CN109519870A - 实现均匀发光的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现均匀发光的光学系统，包括带状透镜、线路板和光源，所述带状透镜上的入光耦合面为聚光器系统，所述带状透镜侧壁有结构面一、结构面二，其中，所述带状透镜上还有全反射面一、全反射面二、结构面三，有效增加单个聚光器系统辐照的范围，全反射面一和全反射面二上有数个微结构一和数个微结构二，破坏整体的全反射效果，达到一种部分透射，部分反射的效果，实现很好的均匀性。使其形成单颗光源辐照范围光，点亮效果均匀的，在各个角度也能保持一致的、良好的发光效果，具有LED光源数量少、成本低，均匀发光的特点。

Description

实现均匀发光的光学系统

技术领域

本发明涉及汽车照明领域，尤其涉及一种实现均匀发光的光学系统。

背景技术

目前汽车市场上价格战的厮杀程度愈演愈烈，因此各大汽车厂商在选择供应商时就开始考虑价格因素，在设计初期会在一定范围内反复修改其造型以满足降本的需求。然而近年来因为车子颜值高而带来的高销量也是愈来愈明显，车辆的点亮效果又是重中之重，在这种复杂环境下，汽车厂商和客户对车灯的价格和点灯效果提出了双重的要求。

然而目前汽车尾灯所用的条状光学透镜，为了满足均匀的点亮效果，往往通过增加光源数量，减少光源之间的间距来实现。虽然它的确能够达到非常好的正面点亮效果，甚至在较大角度观测条件下，依然能够有较为优秀的点亮效果，然而其所用的LED光源数量较多，相应的电子设计所用的电子元器件也较多，整体的线路板价格会非常高，导致整灯价格偏高。一方面随着LED技术的日益提高，其发光强度已经可以达到较高的照明效果，使得保持相同功率的情况下减少LED光源的数量成为可能；另一方面，以降本为主导，保持相同点亮效果的不同以往的光学透镜的设计势在必行。鉴于上述问题，减少LED光源数量又能在相同长度的基础上保持同样的发光效果的光学透镜是解决以上所述问题和满足汽车整车厂降本要求的关键。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的提供一种实现均匀发光的光学系统，通过设计一种有着多种结构及微结构组合而成的带状透镜，所述带状透镜的入光面由多个高效率的聚光器组成，所述结构及微结构经过光学设计，能够将由聚光器汇聚而准直的光通过光学原理反射或折射到相应的方向，使得光线能够辐照到更为宽广的范围。

本发明提供一种实现均匀发光的光学系统，包括带状透镜、线路板和光源，所述带状透镜上的入光耦合面为聚光器系统，所述带状透镜侧壁有结构面一、结构面二，其中，所述带状透镜上还有全反射面一、全反射面二、结构面三，有效增加单个聚光器系统辐照的范围，全反射面一和全反射面二上有数个微结构一和数个微结构二，破坏整体的全反射效果，达到一种部分透射，部分反射的效果，实现很好的均匀性。

进一步改进在于，所述微结构一、微结构二一般为由3个面元组成的结构，即微结构面元一、微结构面元二、微结构面元三，微结构面元一为水平面元，微结构面元三为竖直面元，中间的微结构面元二以切线的方式连接两边的微结构面元一和微结构面元三，呈圆弧状，经过准直系统准直过来的光线，一部分光线打到微结构面元二上，发生全反射，来到结构面一后再次反射后到结构面二；一部分光线打到微结构面元三上，直接穿过，并且来到结构面三后再来到结构面二出射；另一部分光线打到微结构面元二上，穿过微结构面元二并发生向内侧的折射来到结构面三后再来到结构面二出射。以此实现所述结构面二的整个的光学的点亮，并且均匀大面积，解决了现有技术的缺陷。

进一步改进在于，所述微结构一、微结构二可以为不同大小不同结构呈规则排布，或为相同大小相同结构呈规则或不规则排布。

进一步改进在于，所述微结构一、所述微结构二的这种微结构的形式是多种多样的，可以是弧形的，可以是棱形的，也可以是更多不连续面拼接而成的。

进一步改进在于，所述微结构一、所述微结构二根据实际最终的点亮效果可以是一致的大小结构，也可以是不同的大小不同的结构，不具有唯一性，根据造型做每一个微结构。所述多种结构及微结构的尺寸为0.2mm-4mm。

进一步改进在于，所述带状透镜的所述聚光器系统包括聚光面元一、聚光面元二、聚光面元三，每一个所述聚光器系统对应一颗置于线路板上的光源。光源发出的光线，照射到入光耦合面聚光面元一的曲面上经过折射，光线被准直成平行光；所述光源发出的光线，照射到入光耦合面聚光面元二的曲面上经过折射，入射到聚光面元三的曲面上经过反射，光线被准直成平行光；由此由光源发出的光线经过聚光器之后，统一被准直成垂直于线路板的平行光。所述聚光器的聚光面元一、聚光面元二、聚光面元三都是严格按照光源的位置而由计算机计算而成的。

进一步改进在于，通过调整聚光器的大小来控制光源的数量。

进一步改进在于，所述入光耦合系统的选择并不是唯一的，在全局考虑灯具空间，结构电子成本的情况下，入光耦合系统可以是多种多样的比如菲涅尔形式、比如导光条形式、比如反射面形式，本发明所保护的不仅仅为所罗列的以上入光耦合系统。

进一步改进在于，所述若干微结构的面元的个数不局限于3个，为1个、2个、3个、4个或5个中至少一种。

进一步改进在于，所述全反射面一101、全反射面二102成对称关系。

进一步改进在于，本发明的匀光系统的整体尺寸与光源之间的间距有直接关系，在灯具空间允许，以及保证实际点亮效果的条件下，整个匀光系统的尺寸可以做大。所述光源的LED的间距为30mm-60mm，甚至更多，以此能够更进一步减少光源LED颗数的目的。

进一步改进在于，所述结构面三上可以添加皮纹。原因在于从聚光系统准直的光，直接通过微结构一、微结构二之后，相比经过结构面一等的多次全反射的光走的光程更多，其能量损失也越小，因此需要额外的皮纹措施来减弱这部分光的亮度，以匹配整体的均匀性。

进一步改进在于，所述结构面二由各种形式的花纹构成，花纹为鱼眼花纹、条状花纹、蜂窝状花纹或异形花纹中的至少一种，并且所述结构面二上可增加皮纹。

优选地，如果此所述的带状透镜外无其他结构，那么结构面二上的花纹一般设计为尺寸小于1mm*1mm的鱼眼花纹，亦或者是条状花纹等等。如果此所述的带状透镜外仍有其他结构与之相连，那么结构面二上的结构可以设计为条状花纹并添加皮纹等等。

进一步改进在于，所述结构面一的作用在于把由对称的全反射面一和全反射面二反射过来的光再次全反射。结构面一主要由两个平面组合而成，其中主平面的角度由最终的出光方向所决定。

进一步改进在于，所述若干微结构的整体尺寸在0.2mm-4mm。

进一步改进在于，微结构一、微结构二可以由相同的面元数构成，或由不同的面元数构成；其相邻两个面元之间的角度可以按照随机分布排布，也可以按照实际光学需求以一定的角度设计而成。

进一步改进在于，所述带状透镜的厚度一般为4mm-14mm，也可根据实际设计需要更薄或更厚。

进一步改进在于，所述光源以阵列形式置于线路板上。

进一步改进在于，所述若干结构面一由2个面元围合而成。

根据本发明，通过在原本实心的带状透镜上镂空一个三角形形成全反射，能够有效增加单个聚光器系统辐照的范围，再通过在镂空三角形的全反射面上增加微结构，破坏整体的全反射效果，达到一种部分透射，部分反射的效果，并配合皮纹及额外的花纹来最终达到整体均匀的效果。以此就能达到减少LED颗数以降低成本的目的，额外的可以合理利用灯具的空间，增加LED之间的间距，增大整体尺寸，可以进一步降低最终的成本。

所述带状光学透镜是厚度一般为4mm-14mm的薄透镜，但是熟悉和从事车灯设计行业的工程师知道，其厚度也可以更薄或更厚，本发明所保护的厚度不应仅仅为所列的4mm-14mm。本实施例中其入光耦合面由聚光器系统提供，同样的，入光耦合系统的选择并不是唯一的，在全局考虑灯具空间，结构电子成本的情况下，入光耦合系统可以是多种多样的比如菲涅尔形式、比如导光条形式、比如反射面形式，本发明所保护的不仅仅为所罗列的以上入光耦合系统。如图2所示一个实施例截面所示，线路板位于带状光学系统的正后方，所述线路板上的LED光源以多颗LED的阵列形式设置于线路板上，相邻两颗LED的间距为30-60mm。同样的，相邻两颗LED的间距在全局考虑灯具空间及实际点亮效果情况下，其间距可以更疏可以更密。所述光源位于所述聚光器的虚焦点处。

如图4所示，所述光源发出的光线，照射到入光耦合面聚光面元一的曲面上经过折射，光线被准直成平行光；所述光源发出的光线，照射到入光耦合面聚光面元二的曲面上经过折射，入射到聚光面元三的曲面上经过反射，光线被准直成平行光；由此由LED发出的光线经过聚光器之后，统一被准直成垂直于线路板的平行光。所述聚光器的聚光面元一、聚光面元二、聚光面元三都是严格按照光源的位置而由计算机计算而成的。

首先所述微结构一、所述微结构二的这种微结构的形式是多种多样的，可以是弧形的，可以是棱形的，也可以是更多不连续面拼接而成的。其次，微结构一、微结构二根据实际最终的点亮效果可以是一致的大小结构，也可以是不同的大小不同的结构，不具有唯一性，根据造型做每一个微结构。所述多种结构及微结构的尺寸为0.2mm-4mm。

匀光系统的整体尺寸与光源之间的间距有直接关系，在灯具空间允许，以及保证实际点亮效果的条件下，整个匀光系统的尺寸可以做大。因此光源之间的间距可以达到30mm-60mm，能够达到减少光源LED颗数的目的。

本发明的有益效果是：本发明通过优化设计带状透镜上的花纹结构，采用全反射面一、全反射面二，以及不同方式的于全反射面上的微结构以一定的形式排布，利用反射和折射等光学原理使光线路径有集中变为宽广，配和皮纹扩散，使其形成单颗光源辐照范围光，点亮效果均匀的，在各个角度也能保持一致的、良好的发光效果，具有LED光源数量少、成本低，均匀发光的特点。

附图说明

图1是本发明的轴测图。

图2是现有技术的带状光学透镜的光学系统的截面图。

图3是现有技术的另一种带状光学透镜的光学系统的截面图。

图4是本发明的带状光学透镜截面示意图。

图5是本发明的带状光学透镜的全反射面一与全反射面二的局部放大及光路图。

图6是本发明的带状光学透镜的微结构部分的局部截面示意图。

其中：1-带状透镜，2a-聚光面元一，2b-聚光面元二，2c-聚光面元三，3-线路板，4-光源，5-微结构一，6-微结构二，7-结构面一，8-结构面二，9-结构面三，101-全反射面一，102-全反射面二，11-微结构面元一，12-微结构面元二，13-微结构面元三。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图2所示，现有技术的一种带状透镜的光学系统的截面图，在带状透镜1里没有全反射面结构，光源4发出的光只能打到图中区域Ⅰ的范围，光的照明范围过小，在同样长度的带状透镜的情况下所需光源数目会更多。

如图3所示，现有技术的另一种带状光学透镜的光学系统的截面图，在带状透镜1里有普通的全反射面结构，光源4发出的光经过全反射面的作用能打到结构面二8的区域Ⅱ两侧的范围，但是，并无法打到区域Ⅱ的范围，由此会导致不均匀等问题。

如图1、图4所示，本实施例提供一种实现均匀发光的光学系统，整体正视图为一带状透镜1，所述带状透镜1上的入光耦合面为聚光器系统，上述聚光器系统包括聚光面元一2a、聚光面元二2b、聚光面元三2c，每一个所述聚光器对应一颗置于线路板3上的光源4，上述带状透镜1侧壁有结构面一7、结构面二8，其中，所述带状透镜1上还有全反射面一101、全反射面二102、结构面三9，全反射面一101和全反射面二102上有微结构一5和微结构二6，既可以增大光的照明范围，也可以实现很好的均匀性。

所述带状光学透镜1的厚度为4mm-14mm。

所述带状光学透镜1的入光耦合面为聚光器系统。

所述光源4以阵列形式置于线路板3上。

所述光源4的间距为40mm。

所述微结构一5、微结构二6呈不同结构。

所述微结构一5、微结构二6的整体尺寸在1mm。

所述结构面一7由2个面元围合而成。

所述结构面二8上的花纹增加皮纹。

所述结构面三9上有添加皮纹。

依据以上所述结构，本实施例中的带状透镜1由一复杂结构组合而成，通过全反射面一101、全反射面二102将通过聚光器准直的光分散到更大范围，通过调整聚光器的大小来控制光源4的数量，通过不同大小不同结构的微结构一5、微结构二6呈规则排布。微结构一5、微结构二6由相同的面元数构成；所有以上的设计能够使得从聚光器准直的较小范围的光较为均匀地导入到更大的结构面二8上，形成均匀点亮的效果。

如图5所示，由微结构一5和微结构二6所在的成对称关系的全反射面一101、全反射面二102以及带有皮纹的结构面三9所围成的三角区域为镂空区域，目的是为了让一部分经由聚光器系统准直的光照射到所述成对称关系的全反射面一101、全反射面二102之后进行全反射，反射光照射到由结构一7上再进行全反射，最终光线被多次全反射引导到结构面二8所在的出光面上。通过此原理，能够将原本聚光器的聚光面元一2a、聚光面元二2b、聚光面元三2c所投影在结构面二8上的出光范围扩散到整个结构面二8上。在此基础上，再在全反射面一101、全反射面二102上设计有微结构以5、微结构二6，所述微结构以5、所述微结构二6的作用就是破坏全反射面一101、全反射面二102的全反射，让一部分光能够顺利通过微结构折射到结构面三9上。如图6所示的微结构的截面放大图，所述微结构一5和所述微结构二6的原理相同，都能在图6中表现出来，所述微结构一5、微结构二6一般为由3个面元组成的结构，即微结构面元一11、微结构面元二12、微结构面元三13，两面的面元为一竖直面元、一水平面元，即微结构面元一11为水平面元，微结构面元三13为竖直面元，中间的微结构面元二12以切线的方式连接两边的微结构面元一11和微结构面元三13，呈圆弧状。结合图5图6，经过准直系统准直过来的光线，一部分光线打到微结构面元二12上，发生全反射，来到结构面一7后再次反射后到结构面二8；一部分光线打到微结构面元三13上，直接穿过，并且来到结构面三9后再来到结构面二8出射；另一部分光线打到微结构面元二12上，穿过微结构面元二12并发生向内侧的折射来到结构面三9后再来到结构面二8出射。以此实现所述结构面二8的整个的光学的点亮，并且均匀大面积，解决了如图2图3的现有技术的缺陷。

如前所述结构面一7的作用在于把由对称的全反射面一101和全反射面二102反射过来的光再次全反射。结构面一7主要由两个平面组合而成，其中主平面的角度由最终的出光方向所决定。

所述结构面9上加以皮纹以增加整体的均匀性。原因在于从聚光系统准直的光，直接通过微结构一5、微结构二6之后，相比经过结构面一7等的多次全反射的光走的光程更多，其能量损失也越小，因此需要额外的皮纹措施来减弱这部分光的亮度，以匹配整体的均匀性。

通过在原本实心的带状透镜上镂空一个三角形形成全反射，能够有效增加单个聚光器系统辐照的范围，再通过在镂空三角形的全反射面上增加微结构，破坏整体的全反射效果，达到一种部分透射，部分反射的效果，并配合皮纹及额外的花纹来最终达到整体均匀的效果。以此就能达到减少LED颗数以降低成本的目的，额外的可以合理利用灯具的空间，增加LED之间的间距，增大整体尺寸，可以进一步降低最终的成本。

Claims (8)

1.一种实现均匀发光的光学系统，其特征在于：包括带状透镜（1）、线路板（3）和光源（4），所述光源（4）设置在线路板（3）上，所述带状透镜（1）上的入光耦合面为聚光器系统，所述带状透镜（1）侧壁设置有结构面一（7）和结构面二（8），所述带状透镜（1）上还设置有全反射面一（101）、全反射面二（102）和结构面三（9），全反射面一（101）和全反射面二（102）上有至少一个微结构一（5）和至少一个微结构二（6）。

2.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述微结构一（5）和微结构二（6）是由3个面元组成的结构，包括微结构面元一（11）、微结构面元二（12）和微结构面元三（13），微结构面元一（11）为水平面元，微结构面元三（13）为竖直面元，中间的微结构面元二（12）呈圆弧状，以切线的方式连接两边的微结构面元一（11）和微结构面元三（13），准直过来的光线，一部分光线打到微结构面元二（12）上，发生全反射，来到结构面一（7）后再次反射后到结构面二（8）；一部分光线打到微结构面元三（13）上，直接穿过，并且来到结构面三（9）后再来到结构面二（8）出射；另一部分光线打到微结构面元二（12）上，穿过微结构面元二（12）并发生向内侧的折射来到结构面三（9）后再来到结构面二（8）出射。

3.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述带状透镜（1）的聚光器系统包括聚光面元一（2a）、聚光面元二（2b）、聚光面元三（2c），每一个聚光器系统对应一颗置于线路板（3）上的光源（4）。

4.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述微结构一（5）和微结构二（6）的面元个数至少为一个。

5.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述光源（4）的LED的间距为30mm-60mm。

6.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述结构面三（9）上添加有皮纹。

7.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述结构面二（8）由花纹构成，花纹为鱼眼花纹、条状花纹、蜂窝状花纹或异形花纹中的一种或几种配合组成，并且结构面二（8）上增加皮纹。

8.如权利要求1所述的实现均匀发光的光学系统，其特征在于：所述至少一个微结构一（5）和至少一个微结构二（6）的整体尺寸在0.2mm-4mm。