CN112303584A - 透镜、车灯透镜系统及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车前照灯技术领域，涉及一种透镜、车灯透镜系统及汽车。所述透镜的截面呈弯月形，所述透镜包括第一表面以及第二表面；所述第一表面与第二表面的其中一个为二元面，另一个为光滑表面；所述二元面包括基底面以及形成在所述基底面上的相互间隔的多个锯齿。该透镜可消除色散，改善截止线附件偏红或偏蓝的问题，同时可使透镜的边缘处不产生杂散光，大幅提高光效。

Description

透镜、车灯透镜系统及汽车
技术领域
本发明属于汽车前照灯技术领域，特别是涉及一种透镜、车灯透镜系统及汽车。
背景技术
投射式前照灯系统因其截止线清晰且结构紧凑被广泛使用。投射式前照灯系统主要包括光源、反光碗、挡板和透镜，反光碗的面型一般是椭球面或变椭球面组合而成，反光碗通过对位于反光碗的第一焦点上的光源发出的光线进行反射，使反射光线汇聚到反光碗的第二焦点上，实现对光源发出的光线的汇聚。挡扳用于形成明晴截止线，透镜用于将光型放大到一定程度投射到路面上。在投射式前照灯系统中，透镜普遍使用的是平凸非球面透镜。但是，由于投射式前照灯系统的口径大、焦距短且光形宽，平凸非球面透镜需要设计得很厚，体积和质量会很大，不利于汽车前灯系统的轻量化，同时将大幅提高造价。另外，平凸非球面透镜厚度较大，需要采用多层注塑工艺来制造，对工艺的要求较高。
为解决上述问题，现有技术中存在一种弯月形车灯透镜系统，其采用弯月形的菲涅尔透镜代替传统平凸非球面透镜，使透镜相对较薄，减小透镜体积和质量，降低成本。
然而，采用弯月形的菲涅尔透镜时，边缘处光线将照射在菲涅尔非工作面上，经折射后以大角度偏折出去，形成不必要的杂散光并大幅降低系统光效。而且，由于只采用单透镜，单一材料的阿贝数(色散系数)无法消除色差，截止线附近有色散，会存在偏蓝或偏红的问题。此外，虽然菲涅尔透镜外表面光滑，但内表面菲涅尔锯齿仍可透过外表面被人眼观察，影响外观，大部分消费者无法接受。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的采用菲涅尔透镜的弯月形车灯透镜系统的截止线附近有色散的技术问题，提供一种透镜、车灯透镜系统及汽车。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种透镜，所述透镜的截面呈弯月形，所述透镜包括第一表面以及第二表面；
所述第一表面与第二表面的其中一个为二元面，另一个为光滑表面；
所述二元面包括基底面以及形成在所述基底面上的相互间隔的多个锯齿。
根据本发明实施例的透镜，由于光滑表面的色散系数为正数，而二元面的色散系数与材料无关，且二元面的色散系数为负数，通过将第一表面与第二表面的其中一个设置为二元面，可使二元面的色散系数与光滑表面的色散系数相互抵消，以消除色散，改善截止线附件偏红或偏蓝的问题。此外，由于所述二元面上的锯齿的尺寸为纳米或微米级，无法被人眼观察，不影响透镜外表的美观。相较于现有的菲涅尔透镜，由于本发明实施例的透镜的二元面的锯齿的尺寸为纳米或微米级，精度高，使得透镜的工作面的占比较大，非工作面基本为零，可使透镜的边缘处不产生杂散光，大幅提高光效。
可选地，所述锯齿为环绕所述基底面的中心点一圈的环形锯齿，多个所述锯齿沿所述基底面的径向等间隔排布。
可选地，多个所述锯齿沿所述透镜的径向的宽度一致，多个所述锯齿沿所述透镜的轴线方向的高度由所述透镜的中心向所述透镜的边沿逐渐增加。
可选地，多个所述锯齿沿所述透镜的径向的宽度由所述透镜的中心向所述透镜的边沿逐渐减小，多个所述锯齿沿所述透镜的轴线方向的高度一致。
可选地，所述透镜的厚度在径向上由中心向边沿逐渐减小。
可选地，所述透镜的中心的厚度为5～15mm，所述透镜的边缘的厚度大于1mm。
可选地，所述透镜的边缘的厚度为1～8mm。
可选地，所述基底面为球面、非球面或自由曲面，所述光滑表面为球面、非球面或自由曲面。
另一方面，本发明实施例提供了一种车灯透镜系统，其包括光源、反光碗、挡板以及上述的透镜，所述反光碗上形成有第一焦点以及第二焦点，所述第一焦点位于所述反光碗的碗底，所述第二焦点位于所述第一焦点朝向所述反光碗的碗口的一侧，所述光源安装在反光碗上且位于所述第一焦点上，所述挡板安装在反光碗上且位于所述第二焦点上，所述透镜设置在所述反光碗的开口处且位于所述挡板背向所述光源的一侧，所述透镜的第一表面朝向所述挡板，所述挡板位于所述透镜的焦点上。
再一方面，本发明实施例提供了一种汽车，其包括上述的透镜或上述的车灯透镜系统。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的透镜的示意图；
图2是本发明实施例二提供的透镜的示意图；
图3是本发明实施例三提供的透镜的示意图；
图4是本发明实施例四提供的车灯透镜系统的示意图；
图5是本发明实施例四提供的车灯透镜系统经模拟分析后得到的光形分布图；
图6是本发明实施例四提供的车灯透镜系统经模拟分析后得到的路面鸟瞰图；
图7是现有的采用菲涅尔透镜的车灯透镜系统经模拟分析后得到的光形分布图；
图8是现有的采用菲涅尔透镜的车灯透镜系统经模拟分析后得到的路面鸟瞰图。
说明书中的附图标记如下：
1a、1b、1c、透镜；11a、11b、11c、第一表面；12a、12b、12c、第二表面；13a、13b、13c、锯齿；
2、光源；3、反光碗；4、挡板。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一提供的透镜1a，所述透镜1a的截面呈弯月形，所述透镜1a包括第一表面11a以及第二表面12a。
所述第一表面11a为二元面，所述第二表面12a为光滑表面。
所述二元面包括基底面以及形成在所述基底面上的相互间隔的多个锯齿13a。
本发明实施例一提供的透镜1a，由于光滑表面的色散系数为正数，而二元面的色散系数与材料无关，且二元面的色散系数为负数，通过将第一表面11a设置为二元面，可使二元面的色散系数与光滑表面的色散系数相互抵消，以消除色散，改善截止线附件偏红或偏蓝的问题。此外，由于所述二元面上的锯齿13a的尺寸为纳米或微米级，无法被人眼观察，不影响透镜1a外表的美观。相较于现有的菲涅尔透镜，由于本发明实施例的透镜1a二元面的锯齿13a的尺寸为纳米或微米级，精度高，使得透镜1a的的工作面的占比较大，非工作面基本为零，可使透镜1a的边缘处不产生杂散光，大幅提高光效。
在本实施例中，如图1所示，所述锯齿13a为环绕所述基底面的中心点一圈的环形锯齿，多个所述锯齿13a沿所述基底面的径向等间隔排布。
即，所述锯齿13a的整体形状呈截面为齿状的环形，以形成所述二元面。
在本实施例中，如图1所示，多个所述锯齿13a沿所述透镜1a的径向的宽度一致，多个所述锯齿13a沿所述透镜1a的轴线方向的高度由所述透镜1a的中心向所述透镜1a的边缘逐渐增加，以形成所述透镜1a的二元面。
在本实施例中，如图1所示，所述透镜1a的厚度在径向上由中心向边缘逐渐减小，以形成所述透镜1a的外部轮廓。
在本实施例中，如图1所示，所述透镜1a的中心的厚度为5～15mm，所述透镜1a的边缘的厚度大于1mm。
相对于传统的平凸透镜，所述透镜1a的厚度可大幅减小，有利于汽车系统的轻量化。
在本实施例中，优选地，所述透镜1a的边缘的厚度为1～8mm。
在本实施例中，所述基底面为球面、非球面或自由曲面，所述光滑表面为球面、非球面或自由曲面，以形成所述透镜1a。
在本实施例中，光线在二元面处发生衍射，光线的衍射行为由二元面的基底形状和二元面台阶的相位函数决定。
二元面基底面的矢高公式为：
Figure BDA0002151356080000051
其中，Z为矢高，c为面型的曲率半径，k为二次曲线常数，r为坐标值，a为高阶项系数。
二元面台阶的相位函数为：
Figure BDA0002151356080000052
其中，φ为相位，M为衍射级次，ρ为归一化半径，Ai为系数。
通过合理设计二元面的基底面型和台阶相位函数可以使光线朝期望的方向传播。
在本实施例中，由于二元光学元件的色散特性较为特殊，二元面的阿贝数与基底材料无关，只与波长有关。所述二元面的阿贝数为：
vd＝λ0/(λs-λl)。
其中，λ0为中心波长，λs为短波，λl为长波。
由于二元面的阿贝数vd为负值，而折射面的阿贝数由透镜材料决定，范围在30～100，二元面可与折射面的色差匹配消除色散，改善截止线附件偏红或偏蓝的问题。
在本实施例中，所述透镜1a的材料可选用PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、玻璃或硅胶。
实施例二
如图2所示，本发明实施例二提供的透镜1b与实施例一不同的是，所述透镜1b的第一表面11b为光滑表面，所述透镜1b的第二表面12b为二元面，以形成所述透镜1b。
本发明实施例二提供的透镜1b，通过将第二表面12b设置为二元面，可使二元面的色散系数与折射面的色散系数相互抵消，以消除色散，改善截止线附件偏红或偏蓝的问题。此外，由于所述二元面上的锯齿13b的尺寸为纳米级，无法被人眼观察，不影响透镜外表的美观，相较于现有的菲涅尔透镜，本发明实施例的透镜1b的工作面的占比较大，非工作面基本为零，可使透镜1b的边缘处不产生杂散光，大幅提高光效。
实施例三
如图3所示，本发明实施例三提供的透镜1c包括第一表面11c以及第二表面12c，所述透镜1c的第一表面11c为二元面，所述第二表面12c为光滑表面。
与实施例一不同的是，在所述二元面上，多个所述锯齿13c沿所述透镜的径向的宽度由所述透镜1c的中心向所述透镜的边沿逐渐减小，多个所述锯齿13c沿所述透镜1c的轴线方向的高度一致，以形成所述透镜1c的二元面。
实施例四
如图4所示，本发明实施例四提供的车灯透镜系统，包括光源2、反光碗3、挡板4以及上述实施例三提供的透镜1c，所述反光碗3上形成有第一焦点以及第二焦点，所述第一焦点位于所述反光碗3的碗底，所述第二焦点位于所述第一焦点朝向所述反光碗3的碗口的一侧，所述光源2安装在反光碗3上且位于所述第一焦点上，所述挡板4安装在反光碗3上且位于所述第二焦点上，所述透镜1c设置在所述反光碗3的开口处且位于所述挡板4背向所述光源2的一侧，所述透镜1c的第一表面11c朝向所述挡板4，所述挡板4位于所述透镜1c的焦点上。
本发明实施例四提供的车灯透镜系统，当光源2发出光线时，光线将直接照射在所述反光碗3的内壁上，并通过所述反光碗3的折射照射在位于所述反光碗3的第二焦点上的挡板4上，经挡板4照射至所述透镜1c上，实现所述车灯透镜系统的照明。
将本发明实施例四提供的车灯透镜系统导入车灯系统中模拟分析，可得到如图5所示的25米屏幕处的光形分布以及如图6所示的路面鸟瞰图。相比于现有的采用菲涅尔透镜的车灯透镜系统(模拟分析结果分别为如图7所示的25米屏幕处的光形分布及如图8所示的路面鸟瞰图)，本发明实施例三提供的车灯透镜系统的截止线附近色散更小，中心光照更强，光均匀性更好且光照距离更远。
实施例五
如实施例四不同的是，本发明实施例五提供的车灯透镜系统将实施例四中的透镜1c替换为实施例一提供的透镜1a或实施例二提供的透镜1b。
实施例六
本发明实施例六提供的汽车，其包括上述实施例一、实施例二或实施例三提供的透镜，或上述实施例四或实施例五提供的车灯透镜系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透镜，其特征在于，所述透镜的截面呈弯月形，所述透镜包括第一表面以及第二表面；
所述第一表面与第二表面的其中一个为二元面，另一个为光滑表面；
所述二元面包括基底面以及形成在所述基底面上的相互间隔的多个锯齿。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述锯齿为环绕所述基底面的中心点一圈的环形锯齿，多个所述锯齿沿所述基底面的径向等间隔排布。
3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，多个所述锯齿沿所述透镜的径向的宽度一致，多个所述锯齿沿所述透镜的轴线方向的高度由所述透镜的中心向所述透镜的边缘逐渐增加。
4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，多个所述锯齿沿所述透镜的径向的宽度由所述透镜的中心向所述透镜的边缘逐渐减小，多个所述锯齿沿所述透镜的轴线方向的高度一致。
5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜的厚度在径向上由中心向边缘逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，所述透镜的中心的厚度为5～15mm，所述透镜的边缘的厚度大于1mm。
7.根据权利要求6所述的透镜，其特征在于，所述透镜的边缘的厚度为1～8mm。
8.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述基底面为球面、非球面或自由曲面，所述光滑表面为球面、非球面或自由曲面。
9.一种车灯透镜系统，其特征在于，包括光源、反光碗、挡板以及权利要求1-8任意一项所述的透镜，所述反光碗上形成有第一焦点以及第二焦点，所述第一焦点位于所述反光碗的碗底，所述第二焦点位于所述第一焦点朝向所述反光碗的碗口的一侧，所述光源安装在反光碗上且位于所述第一焦点上，所述挡板安装在反光碗上且位于所述第二焦点上，所述透镜设置在所述反光碗的开口处且位于所述挡板背向所述光源的一侧，所述透镜的第一表面朝向所述挡板，所述挡板位于所述透镜的焦点上。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的透镜或权利要求9所述的车灯透镜系统。
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