本发明属于车辆照明装置技术领域，涉及一种前照灯装置及车辆。
背景技术：
现有的投射式汽车前照灯系统因其截止线清晰、结构紧凑被广泛使用，系统主要包括光源、反射器、挡板和投影物镜。现有技术中反射器一般采用单焦点椭球反射镜，而投影物镜一般采用单焦点非球面透镜。
现有由于采用单焦点的椭球反射镜和单焦点非球面透镜，在挡光片位置形成圆形的光斑，经过挡光片分切出明暗截止线之后，投影出来的光斑基本上为上方切掉一半的半圆形，半圆形的光斑会导致靠近路面下方的能量浪费太多，照射不远。主要原因为：由于车灯位置到地面的距离最多只有1米左右，而照射的距离需要达到至少几十米，半圆形光斑会导致大部分的光线都打在靠近车前方比较近的路面，而光斑中心点的最大光强不够强，以及光斑的宽度也不够。即光斑照射的距离不够远，路面两侧位置的光照射强度不够。
技术实现要素：
针对现有投射式汽车前照灯系统存在光斑中心光强低以及照射宽度不足的问题，本发明提供了一种前照灯装置及车辆。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种前照灯装置，包括自由曲面椭球反射镜、光源、挡板和自由曲面投影透镜，所述自由曲面椭球反射镜和所述自由曲面投影透镜之间形成有焦点f0、焦点f1和焦点f2，所述焦点f1位于所述焦点f2和所述焦点f0之间，所述光源位于所述焦点f0处，所述自由曲面椭球反射镜的反射面过中心轴线的剖切曲线均为椭圆曲线，且所述自由曲面椭球反射镜在过中心轴线不同方向剖切曲线的近焦点位于同一焦点f0处，远焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，所述自由曲面椭球反射镜的竖直剖切曲线的远焦点位于焦点f1处，所述自由曲面椭球反射镜的水平剖切曲线的远焦点位于焦点f2处，所述挡板位于所述焦点f1位置，所述自由曲面透镜的竖直剖面的焦点为位于焦点f1处的单一焦点，所述自由曲面透镜的水平剖面的焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变。
可选的，所述焦点f1和所述焦点f2之间的距离为3～20mm。
可选的，所述焦点f0、所述焦点f1与所述焦点f2均位于所述自由曲面椭球反射镜的中心轴线上。
可选的，所述自由曲面投影透镜的两侧分别形成有入射平面s1和出射曲面s2，所述入射平面s1朝向所述自由曲面椭球反射镜，所述出射曲面s2背离所述自由曲面椭球反射镜，所述出射曲面s2的竖直剖切曲线s22的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分对应的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的两侧边缘部分对应的焦点位于焦点f2位置，由出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分至两侧边缘部分对应的焦点在所述焦点f1和所述焦点f2之间依次排布。
可选的，所述竖直剖切曲线s22为球面曲线或非球面曲线。
可选的，所述竖直剖切曲线s22为非球面曲线，以所述出射曲面出射曲面s2的竖直剖切面为zy轴坐标系，所述出射曲面的竖直剖切曲线s22上的点(zi，yi)满足以下公式：
其中c为曲率，k为二次曲线常数，a1，a2，a3，a4…为高阶项系数。
可选的，以所述出射曲面s2的水平剖切面为zx轴坐标系，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21上的点ci(xi，zi)通过以下方式确定：
按等间距取一系列采样光线，将所述焦点f1和所述焦点f2之间区域等间距分成n段，同时将透镜的口径r等间距分成n段，f1为焦点f1位置，f2为焦点f2位置，fi为采样光线其对应的第i个焦点位置，ri为采样光线与入射平面s1的交点，ci为该光线与水平剖切曲线s21的交点，其坐标为(xi，zi)，
根据斯涅尔折射定律，透镜材料的折射率为n，对应关系如下公式所示：
采样光线到达出射曲面s2时再次折射，最后平行于z轴出射，ω为采样光线在ci点位置的入射角，θ为反射角，δ为与z轴的夹角，根据ci点位置的折射定律，有如下关系式：
根据公式(3)的三角函数关系，可以得出：
由于水平剖切曲线s21的在ci点的切线与x轴夹角也为θ，根据θ＝ω δ，联合上述公式(1)-(4)：同时根据切线的正切值
联合公式(1)-(5)，以及初始条件x0＝0时，z0＝透镜厚度，得出水平剖切曲线s21轮廓上每点(xi，zi)的坐标值。
可选的，所述挡板的顶部设置有z形止挡线。
可选的，所述前照灯装置还包括有安装平台，所述自由曲面椭球反射镜、所述光源、所述挡板和所述自由曲面投影透镜均设置于所述安装平台上。
另一方面，本发明提供了一种车辆，包括如上所述的前照灯装置。
根据本发明提供的前照灯装置，将自由曲面椭球反射镜的各个剖切曲线的近焦点均设置于同一焦点f0，同时远焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，将光源设置于焦点f0处，从光源发出的光经由所述自由曲面椭球反射镜的反射汇集于焦点f1至焦点f2之间，从而能够在所述挡板处形成椭圆形的光斑，通过所述挡板止挡形成明暗截止线后，通过自由曲面投影透镜调整光型射出，该前照灯装置能够形成半椭圆型的前照灯光型，有效提高车辆两侧的照射宽度，同时，提高了中间点光线的汇集度，进而能够有效提高照射距离。
附图说明
图1是本发明实施例提供的前照灯装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的前照灯装置的内部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的前照灯装置其自由曲面投影透镜的侧视图；
图4是本发明实施例提供的出射曲面s2的水平剖切曲线s21光路径图；
图5是本发明实施例提供的出射曲面s2的水平剖切曲线s21分析图；
图6是本发明实施例提供的出射曲面s2的竖直剖切曲线s22光路径图。
说明书附图中的附图标记如下：
1、自由曲面椭球反射镜；11、竖直剖切曲线；12、水平剖切曲线；2、自由曲面投影透镜；s1、入射平面；s2、出射曲面；s21、水平剖切曲线；s22、竖直剖切曲线；3、安装平台；4、光源；5、挡板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“竖直”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。
参见图1～图5所示，本发明实施例提供了一种前照灯装置，包括自由曲面椭球反射镜1、光源4、挡板5和自由曲面投影透镜2，所述自由曲面椭球反射镜1和所述自由曲面投影透镜2之间形成有焦点f0、焦点f1和焦点f2，所述焦点f1位于所述焦点f2和所述焦点f0之间，所述光源4位于所述焦点f0处，所述自由曲面椭球反射镜1的反射面过中心轴线的剖切曲线均为椭圆曲线，且所述自由曲面椭球反射镜1在过中心轴线不同方向剖切曲线的近焦点位于同一焦点f0处，远焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，所述自由曲面椭球反射镜1的竖直剖切曲线11的远焦点位于焦点f1处，所述自由曲面椭球反射镜1的水平剖切曲线12的远焦点位于焦点f2处，所述挡板5位于所述焦点f1位置，所述自由曲面透镜的竖直剖面的焦点为位于焦点f1处的单一焦点，所述自由曲面透镜的水平剖面的焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变。
由于所述自由曲面椭球反射镜1的反射面过中心轴线的剖切曲线均为椭圆曲线，故所述自由曲面椭球反射镜1的反射面过中心轴线的剖切曲线均具有近焦点和远焦点，由椭球形反射面的发射原理，由近焦点发出的光线会汇集至远焦点位置。
所述前照灯装置将自由曲面椭球反射镜1的各个剖切曲线的近焦点均设置于同一焦点f0，同时远焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，将光源4设置于焦点f0处，从光源4发出的光经由所述自由曲面椭球反射镜1的反射汇集于焦点f1至焦点f2之间，从而能够在所述挡板5处形成椭圆光斑，通过所述挡板5止挡形成明暗截止线后，通过自由曲面投影透镜2调整光型射出，所述自由曲面投影透镜2用于将焦点f1至焦点f2发射出的光线经折射平行射出，由于所述自由曲面椭球反射镜1不同剖切曲线反射后的光线汇集于不同位置，所述自由曲面投影透镜2将竖直剖面的焦点设置于焦点f1处的单一焦点，从而可将所述自由曲面椭球反射镜1的竖直剖切曲线11反射的光线转化为平行光射出，所述自由曲面透镜的水平剖面的焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，与所述自由曲面椭球反射镜1过中心轴线的不同方向剖切曲线相适配，将所述自由曲面椭球反射镜1不同方向反射的光线转化为平行光射出，起到调整光型的作用。
该前照灯装置能够形成半椭圆型的前照灯光型，有效提高车辆两侧的照射宽度，同时，提高了中间点光线的汇集度，进而能够有效提高照射距离。
所述自由曲面椭球反射镜1的竖直剖切曲线11和水平剖切曲线12之间形成的曲面平滑过渡。
在一实施例中，所述焦点f1和所述焦点f2之间的距离为3～20mm。
需要说明的是，在其他实施例中，所述焦点f1和所述焦点f2之间的距离可根据所需椭圆光斑的宽度以及光源4的排列进行适当调整，上述椭圆光斑的高宽比与所述焦点f1和所述焦点f2之间的距离有关，一般情况下，当焦点f2越靠近焦点f1时，汇集到挡光片位置的椭圆光斑越接近圆形；相反，当焦点f2越远离焦点f1时，则汇聚到挡光片位置的椭圆光斑会越扁。
在一实施例中，所述焦点f0、所述焦点f1与所述焦点f2均位于所述自由曲面椭球反射镜1的中心轴线上。
在一实施例中，所述自由曲面投影透镜2的两侧分别形成有入射平面s1和出射曲面s2，所述入射平面s1朝向所述自由曲面椭球反射镜1，所述出射曲面s2背离所述自由曲面椭球反射镜1，所述出射曲面s2的竖直剖切曲线s22的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分对应的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的两侧边缘部分对应的焦点位于焦点f2位置，由出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分至两侧边缘部分对应的焦点在所述焦点f1和所述焦点f2之间依次排布。
在本发明的描述中，需要理解的是，所述焦点泛指光线经过反射或折射汇集的点，比如，“所述出射曲面s2的竖直剖切曲线s22的焦点”指的是平行光线经所述出射曲面s2在竖直剖切曲线s22位置折射汇集的点，同时由于光线是可逆的，由焦点发出的光线经由出射曲面s2在竖直剖切曲线s22位置折射也能够形成平行光，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。
所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21和竖直剖切曲线s22之间形成的曲面平滑过渡。
所述入射平面s1为平面，其对光线的折射影响较小，所述自由曲面投影透镜2对于光型的调整主要通过所述出射曲面s2，通过控制所述出射曲面s2在不同位置的曲率以控制所述焦点f1和所述焦点f2处发射的光线形成平行光射出，在进行自由曲面投影透镜2的设计时仅需计算出射曲面s2的各点位置，降低设计难度。
在一些实施例中，所述竖直剖切曲线s22为球面曲线或非球面曲线。
如图6所示，在更优选的实施例中，所述竖直剖切曲线s22为非球面曲线，具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的光型调整性能，以所述出射曲面出射曲面s2的竖直剖切面为zy轴坐标系，所述出射曲面的竖直剖切曲线s22上的点(zi，yi)满足以下公式：
其中c为曲率，k为二次曲线常数，a1，a2，a3，a4…为高阶项系数。
上述非球面曲线的设计公式基于本领域非曲面透镜的设计公式，其中k、a1、a2，a3，a4…均可根据焦点f1与所述自由曲面投影透镜2的位置得到，不再进行赘述。
如图4和图5所示，在一实施例中，以所述出射曲面s2的水平剖切面为zx轴坐标系，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21上的点ci(xi，zi)通过以下方式确定：
按等间距取一系列采样光线，将所述焦点f1和所述焦点f2之间区域等间距分成n段，同时将透镜的口径r等间距分成n段，f1为焦点f1位置，f2为焦点f2位置，fi为采样光线其对应的第i个焦点位置，ri为采样光线与入射平面s1的交点，ci为该光线与水平剖切曲线s21的交点，其坐标为(xi，zi)，
根据斯涅尔折射定律，透镜材料的折射率为n，对应关系如下公式所示：
采样光线到达出射曲面s2时再次折射，最后平行于z轴出射，ω为采样光线在ci点位置的入射角，θ为反射角，δ为与z轴的夹角，根据ci点位置的折射定律，有如下关系式：
根据公式(3)的三角函数关系，可以得出：
n·sinω＝sin(ω δ)
n·sinω＝sinω·cosδ cosω·sinδ
n·tgω＝tgω·cosδ sinδ
由于水平剖切曲线s21的在ci点的切线与x轴夹角也为θ，根据θ＝ω δ，联合上述公式(1)-(4)：同时根据切线的正切值
联合公式(1)-(5)，以及初始条件x0＝0时，z0＝透镜厚度，得出水平剖切曲线s21轮廓上每点(xi，zi)的坐标值。
通过以上公式限定，能够使得水平剖切曲线s21上各线段的焦点落入焦点f1和焦点f2之间，从而实现焦点f1和焦点f2射出的光线经由所述自由曲面投影透镜2的水平剖切曲线s21位置呈平行光射出的目的。
在一实施例中，所述挡板5的顶部设置有z形止挡线。
通过所述z形止挡线有利于对焦点f1处的椭圆光斑进行部分遮挡从而使形成形成的近光光型产生z形明暗截止线，相对于直线状的明暗截止线，z形明暗截止线具有更好的近光效果，利于分辨前方物体。
如图1所示，在一实施例中，所述前照灯装置还包括有安装平台3，所述自由曲面椭球反射镜1、所述光源4、所述挡板5和所述自由曲面投影透镜2均设置于所述安装平台3上。
所述光源4选自led光源，所述自由曲面椭球反射镜1呈罩体状设置于所述安装平台3上，所述光源4位于所述自由曲面椭球反射镜1和所述安装平台3之间。
本发明另一实施例提供了一种车辆，包括如上所述的前照灯装置。
所述车辆由于采用了如上所述的前照灯装置，能够有效提高车辆前照灯的照射距离，同时在车辆的前方形成半椭圆状的近光光型，有利于提高道路两侧的亮度，进而提高行车安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种前照灯装置，其特征在于，包括自由曲面椭球反射镜、光源、挡板和自由曲面投影透镜，所述自由曲面椭球反射镜和所述自由曲面投影透镜之间形成有焦点f0、焦点f1和焦点f2，所述焦点f1位于所述焦点f2和所述焦点f0之间，所述光源位于所述焦点f0处，所述自由曲面椭球反射镜的反射面过中心轴线的剖切曲线均为椭圆曲线，且所述自由曲面椭球反射镜在过中心轴线不同方向剖切曲线的近焦点位于同一焦点f0处，远焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变，所述自由曲面椭球反射镜的竖直剖切曲线的远焦点位于焦点f1处，所述自由曲面椭球反射镜的水平剖切曲线的远焦点位于焦点f2处，所述挡板位于所述焦点f1位置，所述自由曲面透镜的竖直剖面的焦点为位于焦点f1处的单一焦点，所述自由曲面透镜的水平剖面的焦点在焦点f1至焦点f2之间渐变。
2.根据权利要求1所述的前照灯装置，其特征在于，所述焦点f1和所述焦点f2之间的距离为3～20mm。
3.根据权利要求1所述的前照灯装置，其特征在于，所述焦点f0、所述焦点f1与所述焦点f2均位于所述自由曲面椭球反射镜的中心轴线上。
4.根据权利要求1所述的前照灯装置，其特征在于，所述自由曲面投影透镜的两侧分别形成有入射平面s1和出射曲面s2，所述入射平面s1朝向所述自由曲面椭球反射镜，所述出射曲面s2背离所述自由曲面椭球反射镜，所述出射曲面s2的竖直剖切曲线s22的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分对应的焦点位于焦点f1位置，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21的两侧边缘部分对应的焦点位于焦点f2位置，由出射曲面s2的水平剖切曲线s21的中心部分至两侧边缘部分对应的焦点在所述焦点f1和所述焦点f2之间依次排布。
5.根据权利要求4所述的前照灯装置，其特征在于，所述竖直剖切曲线s22为球面曲线或非球面曲线。
6.根据权利要求4所述的前照灯装置，其特征在于，所述竖直剖切曲线s22为非球面曲线，以所述出射曲面出射曲面s2的竖直剖切面为zy轴坐标系，所述出射曲面的竖直剖切曲线s22上的点(zi，yi)满足以下公式：
其中c为曲率，k为二次曲线常数，a1，a2，a3，a4…为高阶项系数。
7.根据权利要求4所述的前照灯装置，其特征在于，以所述出射曲面s2的水平剖切面为zx轴坐标系，所述出射曲面s2的水平剖切曲线s21上的点ci(xi，zi)通过以下方式确定：
按等间距取一系列采样光线，将所述焦点f1和所述焦点f2之间区域等间距分成n段，同时将透镜的口径r等间距分成n段，f1为焦点f1位置，f2为焦点f2位置，fi为采样光线其对应的第i个焦点位置，ri为采样光线与入射平面s1的交点，ci为该光线与水平剖切曲线s21的交点，其坐标为(xi，zi)，
根据斯涅尔折射定律，透镜材料的折射率为n，对应关系如下公式所示：
采样光线到达出射曲面s2时再次折射，最后平行于z轴出射，ω为采样光线在ci点位置的入射角，θ为反射角，δ为与z轴的夹角，根据ci点位置的折射定律，有如下关系式：
根据公式(3)的三角函数关系，可以得出：
由于水平剖切曲线s21的在ci点的切线与x轴夹角也为θ，根据θ＝ω δ，联合上述公式(1)-(4)：同时根据切线的正切值
联合公式(1)-(5)，以及初始条件x0＝0时，z0＝透镜厚度，得出水平剖切曲线s21轮廓上每点(xi，zi)的坐标值。
8.根据权利要求1所述的前照灯装置，其特征在于，所述挡板的顶部设置有z形止挡线。
9.根据权利要求1所述的前照灯装置，其特征在于，所述前照灯装置还包括有安装平台，所述自由曲面椭球反射镜、所述光源、所述挡板和所述自由曲面投影透镜均设置于所述安装平台上。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1～9任意一项所述的前照灯装置。
技术总结