CN111609375A

CN111609375A - 头灯光学系统及其应用的灯具

Info

Publication number: CN111609375A
Application number: CN202010522003.7A
Authority: CN
Inventors: 施淳耀; 陈益成
Original assignee: Automotive Research and Testing Center
Current assignee: Automotive Research and Testing Center
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-09-01

Abstract

本发明涉及一种头灯光学系统及其应用的灯具，此头灯光学系统为使用单一透镜的一光学系统，包括：一第一入射面；一第二入射面，其环设于所述第一入射面的外围，所述第二入射面的内缘与所述第一入射面的边缘相连接，且所述第二入射面具有一倾斜角；以及一出光面，一光源所发出的光线经过所述第一入射面或所述第二入射面折射进入所述光学系统，再经过所述出光面折射后射出。本发明通过在第一入射面外围环绕设置的倾斜的第二入射面，使亮度更集中，且光源所投射的发光影像边缘锐利度提升。

Description

头灯光学系统及其应用的灯具

技术领域

本发明有关一种光学照明系统，特别是指一种头灯光学系统及其应用的灯具。

背景技术

近年来，车用系统的发展以安全性、性能与自动辅助驾驶的大方向为大宗，而智能型头灯会是先进驾驶辅助系统(AdvancedDriverAssistanceSystems，ADAS)的沟通手段之一。先进驾驶辅助系统除了系统间的电子通讯外，还可利用智能型头灯提供额外的视觉辅助功能，如警示、重要提示等，作为车与人之间直接且快速的沟通方式。举例来说，公知智能型头灯利用阵列发光特性的光学设计，并通过对单体照明区域进行明灭控制，能够实现以多个小面积照明单位模块组合出符合需求的警示效果。

在光学设计方面，因为智能型头灯的发光面积较大，同时为了达到避光功能，以及对锐利度进一步的要求。因此，设计上与现有其它的灯具系统相比，难度较高。图1A所示为单一透镜30的光路图。如图1A所示，当光源发光进入智能型头灯的透镜30时，其发射出的发光影像会有像散问题，且对于放大率越大、越边缘的区域，影像锐利度的影响越严重。若以一般透镜来组成多个区域的孔径较小的光学系统而言，如图1B所示，智能型头灯需要多个辅助的收光透镜31与投影镜组32互相搭配。也有如图1C所示，智能型头灯运用一次光学元件，如导光条33，对每个LED限缩发光面，再经由投影透镜34放大投影到前方路面。如图1C所示，智能型头灯运用多个光学元件，因此光利用率会较为减损。未来阵列式LED的像素会越来越高、单元越来越小，对于锐利度的要求会进一步提升，以避免互相干扰。然而，公知智能型头灯并无法达到上述要求。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种头灯光学系统，其在单一透镜上设置一倾斜面的第二入射面，以对光源所产生的光源影像改善锐利度，进而投射出放大且具有充足锐利度的发光影像。

本发明的另一目的在提供一种头灯光学系统，其在第一入射面外围环设连续倾斜的第二入射面，使外围的光线入射到光学系统的时候被第二入射面折射到较为聚光的方向。

本发明的再一目的在提供一种头灯光学系统及其应用的灯具，其将采用多晶光源以产生发光图案，提供智慧灯具更多元的用途，搭配单一透镜的头灯光学系统使投射出的光线更亮，及发光影像效果更清晰。

为达上述目的，本发明提供一种头灯光学系统，其为使用单一透镜的一光学系统，包括：一第一入射面；一第二入射面，其环设于所述第一入射面的外围，所述第二入射面的内缘与所述第一入射面的边缘相连接，且所述第二入射面以一倾斜角相对所述第一入射面倾斜；以及一出光面，一光源所发出的光线经过所述第一入射面或所述第二入射面折射进入所述光学系统，再经过所述出光面折射后射出。

根据本发明的实施例，所述倾斜角为所述第一入射面与所述第二入射面的夹角，其角度范围为90～180度。

根据本发明的实施例，所述第一入射面为一水平面。

根据本发明的实施例，所述第二入射面为环型的连续曲面。

根据本发明的实施例，所述第二入射面为一倾斜面。

根据本发明的实施例，所述光源为多个发光元件所组成的多晶光源。

承上，所述发光元件为miniLED、microLED或LD。本发明另提供一种应用头灯光学系统的灯具，包括：一多晶光源，包含多个发光元件以发出光线；以及一光学系统，其为单一透镜所构成，包括：一第一入射面；一第二入射面，环设于所述第一入射面的外围，所述第二入射面的内缘与所述第一入射面的边缘相连接，且所述第二入射面以一倾斜角相对所述第一入射面倾斜；以及一出光面，所述多晶光源所发出的光线经过所述第一入射面或所述第二入射面折射进入所述光学系统，再经过所述出光面折射后射出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A至图1C分别为现有技术中车用智慧灯具的光学系统的示意图；

图2为本发明头灯光学系统的实施例示意图；

图3为本发明头灯光学系统另一角度的实施例示意图；

图4为本发明头灯光学系统的侧视图；

图5A为现有技术中不具有第二入射面的透镜的光路图；

图5B为本发明头灯光学系统的光路图。

符号说明：

10、头灯光学系统，12、光学系统，14、第一入射面，16、第二入射面，18、出光面，20、光源、多晶光源，22、光学系统，24、入射面，26、出光面，30、单一透镜，31、收光透镜，32、投影镜组，33、导光条，34、投影透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种头灯光学系统及其应用的灯具，本发明所运用的光源为多晶LED，具有多个发光晶粒。因此，可依照避光需求，独立控制个别发光晶粒的亮暗，以产出不同的亮与暗区域。多晶LED的面积比一般LED要大，且设计上不再是以整体发光面考量，而是个别的发光面。从多晶LED发出的光线经过光学系统后所产生的成像，除了亮度与光形考量外，还需要有锐利度的需求。为求高度的光利用率，光学系统以单镜片为设计目标，而一般光学系统所用的球面透镜，其焦平面为弯曲的。弯曲的焦平面会造成边缘光源离焦，造成发光影像模糊、不等量的放大等问题，进而使边缘区域较容易干扰到其它周围的暗区。为了解决上述问题，本发明通过倾斜焦平面的设计，在单透镜架构下改善发光影像的锐利度。

请同时参考图2、图3及图4，图2及图3分别为本发明头灯光学系统不同角度的实施例示意图，图4为本发明头灯光学系统的侧视图。

本发明一实施例的头灯光学系统10为单一透镜的光学系统12，且透镜为任意透镜。本实施例的光学系统12包括一第一入射面14、一第二入射面16及一出光面18。第一入射面14为一水平面。第二入射面16为环型的连续曲面，环设于第一入射面14的外围。第二入射面16的内缘与第一入射面14的边缘相连接，且第二入射面16以一倾斜角相对第一入射面14倾斜。光源所发出的光线经过第一入射面14或第二入射面16折射进入光学系统12后，穿过光学系统12，再经过出光面18折射后射出。本实施例中，第一入射面14及第二入射面16接收光线，并准直从光源照射出的光线，而出光面18则具有重新定向准直光线以满足设计需求的发光影像及其照明性质的功能。

特别的是，本发明中第二入射面16为弯曲面。一般而言，弯曲的焦平面易造成边缘光源离焦，产生发光影像模糊、不等量放大等不利影响。因此，本发明为了解决此问题，将弯曲的第二入射面16设计为具有倾斜角的一倾斜面。如此一来，将可让光线斜向入射以减缓该些光学的不利影响。换言之，第二入射面16具有能将光线集中，提高光利用率，进一步能提升成像的锐利度等功效。在本实施例中，倾斜面的倾斜角为第一入射面14与第二入射面16的夹角。倾斜角的角度范围为90～180度。

从图5A及图5B的比较能明显看出在单一透镜的光学系统下，本发明第二入射面16的聚光作用。图5A为现有技术中不具有第二入射面的透镜的光路图，此单一透镜的光学系统22仅具有一入射面24。光源20发出的光线经过入射面24折射后，进入光学系统22中，穿过光学系统22并从另一端的出光面26折射后射出。请同时参考图5B，其为本发明的头灯光学系统的光路图，光源20发出的光线经过第一入射面14或第二入射面16折射后，进入光学系统12中，穿过光学系统12并从另一端的出光面18折射后射出。经比对后可明显看出，当使用相同的光源20时，图5B中通过第一入射面14的光线与图5A中入射面24中间区域的光线，其出光路径是相同的，但由于本案具有第二入射面16，因此外围的入射光线在射出光学系统后就产生了差异。特别是，图5B中通过第二入射面16的光线与图5A中入射面24外围区域的光线，明显图5B的光线更为集中，而图5A的光线则较为发散。

在上述头灯光学系统的架构下，本发明另一实施例提供一种应用头灯光学系统的灯具，包括一多晶光源20及上述的光学系统12。请参考图5B，其中光源20即为多晶光源20，其为一种阵列式光源，由多个发光元件所组成。多晶光源20用以发出光线，且还可组合成光源影像，发光元件为miniLED、microLED或LD。多晶光源20所发出的光线经过第一入射面14或第二入射面16折射后进入光学系统12，再经过出光面18折射后射出，形成发光影像并提供车辆照明用。

本发明的头灯光学透镜由于锐利度佳、亮度更集中，将其应用在车辆前方智慧灯具，可使车辆前方智慧灯具具有更广泛的应用。例如，本发明的头灯光学透镜可应用于夜间警示。假设夜间行驶期间，通过车上影像模块得到前方信息，以检测前方是否有行人、类行人或车辆接近。当检测前方有行人、类行人或车辆接近时，系统切换前方智慧灯具为聚光灯模式，照射前方的用路人，以警示前方用路人有车辆接近。另外，也可将阵列式光源作为本发明头灯光学透镜的光源，作为另一种显示警示用途的实施态样。此设计对应阵列发光特性进行相关的光学设计，通过单体照明区域明灭控制，以实现多个小面积照明单位模块、组合出符合需求的警示效果。此组合出的灯光效果对于锐利度要求更高，如此才能在经过光学系统后得到清晰的发光图案。由于本发明的头灯光学系统能够让光线聚焦、亮度集中，使图案边缘影像清晰。因此，应用于此设计时，本发明不会因光线发散而模糊图案边界，致使发生发光图案达不到符合需求的警示效果的问题。

综上所述，本发明所提供的一种头灯光学系统采用多晶光源，将多个照明面的光度叠加，以产生符合聚光灯、照明警示灯等各别照明范围与锐利度需求的亮度。此外，本发明将第二入射面设计为倾斜的曲面，以减缓焦平面弯曲所产生的光学不利的影响，进一步修正像差，使发光影像各区域的光型不被影响。如此一来，亮度更为集中，暗区更暗，能够在提升光利用率的同时让发光影像更加清晰。因此，本发明极适合应用在灯具，特别是车辆的头灯。本发明的头灯光学系统中所使用的单一透镜由于变形结构少，因此制造成本较非球面及其它变形结构更低廉。此外，由于本发明只使用单一透镜，不需额外的导光条、透镜组等光学元件，故灯具的整体体积小，变化性更高。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种头灯光学系统，其特征在于，所述头灯光学系统为使用单一透镜的一光学系统，包括：

一第一入射面；

一第二入射面，环设于所述第一入射面的外围，所述第二入射面的内缘与所述第一入射面的边缘相连接，且所述第二入射面以一倾斜角相对所述第一入射面倾斜；以及

一出光面，一光源所发出的光线经过所述第一入射面或所述第二入射面折射进入所述光学系统，再经过所述出光面折射后射出。

2.如请求项1所述的头灯光学系统，其特征在于，所述倾斜角为所述第一入射面与所述第二入射面的夹角，所述夹角的角度范围为90～180度。

3.如请求项1所述的头灯光学系统，其特征在于，所述第一入射面为一水平面。

4.如请求项1所述的头灯光学系统，其特征在于，所述第二入射面为环型的连续曲面。

5.如请求项1所述的头灯光学系统，其特征在于，所述第二入射面为一倾斜面。

6.如请求项1所述的头灯光学系统，其特征在于，所述光源为多个发光元件所组成的多晶光源。

7.如请求项6所述的头灯光学系统，其特征在于，所述发光元件为mini LED、micro LED或LD。

8.一种应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，包括：

一多晶光源，包含多个发光元件以发出光线；以及

一光学系统，为单一透镜所构成，包括：

一第一入射面；

一出光面，所述多晶光源所发出的光线经过所述第一入射面或所述第二入射面折射进入所述光学系统，再经过所述出光面折射后射出。

9.如请求项8所述的应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，所述倾斜角为所述第一入射面与所述第二入射面的夹角，所述夹角的角度范围为90～180度。

10.如请求项8所述的应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，所述第一入射面为一水平面。

11.如请求项8所述的应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，所述第二入射面为环型的连续曲面。

12.如请求项8所述的应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，所述第二入射面为一倾斜面。

13.如请求项12所述的应用头灯光学系统的灯具，其特征在于，所述发光元件为miniLED、micro LED或LD。