CN107023796B - 准直透镜和汽车用光学模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种准直透镜和汽车用光学模组，准直透镜呈杆状，前端面为出光面，后端为聚光端，聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的异形结构，聚光端径向最外层表面为全反射面，聚光端旋转中心线上有前后两个焦点，前焦点位于旋转中心线与出光面的交点，后焦点位于凹陷的底部表面的后方、靠近聚光端的后端边缘的区域，出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁，侧壁为全反射面。汽车用光学模组包括一组或多组光学单元，光学单元包括一一对应的LED光源和准直透镜，光源布置在准直透镜的后焦点处，光学单元呈矩阵式排列。本发明光线利用效率高，能为矩阵式大灯提供更高效可靠的光学系统解决方案。

Description

准直透镜和汽车用光学模组

技术领域

本发明涉及一种准直透镜和采用该透镜的光学模组，具有更高的光学效率，可用于矩阵式大灯的光学模组，属于汽车照明技术领域。

背景技术

长期以来，汽车照明安全是众多汽车厂商及客户关注的重点。随着技术的发展，矩阵式大灯横空出世。矩阵式大灯是多颗LED组合排列，通过汽车传感器针对不同场景来单独控制单个LED光源的亮灭，使光型能自动适应行车环境。因矩阵式大灯炫酷智能，以及增加的照明安全，已经成为车灯设计的潮流与风向。矩阵式大灯通过很多单独的小光学系统构成，高效可靠的光学系统成为其关键。

现有的由LED与光导组成的光学系统中，由于LED与光导端部要留一定的安全间隙，LED大角度发出的光通常不能完全被光导利用，导致光效浪费。经仿真模拟，光效只有约38％，当光源的光通量为150lm时，屏幕照度只有181lx，模拟结果如图1所示。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种准直透镜和汽车用光学模组，由于能完全包裹LED光源发出的光，光线利用效率高，因此能为矩阵式大灯提供更高效可靠的光学系统解决方案。

本发明的主要技术方案有：

一种准直透镜，呈杆状，其前端面为出光面，后端为聚光端，所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的异形结构，所述聚光端的表面为旋转曲面，所述聚光端的旋转中心线向前穿过所述出光面，所述聚光端的径向最外层表面为全反射面，所述聚光端有前后两个焦点，均位于所述旋转中心线上，前焦点位于所述旋转中心线与所述出光面的交点，后焦点位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域，所述出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁，所述侧壁为全反射面。

所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面和前端聚光面，所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面，所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述内层侧边聚光面亦为曲面，所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面，内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，所述后焦点在轴向上与所述聚光端的后端边缘平齐。

所述聚光端的径向最外层表面优选为抛物面。

所述出光面可以为平面或曲面。

所述准直透镜优选为旋转对称几何体，旋转对称中心轴线与所述聚光端的旋转中心线重合，所述前焦点位于所述出光面的几何中心。

所述出光面优选为平面，所述出光面可以为多边形、圆形或椭圆形。

所述出光面优选为正方形，所述侧壁由四个平面组成。

所述准直透镜可以采用玻璃、PC、PMMA或透明硅胶制成。

一种汽车用光学模组，包括一组或多组光学单元，所述光学单元包括一一对应的LED光源和上述任意一种所述准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的后焦点处，且其出光面朝向所述准直透镜，当所述光学单元为多组时，各组所述光学单元呈矩阵式排列。

所述准直透镜的出光面为矩形时，相邻两个所述准直透镜的出光面之间优选为不设间隔。

本发明的有益效果是：

所述准直透镜由于具有特定结构的聚光端以汇聚光线，能够对放在后焦点上的光源的光线进行有效收集，尤其是针对LED光源，几乎可以完整地包裹LED发出的光，因此光学效率显著提高。

由于所述准直透镜的侧壁为全反射面，从所述聚光端进入透镜的光线一旦射向侧壁，将会产生全反射，不会从侧壁折射出去，而是最终都从出光面折射出去，因此进一步增加了有效光线的利用效率。

附图说明

图1为现有方案的屏幕照度的模拟输出结果；

图2为本发明的一个实施例的立体结构示意图；

图3为本发明的准直原理图；

图4为图2所示实施例的输出光型；

图5为本发明应用于矩阵式大灯的一个实施例的示意图；

图6为图5所示实施例同时点亮准直透镜一、二时的光型；

图7为图5所示实施例同时点亮准直透镜一、三时的光型；

图8为图5所示实施例同时点亮准直透镜一、二、三时的光型。

具体实施方式

如图2-4所示，本发明公开了一种准直透镜，呈杆状，其前端面为出光面3，后端为聚光端1，光由后向前传播。所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的异形结构，所述聚光端的表面为旋转曲面，所述聚光端的旋转中心线向前穿过所述出光面，所述聚光端的径向最外层表面1-1a为全反射面。所述聚光端有前后两个焦点，均位于所述旋转中心线上，前焦点位于所述旋转中心线与所述出光面的交点，后焦点位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域。从一个焦点发出的光经过所述聚光端能汇聚到另一个焦点上。所述后焦点优选为光源放置点。所述出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁2，所述侧壁为全反射面。

一方面，将光源放置在所述后焦点的位置上，所述聚光端完全包裹所述光源发出的光，凹陷的壁面和底部表面收集光源射出的光线，并使光线在所述准直透镜内部经所述聚光端的径向最外层表面以及所述侧壁的反射，最后从所述出光面射出。由于所述准直透镜可以将光源的几乎全部光线高效地收集起来，因此光效得到较大提高。当多个所述准直透镜在空间上进行矩阵式排列，能够为矩阵式大灯提供更高效可靠的光学系统。

另一方面，放在后焦点处的光源的光线通过所述聚光端的凹陷的侧壁和底面折射进入所述准直透镜后，大部分或全部射向所述聚光端的径向最外层表面，如果有其余的光线则射向所述侧壁，由于所述聚光端的径向最外层表面和所述侧壁均为全反射面，光线发生全反射后向前传播，大部分或全部光线直接从所述出光面射出，如果有其余的光线则经过所述侧壁的再次全反射后最终从所述出光面射出。可见，光经所述准直透镜向前传播的过程中几乎没有侧面泄漏，而是全部从所述出光面折射出去。本发明从以上两大方面确保了所述准直透镜的光利用效率的显著提高。

所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面1-1b和前端聚光面1-2。所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面1-1a。所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述内层侧边聚光面为不规则曲面，作用是把光线折射到所述外层侧边聚光面上。所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面，起凸透镜的作用，光源光线通过所述前端聚光面汇聚到位于出光面的前焦点上。内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，所述后焦点在轴向上与所述聚光端的后端边缘平齐。

所述聚光端的径向最外层表面用于把自所述内层侧边聚光面射入的光全部反射出去。光线通过所述内层侧边聚光面的一次折射和所述外层侧边聚光面的一次全反射，汇聚到位于出光面的前焦点上。所述聚光端的径向最外层表面优选采用抛物面，呈碗状。

所述侧壁可以是一个连续表面，也可以是由多个连续表面相拼接组成的表面。其中任何一个所述连续表面既可以为曲面，也可以是平面。即当所述侧壁是一个连续表面时，该连续表面可以为平面或曲面；当所述侧壁由多个连续表面拼接而成时，所述多个连续表面为曲面和/或平面。所述侧壁优选在前后方向上是连续的，即沿着前后方向没有面之间的拼接，或者即使有面之间的拼接，拼接处前后两相邻表面在拼接线上同一个点的切平面重合。所述侧壁上的一点的切平面可以与所述旋转中心线平行，也可以是与所述旋转中心线呈一夹角。由于全反射的要求，如果有夹角，该夹角也较小。附图所示的准直透镜的侧壁有轻微的倾斜，整个准直透镜呈前细后粗的锥形。倾斜度可根据材料折射率、透镜的长度、光效等确定。

所述出光面可以为平面或曲面。所述出光面为平面时，出光面与所述旋转中心线垂直。

所述准直透镜优选为旋转对称几何体，旋转对称中心轴线与所述聚光端的旋转中心线重合，所述前焦点位于所述出光面的几何中心。

进一步地，所述出光面优选为平面，所述出光面可以为多边形、圆形或椭圆形，相应地，所述侧壁的表面各不相同，但在所述侧壁与所述聚光端表面相接之前，其横截面形状与所述出光面相同。

附图所示实施例中所述出光面为正方形，对应屏幕光斑形状，相应地，所述侧壁由四个平面组成，所述准直透镜的旋转角为90度。所述侧壁相当于由所述出光面的边缘向后平直拉伸直至与所述聚光端的径向最外层表面整周相接的表面。通过辅助透镜，光源经所述准直透镜在屏幕上的投影也是正方形。如果出光面是上述其他形状，光斑在屏幕上的投影也会随之变化。出光面具体可以按需要进行设计。

针对附图所示实施例的具体结构的准直透镜，其光路如下：

放在后焦点处的光源发出的光线分成两部分分别经所述内层侧边聚光面1-1b和所述前端聚光面1-2折射进入准直透镜。对于理想的点光源，经所述前端聚光面1-2进入的光线全部汇聚到前焦点射出。对于面光源，大部分光线会直接射向所述出光面，只要偏离后焦点较多的位置发出的光线或者说面光源边缘的光线会射向侧壁。经所述内层侧边聚光面1-1b进入准直透镜的光线，大部分射向所述外层侧边聚光面1-1a，少部分由于所述外层侧边聚光面1-1a被侧壁“截短”而照射到侧壁上。同理，对于理想的点光源，经所述外层侧边聚光面1-1a全反射后的光线汇聚到所述前焦点上，而对于实际面光源，大部分光线经所述外层侧边聚光面1-1a全反射后直接射向所述出光面，少部分会射向侧壁。射向侧壁的光线绝大多数经一次全反射后从出光面折射出去，极少量需要经侧壁多次全反射再从出光面射出。经所述外层侧边聚光面1-1a全反射和经所述前端聚光面1-2折射后直接射向出光面3的光线所携带的能量最高，是“准直”的集中体现，这部分光从出光面射出后与光轴夹角较小，比较集中，方便利用。经侧壁全反射传播的少量光线从出光面射出的角度与光轴夹角较大，比较分散，但可以在后面配合辅助大透镜使这部分光线得到利用。

所述准直透镜优选采用玻璃、PC、PMMA或透明硅胶制成，这些材料的全反射临界角基本在40～50度之间，也可方便相应全反射面的面型设计。

所述准直透镜在光源条件与图1所对应光源条件相同的情况下，单个准直透镜的光学效率可达47.6％，且屏幕最大照度有299lx，输出光型如图4所示。相比图1所对应的公开方案，光效更高，亮度更高。

如图3和5-8所示，本发明还公开了一种汽车用光学模组，包括一组或多组光学单元，所述光学单元包括一一对应的LED光源4和所述准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的后焦点处，且其出光面朝向所述准直透镜，所述聚光端可以完全包裹LED光源发出的光，因此光线利用效率显著提高。当所述光学单元为多组时，各组所述光学单元呈矩阵式排列。多个所述准直透镜组合起来，可以实现光型的叠加，通过单独控制LED光源的亮灭，实现矩阵式大灯的功能。

当采用出光面为矩形的所述准直透镜时，相邻两个所述准直透镜的出光面之间优选为不设间隔，即相邻两个出光面的边缘紧密地靠在一起，使得当相邻两个所述发光单元的LED光源均点亮时，两发光单元的光型无缝连接成一个整体。

图5所示实施例是三组光学单元组成的光学模组的一种排布方案。三个准直透镜对应三个LED光源，分别用A、B、C表示，三个出光面一字排开。当点亮A、B时，光型如图6所示；点亮A、C时，光型如图7所示；点亮A、B、C时，光型如图8所示。

Claims (10)

1.一种准直透镜，其特征在于：

呈杆状，其前端面为出光面，后端为聚光端，所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的异形结构，所述聚光端的表面为旋转曲面，所述聚光端的旋转中心线向前穿过所述出光面，所述聚光端的径向最外层表面为全反射面，所述聚光端有前后两个焦点，均位于所述旋转中心线上，前焦点位于所述旋转中心线与所述出光面的交点，后焦点位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域，所述出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁，所述侧壁为全反射面。

2.如权利要求1所述的准直透镜，其特征在于：

所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面和前端聚光面，所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面，所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面，内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，所述后焦点在轴向上与所述聚光端的后端边缘平齐。

3.如权利要求2所述的准直透镜，其特征在于：

所述聚光端的径向最外层表面为抛物面。

4.如权利要求3所述的准直透镜，其特征在于：

所述出光面为平面或曲面。

5.如权利要求3所述的准直透镜，其特征在于：

其为旋转对称几何体，旋转对称中心轴线与所述聚光端的旋转中心线重合，所述前焦点位于所述出光面的几何中心。

6.如权利要求5所述的准直透镜，其特征在于：

所述出光面为平面，所述出光面为多边形、圆形或椭圆形。

7.如权利要求6所述的准直透镜，其特征在于：

所述出光面为正方形，所述侧壁由四个平面组成。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的准直透镜，其特征在于：

其采用玻璃、PC、PMMA或透明硅胶制成。

9.一种汽车用光学模组，其特征在于：

包括一组或多组光学单元，所述光学单元包括一一对应的LED光源和权利要求1-8中任意一项所述的准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的后焦点处，且其出光面朝向所述准直透镜，当所述光学单元为多组时，各组所述光学单元呈矩阵式排列。

10.如权利要求9所述的汽车用光学模组，其特征在于：

所述准直透镜的出光面为矩形，相邻两个所述准直透镜的出光面之间不设间隔。