CN115046171A - 透镜及具有该透镜的车用灯具 - Google Patents

透镜及具有该透镜的车用灯具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及透镜技术领域，尤其是一种透镜及具有该透镜的车用灯具。透镜通过分层注塑的方式加工而成，透镜包括透镜本体，透镜本体上设有沿光轴方向相对的第一折衍射面和第二折衍射面，所述折衍射面中至少有一个面具有关于光轴为旋转对称的衍射结构，衍射结构的屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。本发明具有良好的耐热特性，可产生锐利且不发彩的近光截止线，节省产品成本，具有良好的应用前景。

Description

透镜及具有该透镜的车用灯具
技术领域
本发明涉及透镜技术领域，尤其是一种透镜及具有该透镜的车用灯具。
背景技术
透镜是远、近光模组的核心器件，具有偏折光线、将近光挡板影像投射到车前的功能，透镜的成本、重量和光学效果是远、近光模组的重点关注项。玻璃透镜具有较低的色散和优秀的耐热性能，但加工难度大、成本高、重量偏重；塑料透镜具有重量轻、成本低、易加工的优势，但常用的塑料材料有自身的缺陷，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有较低的色散，但无法满足汽车前照灯耐热要求；聚碳酸酯（PC）的耐热性能优秀，但色散较大，会导致近光截止线发蓝或发黄。
中国专利CN109716175A，专利名称为衍射透镜和使用其的车载用灯具，公开了一种车用透镜，采用衍射结构减少透镜边缘-中心厚度差，同时确保近光截止线性能。该方案基于成本与工艺性，对透镜曲率、屈光度和壁厚提出诸多限制，降低了透镜设计自由度和性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种透镜及具有该透镜的车用灯具，该透镜质量轻、具备良好的工艺性和耐热性，还可以确保近光截止线的锐度，缓解近光截止线发彩的现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种透镜，通过分层注塑的方式加工而成，可将透镜焦点处发出的发散光准直，形成平行光；所述透镜为折衍射混合透镜，包括透镜本体，透镜本体上设有沿光轴L方向相对的第一折衍射面和第二折衍射面，其中第二折衍射面位于靠近透镜焦点的一侧，第一折衍射面位于远离透镜焦点的一侧；第一折衍射面和第二折衍射面至少有一个折衍射面具有关于光轴L为旋转对称的衍射结构，衍射结构的屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
进一步地，所述第一折衍射面为凸面，第二折衍射面为平面或凸面。
进一步地，所述第一折衍射面上设有衍射结构，第一折衍射面的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
进一步地，所述第二折衍射面上设有衍射结构，第二折衍射面的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
进一步地，所述第一折衍射面和第二折衍射面上分别设有衍射结构，两者衍射结构屈光度之和占透镜本体总屈光度的1%～20%。
进一步地，所述透镜本体中通光孔径中距离光轴L最远处的厚度为边缘厚度H1,所述第一折衍射面和第二折衍射面与光轴L交点的距离为透镜中心厚度H2，H1：H2=1:30～1:2。
一种车用灯具，具有近光光源、近光反射板、近光挡板以及透镜，该透镜采用上述结构；所述近光反射板盖设于近光光源外侧，透镜位于近光光源出光侧，且近光挡板位于近光光源和透镜之间。
本发明的有益效果是：本发明结构简单，设计合理，操作简便，透镜具有良好的耐热性和较低的色散，对焦点处发出的、不同波长的发散光具备良好的准直性，能使近光光束的截止线锐利、避免截止线发彩变模糊。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明中透镜的立体图；
图2是图1的结构示意图；
图3是PC材质折射透镜的轴向色差曲线；
图4是PC材质折射透镜侧视图；
图5是衍射透镜的轴向色差曲线；
图6是PMMA透镜的衍射屈光度占比、边缘中心厚度比和轴向色差对照表；
图7是实施例1中透镜性能测试的侧视图；
图8是实施例1中透镜的参数表的图；
图9是实施例1中透镜的轴向色差曲线图；
图10是实施例2中透镜的参数表的图；
图11是实施例2中透镜的轴向色差曲线图；
图12是本发明中车用灯具的结构示意图；
图13是采用/不采用透镜的近光截止线对比图。
图中：1.第一折衍射面，2.第二折衍射面，402.测试入射面，403.测试出射面，404.透镜焦点，405.包络面，406.衍射结构，702.使用出射面，703.使用入射面，705.近光挡板，706.近光反射板，707.近光光源。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1和图2所示的一种透镜，该透镜通过分层注塑的方式加工而成，透镜包括透镜本体，透镜本体上设有沿光轴方向相对的第一折衍射面1和第二折衍射面2，其中第二折衍射面2位于靠近透镜焦点的一侧，第一折衍射面1位于远离透镜焦点的一侧；第一折衍射面1和第二折衍射面2至少有一个折衍射面具有关于光轴为旋转对称的衍射结构，衍射结构的屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。透镜本体总屈光度为第一折衍射面1中折射结构屈光度和/或衍射结构屈光度、第二折衍射面2中折射结构屈光度和/或衍射结构屈光度的总和。
透镜材料为光学级塑料，包括但不限于聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、大阪燃气光学树脂（OKP系列）、三菱瓦斯光学树脂（EP系列）、日本合成橡胶光学树脂（ARTONF/D系列）或日本瑞翁光学树脂（Zeonex）。
第一折衍射面1为凸面，第二折衍射面2为平面或凸面，第二折衍射面2的曲率半径不小于50mm。
第一折衍射面1和第二折衍射面2至少有一个折衍射面具有关于光轴为旋转对称的衍射结构，具体为：
第一折衍射面1上设有衍射结构，第一折衍射面1的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%；
或者，第二折衍射面2上设有衍射结构，第二折衍射面2的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%；
或者，第一折衍射面1和第二折衍射面2上分别设有衍射结构，两者衍射结构屈光度之和占透镜本体总屈光度的1%～20%。
透镜本体中通光孔径中距离光轴L最远处的厚度为边缘厚度H1,所述第一折衍射面和第二折衍射面与光轴L交点的距离为透镜中心厚度H2，H1：H2=1:30～1:2。
为了确保近光截止线的锐度，车用灯具的透镜一般具有以下特性：平行于光轴L的光线经过透镜，被透镜弯折（屈光），并会聚到透镜焦点处。透镜弯折光线的能力称为屈光度，通常情况下，对已知参数的透镜，焦距和屈光度会因光线波长不同而存在差异，使不同波长的、平行于光轴L的入射光会聚在透镜后方的不同位置，形成轴向色差（LongitudinalAberration）。对车载前照灯近光而言，透镜的轴向色差会导致近光截止线发散、发彩，影响用户体验。下面简要分析传统透镜（折射透镜）和衍射透镜的轴向色散。
折射透镜利用不同材料对光的折射率差异完成屈光，一般材料的折射率与光线波长成负相关：光线波长越长，材料折射率越小，因此折射透镜的屈光带有正色散，即波长越长，透镜的屈光度绝对值越小。以常用的可见光波长480nm（蓝光）、644nm（红光）和常用的光学树脂聚碳酸酯（polycarbonate, PC）为例，PC对480nm波长光的折射率
Figure 359066DEST_PATH_IMAGE001
为1.5991，对644nm波长光的
Figure 994316DEST_PATH_IMAGE002
折射率为1.5807，光线从空气入射到PC透镜内部，平行光线经过透镜的入射面和出射面，会聚到透镜后焦点处，设两个光学面的曲率半径分别为r1和r2，两个面焦距
Figure 977315DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 372524DEST_PATH_IMAGE004
与曲率半径的关系分别为：
Figure 655738DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 478201DEST_PATH_IMAGE006
。
设透镜中心厚度为
Figure 194834DEST_PATH_IMAGE007
，则透镜屈光度
Figure 393734DEST_PATH_IMAGE008
和总焦距
Figure 531455DEST_PATH_IMAGE009
是
Figure 524819DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 482410DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 219422DEST_PATH_IMAGE012
的函数：
Figure 211649DEST_PATH_IMAGE013
。
当
Figure 641493DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 335649DEST_PATH_IMAGE015
的绝对值远大于透镜中心厚度
Figure 610772DEST_PATH_IMAGE016
时，可忽略
Figure 457505DEST_PATH_IMAGE017
项，即：
Figure 792672DEST_PATH_IMAGE018
。
由前所述，PC材质对不同波长的光线折射率不同，因此折射透镜对不同波长光线的焦距和屈光度不同。对比透镜对644nm红光的屈光度
Figure 990435DEST_PATH_IMAGE019
和480nm蓝光的屈光度
Figure 69249DEST_PATH_IMAGE020
，可知：
Figure 19757DEST_PATH_IMAGE021
。
由于该部分色散由折射引入，因此记为
Figure 791404DEST_PATH_IMAGE022
。由上式可知，
Figure 742042DEST_PATH_IMAGE023
仅与透镜材质和波长有关，与透镜面型无关。图3是PC材质折射透镜的轴向色差曲线，透镜屈光度为23.36D，由该曲线可知，该透镜对红光和蓝光的轴向色差约1.3mm，即红光焦点和蓝光焦点在光轴L上的距离为1.3mm，且480nm光的聚焦点更靠近透镜，644nm光的聚焦点更远离透镜，这种色差被称为正色差。
折射透镜的另一常见问题是中心-边缘厚度差异较大：当透镜材质（PC）、折射率（
Figure 93389DEST_PATH_IMAGE024
@546nm）确定后，透镜表面必须具备充分的斜率，才能将入射的平行光折射到透镜焦点。图4是前述PC材质折射透镜侧视图，透镜屈光度为23.36D，直径28mm，边缘厚度1.5mm，中心厚度达到17.16mm，边缘厚度和中心厚度的差距超过1:10。注塑成型过程中，过大的中心-边缘厚度差异会导致透镜中心缩水，不利于保持面型。
衍射透镜在透镜的一个或两个表面设置不等距的圆环型台阶结构，利用衍射光学原理实现屈光。台阶的间距和高度，由透镜表面各点的入射光角度、出射光角度、光程调制量、透镜折射率和谐衍射系数共同决定。在衍射结构的作用下，光线的偏折角与波长成正比，即光线波长越长，透镜屈光度越大。图5为衍射透镜的轴向色差曲线，透镜屈光度为23.81D，对红光和蓝光的轴向色差约12mm，约为折射透镜的9倍；轴向色差方向与同等条件的折射透镜相反，644nm光的聚焦点更靠近透镜，480nm光的聚焦点远离透镜，这种色差被称为负色差。
折衍射混合光学技术利用了上述折射透镜和衍射透镜的色散特性，在传统折射光学面上加入衍射结构，将透镜的部分屈光度分配给衍射屈光，通过衍射屈光的负色差和折射屈光的正色差相互抵消，降低透镜的整体色散。
中国专利CN109716175A（专利名称为衍射透镜和使用其的车载用灯具）中记载的透镜具有如下特性：利用衍射屈光分担了透镜30%～60%的屈光度，从而降低透镜边缘-中心厚度差和透镜整体厚度，获得良好的一次注塑成型特性，该方案实质上是设计向工艺妥协。如前文所述，衍射屈光的色散系数远大于折射色散：对色散较高的PC材料而言，轴向衍射色散的绝对值是轴向折射色散的9倍；对色散系数较低的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料而言，轴向衍射色散的绝对值是轴向折射色散的19倍。过多的引入衍射屈光会带来严重色散，影响近光截止线的光色。以中国专利CN109716175A中采用的PMMA材料为例，设透镜直径为56mm、透镜本体总屈光度20mm-1，边缘厚度1.5mm，透镜衍射屈光度占比、边缘中心厚度比和轴向色差对照表如图6所示，纯折射透镜（衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度0%）的轴向色差为正色差，640nm和480nm光的轴向色差为0.8mm；当衍射屈光度占透镜本体总屈光度达到5%时，衍射色差超过折射色差，透镜整体表现出轴向负色差；当衍射屈光度占透镜本体总屈光度超过10%时，透镜轴向色差绝对值大于纯折射透镜，也就是衍射结构的引入反而加大了透镜的轴向色差；当衍射屈光度占透镜总屈光度的30%时，透镜边缘厚度和中心厚度之比约为1：2，但轴向色差达到8mm；当衍射屈光度占透镜本体总屈光度的60%时，轴向色差达到18mm。因此，本发明将透镜衍射结构的屈光度限制在总透镜屈光度的20%以下，避免衍射结构引入过量色差。
分层注塑是解决透镜注塑成型问题、提升注塑面型精度的有效手段，通过二次注塑的方法确保透镜面型精度，这样可以更合理地分配透镜的折射/衍射屈光度，确保近光截止线光色。
如图12所示的一种车用灯具，具有近光光源707、近光反射板706、近光挡板705以及透镜，该透镜采用上述结构；近光反射板706盖设于近光光源707外侧，透镜位于近光光源707出光侧，且近光挡板705位于近光光源707和透镜之间。该图中，第二折衍射面2作为使用入射面703，第一折衍射面1作为使用出射面702。
实施例1
图7是折衍射混合透镜性能测试的侧视图，图8是本实施例中折衍射混合透镜的参数表的图。透镜正常使用时，光源位于第二折衍射面2同侧，第二折衍射面2为入射面，第一折衍射面1为出射面。
但是，准直光学器件在测试性能时，一般采用反向光路设计检测，通过对平行光的聚焦来评价透镜性能，因此图7中右侧是透镜焦点404，第一折衍射面1作为测试入射面402，第二折衍射面2作为测试出射面403。测试入射面402具有包络面405，包络面405设有衍射结构406。
本实施例中透镜材料为聚碳酸酯（PC），该材料具有优秀的耐热特性，维卡软化温度达到140℃，可以满足汽车前灯热量要求，但色散系数较大。本实施例的设计波长为480nm和580nm，PC对这两个波长的折射率分别为
Figure 445873DEST_PATH_IMAGE025
1.601和
Figure 591684DEST_PATH_IMAGE026
。当透镜屈光度为23.06D，如果采用全折射透镜，两个波长的屈光度差异约为-0.55D，占透镜本体总屈光度的-2.3%。而全衍射透镜的两个波长屈光度差异达到4.07mm-1，相当于透镜本体总屈光度的20.8%。为了消除透镜色散，折射屈光度约为衍射屈光度的9倍，衍射屈光度占透镜总屈光度的10%。
图9是本实施例中透镜的轴向色差曲线图，该图可以看出，通过折衍射混合方法优化后，透镜对488nm～644nm光线的轴向色差少于0.3mm，其中重点优化的480nm和580nm光线，轴向色差不超过0.05mm。
实施例2
与实施例1不同之处为：本实施例中透镜的参数表如图10所示。
本实施例中透镜的材料为三菱瓦斯EP-6000，材料折射率
Figure 29618DEST_PATH_IMAGE027
，色散系数阿贝数
Figure 168344DEST_PATH_IMAGE028
，玻璃转化温度达到145℃。本实施例的设计波长为480nm和644nm，EP-6000对这两个波长的折射率分别为
Figure 640914DEST_PATH_IMAGE029
1.657和
Figure 957626DEST_PATH_IMAGE030
。当透镜本体总屈光度为24.76D时，如果采用全折射透镜，两个波长的屈光度差异约为-1.02D，占透镜本体总屈光度的4%。为了消除透镜色散，折射屈光度约为衍射屈光度的8倍，衍射屈光度占透镜本体总屈光度的11%。图11是实施例2中透镜的轴向色差曲线图，通过折衍射混合方法优化后，透镜对480nm～644nm光线的轴向色差小于0.3mm，其中重点优化的480nm和644nm光线，轴向色差不超过0.05mm。
综上所述，本发明结构简单，设计合理，操作简便，透镜具有良好的耐热性和较低的色散，对焦点处发出的、不同波长的发散光具备良好的准直性，能使近光光束的截止线锐利、避免截止线发彩变模糊，如图13所示。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (7)

1.一种透镜，其特征在于：所述透镜通过分层注塑的方式加工而成，可将透镜焦点处发出的发散光准直，形成平行光；所述透镜为折衍射混合透镜，包括透镜本体，透镜本体上设有沿光轴L方向相对的第一折衍射面（1）和第二折衍射面（2），其中第二折衍射面（2）位于靠近透镜焦点的一侧，第一折衍射面（1）位于远离透镜焦点的一侧；第一折衍射面（1）和第二折衍射面（2）至少有一个折衍射面具有关于光轴L为旋转对称的衍射结构，衍射结构的屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述第一折衍射面（1）为凸面，第二折衍射面（2）为平面或凸面。
3.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于：所述第一折衍射面（1）上设有衍射结构，第一折衍射面（1）的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
4.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于：所述第二折衍射面（2）上设有衍射结构，第二折衍射面（2）的衍射结构屈光度占透镜本体总屈光度的1%～20%。
5.根据权利要求1或2所述的透镜，其特征在于：所述第一折衍射面（1）和第二折衍射面（2）上分别设有衍射结构，两者衍射结构屈光度之和占透镜本体总屈光度的1%～20%。
6.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜本体中通光孔径中距离光轴L最远处的厚度为边缘厚度H1,所述第一折衍射面（1）和第二折衍射面（2）与光轴L交点的距离为透镜中心厚度H2，H1：H2=1:30～1:2。
7.一种车用灯具，其特征在于：具有近光光源（707）、近光反射板（706）、近光挡板（705）以及透镜，该透镜采用如权利要求1～6任一项所述结构；所述近光反射板（706）盖设于近光光源（707）外侧，透镜位于近光光源（707）出光侧，且近光挡板（705）位于近光光源（707）和透镜之间。
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