示意图。

图3是本发明一实施例示出的车光学结构在光照面形成的光照区域示意图。

图4是本发明一实施例示出的车辆前照灯在光照面形成的光照区域示意图。

图5是本发明一实施例示出的光学结构的点列图。

图6是本发明一实施例示出的光学结构的调制传递函数曲线图。

图7是本发明一实施例示出的光学结构的光学畸变图。

图8是本发明一实施例示出的光学结构无畸变的光型示意图。

图中1、视场光阑；2、第一透镜；3、第二透镜；4、第三透镜；5、第四透镜；6、光源板；7、渐晕光阑；10、透镜组件；100、车灯；200、车体。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，其为本申请一实施例示出的车辆300的结构示意图。车辆300可以包括车体200以及至少一个车灯100，车灯100可以设于车体200上。车辆300可以是人工驾驶汽车或者各级别的自动驾驶车辆300。

实施例中，车灯100可以为前照灯。当车灯100为前照灯时，车灯100可安装在车体200头部两侧，用于夜间行车、城市道路行使的照明。

请参照图2，其为本申请一实施例示出的用于汽车前照灯的光学结构的结构示意图。车灯100可以包括光学结构，光学结构可通过支架等固定结构连接，最终固定到车灯100内。

实施例中，用于汽车前照灯的光学结构包括：透镜组件10和配置在透镜组件10后方的光源板6；透镜组件10中具有光焦度的透镜的数量为四片，分别包括：第一透镜2；第二透镜3，配置在第一透镜2的后方；第三透镜4，配置在第二透镜3的后方；第四透镜5，配置在第三透镜4的后方，光源板6配置在第四透镜5的后方；其中，第一透镜2上设置有视场光阑1，第三透镜4上设置有渐晕光阑7。光线由光源板6发出，经透镜组件10射出，在光照面上形成光照区域I，在水平方向投射出的光型角度为|H1-H2|，在竖直方向投射出的光型角度为|V1-V2|，其中，H1≤-20°，H2≥10°，V1≤-5°，V2≥5°。使得透镜组件10的出射光线能够同时满足照明和成像的要求，具备节能、光效高、像素数高、投射角度广和成本低的优势，能够满足用户需求，可实现远、近光的高精度控制和路面信息投影功能，适应范围广，实用性良好。

参照图3，其为一实施例示出的车光学结构在光照面形成的光照区域示意图，以光照区域I所在平面为三维坐标系的O-ZY平面，垂直于O-ZY平面方向为三维坐标系的X轴方向，建立三维坐标系，光源板6左上角a点处的光源投射至光照区域I的右下角形成顶点A，光源板6左下角b点处的光源投射至光照区域I的右上角形成顶点B，光源右上角c点处的光源投射至光照区域I的左上角形成顶点C，光源右上角d点处的光源投射至光照区域I的左下角形成顶点D，设直线H-H为水平方向，直线H-H与Y轴平行，直线V-V为竖直方向，直线V-V与Y轴垂直，点C与直线V-V之间的夹角为H1，点B与直线V-V之间的夹角为H2，点C与直线H-H之间的夹角为V1，点D与直线H-H之间夹角为V2。

实施例中，第一透镜2为正光焦度的双凸透镜，第一透镜2具有第一出光面和第一入光面，第一出光面和第一入光面均为凸面，视场光阑1与第一出光面的外边缘贴合、或视场光阑1与第一入光面的外边缘贴合；第二透镜3为负光焦度的弯月透镜，第二透镜3具有第二出光面和第二入光面，第二出光面为凸面，第二入光面为凹面；第三透镜4为正光焦度的凸透镜，第三透镜4具有第三出光面和第三入光面，第三出光面为曲面或平面，第三入光面为曲面，渐晕光阑7与第三入光面的外边缘贴合；第四透镜5为正光焦度的凸透镜，第四透镜5具有第四出光面和第四入光面，第四出光面为凸面，第四入光面为凹面/凸面。

参照图2，其为本申请一实施例示出的光线在透镜组件10内传播的路径示意图，光线由光源板6发出，由第四入光面进入，经过第四透镜5的折射，从第四出光面射出，经过第三入光面进入到第三透镜4，经过第三透镜4的折射从第三出光面射出，经过第二入光面进入到第二透镜3，经过第二透镜3的折射从第二出光面射出，经过第一入光面进入到第一透镜2，最终从第一出光面射出，在光照面上形成光照区域I。

实施例中，光源板6上包括m*n颗矩阵式排列的像素，其中m＞3n，n＞130；每个像素中心间距d≤0.035mm；像素采用尺寸为微米级别的Micro LED，即一种微缩LED光源。

请参照表1，示出了光学结构的结构参数。

表1光学结构的结构参数表

第

一出光面的曲率半径可以是89.3mm，第一入光面的曲率半径可以是-15.1mm。

第二出光面的曲率半径可以是9.7mm，第二入光面的曲率半径可以是5.0mm。

第三出光面的曲率半径可以是-1797.0mm，第三入光面的曲率半径可以是-24.0mm。

第四出光面的曲率半径可以是19.4mm，第四入光面的曲率半径可以是30.9mm。

曲率半径值的正负界定是以每个透镜的入光面或出光面相对于光源板6发射的光源一侧弯曲的方向而言的。可以定义向远离光源板6一侧的方向弯曲为正，则曲率半径值为正；向靠近光源板6一侧的方向弯曲为负，则曲率半径值为负。

第一出光面至第一入光面的中心厚度可以是10.6mm，第一入光面至第二出光面的中心厚度可以是2.0mm。

第二出光面至第二入光面的中心厚度可以是3.8mm，第二入光面至第三出光面的中心厚度可以是10.1mm。

第三出光面至第三入光面的中心厚度可以是14.6mm，第三入光面至第四出光面的中心厚度可以是0.92mm。

第四出光面至第四入光面的中心厚度可以是11.7mm，第四入光面至光源板的中心厚度可以是5.2mm。

实施例中，第一透镜2和第二透镜3可以是非球面塑胶材质，塑胶材质加工自由度大，可以满足不同造型的要求，设计自由度高，有助于提升光学结构的性能；第三透镜4和第四透镜5可以是光学玻璃材质，采用光学玻璃材质能够进一步提升光学结构的光学性能，并使得透镜组件10具有良好的耐热性能以及高透光率要求。

第一透镜2的折射率小于第二透镜3的折射率，第二透镜3的折射率小于第三透镜4的折射率，第三透镜4的折射率小于第四透镜5的折射率。于一实施例中，第一透镜2的折射率可以为1.49，第二透镜3的折射率可以为1.67，第三透镜4的折射率可以为1.73，第四透镜5的折射率可以为1.76。

第三透镜4的阿贝系数和第四透镜5的阿贝系数相等，第二透镜3的阿贝系数小于第三透镜4的阿贝系数，第一透镜2的阿贝系数大于第三透镜4的阿贝系数。于一实施例中，第一透镜2的阿贝系数可以为57，第二透镜3的阿贝系数可以为21，第三透镜4的阿贝系数可以为55，第四透镜5的阿贝系数可以为52。

阿贝系数也称色散系数，可以用来衡量透明介质的光线色散程度。阿贝系数可以为用以表示透明介质色散能力的指数。通过本实施例中可透镜折射率和阿贝系数的组合可以达到较好的光学性能，能够进一步提升光学结构的光学性能。

请参照表2，示出了第一透镜2和第二透镜3的非球面系数

表2第一透镜2和第二透镜3的非球面系数表

第一透镜2和第二透镜3非球面面型计算公式为：

实施例中，光学结构满足以下条件式：0.5<|f2/f|<1.5；其中，f2为第一透镜2的有效焦距，f为光学结构的有效焦距。

第一透镜2的有效通光直径满足以下条件式：1≤D1/D2≤1.5；其中，D1为第一透镜2的有效通光直径，D2为第二透镜3的有效通光直径。

第二透镜3和第三透镜4有效口径处的边缘距离E2满足以下条件式：2mm≤E2≤5mm。

请参照图4，其为本申请一实施例示出的车辆前照灯在光照面形成的光照区域示意图，其中光照区域11为安装在汽车左侧的光学结构形成的光照区域，光照区域I2为安装在汽车右侧的光学结构形成的光照区域，光照区域11和光照区域I2组合形成车辆前照灯在光照面形成的光照区域。形成的光照区域在竖直方向的投射角度≥10°，在水平方向投射角度≥40°，形成的光照区域发光面积大，投射角度大，左前照灯和右前照灯像素数大于十万，形成的光线具有远光功能，自适应近光功能，路面交互信息投影功能，能够替代现有的以DLP技术为基础的像素大灯。

请参照图5其为本申请一实施例示出的点列图，使用点列图，一要注意表格中的数值，数值越小成像质量越好；二根据分布图形的形状也可了解系统的几何像差的影响。图中RMS RADIUS数值与Micro-LED的像素大小接近，光学系统具有很好的解析力，能够与Micro-LED很好的匹配。

请参照图6，其为本申请一实施例示出的调制传递函数曲线图。调制传递函数又称空间对比传递函数(spatial contrast transfer function)、空间频率对比敏感度函数(spatial frequencycontrast sensitivity function)，可以以空间频率的函数，反映光学系统传递各种频率正弦物调制度的能力，以下简称MTF。调制传递函数可用于表示光学系统的特征，MTF越大，即曲线数值越高，投影清晰度越高，车灯100的分辨率也越高。

如图6中的调制传递函数曲线表示的是不同半视场角的子午方向和弧矢方向的曲线，如图6可知，该透镜组件10在空间频率为0～14线对/毫米时的调制传递函数(MTF)在1～0.5之间，表明该透镜组件10的成像品质高，满足成像的要求。

请参照图7其为本申请一实施例示出的光学畸变图，反应光学系统投射出光学的变形程度，绝对值越小，光型变形越小，本实施例中最大畸变约1.5％，数值很小，表面实际投射出的光型变形很小，为了演示畸变指标对于投射光型变形的影响。图8为本申请一实施例示出的无畸变的光型示意图，图内的“x”点为实际投射出的光型点，它们之间的偏差反应畸变的程度，从图内可见“x”与黑色阵列框内的节点偏离很小，显示畸变很小，光型变形也很小，能够提高成像品质。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。