[發明專利]基于Fresnel透鏡整形的高亮度激光車燈光學系統及設計方法

有效

• 申請號: 202010091857.4
• 申請日: 2020-02-14
• 公開（公告）號: CN111306506B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 程穎;王澤超;盧永斌
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: F21S41/16
• 分類號: F21S41/16;F21S41/25;F21S41/141;F21S43/14;F21S43/20;F21V5/04;F21V13/02;F21W107/10;F21Y115/10
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 陳娟

1.一種基于Fresnel透鏡整形的高亮度新型激光車燈光學系統，由激光轉換白光光學系統、配光光學系統和散熱系統三部分組成，

所述激光轉換白光光學系統包括激光光源、第一透鏡和一片黃磷熒光片，所述激光光源選用波長為450nm的四個藍色激光半導體；

所述配光光學系統包括第二透鏡和一塊Fresnel透鏡；

所述散熱系統包括風扇和散熱片；

Fresnel透鏡、第二透鏡、熒光片、第一透鏡、激光光源由前至后依次排列；菲涅爾透鏡與激光光源的間距為163.4mm，菲涅爾透鏡與第一透鏡后表面的間距為141.1mm，菲涅爾透鏡與熒光片的間距為60.4mm，菲涅爾透鏡與第二透鏡后表面的間距為50.7mm；

第一透鏡為球面透鏡，前、后表面均為球面，朝向激光的一面為前面，半徑為335.7mm，朝向熒光片的一面為后面，半徑為50.82mm，

第二透鏡為偶次非球面，面型方程為：

其中c為曲率，k為圓錐系數，c_n是非球面系數，x為非球面的旋轉對稱軸，z表示入射光線在非球面上的入射高度；

前表面為平面，后表面的參數表如下：k為-0.9675571600811000，r為11.87023860173000，c4為0.00011387，c6為-7.0569e-007；

本發明采用一種機器視覺比較法來得到一個擬光源對Fresnel透鏡進行設計，就是將從熒光片出來的光作為擬光源進行光學仿真，通過大量反復試驗，得到光斑最規整，光通量和光功率最大時，熒光片的入射光斑和尺寸，利用機器視覺的方法來求得熒光片出射光斑的尺寸，

采用機器視覺比較法建立一個擬光源的具體實施步驟為：

(1)當輸入電功率一定時，利用光學傳感器檢測四個激光二極管照射到熒光片上出來的光通量、光功率、照度等光學參數，激光二極管采用四個燈珠，激發電流0.8A時，激發電功率為12.16W，利用光功率探頭測得激光驅動白光光源的光功率為2.95W，其功率轉換效率為26％，利用光通量計測量熒光片后的光通量為950lm，使用照度計探頭，在最大電功率為13.77W的情況下，距離熒光片100mm處的照度為21300lux；

(2)利用機器視覺的方法，檢測熒光片前后光光斑大小，將相機的芯片CCD7放在熒光片的入射面的位置上，使光線直接照射在芯片上，通過相片中光斑像素數量和芯片總像素的比值來得到入射光斑的尺寸，公式如下：

其中，M_in和S_in表示光斑像素數量和實際尺寸，M_out和S_out表示相機芯片的總像素數量和實際尺寸；

當入射光斑邊長為2.30mm時，出射光斑邊長尺寸約為2.68mm，滿足熒光片發光機理要求，此時的光轉換率最高；在光學系統仿真時，擬光源為一個朗伯分布的，邊長為3mm*3mm的矩形光源，

(3)根據(1)和(2)即可獲得擬光源的尺寸和能量參數，作為后續光學元件的設計依據；

Fresnel透鏡的設計的具體實施步驟為：

(1)在透鏡的設計時，首先設計一個初始面型，將邊長為3mm*3mm的矩形光源設為點光源；

(2)本發明中Fresnel透鏡的設計基于二維幾何構造方法，以點光源為原點O，透鏡的光軸為Z軸，過原點垂直與Z軸的為Y軸，建立笛卡爾坐標系，因為光學系統關于Z軸對稱，所以只需要計算Y軸正方向的光線矢量路徑和Fresnel透鏡的有效工作面面型，已知Fresnel透鏡的焦距為f，材料折射率為n₂，Fresnel透鏡的有效的工作面是出射面，上面有n個棱鏡單位，變量j代表第j個棱鏡單元(1≤j≤n)，每個棱鏡單元計算m個采樣點，離散點變量為i(1≤i≤m)，最終有效工作面用B_i，j表示，入射面是一個由離散點A_i,j表示的平面，入射到Fresnel透鏡的光線，用向量v_i,j表示；在Fresnel透鏡中的光線，用向量t_i,j表示；從Fresnel透鏡出來的光線，用向量w_i,j表示，點光源光線的物方孔徑角為γ_i,j，最大物方孔徑角為γ_max＝γ_1,1，第二透鏡材料的折射率為n₁，入射到第二透鏡的光線，用向量r_i,j表示；在第二透鏡中的光線，用向量u_i,j表示；從第二透鏡出來的光線，用向量v_i,j表示，

(3)Fresnel透鏡光線向量計算，當光線的物方孔徑角為γ_i,j時，入射光線向量r_i,j可以用方程(1)得出

r_i,j＝[cos(γ_i,j)sin(γ_i,j)]^T(1)

在第二透鏡中的光線向量u_i,j可以用方程(2)得出

在此公式中，N₀表示第二透鏡入射面的法向量，

出射光線向量v_i,j可以用方程(3)得出

在此公式中，N₁表示第二透鏡出射面的法向量，

所有的物方孔徑角光線都可以用以上方程得到所對應的出射光線，

(4)Fresnel透鏡光線向量的計算，入射到Fresnel透鏡的光線的向量即為Fresnel透鏡的出射光線v_i,j，根據光線的最大物方孔徑角γ_max＝γ_1,1，可以求得邊緣光線的出射光矢量v_1,1，再根據焦距f，可求得Fresnel透鏡的入射面邊緣點坐標A_1,1；

Fresnel透鏡的第一個棱鏡單元先被計算，入射平面的點是A_i,j(i＝1，j＝1)，入射光線記為v_i,j，經過Fresnel透鏡的入射平面折射后變為t_i,j，透鏡工作面的邊緣點為B_i,j，B_i,j＝A_i,j，t_i,j＝v_i,j，它的工作面法向量N_i,j可以用公式(4)得到

在此公式中，折射前光線的光學動量p₁＝n₂t_i,j，折射后光線的光學動量p₂＝w_i,j，w_i,j為Fresnel透鏡出射光線矢量為已知，其中|t|＝|w|＝1，

光線向量t_i,j可以用公式(5)得到

N₂表示Fresnel透鏡入射面的法向量，等于[-1,0]，

第一個棱鏡的第二個離散點B_i+1,j可以通過二維幾何構造的方法得到，向量垂直于法向量N_i,j，B_i+1,j可以通過公式(6)求得，

當j取1時，i依次為1～m，根據相同的計算過程，可以得到Fresnel透鏡第一個棱鏡單元工作面的離散點B_i，1和法向矢量N_i，1，計算出的面型是一些離散點B_i，1的連線，通過擬合和旋轉可以得到第一個棱鏡的最終工作面型，使用以上方法，j依次2～n，i依次為1～m，就可以得到Fresnel透鏡所有棱鏡單元的最終工作面型，

從仿真結果中觀察，在25米處實現直徑約為1.7米的光斑，照度可以達到160lux以上，在25米處為直徑1.5米的白色光斑，照度約為170lux。