CN110454750A - 光学结构单元、光学透镜和光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学结构单元、光学透镜和光学模块。该光学结构单元(5)包括拱起区段(5a)和基体区段(5b)，所述拱起区段(5a)具有光滑过渡的拱形表面轮廓，所述表面轮廓具有顶点(M)，所述拱起区段(5a)和所述基体区段(5b)的邻接边界形成对置的纵向边缘(51)和对置的横向边缘(52)，其特征在于，在穿过所述顶点(M)的横向截面和纵向截面中，所述拱起区段(5a)的第一轮廓线(53)和第二轮廓线(54)呈抛物线状。

Description

光学结构单元、光学透镜和光学模块

技术领域

本发明涉及一种光学结构单元、光学透镜和光学模块。

背景技术

在光学领域中，为了使布置在光学模块中的光源发出的光束呈现确定的空间结构或光学分布，通常使用可透光的光学透镜，该光学透镜处于光源的光路中并且至少在确定的面区域中设有光学结构单元，该光学结构单元能够以期望的方式改变穿过光学透镜的光的光路或空间强度分布，从而呈现出期望的显示效果。通常，光学结构单元由相同的多个光学结构单元单元构成，这些光学结构单元单元网格状地布置并且覆盖相应大小的面区域。

为了呈现特殊形状的点亮效果，例如星形，已知如在图1和图2中示出的那样的两种方式。

在图1中示出的光学模块主要包括光源1、透镜2和不透光挡块3，其中，透镜2和不透光挡块3布置在光源1发出的光的光路中。透镜2由透光材料构成并且表面可设有皮纹。不透光挡块3中设有星形的穿透孔。在此，不透光挡块3沿光传播方向布置在透镜2的前方。在该方案中，主要通过不透光挡块3的遮挡形成星形的点亮效果。

在图2中示出的光学模块主要包括光源1、反光镜4和透镜2。反光镜4和透镜2沿着光源1发出的光的传播方向相继布置。在该方案中，通过将反光镜4设计成星形形状，以将光源1发出的光经反光镜4反射、并透射通过透镜2后呈现出星形的点亮效果。

在上述方案中，由于大量光源被遮挡或直接浪费，光源利用率低。此外，需要附加的物料，例如档板或反光镜，这至少不可避免地增加了成本。

发明内容

因此，本发明的目的在于以简单的结构实现上述星形形状的点亮效果。为此，本发明提出了一种光学结构单元，其网格状地矩阵式分布地布置在光学透镜的至少部分的面区域中。

根据本发明的光学结构单元包括拱起区段和基体区段，该拱起区段具有光滑过渡的拱形表面轮廓，该表面轮廓具有顶点，拱起区段和基体区段的邻接边界形成对置的纵向边缘和对置的横向边缘，其中，在穿过顶点的横向截面和纵向截面中，拱起区段的第一轮廓线和第二轮廓线呈抛物线状。在此，“横向边缘”和“纵向边缘”应如此来理解：“横向边缘”指的是邻接边界的长度相对较短的边缘，而“纵向边缘”指的是邻接边界的长度相对较长的边缘。

在此，拱起区段在平行于穿过顶点的横向截面和纵向截面的截面中的轮廓具有曲线走向，该曲线走向的顶点相应处于第二轮廓线和第一轮廓线中，曲线走向的两端相应处于纵向边缘和横向边缘中。

根据本发明的一实施方式，基体区段沿着纵向边缘和横向边缘的厚度是恒定的。

光学结构单元在俯视图中呈矩形。光学结构单元在俯视图中还可呈正方形。

根据本发明的一实施方式，顶点为光学结构单元的中心。

根据本发明的一实施方式，光学结构单元关于穿过顶点的横向截面和纵向截面镜像对称。

优选地，拱起区段在平行于穿过顶点的横向截面或纵向截面的截面中的轮廓的曲线走向为抛物线状。

优选地，纵向边缘和横向边缘的长度范围为0.05mm～0.5mm。

优选地，拱起区段的拱起高度约为横向边缘的长度的1/4。

此外，应提及的是，上述光学结构单元还可为正方形、菱形或其他形状，只要其拱起区段的拱形表面以上文描述的方式构造。

本发明还提出了一种光学透镜，其具有至少一个区域，该区域由根据上文所述的多个光学结构单元形成，所述光学结构单元彼此邻接地阵列布置。

本发明还提出了一种光学模块，其具有光源和上文所述的光学透镜，其中，光学透镜的至少部分地由上述光学结构单元的拱形表面轮廓形成的表面远离所述光源。该光学模块可用于车辆的信号灯、内饰灯、氛围灯。该光学模块还可用于广告灯。

光源可相对于光学透镜具有不同的距离，由此实现不同大小的星形点亮效果。在此，光源可布置在不同的平面上。

通过上述技术方案，能在不影响外观造型的前提下实现星形点亮效果，特别是基本上呈星形的3D星形点亮效果。此外，提高了光源的利用率，并减少不必要的物料，将光学模块简化为光源加透镜的简单结构，这降低了成本。

附图说明

下面借助附图进一步阐述本发明。其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的一光学模块的示意性的图示；

图2示意性地示出了根据现有技术的另一光学模块的示意性的图示；

图3示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的立体图示；

图4示出了根据本发明的光学结构单元的俯视图；

图5示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的沿着图4的截面线Ⅰ-Ⅰ的剖视图；

图6示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的沿着图4的截面线Ⅱ-Ⅱ、Ⅱ’-Ⅱ’的剖视图；

图7示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的沿着图4的截面线Ⅲ-Ⅲ、Ⅲ’-Ⅲ’的剖视图；

图8示意性地示出了根据本发明的光学模块的光学效果图；并且

图9a至图9d分别示意性地示出了根据本发明的光学结构单元在不同的入射角的情况下的光路图。

具体实施方式

在下文中示例性地说明了本发明的实施方式。如本领域的技术人员应该意识到的那样，在不背离本发明的构思的情况下，所说明的实施方式可以各种不同的方式进行修改。因此，附图和说明书本质上为示例性而非限制性的。在下文中，相同的附图标记通常表示功能相同或相似的元件。

图3示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的一实施方式的立体图示。在此，光学结构单元5呈平凸状并包括拱起区段5a和基体区段5b。具体而言，拱起区段5a具有光滑过渡的拱形表面轮廓，基体区段5b具有与拱形表面轮廓相对而置的底面。在此，拱起区段5a和基体区段5b的交界部位、即一对对置的纵向边缘51、一对对置的横向边缘52围成矩形轮廓，其相应于拱起区段5a的基面H(参见图5)。在图3中还示出了在拱起区段5a的表面上的通过光学结构单元5的顶点M并沿着纵向方向和横向方向延伸的轮廓线54、53。在此，纵向方向是指与上述矩形轮廓的纵向边缘51平行的方向，横向方向是指与上述矩形轮廓的横向边缘52平行的方向。关于拱起区段5a的具体构造，下文中还将详细阐述。顶点M可为光学结构单元5的中心。

图4示出了图3的光学结构单元5的俯视图。结合图3和图4可看出，光学结构单元5在该俯视图中呈矩形，并且光学结构单元5通过穿过轮廓线54、53并且垂直于拱起区段5a的基面H和基体区段5b的底面的假想平面分成四个子部分6a、6b、6c、6d。在此，四个子部分6a、6b、6c、6d可构造相同，每个子部分具有相同的最高点、即光学结构单元5的顶点M，沿着其纵向边缘和横向边缘具有恒定的厚度，并且每个子部分的厚度沿着从最高点朝边缘的方向逐渐变小。

图5示意性地示出了光学结构单元5的沿着图4的截面线Ⅰ-Ⅰ的剖视图，其中，截面线Ⅰ-Ⅰ相应于图4的矩形轮廓的对角线。从该剖视图中可看出，光学结构单元5的拱起区段5a的外轮廓线为弧形。

图6示意性地示出了光学结构单元5的沿着图4的截面线Ⅱ-Ⅱ、Ⅱ’-Ⅱ’的剖视图，其中，截面线Ⅱ-Ⅱ相应于图4的矩形轮廓的穿过点M的横向截面线，截面线Ⅱ’-Ⅱ’与截面线Ⅱ-Ⅱ平行并相距一定的距离，拱起区段5a的通过截面线Ⅱ-Ⅱ的截面轮廓用实线显示，通过截面线Ⅱ’-Ⅱ’的截面轮廓用虚线表示，以用于对比的目的。结合图3和图6可看出，光学结构单元5的拱起区段5a在通过截面线Ⅱ-Ⅱ的横向截面中的轮廓线53呈抛物线状，在通过截面线Ⅱ’-Ⅱ’的横向截面中的截面轮廓线53’为曲线状，其中，轮廓线53上的点相对于基面H的距离h大于截面轮廓线53’上的相应的点相对于基面H的距离h’。在此，“相应的点”应如此来理解，它们在基面H中的投影重合，如通过轮廓线53上的点M和截面轮廓线53’上的点M’示意性地示出的那样。对于每个截面轮廓线，其顶点相对于基面具有最大距离，其余各点相对于基面的距离沿指向边缘的方向逐渐减小。

图7示意性地示出了根据本发明的光学结构单元的沿着图4的截面线Ⅲ-Ⅲ、Ⅲ’-Ⅲ’的剖视图，其中，截面线Ⅲ-Ⅲ相应于图4的矩形轮廓的穿过点M的纵向截面线，截面线Ⅲ’-Ⅲ’与截面线Ⅲ-Ⅲ平行并相距一定的距离，拱起区段5a的通过截面线Ⅲ-Ⅲ的截面轮廓用实线显示，通过截面线Ⅲ’-Ⅲ’的截面轮廓用虚线表示，以用于对比的目的。在此，光学结构单元5的拱起区段5a在通过截面线Ⅲ-Ⅲ的纵向截面中的轮廓线54呈抛物线状，在通过截面线Ⅲ’-Ⅲ’的纵向截面中的截面轮廓线54’为弧形，其中，轮廓线54上的点相对于基面的距离大于截面轮廓线上的相应的点相对于基面的距离。在此，“相应的点”应如此来理解，它们在基面H中的投影重合。对于每个截面轮廓线，其顶点相对于基面具有最大距离，其余各点相对于基面的距离沿指向边缘的方向逐渐减小。

对于拱起区段的在纵向截面和横向截面中的截面轮廓线，截面轮廓线的两端落在拱起区段与基体区段的交界部位中。

为了形成光学结构单元5的拱起区段5a的表面轮廓，可以轮廓线53为起始轮廓，并以轮廓线54和对置的纵向边缘51为引导线沿纵向方向引导，由此形成拱起区段5a的从轮廓线53到对置的横向边缘52光滑过渡的曲面轮廓；或者可以轮廓线54为起始轮廓，并以轮廓线53和对置的横向边缘52为引导线沿横向方向引导，由此形成拱起区段5a的从轮廓线54到对置的纵向边缘51光滑过渡的曲面轮廓。

在此，光学结构单元5的纵向边缘51和横向边缘52优选地在0.05mm至0.5mm的范围中。纵向边缘51和横向边缘52的长度比例取决于最终形成的图案的长宽比例。

优选地，光学结构单元5的顶点M相对于基面H的距离可为矩形轮廓的较短边缘、例如横向边缘的长度的1/4。

上述光学结构单元5可以阵列的方式彼此紧挨地布置，从而形成光学透镜2，即各光学结构单元的相邻的纵向边缘51和横向边缘52之间没有间距，并且光学透镜2的一表面为平面，与之相对的另一表面的至少部分区域由光学结构单元5的拱起区段5a的拱形面阵列组成，该另一表面远离光源。

图8示意性地示出了上述光学透镜2被光源1照亮时的显示效果。光源发出的光线经光学透镜折射，由于光学结构单元的上述的特殊形状设计，人眼从整个系统正面所接收的出射光呈现出星形形状，并且由于凸透镜成像原理，人眼所看到的图案为虚像，会有一种悬浮在透镜背后的3D效果。在此，“星形形状”的边缘朝中心内凹。特别是在光学透镜2的光学结构单元5的外轮廓为矩形的情况下，在此呈现出的星形形状的对角线长度不等。

图9a至图9d示意性地说明了上述显示效果的原理图，其中，光源1发出的光相对于光轴以不同的入射角照射到光学透镜2的光学结构单元5上。具体而言，图9a中的入射角α为0，图9b中的入射角α为10°，图9c中的入射角α为20°，图9d中的入射角α为25°。在入射角α为0度时，来自光源的光基本上全部透射穿过光学透镜2。随着入射角的逐渐增大，被光学透镜2反射而未穿透它的光的份额越来越大。在矩阵式组合上述光学结构单元形成光学透镜的情况下，最终结合光源呈现出图8的显示效果。

应提及的是，光学透镜2的至少部分区域可由完全相同的光学结构单元5构成，即，光学结构单元的大小形状完全相同。在此，图8中显示出的星形形状取决于光源、例如LED相对于光学透镜2的距离。在光学透镜2上显示出的一个星形形状对应于一个光源。在设有多个光源并且光源与光学透镜2的距离相同时，在光学透镜2上显示出的星形形状大小相同。倘若光源与光学透镜2的距离不同，在光学透镜2上显示出的小的星形形状对应于距离光学透镜2更近的光源，在光学透镜2上显示出的大的星形形状对应于距离光学透镜2更远的光源。

当然，还可将光学透镜2分成不同的区域，每个区域上设置完全相同的光学结构单元5，但不同区域中的光学结构单元5大小不同，由此可在光源布置在一个平面中的情况下呈现不同的星形形状的显示效果。

上述光学结构单元或光学透镜可由塑料、玻璃等常用透明材料构成。

本发明不限于上述结构，也可以采用其他的各种变体。虽然已经通过有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本公开，本领域技术人员可以设计出不脱离在此公开的本发明的保护范围的其他实施方式。因此，本发明的保护范围应仅由所附权利要求限定。

Claims (12)

1.一种光学结构单元(5)，包括拱起区段(5a)和基体区段(5b)，所述拱起区段(5a)具有光滑过渡的拱形表面轮廓，所述表面轮廓具有顶点(M)，所述拱起区段(5a)和所述基体区段(5b)的邻接边界形成对置的纵向边缘(51)和对置的横向边缘(52)，其特征在于，在穿过所述顶点(M)的横向截面和纵向截面中，所述拱起区段(5a)的第一轮廓线(53)和第二轮廓线(54)呈抛物线状。

2.根据权利要求1所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述拱起区段(5a)在平行于穿过所述顶点(M)的横向截面和纵向截面的截面中的轮廓具有曲线走向，所述曲线走向的顶点相应处于所述第二轮廓线(54)和所述第一轮廓线(53)中，两端相应处于所述纵向边缘(51)和所述横向边缘(52)中。

3.根据权利要求1所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述基体区段(5b)沿着所述纵向边缘(51)和所述横向边缘(52)的厚度是恒定的。

4.根据权利要求1所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述光学结构单元(5)在俯视图中呈矩形。

5.根据权利要求4所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述光学结构单元(5)在俯视图中呈正方形。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学结构单元，其特征在于，所述顶点(M)为所述光学结构单元(5)的中心。

7.根据权利要求6所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述光学结构单元(5)关于穿过所述顶点(M)的横向截面和纵向截面镜像对称。

8.根据权利要求7所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述拱起区段(5a)在平行于穿过所述顶点(M)的横向截面或纵向截面的截面中的轮廓的曲线走向为抛物线状。

9.根据权利要求7所述的光学结构单元(5)，其特征在于，所述纵向边缘(51)和所述横向边缘(52)的长度范围为0.05mm～0.5mm。

10.根据权利要求7所述的光学结构单元，其特征在于，所述拱起区段(5a)的拱起高度约为所述横向边缘(52)的长度的1/4。

11.一种光学透镜(2)，其具有至少一个区域，该区域由根据上述权利要求中任一项所述的多个光学结构单元(5)形成，所述光学结构单元(5)彼此邻接地阵列布置。

12.一种光学模块，其具有光源和根据权利要求9所述的光学透镜(2)。