CN109539163B - 一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯，该光学透镜包括第一光学部、第二光学部、第三光学部，一光源发出照明光束，其中心光束经过第一光学部、第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出；其发散光束经过第二光学部的折射与全反射、第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。基于上述配置，一方面，实现了光学透镜的焦距放大，利于聚光，使出射光束更集中，从而提高配光值；另一方面，相比传统方式，减小了光学透镜的尺寸；而且，实现了光的高效利用，没有任何可控制的光浪费。

Description

一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯

技术领域

本发明涉及汽车灯具领域，尤其涉及一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯。

背景技术

发光二极管(LED)是继白炽灯、卤钨灯和高强度气体放电灯(HID)之后的第四代车用光源。LED具有体积小、能耗低、响应快、寿命长等诸多优点，顺应了未来汽车向紧凑、节能、安全、时尚等方向发展的趋势。近年来，随着LED在汽车照明系统中的应用不断扩展，越来越多的难题被攻克。但是LED应用于汽车前照灯仍然具有挑战性，即LED不同于传统汽车光源的光学特性，使LED应用于前照灯时要面临复杂的光学设计。

在汽车前照灯的设计上，国家标准GB25991-2010对汽车前照灯的配光要求做了规定，目的是防止汽车前照灯干扰对面驶来车辆而造成交通事故。对于近光灯，国标要求在车灯前25m远的照明面上产生一水平线和水平线右侧向上15°的明暗截止线，且照明面上不同区域的照度值大小也做了相应的规定。对于远光灯，则要求在车灯前25m远的照明面上的规定区域照度达标。

LED汽车前照灯的光学设计形式有折射式、反射式、混合式等几种。折射式LED前照灯通常由光源、配光透镜构成，从光源发出的光线经过配光透镜后，在接收屏上形成预定的光型；反射式LED前照灯一般由光源与反射器构成，用单一的反射器完成所有的配光任务，这种前照灯虽然光能利用率高，但眩光效应较难控制，对设计、加工过程要求极高；混合式LED前照灯融折射式、反射式优点于一体，可以形成很好的光型效果，但整个光学系统复杂，光能利用率较低。

在汽车前照灯的远光透镜组中，通常采用在LED光源前端设置透镜的方式，这样的设置方式结构简单。现有技术中，这种设置方式下，通常采用的布置是LED光源直接位于透镜的焦点附近，直接成像。但是，由于LED不是纯粹的点光源，而是具有一定尺寸的，所以透镜的焦距直接影响成像的大小，也就是聚光的程度。在直径不变的情况下，焦距越大，聚光越强，但是同时光源的利用效率会降低；而在焦距不变的情况下，直径越大，系统效率越高，因此，最终往往不得不对透镜焦距和直径进行一个折中。在这种情况下，可能造成如下不利结果：(1)整个透镜组的尺寸(厚度和直径)比较大；(2)透镜的焦距受到一定限制，不能过大，这对于实现远光功能来说是不利于聚焦的；(3)限制了系统效率。

因此，本发明提供了一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯，通过本发明的配置，光学透镜的焦距明显增大，利于聚光，使出射光束更集中，从而提高配光值；相比现有技术，整个光学透镜的尺寸明显减小，压缩了光学透镜的体积；光学透镜也具有较高的能量利用率，光效率达到极高，没有任何可控制的光浪费，最终80％以上的光可以得以有效利用。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种光学透镜及具有该光学透镜的光学模组、汽车前照灯。

本发明公开了一种光学透镜，包括第一光学部、第二光学部、第三光学部；

一光源设于所述第一光学部的一侧，沿一出光方向向所述第一光学部发出一照明光束；

所述第二光学部包括第一光学单元，与所述第一光学部相接，沿所述出光方向的反向延伸，与所述第一光学部形成一入射区域；

所述第二光学部包括第二光学单元，与所述第一光学单元相接，沿所述出光方向延伸，并成型为一实焦点在所述光源的单支双曲面；

所述第三光学部与所述第二光学单元连接；

所述第一光学部与所述第三光学部组合形成一焦点位于所述成型为单支双曲面的所述第二光学单元虚焦点处的双凸透镜；

所述光源发出的所述照明光束包括中心光束及偏离光轴的发散光束，射入所述入射区域内，所述中心光束经过所述第一光学部、所述第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出；所述发散光束经过所述第一光学单元的折射、所述第二光学单元的全反射、所述第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。

优选地，所述第一光学部包括一第一折射面，所述第一折射面为沿所述出光方向的反向凸出的凸形面；

所述第一光学单元包括一第二折射面，所述第二折射面为沿所述出光方向凸出的凸形面；

所述第二光学单元包括一全反射单支双曲面；

所述第三光学部包括一第三折射面，所述第三折射面为沿所述出光方向凸出的凸形面。

优选地，所述第二折射面为球面，其球心与所述光源重合。

优选地，所述第三折射面，包括多个互相拼接的沿所述出光方向凸出的凸形单元。

优选地，所述第三折射面，包括两个互相拼接的沿所述出光方向凸出的第一凸形单元、第二凸形单元；

所述第一凸形单元面向所述中心光束设置，使得所述中心光束经过所述第一折射面、所述第一凸形单元的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出；

所述第二凸形单元面向所述发散光束设置，使得所述发散光束经过所述第二折射面的折射、所述全反射单支双曲面的全反射、所述第二凸形单元的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。

优选地，所述第一凸形单元自所述第三折射面的中部向所述第一折射面缩进，使所述第一凸形单元与所述第二凸形单元间形成一凹陷空间。

优选地，所述全反射单支双曲面包括多个双曲面虚焦点在所述虚焦点附近的单支双曲面单元；

所述多个双曲面虚焦点在所述虚焦点附近的单支双曲面单元，沿所述光学透镜的轴向或径向拼接成形。

优选地，所述第一折射面、所述第二折射面、所述全反射单支双曲面、所述第三折射面中的一个或多个成型有花纹结构。

本发明还公开了一种光学模组，包括光源、模组支架，

还包括如上所述的光学透镜，所述光学透镜产生远光光型；

所述模组支架容纳并固定所述光源及所述光学透镜。

本发明还公开了一种汽车前照灯，包括驱动电路、壳体，还包括如上所述的光学模组；

所述壳体包覆所述驱动电路及由所述驱动电路驱动的所述光学模组。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.通过本发明的配置，光学透镜的焦距明显增大，利于聚光，使出射光束更集中，从而提高配光值；

2.通过本发明的配置，相比现有技术，整个光学透镜的尺寸会明显减小；

3.通过本发明的配置，整个光学透镜的光效率达到极高，没有任何可控制的光浪费，最终80％以上的光可以得以有效利用，这是目前不可想象的。

附图说明

图1为符合本发明一优选实施例的光学透镜的光路示意图；

图2为符合本发明一优选实施例的光学透镜的结构示意图；

图3为符合本发明一优选实施例的光学透镜的剖面示意图；

图4为符合本发明一优选实施例的光学透镜的另一剖面示意图；

图5为符合本发明一优选实施例的光学透镜的另一结构示意图；

图6为符合本发明一优选实施例的光学透镜的另一结构示意图；

图7为符合本发明一优选实施例的光学透镜的配光示意图；

图8为符合本发明一优选实施例的光学透镜增加花纹结构后的配光示意图。

附图标记：

100-光学透镜；

10-光源；

11-第一光学部；

12-第二光学部；

121-第一光学单元；

122-第二光学单元；

13-第三光学部；

131-第一凸形单元；

132-第二凸形单元；

14-虚焦点。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一”、“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语的具体含义。

参考图1-图3，本发明的透镜组合，仍然采用LED前端直接设置透镜的方式，通过巧妙设计，将整个透镜组合的焦距进行虚拟放大，焦距由光源10处拉大至虚焦点14处，从而实现高效高聚光的远光功能。可以理解的是，本发明不仅可应用于远光功能，也可以应用于其它功能，不仅可以应用于汽车前照灯，还可以应用于民用手电，探照灯等。

-光源10

汽车前照灯采用LED光源10，在LED光源10前端直接设置一本发明的光学透镜100，还可根据不同配光，多个LED光源10与光学透镜100组合使用实现连续点亮，例如，每个LED光源10前端对应设置一个所述光学透镜100，LED光源10与光学透镜100呈阵列式排列等。

-光学透镜100

本发明的光学透镜100，包括第一光学部11、第二光学部12、第三光学部13。

--第一光学部11

上述LED光源10设置于第一光学部11的一侧，面向第一光学部11设置，沿一出光方向向第一光学部11发出一照明光束；

在一优选实施例中，第一光学部11为一第一折射面，第一折射面为沿LED光源10出光方向的反向凸出的凸形弧面，对LED光源10入射的照明光束起折射作用。

--第二光学部12

第二光学部12包括第一光学单元121、第二光学单元122；

其中，第一光学单元121与第一光学部11相连接，沿第一光学部11的四周向LED光源10出光方向的反向延伸，与第一光学部11形成一入射区域，LED光源10发出的照明光束入射至该入射区域内；

在一优选实施例中，第一光学单元121为一第二折射面，第二折射面为沿LED光源10出光方向凸出的凸形弧面，与第一折射面的凸形弧面的方向相反，对LED光源10入射的照明光束起折射作用。

第二光学部12还包括第二光学单元122，与第一光学单元121相接，沿第一光学单元121的四周向LED光源10出光方向延伸，并成型为一实焦点在LED光源10的单支双曲面；

在一优选实施例中，该第二光学单元122成型的单支双曲面为全反射单支双曲面，对经过第一光学单元121折射后的照明光束起全反射作用。

--第三光学部13

第三光学部13与第二光学单元122的四周周围连接，将第二光学单元122覆盖并形成一封闭空间；

第一光学部11与第三光学部13组合形成一焦点位于所述成型为单支双曲面的第二光学单元122虚焦点14处的双凸透镜；

在一优选实施例中，第三光学部13为一第三折射面，第三折射面为一沿LED光源10出光方向凸出的凸形面，对经过第一光学部11折射后，以及经过第一光学单元121折射、第二光学单元122全反射后的照明光束起折射作用，第三光学部13的第三折射面的设计原则是能够经过第一光学部11折射、第二光学部12折射与全反射后的照明光束仅通过该面的一次折射即可平行射出。

基于上述配置，LED光源10发出一照明光束，照明光束包括中心光束及偏离光轴的发散光束，射入第一光学部11与第一光学单元121形成的入射区域内。中心光束经过第一光学部11的折射后形成中心折射光，中心折射光经过第三光学部13的折射后沿与第三光学部13的光轴平行的方向射出；发散光束经过第一光学单元121的折射、第二光学单元122的全反射后形成反射光，反射光经过第三光学部13的折射后沿与所述第三光学部13的光轴平行的方向射出，其中，中心折射光、反射光的反向延长线交汇于上述虚焦点14处。这样，整个光学透镜100的焦距由LED光源10处变为虚焦点14处，焦距明显增大，利于聚光，使出射光束更集中，从而提高配光值，相比现有技术，整个光学透镜100的尺寸也会明显减小。

参考图1、图3，在一优选实施例中，第二折射面为球面，其球心与LED光源10重合。照明光束垂直入射至该球面，通过该球面的照明光束的方向基本不会发生改变，因此发生在该球面上的光损失会减小很多。采用这种设计，整个系统的光效率达到极高，没有任何可控制的光浪费，最终80％以上的光可以得以有效利用，这是目前不可想象的。

另外，通过合理设计第一折射面、第二折射面、全反射单支双曲面的相对位置关系，可以使LED光源10发出的几乎所有光，除了小部分不可控的表面反射损失和材料吸收外，能够全部通过第一折射面的折射，以及第二折射面的折射与全反射单支双曲面的全反射，从而得以实现系统对光的极高效利用。

参考图4，在一优选实施例中，第三折射面可以是一个面，也可以不仅局限于一个面，而是多个面的组合，例如，包括多个互相拼接的沿出光方向凸出的凸形单元。基于这种设置，可以节省光学透镜100的材料，减轻光学透镜100的重量。

进一步地，第三折射面，可以包括两个互相拼接的沿出光方向凸出的第一凸形单元131、第二凸形单元132，第一凸形单元131、第二凸形单元132为圆心相同、曲率半径不同的弧面；

第一凸形单元131自第三折射面的中部向第一折射面缩进，使第一凸形单元131与第二凸形单元132间形成一凹陷空间；

第一凸形单元131面向照明光束中的中心光束设置，使得所述中心光束经过所述第一折射面、所述第一凸形单元131的折射后沿与所述第三光学部13的光轴平行的方向射出；

第二凸形单元132面向照明光束中的发散光束设置，使得所述发散光束经过所述第二折射面的折射、所述全反射单支双曲面的全反射、所述第二凸形单元132的折射后沿与所述第三光学部13的光轴平行的方向射出。

参考图5，在一优选实施例中，为了满足国家标准及法规对出射光在水平线上大致左右5度的范围的数值要求，并在一定程度上均匀光线，全反射单支双曲面可以设计为包括多个双曲面虚焦点在所述虚焦点14附近的单支双曲面单元，所述多个双曲面虚焦点在所述虚焦点14附近的单支双曲面单元，沿所述光学透镜100的轴向或径向拼接成形，使得出射光线形成类似于水平长条形或椭圆形的效果。

参考图6，在一优选实施例中，以第一折射面、所述第二折射面、所述全反射单支双曲面、所述第三折射面中的一个或多个成型有花纹结构。因此，在实际设计中，为了配出合适的远光光型，基于光色均匀性的需要，避免直接成像引起的光色问题，使出射光更均匀，可以以第一折射面、所述第二折射面、所述全反射单支双曲面、所述第三折射面中的一个或多个为基面，在每个面上增加一部分或者全部小的花纹，在不改变原来光学面趋势的基础上，增加的花纹结构可以是条纹、方形花纹、甚至是点。

参考图7，为采用本发明图1-图3的配置，使用3芯片LED光源时的模拟配光，其中的三个亮斑由3芯片LED成像造成。参考图8，是采用如图5或如图6所述的结构，采用3芯片LED光源时的模拟配光，可以看出，图8采用全反射单支双曲面的拼接或花纹结构后，光线的均匀性有了很大改善。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光学透镜，其特征在于，包括第一光学部、第二光学部、第三光学部；

一光源设于所述第一光学部的一侧，沿一出光方向向所述第一光学部发出一照明光束；

所述第二光学部包括第一光学单元，与所述第一光学部相接，沿所述出光方向的反向延伸，与所述第一光学部形成一入射区域；

所述第二光学部包括第二光学单元，与所述第一光学单元相接，沿所述出光方向延伸，并成型为一实焦点在所述光源的单支双曲面；

所述第三光学部与所述第二光学单元连接；

所述第一光学部与所述第三光学部组合形成一焦点位于所述成型为单支双曲面的所述第二光学单元实焦点处的双凸透镜；

所述光源发出的所述照明光束包括中心光束及偏离光轴的发散光束，射入所述入射区域内，所述中心光束经过所述第一光学部、所述第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出；所述发散光束经过所述第一光学单元的折射、所述第二光学单元的全反射、所述第三光学部的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。

2.如权利要求1所述的光学透镜，其特征在于，

所述第一光学部包括一第一折射面，所述第一折射面为沿所述出光方向的反向凸出的凸形面；

所述第一光学单元包括一第二折射面，所述第二折射面为沿所述出光方向凸出的凸形面；

所述第二光学单元包括一全反射单支双曲面；

所述第三光学部包括一第三折射面，所述第三折射面为沿所述出光方向凸出的凸形面。

3.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，

所述第二折射面为球面，其球心与所述光源重合。

4.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，

所述第三折射面，包括多个互相拼接的沿所述出光方向凸出的凸形单元，其中，至少一个凸形单元面向所述中心光束设置，使得所述中心光束经过所述第一折射面和面向所述中心光束设置的凸形单元的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。

5.如权利要求4所述的光学透镜，其特征在于，

所述第三折射面，包括两个互相拼接的沿所述出光方向凸出的第一凸形单元、第二凸形单元；

所述第一凸形单元面向所述中心光束设置，使得所述中心光束经过所述第一折射面、所述第一凸形单元的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出；

所述第二凸形单元面向所述发散光束设置，使得所述发散光束经过所述第二折射面的折射、所述全反射单支双曲面的全反射、所述第二凸形单元的折射后沿与所述第三光学部的光轴平行的方向射出。

6.如权利要求5所述的光学透镜，其特征在于，

所述第一凸形单元自所述第三折射面的中部向所述第一折射面缩进，使所述第一凸形单元与所述第二凸形单元间形成一凹陷空间。

7.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，

所述第二光学单元包括多个双曲面实 焦点在所述实 焦点附近的单支双曲面单元；

所述多个双曲面实 焦点在所述实 焦点附近的单支双曲面单元，沿所述光学透镜的轴向或径向拼接成形。

8.如权利要求2所述的光学透镜，其特征在于，

所述第一折射面、所述第二折射面、所述全反射单支双曲面、所述第三折射面中的一个或多个成型有花纹结构。

9.一种光学模组，包括光源、模组支架，其特征在于，

还包括如权利要求1-8中任一项所述的光学透镜，所述光学透镜产生远光光型；

所述模组支架容纳并固定所述光源及所述光学透镜。

10.一种汽车前照灯，包括驱动电路、壳体，其特征在于，

还包括如权利要求9所述的光学模组；

所述壳体包覆所述驱动电路及由所述驱动电路驱动的所述光学模组。

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