CN212746315U - 透镜单元、辅助近光模组、透镜、近光照明模组和车辆 - Google Patents

透镜单元、辅助近光模组、透镜、近光照明模组和车辆 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种透镜单元、辅助近光模组、透镜、近光照明模组和车辆，该透镜单元包括后表面(21)和前表面(22)，该透镜单元具有焦线(23)，所述焦线(23)为与所述透镜单元的出光方向垂直的直线，所述后表面(21)和所述前表面(22)适于将经过所述焦线(23)上的光线投射成为平行光线，所述前表面(22)为自由曲面。本实用新型的透镜单元具有柱面透镜的光学特点，能使平行入射的光通过透镜单元后聚焦成一条线，而不是一个焦点，使得该透镜单元的出光面即前表面即使是上下倾斜延伸的自由曲面，只要焦线为与该透镜单元的出光方向垂直的直线，就可以实现符合车灯法规要求的照明光形，不会因前表面的倾斜而影响出光效果。

Description

透镜单元、辅助近光模组、透镜、近光照明模组和车辆
技术领域
本实用新型涉及透镜，具体地，涉及一种透镜单元。此外，本实用新型还涉及包含该透镜单元的辅助近光照明模组、近光照明模组用透镜、近光照明模组以及车辆。
背景技术
近年来，LED光源因其优异的光学性能成为车灯照明系统的主力军，得到越来越多汽车制造厂和消费者的青睐，但是随着消费者对汽车造型的追求，车灯已不再是简单的照明功能，更多的体现了汽车给人第一眼的美学感受，车前大灯的扁平化设计(造型面呈窄长形)成为现在及将来的发展趋势。
传统近光有以下几种设计方式：一种是如中国发明专利CN108375033A公开的采用的通过遮光板来形成近光的截止线得到近光光型，有些车灯为追求近光的展宽，通过遮光板形成额外的辅助近光来补充，这种设计思路主要是应用在具有反射镜结构的模组中，该模组包括照明距离投射单元和照明宽度投射单元，照明距离投射单元可以使得近光光型满足LED近光模组对照明距离的要求，照明宽度投射单元可以使得近光光型满足LED近光模组对照明宽度的要求，该方案设计过程和装配过程十分繁琐，在设计和装配过程中，需要主近光和辅助近光模组的紧密配合，否则可能会导致公差过大出现法规不合格，并且该方法使用的LED光源多是多芯片集成的，很不利于LED的散热，造成更多的能量损耗，此外该方案需要使用尺寸较大的单焦点透镜来配合设计，不利于车灯的小型化设计趋势。第二种是如中国发明专利CN110440217A公开的采用聚光器的形式形成近光，在某些特定的聚光器上做结构，最后通过一个单焦点的凸透镜成像得到近光光型，该方案采用的仍是传统的设计思路，近光光型近似是每个光源形成的光型的叠加，所以对每一个聚光器的出光方向要求精确调控，仍然采用尺寸较大的凸透镜。以上两者都是采用传统的具有单一焦点特性的凸透镜(平行光从透镜前方入射后汇聚于这一焦点)，通过将多个光源的光汇聚到该透镜的焦面(焦面由于场曲像差的原因，实际会向后弯曲)进行成像来实现近光功能，透镜前表面对设计有很大的限制，不能实现车灯造型多样化设计。此外，中国发明专利CN108224356A公开了采用共用前表面生成后表面得到多焦点常规透镜的方法，该方案的原理是将前表面进行区域性划分，每个区域都能结合前表面形成后表面，得到具有特定焦距的透镜，这个方案形成的透镜具有相同曲率的前表面，每个独立区域形成的透镜具有唯一焦点，内表面不是光滑连续的，该方案要求透镜的每个内曲面都对应一个焦点，透镜出光面的上下开口尺寸仍不能做小，仍然难以实现扁平化设计；其次，该方法得到的透镜仍然是典型的球面透镜，焦点唯一，不利于更多光源的排布。
因此，需要设计一种新型的可缩小出光面的上下开口尺寸、实现扁平化设计并利于更多光源散热排布的透镜。
实用新型内容
本实用新型一方面所要解决的问题是提供一种透镜单元，该透镜单元以自由曲面为依托进行设计，实现扁平化及多样化设计。
本实用新型第二方面所要解决的问题是提供一种辅助近光照明模组，该辅助近光照明模组的透镜单元以自由曲面为依托进行设计，实现模组整体扁平化及多样化设计。
本实用新型第三方面所要解决的问题是提供一种近光照明模组用透镜，该近光照明模组用透镜的辅助近光透镜单元以自由曲面为依托进行设计，实现透镜整体扁平化及多样化设计。
本实用新型第四方面所要解决的问题是提供一种近光照明模组，该近光照明模的辅助近光透镜单元以自由曲面为依托进行设计，实现模组整体扁平化及多样化设计。
本实用新型第五方面所要解决的问题是提供一种车辆，该车辆的车灯实现了扁平化和多样化设计。
为了实现上述目的，本实用新型一方面提供一种透镜单元，该透镜单元包括后表面和前表面，该透镜单元具有焦线，所述焦线为与所述透镜单元的出光方向垂直的直线，所述后表面和所述前表面适于将经过所述焦线上的光线投射成为平行光线，所述前表面为自由曲面。
优选地，所述前表面由弧线沿一条设定的自由曲线扫掠而成。
具体地，该透镜单元的开口尺寸小于30mm。
优选地，所述后表面为顺滑曲面。
本实用新型第二方面提供一种辅助近光照明模组，该辅助近光照明模组包括辅助近光初级光学元件和上述的透镜单元，所述焦线设置在所述辅助近光初级光学元件出光面的下边界上。
本实用新型第三方面提供一种近光照明模组用透镜，该近光照明模组用透镜包括主近光形成部和辅助近光形成部，所述主近光形成部包括主近光入光面和主近光出光面，所述主近光入光面形成有至少一个点聚焦曲面，该点聚焦曲面和对应的所述主近光出光面部分适于将经过同一点的光线投射成为平行光线，所述辅助近光形成部为上述的透镜单元。
优选地，所述主近光形成部和所述辅助近光形成部为一体成型件。
本实用新型第四方面提供一种近光照明模组，该近光照明模组包括上述的近光照明模组用透镜，该近光照明模组还包括与所述主近光形成部对应设置的主近光初级光学元件以及与所述辅助近光形成部对应设置的辅助近光初级光学元件，所述主近光形成部的焦点设置在所述主近光初级光学元件出光面的下边界上；所述辅助近光形成部的所述焦线设置在所述辅助近光初级光学元件出光面的下边界上。
优选地，所述近光照明模组包括多个所述主近光初级光学元件，多个所述主近光初级光学元件对应的主近光光源呈阶梯状分布。
具体地，所述近光照明模组用透镜的开口尺寸为10～15mm。
本实用新型第五方面提供一种车辆，该车辆包括上述的辅助近光照明模组或上述的近光照明模组。
通过上述技术方案，本实用新型实现了以下有益效果：
本实用新型的透镜单元具有柱面透镜的光学特点，能使平行入射的光通过透镜单元后聚焦成一条线，而不是一个焦点，使得该透镜单元的出光面即前表面即使是上下倾斜延伸的自由曲面，只要焦线为与该透镜单元的出光方向垂直的直线，就可以实现符合车灯法规要求的照明光形，不会因前表面的倾斜而影响出光效果；本实用新型透镜单元的前表面为自由曲面，可以将透镜做到很宽，尤其适用于做近光展宽光形的透镜，可以让近光光型更宽、更加均匀；此外，该透镜单元适用于上下开口尺寸较小，左右弯曲曲率较大甚至具有上下方向倾斜角度的前表面，特别是类光导型车灯，都可以根据给定的细长且左右延伸或倾斜延伸的前表面以及给定的焦线来得到后表面，从而得到整个透镜单元，就可以轻松解决车灯的配光难题，实现车灯的扁平化及多样化设计，给汽车制造厂提供了更多的造型发挥空间，满足车车灯造型面的多样化。
附图说明
图1是本实用新型的透镜单元的一个实施方式的结构原理图；
图2是图1的侧视图；
图3是图2的俯视图；
图4是本实用新型的透镜单元的设计原理示意图；
图5是本实用新型的透镜单元的设计过程中使用的自由曲面的结构示意图；
图6是本实用新型的透镜单元的设计过程中得到的出射点点云示意图；
图7是本实用新型的透镜单元的设计过程中得到后表面的结构示意图；
图8是本实用新型近光照明模组的一个实施方式中初级光学元件和透镜的位置关系图；
图9是本实用新型近光照明模组的一个实施方式的结构示意图之一；
图10是本实用新型近光照明模组的一个实施方式的结构示意图之二；
图11是本实用新型的近光照明模组投射形成的主近光光形；
图12是本实用新型的近光照明模组投射形成的辅助近光光形。
附图标记说明
1主近光形成部 11主近光入光面
2辅助近光形成部 21后表面
22前表面 23焦线
3主近光光源 31主近光入光部
32主近光电路板 33主近光散热器
34主近光通光部 4辅助近光光源
41辅助近光入光部 42辅助近光电路板
43辅助近光散热器 44辅助近光通光部
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
首先需要说明的是，在下文的描述中为清楚地说明本实用新型的技术方案而涉及的一些方位词，例如“上”、“下”、“前”、“后”等均是按照透镜单元应用到车辆上时车辆正常所指的方位类推所具有的含义，例如，车头所在方位为前，车尾所在方位为后，车顶所在方位为上，车轮所在方位为下。“出光方向”为透镜单元的出光光线的照射方向，可以根据所要实现的车灯的照明功能设定，例如，远近光车灯的出光方向指向车辆的前方，而角灯的出光方向倾斜指向车辆的外侧。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，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实用新型中的具体含义。
参见图1-图3所示，本实用新型的透镜单元包括后表面21和前表面22，该透镜单元具有焦线23，所述焦线23为与所述透镜单元的出光方向垂直的直线，该焦线23位于水平面上，所述后表面21和所述前表面22适于将经过所述焦线23上的光线投射成为平行光线，也就是说，平行光线经所述前表面22进入该透镜单元，经该透镜单元折射后汇聚到无数个焦点，无数个焦点集合成一条直线即为焦线23，所述前表面22为自由曲面。前表面22可以是给定的自由曲面，其是根据想要的造型和特定的要求给定的，也可以由弧线沿给定的一条自由曲线扫掠生成的自由曲面，该前表面22可以是上下尺寸较小，左右弯曲曲率较大甚至具有上下方向倾斜角度的自由曲面。后表面21为曲面，其可以根据给定的细长且左右延伸或倾斜延伸的前表面22以及给定的焦线23和出光方向，根据光学折射定律和曲面拟合原理，最终拟合出目标曲面即透镜后表面21，从而得到整个透镜单元。
该透镜单元具有如下特征：1、具有柱面透镜的光学特点，能使平行入射的光通过透镜单元后聚焦成一条线，而不是一个焦点，使得该透镜单元的出光面即前表面22即使是上下倾斜延伸的自由曲面且无论出光面怎么倾斜，只要通过后表面的设计，使得焦线23为与该透镜单元的出光方向垂直的直线，就可以实现符合车灯法规要求的照明光形，不会因前表面22的倾斜而影响出光效果，而现有技术中的普通的长条形的柱面透镜，如果使出光面上下倾斜设置，那其焦线也会跟着倾斜，投射形成的光形截止线就会倾斜，所得光形也就不对；2、焦线23可以根据所要实现的照明功能设置多种位置，不一定是与车辆的中轴线垂直即左右方向延伸，这样就允许了光源多方式排列，充分给予设计者自由发挥的空间；3、形成的透镜单元开口尺寸(透镜单元或者透镜的开口尺寸指的是其应用到车灯上从车辆前方可观察到的车灯透镜上下方向的尺寸)能做到小于30mm，优选小于15mm，具体高度还可以根据实际要求进行决定。
下面具体说明以上透镜单元的设计过程：已知如图4和图5所示的自由曲面s1即前表面22，根据光路可逆原理可知，所有平行光通过前表面22穿出该透镜单元，其焦点分布在同一焦线23上。如图4所示，f为焦线23上的一点。如图4和图6所示，根据射至呈自由曲面的前表面22上的若干平行入射光线(i0、i1、i2……in)、给定的焦线23以及设定的若干平行入射光线(i0、i1、i2……in)的入射点到若干预设出射点(p0’、p1’、p2’……pn’)的预设距离(d0’、d1’、d2’……dn’)得到出射点(p0、p1、p2……pn)，再利用NURBS(Non-Uniform RationalB-Splines)方法得到如图4和图7所示的目标曲面s2即后表面21，其中，预设距离(d0’、d1’、d2’……dn’)可根据所要得到的透镜单元的厚度设定。具体地，出射点(p0、p1、p2……pn)的计算方法，以一条入射光线i0为例，根据光学折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2(式中n1和n2分别为两个介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角)，计算得出该入射光线i0的出射光线，根据预设距离d0’得到预设出射点p0’，再根据光学折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2，计算该预设出射点p0’的出射光线，若得到的出射光线偏离焦线23上对应的焦点f，则沿过该预设出射点p0’的入射光线以一定的距离取点p0”，并再次计算经该点的出射光线，如此不停地迭代收敛直至计算的出射光线经过对应的焦点f，最终计算得到的出射光线对应的出射点即为后表面21上的点p0。
所述后表面21可以是顺滑曲面。
本实用新型第二方面提供了一种辅助近光照明模组，该辅助近光照明模组包括辅助近光初级光学元件和上述的透镜单元，该透镜单元的焦线23设置在所述辅助近光初级光学元件出光面的下边界上，由所述辅助近光初级光学元件出射的光线经所述透镜单元投射后形成如图12所示的带近光水平截止线的辅助近光光形，该辅助近光光形能够与主近光光形叠加形成完整的近光光形，该主近光光形可以是由常规主近光模组投射形成的主近光光形，例如如图11所示的主近光光形。
本实用新型第三方面提供了一种近光照明模组用透镜，如图8-图10所示，该近光照明模组用透镜包括主近光形成部1和辅助近光形成部2，所述主近光形成部1包括主近光入光面11和主近光出光面，所述主近光入光面11形成有至少一个点聚焦曲面，该点聚焦曲面和对应的所述主近光出光面部分适于将经过同一点的光线投射成为平行光线，所述辅助近光形成部2为上述的透镜单元。
优选地，所述主近光形成部1和所述辅助近光形成部2为一体成型件，主近光形成部1和辅助近光形成部2共用一个出光面，该出光面为自由曲面，其可以根据近光照明模组的造型需求获得，所述前表面22为所述出光面的一部分。一方面，便于主近光形成部1和辅助近光形成部2精准定位，另一方面，可避免在车灯打开时从车灯前方看上去主近光形成部1和所述辅助近光形成部2之间出现暗区。
本实用新型第四方面提供了一种近光照明模组，如图9-图10所示，该近光照明模组包括上述的近光照明模组用透镜，该近光照明模组还包括与所述主近光形成部1对应设置的主近光初级光学元件以及与所述辅助近光形成部2对应设置的辅助近光初级光学元件，所述主近光初级光学元件对应的所述主近光形成部1的焦点设置在所述主近光初级光学元件中的主近光通光部34的出光面的下边界上；所述辅助近光形成部2的所述焦线23设置在所述辅助近光初级光学元件中的辅助近光通光部44的出光面的下边界上，由所述主近光初级光学元件出射的光线经所述主近光形成部1在上下左右方向上汇聚，投射后形成如图11所示的带具有拐点的近光拐点截止线的主近光光形，由所述辅助近光初级光学元件出射的光线经所述辅助近光形成部2投射后形成如图12所示的带近光水平截止线的辅助近光光形，两者叠加形成完整的近光光形。
对于辅助近光，只需要光线出射方向是朝正前方，不需要辅助近光入光部41出光方向的调控，并且上述透镜单元能保证焦点位于同一直线上，使得辅助近光光源4能够沿直线排布，能够设置在同一块辅助近光电路板42上，更有利于辅助近光散热器43的设计和散热。而辅助近光入光部41、辅助近光电路板42、辅助近光散热器43以及辅助近光通光部44与辅助近光光源4对应即可。
由于透镜出光面开口尺寸较小，为使主近光的亮度满足要求，该近光模组包括多个主近光初级光学元件，其分别对应一个焦点，由于各焦点不在同一直线上，因此，对应的主近光光源3也不能设置在同一平面内，需呈阶梯状分布，与其对应的主近光入光部31、主近光电路板32、主近光散热器33以及主近光通光部34均呈阶梯状设置。
上述主近光初级光学元件包括主近光入光部31和主近光通光部34，辅助近光初级光学元件包括辅助近光入光部41和辅助近光通光部44，上述近光照明模组还包括主近光电路板32、主近光散热器33、辅助近光电路板42、辅助近光散热器43。上述主近光入光部31、主近光电路板32、主近光散热器33、主近光通光部34、辅助近光入光部41、辅助近光电路板42、辅助近光散热器43以及辅助近光通光部44均采用现有技术中的结构，不是本申请的创新点，在此不做赘述。
在上述方案的基础上，近光照明模组用透镜的开口尺寸可以缩小至10～15mm，大大降低其占据空间，给汽车制造厂提供了更多的造型发挥空间，满足车灯造型面的多样化。
此外，本实用新型还提供了一种车辆，该车辆包括上述的辅助近光照明模组或上述的近光照明模组。
由以上描述可以看出，本实用新型具有以下优点：本实用新型的透镜单元具有柱面透镜的光学特点，能使平行入射的光通过透镜单元后聚焦成一条线，而不是一个焦点，使得该透镜单元的出光面即前表面即使是上下倾斜延伸的自由曲面，只要焦线为与该透镜单元的出光方向垂直的直线，就可以实现符合车灯法规要求的照明光形，不会因前表面的倾斜而影响出光效果；本实用新型透镜单元的一个面为自由曲面，可以将透镜做到很宽，尤其适用于做近光展宽光形的透镜，可以让近光光型更宽、更加均匀；此外，该透镜单元适用于上下开口尺寸较小，左右弯曲曲率较大甚至具有上下方向倾斜角度的前表面22，特别是类光导型车灯(具有长条形出光面的车灯)，都可以根据给定的细长且左右延伸或倾斜延伸的前表面22以及给定的焦线23来得到后表面21，从而得到整个透镜单元，就可以轻松解决车灯的配光难题，现车灯的扁平化及多样化设计，给汽车制造厂提供了更多的造型发挥空间，满足车车灯造型面的多样化；本实用新型突破了传统的近光设计思路，设计过程更加便捷。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (11)

1.一种透镜单元，其特征在于，包括后表面(21)和前表面(22)，该透镜单元具有焦线(23)，所述焦线(23)为与所述透镜单元的出光方向垂直的直线，所述后表面(21)和所述前表面(22)适于将经过所述焦线(23)上的光线投射成为平行光线，所述前表面(22)为自由曲面。
2.根据权利要求1所述的透镜单元，其特征在于，所述前表面(22)由弧线沿一条设定的自由曲线扫掠而成。
3.根据权利要求1所述的透镜单元，其特征在于，该透镜单元的开口尺寸小于30mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的透镜单元，其特征在于，所述后表面(21)为顺滑曲面。
5.一种辅助近光照明模组，其特征在于，包括辅助近光初级光学元件和根据权利要求1至4中任一项所述的透镜单元，所述焦线(23)设置在所述辅助近光初级光学元件出光面的下边界上。
6.一种近光照明模组用透镜，其特征在于，包括主近光形成部(1)和辅助近光形成部(2)，所述主近光形成部(1)包括主近光入光面(11)和主近光出光面，所述主近光入光面(11)形成有至少一个点聚焦曲面，该点聚焦曲面和对应的所述主近光出光面部分适于将经过同一点的光线投射成为平行光线，所述辅助近光形成部(2)为根据权利要求1至4中任一项所述的透镜单元。
7.根据权利要求6所述的近光照明模组用透镜，其特征在于，所述主近光形成部(1)和所述辅助近光形成部(2)为一体成型件。
8.一种近光照明模组，其特征在于，包括根据权利要求6至7中任一项所述的近光照明模组用透镜，该近光照明模组还包括与所述主近光形成部(1)对应设置的主近光初级光学元件以及与所述辅助近光形成部(2)对应设置的辅助近光初级光学元件，所述主近光形成部(1)的焦点设置在所述主近光初级光学元件出光面的下边界上；所述辅助近光形成部(2)的所述焦线(23)设置在所述辅助近光初级光学元件出光面的下边界上。
9.根据权利要求8所述的近光照明模组，其特征在于，该近光照明模组包括多个所述主近光初级光学元件，多个所述主近光初级光学元件对应的主近光光源(3)呈阶梯状分布。
10.根据权利要求8所述的近光照明模组，其特征在于，所述近光照明模组用透镜的开口尺寸为10～15mm。
11.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求5中所述的辅助近光照明模组或根据权利要求8至10中任一项所述的近光照明模组。
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