CN217899759U - 发光装置、便携照明装置和车用前照灯 - Google Patents

Abstract

提出一种发光装置，包括光源和整形透镜，该整形透镜包括位于其中心区域的第二区和围绕在第二区周围的第一区，光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第一部分光入射于整形透镜的第一区，第二部分光入射于整形透镜的第二区；其中，第一区能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光入射于第一区并被第一区折射并准直后形成准直光出射；第二区的中心与整形透镜的中心重合，且第二区中心的法平面与第二部分光的光轴垂直，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

Description

发光装置、便携照明装置和车用前照灯

技术领域

本实用新型涉及照明领域，特别是涉及高光强的发光装置和使用该发光装置的便携照明装置和车用前照灯。

背景技术

照明领域中，高光强照明属于特种照明。与通用照明不同的是，高光强照明要求光线尽量平行的射出，也就是在发散角尽量的小，这样才能在传播一段距离之后仍保持中心较高的照明强度。

根据光学扩展量守恒定律，高光强照明必须使用高亮度的光源，光源的亮度决定了照明灯具的光强的上限。而为了实现这个上限，还必须使用相匹配的经过专门设计的透镜。如图1所示，光源101发出的多条发散的光线121经过透镜102的折射后形成平行光束122出射。透镜122一般是专门设计的非球面透镜，使得从发光点发出的每个角度的入射光都能够经过透镜两个表面先后折射后向同一个方向出射。

图1所示的照明装置，虽然可以实现高度准直的光束，可以实现中心高光强的输出，但是在实际应用中也存在照明范围过小的问题。因为光线都集中在中心的一个很小的角度以内，导致在照明装置的一定距离以内，光束都是一个很小的光斑，这个光斑以内的照明非常亮，而这个光斑以外的物体完全照不到。对于便携照明装置(例如手电)，在近处照明一个大范围，也是需要的。因此图1所示的照明装置在实际应用中会由于照射范围过小而受限。

发明内容

为解决以上提到的照明范围过小的问题，同时还要保持中心高光强的输出，本实用新型提出一种发光装置，包括光源和整形透镜，该整形透镜包括位于其中心区域的第二区和围绕在第二区周围的第一区，光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第一部分光入射于整形透镜的第一区，第二部分光入射于整形透镜的第二区；其中，第一区能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光入射于第一区并被第一区折射并准直后形成准直光出射；第二区的中心与整形透镜的中心重合，且第二区中心的法平面与第二部分光的光轴垂直，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

上述的发光装置中，整形透镜包括连续光滑的曲面，第一区和第二区分别包括该连续光滑曲面的不同部分。

上述的发光装置中，第二区的中心在第二区的曲面上形成凹陷。

本实用新型还提出一种发光装置，包括光源和整形透镜，该整形透镜包括位于其中心区域的第二区和围绕在第二区周围的第一区，光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第一部分光入射于整形透镜的第一区，第二部分光入射于整形透镜的第二区；其中，第一区能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光入射于第一区并被第一区折射并准直后形成准直光出射；第二区与第一区的至少部分交界处是连续且平滑的，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

上述的发光装置中，整形透镜为旋转对称的。

上述的发光装置中，第二区的中心在第二区的曲面上形成凹陷。

上述的发光装置中，还包括位于光源与整形透镜光路之间的光收集透镜，用于将光源发出的光收集并投射到整形透镜。

上述的发光装置中，光源包括激光发生器和波长转换装置，该激光发生器发出激光，该激光入射并激发波长转换装置并使其受激发射荧光，该荧光入射于整形透镜。

本实用新型还提出一种便携照明装置，包括上述的发光装置，还包括结构件和电池，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内，电池为发光装置中的光源供电。

本实用新型还提出一种车用前照灯，包括上述的发光装置，还包括结构件，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内。

在本实用新型中，光源发出的第一部分光入射于整形透镜的第一区并被第一区准直出射，形成准值的高亮度出射光，实现了远距离照明的需求。同时，光源发出的第二部分光入射于整形透镜的第二区，由于第二区与第一区至少有部分交界处是连续且平滑的，或者第二区的中心法平面是垂直于第二部分光的光轴的，这样都可以使得第二部分光经过整形透镜后的中心有光，这样第二部分光所形成的发散出射光的中心不存在暗区，可以与高亮的准直光衔接而不存在暗区，这样就解决了传统方案中远射照明和近距离照明两者不能兼顾的问题。另外，整形透镜的第一区位于整形透镜的外围，这部分口径大的区域具有更强的光准直能力，也就是利用口径大的部分对光源发出的第一部分光进行准直，可以获得更强的远射照明能力。

附图说明

图1表示了现有技术中高光强的发光装置的光路示意图；

图2a、2b分别表示本实用新型第一实施例正视和俯视两个方向上的示意图；

图2c表示第一实施例中远场光斑的示意图；

图3a、3b分别表示本实用新型另一个实施例正视和俯视两个方向上的示意图；

图4表示本实用新型另一个实施例的光路示意图；

图5a表示本实用新型另一个实施例的光路示意图；

图5b表示图5a实施例的远场光斑的示意图。

具体实施方式

本实用新型提出一种发光装置，其第一实施例的结构示意图如图2a所示，其俯视示意图如图2b所示。在本实施例的发光装置中，发光装置包括光源201和整形透镜202，该整形透镜202包括位于其中心区域的第二区202b和围绕在第二区周围的第一区202a，光源201发出的光包括第一部分光221和第二部分光222和223，第一部分光221入射于整形透镜的第一区202a，第二部分光入射于整形透镜的第二区202b。其中，第一区202a能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源201的发光点重合，第一部分光221入射于第一区202a并被第一区折射并准直后形成准直光231出射；第二区202b与第一区202a的至少部分交界处是连续且平滑的，第二部分光入射于第二区202b并被第二区202b折射并形成发散光出射。

在本实施例中，第一部分光221从光源201发出后直接入射于整形透镜202的第一区202a，而整形透镜的第一区就设计成准直透镜，其焦点位于光源201的发光点，这样第一部分光221就可以被整形透镜的第一区202a折射并形成准直光231出射。准直光231由于其自身的准直特性，在传播一段距离之后扩散也比较小，因此在远场就可以形成集中于中心的高亮度光斑，如图2c中的光斑242a所示。图2c是本实施例的远场照明光斑的示意图。

下面重点描述一下整形透镜202的第二区202b的工作原理。

在本实施例中，整形透镜202的第二区202b与第一区202a的至少部分交界处是连续且平滑的，这使得入射于交界处的光线的出射角度是缓慢的变化和过渡的。由于光源201发出的光线入射于整形透镜的第一区后是准直出射的，那入射于两个区交界处的第一区这一侧时当然也是准直出射的，因此可以理解，第二部分光中入射于第二区202b这一侧的光线中越靠近两个区的交界处，光线就越准直，这部分入射于交界处的边缘光线在图2a中用光线222表示，其接近准直的出射光用光线232表示；从极限角度来说，第二部分光中刚好入射于两个区的交界处的光线就是准直出射的。这样，第二部分光中的这部分边缘的出射光线232就保证了第二部分光的出射光的中心是有光的。另一方面，整形透镜202的第二区202b的设计可以通过折射使得入射的非边缘的第二部分光223适当的发散，形成发散的出射光233，这部分光经过一段距离的传播后会比较快的扩散开，并在远场形成一个大范围的照明光斑，如图2c中的光斑242b所示。

综上所述，利用整形透镜的第一区对第一部分光的准直作用而形成准直光束并在远场形成中心高亮光斑，同时利用整形透镜的第二区对第二部分光的折射而形成发散光斑并在远场形成大范围的照明光斑，同时由于第一区和第二区的至少部分交界处是连续且平滑的，使得发散光斑与准直的高亮光斑之间的亮度是平滑过渡的，避免了两个光斑之间暗区的出现，这符合人们的使用习惯，保证了照明效果。

另外，由于整形透镜的第二区位于整形透镜的中心区域，第一区位于其外围区域，也就是说第一区对应于口径大的区域。根据光学扩展量守恒的原理，透镜的口径越大，其准直光的能力就越强。因此，位于外围的第一区具有比位于中心区域的第二区更好的对光的准直能力，因此第一区用于对第一部分光的准直可以实现更高的中心光强和更远的照射距离。

在本实施例中，整形透镜的第二区的中心是一个不平滑的点202x，光线入射到这个点的两边后折射的方向会发生突变。这样虽然给透镜的加工带来了一些麻烦，但是透镜的设计会变得简单。

在第一实施例中，利用了整形透镜第一区和第二区之间连续平滑的交界处实现了发散光斑的中心照明，从而使得远场的高亮光斑和发散光斑可以平滑的过渡。在本实用新型另一个实施例中，则使用了另外的方案实现这一点。该实施例的发光装置的正视图和俯视图如图3a和3b所示，该发光装置包括光源301和整形透镜302，该整形透镜302包括位于其中心区域的第二区302b和围绕在第二区周围的第一区302a，光源发出的光包括第一部分光321和第二部分光322和323，第一部分光321入射于整形透镜302的第一区302a，第二部分光322和323入射于整形透镜302的第二区302b。其中，第一区302a能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光321入射于第一区302a并被第一区302a折射并准直后形成准直光331出射；第二区302b的中心与整形透镜302的中心重合，且第二区中心的法平面381与第二部分光的光轴垂直，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

具体来说，与第一实施例不同的是，在本实施例中，整形透镜302的第一区302a和第二区302b之间的交界处是不连续的，当然也不是平滑的，第二区302b相对于第一区302a的曲面是内陷的，这样的好处在于透镜厚度比较薄。光源发出的第一部分光321入射于整形透镜302的第一区302a并被其折射并准直出射形成准直光331出射。由于整形透镜302的第二区302b位于整形透镜的中心区域，且其中心与整形透镜302的中心重合，因此光源发出的第二部分光也就是小角度光的光轴是正对整形透镜的第二区302b的中心出射的，沿光轴出射的光在图3a中以光线322表示。又由于第二区302b中心的法平面381与第二部分光的光轴垂直，因此沿光轴出射的光322在透射第二区的中心时必然是垂直入射的，因此其方向不会被偏折从而仍然沿着原方向出射形成中心直射光332，该中心直射光与准直出射光331的传播方向平行。这样就保证了从第二区302b出射的发散光中，必然存在从中心出射的直射光332，也就是避免了远场的发散光斑与准直出射的高亮光斑之间出现暗区的现象。

可以理解，只要合理设计整形透镜302的第二区302b的曲面面型，对于非中心的其它第二部分光323，经过整形透镜302的第二区302b的折射就可以实现发散光输出333。

综上所述，上述两个实施例，分别利用了整形透镜不同的特征来实现第二区出射的发散光的中心照明，从而保证远场光斑中不出现暗区。更加优选的，这两个特征可以结合使用。本实用新型的发光装置的另一个实施例的光路示意图如图4所示。与图3a所示的实施例不同的是，在本实施例中，整形透镜402包括连续光滑的曲面，第一区402a和第二区402b分别包括该连续光滑曲面的不同部分。也就是说，第一区402a和第二区402b的交界处是连续且平滑的。根据对前述两个实施例的描述可知，光源401发出的第二部分光425中，入射于第二区402b与第一区402a的交界处的光会被折射并准直出射，同时沿着第二部分光的光轴的光线不会被弯折而同样沿着中心轴形成直射光，也就是说这两种光都会沿着准直方向出射，这样就进一步确保了散射出射光的远场不会出现中心暗区。可以通过第二区402b的设计，使得其它第二部分光发散出射，并且与准直出射的光共同构成第二区402b的发散出射光435。

由于整形透镜402是连续光滑的曲面，本实施例具有外形美观的优点。

上述实施例的整形透镜都有共同的特点，就是整形透镜的第二区的中心在第二区的曲面上形成凹陷，这样在该凹陷附近就形成了凹透镜的形状，根据光学原理我们知道凹透镜是对入射光有发散作用的，因此该凹陷附近就可以对入射光线进行更好的发散，其作用是为了对入射的第二部分光形成大角度的折射从而形成发散出射光。然而在实际应用中，并不是所有应用场合都需要很大范围的近光照明，有些应用场合只需要照明范围比中心高亮光斑的范围大一些即可。

本实用新型的另一个实施例的光路示意图如图5a所示，其远场光斑的示意图如图5b所示。与图4所示实施例不同的是，在本实施例中，整形透镜502的第二区502b的中心并不形成凹陷而是一个曲率比较小的凸面，这样虽然没有形成凹透镜对光发散的效果，然而由于入射的第二部分光525本身就是发散的，因此只要第二区502b的凸面曲率不太大，经过第二区502b的折射，出射光535仍然可能是发散的，只不过发散的角度比较小而已。另外，第二区502b的曲面也可以设计成比准直的曲率还要大凸面，这样入射的第二部分光就可以被汇聚，在汇聚成一点后再发散，这也是可以形成出射发散光的方法。

综上所述，要从第二区出射发散光，第二区有多种设计方法，其中第二区中心形成凹陷是比较优选的方法，当然实际中还是要根据对发散光的光分布需求来具体设计决定。例如在本实施例中，由于发散光535的发散角度比较小，远场形成的发散光斑542b的尺寸就会显著缩小(与图2c的实施例相比)，然而由于能量守恒，发散光斑的尺寸缩小也意味着照度提高，也就是发散光斑542b更小更亮了，更接近于中心高亮光斑542a，发散光斑542b就可以不作为近处的大范围照明，而是作为远场中心高亮照明的补充而使用。

在本实施例中，还包括位于光源501(在图5a中表示为一个发光点501)与整形透镜502光路之间的光收集透镜505，用于将光源发光点501发出的光收集并投射到整形透镜502。一般来说，光源是朗伯发光的，即发光角度为半角90度，例如LED光源就是如此。这时，就需要光收集透镜505，对光源发出的全角光进行收集，并形成相对较小的光出射角度(例如半角30度)后再投射于整形透镜。

在上述实施例中，优选的，整形透镜为旋转对称的，这样的好处在于对光的利用效率较高。当然，整形透镜也可以根据实际需要切割成其它外形，这并不影响本实用新型的保护范围。

在上述实施例中，并没有描述光源的原理，这是因为本实用新型的发光装置并不限制光源的种类，例如LED光源就可以作为本实用新型中的光源。更加优选的，光源包括激光发生器和波长转换装置，该激光发生器发出激光，该激光入射并激发波长转换装置并使其受激发射荧光，该荧光入射于透镜系统。激光发生器可以产生很小的光斑，该光斑经过波长转换装置的转换后可以形成高亮度的发光光斑，这对于形成高亮度的中心光斑是很有帮助的。

进一步的，本实用新型还提出一种便携照明装置，包括上述的发光装置，还包括结构件和电池，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内，电池为发光装置中的光源供电。例如手电、手持式搜索灯和探照灯，都属于便携照明装置。

本实用新型还提出一种车用前照灯，包括上述的发光装置，还包括结构件，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内。车用前照灯包括汽车用的前照灯，也包括工程车、摩托车用的前照灯等等。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种发光装置，包括光源和整形透镜，其特征在于：该整形透镜包括位于其中心区域的第二区和围绕在第二区周围的第一区，光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第一部分光入射于整形透镜的第一区，第二部分光入射于整形透镜的第二区；

其中，第一区能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光入射于第一区并被第一区折射并准直后形成准直光出射；第二区的中心与整形透镜的中心重合，且第二区中心的法平面与第二部分光的光轴垂直，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述整形透镜包括连续光滑的曲面，所述第一区和第二区分别包括该连续光滑曲面的不同部分。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述第二区的中心在第二区的曲面上形成凹陷。

4.一种发光装置，包括光源和整形透镜，其特征在于：该整形透镜包括位于其中心区域的第二区和包围在第二区周围的第一区，光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第一部分光入射于整形透镜的第一区，第二部分光入射于整形透镜的第二区；

其中，第一区能够对从其焦点发出的光进行准直，第一区的焦点与光源的发光点重合，第一部分光入射于第一区并被第一区折射并准直后形成准直光出射；第二区与第一区的至少部分交界处是连续且平滑的，第二部分光入射于第二区并被第二区折射并形成发散光出射。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于：所述整形透镜为旋转对称的。

6.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于：所述第二区的中心在第二区的曲面上形成凹陷。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的发光装置，其特征在于：还包括位于光源与整形透镜光路之间的光收集透镜，用于将光源发出的光收集并投射到整形透镜。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的发光装置，其特征在于：所述光源包括激光发生器和波长转换装置，·该激光发生器发出激光，该激光入射并激发波长转换装置并使其受激发射荧光，该荧光入射于所述整形透镜。

9.一种便携照明装置，其特征在于：包括权利要求1至6中任一项所述的发光装置，还包括结构件和电池，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内，电池为发光装置中的光源供电。

10.一种车用前照灯，其特征在于：包括权利要求1至6中任一项所述的发光装置，还包括结构件，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内。

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