CN111123415A - 光学系统、光学透镜及其建构方法 - Google Patents

光学系统、光学透镜及其建构方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学系统、光学透镜及其建构方法，其中该光学透镜设有虚拟的光轴作为Z轴贯穿该透镜的光输出面，定义垂直于Z轴且相互垂直的X轴与Y轴，使光输出面与Z轴、X轴、Y轴分别产生一中心点，二第一交点与二第二交点，其中于光输出面上的中心点分别与第一交点第二交点之间形成四条曲线，且该等曲线均符合一元二次多项式曲线。藉此，使光学透镜的焦点可以通过一元二次多项式曲线的公式进行调整，使光源所发射并穿过光学透镜的光线形成所需的光形。

Description

光学系统、光学透镜及其建构方法
技术领域
本发明是关于一种光学系统、光学透镜及其建构方法，更精确的说，是关于一种搭配LED光源组成车用光学系统的可散光型光学透镜及其建构方法，满足多元的车灯照明需求。
背景技术
为了节省能源，目前大多以多个LED光源形成光学模块，在LED光源的出光面配置球面或单一曲率曲面的透镜以投射出满足所需的适当光形与适当的亮度。然而，这些透镜只能提供固定的单一焦点，若将多个光学模块搭配应用于汽车头前灯时，容易使光学模块之间的配置更复杂。
因此，本发明人是集结多年来于相关领域的实务经验，续以构思一种光学透镜的建构方法，以改善此缺失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种光学透镜，设有虚拟的光轴作为 Z轴贯穿其光输入面与光输出面，且Z轴与光输出面有中心点，定义垂直于Z轴且相互垂直的X轴与Y轴，X轴与光输出面有二第一交点，Y轴与光输出面有二第二交点，其特征在于，于光输出面上中心点分别与第一交点、第二交点之间构成四条曲线，且该等曲线符合一元二次多项式曲线。
藉此，使光学透镜的焦点通过一元二次多项式曲线的公式进行调整，并形成所需光形。
此外，X轴、Y轴与Z轴交会于一虚拟原点，本领域技术人员可以依据需求光型，将虚拟原点相对二侧曲线的一元二次多项式设为相同或不同。也就是说，光输出面可以由最少二条曲线或最多四条曲线进行建构。
本发明还提供一种光学透镜的建构方法，包含以下步骤：定义光学透镜的虚拟光轴作为Z轴，以及垂直Z轴且相互垂直的X轴与Y轴；于该Z轴取一中心点，于该X轴与该Y轴的正负方向分别取二第一交点与二第二交点，于该中心点与该等第一交点及该等第二交点之间分别建构四条曲线，其中沿着该X轴方向延伸的该二条曲线符合通式：z＝a1x2+b1x+c1，沿着该Y轴方向延伸的该二条曲线符合通式：z＝a2y2+b2y+c2；以及，将第一线段沿着该第二线段拟合构成光学透镜的光输出面。
本发明还提供一种光学系统，包含上述光学透镜、以及一光源间隔设置于光学透镜的一光输入面。
前述光学系统具有多元的设计弹性，还可以依据需求光形，使光源透镜偏离该光学透镜的光轴，或将多个模块化的光学透镜与光源形成一光学系统，产生焦点可调式光学系统。
有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明所提供一实施例光学透镜的结构示意图；
图1A是图1的光学透镜沿着A-A剖视线进行剖视的剖面图；
图2是本发明所提供一实施例光学透镜的结构示意图；
图2A是图2的光学透镜沿着B-B剖视线进行剖视的剖面图；
图2B是图2的光学透镜的光形；
图3是本发明所提供一实施例光学透镜的结构示意图；
图3A是图3的光学透镜沿着C-C剖视线进行剖视的剖面图；
图3B是图3的光学透镜的光形；
图4是本发明所提供一实施例光学透镜的结构示意图；
图4A是图4的光学透镜沿着D-D剖视线进行剖视的剖面图；
图4B是图4的光学透镜的光形；
图5是本发明所提供一实施例光学透镜的结构示意图；
图5A是图5的光学透镜的光输入面；
图5B是图5的光学透镜的光形；
图6是光学系统的组成示意图；
图6A是图6的光学系统的光形。
符号说明
1：光源 2：光学透镜 3：光输入面
4：光输出面 Ax：光轴 M：中心点
A-A、B-B、C-C、D-D：剖面
C1、C2、C3、C4：曲线
n1、n2：第一交点 n3、n4：第二交点 O：虚拟原点
αn：夹角 Ln：光束
具体实施方式
在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。
首先请参阅图1与图1A为本发明所提供第一实施例的光学透镜，具有一本体2，以及相对的一光输入面3与一光输出面4，光学透镜的本体2设有虚拟的一光轴Ax作为Z轴同时穿过光输入面3与光输出面4，Z轴与光输出面有中心点M，光学透镜的本体2还设有相互垂直的虚拟X轴与Y轴且垂直于Z轴，构成一XYZ直角坐标系。X轴与光输出面4分别在正方向与负方向有二第一交点n1、n2，Y轴与光输出面4分别在正方向与负方向有二第二交点n3、n4，于光输出面上中心点M分别与第一交点、第二交点n1、n2、n3、n4构成四曲线，且该等曲线符合一元二次多项式曲线。
进一步说明，本体2的横剖面(即X-Y平面)与Z轴垂直且其交点形成前述XYZ 直角坐标系的虚拟原点O，四条曲线为以虚拟原点O为基准点的一元二次多项式曲线。若以光输出面上第一交点n1、n2与中心点M构成第一线段，第二交点n3、 n4与中心点M构成第二线段，则光输出面为第一线段延着第二线段拟合形成。
此外，光学透镜搭配一LED光源1而形成一光学系统，其中LED光源1与本体 2相间隔并面对光输入面3，在本实施中LED光源1的中心点位于光轴Ax上。
本实施例的光学透镜为散光型透镜，光输入面3为一平面，光输出面4则是通过以下步骤进行设计。首先，以虚拟原点O为基准点，光轴Ax作为Z轴，定义出垂直于Z轴且相互垂直的X轴与Y轴。
接着，以虚拟原点O为基准点分别沿着X轴的正方向与负方向定义出二条多项式曲线C1与C2，再同样以虚拟原点O为基准点分别沿着Y轴的正方向与负方向定义出二条多项式曲线C3与C4。其中，前述多项式为一元二次多项式。此外，多项式曲线C1、C2相接构成完整的第一线段，多项式曲线C3、C4相接构成完整的第二线段，前述第一线段与第二线段至少产生一交点于Z轴上，光学透镜的光输出面4符合将第一线段沿着第二线段拟合构成的曲面。
在本实施例中，曲线C1与曲线C2相连续且其通式为z＝a1x2+b1x+c1，曲线C3 与曲线C4相连续且其通式为z＝a2y2+b2y+c2，前述通式中各系数的范围为-10<x, y<10，-1<a1,b1,a2,b2<1，且a1、a2不为0，-10<c1,c2<10，上述立体坐标系的单位为毫米(mm)。
在本实施例中，虚拟原点相对二侧的曲线C1与曲线C2为相同的多项式(第一线段为几何曲线)，曲线C3与C4亦为相同的多项式(第二线段为几何曲线)。在其它实施例中，曲线C1与曲线C2、曲线C3与曲线C4的多项式可以是不同的一元二次多项式。在其它实施例中第一线段、第二线段也可以是自由曲线，能够通过拟合构成曲面。
藉此，使光学透镜可以产生不同的需求光形。此外，前述实施例的光学透镜与现有技术的球面或非球面透镜的固定焦点不同，本发明的光学透镜的焦点能够设计为多焦。此外，技术人员还可以依据需求光形，使光源透镜1偏离该光学透镜的光轴Ax。
请参阅图2、图2A，为前述第一实施例的光学透镜与光学系统，图中，构成光输出面4曲面的曲线定义如下：
与X轴共平面的曲线C1、C2，符合：z＝-0.0121x2-0.0001x+3.0464
与Y轴共平面的曲线C3、C4，符合：z＝-0.0416y2-0.0001y+3.0625
光源1设置于光轴Ax与光输入面3间隔15毫米(mm)，产生如图2B所示的光形，其照度的单位为勒克斯(Lux)。在此设置下，光源1的光线通过光输出面4 后形成多道光束Ln(n＝1～∞)，每一道光束与平行光轴Ax的虚拟直线任一侧形成一夹角αn(n＝1～∞)，夹角不超过20度。
请参阅图3、图3A，为本发明所提供第二实施例的光学透镜与光学系统，图中，构成光输出面4曲面的曲线定义如下：
与X轴共平面的曲线C1、C2，符合：z＝-0.0236x2+0.1984x+3.3698
与Y轴共平面的曲线C3、C4，符合：z＝-0.0414y2-0.0001y+3.3765
光源1设置于光轴Ax与光输入面3间隔15毫米(mm)，相较于图2B的光形，图 3B所显示光学系统所发光构成的光形的中心偏离光轴Ax(朝向C-C剖面的突出曲面偏移)。
请参阅图4、图4A，为本发明所提供第三实施例的光学透镜与光学系统，图中，构成光输出面4曲面的曲线定义如下：
与X轴共平面的曲线，C1＝z＝-0.0236x2-0.1984x+3.3698， C2＝z＝-0.0406x2-0.0262x+3.4521
与Y轴共平面的曲线C3、C4，符合：z＝-0.0015x2-0.4069x+3.4726
光源1设置于光轴Ax与光输入面3间隔15毫米(mm)，从图4A可得知，曲线C1、 C2拟合后的曲面的光束夹角不同。
请参阅图5、图5A，为本发明所提供第四实施例，其光学透镜与第一实施例相同，主要差异在于：LED光源1偏离光学透镜的光轴Ax，在Y轴方向偏离光轴Ax的距离为50mm，使图5B所示光形的位置低于水平照射基准线(H-H)。
前述实施例说明光学透镜的建构方法能够产生不同形式的光输出面，使本领域技术人员能够有足够的设计弹性，以调整达成理想的光形与亮度。除此之外，多个光学透镜还可以共同组成一光学系统。
请参阅图6、图6A，为应用前述第一实施例至第三实施例的光学透镜搭配多个LED光源1所共同组成的光学系统，包含多个模块化的光学透镜2与光源1，光源1对应设置于光学透镜2的光输入面3。在此光学系统中，通过多个光学模块形成的光学系统，达到同时满足水平照射基准线(H-H)以上或以下的照明需求，或利用输出面的变化，堆栈形成近灯光形，或是形成远灯光形。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (12)

1.一种光学透镜，设有虚拟的一光轴作为一Z轴贯穿其一光输入面与一光输出面，且该Z轴与该光输出面有一中心点，定义垂直于该Z轴且相互垂直的一X轴与一Y轴，该X轴与该光输出面有二第一交点，该Y轴与该光输出面有二第二交点，其特征在于：该光输出面上该中心点分别与该等第一交点及第二交点之间构成四条曲线，且该等曲线均符合一元二次多项式曲线。
2.如申请专利范围第1项所述的光学透镜，其特征在于,该光学透镜的横剖面与Z轴垂直且其交点形成一虚拟原点，该等曲线为以该虚拟原点为基准点的一元二次多项式曲线。
3.如申请专利范围第2项所述的光学透镜，其特征在于,位于该虚拟原点相对二侧的曲线具有相同的一元二次多项式。
4.如申请专利范围第3项所述的光学透镜，其特征在于,该光输出面上该等第一交点与该中心点位于沿着该X轴方向延伸的一曲线，该等第二交点与该中心点位于沿着该Y轴方向延伸的一曲线，其中沿着该X轴方向延伸的该曲线符合通式：z＝a1x2+b1x+c1，沿着该Y轴方向延伸的该曲线符合通式：z＝a2y2+b2y+c2，而且-10<x,y<10，-1<a1,b1,a2,b2<1，-10<-c1,c2<10。
5.如申请专利范围第2项所述的光学透镜，其特征在于,位于该虚拟原点相对二侧的曲线具有不相同的一元二次多项式。
6.一种申请专利范围第1项所述光学透镜的建构方法，其特征在于,包含以下步骤：
定义该光学透镜的一虚拟光轴作为一Z轴，定义垂直该Z轴且相互垂直的一X轴与一Y轴；
于该Z轴取一中心点，于该X轴与该Y轴的正负方向分别取二第一交点与二第二交点，于该中心点与该等第一交点及该等第二交点之间分别建构出四条曲线，其中沿着该X轴方向延伸的该二条曲线符合通式：z＝a1x2+b1x+c1，沿着该Y轴方向延伸的该二条曲线符合通式：z＝a2y2+b2y+c2；以及
将该第一线段沿着该第二线段拟合构成该光学透镜的光输出面。
7.如申请专利范围第6项所述的建构方法，其特征在于,该X轴、该Y轴与该Z轴相交于一虚拟原点，定义该虚拟原点相对二侧的曲线具有相同的一元二次多项式。
8.如申请专利范围第6项所述的建构方法，其特征在于,沿着该X轴方向延伸的该二条曲线具有不同的一元二次多项式。
9.如申请专利范围第6项所述的建构方法，其特征在于,沿着该Y轴方向延伸的该二条曲线具有不同的一元二次多项式。
10.如申请专利范围第6项所述的建构方法，其特征在于,于该通式中，-10<x,y<10，-1<a1,b1,a2,b2<1，-10<-c1,c2<10。
11.一种光学系统，其特征在于,包含至少一个如申请专利范围第1项的光学透镜，以及一光源间隔设置于该光学透镜的一光输入面。
12.如申请专利范围第12项所述的光学系统，其特征在于,该光源并非位于该光学透镜的一光轴上。
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