CN103982858B - 投影透镜以及光学表面确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及投影透镜以及光学表面确定方法。一种包括背面（14b）和正面（14a）的投影透镜，从光源（12）发射的光穿过所述背面（14b）进入，所述光以预定光分布模式在车辆前方从所述正面（14a）发射。所述投影透镜（14）配置成使得，从所述光源（12）发射的入射波前一旦进入所述投影透镜（14），就被所述正面（14a）的第一反射区域（14a1）内反射，由所述第一反射区域（14a1）的内反射产生的第一中间波前被所述背面（14b）的第二反射区域（14b1）内反射，由所述第二反射区域（14b1）的内反射产生的第二中间波前被所述正面（14a）的折射区域（14a1）折射，并且所折射的波前作为出射波前被发射。所述第二反射区域（14b1）是基于所述第一中间波前和所述第二中间波前确定的光学表面。

Description

投影透镜以及光学表面确定方法

技术领域

本发明涉及投影透镜和光学表面确定方法。

背景技术

传统上，已知这样的车辆前灯，该前灯被构造成使得发光元件被放置成在沿车辆纵向方向上延伸的光轴上的预定点附近面向前，以便从发光元件发射的光被放置在所述发光元件前方的光通过构件（light-passing member）向前引导（见日本专利申请公开No.2005-11704(JP2005-11704A)）。

该车辆前灯被构造成使得该光通过构件接收从发光元件发射的光，并且在光首先被该光通过构件的正面并且然后被光通过构件的背面内反射之后，从该正面发射光。该光通过构件的正面上的中心区域受到镜面修饰使得从发光元件发射的光被内反射。通过采用这种构造，有可能实现薄的车辆前灯。

在一般的折射光学系统或反射光学系统中，如果限定了相对于一个折射表面或反射表面的入射波前和出射波前，则有可能容易地确定唯一的折射表面或反射表面。

然而，在上述光通过构件中，从背面进入的光被内反射两次，然后从正面出射。考虑到这一点，即使限定了进入光通过构件的入射波前和从光通过构件输出的出射波前，也难以确定该光通过构件的唯一背面。

发明内容

本发明提供了一种投影透镜以及光学表面确定方法，所述投影透镜具有考虑了中间波前而确定的光学表面。

本发明的第一方面涉及一种包括背面和正面的投影透镜，从光源发射的光穿过所述背面进入，所述光以预定光分布模式在车辆前方从所述正面发射。所述投影透镜配置成使得，从所述光源发射的入射波前一旦进入所述投影透镜，就被所述投影透镜的所述正面的第一反射区域内反射，由所述第一反射区域的内反射产生的第一中间波前被所述投影透镜的所述背面的第二反射区域内反射，由所述第二反射区域的内反射产生的第二中间波前被所述投影透镜的正面的折射区域折射，并且所折射的波前作为出射波前被发射。所述第二反射区域是基于所述第一中间波前和所述第二中间波前确定的光学表面。

根据所述第一方面，可以实现具有基于中间波前确定的光学表面的投影透镜。

所述第二反射区域可以被构造成使得，由所述第二中间波前限定的多个光线在所述投影透镜内彼此不相交。由此，形成预定光分布模式的投影透镜的光学设计变得容易。

所述第二反射区域的形状可以被确定为使得所述第二反射区域反射所述第一中间波前并且输出所述第二中间波前。所述第一中间波前是基于所述第一反射区域的形状计算的，并且所述第二中间波前是基于所述折射区域的形状计算的。

第二方面是投影透镜的光学表面确定方法，所述投影透镜接收穿过该投影透镜的背面入射的光、内反射所述光两次并且然后从所述投影透镜的正面发射所述光。所述光学表面确定方法包括：设定从光源发射并且进入所述投影透镜的光的入射波前；设定从所述投影透镜发射并且形成预定光分布模式的光的出射波前；设定所述投影透镜的正面的形状；设定所述投影透镜的背面中的入射区域的形状，从所述光源发射的入射波前穿过所述入射区域进入所述投影透镜；基于所述投影透镜的所述正面的第一反射区域的形状，计算由所述第一反射区域的内反射产生的第一中间波前；基于所述投影透镜的所述正面的折射区域的形状，计算在被所述折射区域折射之前的第二中间波前；以及基于所述第一中间波前和所述第二中间波前，将反射所述第一中间波前并且输出所述第二中间波前的、所述投影透镜的所述背面中的第二反射区域的形状确定为光学表面。

根据该方面，有可能通过使用内反射容易地确定形成预定光分布模式的投影透镜的光学表面。

所述第二反射区域被确定为使得，由所述第二中间波前限定的多个光线在所述投影透镜内彼此不相交。

根据本发明，可以提供一种投影透镜以及光学表面确定方法，所述投影透镜具有考虑了中间波前而确定的光学表面。

附图说明

下面将参考附图描述本发明示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：

图1A是示出根据本发明实施例的车辆前灯的横截面视图；

图1B是示出根据本发明实施例的车辆前灯的正视图；

图2的视图示意性示出由从车辆前灯向前照射的光在布置在灯前方预定位置处的虚拟垂直屏幕上形成的近光（low-beam）分布模式PL；

图3是示意性示出由光通过构件输出的波前类型与光学反射控制表面之间的关系的视图；

图4A是示意性示出从图3中示出的区域A输出的漫射波前的视图；

图4B是示意性示出从图3中示出的区域B输出的倾斜波前的视图；

图4C是示意性示出从图3中示出的区域C输出的会聚波前的视图；

图5A-5F的视图描述了从发光元件发射的圆形（球形）波如何在光通过构件内被内反射两次并且然后作为平面波向前输出；

图6A的视图示出了在常规折射光学系统中入射波前和出射波前之间的关系；

图6B的视图示出了在常规反射光学系统中入射波前和出射波前之间的关系；以及

图7A-7D的视图描述了根据本发明实施例的光通过构件的光学表面确定方法。

具体实施方式

在下文中基于参考附图的实施例描述本发明。图中相同或等效的组成部分、部件或过程具有相同的附图标记，并且适当地省略对其的冗余描述。此外，所述实施例不限制本发明，而仅仅是本发明的例子，并且在所述实施例中描述的所有特征及其组合对于本发明不一定是实质性的。

最初描述的是根据本发明实施例的车辆前灯的示意性构造。图1A是示出根据本发明实施例的车辆前灯10的横截面视图；并且图1B是示出根据本发明实施例的车辆前灯10的正视图。图1A中的箭头S示出的方向表示车辆前方方向（灯前方方向）。在车辆的左前部和右前部上分别提供一个车辆前灯。以下描述关于一个车辆前灯10的构造。图2的视图示意性示出由从车辆前灯向前照射的光在布置在灯前方预定位置处的虚拟垂直屏幕上形成的近光分布模式PL。

注意，以下的描述假设图1A中示出的箭头S基本上与虚拟光轴一致。该光轴可以被认为是例如这样的方向，在该方向上，在来自光源的发射光的发光强度分布中光通量的发射量最大。此外，在光源是发光二极管的情况下，发光表面的垂直线可以被认为是光轴。此外，在包括诸如透镜的光通过构件的光学系统中，代表穿过整个系统的光通量的虚拟光线可以被认为是光轴。此外，该光通过构件的旋转对称轴可以被认为是光轴。例如，在一般的凹凸透镜中，连接其正面和背面的中心的直线可以被定义为光轴。

在本发明的实施例中使用的术语“光轴”可以采取至少以上定义中的任何定义，但是不必限于那些定义。在不脱离本发明的情况下，术语“光轴”也可以适当地采取其它定义。下文的描述是基于这样的前提：光通过构件的旋转对称轴被认为是光轴。

如这些图中所示的，根据本发明实施例的车辆前灯10包括作为光源的发光元件12、以及布置在发光元件12前方的光通过构件14。发光元件12布置成在位于在车辆纵向方向上延伸的光轴Ax上的预定点p附近面向前方。

在这样的状态下使用车辆前灯10：车辆前灯10以光轴可调节的方式结合在灯体等（未示出）中。在完成了光轴调整的状态下，车辆前灯10的光轴Ax相对于车辆前进方向向下延伸约0.5到0.6度。由从车辆前灯10辐射的光形成如图2所示的左侧光分布的近光分布模式PL。注意，可以通过将相同的构造用于右侧光分布的近光分布模式，获得相同的效果。

发光元件12是白光发光二极管，并且由在水平方向上串联布置的多个发光芯片以及用于支撑所述多个发光芯片的衬底构成。

在多个发光芯片布置成彼此靠近的状态下，它们的正面被薄膜密封，由此构成当从灯前方观看灯时以细长方形状（horizontally oblong shape）发射光的发光表面12a。在这种情况下，每一个发光芯片都具有约1mm²(1mm×l mm)的方形轮廓。

发光元件12被布置成使得发光表面12a的下边缘12a1在预定点P处位于与光轴Ax垂直的水平线上。即，发光元件12布置成具有发光表面12a，发光表面12a的下边缘12a1直线延伸，并且布置成将发光元件12a的下边缘12a1放置在基本垂直于光轴Ax的水平线上。

光通过构件14由诸如丙烯酸树脂模制产品的透明合成树脂模制产品制成，并且当从前方看灯时具有圆形轮廓。光通过构件14用作投影透镜，该投影透镜用于在车辆前方以预定光分布模式投影从发光元件12发射的光。光通过构件14的外径被设定为约100mm的值。光通过构件14被配置成接收从发光元件12发射的光。此外，光通过构件14被配置成使得，从发光元件12发射的光一旦进入光通过构件14，其就被光通过构件14的正面14a内反射，并且所反射的光再次被光通过构件14的背面14b内反射，并且然后被反射两次的光从正面14a向前发射。通过铝的镀敷或蒸镀，使背面14b受到镜面修饰（finishing）。

光通过构件14的正面14a由用于全反射的自由曲面（free-form surface）构成，通过其内表面，至少一部分光从发光元件12进入光通过构件14。此外，光通过构件14的背面14b由基于自由曲面形成为基准面的预定光学反射控制表面构成。

此外，圆形正面反射部分20形成在光通过构件14的正面14a的中心区域（光轴Ax周围预定范围内的区域）。圆形正面反射部分20将来自发光元件12的光向着背面14b反射。正面反射部分20的中心部分向着发光元件12凹陷并且通过铝蒸镀受到镜面修饰。此处“中心部分”是指光通过构件14的正面14a中的与光轴Ax相交的特定区域。注意，发光元件12的光轴可以布置成相对于光通过构件14的光轴Ax（旋转对称轴）倾斜。在这种情况下，光通过构件14的正面14a的不与光通过构件14的旋转对称轴相交、但与发光元件12的光轴相交的特定区域可以被称为所述“中心部分”。

圆形正面反射部分20的外围边缘的位置被设定在达到光通过构件14的正面14a的来自发光元件12的光（确切地，来自预定点P的光）的入射角变为临界角α的位置处，如图1A所示。由于该理由，光通过构件14被构造成使得到达光通过构件14的正面14a的来自发光元件12的光被受到镜面修饰的正面反射部分20内反射，而在正面反射部分20外被外围区域14a1全反射。

因此，根据本发明实施例的光通过构件14被构造成使得其中心部分向着发光元件12凹陷。考虑到这一点，与光通过构件的正面是平面的情况相比，有可能加宽这样的区域，在该区域进入光通过构件14的来自光源的光被光通过构件14的内表面全反射。换而言之，可以减小受到诸如镜面修饰的处理的正面反射部分20的面积，该处理对于反射未被光通过构件14的正面14a全反射的来自发光元件12的光是必要的。

此外，在光通过构件的正面是平面的情况下，从发光元件向着沿光轴Ax的方向发射的光仅向着发光元件返回。由于该原因，取决于从发光元件的发射方向，一些光不能被有效取出，并且这种光部分地引起炫目。根据本发明的光通过构件14，设于发光元件12的正面上的正面反射部分20是弯曲表面，以便从发光元件12向着沿光轴Ax的方向发射的光难以向着发光元件12返回，即使光被正面反射部分20反射。

这因此阻止了光线被正面反射部分20反射若干次，并且也阻止出现封闭在光通过构件14内的光以及引起炫目而对光分布模式的形成没有贡献的光。这最终还增加了从光通过构件14发射并且对光分布模式的形成有贡献的光通量。

光通过构件14的正面14a和背面14b的形状由诸如自由曲面的非旋转对称表面构成。该自由曲面的形状被构造成使得，如果被正面反射部分20反射的光和被外围区域14a全反射的光再次被背面14b反射并且被向前照射，这些光作为平行束从光通过构件14发射。

光通过构件14的背面14b形成为圆形地包围光轴Ax，并且包围发光元件12的空间14c形成在背面14b的中心。空间14c的前端面以在预定点P周围的半球形形状形成，并且由此，来自发光元件12的发射光（确切地，来自预定点P的发射光）进入光通过构件14而不折射。空间14c可以被填充有具有较接近构成光通过构件14的材料的折射率的折射率的材料。

接下来将描述作为光反射控制表面的光通过构件14的背面14b的具体构造。图3是示意性示出光通过构件14输出的波前的类型与光学反射控制表面之间的关系的视图。图4A是示意性示出从图3中示出的区域A输出的漫射波前的视图，图4B是示意性示出从图3中示出的区域B输出的倾斜波前的视图，并且图4C是示意性示出从图3中示出的区域C输出的会聚波前的视图。

具有图4A所示的漫射波前22的光形成图2所示的光分布模式PZ1。具有图4B所示的倾斜波前24的光形成图2所示的光分布模式PZ2。具有图4C所示的会聚波前26的光形成图2所示的光分布模式PZ3。通过组合光分布模式PZ1、PZ2和PZ3形成近光分布模式PL。

接下来将描述光通过构件14中的波前变化。图5A-5F的视图描述了从发光元件12发射的圆形（球形）波如何在所述光通过构件14内被内反射两次并且然后作为平面波向前输出。

此处，波前可以被认为是例如在给定时间在各种方向上从光源发射的光线的同时扩展（等相表面）。即，光通过构件14中多个光线的反射和折射可以被表示为一个波前的传播。

更具体地，如图5A所示，在任何方向上从作为光源的发光元件12发射的光作为入射波前进入光通过构件14，并且作为一个波前W在光通过构件14内传播。然后，如图5B所示，波前W被光通过构件14的正面14a的第一反射区域内反射并且被导向背面14b（见图5C）。之后，波前W被背面14b的第二反射区域再次内反射，并且被导向光通过构件14的正面14a（见图5D、5E）。然后，波前W被正面14a的折射区域折射并且作为平面波输出（图5F）。注意，光通过构件14的正面14a中的该第一反射区域和该折射区域可以完全地或部分地彼此交叠，或者可以彼此完全不交叠。

本发明通过关注由要从光源发射的多个光线限定的一个波前，简化了光通过构件14的光学表面的设计。其基本思想是，如果已知进入诸如反射表面或折射表面的光学表面之前的波前和从该光学表面出射之后的波前，则可以唯一地确定该光学表面。

图6的视图示出了在常规折射光学系统中入射波前和出射波前之间的关系；并且图6B的视图示出了在常规反射光学系统中入射波前和出射波前之间的关系。如图6A、6B中所示，如果入射波前Win和出射波前Wout已经是已知的，则可以唯一地确定它们之间的折射表面S1或反射表面S2。

然而，像根据本发明的光通过构件14一样，在入射波前在两次内反射和一次折射之后作为出射波前被向前引导的情况下，即使入射波前和出射波前是已知的，也不能唯一地确定正面14a和背面14b。由于该原因，为了确定能够获得预定光分布模式的光通过构件，有必要通过试错法（trail and error）设定其正面和背面的形状，并且设计方法存在改进的空间。

图7A-7D的视图描述了根据本发明实施例的光通过构件14的光学表面确定方法。该方法例如用于投影透镜的光学表面确定方法，该投影透镜在内反射从其背面进入的光两次后从其正面输出的该光。

最初，如图7A所示，设定从发光元件12发射并且进入光通过构件14的光的入射波前Win。此外，设定光通过构件14的背面14b的入射区域的形状，该入射波前Win通过该入射区域进入投影透镜。此外，设定该光通过构件14的正面14a的形状。在作为入射区域的空间14c的形状为半球的情况下，从发光元件12发射的光仅穿过入射表面（背面14b的一部分）。因此，入射波前Win被限定为球形波。如图7B所示，基于第一反射区域的形状，计算由光通过构件14的正面14a的第一反射区域（外围区域14a1）的内反射获得的第一中间波前Win'。

同时，如图7C中所示，设定从光通过构件14发射并且形成预定光分布模式的光的出射波前Wout。该出射波前Wout例如可以被定义为形成该预定光分布模式的平面波。此外，基于光通过构件14的正面14a的折射区域（外围区域14a1）的形状，计算在被该折射区域折射之前的第二中间波前Wout'。

然后，基于该第一中间波前Win'和第二中间波前Wout'，将反射第一中间波前Win'并且作为结果输出第二中间波前Wout'的背面14b中的第二反射区域14b1的形状确定为光学表面。由此，可以通过使用内反射容易地确定形成预定光分布模式的光通过构件14的光学表面。

如上所述，用作投影透镜的光通过构件14被构造成使得，从发光元件12发射的入射波前Win一旦进入投影透镜，就首先被正面14a的第一反射区域14a1内反射并然而被背面14b的第二反射区域14b1内反射，被正面14a的折射区域14a1折射，并且最终作为输出波前Wout被发射。背面14b的第二反射区域14b1是基于第一中间波前Win'和第二中间波前Wout’确定的光学表面，该第一中间波前Win'是通过正面14a的第一反射区域14a1的内反射获得的，该第二中间波前Wout'要被正面14a的折射区域14a1折射（即，在折射之前的第二中间波前Wout'）。因此，光通过构件14具有基于两个中间波前Win'、Wout'确定的光学表面。

注意，如图7D所示，背面14b的第二反射区域14b1被构造成使得由通过反射第一中间波前Win'获得的第二中间波前Wout'限定的多个光线L1、L2在光通过构件14内彼此不交叉。由此，形成预定光分布模式的光通过构件14的光学设计变得容易。

已经参考上述实施例描述了本发明。然而，本发明不限于上述实施例，并且这样的实施例也包含在本发明内：其中上述实施例的配置被适当组合或替代。此外，也可以基于本领域技术人员的知识，向上述实施例添加修改，该修改例如是上述实施例中处理的顺序或组合的适当重新排列或者设计上的各种改变。添加了这种修改的实施例也包括在本发明的范围内。此外，本发明包括根据上述实施例的方法、设备或系统。

光通过构件14的背面14b的形状可以被定形为分成多个反射元件的台阶反射器。此外，光通过构件14的正面14a可以是非旋转对称表面。此外，光通过构件14的正面14a可以具有倾斜形状。此外，可以以使得光源围绕光轴旋转的方式布置光源。即，光源可以被布置成使得光源的发光表面的底端和上端相对于水平方向倾斜。

此外，在以上实施例中，通过使用光通过构件的内表面作为反射表面进行的两次反射，实现等光程配置。然而，该光通过构件不限于此，并且可以是配置成通过使用正面和背面作为折射表面而实现等光程配置的光通过构件。此外，该光通过构件可以是可配置成通过组合折射表面和反射表面实现等光程配置的光通过构件。

作为光源，尺寸小且消耗较少功率（热量值小的）LED是优选的例子，但是光源的类型不受限制，只要光源的发光表面的至少一侧形成为直线形状即可。然而，通过使用尺寸小且具有小热量值的LED作为光源，光通过构件（例如，树脂透镜）的材料的选择范围扩大，并且光源和光通过构件可以布置成彼此更进一步靠近。这最终使得可能获得灯的尺寸减小并且扩展了设计可能性。

注意，不同于二次曲线（二次表面）或三次曲线（三次表面），例如，一般的“自由曲面”可以被认为是不能用确定的公式代表的弯曲表面。构成光通过构件14的正面14a和背面14b的至少一部分的自由曲面不受特别限制，只要该自由曲面具有满足上述效果的配置即可。

Claims (2)

1.一种用于投影透镜(14)的光学表面确定方法，所述投影透镜(14)接收穿过所述投影透镜(14)的背面(14b)进入的光、内反射所述光两次、并且然后从所述光学透镜(14)的正面(14a)发射所述光，所述光学表面确定方法的特征在于包括：

设定从光源(12)发射并且进入所述投影透镜(14)的光的入射波前；

设定从所述投影透镜(14)发射并且形成预定光分布模式的光的出射波前；

设定所述投影透镜(14)的所述正面(14a)的形状；

设定所述投影透镜(14)的所述背面(14b)中的入射区域的形状，从所述光源(12)发射的所述入射波前穿过所述入射区域进入所述投影透镜(14)；

基于所述投影透镜(14)的所述正面(14a)的第一反射区域(14a1)的形状，计算由所述第一反射区域(14a1)的内反射产生的第一中间波前；

基于所述投影透镜(14)的所述正面(14a)的折射区域(14a1)的形状，计算在被所述折射区域(14a1)折射之前的第二中间波前；以及

基于所述第一中间波前和所述第二中间波前，将反射所述第一中间波前并且输出所述第二中间波前的、所述投影透镜(14)的所述背面(14b)中的第二反射区域(14b1)的形状确定为光学表面。

2.根据权利要求1所述的光学表面确定方法，其中所述第二反射区域被确定为使得，由所述第二中间波前限定的多个光线在所述投影透镜内彼此不相交。