CN115307103A - 准直光路及使用该准直光路的镜头模组和信号投影灯 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准直光路及使用该准直光路的镜头模组和信号投影灯，其中的准直光路包括沿同一光轴由像侧到物侧方向依次设有的柱面镜和至少一个正光焦度的凸透镜；柱面镜的像侧面和/或物侧面为凸面。本发明通过准直光路加入柱面镜可以用来控制光斑的纵横比，使得通过菲林板的光的利用率显著提高，从而使得入射到投影光路的光通量增加，最终提升路面投影图案的照度。

Description

准直光路及使用该准直光路的镜头模组和信号投影灯
技术领域
本发明涉及投影灯技术领域，尤其涉及一种准直光路及使用该准直光路的镜头模组和信号投影灯。
背景技术
汽车的蓬勃发展，将智能驾驶和像素化大灯变成了汽车发展的潮流。在这种人车交互的情形下，通过地面投影的方式实现可视化交互有着独特的优势。例如自适应远光灯，地毯灯，迎宾灯以及信号投影灯等汽车灯具层出不穷，由于信号灯警示的局限性，信号灯固有的发光角度在日常驾驶中会被车辆或物体遮挡造成视野盲区，使行人或车辆无法了解到驾驶人的意图从而引发交通事故。因此通过地面投影的方式在照明不佳、视线阻挡时与信号灯同步警示，可以有效降低因转向、变道或急刹造成的交通事故。
信号投影灯主要包括微透镜阵列(MLA:micro lens array)投影、菲林投影、DLP(Digtal Light Procession)投影和自由曲面等方式。相比于其他投影方式，DLP投影虽然可以实现图案动态可编辑，然而其结构复杂、造价昂贵，未来在车辆上的普及度可能不高；其他几种投影方式虽结构简单，但是无法实现图像编辑，而且MLA投影的成本高，自由曲面的镜头模组大，相比而言，成本低、具有小型化特点的菲林投影有望成为信号投影灯的热门技术。
然而无论用哪种投影方式，地面投影图案照度在远端都表现不佳；投影图案照度低、投影图案小或投影距离近都会导致投影图案警示作用不够，而这些都是目前信号投影灯的难点。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种准直光路，以解决提高通过菲林板的光的利用率的技术问题。
本发明的第二目的是提供一种镜头模组，以解决提高镜头模组中通过菲林板的光的利用率的技术问题。
本发明的第三目的是提供一种信号投影灯，以解决提高信号投影灯中通过菲林板的光的利用率的技术问题。
本发明的准直光路是这样实现的：
一种准直光路，包括：沿同一光轴由像侧到物侧方向依次设有的柱面镜和至少一个正光焦度的凸透镜；其中
所述柱面镜的像侧面和/或物侧面为凸面。
在发明可选的实施例中，所述准直光路包括由像侧到物侧方向依次设有的两个正光焦度的凸透镜。
在发明可选的实施例中，所述凸透镜采用球面或非球面结构体。
在发明可选的实施例中，所述凸透镜采用玻璃材料或耐高温的塑料材料制成。
本发明的镜头模组是这样实现的：
一种镜头模组，包括：沿同一光轴由像侧到物侧方向依次设有的投影光路、菲林片、所述的准直光路以及LED光源。
在发明可选的实施例中，所述投影光路的光圈系数F<2.0。
在发明可选的实施例中，所述准直光路满足：θ>25°；其中
θ为所述准直光路对所述LED光源的最大收光角的半场角。
在发明可选的实施例中，所述准直光路中与所述LED光源相对的凸透镜与LED光源的距离大于1mm。
在发明可选的实施例中，所述投影光路包括由像侧到物侧方向依次设有的正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜和正光焦度的第三透镜。
本发明的信号投影灯是这样实现的：
一种信号投影灯，包括：至少两个所述的镜头模组。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：本发明的准直光路及使用该准直光路的镜头模组和信号投影灯，准直光路加入柱面镜可以用来控制光斑的纵横比，使得通过菲林板的光的利用率显著提高，从而使得入射到投影光路的光通量增加，最终提升路面投影图案的照度。同时，本发明的信号投影灯中单个镜头模组的结构简单，LED光源、准直光路、菲林片以及投影光路沿光轴顺序排放，不仅造价低廉，而且量产性高。
附图说明
图1为本发明的信号投影灯在第一种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图；
图2为本发明的信号投影灯在第一种实施方式下的路面投影图案示意图；
图3为本发明的信号投影灯在第一种实施方式下菲林片示意图；
图4为不采用柱面镜的准直光路产生的光斑图案；
图5为本发明的信号投影灯在第一种实施方式下产生的光斑图案；
图6为本发明的信号投影灯在第二种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图；
图7为本发明的信号投影灯在第三种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图。
图中：光轴a、第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、柱面镜4、凸透镜5、透镜组6、菲林片S1、LED光源S2、开孔图案b。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
请参阅图1至图7所示，本实施例提供了一种准直光路，包括：沿同一光轴a由像侧到物侧方向依次设有的柱面镜4和至少一个正光焦度的凸透镜5。
具体的，首先，本实施例中的准直光路可以只采用一个凸透镜5，还可以是采用两个凸透镜5形成的组合，还可以是更多的凸透镜5来形成的组合。对于其中只采用一个凸透镜5的情况来说，这个凸透镜5可以是像侧面和物侧面都是凸面的结构，也可以是其像侧面为凸面且物侧面为平面的结构。对于采用两个凸透镜5的情况来说，这两个凸透镜5可以都是像侧面为凸面且物侧面为平面的结构。上述情况都满足本实施例的使用需求，当然凸透镜5的情况也不限于上述举例。
在上述结构的基础上，需要加以说明的是，凸透镜5可以采用球面或者是非球面结构体，其中采用球面结构体可以降低加工误差和组装误差；采用非球面结构体则是可以获得更好的准直效果。对此本实施例同样不做绝对限定。此外，从材质来说，凸透镜5采用玻璃材料或耐高温的塑料材料制成。
再者，关于柱面镜4，存在以下三种情况：第一种，柱面镜4的像侧面和物侧面都是凸面；第二种，柱面镜4的物侧面是凸面，而像侧面为平面；第三种，柱面镜4的像侧面是凸面，而物侧面为平面。上述三种情况都是满足本实施例的使用需求的。
实施例2：
在实施例1的准直光路的基础上，本实施例提供了一种镜头模组，包括：沿同一光轴a由像侧到物侧方向依次设有的投影光路、菲林片S1、如实施例1的准直光路以及LED光源S2。也就是说准直光路的柱面镜4位于靠近菲林片S1的一侧，而准直光路的凸透镜5位于靠近LED光源S2的一侧。
准直光路的正光焦度的凸透镜5负责将LED光源S2发出的能量尽可能地收集，并使发散的光束可以准直地出射。而柱面镜4的作用是对经过凸透镜5的准直光束进行整形，最终使得入射到菲林片S1上的光斑根据菲林片S1的开孔大小进行调整，减小能量在菲林片S1上的损失。凸透镜5和柱面镜4的配合将光束先收集再整形可以有效提高LED光源S2的利用率。
此外，准直光路满足：θ>25°；其中θ为准直光路对LED光源的最大收光角的半场角。
还有必要说明的是，准直光路中与LED光源S2相对的凸透镜5与LED光源的距离大于1mm。这样设计是为了给准直光路和LED光源S2之间预留足够的空间，防止装配的时候碰撞或产生干涉，降低装配难度。
投影光路包括由像侧到物侧方向依次设有的正光焦度的第一透镜1、负光焦度的第二透镜2和正光焦度的第三透镜3。再者，投影光路的光圈系数F<2.0；光圈系数即相对孔径的倒数，光圈系数等于镜头焦距/入瞳直径。由于经过菲林片S1的光束并不是完全准直的光束，因此投影光路需要采用大孔径结构来提高光效。
再者，结合附图举例一种可选的情况来说，对于此处的投影光路包括的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，其中第一透镜1和第三透镜3均为双凸透镜，而第二透镜2则是采用双凹透镜，通过采用双凹透镜结构的第二透镜2能够有效消除色散，从而有效提高成像质量。
在本实施例中为了提高LED光源S2在不同发光位置发出光束的准直度，需要准直光路中有相应的变量来矫正像差，因此可以通过改变准直光路中的凸透镜5的曲率半径，凸透镜5的镜片厚度或镜片材料来实现，也可以通过增加凸透镜5的数量组成光焦度为正的透镜组6实现。
实施例3：
在实施例2的镜头模组的基础上，本实施例提供了一种信号投影灯，包括：至少两个实施例2的镜头模组。本实施例中的信号投影灯可用于转向投影或者倒车投影或者在汽车行驶中可在路面投影图案用于警示作用。
对于本实施例的信号投影灯采用至少两个镜头模组来说，每个镜头模组中的菲林片S1上的开孔图案b取决于投影光路的投影距离、放大率、投影角度以及投影到地面上图案的形状和尺寸限制。由于相同尺寸的投影图案，投影到不同距离所需要的光线出射角不同，因此采用不同的镜头模组来适配不同的投影需求。
另外，本实施例采用多个镜头模组和LED光源S2搭配，可以有效抑制LED光源S2实现流水效果时串光；例如，在点亮近端图案时，由于串光导致其他位置图案也投影出图像，从而影响信号投影灯的流水式效果。同时采用多个镜头模组投影，可以降低投影光路的出射角需求(投影光路的出射角是指经过投影光路的出射光线之间最大的夹角)，从而提高镜头模组共同形成的投影性能和图案照度。
当LED光源S2点亮时，朗伯分布的光通过准直光路形成准直光照射在菲林片S1上，菲林片S1上的开孔图案b再通过投影光路投射到路面上。
以下举例三组具体的实施方式，用以具体阐述本实施例的信号投影灯。由于信号投影灯的难点主要集中在投影出远端图案的镜头模组上，因此三组实施方式中主要对投影出远端图案的模组进行说明。
如图2所示，三组实施方式的路面投影图案均采用三个等边三角形，等边三角形的边长为300mm，图案最近端到最远端距离为1500mm。
以下三组实施方式由于投影图案尺寸和投影距离均采用图2设置，因此均采用同一种投影光路。
下表1列出三组实施方式中的投影光路的各透镜相关参数：
表面编号 表面类型 曲率半径R 厚度 折射率 阿贝数 口径D
孔径光阑 球面 Infinity -1.689819 4.745
S1 球面 7.506 4.356 1.5365 55.981 4.745
S2 球面 -16.659 0.891 4.330
S3 球面 -8.853 1.5 1.5855 29.909 4.083
S4 球面 6.030 0.4 3.837
S5 非球面 4.944 5.032 1.5365 55.981 4.243
S6 非球面 -5.453 4.557 4.166
物面 球面 Infinity
其中，非球面方程可使用以下公式：
Figure BDA0003822208820000071
其中，z：透镜顶点到光轴a方向的距离，c：透镜的基本曲率，r：朝向垂直于光轴a方向的距离，k：二次圆锥常数，ai:非球面系数，pi:径向坐标，N设置的项数，i：下标系数。
第三透镜3的两个面对应的非球面系数如表2所示：
Figure BDA0003822208820000081
图1为第一种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图。这种实施方式下准直光路的凸透镜5采用球面玻璃材料(折射率1.497，阿贝数81.6)制备。
菲林片S1上的图案如图3所示，由于投影光路与地面存在投影角度，因此想要远端图案在地面投射出等边三角形，进入投影光路的物需要调整成如图3所示的等腰三角形。而菲林片上S1开孔的尺寸横向与纵向比例差异较大，采用常规旋转对称的透镜制成的准直光路投射在菲林片上的光斑如图4所示，整个菲林片开孔尺寸在光斑占比过小，导致大多数的光束都被菲林片S1遮挡，因此经过菲林片的光效很低；如图5所示，采用柱面镜4设计的准直光路可以将入射到菲林片S1上的光斑在纵向进行压缩，提高菲林片S1的开孔尺寸在光斑上的占比，从而提高经过菲林片S1的光效。
图6为第二种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图。这种实施方式下的凸透镜5采用非球面塑料材料(折射率1.5365，阿贝数55.981)制备。
图7为第三种实施方式中的投影出远端图案的模组示意图。这种实施方式下的凸透镜5采用球面玻璃材料(折射率1.847，阿贝数23.8)制备。
综上，本实施例的信号投影灯，通过柱面镜4对入射到菲林片S1上的光束进行压缩，可以有效提高通过菲林板S1的光效；同时合理搭配准直光路和投影光路的镜片参数，可以提升信号投影灯的图案照度、投影距离以及图案尺寸，整个系统结构简单，成本低廉，在量产性上也富有优势。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (10)

1.一种准直光路，其特征在于，包括：沿同一光轴由像侧到物侧方向依次设有的柱面镜和至少一个正光焦度的凸透镜；其中
所述柱面镜的像侧面和/或物侧面为凸面。
2.根据权利要求1所述的准直光路，其特征在于，所述准直光路包括由像侧到物侧方向依次设有的两个正光焦度的凸透镜。
3.根据权利要求1或2所述的准直光路，其特征在于，所述凸透镜采用球面或非球面结构体。
4.根据权利要求1或2所述的准直光路，其特征在于，所述凸透镜采用玻璃材料或耐高温的塑料材料制成。
5.一种镜头模组，其特征在于，包括：沿同一光轴由像侧到物侧方向依次设有的投影光路、菲林片、如权利要求1～4任一项所述的准直光路以及LED光源。
6.根据权利要求5所述的镜头模组，其特征在于，所述投影光路的光圈系数F<2.0。
7.根据权利要求5所述的镜头模组，其特征在于，所述准直光路满足：θ>25°；其中
θ为所述准直光路对所述LED光源的最大收光角的半场角。
8.根据权利要求5所述的镜头模组，其特征在于，所述准直光路中与所述LED光源相对的凸透镜与LED光源的距离大于1mm。
9.根据权利要求5所述的镜头模组，其特征在于，所述投影光路包括由像侧到物侧方向依次设有的正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜和正光焦度的第三透镜。
10.一种信号投影灯，其特征在于，包括：至少两个如权利要求5～9任一项所述的镜头模组。
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